一种反应腔室和mocvd设备的制作方法

一种反应腔室和mocvd设备的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种反应腔室以及包括该反应腔室的MOCVD设备，该反应腔室包括托盘装置，所述托盘装置包括大托盘、旋转轴、小托盘、以及支撑盘；其中，所述旋转轴与所述大托盘的中心相连接并带动所述大托盘以所述旋转轴为中心进行旋转；所述大托盘上设置有托盘槽，所述托盘槽用于放置所述小托盘；所述支撑盘位于所述大托盘的下方，所述支撑盘和所述小托盘之间设置有滑动机构，以使得所述小托盘在随着大托盘进行公转的同时，在所述滑动机构的作用下进行自转。相对于现有技术中通过复杂的气路结构实现的公转和自转相结合的复合旋转机构，通过本发明实施例的复合旋转机构的结构更加简洁，加工和安装过程也更加简单、维护和使用都较为方便。
【专利说明】—种反应腔室和MOCVD设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体技术，特别涉及一种反应腔室和MOCVD设备。
【背景技术】
[0002]气相外延生长方法(VPE)包括氢化物气相外延技术(HVPE)和金属有机化合物化学气相沉积方法(MOCVD)等。气相外延技术主要是利用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，可用于制备高性能的化合物半导体单晶薄片。气相外延生长可用于外延薄膜特别是高质量的外延薄膜的生长，但对衬底材料本身的温度均匀性、反应气体浓度分布状况、衬底上方反应场的均匀性等都有着极高的要求，这些均匀性也直接决定生长出的外延片的质量好坏。
[0003]如上所述，加热的均匀性将影响外延均匀性。目前主要使用的加热方法包括热传递方法和感应加热方法。对于热传递方法，一种方式是将衬底材料放置于托盘上，托盘置于基座上，加热部件如电阻丝在基座底部加热并通过石墨材料的托盘的热传导效应来加热衬底材料，同时利用多区电阻丝加热技术，可以保证基座的温度均匀性，进而改善衬底生长温度的稳定和均匀；其它的方式包括部分采用加热反应腔室四周外壁，然后通过热辐射加热衬底材料。热传递方法加热速度较慢，控制过程复杂，热传导过程中热量除了往衬底表面传导外，还会往其他方向传导，热量利用效率低，并且对反应腔室水冷的设计要求较高。对于感应加热方法，该方法可以将线圈置于衬底下部或置于托盘四周。线圈在通高频电流后，托盘和衬底表面将会出现感生涡流，从而被迅速加热。这种感应加热方法加热速度显著提升，但是，线圈产生的磁场在托盘中心和边缘分布不均匀，将造成托盘的加热不均匀，进而影响托盘上的衬底的加热均匀性。
[0004]另外一个影响`外延均匀性的因素是气体的浓度分布。目前的进气技术主要有喷淋头技术和中央进气技术。另外，对于小产量的2至8片机器，直接从托盘或机台的一侧吹至另一侧。在这些技术中，不可避免的就是气体进入腔室之后，在输运过程中，随着内部温度的提升，气体相互之间会发生反应。这将导致衬底表面近气体入口端和远气体入口端的反应气体浓度不同，从而影响衬底上部的反应场均匀性，进而导致外延片生长不均匀，同时外延片生长的不均匀将加剧在后续外延生长过程中衬底表面出现的裂纹分布、位错密度等缺陷，最终严重地影响生长质量。
[0005]加热的均匀性和气体的浓度分布的均匀性将共同影响反应腔室内的反应场分布的均匀性，进而影响外延均匀性和质量。
[0006]为了改善受到上述因素影响的外延生长的均匀性，出现了很多改进措施，比如说Veeco公司和Thomas Swan公司的进气系统的喷淋头设计和托盘高速旋转的解决方法,再比如Axitixm公司采用的中央分层进气系统和气垫托盘行星旋转技术。然而，这些技术都对机械结构精度和加工要求很高，同时设备的安装维护困难。
