一种MOCVD反应器的制作方法

本实用新型涉及MOCVD技术领域，具体涉及一种用于金属有机化学气相沉积的具有隔热板的反应器。

背景技术：

当前LED已经成为越来越重要的照明光源，而用于生产LED芯片的金属有机化学气相沉积反应腔(MOCVD)也得到长足发展。其中MOCVD反应器也可以用来生产氮化镓(GaN)的半导体功率器件。

MOCVD工艺通常在一个具有温度控制、压力控制、反应气体流量控制等比较严格的环境下的反应腔内进行。通常，由包含第III族元素(例如镓(Ga))的第一前体气体和一含氮的第二前体气体(例如氨(NH3))被通入反应腔内反应以在基片上形成晶体GaN薄膜。一载流气体(carrier gas)也可以被用于协助运输前体气体至基片上方。这些前体气体在被加热的基片表面混合反应，进而形成第III族氮化物薄膜(例如GaN薄膜)而沉积在基片表面并形成晶体外延层。

MOCVD反应腔内的温度是对整个反应工艺影响较大的一个参数，在MOCVD反应腔内由于所述基片托盘表面面积较大，基片托盘上不同区域的温度均一性决定了基片托盘上方基片的均一性。由于MOCVD反应腔内温度较高，通常超过一千摄氏度，为了保证MOCVD反应设备在操作车间的安全性，反应腔的侧壁内部设置冷却装置，用于将反应腔内的温度迅速降低至室温左右。由于基片托盘的边缘区域靠近反应腔侧壁，因此热量损失较大，容易造成基片托盘不同区域的温度不均匀。所以业内需要开发一种新的装置，改善基片托盘边缘区域的温度均匀性，减少边缘区域向气体导流环辐射的热量。

技术实现要素：

本实用新型公开了一种MOCVD反应器，包括：反应腔，反应腔内包括位于底部的旋转装置，旋转装置上方设置有基片托盘，所述旋转装置支撑并驱动所述基片托盘，反应腔内顶部包括一个进气装置，提供反应气体到下方的基片托盘，基片托盘下方包括一个加热器和一个分隔壁，所述分隔壁围绕所述加热器；一个隔热板围绕所述基片托盘，所述隔热板遮挡在所述基片托盘和反应腔侧壁之间，其中隔热板的上端低于所述基片托盘边缘的上表面，隔热板的下端低于所述基片托盘的边缘的下表面。其中所述旋转装置为支撑所述基片托盘中心的旋转轴或者支撑基片托盘边缘的旋转桶,其中所述旋转桶同时作为分隔壁。

较佳的，所述隔热板包围所述基片托盘边缘的部分区域，所述隔热板包围的区域大于基片托盘侧壁面积的1/3。隔热板可以是通过多个支撑杆连接到反应腔底部或者分隔壁外侧面，此时所述隔热板的外壁直径小于所述气体导流环的内壁直径。

其中所述多个支撑杆可以上下移动，使得所述隔热板的上端在第一位置和第二位置之间移动，所述第一位置高于第二位置，且第一位置和第二位置均高于基片托盘的下表面低于所述基片托盘的上表面。进一步的，所述多个支撑杆可以使得隔热板的上端在第一位置和第三位置之间移动，其中第三位置低于所述基片托盘的下表面，使得所述气体导流环移动到最低点时不会与所述隔热板碰撞，此时所述隔热板的外径大于所述气体导流环的内径。

所述MOCVD反应器与一个传输腔相连接，传输腔中设置有一个机械臂，所述隔热板上开设有多个开口，使得机械臂可以经过所述开口伸入基片托盘下方并抬起所述基片托盘。

其中MOCVD反应器还包括一个气体导流环围绕所述进气装置和基片托盘之间的空间，所述气体导流环中包括用于供冷却液流通的管道，所述气体导流环可以上下移动。所述隔热板可以通过多个横向支撑杆固定到所述气体导流环内壁。此时所述隔热板的外径也可大于所述气体导流环的内径。

