[发明专利]高温金属有机化学气相淀积反应器

说明书

技术领域

本发明涉及一种化学气相淀积设备，具体涉及一种高温金属有机化学气相淀积(MOCVD)设备中的反应器。

背景技术

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MO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MO源和气体源之间在输运过程中受热温度升高而发生反应(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，如中国实用新型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，MO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℃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℃以上，源气体流过衬底上方受热上浮发生涡流就比较严重。

发明内容

本发明目的是提供一种适用于高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，本发明采用的技术方案是：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，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，提高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。