Mocvd反應(yīng)腔及工藝設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種MOCVD反應(yīng)腔及工藝設(shè)備。該MOCVD反應(yīng)腔包括腔體、托盤、中央進氣裝置、外部加熱裝置和內(nèi)部加熱裝置，所述中央進氣裝置位于所述腔體內(nèi)部的中間位置，所述托盤位于所述腔體內(nèi)部且設(shè)置于所述中央進氣裝置的周圍，所述外部加熱裝置位于所述腔體的外部，所述內(nèi)部加熱裝置位于所述中央進氣裝置的內(nèi)部；所述托盤，用于承載襯底；所述中央進氣裝置，用于向所述腔體通入反應(yīng)氣體；所述外部加熱裝置，用于對所述托盤進行加熱；所述內(nèi)部加熱裝置，用于對所述托盤進行加熱。本發(fā)明降低了反應(yīng)氣體發(fā)生預(yù)反應(yīng)的機率，并且使得反應(yīng)氣體可形成穩(wěn)定的反應(yīng)氣體流場。
【專利說明】MOCVD反應(yīng)腔及工藝設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微電子【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種MOCVD反應(yīng)腔及工藝設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬有機化合物化學(xué)氣相淀積(Metal-organicChemical Vapor Deposition,以下簡稱:M0CVD)技術(shù)是在1968年由美國洛克威爾公司的Manasevit等人提出來的用于制備化合物半導(dǎo)體薄片單晶的一項新技術(shù)。
[0003]MOCVD技術(shù)是在氣相外延生長(Vapor Phase Epitaxy，以下簡稱:VPE)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型氣相外延生長技術(shù)。該MOCVD技術(shù)以III族、II族元素的有機化合物和V、VI族元素的氫化物等作為晶體生長源材料，以熱分解反應(yīng)方式在襯底上進行氣相外延，生長各種II1-V族、I1-VI族化合物半導(dǎo)體以及它們的多元固溶體的薄層單晶材料。在MOCVD反應(yīng)腔中，MOCVD生長機構(gòu)及其復(fù)雜生長過程涉及輸運和多組分、多相的化學(xué)反應(yīng)。圖1為MOCVD生長過程示意圖，如圖1所示，氫氣作為載氣攜帶MO源和氫化物等反應(yīng)劑進入反應(yīng)腔，隨著氣體流向熱基座上加熱的襯底，氣體的溫度逐漸升高，在氣相中可能會發(fā)生如下氣相反應(yīng):金屬有機化合物與非金屬氫化物或有機化合物之間形成加合物，當(dāng)溫度進一步升高時MO源和氫化物及加合物逐步加熱分解甚至氣相成核。氣相中反應(yīng)品種擴散至襯底表面后首先吸附到表面，然后吸附的品種會在表面遷移并繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，最終并入晶格形成外延層。襯底表面反應(yīng)的副產(chǎn)物從生長表面脫附即:解吸，并通過擴散，再回到主氣流，被載氣帶出反應(yīng)室。
[0004]目前，MOCVD反應(yīng)腔通常采用感應(yīng)線圈加熱方式對放置襯底的托盤進行加熱。MOCVD反應(yīng)腔包括腔體和位于腔體內(nèi)部的多個托盤，每個托盤上可放置多個襯底，腔體的外部設(shè)置有外部加熱線圈，腔體 內(nèi)部的中心位置設(shè)置有用于向腔體內(nèi)部通入反應(yīng)氣體的中央進氣裝置，中央進氣裝置的外側(cè)設(shè)置有內(nèi)部加熱線圈，外部加熱線圈和內(nèi)部加熱線圈共同對托盤進行加熱。
