Mocvd反应腔及mocvd设备的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种MOCVD反应腔及MOCVD设备。该MOCVD反应腔，包括：MOCVD反应腔，包括：腔体、进气装置和感应线圈，进气装置位于腔体的内部，感应线圈位于腔体的外部，进气装置用于向腔体的内部通入工艺气体，感应线圈用于产生磁场，MOCVD反应腔，还包括：用于承载衬底的承载装置，其中：承载装置与腔体同轴设置，且承载装置位于与中心轴具有设定距离的圆周上；穿过承载装置的磁力线平行于承载装置的表面并且穿过承载装置的磁力线的密度均匀分布。本发明的技术方案中，穿过承载装置的磁力线平行于承载装置的表面且密度均匀分布，使得感应线圈对承载装置的加热温度均匀，从而提高了工艺的均匀性。
【专利说明】MOCVD反应腔及MOCVD设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及微电子【技术领域】，特别涉及一种MOCVD反应腔及具有该反应腔的MOCVD设备。
【背景技术】
[0002]金属有机化合物化学气相淀积(Metal-organicChemical Vapor Deposition,以下简称:M0CVD)技术是在1968年由美国洛克威尔公司的Manasevit等人提出来的用于制备化合物半导体薄片单晶的一项新技术。MOCVD技术是在气相外延生长(Vapor PhaseEpitaxy，以下简称:VPE)的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。该MOCVD技术以III族、II族元素的有机化合物和V、VI族元素的氢化物等作为晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长各种II1-V族、I1-VI族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。在MOCVD反应腔中，MOCVD生长机构及其复杂生长过程涉及输运和多组分、多相的化学反应。
[0003]图1为MOCVD生长过程示意图，如图1所示，氢气作为载气携带MO源和氢化物等反应剂进入反应腔，随着气体流向热基座上加热的衬底，气体的温度逐渐升高，在气相中可能会发生如下气相反应:金属有机化合物与非金属氢化物或有机化合物之间形成加合物，当温度进一步升高时MO源和氢化物及加合物逐步加热分解甚至气相成核。气相中反应品种扩散至衬底表面后首先吸附到表面，然后吸附的品种会在表面迁移并继续发生反应，最终并入晶格形成外延层。衬底表面反应的副产物从生长表面脱附即:解吸，并通过扩散，再回到主气流，被载气带出反应室。
[0004]目前，MOCVD反应腔通常采用感应线圈加热方式对放置于衬底的承载装置进行加热。图2为现有技术中MOCVD反应腔的结构示意图，如图2所示，该MOCVD反应腔包括:腔体1、进气装置3、感应线圈4和多个承载装置2。进气装置3位于腔体I内部的中间位置。承载装置2以多层垂直排布的方式设置于腔体I的内部，且进气装置3可以从承载装置2中心位置开设的孔中穿过，每个承载装置2上均可以承载多个衬底(图中未示出)。感应线圈4缠绕于腔体I的外壁上。进气装置3向腔体I内通入反应气体，该反应气体水平流到承载装置2上的衬底表面。其中，承载装置2可以为圆形的托盘。
[0005]现有技术中，感应线圈4通过产生的磁场对承载装置2进行加热，在对承载装置2进行加热的过程中，感应线圈4产生的磁场中穿过承载装置2的磁力线与承载装置2的表面垂直。承载装置2上距离感应线圈4较近的位置(即靠近腔体I的位置)磁力线密集，加热温度也较高；承载装置2上距离感应线圈4较远的位置(即靠近进气装置3的位置)磁力线稀疏，加热温度也较低。因此，磁场中穿过承载装置的磁力线的密度沿承载装置2径向分布是不均匀的，这导致承载装置2的加热温度不均匀，从而降低了工艺的均匀性。
