CN102618845B

CN102618845B - 具有遮挡板装置的反应器

Info

Publication number: CN102618845B
Application number: CN201210096716.7A
Authority: CN
Inventors: 何乃明; 李可
Original assignee: Advanced Micro Fabrication Equipment Inc Shanghai
Current assignee: Medium and Micro Semiconductor Equipment (Shanghai) Co., Ltd.
Priority date: 2012-04-01
Filing date: 2012-04-01
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2032-04-01
Also published as: TW201341586A; CN102618845A; TWI494467B

Abstract

一种具有遮挡板装置的反应器，包括：反应腔室，所述反应腔室包括位于侧壁的开口和位于底部的基座，所述开口用于放入或取出基片，所述基座用于放置所述基片；位于所述反应腔室内的遮挡板装置，所述遮挡板装置围绕所述基座上方的反应区域，且在基片放入反应腔室后或者在取出基片后屏蔽所述开口；所述遮挡板装置包括多个部件，且至少一个为可动部件，所述可动部件具有第一位置和第二位置，分别与开启或关闭的所述开口相对应。采用本发明实施例的遮挡板装置的反应器，在基片表面形成外延层时，流场和温度场较为均匀，形成的外延层精确度和均匀性高。

Description

具有遮挡板装置的反应器

技术领域

本发明涉及在基底上生长外延层的反应器，尤其涉及一种具有遮挡板装置的反应器。

背景技术

诸如半导体芯片的微电子元件通常采用下列方法制造，将半导体晶圆放入化学气相沉积反应器的基底上，通过控制各反应物的流量、体积比等参数，在晶圆上生长外延层，待晶圆表面形成外延层后，再将所述晶圆切成各个半导体芯片。

请参考图1，图1为现有技术的化学气相沉积反应器，包括：

反应腔室100，为化学气相沉积提供反应平台；位于所述反应器侧壁的开口101，所述开口101用于放入或取出基片(未图示)；位于所述反应器100内的基座103，用于放置所述基片；位于所述基座103底部的加热装置105，用于加热基片，提供化学气相沉积所需的温度；所述基座103和加热装置105安装于支撑部件107上，可在支撑部件107的带动下转动；位于所述基座103上方的反应通道111，用于通入反应气体。

由于化学气相沉积过程中，反应气体引入到反应腔室100后的工况和参数，例如材料黏性、密度、蒸发压力、反应气体的流动路径、化学活性和/或温度等，都会对生长在基片表面的外延层的质量产生重要的影响。为了优化形成的外延层的质量，需要对上述参数进行不断的修正。

专利号为“6039811”的美国专利公开了一种用于生长外延层的反应器，在反应器侧壁增加了冷却室，用于在制造工艺完成之后冷却基片。专利号为“6086362”的美国专利公开了一种化学沉积室，通过与反应室连通的冷却水管，保持反应室壁的温度在一定理想的范围内，控制基片表面生长外延层的均匀性。

尽管存在上述种种改进，但在基片表面形成外延层的反应器仍然有较大的改进空间，以形成精确的、均匀性好的外延层。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种具有遮挡板装置的反应器，可以在基片表面形成精确的、均匀性好的外延层。

为解决上述问题，本发明的实施例提供了一种具有遮挡板装置的反应器，包括：

反应腔室，所述反应腔室包括位于侧壁的开口和位于底部的基座，所述开口用于放入或取出基片，所述基座用于放置所述基片；

位于所述反应腔室内的遮挡板装置，所述遮挡板装置围绕所述基座上方的反应区域，且在基片放入反应腔室后或者在取出基片后屏蔽所述开口；

所述遮挡板装置包括多个部件，且至少一个为可动部件，所述可动部件具有第一位置和第二位置，其中第一位置与开启的所述开口相对应，使开口和基座之间形成基片移动的通路；

其中所述遮挡板装置内部设置有水槽，所述水槽包括位于一端的进水口和位于另一端的出水口，一冷却装置通过水管与所述水槽的进水口和出水口相连。

可选地，所述可动部件的特征尺寸大于等于所述开口的宽度。

可选地，所述遮挡板装置为圆柱形。

可选地，所述可动部件沿所述遮挡板装置的轴线方向移动。

可选地，所述可动部件沿所述遮挡板装置的圆周方向移动。

可选地，所述遮挡板装置包括第一部件和第二部件，所述第一部件为可动部件，所述第二部件固定于所述反应腔室内。

可选地，所述第一部件与所述第二部件相接触的边缘、内壁或外壁具有第一定位部，所述第二部件与所述第一部件相对应处具有第二定位部，所述第一定位部和第二定位部相配合，用于第一部件在第一位置和第二位置间移动。