[0005]但是，當(dāng)采用感應(yīng)線圈加熱方式時，內(nèi)部加熱線圈通入中頻交流電(1KHZ-20KHZ)后產(chǎn)生的磁場對中央進氣裝置產(chǎn)生加熱的作用，使中央進氣裝置中的工藝氣體產(chǎn)生預(yù)反應(yīng)，對工藝產(chǎn)生不良影響。為了避免這個問題，技術(shù)人員考慮在內(nèi)部線圈與進氣裝置之間添加磁場屏蔽層，該磁場屏蔽層需使用高磁導(dǎo)率材料制成，例如軟鐵、硅鋼、坡莫合金等，可獨立安裝也可與進氣裝置一體安裝。但是，(I)由于中央進氣裝置外圍存在電感線圈和磁場屏蔽層使反應(yīng)氣體流向反應(yīng)區(qū)的過程中受到阻礙，增加預(yù)反應(yīng)發(fā)生，不易獲得穩(wěn)定的反應(yīng)氣體流場從而難以生產(chǎn)質(zhì)量較好的沉積薄膜。(2)內(nèi)部加熱線圈的存在使得加熱托盤的徑向溫度均勻性提高，但是內(nèi)外線圈獨立控制給反應(yīng)腔內(nèi)部的溫度精確控制帶來難度，工程上不易實現(xiàn)溫度的準(zhǔn)確控制，難以滿足工藝需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供一種MOCVD反應(yīng)腔及工藝設(shè)備，針對MOCVD立式多層托盤電感加熱的特點，一方面使反應(yīng)氣體從中央進氣裝置到反應(yīng)區(qū)形成穩(wěn)定的氣體流場；另一方面獨立控制外部加熱裝置及內(nèi)部加熱裝置的功率，相互補償調(diào)節(jié)托盤溫度，精確控制腔體內(nèi)部溫度和提高加熱托盤溫度的均勻性。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種MOCVD反應(yīng)腔，包括:腔體、托盤、中央進氣裝置、外部加熱裝置和內(nèi)部加熱裝置，所述中央進氣裝置位于所述腔體內(nèi)部的中間位置，所述托盤位于所述腔體內(nèi)部且設(shè)置于所述中央進氣裝置的周圍，所述外部加熱裝置位于所述腔體的外部，所述內(nèi)部加熱裝置位于所述中央進氣裝置的內(nèi)部；
[0008]所述托盤，用于承載襯底；
[0009]所述中央進氣裝置，用于向所述腔體通入反應(yīng)氣體；
[0010]所述外部加熱裝置，用于對所述托盤進行加熱；
[0011]所述內(nèi)部加熱裝置，用于對所述托盤進行加熱。
[0012]可選地，所述中央進氣裝置包括外壁和內(nèi)壁，所述內(nèi)壁圍成一內(nèi)部空間，所述內(nèi)部加熱裝置位于所述內(nèi)壁圍成的內(nèi)部空間之中，所述外壁和內(nèi)壁之間形成有進氣通道，所述外壁上開設(shè)有若干進氣口，所述進氣通道內(nèi)的反應(yīng)氣體通過所述進氣口進入所述腔體。
[0013]可選地，所述外壁為筒狀結(jié)構(gòu)，所述內(nèi)壁為筒狀結(jié)構(gòu)。
[0014]可選地,所述進氣口包括:通孔或者狹縫。
[0015]可選地，所述內(nèi)壁與所述內(nèi)部加熱裝置之間設(shè)置有冷卻系統(tǒng)，所述冷卻系統(tǒng)用于對所述進氣通道內(nèi)的反應(yīng)氣體進行冷卻。
[0016]可選地，所述MOCVD反應(yīng)腔還包括第一測溫裝置和第二測溫裝置，所述第一測溫裝置用于測量出第一控溫點的溫度，所述第二測溫裝置用于測量出第二控溫點的溫度，t匕較第一溫控點和第二溫控點的溫度，并根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整外部加熱裝置和內(nèi)部加熱裝置的輸出功率，以使第一控溫點的溫度和第二控溫點的溫度的差值在預(yù)定差值范圍之內(nèi)；所述第一控溫點位于所述托盤上指定襯底的靠近所述外部加熱裝置的一端，所述第二控溫點位于所述托盤上指定襯底的靠近所述內(nèi)部加熱裝置的一端。
[0017]可選地，所述MOCVD反應(yīng)腔還包括:PID溫度控制器；
