CN102477546A - 具有冷却模块的薄膜沉积装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭露一种薄膜沉积装置，包括：一反应腔；位于该反应腔内的一晶圆载具，该晶圆载具用以承载至少一晶圆，其中，该晶圆载具包括一实质上封闭的转动壳；一加热模块，位于该转动壳内，用以加热该晶圆；一驱动模块，位于该转动壳的底部，用以驱动该转动壳旋转；以及一冷却模块，位于该转动壳内，并于该加热模块与该驱动模块之间，其中，该冷却模块于操作时是使得该加热模块至该驱动模块之间的温度分布为不连续温度分布。

Description

具有冷却模块的薄膜沉积装置

技术领域

本发明是有关于一种薄膜沉积装置，尤其是一种具有冷却模块的薄膜沉积装置。

背景技术

薄膜沉积(Thin Film Deposition)可应用于装饰品、餐具、刀具、工具、模具、半导体元件等的表面处理，泛指在各种金属材料、超硬合金、陶瓷材料及晶圆基板的表面上，成长一层同质或异质材料薄膜的工艺，以期获得美观耐磨、耐热、耐蚀等特性。

薄膜沉积依据沉积过程中，是否含有化学反应的机制，可以区分为物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，简称PVD)通常称为物理蒸镀及化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，简称CVD)通常称为化学蒸镀。

随着沉积技术及沉积参数差异，所沉积薄膜的结构可能是“单晶”、“多晶”、或“非结晶”的结构。单晶薄膜的沉积在集成电路工艺中特别重要，称为是“外延”(epitaxy)。相较于晶圆基板，外延成长的半导体薄膜的优点主要有：可以在沉积过程中直接掺杂施体或受体，因此可以精确控制薄膜中的“掺质分布”(dopant profile)，而且不包含氧与碳等杂质。

金属有机化学气相沉积(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，简称MOCVD)，其原理是利用承载气体(carrier gas)携带气相反应物，或是前驱物进入装有晶圆的腔体中，晶圆下方的承载盘(susceptor)以特定方式加热晶圆及接近晶圆的气体，因高温触发单一或是多种气体间的化学反应式，将反应物(通常为气体)转换为固态生成物沉积在晶圆表面的一种薄膜沉积技术。

MOCVD装置的反应腔是所有气体混合及发生反应的地方，腔体通常是由不锈钢或是石英所制成，腔体的内壁通常具有由石英或是高温陶瓷所构成的内衬。在腔体中会有一个承载盘用来承载基板或是晶圆，这个承载盘必须能够有效率地吸收从加热器所提供的能量而达到薄膜成长时所需要的温度，且不能与反应气体发生反应，所以多半是由石墨所制成。加热模块通常设置于承载盘下方，其种类有红外线加热模块、热阻加热模块与微波加热模块等。驱动模块通常设置于加热模块下方，以带动承载盘旋转。

反应腔体表面通常有许多可以让冷却水流通的通道，可以让冷却水来避免腔体本身在薄膜成长时发生过热的状况。一般来说，为了保护操作人员安全，对冷却程度的要求是人体触摸反应腔体外侧表面不能够烫伤，因此，反应腔体的壁面、顶盖、甚至底部都有设置冷却水通道。

然而，一般MOCVD装置并没有特别针对加热模块或驱动模块设置冷却模块，因此对驱动模块的保护性不佳；当加热模块需要降温时，降温效率缓慢。有鉴于此，亟需提出具有新的冷却模块的化学气相沉积装置，以针对加热模块且/或驱动模块设置提供冷却功能。

发明内容

本发明的一目的是提供一种薄膜沉积装置，包括：一反应腔；位于反应腔内的一晶圆载具，晶圆载具用以承载至少一晶圆，其中，晶圆载具包括一实质上封闭的转动壳；一加热模块，位于转动壳内，用以加热晶圆；一驱动模块，位于转动壳的底部，用以驱动转动壳旋转；以及一冷却模块，位于转动壳内，并于加热模块与驱动模块之间，其中，冷却模块于操作时是使得加热模块至驱动模块之间的温度分布为不连续温度分布。

本发明的另一目的是提供一种用于一薄膜沉积装置的冷却模块，薄膜沉积装置包含一反应腔以及位于反应腔内的一基材载具、一加热模块以及一驱动模块，加热模块用以加热基材载具上的基材，驱动模块用以驱动基材载具旋转，冷却模块是位于加热模块以及驱动模块之间，其中，冷却模块于操作时是使得加热模块至驱动模块之间的温度分布为不连续温度分布。

