提高生长效率的金属有机气相化学沉积设备及使用方法与流程

1.本公开涉及外延生长技术领域，特别涉及一种提高生长效率的金属有机气相化学沉积设备及使用方法。


背景技术：

2.加热结构是金属有机化合物化学气相沉积(英文：metal-organic chemical vapor deposition，简称：mocvd)设备的一部分，加热结构位于mocvd设备的反应腔内且通常位于mocvd设备反应腔内的石墨基座的一端，加热结构加热石墨基座以使热量通过石墨基座传递至位于石墨基座的另一端的衬底上。
3.mocvd设备内通常为加热片，改变加热片的温度，则可以改变由加热片传递至衬底的热量并改变衬底的温度。但加热片的温度的改变需要一定时长，如果要生长温度需求跨度较大的外延材料，加热片的温度以及由加热片热量控制的衬底的温度的改变会需要较长时间。同时加热片温度改变之后，也需要一定的时间将热量传导至衬底及反应腔的流场内。衬底的温度改变、反应腔的流场温度改变均需要较长的时间，会占用外延片制备周期的较长的时间，影响到外延片的生长效率。


技术实现要素：

4.本公开实施例提供了一种提高生长效率的金属有机气相化学沉积设备及使用方法，能够缩减衬底的温度改变及反应腔的温度改变所需要占用的时长以提高外延片的生长效率。所述技术方案如下：
5.本公开实施例提供了一种提高生长效率的金属有机气相化学沉积设备，所述金属有机气相沉积设备包括反应腔、生长结构与加热结构，
6.所述生长结构包括石墨基座与驱动组件，所述石墨基座位于所述反应腔内，所述驱动组件与所述石墨基座相连，所述驱动组件用于驱动所述石墨基座转动，
7.所述加热结构包括加热组件与升降组件，所述加热组件与所述升降组件位于所述石墨基座与所述反应腔的底部之间，所述加热组件与所述升降组件相连，且所述加热组件与所述升降组件在所述石墨基座指向所述反应腔的底部的方向上依次分布，所述升降组件用于驱动所述加热组件沿所述石墨基座的轴向移动，
8.所述加热组件包括n个圆周方向间隔分布的加热件，n为大于且小于的整数，n个所述加热件可滑动地位于所述升降组件上，n个所述加热件具有第一形态与第二形态，所述第一形态为n个所述加热件相接触，所述第二形态为n个所述加热件相互间隔分布，且所述第一形态时n个所述加热件之间的最大距离小于所述第二形态时n个所述加热件之间的最大距离。
9.可选地，所述第二形态时n个所述加热件距石墨基座间的最大距离与所述第一形态时n个所述加热件距石墨基座间的最大距离之比为的范围为1.0～1.08。
10.可选地，所述加热件为加热片，所述加热片在所述石墨基座的端面的正投影为扇
形。
11.可选地，所述加热组件还包括连接组件，所述连接组件包括与n个所述加热件一一对应的n个支架，每个所述支架与对应的所述加热件相连，且每个所述支架与所述升降组件滑动接触。
12.可选地，所述连接组件还包括与每个所述支架一一对应的驱动件，每个所述驱动件与所述升降组件相连，所述驱动件与所述支架相连且用于驱动所述支架相对所述升降组件滑动。
13.可选地，所述升降组件具有与所述n个支架一一对应的n个滑动轨道，每个所述支架均具有与对应的所述滑动轨道滑动配合的滑动凸起。
14.可选地，所述滑动轨道为弧形。
15.本公开实施例提供了一种提高生长效率的金属有机气相化学沉积设备的使用方法，所述使用方法采用如前所述的提高生长效率的金属有机气相化学沉积设备实现，所述使用方法包括：
16.在反应腔的石墨基座上放置多个衬底；
17.驱动组件驱动所述石墨基座转动；
18.加热组件加热所述石墨基座；
19.向所述反应腔内通入反应气体与有机金属源，以在所述衬底上生长外延材料；
20.所述向所述反应腔内通入反应气体与有机金属源，以在所述衬底上生长外延材料，包括：
21.根据所述外延材料的生长温度需求，改变所述升降组件与所述加热组件的工作状态以改变所述衬底的温度与所述反应腔流场的温度。
22.可选地，所述升降组件下降时，所述加热组件中的n个加热件从第一形态变为第二形态；所述升降组件上升时，n个所述加热件从第二形态变为第一形态。
23.可选地，n个所述加热件从所述第一形态变为第二形态的速度与所述升降组件的升降速度正相关。
24.本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