可选地，所述第一定位部为凸起，所述第二定位部为与所述凸起相对应的沟槽；或者所述第一定位部为沟槽，所述第二定位部为与所述沟槽相对应的凸起。

可选地，还包括：驱动装置，所述驱动装置与所述可动部件相连，用于驱动所述可动部件在第一位置和第二位置间移动。

可选地，所述遮挡板装置的多个部件分别通过多个连接柱与反应腔室顶壁向连接。

可选地，所述冷却装置与所述遮挡板装置内水槽连接的水管位于所述连接柱内。

可选地，所述水管为不锈钢材质。

可选地，所述反应器应用于化学气相沉积反应。

可选地，所述化学气相沉积反应为金属有机化合物化学气相沉积反应。

可选地，还包括：驱动装置，所述驱动装置与所述可动部件相连，用于驱动所述可动部件移动，使所述多个部件具有不同高度的下边沿。

与现有技术相比，本发明的实施例具有以下优点：

本发明的实施例中的遮挡板装置包括多个部件，其中至少一个部件为可动部件，所述可动部件可以在第一位置和第二位置间移动，以屏蔽反应腔室的开口，并通过所述可动部件的移动来灵活控制反应腔室内的流场分布，使反应腔室内的流场均匀，采用本发明实施例的具有遮挡板装置的反应器在基片表面形成外延层，所述外延层的精确度和均匀性好。

进一步的，所述遮挡板装置内部设置有水槽，通向所述水槽内注入冷却剂，改善反应腔室内温度场不均匀的情况。本发明的实施例中，各个部件包括可动部件内部均设置有独立的水槽，调整所述反应腔室内的温度场和冷却基片所需要的时间变短，节省了工艺时间。

附图说明

图1是现有技术的化学气相沉积反应器的剖面结构示意图；

图2是本发明实施例的具有遮挡板装置的反应器的剖面结构示意图；

图3-图5是本发明实例1的遮挡板装置及各部件的结构示意图；

图6-图8是本发明实例2的遮挡板装置及各部件的结构示意图。

具体实施方式

正如背景技术所述，采用现有技术的化学气相沉积反应器，在基片表面形成外延层时，所述外延层的精确度、均匀性有待进一步提高。

经过研究，发明人发现，反应腔室内流场和温度场是否均匀，严重影响了后续在基片表面形成的外延层的精确度和均匀性。发明人发现，在反应通道和基座之间的区域设置一遮挡板装置，所述遮挡板装置围绕所述基座上方的反应区域，并在基片放入反应腔室后或者在取出基片后，屏蔽反应腔室的开口，可以较好的减小反应腔室内流场的扰动，利于形成表面均匀性好的外延层。

进一步的，发明人发现，所述遮挡板装置可以包括多个部件，其中至少一个为可动部件，通过灵活的控制可动部件，达到屏蔽反应腔室的开口的目的，并且可通过调整可动部件的位置，更好的控制反应腔室内的流场。

更进一步的，还可以在所述遮挡板装置的各个部件中设置水槽，达到控制反应腔室内的温度场的目的，从而使得在基片表面形成的外延层更加精确、均匀。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

请参考图2，本发明实施例的具有遮挡板装置的反应器包括：

反应腔室200，所述反应腔室200包括位于侧壁的开口201和位于底部的基座203，所述开口201用于放入或取出基片(未图示)，所述基座203用于放置所述基片；

位于所述反应腔室200内的遮挡板装置209，所述遮挡板装置209围绕所述基座203上方的反应区域，且在基片放入反应腔室200后或者在取出基片后屏蔽所述开口201，所述遮挡板装置209包括多个部件，且至少一个为可动部件2091，所述可动部件2091具有第一位置(未标示)和第二位置(未标示)，分别与开启或关闭的所述开口201相对应，其中，所述第一位置与开启的所述开口201相对应，使开口201和基座203之间形成基片移动的通路；

所述遮挡板装置209内部设置有水槽(未图示)，所述水槽包括位于一端的进水口(未图示)和位于另一端的出水口(未图示)，一冷却装置(未图示)通过水管与所述水槽的进水口和出水口相连；