附图说明

为使审查员能进一步了解本发明的结构、特征及其目的，以下结合附图及较佳具体实施例的详细说明如后，其中：

图1A为一般化学气相沉积装置的示意图。

图1B为一般化学气相沉积装置的承载盘末端偏斜误差示意图。

图2是根据本发明第一实施例的化学气相沉积装置的细部结构剖面示意图。

图3是根据本发明第一实施例的驱动模块的剖面示意图。

图4是根据本发明第二实施例的化学气相沉积装置的细部结构剖面示意图。

具体实施方式

请参照图1A，其绘示一般化学气相沉积装置的结构示意图；如图所示，一般化学气相沉积装置的反应腔中通常具有一承载盘10，承载盘10上具有至少一晶圆11，承载盘10下方则具有至少一加热器12，以提供反应腔进行化学反应时所需要的温度，加热器12的下方则具有一绝热模块13，以隔绝高温辐射至一连接转动轴14的传动模块(未显示于图中)，因为高温辐射容易导致传动模块损坏。然而，绝热模块13是被动式设计，仅能延缓传动模块温度上升时间，热防护性不佳。

另一方面，转动轴的设计有无法避免的缺点。请参考图1B，当承载盘10安装于转动轴14，承载盘中心产生些微误差，其末端偏斜误差将远大于承载盘中心的误差值。尤其承载盘直径越大，误差也随的增大(例如：承载盘的半径为r，倾斜角度为θ，末端偏斜误差为r·θ)。如此一来，于转动时将会影响沉积薄膜的均匀性，进而影响良率。

如图2所示，本发明的第一实施例揭露一种薄膜沉积装置，例如：化学气相沉积装置，具有一反应腔20、一晶圆载具21、一加热模块22、一驱动模块23以及一冷却模块24。

其中，晶圆载具21是位于反应腔20内，用以承载至少一晶圆(图未示)，其中，晶圆载具20包括一实质上封闭的转动壳212。

加热模块22是位于转动壳212内，用以加热晶圆。其中，加热模块22是为红外线加热模块、热阻加热模块或是微波加热模块。

请参考图3所示，驱动模块23是位于转动壳212的底部，用以驱动转动壳212旋转。此外，驱动模块23进一步包含：一从动内齿轮232；至少一主动外齿轮234；以及一第一马达236。其中，转动壳212是架设于从动内齿轮232上；至少一主动外齿轮234是用以啮合及驱动从动内齿轮232；而第一马达236是用以驱动至少一主动外齿轮234。

请再参照图2，冷却模块24是位于转动壳212内，且位于加热模块22与驱动模块20之间，其中，冷却模块24于操作时是使得加热模块22至驱动模块23之间的温度分布为不连续温度分布。于本发明的一范例中，不连续温度分布指的是冷却模块的邻近两侧空间的温度差异值非常明显，例如：大于或等于100℃；较佳的是，大于或等于200℃。于本发明的另一范例中，冷却模块于操作时是使得旋转壳内的温度分布为不连续温度分布。

于本发明的又一范例中，冷却模块24的截面积可以占旋转壳212的截面积的30％以上，较佳的为50％以上。

请参考图2，于本发明的再一范例中，冷却模块24是为一可调整高度的冷却模块，进一步包含：一冷却主体241；多个支撑单元243；以及至少一个高度调整单元245。其中，冷却主体241的内部设置一槽体241a以容纳一冷媒；多个支撑单元243，用以支撑冷却主体241，且支撑单元243内部设置管路243a与冷却主体241的槽体241a连通，以便于冷媒进出冷却主体241，上述的冷媒可以为水或空气。

上述高度调整单元245是与支撑单元243配合，可根据需要而调整支撑单元243的高度，由此调整冷却模块24于加热模块22与驱动模块23之间的相对距离。

上述高度调整单元245可以包含至少一O型环245a与其对应的锁固元件245b，例如但不限于螺帽。

于外延反应进行前，使用者可由手动方式调整支撑单元243至适当高度，再将锁固元件245b迫紧O型环245a，以迫使O型环245a向左右两边膨胀，进而对支撑单元243及侧壁气密，以达锁固的效果。然而，于外延反应进行当时则无法调整支撑单元243的高度。

