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） 系统及其操作方法， 特别涉及一种具有多个外延反应腔的 MOCVD系统及其操作方法。 背景技术

金属有机化学气相沉淀系统（以下简称 MOCVD系统）是用于生产半导 体光电器件的一个最核心设备，衬底基片在 MOCVD的腔室内通过外延工艺 结构生长， 形成专门的光电器件结构， 目前 MOCVD被大量应用于 LED外 延片、 大功率激光器和高效率太阳电池等的生产。

以前由于市场和技术原因， 对于外延片的产量要求不高， MOCVD设备 都是为小规模生产设计的。 如图 1所示， 是目前市场上最多见的人工操作更 换托盘或基片的 MOCVD系统，其通过一独立的真空反应腔 100对衬底基片 610进行外延处理。 每一次外延完成后需要打开腔盖， 由操作人员在反应腔 100里面的托盘 600上取换衬底基片 610，并清理腔体上的沉积物， 以确保反 应腔 100能继续正常工作， 这些准备工作占去了许多设备运行的时间， 使 MOCVD系统的生产效率低下。

还有一种喷淋及高速旋转式 MOCVD系统， 每炉由机械手取换托盘， 而 在托上放置外延完成或待处理的衬底基片。 如图 2所示， 该种 MOCVD系统 包含传输腔 200，和分别与传输腔 200连接的反应腔 100、中转站 300和装卸 台 400;传输腔 200中还设置有机械手 210，用来将托盘 600在上述各个腔室 进行取放。 反应腔 100在设定工艺条件下对衬底基片 610进行外延处理时， 通过一真空隔离阀 500与传输腔 200分隔。 中转站 300用于暂存要从反应腔 100放入装卸台 400的处理后的托盘， 以及要从装卸台 400放入反应腔 100 的待处理的托盘 600; 该中转站 300与传输腔 200—般在真空环境下工作， 但在打开传输腔 200与装卸台 400之间的真空隔离阀 500时就工作在大气压

1

S6认本 力下。

相比人工操作，该种 MOCVD系统的机械化操作可以在较高的温度下进 行， 由此减少了设备冷却时间； 机械化操作还提高了换片的速度， 提高了设 备的生产利用率。

然而，上述现有的两款生产用 MOCVD系统都仅设置有单个的外延反应 腔， 产量低， 不能够适应大规模外延衬底基片的生产需要； 机械自动化操作 的 MOCVD系统由于设置了传输腔、 中转站和装卸台等设备， 更是增加了单 位制造的成本和运行成本。 发明的公开

本发明的目的是提供一种具有多个外延反应腔 的 MOCVD系统及其操作 方法， 使多个外延反应腔共用同一组传输腔、 中转站和装卸台等设备， 既可 成倍地增加每台 MOCVD系统的产量， 以适应大规模生产的需要， 同时又能 有效降低系统的单位制造成本与运行成本， 节省系统的占地面积。

为了达到上述目的， 本发明的技术方案是提供一种具有多个外延反 应腔 的 MOCVD系统， 用于对放置在托盘上的若干衬底基片进行外延 反应， 其特 征在于， 包含一设置有机械手的传输腔、 分别与传输腔连接的等于或大于两 个的外延反应腔； 上述托盘分别放置在上述多个外延反应腔内， 使若干衬底 基片在该多个外延反应腔同时进行外延反应。

上述的具有多个外延反应腔的 MOCVD系统， 还包含分别与上述传输腔 连接的至少一个中转站， 以及与上述中转站连接的装卸台。

上述的具有多个外延反应腔的 MOCVD系统， 还包含若干真空隔离阀； 上述真空隔离阔设置在上述传输腔与每个外延 反应腔之间；

上述真空隔离阀设置在中转站与装卸台之间；

上述在传输腔与中转站之间可选择设置真空隔 离阀；

上述若干真空隔离阀仅在其两边的腔室中压力 平衡或处于设定范围时打 开。

上述机械手由径向伸缩、 轴向转动、 上下移动的三维运动配合， 将上述 托盘在上述外延反应腔与中转站之间取放， 在外延反应腔之间取放， 在中转 站之间取放。 与上述传输腔连接有至少一组中转站和装卸台 ， 作为托盘的输入口和输 出口。