25.金属有机气相沉积设备包括反应腔、生长结构与加热结构。生长结构中的位于反应腔内的石墨基座可以用于对衬底进行支撑，驱动组件可以用于驱动石墨基座正常转动以实现生长。加热结构包括加热组件与升降组件，相连的加热组件与升降组件均位于石墨基座与反应腔的底部之间，且加热组件与升降组件在石墨基座指向反应腔的底部的方向上依次分布。升降组件可以驱动所述加热组件沿所述石墨基座的轴向移动，可以根据外延材料的生长温度需求，使升降组件驱动加热组件升高或下降，调节作为热源的加热件与石墨基座及衬底之间的距离叠加加热件本身温度的改变，可以在较短的时间内完成衬底所对应温度的改变。而加热组件中具有第一形态与第二形态的n个加热件，第一形态为n个加热件相接触，n个加热件处于收缩聚集的状态，n个加热件的集中加热效果较好，可以实现衬底温度的快速上升；而第二形态的n个加热件相互间隔分布，且第一形态时n个加热件之间的最大距离小于第二形态时n个加热件之间的最大距离，n个加热件处于分散的状态。n个加热件热源分散便于快速降温的同时，n个加热件的热辐射场覆盖范围变大，可以促进反应腔流场温度的快速切换和平衡。能够缩减衬底的温度改变及反应腔的温度改变所需要占用的时长以
提高外延片的生长效率。
附图说明
26.为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1是本公开实施例提供的提高生长效率的金属有机气相化学沉积设备的结构示意图；
28.图2是本公开实施例提供的加热组件的第一形态的结构示意图；
29.图3是本公开实施例提供的加热组件的第二形态的结构示意图；
30.图4是本公共开实施例提供的加热组件与升降组件局部配合关系示意图；
31.图5是本公开实施例提供的环形导流板的正视图；
32.图6是本公开实施例提供的环形导流板的部分俯视图；
33.图7是本公开实施例提供的一种提高生长效率的金属有机气相化学沉积设备的使用方法流程图。
具体实施方式
34.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。
35.为便于理解，此处提供图1，图1是本公开实施例提供的提高生长效率的金属有机气相化学沉积设备的结构示意图，参考图1可知，本公开实施例提供了一种提高生长效率的金属有机气相化学沉积设备，金属有机气相化学沉积设备包括反应腔1、生长结构2与加热结构3。
36.生长结构2包括石墨基座21与驱动组件22，石墨基座21位于反应腔1内，驱动组件22与石墨基座21相连，驱动组件22用于驱动石墨基座21转动。
37.加热结构3包括加热组件31与升降组件32，加热组件31与升降组件32位于石墨基座21与反应腔1的底部之间，加热组件31与升降组件32相连，且加热组件31与升降组件32在石墨基座21指向反应腔1的底部的方向上依次分布，升降组件32用于驱动加热组件31沿石墨基座21的轴向移动。
38.图2是本公开实施例提供的加热组件的第一形态的结构示意图，图3是本公开实施例提供的加热组件的第二形态的结构示意图，参考图2与图3可知，加热组件31包括n个圆周方向间隔分布的加热件311，n为大于3且小于13的整数，n个加热件311可滑动地位于升降组件32上，n个加热件311具有第一形态与第二形态，第一形态为n个加热件311相接触，第二形态为n个加热件311相互间隔分布，且第一形态时n个加热件311之间的最大距离小于第二形态时n个加热件311之间的最大距离。
39.金属有机气相沉积设备包括反应腔1、生长结构2与加热结构3。生长结构2中的位于反应腔1内的石墨基座21可以用于对衬底进行支撑，驱动组件22可以用于驱动石墨基座21正常转动以实现生长。加热结构3包括加热组件31与升降组件32，相连的加热组件31与升
降组件32均位于石墨基座21与反应腔1的底部之间，且加热组件31与升降组件32在石墨基座21指向反应腔1的底部的方向上依次分布。升降组件32可以驱动所述加热组件31沿所述石墨基座21的轴向移动，可以根据外延材料的生长温度需求，使升降组件32驱动加热组件31升高或下降，调节作为热源的加热件311与石墨基座21及衬底之间的距离叠加加热件311本身温度的改变，可以在较短的时间内完成衬底所对应温度的改变。而加热组件31中具有第一形态与第二形态的n个加热件311，第一形态为n个加热件311相接触，n个加热件311处于收缩聚集的状态，n个加热件311的集中加热效果较好，可以实现衬底温度的快速上升；而第二形态的n个加热件311相互间隔分布，且第一形态时n个加热件311之间的最大距离小于第二形态时n个加热件311之间的最大距离，n个加热件311处于分散的状态。n个加热件311热源分散便于快速降温的同时，n个加热件311的热辐射场覆盖范围变大，可以促进反应腔1流场温度的快速切换和平衡。能够缩减衬底的温度改变及反应腔1的温度改变所需要占用的时长以提高外延片的生长效率。且加热件311的数量在3～13之间，也可以保证加热件311对反应腔1整体的稳定加热。