[0018]所述PID溫度控制器，用于根據(jù)比較所述第一設(shè)定溫度和所述第一溫控點的溫度并根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整所述外部加熱裝置的輸出功率，以及比較所述第二設(shè)定溫度和所述第二溫控點的溫度并根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整所述內(nèi)部加熱裝置的輸出功率。
[0019]可選地，所述預(yù)定差值范圍包括:_1°C至1°C。
[0020]可選地，所述外部加熱裝置為外部電感線圈，所述內(nèi)部加熱裝置為內(nèi)部電感線圈。
[0021]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種采用上述MOCVD反應(yīng)腔的MOCVD工藝設(shè)備。
[0022]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0023]本發(fā)明提供的MOCVD反應(yīng)腔及工藝設(shè)備的技術(shù)方案中，內(nèi)部加熱裝置位于中央進氣裝置的內(nèi)部，中央進氣裝置的外圍不存在內(nèi)部加熱裝置，使得中央進氣裝置通入的反應(yīng)氣體在流向反應(yīng)區(qū)的過程中不會受到阻礙，從而降低了反應(yīng)氣體發(fā)生預(yù)反應(yīng)的機率，并且使得反應(yīng)氣體可形成穩(wěn)定的反應(yīng)氣體流場。同時，本發(fā)明充分利用外部加熱裝置及內(nèi)部加熱裝置以PID調(diào)節(jié)方式分別獨立控溫，相互補償調(diào)節(jié)托盤溫度，從而獲得精確腔室內(nèi)部溫度控制和加熱托盤溫度的均勻性?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0024]圖1為MOCVD生長過程示意圖；
[0025]圖2為本發(fā)明實施例一提供的一種MOCVD反應(yīng)腔的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0026]為使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的MOCVD反應(yīng)腔進行詳細(xì)描述。
[0027]圖2為本發(fā)明實施例一提供的一種MOCVD反應(yīng)腔的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，該MOCVD反應(yīng)腔包括:腔體1、托盤2、中央進氣裝置、外部加熱裝置3和內(nèi)部加熱裝置4，中央進氣裝置位于腔體I內(nèi)部的中間位置，托盤2位于腔體I內(nèi)部且設(shè)置于中央進氣裝置的周圍，外部加熱裝置3位于腔體I的外部，內(nèi)部加熱裝置4位于中央進氣裝置的內(nèi)部。
[0028]托盤2的數(shù)量可以為多個。在腔體I內(nèi)，托盤2可圍繞中央進氣裝置設(shè)置，且均勻設(shè)置于中央進氣裝置的周圍。優(yōu)選地，托盤2的材料可以為石墨。托盤2用于承載襯底5。每個托盤2上可放置若干個襯底5。
[0029]中央進氣裝置用于向腔體I通入反應(yīng)氣體。具體地，中央進氣裝置可包括外壁6和內(nèi)壁7，外壁6圍設(shè)于內(nèi)壁7的外部，內(nèi)壁7圍成一內(nèi)部空間，內(nèi)部加熱裝置4位于內(nèi)壁7圍成的內(nèi)部空間之中，外壁6和內(nèi)壁7之間形成有進氣通道8，外壁6上開設(shè)有若干進氣口(圖中未具體畫出)，進氣通道8內(nèi)的反應(yīng)氣體通過進氣口進入腔體I。
[0030]優(yōu)選地,外壁6為 筒狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)壁7為筒狀結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，進氣口可包括:通孔或者狹縫。且進氣口均勻分布于外壁6上，以使反應(yīng)氣體能夠均勻的進入腔體I內(nèi)。