与上述传输腔连接有两组中转站和装卸台， 在其中一组放置装有等待外 延处理的新衬底基片的托盘， 而在另一组中放置从多个外延反应腔取出的装 有完成了外延反应衬底基片的托盘。

上述中转站中设有若干槽位， 使每个外延反应腔对应分配有输入槽位和 输出槽位；

上述输出槽位中放置从上述外延反应腔取出的 装有完成了外延反应衬底 基片的托盘；

上述输入槽位中放置从上述装卸台放入装有等 待外延处理的衬底基片的 托盘。

上述中转站的一些槽位中可设置有加热装置或 冷却装置； 上述中转站的 一些槽位， 可在竖直方向或水平方向移动。

一种具有多个外延反应腔和一个中转站的 MOCVD系统的操作方法， 其 特征在于， 在所述中转站的可水平移动的输出槽位 A1中更换托盘的流程， 包 含以下步骤：

( b ) 打开真空隔离阀；

(c) 托盘被搬到装卸台；

( d ) 换新的托盘或换托盘上的衬底基片；

(e) 新的托盘送回到中转站的输出槽位 A1 ;

(f) 关上真空隔离阀；

(g) 由机械手 （21 ) 把新的托盘从输出槽位 A1搬到输入槽位 A2。

在所述中转站的不可水平移动的输出槽位， 如 B1 , 中更换托盘的流程， 在所述可水平移动的输出槽位 A1上没有托盘时进行， 包含以下步骤：

(a) 由机械手把托盘从输出槽位 B1搬至输出槽位 A1 ;

( b ) 打开真空隔离阀；

(c) 托盘被搬到装卸台；

( d ) 换新的托盘或换托盘上的衬底基片；

(e) 新的托盘送回到中转站的输出槽位 A1 ;

(0 关上真空隔离阀； (h) 由机械手把新的托盘从输出槽位 Al搬到输入槽位 B2。

上述的具有多个外延反应腔的 MOCVD系统的操作方法， 还包含在外延 反应腔更换托盘的步骤：

在保持压力平衡条件下打开真空隔离阀， 机械手从外延反应腔里取出托 盘并放入中转站的输出槽位，然后把输入槽位 上的新的托盘放入外延反应腔。

与现有技术相比， 本发明所述具有多个外延反应腔的 MOCVD系统， 具 有以下优点：

本发明可同时在多个外延反应腔内对衬底基片 进行外延反应， 成倍地增 加每台 MOCVD系统的产量， 不用打开外延反应腔， 使其保持在真空状态和 较高的工作温度下， 而能实现外延反应腔内托盘取放的操作， 不仅节约了外 延反应腔冷却的时间和换盘操作的时间， 还使腔壁上的沉积物不容易脱落， 延长了进行腔体清洗维护的周期， 提高了设备的生产利用率。

本发明还改变现有装卸台与传输腔连接的系统 结构， 使传输腔能有更多 位置连接更多的外延反应腔， 以共用同一套传输腔、 机械手、 中转站和装卸 台， 节省了另外一套或几套相应的设备， 降低了其设置成本和运行费用， 节 约了这部分设备的安装场地。

本发明设计了用于多外延反应腔的中转站和装 卸台， 设计了多个托盘更 换的顺序， 在可竖直及水平方向移动的槽位与机械手的配 合下， 实现了快速 取换托盘的操作。

本发明将新的托盘和取出的托盘分别放在中转 站中与外延反应腔对应的 输入槽位和输出槽位上， 并可分别通过槽位的加热或冷却功能来縮短后 续操 作的准备时间， 进一步提高了设备的生产利用率。

