CN102560636B - 一种基片承载装置及应用该装置的基片处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基片承载装置，用于承载基片，其包括至少一个托盘，并且各托盘均具有两个相反的用于承载所述基片的盘面。在应用本发明提供的基片承载装置进行工艺时，与目前常用的同等尺寸的基片承载装置相比，可承载更多的基片，从而能够有效提高设备产能及工艺气体利用率。此外，本发明还提供一种应用上述基片承载装置的基片处理设备。

Description

一种基片承载装置及应用该装置的基片处理设备

技术领域

本发明涉及微电子生产技术领域，具体地，涉及一种基片承载装置及应用该基片承载装置的基片处理设备。

背景技术

在微电子产品制造领域中，金属有机化合物化学气相淀积技术(MetalOrganicChemicalVaporDeposition，以下简称MOCVD)作为一种生长III-V族、II-VI族化合物及合金等的薄层单晶的主要方法，具有对组分层厚界面控制精确、维护费用低、易于规模化生产等的优点。因此，该技术被广泛应用于砷化镓、磷化铟、氮化镓等光电子材料的生产工艺中。

请参阅图1，为一种MOCVD设备的系统原理图。该设备通常包括工艺腔室、供气系统、尾气处理系统、传输系统等几大组成部分。现阶段，上述MOCVD设备普遍存在单台设备产能和工艺气体利用率较低的问题，因而在光电子材料的生产成本中，设备折旧及运行成本占有很高的比重。因此，如何在保证产品良率的同时进一步提高MOCVD设备产能并降低运行成本(提高气体利用率，减少气体消耗)一直是亟需本领域技术人员解决的重要课题。

请一并参阅图2A和图2B，为一种已知的用于MOCVD外延反应的工艺腔室结构。该工艺腔室中设用一种行星式分布的基片承载装置结构，具体为，在一个大托盘4的圆周上均匀设置多个小托盘3，大托盘4绕其中心轴旋转，小托盘3在随大托盘4公转的同时发生自转。在工艺过程中，基片被水平放置在各个小托盘3上随之同步旋转，中央喷嘴沿大托盘4水平方向均匀供气，工艺气体在腔室内发生反应并沉积在基片表面以形成所需的外延膜层。

上述MOCVD设备利用大托盘和小托盘的行星式旋转可有效提升均匀性，并可在一定程度上提高腔室内部的有效工艺空间，从而提高产能。但是，上述基片承载装置结构不可避免地存在下述缺点：

首先，在上述基片承载装置结构的基础上，若要进一步增大设备产能，则只能通过增大上述大托盘尺寸的方式而使其承载更多的基片来实现；但是，对于由石墨材质制成的托盘而言，要使其尺寸在现有基础上进一步增大，必将导致托盘加工难度及加工成本的急剧增加，从而将造成设备成本及运行成本随之增加。

而且，大托盘的尺寸增大之后，还将致使工艺过程中对气流场、温度场的设计和控制难度随之增大，从而带来对外延工艺稳定性、均匀性等参数控制的不利影响。最终，将使企业面临设备成本和工艺质量的两难选择。

并且，在工艺过程中，工艺气体由工艺腔室的供气装置进入腔室内并充满整个腔室空间，从而在基片表面形成所需膜层；而由于现有的托盘结构仅能在其一面承载基片，因此，流经托盘另一面的工艺气体被作为废气而直接排出工艺腔室，从而造成工艺气体的严重浪费，进而在无形当中增加了不必要的生产成本。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基片承载装置，其能够在保证生产良率的同时，有效提高单台MOCVD设备的产能及工艺气体的利用率。