[0007]以Axitron公司的气垫托盘行星旋转技术为例，该公司针对反应腔室采用了中央分层进气系统和气垫托盘行星旋转技术。请参阅图1，其示出了气垫托盘行星旋转技术的示意图，其中，大托盘101上设置有多个小托盘102，工艺过程中，在大托盘101带动小托盘102进行公转的同时，小托盘还可以进行自转。其中，大托盘101和小托盘102均采用气体悬浮旋转，通过气垫的设计以及气路结构，使得大托盘101上的小托盘102产生自转。
[0008]然而，Axitron公司的上述反应腔室中采用了电阻多区控温方法，除加热程序复杂外，升温速度慢，设备产能较低也是严重的缺点。另外，行星式旋转方法虽然能满足外延工艺的要求，但为实现行星式腔室的旋转所采用的气垫结构则必须设计成复杂的气路结构，并且在旋转过程中必须考虑到腔室内部复杂的流体变化。气垫进气口的设计、加工安装、设备维护使用都非常复杂。

【发明内容】

[0009]本发明提供一种反应腔室和包括该反应腔室的MOCVD设备，用于解决现有技术中在实现大托盘和小托盘的公转和自转时，采用的气垫和气路结构过于复杂、以及使得工艺设备的设计、加工安装、和维护使用都十分困难的问题。
[0010]为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了一种反应腔室，所述反应腔室包括托盘装置，所述托盘装置包括大托盘、旋转轴、小托盘、以及支撑盘；其中，所述旋转轴与所述大托盘的中心相连接并带动所述大托盘以所述旋转轴为中心进行旋转；所述大托盘上设置有托盘槽，所述托盘槽用于放置所述小托盘；所述支撑盘位于所述大托盘的下方，所述支撑盘和所述小托盘之间设置有滑动机构，以使得所述小托盘在随着大托盘进行公转的同时，在所述滑动机构的作用下进行自转。
[0011]优选地，所述滑动机构包括第一滑动凹槽和滑动销，所述第一滑动凹槽形成于所述支撑盘的上表面，所述滑动销的上端与所述小托盘上中心位置之外的第一位置固定连接，所述滑动销的下端滑动连接至所述第一滑动凹槽，并且所述滑动销能够沿所述第一滑动凹槽进行运动；其中，
[0012]所述第一滑动凹槽是 闭合的，并且所述第一滑动凹槽上的任意一点与第一轨迹之间的距离小于或等于所述第一位置与小托盘的中心之间的距离，且所述第一滑动凹槽上至少存在一点距离第一轨迹的距离小于所述第一位置与小托盘的中心之间的距离；其中，所述第一轨迹是小托盘的中心在大托盘旋转时所形成的运动轨迹。
[0013]优选地，所述滑动机构包括第二滑动凹槽和滑动凸台，所述滑动凸台形成于所述支撑盘的上表面，所述第二滑动凹槽形成于所述小托盘的底部，所述滑动凸台的上端与所述第二滑动凹槽滑动连接，当所述小托盘随大托盘的运动而运动时，所述滑动凸台能够沿所述第二滑动凹槽与所述第二滑动凹槽进行相对运动。
[0014]优选地，所述第一滑动凹槽的形状为所述第一位置的运动轨迹，所述第一位置的坐标(XI，Yi)关于时间t的表达式为:
[0015]Xl=Rl X cos (2 Xpi X Vl X t)+Dl X cos (2 Xpi X V2 Xt)；
[0016]Yl=Rl X sin (2 Xpi X Vl X t)+Dl X sin (2 Xpi X V2 Xt)；
[0017]其中，设置大托盘中心为坐标原点，Rl为小托盘的中心和大托盘的中心之间的距离，Dl为所述第一位置与小托盘的中心之间的距离，Vl为大托盘的旋转速度，V2为小托盘的自转速度；并且，V2为Vl的整数倍，或Vl为V2的整数倍。[0018]优选地，所述第一滑动凹槽为圆形，所述圆形的半径等于所述小托盘的中心与反应腔室中心之间的距离，且所述圆形的圆心与所述第一轨迹的中心之间的距离等于所述第一位置与小托盘的中心之间的距离。
