[发明专利]悬喷式MOCVD反应器

说明书

技术领域

本发明涉及一种悬喷式金属有机物化学气相沉积(MOCVD)反应器的装置，特别涉及一种能够用于大批量LED外延生长的悬喷式MOCVD反应器。

背景技术

反应器是MOCVD的核心。用于LED外延的MOCVD反应器主要有三种：平面反应器(Planetary Reactor)、紧密耦合垂直喷淋反应器(Close Coupled Showerhead Reactor)和Turbo Disc反应器。

DE 10247921A1已描述过平面反应器类型的MOCVD反应器。其中，基座由反应器底面形成。所述反应室底面设置了多个衬底支座，所述衬底支座被气流驱动旋转。衬底在各个衬底支座之上。

WO2005080631已公布一种MOCVD反应器的入口系统。其中，该反应器包括顶板、底板和气体入口元件。气体入口元件在所述反应器的中心，有机金属化合物和氢化物与载气分两路气态原料分别通过所述气体入口元件单独引入反应器。其特征在于该气体入口元件的另一进气区用于两种原料之一，以降低入口区的水平延伸。

WO2008101982已公布一种利用MOCVD或HVPE选择性沉积结晶层的设备和方法。其中，所述反应器由基座、顶板、衬底、冷却通道、基座加热装置组成。所述设备特征在于，能够选择性对所述顶板进行主动加热和主动冷却。

WO2010105947A1已公布一种顶板连接有非均匀散热膜层结构的MOCVD反应器。其中，所述反应器由气体入口元件、顶板、衬底、顶板散热膜、基座、基座加热装置组成。所述设备特征在于，顶板连接有非均匀散热膜层结构，基座加热装置有H1-H8八个加热区，能够通过调节散热膜层结构和各区加热功率提高薄膜沉积的均匀性。

在MOCVD沉积薄膜过程中，基本包含下述步骤：

(1)载气携带着反应物从反应器进口流向反应器出口，此主气流流动受到温度差、气流通道扩张、基片旋转等引起的二次流的强烈影响。(2)主气流在晶片衬底(6)上方形成平行于衬底的三种边界层，即流速、温度和反应物浓度明显变化的三个薄层。在边界层内，反应物被加热，发生热解、置换等化学反应，生成反应中间物。(3)反应物或反应中间物通过对流和浓度梯度扩散，穿过边界层，到达衬底表面。(4)反应物或反应中间物在衬底表面吸附、表面扩散、晶格置换、化学反应等表面反应步骤完成薄膜沉积。(5)反应物和反应副产物(尾气)在表面解吸(脱附)。(6)解吸后的反应副产物再通过对流和浓度扩散返回主气流，最终被带到反应室外。

平面反应器存在严重的反应物沿程损耗、热对流涡旋等问题。在主气流从中心喷向四周的过程中，反应气体(有机源)在晶片衬底(6)沉积而不断消耗。使得反应物在径向浓度分布上逐渐降低，从而难以产生薄而均匀的浓度边界层。在气体喷出和气体输运过程中，由于底部加热的热效应，使得平面反应器容易产生热对流漩涡，造成晶片衬底(6)上方反应物浓度的波动，影响薄膜生长的组分与厚度均匀性。另外，底部抽气的平面反应器容易在反应腔壁产生侧向边界层影响流动的均匀性，反应腔壁还容易发生寄生反应或凝结沉积等现象。

德国AIXTRON公司通过中央垂直三重流下喷进气、气流放射状径向流动、扁平状水平式反应室、基座公转和衬底自转等技术改进了平面反应器设计，使开发的Planetary Reactor反应器及其方法已经能保证沉积40-60个晶片/批、有较均匀的薄膜生长。然后，由于该反应器的重要性及LED产业发展的需要，要求持续努力地改进反应器的设计、性能和效率，降低外延生产成本。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，设计一种悬喷式MOCVD反应器，提高沉积薄膜的质量，降低外延生产成本。在此，应当特别提高薄膜沉积的均匀性和源材料利用率，减少清洗维护时间，延长基座石墨盘寿命。另外，本发明的目的在于通过改进源气体引入和载气的分布，优化反应器尺寸和盖板曲面设计，抑制涡流的产生。

本发明的技术方案为，一种悬喷式MOCVD反应器，包括喷嘴、基座、盖板、导流孔和反应区，其特征在于，所述喷嘴置于基座中心，喷嘴包括上喷嘴和下喷嘴，下喷嘴位于上喷嘴下部，且上喷嘴和下喷嘴分别设有两个径向通道；所述基座包括大石墨盘，所述大石墨盘内沿圆周方向设有小石墨盘，各小石墨盘内沿圆周方向设有晶片衬底，大石墨盘底部设有公转驱动机构，各小石墨盘底部设有自转驱动机构；反应区腔体内壁沿圆周方向设有导流孔。

以下对本发明作进一步描述。