为解决上述问题，本发明还提供一种基片处理设备，其在保证生产良率的同时，可有效提高产能及工艺气体的利用率。

为此，本发明提供一种基片承载装置，用于承载基片，其包括至少一个托盘，所述托盘具有两个相反的用于承载基片的盘面，所述盘面上设置有多个用于放置所述基片的装片位，所述装片位包括与所述基片形状相适配的凹槽，在所述凹槽与所述盘面相交的边缘处设置有凸爪和/或凸缘，借助所述凸爪和/或凸缘而将所述基片限定在所述凹槽中，并且，在所述托盘的与所述盘面相邻的侧面上设置有与所述凹槽相连通的装片通道；在装/卸基片时，通过该装片通道而将基片放入所述凹槽中或从所述凹槽中取出；或者，所述凸爪和/或凸缘分布于所述凹槽的部分边缘处，所述凹槽的与所述下盘面相交的未被所述凸爪和/或凸缘覆盖的边缘对应的区域面积足以使基片通过；在装/卸基片时，使所述基片通过所述凹槽的与所述下盘面相交的未被所述凸爪和/或凸缘覆盖的边缘对应的区域进入所述凹槽内部，然后将所述基片移动至所述凸爪和/或凸缘所在位置处，以借助所述凸爪和/或凸缘将所述基片限定于所述凹槽内。

其中，所述托盘以静电吸附的方式将基片固定在装片位上。

其中，凸缘为半圆环状。

其中，位于同一托盘的两个盘面上的装片位对称或错位设置。

其中，基片承载装置包括至少两个相互间隔叠置的托盘，相邻托盘上的装片位相对或错位设置。

其中，基片承载装置还包括旋转连接机构，用以将各个托盘间隔地连接在一起，并驱动各个托盘进行同步或独立地旋转运动。

其中，所述托盘的材料为石墨、钼、钼合金。

其中，所述托盘采用石墨材料制成，并且基片承载装置表面具有SiC涂层。

其中，基片承载装置可承载的基片材料为蓝宝石、Ge、GaAs、GaN、SiC、Si。

此外，本发明还提供一种基片处理设备，包括工艺腔室，在工艺腔室内设置有上述本发明所提供的基片承载装置，用以在工艺过程中承载基片。

本发明具有下述有益效果：

本发明提供的基片承载装置包括至少一个托盘，并且该托盘具有两个相反的用于承载所述基片的盘面。因此，本发明提供的基片承载装置与现有的同等尺寸的基片承载装置相比，借助上述至少一个托盘、以及各个托盘上的两个盘面能够承载更多的基片，从而能够有效提高工艺设备的产能。而且，由于应用本发明提供的基片承载装置在增大设备产能的同时无需增加基片承载装置的尺寸，因此，在工艺过程中有利于对工艺设备中的气流场及温度场进行有效控制，从而保证工艺结果的稳定性及均匀性。并且，在利用本发明提供的基片承载装置进行实际工艺时，工艺气体可同时与位于托盘的两个盘面上的基片相接触，并在基片表面形成所需膜层，从而在增大设备产能的同时能够有效提高工艺气体的利用率、降低设备的生产运行成本。

本发明提供的基片处理设备包括工艺腔室，并且在该工艺腔室内部设置有上述本发明提供的基片承载装置，用以在工艺过程中承载基片。因此，本发明提供的基片处理设备在保证工艺稳定性及均匀性的同时，能够一次性承载更多的基片同时进行工艺，不但具有较高的产能，而且还可有效提高工艺气体的利用率，从而降低生产成本。

附图说明

图1为一种MOCVD设备的系统原理图；

图2A为一种常用的MOCVD工艺腔室的结构示意图；

图2B为图2A中A-A截面的剖视图；

图3为本发明提供的基片承载装置中的托盘的结构示意图；

图4A为本发明提供的托盘中的上盘面所采用的第一种基片承载方式的结构示意图；

图4B为本发明提供的托盘中的上盘面所采用的第二种基片承载方式的结构示意图；

图4C为本发明提供的托盘中的上盘面所采用的第三种基片承载方式的结构示意图；

图5A为本发明提供的托盘中的下盘面所采用的第一种基片承载方式的结构示意图；

图5B为本发明提供的托盘中的下盘面所采用的第二种基片承载方式的结构示意图；

图5C为本发明提供的托盘中的下盘面所采用的第三种基片承载方式的结构示意图；

图5D为本发明提供的托盘中的下盘面所采用的第四种基片承载方式的结构示意图；

图5E为本发明提供的托盘中的下盘面所采用的第五种基片承载方式的结构示意图；

图6A为本发明提供的托盘中所采用的第一种凸爪结构示意图；

图6B为本发明提供的托盘中所采用的第二种凸爪结构示意图；

图6C为本发明提供的托盘中所采用的第三种凸爪结构示意图；

以及

图7为本发明提供的基片承载装置一种具体实施方式的结构示意图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的基片承载装置及应用该基片承载装置的基片处理设备进行详细描述。