[0019]优选地，所述第一滑动凹槽由多个圆弧组成。
[0020]优选地，其中，各个圆弧的直径是根据预先设定的运动经过点所设置的，其中，运动经过点是根据预先设定的大托盘和小托盘的旋转圈数之间的关系所确定的。
[0021]优选地，由多个圆弧组成的第一滑动凹槽的侧壁是光滑的。
[0022]优选地，所述滑动销与所述小托盘一体成形。
[0023]优选地，所述滑动凸台与所述支撑盘一体成形。
[0024]优选地，所述小托盘的数目为N个，所述大托盘上设置有N个托盘槽，托盘槽分别与小托盘——对应，N为大于I的正整数。
[0025]优选地，与小托盘连接的滑动销的数目为M个，且所述支撑盘上形成的第一滑动凹槽的数目为M个，M个第一滑动凹槽与M个滑动销分别一一对应，其中，M为大于I的正整数。
[0026]优选地，M为小于5的正整数。
[0027]优选地，所述反应腔室中设置有多层垂直排列的所述托盘装置。
[0028]为了实现上述`发明目的，本发明实施例还提供了一种MOCVD设备，所述MOCVD设备包括上述任意一项反应腔室。
[0029]本发明的有益效果包括:
[0030]在托盘装置中通过大托盘、小托盘、以及支撑盘的三层托盘机构，在大托盘带动小托盘公转的同时，利用在小托盘和支撑盘之间设置的滑动机构所产生的作用力，使得小托盘进行自转，从而通过小托盘的自转改善外延生长的温度均匀性、气体浓度均匀性、以及反应场分布的均匀性。另外，相对于现有技术中通过复杂的气路结构实现的公转和自转相结合的复合旋转机构，通过本发明实施例提供的复合旋转机构的结构更加简洁，加工和安装过程也更加简单、维护和使用都较为方便。
【专利附图】

【附图说明】
[0031]图1为现有技术中气垫托盘行星旋转技术的示意图；
[0032]图2为本发明实施例提供的一种反应腔室的结构示意图；
[0033]图3A、图3B、图3C、图3D、和图3E分别为本发明实施例提供的第一滑动凹槽205的设置示意图；
[0034]图4为本发明实施例提供的另一种第一滑动凹槽205的设置示意图；
[0035]图5为本发明实施例提供的另一种滑动机构的结构示意图；
[0036]图6为本发明实施例提供的另一种反应腔室的结构示意图。
【具体实施方式】
[0037]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实施例提供的反应腔室以及MOCVD设备进行详细描述。
[0038]请参阅图2，为本发明实施例提供的一种反应腔室的结构示意图，该反应腔室包括腔体210以及位于腔体210之内的托盘装置，所述托盘装置包括大托盘201、旋转轴202、小托盘203、以及支撑盘207。其中，旋转轴202与大托盘201的中心相连接并且能够带动大托盘201以旋转轴202为中心进行旋转；所述大托盘201上设置有托盘槽206，所述托盘槽206用于放置所述小托盘203，且托盘槽206与所述支撑盘207相连通，优选地，所述托盘槽206的形状与所述小托盘203的形状对应；所述支撑盘207位于所述大托盘201的下方，支撑盘207和小托盘203之间设置有滑动机构，以使得所述小托盘203在随着大托盘201进行公转的同时，在滑动机构的作用下进行自转。其中，所述公转是指小托盘的圆心围绕反应腔室的中心进行的旋转；所述自转是指小托盘围绕自身的中心进行的旋转。