分别与所述遮挡板装置209的多个部件相连的多个连接柱(未图示)，所述连接柱与反应腔室200顶壁连接；

位于所述基座203上方的反应腔室200顶壁的反应气体通道211，用于通入反应气体，以在基片表面形成外延层。

其中，所述反应腔室200用于为在基片表面生长外延层提供反应平台。所述反应腔室200由不锈钢材料制成，所述反应腔室200的形状为圆柱形，其具有环形侧壁、圆形顶壁和圆形底壁。所述圆柱形的反应腔室200的直径大于基片的直径，利于后续放置基片进行沉积工艺。所述反应腔室200的侧壁具有开口201，为了便于放入或取出基片，所述开口201的宽度(平行于基座203表面方向)大于基片的直径，小于等于反应腔室200的直径。所述开口201的高度(垂直与基座203表面方向)大于基片的厚度，小于等于反应腔室200的高度。

需要说明的是，为了使形成的外延层的质量好，在所述基片表面生长外延层时，所述反应腔室200内为真空环境。

需要说明的是，为了便于在基片表面形成外延层时产生的废气排出，所述反应腔室200底部还具有排气口(未图示)，通过排气装置(未图示)例如抽气泵将反应腔室200内的废气抽出。

所述基座203位于反应腔室200内的底部，用于放置基片。所述基座203表面具有固定件(未图示)，用于固定基片于基座203表面。所述基座203安装于支撑部件207上。考虑到基片表面生长外延层需要在一定的温度下进行，因此，所述基座203的底部还具有加热装置205，用于加热基座203表面的基片。

发明人发现，匀速旋转的基片有利于减小流场和温度场不均匀对外延层造成的影响，因此，本发明的实施例中，所述支撑部件207为支承心轴，所述基座203和加热装置205的圆心与所述支撑部件207的轴心在同一条直线上，在支撑部件207的带动下，所述基座203匀速转动。避免了由于加热装置205局部温度的不均匀，而导致的基片表面生长的外延层精确度降低或不均匀。

所述遮挡板装置209用于降低反应腔室内流场的扰动，并改变反应气体的流动方向，避免进入到反应腔室200的反应气体还未来得及反应，则被排气装置由排气口抽出。所述遮挡板装置209位于所述反应腔室200内，围绕所述基座203上方的反应区域，且在基片放入反应腔室200后或者在取出基片后屏蔽所述开口201。

发明人发现，如果遮挡板装置209为一个整体，通过整体的移动来屏蔽所述开口201，不仅需要动力更大的驱动装置来驱动所述遮挡板装置209，而且控制反应腔室200内的流场和温度场的方式不够灵活，在基片表面形成外延层的精确度和均匀性有待提高，并且，反应结束后冷却所述基片的时间也较长。

经过进一步研究，发明人发现，可以将所述遮挡板装置209设计为多个部件，且至少一个为可动部件2091，所述可动部件2091具有第一位置和第二位置，分别与开启或关闭的所述开口201相对应。为使所述可动部件2091能够较好的屏蔽所述开口201，所述可动部件2091的特征尺寸大于等于所述开口的宽度。根据所述可动部件2091的移动方向，可以分以下两个实例进行说明：

实例1

请参考图3-图5，图3-图5分别示出了本发明实例1的遮挡板装置的整体结构示意图、及各部件的结构示意图。本发明的实例1中的可动部件沿所述遮挡板装置的轴线方向运动。

请参考图3，图3为本发明实施例的遮挡板装置的立体结构示意图。所述遮挡板装置为圆柱形。所述遮挡板装置包括第一部件301和第二部件302，所述第一部件301为可动部件，所述第二部件302固定于所述反应腔室(未图示)内。

考虑到如果第一部件301与第二部件302相接触的边缘303为平面时，所述第一部件301和第二部件302之间难免存在缝隙，所述缝隙会对反应腔室内的流场产生扰动，不利于形成均匀性和精确性好的外延层，因此在本发明的一个实例中，所述第一部件301与所述第二部件302相接触的边缘303具有第一定位部(未标示)，所述第二部件302与所述第一部件301相对应处具有第二定位部(未标示)，所述第一定位部301和第二定位部302相配合，即可实现第一部件301在第一位置(未图示)和第二位置(未图示)间移动。

请结合参考图4和图5，以第一部件301与所述第二部件302相接触的边缘303具有第一定位部301a(图4所示)，所述第二部件302与所述第一部件301相接触的边缘(未标示)具有第二定位部302a(图5所示)为例进行示范性说明。所述可动部件301沿所述遮挡板装置的轴线方向移动。

在本发明的实施例中，所述第一定位部301a为沟槽，所述第二定位部302a为与所述沟槽相对应的凸起，所述凸起在所述沟槽内移动，实现所述第一部件301在第一位置和第二位置间的移动。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，也可以：所述第一定位部301a为凸起，所述第二定位部302a为与所述凸起相对应的沟槽，在此不再赘述。