【发明内容】
[0006]本发明的M OCVD反应腔及MOCVD设备，提供了一种新的MOCVD反应腔结构，该设计能够避免衬底承载装置的感应加热不均匀的问题，从而提高工艺的均匀性。
[0007]为实现上述目的，本发明提供了一种MOCVD反应腔，包括:腔体、进气装置和感应线圈，所述进气装置位于所述腔体的内部，所述感应线圈位于所述腔体的外部，所述进气装置用于向所述腔体的内部通入工艺气体，所述感应线圈用于产生磁场，所述MOCVD反应腔，还包括:用于承载衬底的承载装置，其中:
[0008]所述承载装置与所述腔体同轴设置，且所述承载装置位于与中心轴具有设定距离的圆周上；
[0009]穿过所述承载装置的磁力线平行于所述承载装置的表面并且穿过所述承载装置的磁力线的密度均匀分布。
[0010]可选地，所述腔体为筒状结构，所述承载装置为筒状结构。
[0011]可选地，所述承载装置的内表面上开设有若干个凹槽，每个凹槽中放置一个衬底。
[0012]可选地，所述承载装置表面上开设的凹槽呈斜坡状，斜坡状的凹槽整体向腔体的外侧倾斜，凹槽的表面与竖直面呈设定夹角，设定夹角小于10°且大于0°。
[0013]可选地，所述进气装置的外壁上开设有若干个进气口，进气口均匀分布于进气装置的外壁上，所述承载装置的内表面朝向所述进气装置，所述进气装置向腔体内通入的工艺气体的气流方向与承载装置的内表面垂直。
[0014]可选地，所述承载装置的数量为多个，多个承载装置均匀排布于与中心轴具有相同距离的圆周上。
[0015]可选地，所述承载装置绕轴向以预定速度旋转，所述承载装置的表面与所述进气装置之间的距离以及所述进气装置外壁上开设的进气口的宽度根据所述预定速度设置。
[0016]可选地，所述预定速度越大，所述承载装置的表面与所述进气装置之间的距离越大，所述进气口的宽度越大。
[0017]可选地，所述预定速度大于或者等于50rpm且小于200rpm，所述承载装置的表面与所述进气装置之间的距离为10mm，所述进气口的宽度为0.05mm ;或者，
[0018]所述预定速度大于或者等于200rpm且小于或者等于1500rpm，所述承载装置的表面与所述进气装置之间的距离为50mm，所述进气口的宽度为1mm。
[0019]可选地，所述承载装置与所述腔体之间形成有排气通道，所述承载装置上开设有若干排气口，所述排气口与所述排气通道连通；
[0020]所述排气口，用于将反应后的工艺气体排出至所述排气通道；
[0021]所述排气通道，用于将反应后的工艺气体排出至所述腔体的外部。
[0022]可选地，所述排气口位于所述衬底之间。
[0023]可选地，所述MOCVD反应腔还包括:设置于腔体两端的法兰结构，所述法兰结构上开设有与所述排气通道连通的排气结构；
[0024]所述排气结构，用于将排气通道中的反应后的工艺气体排出至所述腔体的外部。
[0025]可选地，所述腔体垂直于所述水平面设置。
[0026]为实现上述目的，本发明提供了一种MOCVD设备，包括:上述MOCVD反应腔。
[0027]本发明具有以下有益效果: [0028]本发明提供的MOCVD反应腔及MOCVD设备的技术方案中，该MOCVD反应腔包括腔体、承载装置、进气装置和感应线圈，感应线圈用于产生磁场，承载装置与腔体同轴设置且位于与中心轴具有设定距离的圆周上，穿过承载装置的磁力线平行于承载装置的表面且密度均匀分布，使得感应线圈对承载装置的加热温度均匀，从而提高了工艺的均匀性。本发明中，承载装置与腔体之间形成有排气通道，承载装置上开设有若干排气口，排气口与排气通道连通，当进气装置通入的工艺气体达到衬底表面并与衬底发生反应后，反应后的工艺气体可直接通过排气口和排气通道排出，这样进气装置通入的工艺气体在腔体内的流动路径相同，且避免了由于工艺气体沿承载装置表面流动而造成的衬底接触工艺气体频率不同的问题，使得工艺气体在衬底表面上均匀分布，从而提高了工艺的均匀性。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1为MOCVD生长过程示意图；
