化学气相沉积装置及其沉积方法与流程

本发明涉及一种在基片上沉积薄膜的装置，尤其涉及一种在基片上沉积或外延生长高良率和均一性薄膜的反应室及沉积方法。

背景技术：

作为III-V族薄膜中的一种，氮化镓（GaN）是一种广泛应用于制造蓝光、紫光和白光二极管、紫外线检测器和高功率微波晶体管的材料。由于GaN在制造适用于大量用途的低能耗装置（如，LED）中具有实际和潜在的用途，GaN薄膜的生长受到极大的关注。

包括GaN薄膜在内的III-V族薄膜能以多种不同的方式生长，包括分子束外延（MBE）法、氢化物蒸气阶段外延(HVPE)法、金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）法等。目前，MOCVD法是用于为生产LED得到足够质量的薄膜的优选的沉积方法。

MOCVD是金属有机化合物化学气相沉积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition)的英文缩写。MOCVD工艺通常在一个具有温度控制的环境下的反应室或反应室内进行。通常，由包含第III-V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)）被通入反应室内反应以在基片上形成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-V族氮化物薄膜（例如GaN薄膜）而沉积在基片表面。

为了提高产能和薄膜生长设备的吞吐量（throughput），MOCVD生产装置的反应室内的基片支撑座(substrate holder)的尺寸越来越大，其上面被放置越来越多的基片，例如，一个反应室内可以放置42片2英寸的基片、或放置11片4英寸的基片，或放置6片6英寸的基片。如此设置固然可以提高产能和生产率，但却会导致所沉积的薄膜不均匀的问题。随着一个反应室内的基片的数量和直径变得越来越大，此问题越发突显出来。

图10为现有技术的一种MOCVD生产装置的反应室600。反应室600内的基片支撑座400上放置若干基片W1、W2。反应室600的下方设置有排气装置800。在现有技术的工艺处理过程中，排气系统环绕基片支撑座设置，反应气体沿路径900从反应室600的上方输送到基片支撑座400的表面上方，再沿着基片支撑座400的表面到达基片支撑座400的外边缘（沿着路径902），最后沿路径904被排气装置800排出反应室600的内部。由于MOCVD生产装置的薄膜生长的速率、质量、厚度均一性都强烈地受反应气体运输过程和路径的影响，可以看出，当基片支撑座400的半径变得越来越大时，基片支撑座400上容纳的基片数量就越来越多或者尺寸越来越大，路径902就会变得越来越长，就越不容易使在基片支撑座400的表面上的所有基片获得均匀地薄膜沉积。

除此之外，为了提高生产量，基片托盘的尺寸变得越来越大，以放置更多的基片，随着基片托盘的尺寸越来越大，，上面放置的基片越来越多，基片托盘在高速旋转时，基片托盘的离心力越来越大，导致基片托盘边缘的线速度变大，基片托盘的边缘表面和反应气体的相对速度变大，因此，在实际工艺时，在基片托盘边缘的基片生长会产生晶体缺陷（如：线缺陷），或者沉积不均匀的现象，使得产品良率下降。为了解决上述问题，现有技术中，有人提出使用单反应腔进行单片基片的薄膜或晶体生长。在该单反应腔内，基片托盘被居中地设置于反应腔内，气体输入装置设置于基片托盘上方，基片托盘上方只放置一片基片进行工艺处理，排气装置设置在反应腔底部，以提高基片薄膜或晶体生长的良率和沉积均一性。但该装置大大地降低了生产量(throughput)和生产效率。

因此，现有技术中，提高生产率和提高产品良率构成难以克服的一对矛盾。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，如何在化学气相沉积反应腔内的单个基片托盘上同时处理多片基片以实现高的生产量和生产率，同时能保证每一片基片的薄膜或晶体生长的良率和沉积均一性。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种化学气相沉积反应装置，包括：

反应室，内部设置支撑若干基片的基片托盘、支撑并带动所述基片托盘旋转的旋转轴，所述基片托盘的中心区域设置至少一贯通所述基片托盘的上下表面的开口；进气装置，位于所述基片托盘上方，用于提供流向基片表面的反应气体，所述进气装置与所述基片托盘之间形成一反应区域；所述反应室内部的中心区域设置一中央排气系统，所述中央排气系统位于所述基片托盘的开口下方，并与所述开口流体联通；环绕所述基片托盘及旋转轴外围设置一边缘排气系统；其中，经过所述基片表面的反应气体及副反应气体同时经由所述中央排气系统和所述边缘排气系统排出反应室外。

可选的，所述中央排气系统和边缘排气系统分别连接一排气装置，所述两排气装置用于独立控制中央排气系统和边缘排气系统排气。

可选的，所述中央排气系统和边缘排气系统连接同一排气装置。

可选的，所述基片托盘上的开口为设置在中心区域的一个内径较大的开口或若干个内径较小的开口。

可选的，所述中央排气系统包括中央排气通道及与所述中央排气通道连接的排气装置，所述中央排气通道包括至少一个限流装置，所述限流装置上设置若干限制气体流动的限流通道。

可选的，所述限流通道为孔形、槽形、不连续圆环形或其他不规则形状。

可选的，所述旋转轴内部为中空结构，并设置为中央排气通道，所述中央排气通道与所述开口相连通，用于将反应区域的反应气体及副反应气体排出反应室。

可选的，所述中央排气通道内设置一限流装置，所述限流装置上设置若干限制气体流动的限流通道，所述限流装置固定在所述中空的旋转轴的侧壁或者固定在反应室底部。

可选的，环绕所述旋转轴外围设置一环形侧壁，所述环形侧壁与所述旋转轴之间形成一中央排气通道，所述中央排气通道构成所述中央排气系统的一部分，所述中央排气通道与所述开口相连通，用于将反应区域的反应气体及副反应气体排出反应室。

可选的，所述中央排气通道内设置一限流装置，所述限流装置上设置若干限制气体流动的限流通道，所述限流装置与所述旋转轴之间设置一狭缝。

可选的，所述基片托盘与所述旋转轴之间设置一限流装置，所述限流装置上设置若干限制气体流动的限流通道，所述限流通道与所述基片托盘上的开口与所述中央排气通道之间保持气体联通。