较佳的，所述隔热板到所述基片托盘的水平距离小于到气体导流环内壁的水平距离。

附图说明

图1为MOCVD反应器示意图；

图2为图1中X框中反应腔部件放大示意图；

图3是本实用新型第一实施例包括隔热板的MOCVD反应器示意图；

图4是图3中Y框中反应腔部件放大示意图；

图5a是本实用新型第一实施例中隔热板和基片托盘侧视图；

图5b是本实用新型第一实施例中隔热板和基片托盘俯视图；

图6是本实用新型第二实施例的MOCVD反应器示意图；

图7是本实用新型第三实施例的MOCVD反应器示意图。

具体实施方式

以下结合附图1～7，进一步说明本实用新型的具体实施例。

如图1所示为现有技术的MOCVD反应器结构，反应器包括反应腔10，反应腔底部中间包括一个旋转轴21从大气环境中穿入反应腔内，旋转轴21侧壁通过磁流体实现与反应腔底部的气密。旋转轴21顶部用于支撑并驱动一个基片托盘20，基片托盘20上设置有多个凹陷部用于放置待处理基片。基片托盘20下方，围绕旋转轴21的空间内设置有加热器22，用于均匀的加热上方基片托盘和基片。加热器的外围，基片托盘下方还包括一个分隔壁24，分隔壁24呈中空的圆桶形，通常由耐高温的钨、钼等材料制成。通过分隔壁24可以防止加热器22的热量向外围辐射，减少热量损失，也防止反应气体和反应副产物流向分隔壁内部的加热器和旋转轴，同时作为排气通道的内壁。反应腔10顶部设置有进气装置13将来自多个反应气源的气体互相隔离的送入反应腔内，流向下方的基片W。反应腔底部还包括一个抽气口26用于将反应后的气体抽走并维持反应腔内部具有一个接近真空的极低气压。反应腔10内上部，沿着反应腔内壁还设置有一个气体导流环15，气体导流环围绕上述进气装置和基片托盘之间的气体扩散空间，通过气体导流环的设置可以改变气流的大小和分布状态，特别是靠近反应腔内壁的基片托盘边缘区域，可以使得经过基片托盘被高速向外周围甩出的气体可以流畅、平稳的向下流入抽气口26。同时气体导流环15内还设置有控温的管道，管道内流动着冷却液(如水)可以使得气体导流环15维持在一个很低的温度，低温的气体导流环15也可以改变基片托盘20上方的气体扩散空间中的温度场分布，进一步改善多种反应气体进行化学气相沉积的效率和均一性。其中气体导流环在进行沉积过程中需要完整包围基片托盘，但是在进行基片托盘装载或者移除时需要将气体导流环15移开，以使得反应腔外部的机械臂能够穿过反应腔侧壁上开设的开口和气体导流环15占据的空间抓取反应腔内部的基片托盘20。所以气体导流环15顶部还包括向上延伸的多个长杆，长杆顶部穿设到反应腔上方的大气环境中，被一个驱动杆12驱动，多个长杆的上下运动带动气体导流环15的上下运动。其中为了在气体导流环运动时保证反应腔内的气密，长杆上端还包括气密装置11，该气密装置11可以是波纹管或O形圈。

在进行金属有机化学气相沉积(MOCVD)过程中加热器22会将基片托盘和上方的基片加热到600-1200度的高温，在这样的极高温情况下还需要基片托盘上具有很高的温度均一性，任何温度的不均一(比如相差10度，约占平均温度1％)都会造成基片上沉积效果的巨大差异，所以基片托盘上的温度均一性是MOCVD反应器处理效果的关键参数。

如图2所示为图1中X框内区域的局部放大图，其中基片托盘上下表面都会垂直向上和向下辐射，只有外周缘会向低温的气体导流环15辐射，由于基片托盘温度可以高达1200，气体导流环15的温度不到100度，两者在很短距离内存在巨大的温度差导致基片托盘20的外周缘大量的热量通过辐射方式向气体导流环15扩散，导致基片托盘20的边缘区域温度相对中心区域明显偏低。