本发明还可以通过设置两组中转站及装卸台， 分别作为托盘的输入口和 输出口， 或是把真空隔离阀 52去掉， 实现了操作步骤的迸一步简化。 附图的简要说明

图 1是现有人工操作的具有单个外延反应腔的 MOCVD系统的结构示意 图；

图 2是现有机械自动化操作的具有单个外延反应� �的 MOCVD系统的结 构示意图； 图 3是本发明在实施例 1中具有两个外延反应腔的 MOCVD系统的结构 示意图；

图 4是本发明在实施例 1中具有三个外延反应腔的 MOCVD系统的结构 示意图；

图 5是本发明在实施例 2中具有两个外延反应腔的 MOCVD系统的结构 示意图；

图 6是本发明在实施例 3中具有三个外延反应腔的 MOCVD系统的结构 示意图；

图 7是本发明中具有两个外延反应腔的 MOCVD系统的一种优选结构的 侧视图。 实现本发明的最佳方式

以下结合附图说明本发明的多种具体的系统配 置。

实施例 1

请配合参见图 3、 图 4所示， 本实施例涉及的具有多个外延反应腔的 MOCVD系统， 包含一设置有机械手 21的传输腔 20， 以及与传输腔 20连接 的等于或大于两个的外延反应腔 10,还包含一与传输腔 20连接的中转站 30, 及与中转站 30连接的装卸台 40。 传输腔 20与每个外延反应腔 10之间设有 一真空隔离阀 51 ;传输腔 20与中转站 30之间设有一真空隔离阀 52， 中转站 30与装卸台 40之间设有一真空隔离阀 53。

如图 3所示是具有两个外延反应腔的 MOCVD系统； 图 4所示是具有三 个外延反应腔的 MOCVD系统。 一个传输腔 20可连接的最大外延反应腔 10 数量由传输腔 20的设计所决定的。

其中，外延反应腔 10是 MOCVD系统中用于在衬底基片 61上外延生长 结构薄膜的核心部分。 外延反应腔 10中放置有一个托盘 60， 使多个外延片 基底 61放在该托盘 60上进行外延生长，同时处理的衬底基片 61数量由外延 反应腔 10的设计决定。 外延反应腔 10—般工作在真空和高温的状态， 本发 明在装 /卸托盘 60时， 使外延反应腔 10保持在真空状态下， 能防止外界污染 进入，而真空高温的状态还能防止外延反应腔 10内壁上的沉积物脱落， 因而 能保持外延反应腔 10内的干净， 有效延长清理外延反应腔 10的周期。 传输腔 20的中心位置设置有机械手 21， 其具有转动、 径向平移、 上下 移动 3个运动功能。该机械手 21通过这些运动的组合，不用打开外延反应腔 10， 就能把托盘 60从外延反应腔 10取出、放入中转站 30， 或是从中转站 30 取出、放入外延反应腔 10。在传输腔 20与外延反应腔 10压力平衡或是达到 一定的预设范围时， 一般是真空状态下， 可以打开两个腔体之间的真空隔离 阀 51， 由机械手 21取送托盘 60。

中转站 30在通过传输腔 20与外延反应腔 10交换托盘时，工作在与传输 腔 20和外延反应腔 10的压力平衡或是一定范围内， 最常见的是在真空状态 下，这时才能将中转站 30与传输腔 20之间的真空隔离阀 52打开；仅在大气 压力状态下， 才能将中转站 30与装卸台 40之间的真空隔离阀 53打开。

在另一种设备配置中， 中转站 30与传输腔 20之间不设置真空隔离阀 52 (即去除图 3、 图 4中虚线部分）。这样的配置使得传输腔 20和中转站 30始 终工作在相同的压力状态。 在传输腔 20和中转站 30处于真空状态时， 才能 打开真空隔离阔 51， 进行托盘 60在外延反应腔 10的取换； 在打开真空隔离 阀 53时，传输腔 20会随着中转站 30—起进入大气压力状态。该种不设置真 空隔离阀 52的设备配置，需要同时为传输腔 20和中转站 30两个腔体抽真空， 虽然时间延长了， 但是能在结构和操作步骤上实现进一步的简化 。