可选的，所述旋转轴与所述限流装置相连接，所述限流装置与所述基片托盘相连接，所述旋转轴带动所述限流装置与基片托盘一起转动。

可选的，所述中央排气系统还包括一第二限流装置，所述第二限流装置设置在所述中央排气系统靠近反应室底部的位置。

可选的，所述基片托盘上的若干基片环绕所述中心区域设置，并且使得所述每一片基片的圆心到所述中央排气系统的中心的距离相同。

可选的，所述基片托盘包括设置所述开口的中心区域和靠近边缘排气系统的边缘区域，所述若干基片环绕所述中心区域设置，并且使得所述中心区域和边缘区域之间沿所述基片托盘的径向方向上只容纳一片基片。

可选的，所述基片托盘下方设置加热装置，环绕所述加热装置设置一隔热壁，所述边缘排气系统包括一限流装置，设置在所述反应室的侧壁与所述隔热壁之间，所述限流装置上设置若干限制气体流动的限流通道。

可选的，所述气体输送装置为气体喷淋头式分布结构，至少两组反应气体经进所述气体喷淋头注入所述反应区域内，并在到达所述反应区域前保持相互隔离。

可选的，所述气体喷淋头靠近所述反应区域一侧包括若干气体分布通道，所述气体分布通道提供大体垂直于所述基片托盘的反应气体。

可选的，所述气体分布通道为纵长型的槽状结构或圆环状的槽状结构，不同反应气体的气体分布通道间隔设置。

可选的，所述气体分布通道为管状结构。

可选的，所述气体喷淋头包括中心区域和边缘区域，惰性气体经所述中心区域进入反应区域。

可选的，所述气体喷淋头的中心区域对应基片托盘的开口设置，所述惰性气体用于替代所述反应气体。

可选的，所述基片托盘的中心区域还设有一凹陷部，所述凹陷部与所述至少一个开口气体联通，所述凹陷部内设置一可拆卸的限流板。

可选的，所述基片托盘中心区域设置开口数量为一，所述凹陷部的内径大于所述开口的内径，所述凹陷部与所述开口形成一台阶，用以支撑所述限流板。

可选的，所述基片托盘中心区域设置多个开口，所述凹陷部与所述多个开口之间设置一气体扩散空间。

可选的，所述旋转轴靠近基片托盘的一端向外延伸若干个支撑臂，所述支撑臂具有一定的长度，其一端固定在旋转轴上，其另一端设置一个突出部，用于支撑固定基片托盘，环绕所述旋转轴外围设置一环形侧壁，所述环形侧壁与所述旋转轴之间形成一中央排气通道，所述中央排气通道构成所述中央排气系统的一部分，所述中央排气通道与所述开口相连通，用于将反应区域的反应气体及副反应气体排出反应室。

可选的，所述支撑臂数量为 3个，所述基片托盘下表面设置对应个数的凹陷部与所述突出部相匹配。

进一步的，本发明公开了一种化学气相沉积方法，所述方法在一化学气相沉积反应室内进行，所述反应室内设置支撑若干基片的基片托盘、支撑并带动所述基片托盘旋转的旋转轴以及进气装置，所述基片托盘的中心区域设置至少一贯穿所述基片托盘的上下表面的开口，所述反应室内部的中心区域设置一与所述开口相互流体连通的中央排气系统，所述基片托盘外围环绕设置有一边缘排气系统，所述中央排气系统和所述边缘排气系统连接至少一排气装置，所述方法包括下列步骤：

通过所述进气装置向向位于所述基片托盘与进气装置之间的反应区域内竖直地输入反应气体；

旋转所述旋转轴并带动其上方的基片托盘旋转，在所述基片上进行化学气相沉积反应；

使流经所述反应区域及基片上方的反应气体及副反应气体同时经由所述中央排气系统和所述边缘排气系统排出所述反应室外；

控制所述中央排气系统和所述边缘排气系统的排气量比例。

优选的，在所述中央排气系统和边缘排气系统内部分别设置至少一限流装置。

优选的，所述中央排气系统和所述边缘排气系统分别连接一排气装置，所述方法包括利用所述两个排气装置分别独立地控制所述中央排气系统和边缘排气系统的排气量和排气速度。

本发明的优点在于：本发明在化学气相沉积装置的反应室内同时设置边缘排气系统和中央排气系统，将中央排气系统设置在基片托盘的中心区域开口下方，将边缘排气系统设置在基片托盘的外围区域，改变了传统的反应气体只能通过边缘排气系统排气的现状，优选地，通过设置放置在基片托盘的中心区域和边缘区域之间的基片数量为1，保证了每片基片表面的反应气体及副反应气体同时流经中央排气系统和边缘排气系统，达到类似于每个反应腔只处理一片基片的气流分布，提高了薄膜沉积的均匀度。通过设置多种形式的限流装置，可以有效的调节气体排放的均匀性，同时降低了设备的制作难度。本发明通过设置竖直向下供气的进气装置，可以增大进气装置与基片托盘之间的距离，减少反应气体在进气装置靠近反应区域表面的沉积。

附图说明

图1示出本发明一种实施例反应室的剖面结构示意图；

图1A示出一种实施例基片托盘的俯视示意图；

图1B-图1D分别示出本发明一种实施例反应室的剖面结构示意图；

图2示出本发明一种实施例反应室剖面结构示意图；

图2A示出一种实施例基片托盘的俯视示意图；

图2B示出一种实施例基片托盘的俯视示意图；

图2C示出本发明一种实施例反应室的剖面结构示意图；

图3-3A分别示出本发明一种实施例反应室的剖面结构示意图；

图3B-3F分别示出旋转轴及其与基片托盘的连接方式结构示意图；

图3G示出本发明一种实施例反应室的剖面结构示意图；

图4示出本发明一种实施例反应室的剖面结构示意图；

图4A示出一旋转轴与基片托盘的连接方式示意图；

图5-5A分别示出本发明一种实施例反应室的剖面结构示意图；

图6A-6C示出一种实施例的反应气体输送装置50的示意图；

图6D示出另一种实施例的气体输送装置50的示意图；

图7A-7B示出另一种实施例的反应气体输送装置50的示意图；

图8示出本发明一种实施例反应室的剖面结构示意图；

图9-9A示出另一种实施例反应室的剖面结构示意图；

图10示出现有技术反应室的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体说明。

本发明提供了一种在基片或衬底上沉积薄膜或外延晶体生长的化学气相沉积反应装置及其沉积方法。该反应装置及沉积方法可以用于在基片上或衬底上沉积各类薄膜，尤其，本发明的反应装置可以较优地适用于MOCVD方法或HVPE方法来沉积或外延生长III-V族薄膜。