本发明提供的基片承载装置用于在基片处理设备中承载基片，该基片承载装置包括至少一个托盘，并且每一个托盘均具有两个相反的用于承载所述基片的盘面；也就是说，各个托盘的双面盘面均可用于承载基片，从而与同等尺寸的基片承载装置相比，能够一次性承载更多的基片；因此，该基片承载装置具有更强的承载能力，将其应用于工艺设备中时，能够有效提高工艺设备的产能。

请参阅图3，为本发明提供的基片承载装置的结构示意图。该基片承载装置包括一个托盘30，该托盘30的两个盘面310、320上均具有多个可用于放置基片的装片位311、321。这里，上述装片位311、321具体为设置在盘面310、320上的与基片形状相适配的凹槽。需要指出的是，在实际应用中，上述装片位也可以设置为其它结构，例如，还可以是高出上述盘面的与基片形状相适配的凸台，或者仅仅是在盘面上划分出的用于放置基片的特定的平面位置而非凹陷或凸起结构。

通常，本发明所提供的基片承载装置被水平放置于工艺腔室内部，因而可以将基片承载装置的两个盘面分别称为上盘面和下盘面。为便于描述，在下述各个实施例中均以上、下盘面对各托盘的两个盘面加以区分。正由于基片承载装置在工艺腔室中的放置位置的特点，决定了对位于各托盘上、下盘面的基片可以采取不同的承载方式。下面分别就托盘上盘面与下盘面对于基片的承载方式所采取的技术方案进行详细说明。

首先，请依次参阅图4A至图4C，分别为本发明提供的托盘的上盘面所采取的承载基片的三种具体方案。

请参阅图4A，为本发明提供的托盘中的上盘面所采用的第一种基片承载方式的结构示意图。本方案中，托盘41的上盘面410上的装片位具体为与上盘面410向平齐的平面，也就是说，该装片位仅为在上盘面410上所指定的多个专门用于放置基片80的区域，而没有凹陷或凸起的结构。由于基片承载装置被水平放置在工艺腔室内，因而利用基片的重力作用即可实现与基片承载装置之间的定位，或者，还可以为基片承载装置施加一定的直流偏压，从而以静电吸附的方式而将基片固定在各自的装片位上。

请参阅图4B，为本发明提供的托盘中的上盘面所采用的第二种基片承载方式的结构示意图。本方案中，托盘42的上盘面420的装片位421为一种与基片80的形状相适配的凹槽结构，基片80被置于该凹槽中，从而利用凹槽的侧壁而实现对基片80的定位。本方案中所示的凹槽深度大于基片80的厚度而使基片80上表面低于上盘面420的高度。在实际应用中，可以将该凹槽的深度设置的浅一些并小于基片的厚度，从而使基片上表面高于上盘面；或者，还可以使凹槽的深度与基片厚度大致相等，从而使基片上表面与上盘面相平齐。

请参阅图4C，为本发明提供的托盘中的上盘面所采用的第三种基片承载方式的结构示意图。本方案中，托盘43的上盘面430的装片位431为一种与基片80的形状相适配的凸台结构，基片80被置于该凸台的上表面，并利用基片80自身重力或利用施加在托盘43上的直流偏压而将基片80固定于装片位431上。

需要指出的是，在实际应用中，还可以在同一个托盘的上盘面上同时应用上述图4A至4C所示的三种或其中任意两种结构的装片位，只要其能够稳固可靠地将基片固定于装片位即可。

还需要指出的是，上述图4A至4C所示的上盘面承载基片的方式仅仅是作为部分实施例而用以示范性地说明本发明提供的基片承载装置的结构；但本发明并不局限于此，其它基于本发明的原理而进行的变形和改进同样应视为本发明的保护范围。

下面，请依次参阅图5A至5E，分别为本发明提供的托盘的下盘面所采取的承载基片的五种具体方案。具体地，这五种具体方案均采用下盘面设置凹槽的方式，并借助凹槽下端边缘处所设置的凸爪和/或凸缘而将基片限定在凹槽中；区别在于装/卸基片的方式有所不同，具体请分别参阅下述描述。