本实施例的冷却模块24不直接接触驱动模块23等元件，可以有效隔绝热辐射，因此，确实较已知的化学气相沉积装置具有进步性。

此外，本实施例的化学气相沉积装置可以还包含一绝热模块25，其是置于加热模块22及冷却模块24间，以增加绝热效果。

请参照图4，其绘示本案的第二实施例的冷却模块44的细部结构示意图。如图所示，本发明的高度调整单元445可为一伸缩式蛇管，其具有大压缩量及封真空的特性。

此外，本实施例的化学气相沉积装置进一步具有：一微控制器48；一第二马达49；一第一温度侦测器46；以及一第二温度侦测器47。

其中，微控制器48具有一储値表(Lookup Table)，可经由储値表根据一目标加热温度而得到一第一高度控制信号。

第二马达49，耦接至微控制器48，可接收第一高度控制信号而压缩或拉长伸缩式蛇管445，以调整冷却模块44到达预定高度。

第一温度侦测器46是设置于加热模块42及冷却模块44之间且电性耦接至微控制器48，以产生一第一温度信号。其中，微控制器48会监控第一温度信号是否位于正常范围，当第一温度信号超出正常范围时，微控制器48将产生一第二高度控制信号，第二马达49接收第二高度控制信号时，会压缩或拉长伸缩式蛇管445，以调整冷却模块44到达预定高度。

第二温度侦测器47是设置于冷却模块44及驱动模块43之间且电性耦接至微控制器48，以产生一第二温度信号。其中，微控制器48会监控第二温度信号是否位于正常范围，当第二温度信号超出正常范围，微控制器48会产生一第三高度控制信号，第二马达接收第三高度控制信号而压缩或拉长伸缩式蛇管445，以调整冷却模块44到达预定高度。

于操作时，若外延程序的预定操作温度偏高(例如1000℃)，则微控制器48控制第二马达49压缩伸缩式蛇管445，使冷却模块44高度远离加热模块42(也就是接近驱动模块43)，以避免耗费能源；若外延程序的预定操作温度偏低(例如500℃)，则微控制器48控制第二马达49伸长伸缩式蛇管445，使冷却模块44高度靠近加热模块42；若第二温度侦测器47所感测的温度过热，表示驱动模块43有异常状况，本发明的微控制器48控制第二马达49压缩伸缩式蛇管445至非常接近驱动模块43的位置(例如降到最低)，以快速冷却驱动模块43，避免烧毁。

本发明的化学气相沉积装置可视需要而动态调整支撑单元445的高度，以实时冷却加热模块42或驱动模块43，及高效率地隔绝热辐射，因此，可改善已知化学气相沉积装置的缺点。

本发明的第三实施例揭露一种用于薄膜沉积装置的冷却模块，薄膜沉积装置例如但不限于为一化学气相沉积装置，其包含一反应腔以及位于反应腔内的一基材载具、一加热模块以及一驱动模块，加热模块用以加热基材载具上的基材，例如但不限于为一晶圆，驱动模块用以驱动基材载具旋转，冷却模块是位于加热模块以及驱动模块之间，其中，冷却模块于操作时是使得加热模块至驱动模块之间的温度分布为不连续温度分布。于本实施例的一范例中，冷却模块于操作时是使得加热模块的垂直方向温度分布为不连续温度分布。于本发明的另一范例中，不连续温度分布是冷却模块的邻近两侧空间的温度差异值可以大于或等于100℃。

本实施例中所述的冷却模块的结构变化已经于第一实施例中描述，不再赘述。

本案所揭示的，乃较佳实施例，凡是局部的变更或修饰而源于本案的技术思想而为熟习项技术的人所易于推知的，俱不脱本案的权利要求范畴。

Claims (18)