[0030]图2为现有技术中MOCVD反应腔的结构示意图；
[0031]图3为本发明实施例一提供的一种MOCVD反应腔的结构示意图；
[0032]图4为图3中腔体内部的俯视图；
[0033]图5为本发明实施例二提供的一种MOCVD反应腔的结构示意图。
【具体实施方式】
[0034]为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的MOCVD反应腔及MOCVD设备进行详细描述。
[0035]图3为本发明实施例一提供的一种MOCVD反应腔的结构示意图，如
[0036]图3所示，该MOCVD反应腔包括:腔体1、承载装置2、进气装置3和感应线圈4，承载装置2和进气装置3位于腔体I的内部，感应线圈4位于腔体I的外部。承载装置2用于承载衬底5，进气装置3用于向腔体I的内部通入工艺气体，感应线圈4用于产生磁场并通过产生的磁场对承载装置2进行加热，其中，磁场中穿过承载装置2的磁力线的密度均匀分布。
[0037]感应线圈4缠绕于腔体I的外部，感应线圈4可产生磁场，磁场中的磁力线会穿过整个腔体1，穿过承载装置2的磁力线可实现对承载装置2的加热。具体地，感应线圈4中的交变电流产生交变磁场，交变磁场的磁力线穿过承载装置2，从而实现对承载装置2的加热。本实施例中，穿过承载装置2的磁力线的密度可沿承载装置2均匀分布。优选地，穿过承载装置2的磁力线平行于承载装置2的表面。
[0038]优选地，进气装置3位于腔体I内部的中间位置，即:进气装置3为中央进气装置。进气装置3的外壁上开设有若干个进气口(图中未示出)，工艺气体经进气口进入腔体I的内部。优选地，进气口可以包括:通孔或者狭缝。且进气口均匀分布于进气装置3的外壁上，以使工艺气体能够均匀的进入腔体I的内部。其中，狭缝可以沿进气装置3的圆周方向水平且规律的排列于进气装置3的外壁上。优选地，进气装置3可以采用柱状结构。进一步地，该进气装置3还设置有冷却系统(图中未示出)，该冷却系统用于对工艺气体进行冷却，以防止工艺气体发生预反应。优选地，该冷却系统可以为水冷系统，水冷系统中可通入冷却水以实现对工艺气体进行冷却。
[0039]图4为图3中腔体内部的俯视图，如图3和图4所示，在腔体I内部，承载装置2围绕进气装置3设置。承载装置2围设于进气装置3的外部，腔体I围设于承载装置2的外部。承载装置2的内表面朝向进气装置3，进气装置3向腔体I内通入的工艺气体的气流方向与承载装置2的内表面垂直。由于靠近腔体I的位置磁力线较为密集，因此承载装置2可位于腔体I和进气装置3之间靠近腔体I的位置。本实施例中，承载装置2可与腔体I同轴设置，即:承载装置2和腔体I围绕同一个中心轴设置，且承载装置2位于与中心轴具有设定距离的圆周上，这样可保证穿过承载装置2的磁力线的密度沿承载装置2均匀分布。在实际应用中，优选地，腔体I为筒状结构，承载装置2为筒状结构，且承载装置2的直径小于腔体1的直径。承载装置2的内表面上开设有若干个凹槽，每个凹槽中可放置一个衬底5(图4中未具体画出)。承载装置2上可放置若干个衬底5。图3中，筒状的承载装置2竖立于腔体I的内部，则穿过承载装置2的磁力线平行于承载装置2的表面。由于承载装置2竖立于腔体I的内部，而衬底5放置于承载装置2的内表面，因此衬底5竖立于腔体I的内部，衬底5的表面朝向进气装置3，这样进气装置3向腔体I内通入的工艺气体的气流方向与衬底5的表面垂直。本实施例中，采用筒状的承载装置2在一定程度上增加了可放置衬底5的面积，从而增大了 MOCVD反应腔对衬底5的容量，进而提高了生产效率。
[0040]本实施例中图3和图4中所示的承载装置2为一体成型的筒状结构。在实际应用中，可选地，承载装置的数量还可以为多个，多个承载装置均匀排布于与中心轴具有相同距离的圆周上，换言之，多个承载装置围成筒状结构，且承载装置之间间隔一定的距离，此种情况不再具体画出。