请参阅图5A，为本发明所提供的托盘中的下盘面所采用的第一种基片承载方式的结构示意图。本方案中，托盘51进一步包括第一托盘511和第二托盘512，二者之间以可分离的方式紧密地贴合在一起而构成完整的托盘51。其中，下盘面521即为第二托盘512的下表面，下盘面521上的多个装片位523均为凹槽结构，在凹槽与下盘面521相交的边缘处设置有凸缘524，基片80被置于凸缘524的至少部分边缘上，从而将基片限定于下盘面521上的装片位523内。此外，在第二托盘512与第一托盘511相贴合的贴合面522上具有与装片位523连通的装片通道，本方案中使凹槽在第二托盘512的厚度方向上贯通该第二托盘512，从而形成上述的装片通道。上述基片承载装置结构通过该装片通道进行装/卸基片的过程如下，先将第一、第二托盘相互分离，从而借助机械手或人工将基片从凹槽中取出或将待加工基片放入凹槽内，然后将第一、第二托盘重新贴合即可。对于上述第一托盘和第二托盘之间的可分离的连接方式，例如可以采用螺栓连接或者卡套及卡具连接等方式而实现。

请参阅图5B和5C，分别为本发明提供的托盘中的下盘面所采用的第二和第三种基片承载方式的结构示意图。这两种方案均是在上述图5A所示方案的基础上对装片通道所进行的变形和改进。

具体地，图5B所示方案为，托盘52同样由第一托盘511和第二托盘512贴合而成，与图5A所示方案的区别在于，在第二托盘512中设置有一个可被所有的装片位523共用的装片通道525。此外，本方案中托盘52的各部分结构均与图5A所示结构类似，并且具有同样的装/卸基片过程。而本方案相对于图5A所示结构的托盘而言，其优点在于，可实现对所用装片位的基片同时进行装/卸操作，从而在一定程度上提高基片的装/卸效率。

图5C所示方案为，装片通道525设置在托盘53的与盘面相邻的侧面上；在装/卸基片时，可借助机械手或人工通过该装片通道525而将基片80放入作为装片位523的凹槽中或将基片80从该凹槽中取出。当然，也可以不设置凹槽，并该装片通道525设置在靠近下盘面521的位置处，从而直接将该装片通道525的一部分作为装片位523使用。此外，优选地，在装片通道525的入口处设置挡板或挡块，以防止工艺气体进入该装片通道525内部。

需要指出的是，对于托盘装片通道的设置位置及结构，并不局限于上述图5A至图5C中所述方案，本领域技术人员可以在此基础上作出多种变形和改进，而凡是基于本发明的原理及实质所作出的变形及改进均应视为为本发明的保护范围。

请参阅5D，为本发明提供的托盘中的下盘面所采用的第四种基片承载方式的结构示意图。托盘54的下盘面521上的装片位523为一种长圆形或椭圆形的凹槽，并且，在该凹槽一端的边缘处设置一个半圆环状的凸缘524。在装/卸基片80时，可以借助机械手将基片托起并经由凹槽未设置凸缘524的一端进入凹槽内部，然后平移至具有凸缘524的一端，从而借助该半圆环状的凸缘524将基片80限定于凹槽中。可以理解的是，在实际应用中，上述作为装片位的凹槽的形状以及凸缘的形状均可产生多种变形和改进，而只要将凸缘仅设置于凹槽的部分边缘处，而且凹槽的未被凸缘覆盖的区域面积足以使基片顺利地通过并进入凹槽内部即为本发明的保护范围。这种方案的优点在于，能够提高装/卸基片的自动化程度，即，装/卸基片的过程可完全依靠机械手完成，从而提高基片装/卸效率；另外，由于本方案中用于支撑基片的凸缘面积较小，因而可在一定程度上增加基片的表面利用率。