中转站 30中设置有若干放置托盘 60的槽位 31， 该槽位 31的数量由外 延反应腔 10的数量决定， 为每个外延反应腔 10分配有两个槽位 31， 分别用 于放置从外延反应腔 10取出的外延反应完成的托盘 60和从装卸台 40放入等 待处理的托盘 60。其中放置新托盘 60的槽位 31可具有加热装置， 能使托盘 60温度达到如 100摄氏度以上， 缩短托盘 60的预热时间； 放置外延完成的 托盘 60的槽位 31可具有冷却装置，在一定时间内能把托盘 60冷却到后续操 作例如 100摄氏度以下的工作温度。 上述仅提供了加热装置和冷却装置的一 种配置方法， 其可按照不同的生产要求进行配置。

上述中转站 30中的若干槽位 31， 具有在竖直方向上下移动的功能， 在 打开真空隔离阀 51、 52后， 配合传输腔 20中的机械手 21，在不同的槽位 31 与外延反应腔 10之间进行托盘 60取放的操作;在至少一个槽位 31上设置水 平方向移动的功能， 在打开真空隔离阀 53时， 可以使该槽位 31平移到装卸 台 40， 把托盘 60搬到装卸台 40上， 进行后续操作。 操作人员可以在装卸台 40进行换托盘 60或者换托盘 60上衬底基片 61 的操作。如图 7所示，该装卸台 40可以放在一个充满氮气的手套箱 70里面， 保持干净的作业环境。装卸台 40也可以放在一个装有高效空气过滤器的无尘 层流罩 70内， 以使作业环境满足粉尘控制的要求 实施例 2

如图 5所示，本实施例涉及的 MOCVD系统， 以配置两个外延反应腔 10 为例， 其与上述实施例中结构相类似， 包含一设置有机械手 21的传输腔 20， 以及与传输腔 20连接的两个外延反应腔 10。 其不同点在于， 还包含与传输 腔 20连接的两个中转站 30， 每个中转站 30还与一个装卸台 40连接。

与上述实施例类似， 传输腔 20与每个外延反应腔 10之间设有真空隔离 阀 51 ; 中转站 30与装卸台 40之间设有真空隔离阀 53。 传输腔 20与中转站 30之间的真空隔离阀 52 (图 5中虚线表示）可根据要求选择设置或去除。� � 述真空隔离阀 51、 52、 53均在其两边腔体的压力平衡或是达到一定范� ��内时 才能打开。

与上述不同， 本实施例设置有两组中转站 30和装卸台 40， 因此可使其 中一组专门放置等待外延处理的新托盘 60，而在另一组中放置从两个外延反 应腔 10取出的外延反应完成的托盘 60; 或是使每组中转站 30和装卸台 40 对应一个外延反应腔 10， 仅为该外延反应腔 10进行托盘的更替取放工作。

与上述实施例类似,每个中转站 30中设置有若干可在竖直或水平方向移 动的槽位 31，方便托盘 60的搬运；该若干槽位 31还可根据不同的生产需要， 任意配置加热装置或冷却装置，对托盘 60进行预热或冷却， 以节省后续处理 的时间。

装卸台 40可放在一个充满氮气的手套箱 70， 或装有高效空气过滤器的 无尘层流罩 70内， 以使作业环境满足粉尘控制要求。 上述两个中转站 30可 通过机械手 21的传递，共用同一个装卸台 40进行托盘 60的更换（即去除图 5中虚线所示的装卸台 40)， 以进一步简化系统结构。 实施例 3

如图 6所示， 本实施例涉及具有多个外延反应腔的 MOCVD系统， 与上 述实施例中结构相类似， 包含一设置有机械手 21的传输腔 20， 以及与传输 腔 20连接的若干中转站 30及多个外延反应腔 10。

其不同点在于，本实施例中传输腔 20是多边形的，使其能与更多的外延 反应腔 10或中转站 30连接。 以图 6中为例， 传输腔 20是六边形的， 其分别 与两个中转站 30， 及三个外延反应腔 10连接； 每个中转站 30还与一个装卸 台 40连接。