[0031]進一步地，內(nèi)壁7與內(nèi)部加熱裝置4之間還可以設(shè)置有冷卻系統(tǒng)9，冷卻系統(tǒng)9用于對進氣通道8內(nèi)的反應(yīng)氣體進行冷卻。優(yōu)選地，該冷卻系統(tǒng)9為水冷系統(tǒng)，該水冷系統(tǒng)中可通入冷卻水以實現(xiàn)對進氣通道8內(nèi)的反應(yīng)氣體進行冷卻，從而防止反應(yīng)氣體在進氣通道8內(nèi)發(fā)生預(yù)反應(yīng)。
[0032]外部加熱裝置3用于對托盤2進行加熱。內(nèi)部加熱裝置4用于對托盤2進行加熱。外部加熱裝置3起到主導(dǎo)加熱作用，內(nèi)部加熱裝置4起到輔助加熱作用，在外部加熱裝置3和內(nèi)部加熱裝置4的共同作用下，使托盤2溫度的均勻性提高，從而達(dá)到工藝要求。優(yōu)選地，外部加熱裝置3為外部電感線圈，內(nèi)部加熱裝置4為內(nèi)部電感線圈。外部電感線圈的材料可以為銅，內(nèi)部電感線圈的材料可以為銅。內(nèi)部電感線圈的直徑可以為20_。
[0033]本實施例中，將內(nèi)部電感線圈放置于在筒狀的中央進氣裝置的內(nèi)部，這樣銅質(zhì)的內(nèi)部電感線圈與反應(yīng)氣體互不接觸，保證了反應(yīng)氣體不會被污染，內(nèi)部電感線圈也不會在高溫的條件下被反應(yīng)氣體腐蝕。內(nèi)壁的內(nèi)表面上設(shè)置的冷卻水系統(tǒng)，可進一步放置預(yù)反應(yīng)的發(fā)生。
[0034]中央進氣裝置和冷卻系統(tǒng)的材料均可以采用對電磁感應(yīng)不敏感的材料，例如石英或者SiC等，上述材料是電的不良導(dǎo)體，處在外部電感線圈和內(nèi)部電感線圈產(chǎn)生的交變電磁場內(nèi)不會被誘導(dǎo)加熱，在實際應(yīng)用中，保證了即使中央進氣裝置處在腔體內(nèi)的高溫條件下，由于本身不發(fā)熱和冷卻系統(tǒng)的作用，使反應(yīng)氣體在中央進氣裝置內(nèi)部時的溫度被控制在100°C以下，達(dá)到工藝要求的范圍，有效避免了預(yù)反應(yīng)的發(fā)生。
[0035]進一步地，該MOCVD反應(yīng)腔還可以包括:第一測溫裝置和第二測溫裝置，第一測溫裝置用于測量出第一控溫點A的溫度，第二測溫裝置用于測量出第二控溫點B的溫度，第一控溫點A位于托盤2上指定襯底的靠近外部加熱裝置3的一端，第二控溫點B位于托盤2上指定襯底的靠近內(nèi)部加熱裝置4的一端。其中，第一測溫裝置和第二測溫裝置均可以采用溫度傳感器。比較第一溫控點和第二溫控點的溫度，并根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整外部加熱裝置3和內(nèi)部加熱裝置4的輸出功率，以使第一控溫點的溫度和第二控溫點的溫度的差值在預(yù)定差值范圍之內(nèi)，以滿足MOCVD生長薄膜工藝要求。優(yōu)選地，預(yù)定差值范圍包括:_1°C至1°C。
[0036]進一步地，所述MOCVD反應(yīng)腔還包括:PID溫度控制器。PID溫度控制器用于比較第一設(shè)定溫度和第一溫控點的溫度，并根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整外部加熱裝置3的輸出功率；以及比較第二設(shè)定溫度和第二溫控點的溫度并根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整內(nèi)部加熱裝置4的輸出功率。其中，第一測溫裝置、第二測溫裝置和PID溫度控制器在圖中未具體示出。