1.一种薄膜沉积装置，包括：

一反应腔；

位于该反应腔内的一晶圆载具，该晶圆载具用以承载至少一晶圆，其中，该晶圆载具包括一封闭的转动壳；

一加热模块，位于该转动壳内，用以加热该晶圆；

一驱动模块，位于该转动壳的底部，用以驱动该转动壳旋转；以及

一冷却模块，位于该转动壳内，并于该加热模块与该驱动模块之间，其中，该冷却模块于操作时使得该加热模块至该驱动模块之间的温度分布为不连续温度分布。

2.如权利要求1所述的薄膜沉积装置，其中该驱动模块包含：

一从动内齿轮，该转动壳架设于该从动内齿轮上；

至少一主动外齿轮，由该主动外齿轮啮合驱动该从动内齿轮；以及

一第一马达，用以驱动该至少一主动外齿轮。

3.如权利要求1所述的薄膜沉积装置，其中该冷却模块于操作时使得该旋转壳内的温度分布为不连续温度分布。

4.如权利要求1所述的薄膜沉积装置，其中该不连续温度分布是冷却模块的邻近两侧空间的温度差异值大于或等于100℃。

5.如权利要求1所述的薄膜沉积装置，其中该冷却模块的截面积为该旋转壳的截面积的30％以上。

6.如权利要求1所述的薄膜沉积装置，其中该冷却模块为一可调整高度的冷却模块。

7.如权利要求6所述的冷却模块的薄膜沉积装置，其中该冷却模块包含：

一冷却主体，内部设置一槽体以容纳一冷媒；

多个支撑单元，用以支撑该冷却主体，该支撑单元内部设置管路与该冷却主体的槽体连通，以便于冷媒进出该冷却主体；以及

至少一个高度调整单元，与多个该支撑单元配合，可根据需要而调整该支撑单元的高度，由此调整该冷却模块于该加热模块与该驱动模块之间的相对距离。

8.如权利要求7所述的薄膜沉积装置，其中该高度调整单元包含下列族群中的一者：伸缩式蛇管、至少一O型环与其对应的锁固元件。

9.如权利要求8所述的薄膜沉积装置，其中该高度调整单元为伸缩式蛇管，该薄膜沉积装置还包含：

一微控制器，该微控制器经由一储値表，根据一目标加热温度得到一第一高度控制信号；以及

一第二马达，用以接收该第一高度控制信号而压缩或拉长该伸缩式蛇管，以调整该冷却模块到达预定高度。

10.如权利要求9所述的薄膜沉积装置，还包含一第一温度侦测器，设置于该加热模块及该冷却模块之间，以产生一第一温度信号。

11.如权利要求10所述的薄膜沉积装置，其中该微控制器电性耦接至该第一温度侦测器，以接收该第一温度信号，该微控制器监控该第一温度信号是否位于正常范围，当该第一温度信号超出正常范围，该微控制器产生一第二高度控制信号，该第二马达接收该第二高度控制信号，而压缩或拉长该伸缩式蛇管，以调整该冷却模块到达预定高度。

12.如权利要求9所述的薄膜沉积装置，还包含一第二温度侦测器，设置于该冷却模块及该驱动模块之间，以产生一第二温度信号。

13.如权利要求12所述的薄膜沉积装置，其中该微控制器电性耦接至该第二温度侦测器，以接收该第二温度信号，该微控制器监控该第二温度信号是否位于正常范围，当该第二温度信号超出正常范围，该微控制器产生一第三高度控制信号，该第二马达接收该第三高度控制信号而压缩或拉长该伸缩式蛇管，以调整该冷却模块到达预定高度。

14.一种用于一薄膜沉积装置的冷却模块，该薄膜沉积装置包含一反应腔以及位于该反应腔内的一基材载具、一加热模块以及一驱动模块，该加热模块用以加热该基材载具上的基材，该驱动模块用以驱动该基材载具旋转，该冷却模块是位于该加热模块以及该驱动模块之间，其中，该冷却模块于操作时是使得该加热模块至该驱动模块之间的温度分布为不连续温度分布。

15.如权利要求14所述的冷却模块，其中上述的不连续温度分布是冷却模块的邻近两侧空间的温度差异值大于或等于100℃。

16.如权利要求14所述的冷却模块，其中该冷却模块为一可调整高度的冷却模块。

17.如权利要求14所述的冷却模块，其中该冷却模块包含：

一冷却主体，内部设置一槽体以容纳一冷媒；

多个支撑单元，用以支撑该冷却主体，该支撑单元内部设置管路与该冷却主体的槽体连通，以便于冷媒进出该冷却主体；以及

至少一个高度调整单元，与多个该支撑单元配合，可根据需要而调整该支撑单元的高度，由此调整该冷却模块于该加热模块与该驱动模块之间的相对距离。

18.如权利要求17所述的冷却模块，其中该高度调整单元包含下列族群中的一者：伸缩式蛇管、至少一O型环与其对应的锁固元件。

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