实例2

请参考图6-图8，图6-图8分别示出了本发明实例2的遮挡板装置的整体结构示意图、及各部件的结构示意图。所述可动部件沿所述遮挡板装置的圆周方向移动。

所述遮挡板装置包括第一部件401和第二部件402，所述第一部件401为可动部件，所述第二部件402固定于所述反应腔室(未图示)内。所述第一部件401沿所述第二部件402内圆周方向移动，以实现第一位置(未标示)和第二位置(未标示)间的移动。

请参考图7，所述第一部件401的外壁具有第一定位部401a，所述第一定位部401a为沟槽。

请参考图8，所述第二部件402的内壁具有第二定位部402a，所述第二定位部402a为凸起，且其位置与所述第一定位部401a(图7所示)的位置相配合，以确保第一部件401在第一位置和第二位置间移动。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，还可以为：所述第一定位部401a为凸起，所述第二定位部402a为沟槽，只要所述凸起和沟槽能够相互配合即可，在此不再赘述。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，还可以为：所述第一部件的内壁具有第一定位部，所述第二部件的外壁具有第二定位部，所述第一定位部和第二定位部的位置相对应，所述第一部件沿所述第二部件的外圆周方向移动。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，所述遮挡板装置还可以具有三个或者更多部件，其中一个或两个可移动部件通过上下或圆周方向移动达到一个开启位置，产生一个通道使基片能过通过该通道从基座上移出/移入反应器。这两个可移动部件移动到关闭位置时与其它部件构成完整的遮挡板装置环绕反应区域。其余一个或多个部件也可以设置驱动装置，使之能够移动，通过对各个部件不同高度的调节可以补偿由于其它原因产生的气流不均。比如一个部件位置较高，气体通过该部件下边沿与基座间的间隙流入下方排气装置(图中未示出)，另一个部件位置较抵，两者形成不同的阻力的气流通道，通过这样的设置可以实现气流在不同区域的调节，使反应腔室内的流场和温度场均匀，以形成精确度和表面均匀性好的外延层。

在本发明的实施例中，以实例1为例进行详细说明。请继续参考图2，所述水槽用于降低反应腔室200的温度，所述水槽位于所述遮挡板装置209的内部，所述水槽包括位于一端的进水口和位于另一端的出水口。为了较好的控制反应腔室200内的温度场，所述遮挡板装置209的各个部件内部均设置有水槽(未图示)，使调整所述反应腔室200内的温度场和冷却基片所需要的时间变短，节省了工艺时间。相应的，所述可动部件2091内部也设置有水槽。为控制在反应过程中反应腔室200内的温度场，可以根据需要控制遮挡板装置209内水槽的水流量，以获得可控的温度，进而改变反应腔室200内的温度场，最终获得均匀性和精确度高的外延层。

在晶面表面形成外延层后，对所述基片进行冷却，本发明实施例的具有遮挡板装置209的反应器还包括：冷却装置，所述冷却装置通过水管与所述水槽的进水口和出水口相连。并且，为了防止生锈，并满足实际工况要求，所述水管为不锈钢材质。

所述连接柱用于连接遮挡板装置209的多个部件和反应腔室200顶壁。其中，所述可动部件2091通过可动连接柱(未图示)与反应腔室200的顶壁相连接。所述可动连接柱可以做垂直方向的运动或沿遮挡板装置209边沿方向的运动，比如沿遮挡板装置209的轴线方向向上运动或沿遮挡板装置209的圆周方向运动，从而产生能够让基片移入或移出反应腔室200的通路。

由于反应产生的化合物如GaN颗粒只大量存在于反应腔室底部，在反应腔室200顶部较少，所以本发明中遮挡板装置209与反应腔室200顶壁相连的结构不会在反应腔室200内形成污染物积累的点，减少了后续清洗和维护的难度。在反应过程中所述遮挡板装置209围绕所述基片，遮挡板装置的下边沿与基片的上表面在近似高度，或者略低于基片上表面。在反应结束后可动部件2091被可动连接柱带动上升使得所述开口201被打开，形成一个基片移动的通路。遮挡板装置209的上边沿与反应气体通道211出口位于接近的水平高度，遮挡板装置209上边沿到反应腔室200顶壁之间还存在空隙以容纳可移动部件2091向上运动的空间。通过这样的遮挡板装置209设置可以使反应气体尽量地向下流向基片表面，减少气体浪费。