40.需要说明的是，mocvd设备在正常使用时，mocvd设备内的石墨基座21通常是水平放置，石墨基座21的轴线平行于石墨基座21所处位置的重力方向，石墨基座21靠近反应腔1的顶部的一端会具有多个用于放置衬底的圆形凹槽。mocvd设备在使用时，圆形凹槽内会放置衬底用于生长外延材料。加热组件31进行加热时，加热组件31的热量通过热辐射及气体传热至石墨基座21，再由石墨基座21依次传递至圆形凹槽内的衬底以及衬底上的外延材料，实现温度的正常传递。而石墨基座21与加热组件31之间的距离的变化，会直接导致加热组件31传递到石墨基座21的热量增加或者减小，结合加热组件31本身的温度的控制，可以实现反应腔1内温度的快速变化。mocvd设备的反应腔1通常位于mocvd设备的壳体内，mocvd设备的壳体包括具有底座100以及与底座100铰接的密封盖200，底座100具有槽型的安装空间，密封盖200用于覆盖安装空间，密封盖200与底座100之间闭合时的安装空间形成反应腔1。
41.需要说明的是，本公开中所提供的n个加热件311之间的最大距离，为平行于石墨基座21的端面的方向上，n个加热件311的距离最大的两个点之间的距离。n个加热件311沿圆周方向等距离间隔分布，为n个加热件311在与石墨基座21同轴的圆周的周向上等距离间隔分布。
42.可选地，第二形态时n个加热件311距石墨基座21间的最大距离与第一形态时n个加热件311距石墨基座21间的最大距离之比为的范围为1.0～1.08。
43.第二形态时n个加热件311距石墨基座间的最大距离与第一形态时n个加热件311距石墨基座间的最大距离之比在以上范围内，可以实现温度的有效变化的同时合理控制金属有机气相化学沉积设备的制备成本。
44.示例性地，加热件311为加热片，加热片在石墨基座21的端面的正投影为扇形。
45.加热件311设置为加热片，且加热片在石墨基座21的端面的正投影为扇形，可以保证加热件311的加热效果，保证加热件311无论在第一形态或者第二形态的情况下，都可以有较大的热辐射面积。
46.参考图2与图3，在本公开所提供的一种实现方式中，加热件311的个数可为8，且加热件311为扇形的加热片，此时可将加热件311划分为4个第一加热件3111与4个第二加热件
3112，在第一形态时，4个第一加热件3111呈风车状，每个第二加热件3112位于相邻的两个第一加热件3111之间。采用这种结构，加热件311可以保证加热范围的同时，可以一定程度上降低加热组件31所需的材料与制备成本。
47.图4是本公共开实施例提供的加热组件与升降组件局部配合关系示意图，参考图4可知，加热组件还可包括连接组件33，连接组件33包括与n个加热件311一一对应的n个支架331，每个支架331与对应的加热件311相连，且每个支架331与升降组件32滑动接触。
48.支架331可以对加热件311起到支撑作用，同时代替加热件311与升降组件32之间形成连接，可以保证加热件311的稳定使用，同时可以避免加热件311温度过高影响到升降组件32的使用，可以降低维修成本。支架331与升降组件32滑动接触，则可以通过实现支架331相对升降组件32的位置移动，来使得与支架331相连的加热件311相对升降组件32产生移动。
49.在本公开所提供的一种实现方式中，支架331在石墨基座21的端面的正投影可与加热件311在石墨基座21的端面的正投影完全重合。可以保证加热件311的稳定使用的同时有效降低金属有机气相化学沉积设备所需的制备成本。
50.在本公开所提供的其他实现方式中，支架331也可设置为块状或者圆形板状或者其他不规则形状，本公开对此不做限制。
51.可选地，升降组件32具有与n个支架331一一对应的n个滑动轨道32a，每个支架331均具有与对应的滑动轨道32a滑动配合的滑动凸起331a。
52.滑动轨道32a与滑动凸起331a的增加可以保证加热件311稳定移动，保证加热件311的加热效果。
53.可选地，滑动轨道32a为弧形。可以在不增加加热组件31所需的空间的同时，增加加热组件31的热辐射范围。