请参阅图5E，为本发明提供的托盘中的下盘面所采用的第五种基片承载方式的结构示意图。本方案中，托盘55的下盘面设置有一个与下盘面形状相适配的支撑片526，该支撑片526能够与下盘面实现可分离地拆/装，具体可以采用螺接或卡接等与图5A所示方案中类似的连接方式而将二者结合在一起。在支撑片526上设置有多个与下盘面上的装片位523的位置相对应的通孔527，且通孔527的至少部分边缘能够用于稳定地承载基片80。在装载基片时，可先将该支撑片526与托盘55的下盘面分离，然后将基片80装入下盘面的凹槽中，再将支撑片526与托盘55进行贴合连接即可；卸载基片的过程与之类似。

上述图5A至图5E中所示的各方案中，均以凸缘作为承载基片的支撑结构，容易理解，当把凸缘改为其它形状时或者改为几个独立的凸爪时，同样能实现支撑基片的作用。并且，将凸缘改为凸爪后还可进一步增大基片的表面利用率。

请一并参阅图6A至6C，为本发明提供的托盘中所采用的三种凸爪结构，该图6A至图6C所示的各图形均为装片位的轮廓示意图。如图所示，以实现对圆形基片的承载为例，可以在圆形的装片位的边缘处设置若干凸爪，例如图中的3个或4个，并且各个凸爪在圆周方向上可以均匀分布，也可以不均匀分布。而且，可以理解的是，在同一装片位上还可同时设置凸缘及凸爪，以更好的承载基片。此外，在上述图5E所示方案实际上是将装片位处的凸缘和/或凸爪结构从托盘上分离出来的结构；因此，图5E所示的支撑片的通孔形状同样可参照上述图6A至6C所示轮廓形状进行设置。

容易理解的是，上述图4A至图6C所示的各种对基片的承载方案可在托盘的上、下盘面的装片位中进行互换；也就是说，上述图4A至图4C所示的以静电吸附等方式承载基片的装片位结构同样可应用于下盘面上；相应地，上述图5A至图6C所示的利用凹槽及凸缘和/或凸爪等的结构承载基片的装片位结构也可应用于上盘面上；本领域技术人员可根据实际需要进行灵活操作，此处不再一一赘述。

此外还可以理解的是，对于上述本发明所提供的托盘中，位于上盘面和下盘面的装片位的位置关系，可以采取相互对应的方式进行排布，也可以采取相互错位的方式进行排布。技术人员可以根据实际应用中，针对托盘温度场及腔室气流场分布的具体需要对同一托盘上的装片位进行灵活排布。

请参阅图7，为本发明提供的基片承载装置一个具体实施例的结构示意图。本实施例中，基片承载装置由三个相互平行设置的托盘构成，通过旋转连接机构74进行连接，并且各托盘之间具有一定的间隔距离以便于工艺气体通过。上述旋转连接机构74可驱动各个托盘进行同步旋转运动，也可单独地驱动各个托盘各自进行运动。当各个托盘被同步驱动旋转时，相邻托盘上的装片位的位置可以采取相互对应的方式进行设置，也可以采取相互错位的方式进行设置。例如，图7所示基片承载装置中，相邻的托盘71与托盘72上的装片位的位置为相对设置，而托盘72和托盘73之间的装片位的位置则采取错位设置。而且，技术人员还可根据需要对同一个托盘上的上、下盘面的装片位的位置进行设置，以满足工艺需求。而对于各托盘中的装片位承载基片的具体结构可参照上述图4A至图6C中所述的方案进行选择和设置，在此不予赘述。

本发明提供的基片承载装置中，托盘的材料例如可以包括石墨、钼、钼合金等耐高温、且化学性质稳定的材质；当采用石墨作为托盘的材料时，优选地，在托盘表面设置一层SiC涂层。此外，本发明所提供的基片承载装置可用于承载包括蓝宝石、Ge、GaAs、GaN、SiC、Si等材料的基片进行相应的薄膜制备工艺。

需要指出的是，上述各附图及实施例均以圆形的托盘为例对本发明提供的基片承载装置结构加以描述，但本发明并不局限于此，技术人员可根据实际需要而对各托盘的形状进行变形或改进，并且该变形和改进均应视为本发明的保护范围。并且，本发明所提供的基片承载装置中的装片位的形状也并不局限于圆形，当基片形状发生变化时，技术人员可据此对各个托盘上的装片位的形状进行改变。