与上述实施例类似， 传输腔 20与每个外延反应腔 10之间设有真空隔离 阀 51 ; 中转站 30与装卸台 40之间设有真空隔离阀 53。 传输腔 20与中转站 30之间的真空隔离阀 52 (图 6中虚线表示）可根据要求选择设置或去除。� � 述真空隔离阀 51、 52、 53均在其两边腔体的压力平衡或是达到一定范� ��内时 才能打开。

与上述实施例 2类似， 本实施例中设置的两组中转站 30和装卸台 40分 别作为托盘 60的输入口和输出口，在其中一组专门放置等� ��外延处理的新托 盘 60， 而在另一组中放置从三个外延反应腔 10取出的外延反应完成的托盘 60。

与上述实施例类似，每个中转站 30中设置有若干可在竖直或水平方向移 动的槽位 31 ,方便托盘 60的搬运；该若干槽位 31还可根据不同的生产需要， 任意配置加热装置或冷却装置，对托盘 60进行预热或冷却， 以节省后续处理 的时间。

装卸台 40可放在一个充满氮气的手套箱 70， 或装有高效空气过滤器的 无尘层流罩 70内， 以使作业环境满足粉尘控制要求。 上述两个中转站 30可 通过机械手 21的传递，共用同一个装卸台 40进行托盘 60的更换（即去除图 5中虚线所示的装卸台 40)， 以进一步简化系统结构。 以下结合图 7所示一种具有双外延反应腔的 MOCVD系统为例，配合参 见实施例 1所述说明本发明的工作流程。

该系统中， 与传输腔 20连接的两个外延反应腔 10， 共用同一组中转站 30及装卸台 40。需要说明的是， 图 7仅作为本发明的一种实施例， 本发明涉 及的中转站 30及竖直、 水平移动的槽位 31等， 并不限于以下所述的结构。

对应系统中设置的两个外延反应腔 10A和 10B， 中转站 30设有 4个槽 位 31， 分别为输出槽位 Al， B1和输入槽位 A2， B2, 其中输入槽位 A2和 B2用于放置新的待处理的托盘 60， 可以设有加热装置； 输出槽位 A1和 B1 放置完成了外延反应的托盘 60， 可以设有冷却装置。

在本例中， 中转站 30与传输腔 20之间的真空隔离阀 52设置在中转站 30腔室一侧壁的上部， 而中转站 30与装卸台 40之间的真空隔离闽 53设置 在腔室对应侧壁的下部。 中转站 30的槽位 31通过竖直移动， 在中转站 30 与传输腔 20的连接口处， 配合机械手 21进行托盘 60取放的操作 （如图 7 中输入槽位 B2所示）； 类似的， 在本例中只有竖直移动到中转站 30与装卸 台 40的连接口处， 槽位 31才能水平移动到装卸台 40 (如图 7中输出槽位 A1所示）， 由操作人员取放托盘 60或托盘 60上的衬底基片 61。 以下取换托 盘 60的操作流程中， 省略槽位 31在竖直或水平方向移动的描述。 外延反应腔换托盘的步骤：

( 1 ) A外延反应腔换托盘： 在保持压力平衡条件下打开真空隔离阀 51 和 52，机械手 21从 A外延反应腔 10里取出托盘 60并放入中转站 30的输出 槽位 A1， 然后把输入槽位 A2上的新的托盘 60放入 A外延反应腔 10。

(2) B外延反应腔换托盘： 在保持压力平衡条件下打开真空隔离阀 51 和 52， 机械手 21从 B外延反应腔 10里取出的托盘 60并放入中转站的输出 槽位 Bl， 然后把输入槽位 B2上的新的托盘 60放入 B外延反应腔 10。 准备新的托盘的步骤：

( 1 )如果只在输出槽位 A1上有完成了外延生长的衬底基片 61的托盘， 操作步骤为

(b) 打开真空隔离阔 (53 )；

(c) 托盘 (60) 被搬到装卸台 (40)；

(d) 换新的托盘 （60) 或换托盘 （60) 上的衬底基片 61 ;

(e) 新的托盘 （60) 送回到中转站 （30) 的输出槽位 A1 ;