54.示例性地，在本公开所提供的实现方式中，滑动轨道32a为弧形的前提下，n个加热件311均在一圆柱范围内移动，而滑动轨道32a可位于同一圆柱范围内，且每个滑动轨道32a的半径较小的一侧均朝向圆柱范围的圆心。可以降低加热件311脱离升降组件32的风险，保证加热件311的使用安全性，且同时可以在较小的空间内实现加热件311的最大移动范围。
55.需要说明的是，在本公开所提供的一种实现方式中，圆柱范围可为直径小于升降组件32的最大宽度的圆所对应的圆柱空间，且圆柱空间的轴线与石墨基座21的轴线重合。
56.可选地，升降组件32上可具有与每个支架331一一对应的两个限位轨道32b，限位轨道32b为弧形，限位轨道32b对应的圆心与滑动轨道32a对应的圆心重合，限位轨道32b的长度以及对应的圆心角分别小于滑动轨道32a对应的长度以及对应的圆心角，限位轨道32b与石墨基座21的轴线之间的距离小于滑动轨道32a与石墨基座21的轴线之间的距离。加热件311上具有与限位轨道32b对应的限位凸起331b。
57.增加限位轨道32b可以起到限制加热件311的一端的移动距离的作用，同时加热件311的另一端可以在长度较大的滑动轨道32a内移动，加热件311的摆动范围大，可以在较小的空间内实现加热件311的最大移动范围，增加热辐射范围。
58.示例性地，连接组件33还包括与每个支架331一一对应的驱动件332，每个驱动件332与升降组件32相连，驱动件332与支架331相连且用于驱动支架331相对升降组件32滑动。驱动件323可以保证支架331与加热件311的稳定移动。
59.在本公开所提供的一种实现方式中，驱动件332可为电机或者马达或者伸缩缸，且驱动件332与支架331间隔分布，驱动件332的输出端与支架331铰接。驱动件332的输出端与支架331铰接，可以实现支架331与加热件311较大范围地移动。
60.在本公开所提供的其他实现方式中，n个加热件311在第一形态与第二形态之间的转变，也可以通过在每个加热件311上增加一个可伸缩的步进电机实现。加热件311的移动方向也可以为平行于石墨基座21的径向，本公开对此不做限制。
61.示例性地，加热结构3还包括冷却流体箱34、冷却泵35与冷却管36，圆形支撑台321可以具有导流孔3211，导流孔3211在圆形支撑台321的端面上的投影可为环形，导流孔3211的进口与出口均可位于圆形支撑台321的同一端面上，冷却管36由导流孔3211的进口进入并延伸至导流孔3211的出口流出，导流管的两端分别连接冷却流体箱34的进口与冷却泵35的出口，冷却流体箱34与冷却泵35均可位于反应腔1的外部，冷却泵35的进口与冷却流体箱34的出口连通。
62.冷却泵35、冷却流体箱34以及冷却管36的增加，可以在圆形支撑台321的内部形成冷却水循环，在需要降低反应腔1的内部的温度的情况先，一方面可以快速增加石墨基座21与加热组件31之间的距离，另一方面也可以通过冷却泵35工作使冷却管36内液体快速流动以带走圆形支撑台321以及反应腔1内的热量，降低加热组件31传递到石墨基座21的热量，可以实现温度的快速降低。
63.示例性地，冷却流体箱34可用于存储冷却液。冷却液可为清水或者其他冷却液，本公开对此不做限制。
64.参考图1可知，反应腔1可为柱状腔，加热结构3还包括环形导流板37，环形导流板37的外周壁同轴固定在反应腔1的周壁上。环形导流板37的高度比反应腔1的高度小0～10cm。
65.环形导流板37的高度比反应腔1的高度以上范围，环形导流板37可以覆盖反应腔1的大部分内周壁，保证边缘区域的流场的稳定性以提高在衬底上生长的外延材料的均匀性。
66.示例性地，驱动组件22包括驱动电机221，驱动电机221的机座位于反应腔1外，驱动电机221的输出轴伸入反应腔1内再与石墨基座21相连，可以延长驱动电机221的使用寿命并保证石墨基座21的稳定转动。
67.示例性地，升降组件32控制加热组件31的轴向移动的距离的范围可为0～4.5cm。可以有效调节石墨基座21从加热组件31所接收的热量。
68.可选地，升降组件32控制加热组件31的轴向移动的速率范围为1～4cm/min。
69.升降组件32控制加热组件31的轴向移动的速率范围在以上范围内时，能够对石墨基座21从加热组件31所接收的热量进行有效微调。