为了解决上述问题，图3示出在基片托盘20的外围环绕设置有一个隔热板25。隔热板25紧贴基片托盘20外围，其最上端的高度最佳的要低于基片托盘20边缘区域上表面的高度，以避免隔热板上端高度高于基片托盘高度时影响从基片托盘向外横向流过的气流分布，避免隔热板25内侧可能出现的涡流情况，造成气流紊乱和污染物在基片边缘区域的堆积。在某些实施例中，为了控制气流需要，隔热板最上端也可以不是平面，而是具有倾斜的上表面，其中内侧低于或平于基片托盘边缘的高度，但是外侧略高于基片托盘边缘的高度，这样从基片托盘向外侧流过隔热板上表面的气流仍然连续，不会产生涡流，只是气流层会被隔热板在外侧边缘稍许抬升。所以隔热板顶端局部也可以是高于基片托盘边缘高度，只要不会影响气流稳定流动就可以实现本实用新型改善温度分布的目的，同时避免对气流带来不利干扰。

MOCVD反应器10运行过程中在需要将基片托盘放入或取出时，需要事先将气体导流环15向下降，只有气体导流环上方的几根连接杆15b围绕在反应腔内，使得反应腔10侧壁上的开口能够联通到基片托盘20。但是隔热板外径过大时，气体导流环15下降过程中会与隔热板25发生碰撞，所以隔热板25的外侧壁直径需要小于气体导流环15的内径(图中虚线标出)，这样在气体导流环下降过程中就不会出现碰撞。隔热板25下方通过多个支撑杆27支撑，支撑杆的下端固定到反应腔内底部的底壁或者排气系统中的机构，上端固定到隔热板的下表面，其中支撑杆的数量可以是2个或更多个，只要能稳定支撑就可以。本实用新型隔热板可以由耐高温的金属如钨、钼、不锈钢等制成，也可以由石英等陶瓷材料制成。支撑杆27最佳的选用导热系数较低的陶瓷材料制成，以减少隔热板向外的热传导。

MOCVD反应器在进行沉积的过程中，加热器22将基片托盘加热到合适的温度，隔热板25环绕在基片托盘20周围，基片托盘20的外边缘区域除了顶部向低温的气体导流环15辐射热量外，其它部位均向隔热板25辐射热量，由于隔热板非常靠近基片托盘15，且底部经过很长的由低导热材料制成的支撑杆27，向外传导热量很少，所以隔热板25能维持在相对高温。比如，当基片托盘在1200度左右时，隔热板25能够达到800-1000度，相对于现有技术中气体导流环15的只有不到100度，两者在热量辐射传递量上产生巨大差别。如图4所示为图3所示的反应器Y框中的局部放大图，基片托盘20边缘区域的大量热会辐射到隔热板25上，但是隔热板25由于也具有很高的温度，只比基片托盘温度略低，所以隔热板25本身也会向内外两侧辐射大量的热，其中向内侧辐射的热有很大部分又回到了基片托盘20，向外侧的辐射热量到达了外围的气体导流环15。最终应用本实用新型的隔热板后，从基片托盘边缘区域通过辐射净流出的热量远小于如图1所示的现有技术MOCVD反应器中没有隔热板的结构，所以采用本实用新型结构的MOCVD反应器能够取得更高的基片托盘温度均一性。