[0039]大托盘201的下方的支撑盘207是固定不动的，托盘槽206的底部与支撑盘207之间可以是全部或者部分相连通。当托盘槽206是全部连通，即托盘槽206是通孔的形式时，大托盘201在竖直方向对小托盘203没有支撑作用，而是支撑盘207通过滑动机构对小托盘203提供支撑作用。另外除了通孔的形式，托盘槽206的底部可以包括L形的底边，使得中间部分贯通的部分能够实现滑动机构的连接设置，且L形的底边能够对小托盘203提供支撑作用，这种情况下滑动机构不提供支撑作用，从而与小托盘203之间的摩擦力较小，能够更加有效地提供滑动驱动小托盘自转。
[0040]其中，所述滑动机构可以包括滑动销204和第一滑动凹槽205，所述第一滑动凹槽205形成于支撑盘207的上表面，滑动销204的上端与所述小托盘203上除中心位置之外的第一位置固定连接，所述滑动销204的下端滑动连接至所述第一滑动凹槽205，并且能够沿所述第一滑动凹槽205进行运动；为了保证小托盘203的连续旋转，所述第一滑动凹槽205是闭合的；并且所述第一滑动凹槽205上的任意一点与第一轨迹之间的距离小于或等于所述第一位置与小托盘203的中心之间的距离，且所述第一滑动凹槽205上至少存在一点距离第一轨迹的距离小于所述第一位置与小托盘203的中心之间的距离；其中，所述第一轨迹是小托盘203的中心在大托盘201进行旋转时所形成的运动轨迹，该运动轨迹是以反应腔室的中心为圆心的圆；第一滑动凹槽205上的任意一点与第一轨迹之间的距离，是指该点与第一轨迹之间的最短距`离。由于小托盘203上的第一位置和小托盘203的中心之间的距离固定，因此第一滑动凹槽205上任意一点与第一轨迹之间的距离不能超过第一位置和小托盘203的中心之间的距离，否则将发生小托盘203运动的阻塞和中止。
[0041]在上述设置中，一方面，由于小托盘203被限定在大托盘201的托盘槽206内，因此在大托盘201旋转的过程中，小托盘203的中心始终围绕反应腔室的中心做圆周运动，SP大托盘201的旋转带动小托盘203进行了公转，另一方面，通过将第一滑动凹槽205设置为除了以反应腔室的中心为圆心的圆周之外的形状，当滑动销204沿第一滑动凹槽205运动时，可以带动滑动销204上方的小托盘203进行运动，使得小托盘203上的第一位置在大托盘201旋转的过程中并非以反应腔室的中心为中心做圆周运动，即，使得小托盘203在滑动销204的带动下产生了自转。通过对第一滑动凹槽205的形状进行设定，可以控制小托盘203的自转。
[0042]可以通过多种方式对第一滑动凹槽205的形状进行设定。第一种方法是，预先设定大托盘201的旋转速度Vl和小托盘203的自转速度V2，并根据预先的确定的Vl和V2，确定第一滑动凹槽205的形状。其中，Vl是大托盘201相对于自身圆心的旋转速度，V2是小托盘203相对于自身圆心的旋转速度。具体的，可以根据V1、V2、大托盘201的中心和小托盘203的中心之间的距离、以及第一位置与小托盘203的中心之间的距离D1，来确定第一滑动凹槽205的形状。优选地，将V2设置为Vl的整数倍，这样，在小托盘203的中心随着大托盘201旋转一周回到原位时，小托盘203上设置的滑动销204也回到原位，从而继续沿第一滑动凹槽205进行运动。或者，也可以将Vl设置为V2的整数倍，例如，Vl设置为V2的3倍，这样，在大托盘201旋转三周时，小托盘203上设置的滑动销204也将回到原位。
[0043]在上述设置方式中，以大托盘201的中心为原点设立平面坐标轴，设定小托盘203以速度Vl进行公转，其圆心起始位置为(R1，0)，其中Rl是小托盘203的中心和大托盘201的中心之间的距离，则小托盘203的中心的坐标(X0，Y0)随时间t的表达式为:XO=Rl X cos (2 X pi X Vl X t) ; YO=Rl Xsin (2 XpiX VlXt)，其中 pi 为圆周率。在小托盘 203以速度V2进行自转的情况下，可以在小托盘203中心位置的基础上得到其上第一位置的坐标(XI，Yl)随时间t的表达式为:
[0044]Xl=X0+DlXcos(2XpiXV2Xt)；
[0045]Yl=Y0+DlXsin(2XpiXV2Xt)。
[0046]根据上述公式可以确定第一位置的轨迹，也就确定了第一滑动凹槽205的形状。
[0047]下面通过具体的示例，对第一滑动凹槽205的设置进行说明。
[0048]请参阅图3A，为本发明实施例提供的一种第一滑动凹槽205的设置示意图。在这个例子中，设定V2=0，即小托盘203不发生自转，虽然小托盘相对于大托盘201产生了转动，但小托盘203上的滑动销204相对于小托盘203中心的方位始终不变。根据上述公式，
[0049]X1=X0+D1 ;Yl=YO ;
[0050]从上述公式可以得出，由于(X0，Y0)的轨迹即第一轨迹31为圆形，因此(XI，Yl)的轨迹即第一滑动凹槽205也是 圆形，并且第一滑动凹槽205的圆心和第一轨迹31的圆心之间的距离为D1。例如，第一滑动凹槽205的形状可以表示为:(x-Dl)2+y2=Rl2。本实施中以第一滑动凹槽205的中心位于坐标(D1，0)为例进行说明，第一滑动凹槽205的中心也可以是与第一轨迹31的圆心之间的距离为Dl的任意一点。
[0051]通过对第一滑动凹槽205形状的设置，当大托盘201以Vl的旋转速度进行旋转时，小托盘203会随大托盘以Vl的速度进行公转，同时，与小托盘203相连接的滑动销204会随小托盘203的移动发生移动，滑动销204受到第一滑动凹槽205的侧壁的作用力，滑动销204将沿第一滑动凹槽205进行运动，当第一滑动凹槽205上的各点距离反应腔室中心的距离发生改变时，滑动销204在第一滑动凹槽205中的移动将带动小托盘以预设速度进行自转或者不发生自转。
[0052]在根据上述公式不能直接得到图形的情况下，可以用诸如matlab之类的仿真工具，设定t的步长，从而得到(XI，Yl)关于t的曲线形状。
[0053]第二种方法是，根据预先设定的大托盘201和小托盘203的旋转圈数的关系，设置第一滑动凹槽205的形状，例如，可以预先设定大托盘201旋转一圈时，小托盘203自转旋转的圈数，根据在大托盘201旋转一圈时小托盘203自转的圈数，设定多个小托盘的运动经过点，并使用诸如圆弧之类的曲线将这多个运动经过点连接起来，从而确定第一滑动凹槽205的形状。
[0054]下面通过具体的示例，对第一滑动凹槽205的设置进行说明。
[0055]请参阅图3B，为本发明实施例提供的另一种第一滑动凹槽205的设置示意图。在这个例子中，设定大托盘201旋转一圈时，小托盘203自转的圈数为2，小托盘203中心的起始位置为(R1，0)，在小托盘203公转pi/4的整数倍时，小托盘203的中心分别经过如
图3B中空心方框所示的位置，其坐标分别为(
【权利要求】
1.一种反应腔室，其特征在于，所述反应腔室包括托盘装置，所述托盘装置包括大托盘、旋转轴、小托盘、以及支撑盘；其中， 所述旋转轴与所述大托盘的中心相连接并带动所述大托盘以所述旋转轴为中心进行旋转； 所述大托盘上设置有托盘槽，所述托盘槽用于放置所述小托盘； 所述支撑盘位于所述大托盘的下方，所述支撑盘和所述小托盘之间设置有滑动机构，以使得所述小托盘在随着大托盘进行公转的同时，在所述滑动机构的作用下进行自转。