70.示例性地，加热组件31的下降速率可大于加热组件31的上升速率。可以有效避免加热组件31与石墨基座21之间的撞击，并保证最终得到的温度可以有效调整。
71.参考图1可知，升降组件32包括圆形支撑台321与多个轴线平行于石墨基座21的伸缩缸322，多个伸缩缸322的一端均与反应腔1的底部相连，且多个伸缩缸322沿石墨基座21的周向等距间隔分布，圆形支撑台321的一端与多个伸缩缸322的另一端相连，圆形支撑台321与加热组件31相连，圆形支撑台321的轴线与石墨基座21的轴线重合。
72.升降组件32包括圆形支撑台321与多个伸缩缸322，圆形支撑台321可以对加热组件31起到支撑作用，并且多个伸缩缸322可以实现对驱动电机221的机座的稳定支撑与升降，保证加热组件31整体的稳定升降与移动。
73.在本公开所提供的一种实现方式中，滑动轨道32a与限位轨道32b均位于唤醒支撑台上。
74.可选地，在驱动组件22包括驱动电机221且驱动电机221的输出轴伸入反应腔1内的前提下，圆形支撑台321的内周壁可以与输出轴的外周壁间隙配合，且多个伸缩缸322在圆形支撑台321的端面的投影均位于圆形支撑台321的端面内。
75.圆形支撑台321的内周壁与输出轴的外周壁间隙配合，并且多个伸缩缸322在圆形支撑台321的端面的投影均位于圆形支撑台321的端面内，则圆形支撑台321可以覆盖多个伸缩缸322所在位置，圆形支撑台321可以挡住反应物，减小反应物进入伸缩缸322并影响伸缩缸322的情况的发生，提高最终得到的升降组件32的使用寿命。
76.图5是本公开实施例提供的环形导流板的正视图，参考图5可知环形导流板37的结构。
77.图6是本公开实施例提供的环形导流板的部分俯视图，参考图6可知，环形导流板37具有冷却液孔372，冷却液孔372的进口与冷却液孔372的出口在环形导流板37的一端的端面间隔分布。
78.环形导流板37的冷却液孔372可以提供冷却液的流经通道，冷却液的进入可以起到降温作用。
79.在本公开所提供的一种实现方式中，冷却液孔372在环形导流板37的端面的投影为环形，且加热结构3还可包括冷却液导流管38，冷却液导流管38由冷却液孔372的进口延伸至冷却液孔372的出口。可以实现环形导流板37的良好降温与温度控制。
80.需要说明的是，冷却液导流管38的进口与出口可以分别连通至冷却泵35的出口以及冷却流体箱34的进口。
81.图7是本公开实施例提供的一种提高生长效率的金属有机气相化学沉积设备的使用方法流程图，参考图7可知，本公开实施例提供了一种提高生长效率的金属有机气相化学沉积设备的使用方法，提高生长效率的金属有机气相化学沉积设备的使用方法包括：
82.s101：在反应腔的石墨基座上放置多个衬底。
83.s102：驱动组件驱动石墨基座转动。
84.s103：加热组件加热石墨基座。
85.s104：向反应腔内通入反应气体与有机金属源，以在衬底上生长外延材料；向反应腔内通入反应气体与有机金属源，以在衬底上生长外延材料，包括：根据外延材料的生长温度需求，改变升降组件与加热组件的工作状态以改变衬底的温度与反应腔流场的温度。
86.步骤s104可包括，升降组件下降时，加热组件中的n个加热件从第一形态变为第二形态；升降组件上升时，n个加热件从第二形态变为第一形态。可以提高温度改变的效率以缩短变温所需时间，提高外延片的生长效率。
87.可选地，n个加热件从第一形态变为第二形态的速度与升降组件的升降速度正相关。可以进一步缩短变温所需时间，提高外延片的生长效率。
88.示例性地，升降组件的升降速度为0.1～2cm/min时，n个加热件从第一形态变为第
二形态的时间范围为30～90s。
89.需要说明的是，从第一形态完全转变为第二形态的最短时间、或者从第二形态转变为第一形态的最短时间为30s。
90.在本公开所提供的一种实现方式中，在生长完外延片后，n个加热件转变为第一形态。可以节约空间的同时可以保证下一次外延生长的初期快速升温。
91.图7中所示的使用方法的技术效果可以参考图1中所示的结构的技术效果，因此此处对图7中所示的使用方法的技术效果不再赘述。
92.以上所述，并非对本公开作任何形式上的限制，在不脱离本公开技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本公开技术方案的内容，依据本公开的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本公开技术方案的范围内。