[发明专利]用于MOCVD系统中控制外延片温度及均匀性的装置与方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于生产化合物半导体光电器件的MOCVD(金属有机化学气相沉淀)系统及其控制方法，特别涉及其中用于控制外延片温度及均匀性的装置与方法。

背景技术

金属有机化学气相沉淀(以下简称MOCVD)，是在外延片上通过沉积一层或持续沉积多层外延晶格结构薄膜，以形成如发光二极管(LED)等半导体器件的过程。所述器件如波长(颜色)、亮度和前置电压的正态分布的性能和良品率，直接由外延片(或称衬底基片)上各层外延薄膜的质量、厚度与材料组成的均匀性决定；而该外延薄膜的均匀性，又由外延片的温度均匀性和外延片表面上反应气体的均匀混和与分布直接关联。例如，在外延关键的发光晶格薄膜时，如外延片的温差大于3℃，该器件的良品率就可能降低15％～20％。

另外，为提高系统的产能，降低基片外延的生产成本，在MOCVD反应腔内同时进行外延生长的外延片数量在不断增加，其中不乏大尺寸的外延片。因此，在外延晶格薄膜时，如何控制外延片之间，以及单个大尺寸外延片上温度的均匀性，对于获得高质量的外延薄膜和提高器件良品率至关重要。

控制外延片在金属有机化学气相沉积外延晶格薄膜时的温度及均匀性，首先，需要其加热器直接或通过放置外延片的托盘，在同一外延工艺温度或在不同的外延工艺温度下，都能对外延片进行均匀的加热。

这一要求对外延如发光二级管(LED)的晶格薄膜时尤为重要，其多层薄膜均在同一反应腔内持续完成，而且其关键的几层薄膜对温度的均匀性要求很高，而不同的外延工艺之间温度又相差很大。例如，发光层薄膜的外延工艺温度为700℃～900℃，P-结薄膜为900℃～1050℃，N-结薄膜为1020℃～1050℃。

由于在不同的外延工艺温度条件下，外延反应腔内的热平衡条件不同，每个外延片，尤其是放置在托盘不同径向位置上的外延片，其接收的热量与流失的热量会有很大差异，因此，外延片加热器必须具有很大的均匀加热的可调节性。

在外延工艺过程中，需要测量外延片的温度，单个外延片温度的均匀性，及外延片之间的温度均匀性，该温度的测量方法不仅需精确、快速，而且所测得的数据能通过温度控制装置有效、及时地控制外延片的温度及均匀性，尤其是外延片与外延片之间的温度均匀性。

所述温度控制装置，一般根据外延片温度测量的反馈数据、外延工艺规定的温度、和外延片加热器所设计的功能，控制加热器各区域的功率，以实现对外延片的温度及均匀性的控制。

而控制外延片的温度及均匀性有两个关键的性能指标，精确性和稳定性。其中，精确性是指所控的实际温度与规定温度的精确程度；稳定性是指所控的实际温度达到规定温度范围的时间及在整个控制过程中实际温度的变化程度。因此，外延片温度及均匀性控制的精确性和稳定性，由外延片加热器的功能、温度的测量方法、及温度的控制方法决定。

现有一种外延片温度均匀性控制的装置与方法，如图1和图2所示，在MOCVD系统的反应腔中，多个外延片400沿径向、均匀放置在托盘100上表面101对应开设的若干凹盘中。托盘100下方沿径向，独立设置有三个环形分布的电阻式加热元件301、302、303，分别对应加热托盘100的内环区域、中环区域及外环区域。其中，加热元件302面积较大，是对放置在托盘100中环区域上的若干外延片400进行加热的主要器件；所述托盘100的内环及外环区域上不放置外延片400。所述托盘100沿其中心轴由旋转机构600带动旋转，以进一部改善外延片400与外延片400之间的温度均匀性。

在托盘100上方分别设置若干组非接触-发光补偿的光学温度计(Pyrometer)，其中，非接触光学温度计501设置在托盘100中环区域上方，对应测量径向上每一圈若干外延片温度204，并反馈至温度控制器503，控制功率输出装置504改变加热元件302的功率，实现对外延片400的温度控制。

由于外延片400温度的均匀性间接由外延片400之间的托盘温度202与托盘内环温度201、托盘外环温度202决定。因此还设置一组非接触光学温度计502，分别检测并将托盘内环温度201或托盘外环温度203与外延片400之间的托盘温度202组合后反馈，通过独立设置的两个温度控制器503，分别控制功率输出装置504改变内环和外环区域下加热元件301、303的功率，实现对外延片400温度均匀性的控制。