在本发明的实施例中，所述连接柱为空心，所述冷却装置与所述遮挡板装置209内水槽连接的水管位于所述连接柱内，这样连接柱不仅实现了对遮挡板装置209位置的固定，还提供了冷却管道。比如每个部件包括两根连接柱，通过两根连接柱与反应腔室200顶壁相连，其中一根连接柱包含一根进水管道，另一根连接柱中包含出水管道。所述进水管道与出水管道与外部的冷却装置相连通。所述进水口也可以通过独立的水管与反应腔室200内壁相固定，管道内的水与外部冷却装置相连通。

考虑到所述可动部件2091在第一位置和第二位置间移动需要动力，所述具有遮挡板装置209的反应器还包括：驱动装置(未图示)，所述驱动装置通过连接柱与所述可动部件2091相连，用于驱动所述可动部件2091在第一位置和第二位置间移动，使所述多个部件具有不同高度的下边沿。

需要说明的是，本发明实施例的反应器主要应用于化学气相沉积反应中，尤其是金属有机化合物化学气相沉积反应中，在此不再赘述。

综上，本发明的实施例中的遮挡板装置包括多个部件，其中至少一个部件为可动部件，所述可动部件可以在第一位置和第二位置间移动，以屏蔽反应腔室的开口，并通过所述可动部件的移动来灵活控制反应腔室内的流场分布，使反应腔室内的流场均匀，采用本发明实施例的具有遮挡板装置的反应器在基片表面形成外延层，所述外延层的精确度和均匀性好。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种具有遮挡板装置的反应器，包括：

其特征在于，所述遮挡板装置包括多个部件，且至少一个为可动部件，所述可动部件具有与遮挡板装置的其他部件相同的高度，所述可动部件具有第一位置和第二位置，其中第一位置与开启的所述开口相对应，使开口和基座之间形成基片移动的通路；

其中所述遮挡板装置的各个部件内部设置有水槽，所述水槽包括位于一端的进水口和位于另一端的出水口，一冷却装置通过水管与所述水槽的进水口和出水口相连。

2.如权利要求1所述的具有遮挡板装置的反应器，其特征在于，所述可动部件的特征尺寸大于等于所述开口的宽度。

3.如权利要求1所述的具有遮挡板装置的反应器，其特征在于，所述遮挡板装置为圆柱形。

4.如权利要求3所述的具有遮挡板装置的反应器，其特征在于，所述可动部件沿所述遮挡板装置的轴线方向移动。

5.如权利要求3所述的具有遮挡板装置的反应器，其特征在于，所述可动部件沿所述遮挡板装置的圆周方向移动。

6.如权利要求1所述的具有遮挡板装置的反应器，其特征在于，所述遮挡板装置包括第一部件和第二部件，所述第一部件为可动部件，所述第二部件固定于所述反应腔室内。

7.如权利要求6所述的具有遮挡板装置的反应器，其特征在于，所述第一部件与所述第二部件相接触的边缘、内壁或外壁具有第一定位部，所述第二部件与所述第一部件相对应处具有第二定位部，所述第一定位部和第二定位部相配合，用于第一部件在第一位置和第二位置间移动。

8.如权利要求7所述的具有遮挡板装置的反应器，其特征在于，所述第一定位部为凸起，所述第二定位部为与所述凸起相对应的沟槽；或者所述第一定位部为沟槽，所述第二定位部为与所述沟槽相对应的凸起。

9.如权利要求1所述的具有遮挡板装置的反应器，其特征在于，还包括：驱动装置，所述驱动装置与所述可动部件相连，用于驱动所述可动部件在第一位置和第二位置间移动。

10.如权利要求1所述的具有遮挡板装置的反应器，其特征在于，所述遮挡板装置的多个部件分别通过多个连接柱与反应腔室顶壁向连接。

11.如权利要求10所述的具有遮挡板装置的反应器，其特征在于，所述冷却装置与所述遮挡板装置内水槽连接的水管位于所述连接柱内。

12.如权利要求11所述的具有遮挡板装置的反应器，其特征在于，所述水管为不锈钢材质。

13.如权利要求1所述的具有遮挡板装置的反应器，其特征在于，所述反应器应用于化学气相沉积反应。

14.如权利要求13所述的具有遮挡板装置的反应器，所述化学气相沉积反应为金属有机化合物化学气相沉积反应。

15.如权利要求1所述的具有遮挡板装置的反应器，其特征在于，还包括：驱动装置，所述驱动装置与所述可动部件相连，用于驱动所述可动部件移动，使所述多个部件具有不同高度的下边沿。