高温金属有机化学气相淀积反应器制造技术

本发明专利技术公开了一种高温金属有机化学气相淀积反应器，包括壳体、反应室、送样室、真空装置、尾气处理装置以及操作控制装置，其特征在于：所述反应室为上底面小于下底面的锥桶形结构，包括多边形锥台式衬底托及套于衬底托外侧的内罩，所述内罩的倾角大于衬底托倾角３°～５°，形成反应气体通道，反应气体自下经气体通道由反应室顶部的出气口排出；沿衬底托的外缘斜面布置有复数个衬底铺设位，所述内罩上设有与监测点配合的光学窗口，供操作控制装置实时监控。本发明专利技术通过锥桶形结构的反应室，使送气方向与浮热方向基本一致，减少涡流产生，防止预反应的发生，提高了外延材料的质量和均匀性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种化学气相淀积设备，具体涉及一种髙温金属有机化学气相 淀积(MOCVD)设备中的反应器。
技术介绍
金属有机化学气相淀积方法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, 简称MOCVD)是上世纪70年代发展起来的一种先进的气相外延技术，现已在 I-V族Si/Ge系列、III-V族GaAs系列和GaN系列等光电子材料的生产中得到 广泛应用，从材料质量和器件性能来看，还没有其它方法与之相比。用金属有机化学气相淀积方法(MOCVD)生长薄膜材料，通常需要各种原 材料和载带气体，原材料包括金属有机物M0源、气体源(如氨气)等，是参 与化学反应并形成薄膜产物的原料成分；载带气体包括氢气、氮气等，这些气 体只载带原材料进入反应室，本身不参与化学反应。通常原材料金属有机物M0源和气体源之间在输运过程中受热温度升髙而 发生反应(预反应)，预反应产物为金属有机聚合物，预反应产物一方面会部 分沉积在衬底表面引起薄膜局部多晶，薄膜材料质量下降，另一方面，预反应 产物消耗了原材料的利用率。所以，通常将MO源和气体源隔离输运(内、中、 外管)，到达衬底表面时才混合以减少预反应，如中国技术公开的一种可 抑制化学气相沉积预反应的进气蓬头(CN200996045),将蓬头本体分割成若干 个相对独立的区域，仅由本体顶部通入的进气管向喷气口进气，从而形成相互 独立的进气单元，避免原料气相互之间的接触。然而，上述结构仅在送气时将原料气相互分开，在接近衬底时再合并，目 前衬底通常为平行或垂直于气流方向，源气体流过衬底上方如果是平推流，源 气体掠过衬底表面时间最短，但以目前平铺式的衬底来说，源气体在流过衬底 上方时受热会上浮而发生涡流，源气体掠过衬底表面时间便将增加好几倍，预 反应变得严重的多，且各处边界层厚度不一，质量传递速率不一，薄膜各处生长速度不一，影响薄膜晶体质量和均匀性。不同MO源预反应程度不一样，三 甲基铝的预反应严重，砷烷和三甲基镓相对弱一些，M0源在衬底上方停留时 间越长，预反应越严重，涡流的产生便是MO源反复在衬底上方流过，延长了 停留时间。采用低压生长或加大衬底转速可减小表面涡流，但同时会影响薄膜 生长机制，也难以控制。对I-V族Si/Ge系列和III-V族GaAs系列材料来说，其生长温度在850°C 以下，源气体流过衬底上方受热上浮不严重而III-V族GaN系列材料生长温 度在1000°C以上，源气体流过衬底上方受热上浮发生涡流就比较严重。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种适用于髙温金属有机化学气相淀积的反应器，减少 源气体在衬底上方的涡流和受热时间，提高生长晶体的质量和原材料利用率。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是 一种髙温金属有机化学气相 淀积反应器，包括壳体、反应室、送样室、真空装置、尾气处理装置以及操作 控制装置，所述反应室位于被抽真空的壳体内，用于淀积反应的衬底及为衬底 加热的加热组件置于反应室内，所述反应室为上底面小于下底面的锥桶形结 构，包括多边形锥台式衬底托及套于衬底托外侧的内罩，所述内罩内壁的倾角 比衬底托外表面的倾角大3° 5° ,两者间构成反应气体通道，反应气体自 下经气体通道由反应室顶部的出气口排出沿衬底托的外缘斜面布置有复数个 衬底铺设位，所述内罩上设有与监测点配合的光学窗口，供操作控制装置实时 监控。