还需要指出的是，本发明提供的基片承载装置还可采用竖直放置的方式进行工艺，具体为，使基片承载装置的旋转轴为水平方向，从而使各个托盘的盘面均处于竖直的平面内进行旋转或静止。

综上所述，本发明提供的基片承载装置包括至少一个托盘，并且各托盘的两个盘面均可用于承载基片进行工艺。因此，本发明所提供的基片承载装置与目前常用的同等尺寸的基片承载装置相比，能够承载更多的基片进行工艺，从而可有效提高设备的产能，同时提高工艺气体的有效利用率。而且，由于应用本发明提供的基片承载装置，无需增大尺寸即在满足产能需求，从而有利于工艺设备对气流场及温度场的稳定性和均匀性实现有效控制，进而可获得理想的工艺效果。此外，在一个优选实施例中，本发明提供的基片承载装置还具有旋转机构，可驱动各托盘同步或进行独立的旋转运动，从而有效提高工艺的均匀性。

作为另一种技术方案，本发明还提供一种基片处理设备，包括工艺腔室，在工艺腔室内设置上述本发明所提供的基片承载装置，用以在工艺过程中承载基片。在实际应用中，该基片处理设备例如可以是MOCVD设备。

由于本发明提供的基片处理设备中设置有上述本发明提供的基片承载装置。因此，基于类似的理由，该基片处理设备能够在保证工艺稳定性及均匀性的同时，具有较高的产能以及较高的工艺气体利用率，从而降低设备及生产运行等的成本。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变形和改进，这些变形和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基片承载装置，用于承载基片，其特征在于，包括至少一个托盘，所述托盘具有两个相反的用于承载所述基片的盘面，所述盘面上设置有多个用于放置所述基片的装片位，所述装片位包括与所述基片形状相适配的凹槽，在所述凹槽与所述盘面相交的边缘处设置有凸爪和/或凸缘，借助所述凸爪和/或凸缘而将所述基片限定在所述凹槽中，并且，

在所述托盘的与所述盘面相邻的侧面上设置有与所述凹槽相连通的装片通道；在装/卸基片时，通过该装片通道而将基片放入所述凹槽中或从所述凹槽中取出；或者

所述凸爪和/或凸缘分布于所述凹槽的部分边缘处，所述凹槽的与所述托盘的下盘面相交的未被所述凸爪和/或凸缘覆盖的边缘对应的区域面积足以使基片通过；在装/卸基片时，使所述基片通过所述凹槽的与所述托盘的下盘面相交的未被所述凸爪和/或凸缘覆盖的边缘对应的区域进入所述凹槽内部，然后将所述基片移动至所述凸爪和/或凸缘所在位置处，以借助所述凸爪和/或凸缘将所述基片限定于所述凹槽内。

2.根据权利要求1所述的基片承载装置，其特征在于，所述托盘以静电吸附的方式将所述基片固定在所述装片位上。

3.根据权利要求1所述的基片承载装置，其特征在于，所述凸缘为半圆环状。

4.根据权利要求1所述的基片承载装置，其特征在于，位于同一托盘的两个盘面上的装片位对称或错位设置。

5.根据权利要求1或4所述的基片承载装置，其特征在于，所述基片承载装置包括至少两个相互间隔叠置的托盘，相邻托盘上的装片位相对或错位设置。

6.根据权利要求5所述的基片承载装置，其特征在于，所述基片承载装置还包括旋转连接机构，用以将各个托盘间隔地连接在一起，并驱动各个托盘进行同步或独立地旋转运动。

7.根据权利要求1所述的基片承载装置，其特征在于，所述托盘的材料为石墨、钼、钼合金。

8.根据权利要求7所述的基片承载装置，其特征在于，所述托盘采用石墨材料制成，并且基片承载装置表面具有SiC涂层。

9.根据权利要求1所述的基片承载装置，其特征在于，所述基片承载装置可承载的基片材料为蓝宝石、Ge、GaAs、GaN、SiC、Si。

10.一种基片处理设备，包括工艺腔室，其特征在于，所述工艺腔室内设置有权利要求1-9中任意一项所述的基片承载装置，用以在工艺过程中承载基片。