[0041 ] 本实施例中，承载装置2绕轴向以预定速度旋转，并带动放置于该承载装置2上的衬底5以预定速度旋转，以提高工艺的均匀性。承载装置2的内表面与进气装置3之间的距离以及进气装置3外壁上开设的进气口的宽度可根据预定速度设置。其中，预定速度越大，承载装置2表面与进气装置3之间的距离越大，进气口的宽度越大。例如:预定速度大于或者等于50rpm且小于200rpm时，承载装置2的表面与进气装置3之间的距离应设置为IOmm,进气口的宽度设置为0.05mm。又例如:预定速度大于或者等于200rpm且小于或者等于1500rpm时，承载装置2的表面与进气装置3之间的距离设置为50mm，进气口的宽度设置为1mm。特别地，当预定速度较大时，进气口优选采用狭缝结构。本实施例中，根据承载装置2旋转时的预定速度设置承载装置2的表面与进气装置3之间的距离以及进气装置3外壁上开设的进气口的宽度，可以使工艺气体在衬底5表面均匀分布，从而提高工艺的均匀性。
[0042]进一步地，承载装置2与腔体I之间形成有排气通道6，承载装置2上开设有若干排气口 7，排气口 7与排气通道6连通。排气口 7用于将反应后的工艺气体排出至排气通道
6。排气通道6用于将反应后的工艺气体排出至腔体I的外部。排气口 7可位于衬底5之间。若承载装置2通过开设的凹槽放置衬底5，则排气口 7设置于凹槽之间。工艺气体到达衬底表面后与衬底发生反应，反应后的工艺气体直接通过承载装置2上的排气口进入排气通道6，并由排气通道6将反应后的工艺气体排出。本实施例中，由于工艺气体的气流方向与衬底5的表面垂直，进气口通入的工艺气体可直接到达与该进气口位置相对的衬底5上并与该衬底5发生反应，且反应后的工艺气体可直接通过承载装置2上的排气口进入排气通道6，这样进气装置3通入的工艺气体在腔体I内的流动路径相同，且避免了由于工艺气体沿承载装置2表面流动而造成的衬底5接触工艺气体频率不同的问题，使得工艺气体在衬底5表面上均匀分布，从而提高了工艺的均匀性。
[0043]腔体I的材料可以为石英。[0044]衬底5的材料可以为蓝宝石、SiC或者Si。
[0045]其中，由于蓝宝石为绝缘材料，则通常采用在承载装置2上开设凹槽的方式将衬底5固定于承载装置2的表面上，承载装置2表面上开设的凹槽呈斜坡状，斜坡状的凹槽整体向腔体I的外侧倾斜，凹槽的表面与竖直面呈设定夹角，设定夹角可以小于10°且大于0°。当将衬底5放置于凹槽内部时，由于凹槽呈斜坡状，因此衬底5可稳固的放置于凹槽内部，不会从凹槽中掉落，从而实现了将衬底5固定于承载装置2的表面上的目的。同时，由于设定夹角较小，因此不会影响衬底5在承载装置2上的放置角度，从而不会影响对衬底5的工艺效果。
[0046]由于SiC和Si为半导体型材料，则除了采用开设凹槽的方式之外，还可以通过静电吸附的方式将衬底5固定于承载装置2的表面上。
[0047]本实施例中，腔体I垂直于水平面放置。
[0048]本实施例提供的MOCVD反应腔包括腔体、承载装置、进气装置和感应线圈，感应线圈用于产生磁场，承载装置与腔体同轴设置且位于与中心轴具有设定距离的圆周上，穿过承载装置的磁力线平行于承载装置的表面且密度均匀分布，使得感应线圈对承载装置的加热温度均匀，从 而提高了工艺的均匀性。
[0049]图5为本发明实施例二提供的一种MOCVD反应腔的结构示意图，如图5所示，该MOCVD反应腔在上述实施例一的基础上还包括:设置于腔体I两端的法兰结构8，法兰结构8上开设有与排气通道5连通的排气结构9，排气结构9用于将排气通道5中的反应后的工艺气体排出至腔体I的外部。优选地，该排气结构9可以为排气孔。通过在两个法兰结构8上分别设置排气结构9，可以使反应后的工艺气体从上下排气结构中分别排出。