上述技术方案中，所述某个面的倾角是指铅垂面与该面之间的夹角；所述 反应室为锥桶形，即底面面积大于顶面面积，由锥台式的衬底托和衬底托外的 内罩构成，衬底托呈多边形，每一侧面上设置了放置衬底的铺设位，所述内罩 可以是多边形锥桶或是圆锥桶形，其倾角(斜度)要大于内侧衬底托的倾角(斜 度)3° 5° ,如此便可形成上部面积小于下部面积的通道，反应气体由此通 道的下方通入，由于通道面积逐渐减小，气体流速逐渐加快，边界层厚度逐渐 减薄，传质速率逐渐加大，对下游源浓度的衰减(部分已反应淀积)起到补偿 作用，维持整个反应室沉积速率保持不变；更重要的是，由于气体受热膨胀，向上热浮，热浮方向与气体主流方向偏角小于内罩倾角，两者基本一致，从而 不会形成大的涡流，有效减少预反应，使各处边界层厚度基本保持一致，质量 传递速率各处均匀，提髙了薄膜晶体质量和均匀性。所述内罩上开有光学窗口， 即为直径3 5mm的小孔，开孔的目的是为了让光学监测信号穿过，小孔位置 和数量根据监测点位置和数量需要而定，从而可实时监测薄膜生长速率和应力 情况。优选的技术方案是，所述衬底托为6 10边形的锥台式石墨托，其表面的 倾角为3° 5° ,沿每一倾斜面的延伸方向上，布有4 6层下凹式衬底铺设 位，每一倾斜面上可叠放多个衬底，反应室容积的利用率髙，易于实现产能机 型的升级。进一步的技术方案是，所述加热组件位于所述衬底托内，由复数个加热电 阻丝构成，分别控制加热温度，从而使锥台的底部与顶部的受热温度一致，有 利于薄膜晶体质量和均匀性。上述技术方案中，所述内罩外套有遮盖所述光学窗口的外罩，该外罩的倾 角大于内罩倾角，形成供防止光学窗口堵塞的光学窗口保护气体穿过的气流通道。光学窗口可实时监测薄膜生长速率和应力情况，为防止反应淀积物堵塞光 学窗口，在内罩外设置外罩，外罩倾角大于内罩，髙度以遮盖光学窗口为准； 在内罩和外罩夹层内通入光学窗口保护气体(惰性气体)，由于外罩倾角大于 石英内罩倾角，迫使惰性气体在上升过程中气压增加，以利于惰性气体穿过光 学窗口 (小孔)进入内外罩夹层，惰性气体量可调，保证穿过小孔且不影响源 气体流动模式为准则。上述技术方案中，所述衬底选自单晶Si、 GaAs、 SiC、 GaN或蓝宝石中的由于上述技术方案运用，本专利技术与现有技术相比具有下列优点1. 本专利技术中反应室为锥桶形结构，套于衬底托外的内軍倾角大于衬底托 的倾角，形成上部面积小于下部面积的通道，反应气体自下而上通入通道内， 与气体受热膨胀的热浮方向基本一致，有效减少反应气体在衬底表面受热上浮 引起的涡流流态，有效减少预反应，提髙了外延材料的质量和均匀性；2. 由于本专利技术中反应室采用锥桶形结构，衬底托为6 10边形的锥台式，每一斜面上设置4 6层的下凹式衬底铺设位，使衬底可以在锥形多面体上叠 放，提髙了反应室容积的利用率；3. 由于衬底托可从6面放大到IO面，在不改变衬底上方气体流动方式的 情况下，容易实现到更大产能机型的升级；4. 由于加热组件由复数个加热电阻丝构成，分别控制加热温度，从而使 衬底托上下部的受热温度一致，有利于提髙淀积反应的质量与均匀性。附图说明图l是本专利技术实施例一的结构示意图(送样室、真空装置、尾气处理装置 未画出)；图2是图1中反应室的结构示意图。其中1、衬底设铺位；2、光学窗口； 3、衬底托；4、内罩；5、外罩6、 不锈钢底座；7、密封圈；8、加热电阻丝9、出气口； 10、不锈钢夹套；11、 石英支架；12、光学窗口保护气体；13、气体入口。具体实施方式 下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步描述实施例一参见图l、 2所示， 一种髙温金属有机化学气相淀积反应器， 包括壳体、反应室、送样室、真空装置、尾气处理装置以及操作控制装置，所 述反应室位于被抽真空的壳体内，用于淀积反应的衬底及为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高温金属有机化学气相淀积反应器，包括壳体、反应室、送样室、真空装置、尾气处理装置以及操作控制装置，所述反应室位于被抽真空的壳体内，用于淀积反应的衬底及为衬底加热的加热组件置于反应室内，其特征在于：所述反应室为上底面小于下底面的锥桶形结构，包括多边形锥台式衬底托（３）及套于衬底托（３）外侧的内罩（４），所述内罩内壁的倾角比衬底托（３）外表面的倾角大３°～５°，两者间构成反应气体通道，反应气体自下经气体通道由反应室顶部的出气口（９）排出；沿衬底托（３）的外缘斜面布置有复数个衬底铺设位（１），所述内罩（４）上设有与监测点配合的光学窗口（２），供操作控制装置实时监控。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王怀兵，杨辉，徐科，张宝顺，梁骏吾，
申请(专利权)人：苏州纳晶光电有限公司，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]