[0037]本實施例中，當(dāng)外部電感線圈通入交變電流時，就會在外部電感線圈的繞徑內(nèi)產(chǎn)生交變電磁場，處在電磁場內(nèi)的托盤被加熱，由于電磁感應(yīng)加熱存在集膚效應(yīng)，外部電感線圈電磁感應(yīng)產(chǎn)生的渦電流主要集中在托盤的外邊沿，所以托盤的外邊沿溫度較高，溫度在托盤的徑向上存在梯度，即:在外部電感線圈的加熱下托盤的外邊沿的溫度要大于托盤內(nèi)邊沿的溫度，且外邊沿與內(nèi)邊沿之間存在梯度差。因此，為減小托盤上的溫度差，使托盤上各個位置的溫度均勻，在腔體內(nèi)部增設(shè)內(nèi)部電感線圈，同理當(dāng)內(nèi)部電感線圈通入相同相位差的交變電流時，會在內(nèi)部電感線圈的繞徑內(nèi)產(chǎn)生交變電磁場，處在電磁場內(nèi)的托盤被加熱，內(nèi)部電感線圈電磁感應(yīng)產(chǎn)生的渦電流主要集中在托盤的內(nèi)邊沿，從而提高了托盤內(nèi)邊沿的溫度。外部電感線圈對托盤起到主導(dǎo)加熱作用，內(nèi)部電感線圈對托盤起到輔助加熱作用。為控制托盤的溫度，可在托盤上設(shè)置第一控溫點A和第二控溫點B，由第一測溫裝置測量出第一控溫點A的溫度以及第二測溫裝置 測量出第二控溫點B的溫度，并由PID溫度控制器通過PID調(diào)節(jié)方式分別調(diào)節(jié)外部電感線圈的輸出功率以及內(nèi)部電感線圈的輸出功率，從而使第一控溫點的溫度和第二控溫點的溫度的差值在-rc至1°C之內(nèi)。
[0038]第一控溫點A和第二控溫點B之間的區(qū)域用于放置襯底，托盤可以導(dǎo)熱，則在外部電感線圈和內(nèi)部電感線圈的共同作用下使第一控溫點的溫度和第二控溫點的溫度的差值在-rc至rc之內(nèi)，使托盤達(dá)到工藝要求的準(zhǔn)確溫度，從而使托盤達(dá)到良好溫度均勻性的動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。
[0039]本實施例提供的MOCVD反應(yīng)腔的技術(shù)方案中，內(nèi)部加熱裝置位于中央進氣裝置的內(nèi)部，中央進氣裝置的外圍不存在內(nèi)部加熱裝置，使得中央進氣裝置通入的反應(yīng)氣體在流向反應(yīng)區(qū)的過程中不會受到阻礙，從而降低了反應(yīng)氣體發(fā)生預(yù)反應(yīng)的機率，并且使得反應(yīng)氣體可形成穩(wěn)定的反應(yīng)氣體流場，從而在襯底上生產(chǎn)出質(zhì)量較好的沉積薄膜。同時，外部加熱裝置根據(jù)測量出的第一控溫點的溫度調(diào)整輸出功率以及內(nèi)部加熱裝置根據(jù)測量出的第二溫控點的溫度調(diào)整輸出功率，相互補償調(diào)節(jié)托盤溫度，從而提高了托盤溫度的均勻性以及達(dá)到了精確控制腔體內(nèi)部溫度和腔體內(nèi)托盤溫度的目的。由PID溫度控制器通過PID調(diào)節(jié)方式分別獨立調(diào)節(jié)外部電感線圈的輸出功率以及內(nèi)部電感線圈的輸出功率，從而可以簡單且準(zhǔn)確的實現(xiàn)對托盤溫度的控制。
[0040]本發(fā)明實施例二提供了一種MOCVD工藝設(shè)備，該MOCVD工藝設(shè)備包括=MOCVD反應(yīng)腔。其中，對MOCVD反應(yīng)腔的具體描述可參見實施例一，此處不再贅述。
[0041]可以理解的是，以上實施方式僅僅是為了說明本發(fā)明的原理而采用的示例性實施方式，然而本發(fā)明并不局限于此。對于本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明的精神和實質(zhì)的情況下，可以 做出各種變型和改進，這些變型和改進也視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種MOCVD反應(yīng)腔，其特征在于，包括:腔體、托盤、中央進氣裝置、外部加熱裝置和內(nèi)部加熱裝置，所述中央進氣裝置位于所述腔體內(nèi)部的中間位置，所述托盤位于所述腔體內(nèi)部且設(shè)置于所述中央進氣裝置的周圍，所述外部加熱裝置位于所述腔體的外部，所述內(nèi)部加熱裝置位于所述中央進氣裝置的內(nèi)部； 所述托盤，用于承載襯底； 所述中央進氣裝置，用于向所述腔體通入反應(yīng)氣體； 所述外部加熱裝置，用于對所述托盤進行加熱； 