本发明所提供的化学气相沉积装置可以实现在一反应腔内既可以同时处理多片基片，又保证每一片基片如同在单基片反应腔内处理的良率和均匀度，从而不仅提高沉积或外延生长薄膜的良率、均一性，又能大大提高产量，并且所处理的每一片基片尺寸可以是较大尺寸，例如：6英寸、8英寸或更大尺寸等。在本发明所提供的化学气相沉积装置中，反应室内同时设置位于基片托盘中心区域的中央排气系统和位于基片托盘边缘区域的边缘排气系统，使若干基片围绕基片托盘的中心区域设置，并且优选地，在基片托盘的边缘区域和中心区域之间沿基片托盘的径向方向上只放置一片基片，使得每片基片表面的反应气体和副反应气体同时从中央排气系统和边缘排气系统排出。这样，相对于每一片基片而言，流经其上方的气流如同基片托盘上只有一片基片的单基片处理腔，从而实现在一反应腔内既可以同时处理多片基片，又保证每一片基片如同在单基片反应腔内处理的均匀度、高良率、均一性，又大大提高产量。以下结合附图和各实施例详细说明本发明。

图1为根据本发明的一个具体实施例所提供的一种在基片上进行化学气相沉积的反应室100结构示意图。如图1所示，反应室100为一种立式反应室，反应室的上方设置一反应气体输送装置50。反应气体50a、50b或更多种反应气体与反应气体输送装置50相连接，用于向反应室100的内部输送反应气体。可选择地，反应气体输送装置50还与一冷却装置或温度控制装置20相连接，该冷却装置或温度控制装置20可以在反应室100工作时对反应气体输送装置50的某些部分（未图示）进行冷却或实现温度控制。

反应室100还包括反应室侧壁101，在反应室侧壁101的内部区域内设置有基片承载装置，基片承载装置包括基片托盘110及支撑基片托盘的旋转轴120，基片托盘110的上表面放置有或容纳有多片基片W。可选择地，在基片托盘110下方的适当位置处设置有加热装置30，用于均匀地对基片托盘110及放置于其上的基片W进行加热。为避免加热装置30造成反应室侧壁101温度过高，在加热装置外围环绕设置一圈隔热壁102。为了实现更佳的薄膜沉积效果，在工艺处理过程中，基片托盘110需要以一定的转速保持旋转，该旋转通过旋转轴120及旋转机构127来实现。当然基片托盘110的旋转也可以其他方式实现。在反应室100适当位置处还包括一排气装置40，例如，排气泵，用以将反应室100的反应气体及副反应气体排出反应室100内部，并保持反应室100的内部为真空或具有一定气压的反应环境。

需要说明的是，图1所示的反应气体输送装置50与基片托盘110之间形成反应区域105，反应气体输送装置50提供向下竖直流向基片W表面的反应气体，其实际设计可以有多种方案，下文将详细描述。

在图1所示的反应器中，反应气体输送装置50提供竖直流向基片W的反应气体，由于工艺过程中，基片托盘110在旋转轴120及旋转机构127的带动下高速旋转，基片表面的反应气体及副反应气体在离心力的作用下会被甩向反应室侧壁101方向，经由环绕设置在基片托盘110外围的边缘排气系统60排出，必然会造成基片上方不同位置的气体到达边缘排气系统60的路径不同，造成基片表面化学沉积不均匀问题。为此，本发明图1公开的实施例中反应室除设置边缘排气系统60外还设置中央排气系统70。具体设计为，在基片托盘110的中心区域设置贯通基片托盘110上下表面的开口115，对应开口115下方设置中央排气通道，由于旋转轴120位于基片托盘的中心区域下方，因此设置旋转轴120的内部为中空结构，中央排气通道122设置在旋转轴120的中空结构内。中央排气系统70包括中央排气通道122及连接中央排气通道122的排气装置40，中央排气通道122与基片托盘的开口115流体联通。在排气装置40的作用下，中央排气系统的排气通道内部压力较反应区域105的压力小，因此基片托盘110的开口115周围的气体在负压作用下流向中央排气系统70。即反应工艺过程中，基片表面的一部分反应气体及副反应气体在离心力的作用下会经边缘排气系统60排出反应室，另一部分会在排气装置40的作用下进入开口115，经中央排气系统70排出反应室。

图1A示出图1所描述的基片托盘110的俯视图，在图1A所示的实施例中，基片托盘包括中心区域1102和边缘区域1101，基片托盘的中心区域1102设置一贯通基片托盘110上下表面的圆形开口115，若干基片W环绕圆形开口115设置，所述若干片基片的圆心位于一个基片托盘的同心圆上，该同心圆距基片托盘的圆心O距离为R，基片托盘110的中心区域1102与基片托盘边缘区域1101之间沿基片托盘110的径向方向上只设置一片基片W，每片基片W的圆心到中心区域1102边缘的距离L2与到边缘区域1101边缘的距离L1相等，以保证基片W上的气体到边缘排气系统和中央排气系统的路径相等。显然，在反应工艺过程中，尽管基片托盘的高速旋转会造成气体向基片托盘的边缘区域流动，但由于中央排气系统的作用，圆形开口115及其下方的中央排气通道122内气压低于反应区域的气压，仍然会吸引靠近圆形开口115附近的基片表面的反应气体和副反应气体经中央排气系统70排出反应室。