如图5所示，本实用新型提出的隔热板25围绕了基片托盘20，其中隔热板25的上端低于基片托盘边缘区域的上表面S1的高度，隔热板25的下端低于基片托盘边缘区域下表面S2的高度。如果隔热板25是个完整的圆桶形，在基片托盘需要取放时，机械臂无法到达基片托盘20底部。所以可以在隔热板25的部分区域开设一个或多个开口，以使得机械臂伸入开口后抓起基片托盘20。如图5a所示隔热板25的侧视图，其中隔热板25的一侧开设有两个开口251、252，通过这两个开口可以使得机械臂上的叉状机构能够穿过开口251、252伸入基片托盘20下方，与基片托盘底面S2接触并抬起基片托盘，最终把基片托盘运出反应器10。图5b为带有开口的隔热板25和基片托盘的俯视图。隔热板25上的开口只是微量增加了基片托盘向外的热量辐射，对本实用新型整体效果基本没有影响，而且基片托盘20是高速旋转中的，所以也不会对基片托盘局部的温度造成影响，经过旋转后多辐射掉的热量会平均在整个基片托盘的边缘区域，造成微量的温度影响。本实用新型的开口也可以开设的很大，比如基片托盘只有一半的外边缘区域侧壁被隔热板25环绕，这样的情况相当与本实用新型提出的隔热板的保温效果只有一半，相对现有技术中整个基片托盘边缘向外大量辐射热量，只有一半区域大量辐射另一半是少量辐射，综合效果还是好于现有技术。所以只要隔热板能够覆盖基片托盘足够的边缘区域侧壁面积，比如大于1/3，就能产生明显的技术效果减小基片托盘边缘额外的热量扩散。

本实用新型的隔热板也可以不开设上述开口251、252，但是需要配套的使得旋转轴21具有升降功能。此时旋转轴21的下端需要安装在如图3所示的一个波纹管内，波纹管外部是大气环境，内部是真空环境，旋转轴21通过上下移动带动上方基片托盘上下运动，当基片托盘上升到底面超过环形隔热环上端时，与反应器相连的传输腔中设置的一个机械臂可以伸入抓取基片托盘20，并转移到传输腔中，最终将完成处理的基片托盘传输到下一个加工区域。

本实用新型还提供另一种实施例，如图6所示，支撑杆271的下端不是固定在反应腔底部，而是固定在分隔壁24的侧壁，由于分隔壁24本身靠近内部的加热器22，所以分隔壁24具有较高温度，这样可以进一步减少从环形隔热环25向下到分隔壁24的热传导，使得环形隔热环25能够维持在更高的温度，也就减少了基片托盘向外辐射的热量。

本实用新型还提供第三实施例，如图7所示，其它部分与上述图3所示的实施例相同，主要区别在于在MOCVD处理工艺过程中，气体导流环保持固定不变，但是其中的支撑杆272可以进行上下独立升降。支撑杆272可以在沉积过程中对应不同的工艺需求上下升降，比如在工艺温度较低(600度)的步骤中，基片托盘周围需要较小的保温效果就能达到温度均一，所以隔热板25的高度较低，使得隔热板的上端只覆盖包围基片托盘下半区域；在工艺温度较高的沉积步骤中(1200度)需要更强的保温效果，可以驱动支撑杆272使得隔热板25上端上升，到接近与基片边缘上表面S1平齐的高度，这样大部分基片托盘侧面都得到隔热板25的有效包围。同时支撑杆272的上下运动范围足够大的话，可以在沉积过程结束后使隔热板25下降到一个最低高度，同时或者随后下降气体导流环15，打开反应腔侧壁的开口。其中最低高度低于基片托盘下表面，隔热板运动到最低高度时，隔热板25与气体导流环15是通过上下高度的不同来避免碰撞，所以隔热板25也不必限制其厚度，可以采用进一步优化的隔热板25’。所以如图7所示的隔热板25’的外径已经在图中气体导流环15的内径(虚线标明)以外了，由于厚度增加，隔热板25’可以采用复合结构，比如25’可以由两层材料相叠制成，内侧材料靠近基片托盘20，可以具有高发射率表面，在高温状态下更多的向基片托盘辐射热量，外侧材料具有低导热性以及表面的第发射率，这样外侧材料具有较低的温度，向外侧的气体导流环辐射更少的能量，进一步地可以在上述内侧和外侧材料之间添加更多的材料层，以实现本发明减少基片托盘侧壁对外热辐射的效果。