所述內(nèi)部加熱裝置，用于對所述托盤進行加熱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MOCVD反應(yīng)腔，其特征在于，所述中央進氣裝置包括外壁和內(nèi)壁，所述內(nèi)壁圍成一內(nèi)部空間，所述內(nèi)部加熱裝置位于所述內(nèi)壁圍成的內(nèi)部空間之中，所述外壁和內(nèi)壁之間形成有進氣通道，所述外壁上開設(shè)有若干進氣口，所述進氣通道內(nèi)的反應(yīng)氣體通過所述進氣口進入所述腔體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的MOCVD反應(yīng)腔，其特征在于，所述外壁為筒狀結(jié)構(gòu)，所述內(nèi)壁為筒狀結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的MOCVD反應(yīng)腔，其特征在于，所述進氣口包括:通孔或者狹縫。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的MOCVD反應(yīng)腔，其特征在于，所述內(nèi)壁與所述內(nèi)部加熱裝置之間設(shè)置有冷卻系統(tǒng)，所述冷卻系統(tǒng)用于對所述進氣通道內(nèi)的反應(yīng)氣體進行冷卻。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MOCVD反應(yīng)腔，其特征在于，所述MOCVD反應(yīng)腔還包括第一測溫裝置和第二測溫裝置，所述第一 測溫裝置用于測量出第一控溫點的溫度，所述第二測溫裝置用于測量出第二控溫點的溫度，比較第一溫控點和第二溫控點的溫度，并根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整外部加熱裝置和內(nèi)部加熱裝置的輸出功率，以使第一控溫點的溫度和第二控溫點的溫度的差值在預(yù)定差值范圍之內(nèi)；所述第一控溫點位于所述托盤上指定襯底的靠近所述外部加熱裝置的一端，所述第二控溫點位于所述托盤上指定襯底的靠近所述內(nèi)部加熱裝置的一端。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的MOCVD反應(yīng)腔，其特征在于，所述MOCVD反應(yīng)腔還包括:PID溫度控制器； 所述PID溫度控制器，用于根據(jù)比較所述第一設(shè)定溫度和所述第一溫控點的溫度并根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整所述外部加熱裝置的輸出功率，以及比較所述第二設(shè)定溫度和所述第二溫控點的溫度并根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整所述內(nèi)部加熱裝置的輸出功率。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的MOCVD反應(yīng)腔，其特征在于，所述預(yù)定差值范圍包括:_1°C至I。。。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8任一所述的MOCVD反應(yīng)腔，其特征在于，所述外部加熱裝置為外部電感線圈,所述內(nèi)部加熱裝置為內(nèi)部電感線圈。
10.一種采用權(quán)利要求1至9任一所述的MOCVD反應(yīng)腔的MOCVD工藝設(shè)備。
【文檔編號】C23C16/44GK103451621SQ201210183185
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年6月5日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月5日
【發(fā)明者】袁福順 申請人:北京北方微電子基地設(shè)備工藝研究中心有限責(zé)任公司