实际反应工艺中，为避免反应气体及副反应气体太快通过排气通道造成反应区域105内的气体分布不均匀，需要在中央排气系统70和边缘排气系统60内部设置控制气体流速的装置，目的在于通过控制气体的排放速率控制反应区域105的气体流动均匀性，图1示例性的示出一种实施方式，一限流装置61环绕设置在隔热壁102与反应室侧壁101之间并且靠近反应室底部位置，限流装置61上设置若干限流通道62，用于限制边缘排气系统60排放的反应气体及副反应气体。边缘排气系统60的限流装置可以有多种设计，只要能实现限制气体流动的装置均可以被运用，在此，本发明不再对其进行介绍。并且，为行文简洁，在接下来的附图中未示出边缘排气系统60的限流装置，应当理解，任何可行的方案都可以应用于下文各附图所示的实施例中。以下各实施例主要介绍中央排气系统70的限流装置设计。图1B示出本发明另一种实施例反应室的剖面结构示意图，在该实施例中，基片托盘110与旋转轴120之间设置一限流装置130，限流装置130上设置若干限流通道135，通过设计限流通道135的形状、大小及分布密度，配合排气装置40的排气速率，实现对中央排气系统70的排气控制，以便保证反应区域105的气体流动均匀。在本实施例中，限流通道135可以为孔状、槽状或不连续圆环状等多种规则或不规则的形状，其可以设置为均匀分布，也可以根据需要调节的排气速率设置为不均匀分布。其材质可以为不锈钢等耐高温且具有良好机械强度的材料。具体连接结构可以为：限流装置130设置在基片托盘110下方，对应开口115设置，旋转轴120设置在限流装置130下方，其中旋转轴120与限流装置130之间设置能保持同步旋转的结构（未图示），限流装置130与基片托盘110之间设置能够保持同步旋转的结构（未图示），当旋转轴120在旋转机构127驱动下旋转时，可以带动限流装置130和基片托盘110一起同步旋转。

在化学气相沉积工艺过程中，反应气体不仅会在基片表面发生反应沉积，在反应室内基片以外的其他区域也会发生沉积反应，生成的沉积物由于并非工艺所需，因此被认为是沉积污染物，该沉积污染物通常以颗粒状或片状形式存在，在排气过程中，颗粒状或片状污染物极易堵塞排气通道，特别的，图1B中限流装置130紧邻基片托盘110设置，若沉积污染物堆附在开口115内，甚至高出基片托盘的表面，势必会对排气速率及反应区域内的气流分布造成影响，进而影响基片表面薄膜的均匀性。为了解决上述问题，图1C提供一种优选的实施例，在该实施例中，在中央排气通道122内部设置一限流装置140，限流装置上设置限流通道145，限流通道145在限流装置140上的分布可以为孔状、槽状或不连续圆环状等多种规则或不规则的形状，可以设置为均匀分布，也可以根据需要调节的排气速率设置为不均匀分布。本实施例中，设置在中央排气通道122内的限流装置140可以固定在旋转轴120的内侧壁121上随着旋转轴一起旋转，也可以通过其他方式固定在中央排气通道122内部，不与旋转轴一起旋转，如通过固定装置141将限流装置140支撑在中央排气通道122内部，固定装置141末端安装在反应室底壁上。限流装置140可以设置在中央排气通道122内部的任一位置。作为一种实施例，为了容纳较多的沉积污染物，同时也为了便于安装，限流装置140在靠近反应室底部位置设置。

图1D示出本发明另一实施例，在该实施例中，两种形式的限流装置130和140同时设置，在某些应用中可以更好地控制排气。在本实施例中，限流装置130的限流通道135可以适当设置较大内径，以配合限流装置140更好地实现限流排气，并避免产生的沉积污染物堆积在限流通道135上方。本实施例中，限流装置140设置在旋转轴的内侧壁121上。

上述实施例在化学气相沉积装置的反应室内同时设置边缘排气系统和中央排气系统，将中央排气系统设置在基片托盘的中心区域开口下方，将边缘排气系统设置在基片托盘的外围区域，改变了传统的反应气体只能通过边缘排气系统排气的现状，保证了每片基片表面的反应气体及副反应气体同时流经中央排气系统和边缘排气系统，达到类似于每个反应腔只处理一片基片的气流分布，提高了薄膜沉积的均匀度。在中央排气系统和边缘排气系统的排气通道上设置限流装置，可以有效控制反应气体及副反应气体的排气流速，有利于控制反应区域内气体的分布均匀性，通过设置限流装置位于排气通道的不同位置及限流装置上的限流通道形状和分布不同，可以灵活调节气体排放的速率。

图2公开一种实施例的反应室剖面结构示意图，中央排气系统包括位于旋转轴220内的中央排气通道222及连接中央排气通道222的排气装置40。旋转轴220在旋转机构227的驱动下带动基片托盘210旋转。本实施例中，基片托盘210中心区域设置有若干个贯通基片托盘210上下表面的开口215，本实施例的开口215可同时作为限制气体流动的限流装置。图2A公开了图2反应室内基片托盘的俯视示意图，在该实施例中，限流通道设置在基片托盘上，在基片托盘210的中心区域设置若干孔径较小的限流孔215a，即基片托盘210自身起到限流装置的作用。为了保证排气均匀，限流孔215a的孔径大小可以设置为相同，在某些应用中，如果需要刻意调整排气速度为所需程度，也可以根据需要设置限流孔215a的孔径大小不同。限流孔215a可以均匀分布在基片托盘的中心区域，也可以根据需要在中心区域不均匀分布，根据不同反应器和不同工艺可以做出适应性调整。除了图2A中的限流孔设计，图2B示出另一种实施例的基片托盘示意图，该实施例中，限流通道设计为分布在基片托盘210中心区域的不连续圆环状通道215b，还可以根据需要设计为槽形通道或其他形状，以及槽形通道的尺寸大小，在此不再赘述。