2.如权利要求1所述的反应腔室，其特征在于， 所述滑动机构包括第一滑动凹槽和滑动销，所述第一滑动凹槽形成于所述支撑盘的上表面，所述滑动销的上端与所述小托盘上中心位置之外的第一位置固定连接，所述滑动销的下端滑动连接至所述第一滑动凹槽，并且所述滑动销能够沿所述第一滑动凹槽进行运动；其中， 所述第一滑动凹槽是闭合的，并且所述第一滑动凹槽上的任意一点与第一轨迹之间的距离小于或等于所述第一位置与小托盘的中心之间的距离，且所述第一滑动凹槽上至少存在一点距离第一轨迹的距离小于所述第一位置与小托盘的中心之间的距离；其中，所述第一轨迹是小托盘的中心在大托盘旋转时所形成的运动轨迹。
3.如权利要求1所述的反应腔室，其特征在于， 所述滑动机构包括第二滑动凹槽和滑动凸台，所述滑动凸台形成于所述支撑盘的上表面，所述第二滑动凹槽形成于所述小托盘的底部，所述滑动凸台的上端与所述第二滑动凹槽滑动连接，当所述小托盘随大托盘的运动而运动时，所述滑动凸台能够沿所述第二滑动凹槽与所述第二滑动凹槽进·行相对运动。
4.如权利要求2所述的反应腔室，其特征在于，所述第一滑动凹槽的形状为所述第一位置的运动轨迹，所述第一位置的坐标(XI，Yl)关于时间t的表达式为:
Xl=Rl X cos (2 Xpi X Vl X t)+Dl X cos (2 Xpi X V2 Xt)；
Yl=Rl X sin (2 Xpi X Vl X t)+Dl X sin (2 Xpi X V2 Xt)； 其中，设置大托盘中心为坐标原点，Rl为小托盘的中心和大托盘的中心之间的距离,Dl为所述第一位置与小托盘的中心之间的距离，Vl为大托盘的旋转速度，V2为小托盘的自转速度；并且，V2为Vl的整数倍，或Vl为V2的整数倍。
5.如权利要求2所述的反应腔室，其特征在于，所述第一滑动凹槽为圆形，所述圆形的半径等于所述小托盘的中心与反应腔室中心之间的距离，且所述圆形的圆心与所述第一轨迹的中心之间的距离等于所述第一位置与小托盘的中心之间的距离。
6.如权利要求2所述的反应腔室，其特征在于，所述第一滑动凹槽由多个圆弧组成。
7.如权利要求6所述的反应腔室，其特征在于，其中，各个圆弧的直径是根据预先设定的运动经过点所设置的，其中，运动经过点是根据预先设定的大托盘和小托盘的旋转圈数之间的关系所确定的。
8.如权利要求6所述的反应腔室，其特征在于，由多个圆弧组成的第一滑动凹槽的侧壁是光滑的。
9.如权利要求2所述的反应腔室，其特征在于，所述滑动销与所述小托盘一体成形。
10.如权利要求3所述的反应腔室，其特征在于，所述滑动凸台与所述支撑盘一体成形。
11.如权利要求1-10中任一项所述的反应腔室，其特征在于，所述小托盘的数目为N个，所述大托盘上设置有N个托盘槽，托盘槽分别与小托盘一一对应，N为大于I的正整数。
12.如权利要求1-10中任一项所述的反应腔室，其特征在于，与小托盘连接的滑动销的数目为M个,且所述支撑盘上形成的第一滑动凹槽的数目为M个，M个第一滑动凹槽与M个滑动销分别一一对应，其中，M为大于I的正整数。
13.如权利要求12所述的反应腔室，其特征在于，M为小于5的正整数。
14.如权利要求1-10中任一项所述的反应腔室，其特征在于，所述反应腔室中设置有多层垂直排列的所述托盘装置。
15.一种MOCVD设备，其特征在于，所述MOCVD设备包括如权利要求1_14中任意一项所述的反 应腔室。
【文档编号】C23C16/44GK103820769SQ201210464900
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2012年11月16日 优先权日:2012年11月16日
【发明者】涂冶 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