(f) 关上真空隔离阀 (53 )；

(g) 由机械手 （21 ) 把新的托盘 （60) 从输出槽位 A1搬到输入槽 位 A2。 这样就完成了为 A外延反应腔准备下一轮的外延反应，更换托� �的操作。

(2)如果只在输出槽位 B1上有完成了外延生长的衬底基片 61的托盘， 操作步骤为

(a) 由机械手把托盘 （60) 从输出槽位 B1搬至输出槽位 A1 ;

(b) 打开真空隔离阀 (53 )；

(c) 托盘 (60) 被搬到装卸台 (40)；

(d) 换新的托盘 （60) 或换托盘 （60) 上的衬底基片 61 ;

(e) 新的托盘 （60) 送回到中转站 （30) 的输出槽位 A1 ;

(f) 关上真空隔离阀 (53 )；

(h) 由机械手把新的托盘 （60) 从输出槽位 A1搬到输入槽位 B2。 这样就完成了为 B外延反应腔准备下一轮的外延反应，更换托� �的操作。

(3 ) 如果在输出槽位 A1和输出槽位 B1都有完成了外延生长的衬底基 片 61的托盘， 必须先完成输出槽位 A1上托盘 60的更新， 即 （1 ) 的所有步 骤， 把输出槽位 A1空出后再完成输出槽位 B1上托盘的更新， 即 （2) 的所 有步骤。

以上步骤都可以由自动控制软件和硬件来实现 。 对于实施例 1中所述传输腔 20与中转站 30间不设置真空隔离阀 52的系 统配置（即去除图 7中虚线部分）， 上述 "外延反应腔换托盘"和 "准备新托 盘" 的步骤可同样适用。 上述 "外延反应腔换托盘"和 "准备新的托盘" 的步骤， 可同样适用如 实施例 2、 3中所述， 与多个外延反应腔 10连接的传输腔 20， 还分别连接作 为托盘 60的输入口和输出口的两组中转站 30及装卸台 40的系统配置。对该 种系统更替托盘 60的操作中， 仅需在输入口端将装卸台 40中所有的新托盘 60依次运送至中转站 30中；而在输出口端将外延反应完成的托盘 60依次从 中转站 30运送至装卸台 40， 使机械手 21的操作及每一个中转站 30控制的 复杂程度进一步简化。 综上所述， 本发明所述具有多个外延反应腔的 MOCVD系统， 可同时在 多个外延反应腔内对衬底基片进行外延反应， 成倍地增加每台 MOCVD系统 的产量， 不用打开外延反应腔， 使其保持在真空状态和较高的工作温度下， 而能实现外延反应腔内托盘取放的操作， 不仅节约了外延反应腔冷却的时间 和换盘操作的时间， 还使腔壁上的沉积物不容易脱落， 延长了进行腔体清洗 维护的周期， 提高了设备的生产利用率。

本发明还改变现有装卸台与传输腔连接的系统 结构， 使传输腔能有更多 位置连接更多的外延反应腔， 以共用同一套传输腔、 机械手、 中转站和装卸 台， 节省了另外一套或几套相应的设备， 降低了其设置成本和运行费用， 节 约了这部分设备的安装场地。

本发明设计了用于多外延反应腔的中转站和装 卸台， 设计了多个托盘更 换的顺序， 在可竖直及水平方向移动的槽位与机械手的配 合下， 实现了快速 取换托盘的操作。

本发明将新的托盘和取出的托盘分别放在中转 站中与外延反应腔对应的 输入槽位和输出槽位上， 并可分别通过槽位的加热或冷却功能来缩短后 续操 作的准备时间， 进一步提高了设备的生产利用率。

本发明还可以通过设置两组中转站及装卸台， 分别作为托盘的输入口和 输出口， 或是把真空隔离阀 52去掉， 实现了操作步骤的进一步简化。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作 了详细介绍， 但应当认识 到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。 在本领域技术人员阅读了上述 内容后， 对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见 的。 因此， 本发明的 保护范围应由所附的权利要求来限定。