为保证反应区域的气体分布均匀，限流通道的通道口径需控制在较小的范围内，由于基片托盘通常采用石墨材料，其机械加工强度较弱，如果在石墨材质的基片托盘上设置多个小口径限流孔或限流槽，基片托盘可能会发生碎裂等问题，导致设计无法实现或由于成品率过低导致设计成本增大。因此，图2C提供一种改进的实施例，在该实施例中，基片托盘210c上的开口215c设置为较大口径，在旋转轴220c的中央排气通道222c内部，设置带有较小限流通道245的限流装置240。开口215c和限流通道245配合，实现对反应气体和副反应气体的限流排气。同上述实施例所描述的，限流装置240既可以与旋转轴一起旋转，也可以固定在中央排气通道内部，不与旋转轴一起转动。本实施例反应室的其他结构设计同图1实施例大致相同，因此对应的部件标号不予更改，具体描述可参考上述实施例。

在化学气相沉积装置中，基片托盘通常要维持1000转/分或更高的转速，因此，如果中央排气通道设置在旋转轴内部，需要增加旋转轴的直径，这会限制旋转轴的转速，同时，较粗的旋转轴旋转会导致反应室的震动过大，造成设备的不稳定、不安全问题。

图3示出一种解决上述问题的实施例，在图3所述的实施例中，旋转轴320为实心结构，不再担任排气通道的角色，环绕旋转轴外围设置一环形侧壁350，环形侧壁350与旋转轴320之间形成中央排气通道322，基片托盘310的中心区域设置贯通基片托盘310上下表面的开口315，中央排气通道322及排气装置40组成中央排气系统，中央排气通道322与开口315流体联通。基片表面的一部分反应气体及副反应气体经开口315进入中央排气通道322，并经排气装置40排出反应室。另一部分经边缘排气通道60和排气装置40排出反应室。环形侧壁350与基片托盘310之间设置一狭缝351，因此避免基片托盘310旋转时与环形侧壁350产生摩擦。由于中央排气通道322连接排气装置，内部气压较小，会吸引限流孔315内的气体向中央排气通道322内流动，因此无需担心会有反应气体及副反应气体流入加热装置30所在的区域。应当理解，在狭缝351处还可以选择性地进一步设置一密封件（未图示）。实心旋转轴320在旋转机构327驱动下带动基片托盘310保持高速旋转，实现反应工艺要求。

上文提到，由于基片托盘通常采用石墨材料，其机械加工强度较弱，如果在石墨材质的基片托盘上设置多个小口径限流孔或限流槽，基片托盘可能会发生碎裂等问题，导致设计无法实现或由于成品率过低导致设计成本增大。为保证反应区域的气体分布均匀，图3A示出一种改进的实施方式，本实施例中，可以在基片托盘310a上设置较大口径的限流孔315a，以防止基片托盘破裂，在中央排气通道322内靠近反应室下游位置设置限流装置340，本实施例中，限流装置340为环绕旋转轴320设置的环形结构，限流装置上设置口径较小的限流通道345，限流装置可以固定在环形侧壁350上，也可以通过支撑装置固定在基座底部。本实施例中，基片表面的一部分反应气体及副反应气体经开口315进入中央排气通道322，在中央排气通道内经限流通道345的进一步限流，经排气装置40排出反应室。

在图3和图3A所示的实施例中，旋转轴320为实心设计，旋转轴320既需要支撑基片托盘保持在稳定的水平方向，又需要带动基片托盘保持高速旋转，因此旋转轴与基片托盘的连接是至关重要的设计。图3B和图3C示出一种方式的连接示意图，图3B中的旋转轴320a是图3和图3A所示的旋转轴的一种示例性结构，其中，旋转轴主轴3201a靠近基片托盘一端设置一延伸部3202a，延伸部3202a有一上表面3204a用于与基片托盘接触，保证基片托盘处于稳定的水平位置，延伸部3202a上表面上设有一突出部3203a。突出部3203a，延伸部3202a以及旋转轴主轴3201a之间可以一体设置，也可以分为若干个部件，可拆卸的组装为一体。图3C示出基片托盘310a与旋转轴320a的安装结构剖面示意图。由图3C可知，设有开口315a的基片托盘310a靠近旋转轴的下表面3101a中心区域设置设置向内凹陷的凹陷部3102a，以容纳旋转轴的突出部3203a。本实施例中，突出部3203a在水平方向的剖面图形状为椭圆形，对应的，基片托盘的凹陷部3102a设置为与突出部大体相同的形状，该种设计目的是为了在旋转时突出部3203a与凹陷部3102a相互抵靠，使得基片托盘在旋转轴的带动下高速旋转。突出部3203a与凹陷部3102a的形状可以有多种选择，只要能保证旋转轴旋转时，突出部与凹陷部之间不出现打滑现象，能带动基片托盘同步旋转即可。旋转轴延伸部3202a的上表面3204a与基片托盘的下表面3101a相接触，增大了旋转轴对基片托盘的支撑面积，能够更好地保证基片托盘的稳定性，当然，在一些实施例中，即便没有延伸部3202a的设计，旋转轴顶端表面及突出部的上表面也足以支撑基片托盘实现平稳快速旋转。

图3D和图3E示出另一种方式的连接示意图，图3D中的旋转轴320b是图3和图3A所示的旋转轴的一种示例性结构，其中，旋转轴主轴3201b靠近基片托盘一端设置两个突出部3203b。突出部3203b与旋转轴主轴3201b之间可以一体设置，也可以分为若干个部件，可拆卸的组装为一体。图3E示出具体工作过程中，基片托盘与旋转轴的安装结构剖面示意图。由图3E可知，设有开口315b的基片托盘310b靠近旋转轴的下表面3101b中心区域设置两个向内凹陷的凹陷部3102b，以容纳旋转轴的两个突出部3203b。本实施例中，突出部3203b在水平方向的剖面图形状为圆形，对应的，基片托盘的凹陷部3102b设置为与突出部大体相同的形状，设置两个突出部目的是为了在旋转时突出部3203b与凹陷部3102b相互抵靠，产生扭力，使得基片托盘在旋转轴的带动下高速旋转。突出部3203b与凹陷部3102b的形状和数量可以有多种选择，只要能保证旋转轴旋转时，能带动基片托盘同步旋转即可。旋转轴的上表面3204b与基片托盘的下表面3101b相接触，用以支撑基片托盘实现平稳快速旋转。

