[发明专利]一种制备半导体外延片的MOCVD反应装置

说明书

技术领域

本发明属于半导体制造设备技术领域，具体涉及一种制备半导体外延片的MOCVD反应装置。

背景技术

MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition)即金属有机化合物化学气相沉积，是制备化合物半导体薄膜的一项关键技术。MOCVD设备是研发世界先进水平的S、C、X、K和Q等波段的氮化镓大功率电子器件和高压大功率固体开关器件、高端激光器件及效率可达40％以上的太阳电池等光电子器件不可或缺的。它利用较易挥发的有机物(例如(CH3)3Ga)作为较难挥发的金属原子的源反应物，通过载气携带到反应器内，在适当的气压、温度等条件下(与NH3)发生化学反应，在加热的衬底基片上外延生长出(GaN)薄膜。制备出的薄膜厚度和组分的均匀性是评判薄膜质量的重要指标之一。要生长出厚度和组分均匀的大面积薄膜材料，衬底基片各处的生长速度以及到达基片的反应物浓度应尽量均匀一致。这就要求基片表面各处生长速度以及到达基片的反应物浓度应尽量均匀一致。如此就必须要求基片表面附近存在均匀的气体流场、温度场和反应物浓度场分布，基片上方应尽量处于层流区，无任何形式的涡流，新通入的反应物应能够同时到达基片上方各点。

现有技术的MOCVD反应装置基本为桶状结构，其内部设有基座，半导体衬底放置在高速旋转的基座上，通过不断进气抽气的动态平衡等方式来确保基片外延厚度的均匀性。但在基座高速旋转产生的泵效应的作用下气流会发生涡流，这种泵效应是流体的黏性力和旋转产生的离心力共同作用的结果，由于流体的黏性，靠近基座表面的一层气体跟随基座一起转动，在离心力的作用下气体被沿着径向甩到基座边缘，同时基座上方的气体沿轴向流入基座表面边界层进行补充。又由于基座温度较高，产生热浮力效应，温度梯度使得气流往上翻滚形成旋涡。由于泵效应以及热浮力效应所产生的其反应腔内的气流不稳定现象会很明显，气流会在反应腔的上方靠近反应腔内壁处产生较大的涡流；其次，在高速旋转的基座附近气流流迹复杂，气流上下波动使制备高质量薄膜的条件破坏，影响了薄膜的均匀生长，使得薄膜的均匀性以及沉积速率减低，且易引进杂物。

发明内容

本发明的目的在于为了解决以上的不足，设计了一种制备半导体外延片的MOCVD反应装置，该装置可减小MOCVD反应室内的气体涡流，提高薄膜淀积的稳定性和均匀性。

为了实现本发明目的所采取的技术方案是：一种制备半导体外延片的MOCVD反应装置，所述反应装置为腔体结构，包括进气口、反应室和排气通道，所述反应室下方设有可轴向旋转的衬底承载座，衬底承载座底部设有加热装置，所述反应室上方设有顶盖，所述进气口竖向贯穿于所述顶盖，所述反应室的侧壁向内凹陷形成内凹环形结构；所述衬底承载座的外径小于所述腔体结构的内径，衬底承载座与腔体结构内壁之间的空隙形成为所述排气通道，排气通道与反应室连通；衬底承载座的侧壁与其上边沿的连接处呈倒圆角结构，所述倒圆角结构与腔体结构的内壁形成Y形漏斗结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、MOCVD反应过程中流体的黏性力和衬底承载座旋转产生的离心力使得在承载座上方的气体会沿轴向流入承载座表面边界层进行补充，形成向下的气流，由于承载座温度高产生的热浮力效应使得气流易往上翻滚形成涡流。本发明的MOCVD反应装置中反应室侧壁向内凹陷形成内凹环形结构，使气流在腔壁附近均匀流动，极大地减小了反应室的气体向上翻滚形成的涡流，热流在上升过程中与凹进的壁面碰撞，上升速度减缓，最终使得原本在壁面两侧的大规模涡流变小，使其仅集中在反应室内凹环形内壁的最顶部与顶盖之间的狭小范围内，由于顶盖进气口的存在，使得此狭小范围为半封闭结构，因此产生的小规模涡流对旋转衬底承载座附近的流场的影响可忽略，提高了高速旋转的衬底承载座附近气场的稳定性。

2、衬底承载座的侧壁肩部采用倒圆角流线型设计，其与腔体结构内壁形成Y形漏斗形结构，该设计缩小并优化了高速旋转的衬底承载座与腔体内壁之间的距离，使得排气通道中气体的流线更加光滑，使气体不易向上翻滚，进一步保证衬底承载座附近的气体流场不受干扰，且使废气很顺畅地从衬底承载座两侧的排气通道流出至外界的废气处理系统。同时倒圆角流线型的设计便于制造过程中的脱模和成型。

本发明中反应室侧壁的内凹环形设计与衬底承载座肩部的倒圆角设计使衬底承载座附近具有稳定的气体流场，提高了薄膜生长的沉积速率和沉积均匀性。

优选的，所述内凹环形结构从反应室上下两端向中间的曲率逐渐增大。