根据上述各个实施例揭露的发明原理，本实用新型的隔热板25除了可以固定到反应腔底部或者分隔壁24的侧壁，也可以通过几个横向的支撑杆固定到气体导流环底部15a的内壁，这些支撑杆最佳的需要是耐高温但是导热系数低的陶瓷材料制成，使得隔热板具有更高的温度。由于隔热板25安装在可移动的气体导流环15上，两者可以同步上下升降，所以不会发生碰撞，此时隔热板也可以很厚，进一步改进还可以采用上述多层复合结构。

本实用新型通过在基片托盘周围设置一个具有高温的环形隔热板，围绕基片托盘，使得基片托盘边缘向外辐射流失的热量减少。环形隔热板通过多个支撑杆固定到反应腔中气体导流环或反应腔底部，这两个部分通常需要维持在较低温度，所以支撑杆固定在反应腔侧壁和底部的话都会造成隔热板温度偏低，本发明所要达到的保温效果会略差，但也远好于现有技术中没有隔热板时的保温效果。通过支撑杆材料的选择可以进一步改善环形隔离板的温度。同时本实用新型环形隔离板的设计还需要考虑基片托盘的取放动作需要，因此需要在环形隔离板上开设开口，或者使得支撑杆可以上下移动、隔离板的外径需要小于气体导流环的内径等。在MOCVD反应器中的加热器22实际是由多个独立可控加热功率的多个加热单元组成的，其中在基片托盘边缘区域下方有一个边缘加热单元，基片托盘边缘区域温度偏低时主要通过调节边缘加热单元的功率来实现补偿。仅仅靠边缘加热单元的加热功率会带来副作用，当更高的功率输入边缘加热单元使得基片托盘边缘的温度被升高后，靠近边缘区域内侧的部分也会有热量流入，由于边缘区域内侧没有额外侧向的热辐射，所以这些多余的热量流入反应会导致边缘区域内侧温度偏高。本实用新型中隔热板的引入可以减少基片边缘区域向外侧辐射的热量，上述边缘加热单元就不需要输入过高的补偿功率，就能实现基片边缘温度与基片中心区域温度相同，所以也就不会发生边缘区域内侧邻近区的温度过高问题，实现更高基片托盘温度均一性。本实用新型中的基片托盘边缘区域主要仍是通过边缘加热单元的加热功率来控制温度，隔热板是通过减少基片托盘边缘向外辐射的热量来部分补偿基片托盘边缘区域的热损失，所以隔热板并不需要完全覆盖包围基片托盘边缘的侧壁，其覆盖的面积以整个侧壁面积的30％-90％为宜，也就是隔热板顶端高度最佳的需要低于基片托盘上表面S1的高度。

本实用新型中基片托盘除了可以是由中心的旋转轴驱动和支撑的，也可以是由一个圆桶形的旋转桶支撑可驱动旋转的，此时加热器位于旋转桶内部空间，基片托盘下表面的外圈包括一个支撑面设置在旋转桶顶部。同时单独的分隔壁24也可以不再需要，旋转桶本身就能够分隔内部空间和外部空间同时作为驱动旋转装置和分隔壁。本发明中的隔热板同样设置在基片托盘外围，也可以改变基片托盘上的温度分布。旋转桶通常是由石英制成的，虽然石英的导热系数不高，但是由于旋转桶顶部是之间接触基片托盘下表面的，所以大量的热量会从基片托盘外围经过旋转桶向下导走。上述只通过中心旋转轴支撑驱动的实施例，由于分隔壁与基片托盘并不接触，所以两者之间只存在辐射传热不会出现传导导热路径。在用旋转桶支撑基片托盘的实施例中基片托盘边缘区域的热量会更多的流失，基片托盘边缘区域与中心区域的温度差会更大，所以本实用新型提出的隔热板进行边缘区域温度补偿，在利用旋转桶作为旋转装置的实施例中会更有效。

本实用新型中的隔热板上端也可以在部分区域高于基片托盘的上表面，其余部分仍然要低于基片托盘上表面，这样高出的部分可以补偿下方抽气泵位于反应腔一侧带来的气流量不均，使得基片托盘上的气流更均一。

尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。