容易想到的，在上述图3B-图3E实施例的描述中，突出部和凹陷部的位置可以互换，即基片托盘的下表面设置突出部，旋转轴的上表面设置凹陷部，旋转轴旋转时，凹陷部与突出部互相抵靠，产生扭力带动基片托盘旋转。

图3F公开了另一种实施例的旋转轴结构示意图，旋转轴320c包括主轴3201c，轴3201c靠近基片托盘的一端向外延伸若干个支撑臂3202c，本实施例为3个，支撑臂具有一定的长度，其一端固定在旋转轴上，其另一端设置一个突出部3203c，用于支撑固定基片托盘。图3F公开的旋转轴可以用在图3G所示的反应室内。图3G所示的反应室结构同图3A公开的结构大致相同，区别在于，本实施例中基片托盘310c中心区域的开口315c为一个内径较大的开口，因此无法在中心区域设置凹陷部与旋转轴连接。旋转轴320c通过设置具有一定长度的支撑臂，利用支撑臂的末端设置突出部，同时，在基片托盘310c环绕开口315外围设置对应个数的凹陷部，用以容纳旋转轴的突出部3203c，实现旋转轴对基片托盘的支撑与驱动。该实施例中，中央排气通道322内部设置限流装置340，反应气体及副反应气体经基片托盘上的开口进入中央排气通道322，再经限流装置上的限流通道345限流，最后在排气装置40的作用下排出反应室。

图4提供一种改进的实施方式，在本实施例中，基片托盘410中心区域设置一大致为圆形的贯通基片托盘410上下表面的开口415，具体结构可参见图1A所示，基片托盘410与旋转轴420之间设置一限流装置430，限流装置430设置在圆形开口415下方，其上设置若干限流通道435，其材质可以为不锈钢等耐高温且具有良好机械强度的材料。具体连接结构可以为：限流装置430设置在基片托盘410下方对应圆形开口415设置，旋转轴420设置在限流装置430下方，其中旋转轴420与限流装置430之间设置能保持同步旋转的结构，限流装置430与基片托盘410之间设置能够保持同步旋转的结构，当旋转轴420在旋转机构427驱动下旋转时，可以带动限流装置430和基片托盘410一起同步旋转。环绕旋转轴420设置一环形侧壁450，环形侧壁450与旋转轴420之间形成中央排气通道422，反应区域内的气体经基片托盘410上的限流孔415进入中央排气通道422，并经排气装置40排出反应室。环形侧壁450与基片托盘410之间设置一狭缝451，因此避免基片托盘410旋转时与环形侧壁450产生摩擦。在该实施例中，旋转轴420与限流装置430之间的连接结构可采用图3B-图3F的结构，可参照上文描述，限流装置430与基片托盘410之间的连接也可参照上述实施例中的结构，通过在限流装置430和基片托盘410上设置互为匹配的凹陷部及突出部，使得基片托盘可分离的放置在限流装置上，且在限流装置的带动下旋转。

图4A示出一种优选的旋转轴与基片托盘的连接方式，本实施例中，为了保证旋转轴在带动基片托盘旋转时的稳定均衡性，将旋转轴420a与限流装置430a一体设置，即限流装置430a为沿着旋转轴一端向外延伸的延展部，限流装置430a上设置限流通道435a，在限流装置430a上设置至少一个突出部434a，突出部434a插入基片托盘410a背面的凹陷部内，实现基片托盘410a与旋转轴420a同步旋转。

在图4及图4A公开的实施例中，均可以在其所在的中央排气通道422内部靠近反应室底部位置设置另一限流装置，并可根据两限流装置的配合，调整限流装置430上限流通道435的分布及大小，在实现均匀排气的前提下，减少沉积污染物在开口415附近的堆积。

图5公开了一种可选的实施例，在本实施例中，基片托盘510中心区域设置一大致为圆形的贯通基片托盘510上下表面的开口515，具体结构可参见图1A所示，旋转轴采用类似图4A的设计，将旋转轴520与限流装置530一体设置，即限流装置530为沿着旋转轴一端向外延伸的延展部，限流装置530上设置限流通道535，在限流装置530上设置至少一个突出部534，突出部534插入基片托盘510背面的凹陷部内，旋转轴520在旋转机构527的驱动下带动基片托盘510同步旋转。环绕旋转轴520设置一环形侧壁550，环形侧壁550与旋转轴520之间形成中央排气通道522，中央排气通道522内部设置带有限流通道545的限流装置540，反应区域内的气体经基片托盘510上的开口515进入中央排气通道522，并经限流装置540上的限流通道545排出反应室。本实施例中，开口515，限流通道535，中央排气通道522及限流通道545组成了中央排气通道70，环形侧壁550与基片托盘510之间设置一狭缝551，因此避免基片托盘510旋转时与环形侧壁550产生摩擦。限流装置540与旋转轴520之间也设置一狭缝541，避免旋转轴旋转时与限流装置540发生摩擦。本实施例中，中央排气系统和边缘排气系统分别连接一排气装置，其中，中央排气通道522连接排气装置42，边缘排气系统60包括排气装置41，例如，排气泵，两个排气装置可以分别控制中央排气系统和边缘排气系统的反应气体及副反应气体的通过量和排气速度，为了调节基片表面薄膜沉积的均匀性和良率，可以通过控制中央排气系统和边缘排气系统气体通过量进行调节。可以设置通过边缘排气系统和中央排气系统的气体流量比例为1:0或者0:1或者这二者之间的数值比例。当设置边缘排气系统和中央排气系统的气体流量比例为1:0时，意味着反应气体及副反应气体只通过边缘排气系统排气。为了调节反应区域内的气体均匀，通常设置二者的比例在0-1之间。应当理解，将中央排气系统和边缘排气系统分别连接一排气装置并分别独立地控制中央排气系统和边缘排气系统的排气速度和排气量，可以被应用至本发明所示例的任何一种实施方式中。