[0050]本发明实施例三还提供了一种MOCVD设备，该MOCVD设备包括MOCVD反应腔。其中，MOCVD反应腔可采用上述实施例一或者实施例二提供的MOCVD反应腔，此处不再赘述。
[0051]可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种MOCVD反应腔，包括:腔体、进气装置和感应线圈，所述进气装置位于所述腔体的内部，所述感应线圈位于所述腔体的外部，所述进气装置用于向所述腔体的内部通入工艺气体，所述感应线圈用于产生磁场，其特征在于，所述MOCVD反应腔，还包括:用于承载衬底的承载装置，其中: 所述承载装置与所述腔体同轴设置，且所述承载装置位于与中心轴具有设定距离的圆周上； 穿过所述承载装置的磁力线平行于所述承载装置的表面并且穿过所述承载装置的磁力线的密度均匀分布。
2.根据权利要求1所述的MOCVD反应腔，其特征在于，所述腔体为筒状结构，所述承载装置为筒状结构。
3.根据权利要求2所述的MOCVD反应腔，其特征在于，所述承载装置的内表面上开设有若干个凹槽，每个凹槽中放置一个衬底。
4.根据权利要求3所述的MOCVD反应腔，其特征在于，所述承载装置表面上开设的凹槽呈斜坡状，斜坡状的凹槽整体向腔体的外侧倾斜，凹槽的表面与竖直面呈设定夹角，设定夹角小于10°且大于0°。
5.根据权利要求1所述的MOCVD反应腔，其特征在于，所述进气装置的外壁上开设有若干个进气口，进气口均匀分布于进气装置的外壁上，所述承载装置的内表面朝向所述进气装置，所述进气装置向腔体内通入的工艺气体的气流方向与承载装置的内表面垂直。
6.根据权利要求1所述的MOCVD反应腔，其特征在于，所述承载装置的数量为多个，多个承载装置均匀排布于与中心轴具有相同距离的圆周上。
7.根据权利要求1所述的MOCVD反应腔，其特征在于，所述承载装置绕轴向以预定速度旋转，所述承载装置的表面与所述进气装置之间的距离以及所述进气装置外壁上开设的进气口的宽度根据所述预定速度设置。
8.根据权利要求7所述的MOCVD反应腔，其特征在于，所述预定速度越大，所述承载装置的表面与所述进气装置之间的距离越大，所述进气口的宽度越大。
9.根据权利要求8所述的MOCVD反应腔，其特征在于， 所述预定速度大于或者等于50rpm且小于200rpm，所述承载装置的表面与所述进气装置之间的距离为IOmm,所述进气口的宽度为0.05mm ;或者， 所述预定速度大于或者等于200rpm且小于或者等于1500rpm，所述承载装置的表面与所述进气装置之间的距离为50mm，所述进气口的宽度为1mm。
10.根据权利要求1所述的MOCVD反应腔，其特征在于，所述承载装置与所述腔体之间形成有排气通道，所述承载装置上开设有若干排气口，所述排气口与所述排气通道连通； 所述排气口，用于将反应后的工艺气体排出至所述排气通道； 所述排气通道，用于将反应后的工艺气体排出至所述腔体的外部。
11.根据权利要求10所述的MOCVD反应腔，其特征在于，所述排气口位于所述衬底之间。
12.根据权利要求10所述的MOCVD反应腔，其特征在于，所述MOCVD反应腔还包括:设置于腔体两端的法兰结构，所述法兰结构上开设有与所述排气通道连通的排气结构； 所述排气结构，用于将排气通道中的反应后的工艺气体排出至所述腔体的外部。
13.根据权利要求1至12任一所述的MOCVD反应腔，其特征在于，所述腔体垂直于所述水平面设置。
14.一种MOCVD设备， 其特征在于，包括:权利要求1至13任一所述的MOCVD反应腔。
【文档编号】C23C16/46GK103628039SQ201210309078
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2012年8月28日 优先权日:2012年8月28日
【发明者】徐亚伟 申请人:北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司