图5A示出另一种实施例，该实施例中，中央排气通道522连接排气装置42，边缘排气系统60连接排气装置41，结构同图5所示的实施例大致相同，区别在于：本实施例的旋转轴采用图3F所示的旋转轴320c，旋转轴320c上设置若干支撑臂3202c，每个支撑臂末端设置一个突出部，用于支撑固定基片托盘。基片托盘510中心区域设置一开口515，开口下方不再设置限流装置530，只在中央排气通道522内设置限流装置540，采用限流装置540上的限流通道545实现对气体流动的限制。本实施例同样可以实现边缘排气系统60和中央排气系统 70的气体通过量比例在1-0之间调节。

本发明中，反应气体输送装置50可以有多种设置方案，其设计核心在于其提供的反应气体为向下流向基片表面的方向，优选的，采用气体分布喷淋装置的结构。所述气体分布喷淋装置上紧密地设置有多个细小的气体分布孔或气体分布槽。

图6A-6C示出一种实施例的反应气体输送装置50的示意图，本实施例中，反应气体输送装置为一种气体喷淋头式设计，图6A示出气体喷淋头与基片托盘的剖面结构示意图，图6B示出气体喷淋头的立体结构示意图，图6C示出分区的气体喷淋头示意图。本实施例描述的气体喷淋头包括气体分配组件11和气体输送组件12，气体分配组件11包括个气体分配管51a和51b，气体输送组件12包括两组气体输送槽52a和52b，每组气体输送槽52a和52b之间设置内部填充冷却液的却通道20。气体分配管51a与气体输送槽52a密封连接，将反应气体源50a中的第一反应气体输送到反应区域105内，气体分配管51b与气体输送槽52b密封连接，将反应气体源50b中的第二反应气体输送到反应区域105内。气体喷淋头的设置方向大致平行的位于基片托盘上方，因此，第一反应气体和第二反应气体流出气体喷淋头后垂直流向基片W表面。由图6B可清楚看到，每一条气体输送槽上方对应设置至少一根气体分配管，为了避免两组反应气体在反应区域105内混合后在气体喷淋头的表面产生污染物沉积，将两气体输送槽52a和52b的至少一组槽靠近反应区域的一侧设置为开口逐渐变大的结构，减小气体喷淋头在水平方向直接接触反应区域内表面积的大小。进一步地，所述气体分布头上还可以设置多个气体分布喷淋区，如，边缘区域501和中央区域502，多个气体分布喷淋区的气体分布喷淋可以被单独控制，从而可以调节下方的基片托盘上的薄膜生长反应，以提高薄膜生长的均一性。

在本发明中，由于基片托盘的中心区域设置中央排气系统的开口，开口上方对应的气体喷淋头区域流出的气体会在该区域上形成不希望出现的寄生污染物沉积，这些沉积物会剥落、掉到下方的基片上方造成工艺瑕疵，同时流出的气体还会被直接经开口被中央排气系统排出反应室。为避免污染物沉积，同时节省价格较高的两种反应气体，可以在气体喷淋头的中心区域设置一第三区域503，如图6C所示，本实施例中，第三区域503可以通入惰性气体或其他不参与反应室内化学反应的气体如H₂、N₂等。该气体自中央排气系统排出反应室，避免在气体喷淋头的中心区域生成污染物沉积。

上述实施例中，两气体输送槽52a和52b为纵长型设计，图6D示出另一种设计的气体输送组件12’，其中两气体输送槽53a和53b为相互间隔的环形设计，其上方对应的气体分配管设置为与之相匹配的分布，在此不再描述。图6D示出的环形气体输送组件12’也可以进行分区设置，可参考上文描述。

图7A示出另一种实施例的气体喷淋头结构示意图，图7B为气体喷淋头的仰视图。在该实施例中，反应气体源50a中的第一反应气体经气体输送管55a输送到反应区域105内，反应气体源50b中的第二反应气体经气体输送管55b输送到反应区域105内，两组气体输送管为管状结构，其仰视图可见图7B所示。冷却通道20内容纳冷却液，用于控制气体喷淋头的温度。容易理解，图7A和图7B均为示意性图，实际上应用的气体喷淋头气体输送管数量更多，更密集，其分布排列根据实际需要进行合理设置。

图8示出另一种实施例的结构示意图，本实施例中，设置边缘排气系统60和中央排气系统 70的气体流量比例为0:1，此时反应气体及副反应气体只通过中央排气系统 70排气。随着MOCVD生产装置的反应室内的基片托盘的尺寸越来越大，上面放置的基片越来越多，基片托盘旋转时产生的离心力越来越大，在靠近基片托盘边缘的位置，反应气体与基片表面之间的相对速度变大会导致边缘区域的薄膜沉积产生线缺陷或不均匀的问题，这必然会降低基片沉积的合格率。本实施例选择反应气体及副反应气体只从中央排气系统排气，而中央排气系统处由于气压较低，吸引反应气体向基片托盘810的中心区域流动，对反应气体的离心力形成一定的遏制，避免所有气体在离心力的所用下甩到基片托盘边缘，降低基片托盘边缘区域与反应气体的相对流速，延长反应气体在基片表面的停留时间，提高反应气体的利用效率。同时提高了基片表面沉积的均匀性。

应当理解，本发明也可以采用水平进气加中央排气的方式，但本发明更优选的实施方式为选择反应气体竖直进入的方式加中央排气。因为当反应气体沿水平方向自基片边缘注入时，为了维持反应气体在基片表面的沉积速率和均匀度，需要在基片上方较近位置设置一顶板以与基片托盘之间形成一距离较小的空间。该较小的空间可以提供较大的压力以促使反应气体在基片表面具有较快的沉积速率，但同时，反应气体也会在顶板表面形成工艺不需要的污染物沉积，为避免该污染物沉积掉落影响基片加工的合格率，需要经常打开反应室对顶板进行清洁，这势必会影响化学气相沉积装置的使用，降低产量。本发明的进气装置采用气体喷淋头式结构，设置反应气体竖直流向基片表面，因此，可以设置气体喷淋头和基片托盘之间保持距离较大的空间，即反应区域805的高度较大，该较大空间可以避免反应气体在气体喷淋头靠近反应区域的一面沉积污染物，特别的，配合本发明的气体喷淋头，设置气体输送通道靠近反应区域的一侧的开口逐渐变大的结构，减小气体喷淋头在水平方向直接接触反应区域内表面积的大小。进而可以更好地避免反应气体在气体喷淋头表面沉积污染物。这会大大减少对气体喷淋头的清洁次数，因而可以提高设备的利用率和基片的产量。

本实施例中限流装置可以设置多种形式，具体描述可以参考上文，在此不再赘述。

图9公开了一种实施例的反应室结构示意图，在上文描述的若干实施例中，基片托盘上的限流通道形状可以设置为多种形式，然而，实际生产中，由于基片托盘的制作工艺需要花费较长的时间，且费用较高，如果需要某种特定的限流通道，从确定方案到加工出需要的基片托盘往往需要几个月甚至更长的时间，会严重影响生产工艺的进度，因此，本实施例提供一种改进的实施方式。在图9示出的实施例中，基片托盘可以采用如图1A、图2A、图2B中的任一种方式，不同于上述实施例，本实施例中设有贯通基片托盘上下表面的开口的中心区域向下设置一定凹陷深度的凹陷部961，一与所述凹陷部相匹配的限流板960设置于所述凹陷部961内，优选的，凹陷部961内有用于支撑限流板960的部件，例如，凹陷部961的内径大于基片托盘上的开口915的内径，因此，开口915内形成一台阶，用以支撑限流板960。限流板960上设置限流通道965，每种限流板960上可以设置一种形状及分布的限流通道，限流板960可选耐高温的不锈钢材质。相比起基片托盘的加工工艺，不锈钢限流板的制作难度和成本大大降低，针对不同工艺对限流通道形状和分布的不同需求，只需要加工所需形状和分布的限流板960即可，因此，同一基片托盘可以适用所有带有不同形状限流通道的限流板。由于限流板960的加工成本较低，因此，采用本实施例的设计大大降低了零部件的加工成本，缩短了设计周期。

本实施例所述的旋转轴920可以采用图3F所示的结构，也可以采用图4A所示的结构，任何可以在旋转机构927驱动下带动基片托盘910旋转的旋转轴都可以用于本实施例的反应室。如果采用图3F或图4A的结构，环绕旋转轴920外设置一环形侧壁950，环形侧壁950与旋转轴920之间形成中央排气通道922，可选的，环形侧壁950内部可以设置另一带有限流通道945的限流装置940。限流装置940上的限流通道的形状和分布可以为上文描述的任一形状和分布。其可以与基片托盘中心区域的限流板960上的限流通道965的形状和分布相同，也可以为不相同。

图9采用的基片托盘910的设计为中心区域设置一较大开口的实施例，由于中心区域无实体部分，因此反应气体及副反应气体自限流板960的限流通道965流出时并无遮挡，然而，当采用图2A和图2B所述实施例的基片托盘时，为避免基片托盘中心区域的实心部分阻挡限流通道965的气体流动，可在中心区域限流板下方设置如图9A所示的气体扩散空间962，扩散空间与中心区域设置的开口915a相连通，限流板960的限流通道965内流出的气体经气体扩散空间962自开口915a内进入基片托盘下方的排气通道。

在图9-9A描述的实施例中，中央排气系统和边缘排气系统可以连接同一排气装置，也可以分别连接一个排气装置，当分别连接一个排气装置时，每个排气装置可以独立控制其排气系统的排气流量。

本发明还提供一种化学气相沉积方法，所述方法可以在上文描述的化学气相沉积反应室内进行，反应室内设置支撑若干基片的基片托盘、支撑并带动所述基片托盘旋转的旋转轴以及进气装置，在基片托盘的中心区域设置至少一贯穿所述基片托盘的上下表面的开口，所述反应室内部的中心区域设置一与所述开口相互流体连通的中央排气系统，所述基片托盘外围环绕设置有一边缘排气系统，所述中央排气系统和所述边缘排气系统连接至少一排气装置，所述方法包括下列步骤：

通过所述进气装置向向位于所述基片托盘与进气装置之间的反应区域内竖直地输入反应气体；在所述基片上进行化学气相沉积反应；使流经所述反应区域及基片上方的反应气体及副反应气体同时经由中央排气系统和边缘排气系统排出所述反应室外；控制所述中央排气系统和所述边缘排气系统的排气量比例。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明在化学气相沉积装置的反应室内同时设置边缘排气系统和中央排气系统，将中央排气系统设置在基片托盘的中心区域开口下方，将边缘排气系统设置在基片托盘的外围区域，改变了传统的反应气体只能通过边缘排气系统排气的现状，保证了每片基片表面的反应气体及副反应气体同时流经中央排气系统和边缘排气系统，达到类似于每个反应腔只处理一片基片的气流分布，提高了薄膜沉积的均匀度。通过设置多种形式的限流装置，以及使中央排气系统和边缘排气系统分别连接一可以单独控制的排气装置，可以有效地调节边缘排气系统和中央排气系统的排气量和排气速度，最终实现基片工艺处理的均匀性和提高良率，同时降低了设备的制作难度。本发明通过提供竖直向下供气的进气装置，可以使得进气装置与基片托盘之间的保持较大距离的同时达到同样地反应所需气体压力，进气装置与基片托盘之间的距离变大可以减少反应气体在进气装置靠近反应区域表面的沉积。

以上对本发明的各个实施例进行了详细说明。需要说明的是，上述实施例仅是示范性的，而非对本发明的限制。任何不背离本发明的精神的技术方案均应落入本发明的保护范围之内。此外，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求；“包括”一词不排除其它权利要求或说明书中未列出的装置或步骤；“第一”、“第二”等词语仅用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。