CN102691100A - 工艺腔室装置和具有该工艺腔室装置的外延设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了工艺腔室装置和具有该工艺腔室装置的外延设备。所述工艺腔室装置包括：顶盖和底盖；设在顶盖和底盖之间的内石英筒，由内石英筒与顶盖和底盖限定出工艺腔室，其中内石英筒上设有排气孔；设在顶盖和底盖之间且套设在内石英筒外侧的石墨套筒，石墨套筒与内石英筒之间限定出与外界连通的排气通道，且排气通道通过排气孔与工艺腔室连通；和设在顶盖和底盖之间且套设在石墨套筒外侧的外石英筒，外石英筒与石墨套筒之间限定出与外界连通的冷却通道。根据本发明实施例的工艺腔室，可以改善工艺腔室内的温度场分布，最终实现了工艺腔室内进而衬底的径向温度的均匀性，并减少了石墨套筒的维护次数和维护成本。

Description

工艺腔室装置和具有该工艺腔室装置的外延设备

技术领域

本发明涉及一种工艺腔室装置和具有该工艺腔室装置的外延设备。

背景技术

外延设备，即用于在衬底上生长外延层的设备，例如MOCVD设备，是生产LED(发光二极管)外延片的关键设备。通过调整工艺气体和工艺时间，利用外延设备可以在LED衬底片上沉积各种薄膜，包括决定LED芯片发光性能的多量子阱结构。在沉积多量子阱的工艺过程中，为了保证薄膜的均匀性，一般对衬底表面的温度均匀性要求极高。

外延设备的工艺时间一般较长，较为典型的情况是，5-6个小时才能完成一个完整的工艺过程。为了提高外延设备的生产效率，传统上采用同时可以摆放多片衬底片的大托盘，其中在一片石墨大托盘上安装多个小托盘，小托盘可以围绕自己的中心自转，同时大托盘也可以围绕工艺腔室中心进行自转。衬底片被均匀地摆放在小托盘的上面，托盘的加热机构一般安装在大托盘的下面。但是，由于小托盘的自转机构的结构较为复杂，具有容易失效的缺点，影响了外延设备的生产效率。

此外，如图3所示，还提出了多层托盘方式，其中在工艺腔室的外石英壁500’上安装感应线圈4’。在工艺腔室的内部摆放水平排列的多层石墨托盘2’。感应线圈4’和中高频的RF电源连接，由于感应线圈4’产生的随时间变化的磁场会在石墨托盘2’的表面诱导感应电流，从而达到加热托盘2’的效果。其中，在腔体中心部安装有工艺气体的进气系统3’。为了防止工艺气体的热分解和预反应，一般在进气系统3’上都安装有水冷系统(图中未示出)。在相对于各层石墨托盘2’的高度位置处，进气系统3’的筒状部件的四周开有出气孔。工艺气体和载气在通过石墨托盘2’之间的空间后，流入石墨套筒400’上的排气孔401’，最终通过工艺腔室外石英壁500’和石墨套筒400’之间的间隙被排气系统经由顶盖100’和底盖200’上的排气孔而排出到工艺腔室外。

然而，由于多托盘结构需要使用感应线圈加热，石墨托盘2’的温度场会存在一个径向的梯度，因此石墨托盘2’的外圈相对于内圈的温度较高。在没有通入工艺气体的条件下，当石墨托盘2’的外边缘达到1000摄氏度的时候，距离外边缘50mm的托盘内圈的温度为994摄氏度。上述的温度差可能会造成不均匀的工艺结果，从而增加了衬底片的温度均匀性的控制难度。

此外，石墨套筒400’被其外侧的感应线圈加热，而同时由于石墨套筒400’的内表面接触工艺腔室内的工艺环境，这就会造成工艺的副产物在石墨套筒400’的内壁上的沉积。当沉积的副产物达到一定的厚度时，会带来对工艺环境的不良影响。所以说套筒400’是需要定期维护的。由于在维护套筒400’的时候工艺腔室不能工作，这样就会对设备的生产效率造成影响。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种能有效改善径向温度场分布均匀性的工艺腔室装置。

本发明的另一个目的在于提出一种能有效降低维护频率和维护成本、改善工艺腔室内温度分布均匀性的外延设备。

为了达到上述目的，根据本发明第一方面实施例的工艺腔室装置，包括：顶盖和底盖；内石英筒，所述内石英筒设在所述顶盖和所述底盖之间且由所述内石英筒与所述顶盖和底盖限定出工艺腔室，其中所述内石英筒上设有排气孔；石墨套筒，所述石墨套筒设在所述顶盖和底盖之间且套设在所述内石英筒外侧，所述石墨套筒与所述内石英筒之间限定出与外界连通的排气通道，且所述排气通道通过所述排气孔与所述工艺腔室连通；和外石英筒，所述外石英筒设在所述顶盖和底盖之间且套设在所述石墨套筒外侧，所述外石英筒与所述石墨套筒之间限定出与外界连通的冷却通道。

根据本发明上述实施例的工艺腔室装置，可以通过在石墨套筒和外石英筒之间导入冷却介质的方式来调节石墨套筒的筒壁温度，进而可以改善工艺腔室内的温度场分布，最终实现了工艺腔室内的径向温度的均匀性，从而实现了衬底的温度均匀性。另外，根据本发明上述实施例的工艺腔室，工艺的副产物一般不会(或者很少)沉积在内石英筒的表面上因此内石英筒不会对工艺腔室内的工艺环境造成不良影响。另外，进入内石英筒和石墨套筒之间的气体(未反应的工艺气体、反应副产物、以及载气的混合气体)会通过排气通道而被排气系统迅速排出，即其在石墨套筒和内石英筒之间的停歇时间较短，从而也会减少上述工艺副产物在石墨套筒的筒壁上的沉积，其结果，减少了石墨套筒的维护次数和维护成本，并有利提高外延设备的生产效率。

另外，根据本发明上述实施例的工艺腔室装置，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例的工艺腔室装置，还包括中间石英筒，所述中间石英筒设在所述顶盖和底盖之间且套设在所述内石英筒与所述石墨套筒之间以隔离所述内石英筒与所述石墨套筒，所述中间石英筒与所述内石英筒之间限定出所述排气通道。

所述排气通道可以通过形成在所述顶盖和所述底盖至少之一上的通气孔与外界连通。

所述冷却通道可以通过形成在所述顶盖上的第一冷却通孔和形成在所述底盖上的第二冷却通孔与外界连通。

为了更利于改善工艺腔室内的温度场分布以及工艺气体分布的均匀性，所述内石英筒、外石英筒和所述石墨套筒可以均形成为圆筒。

其中，为了加快将未反应的工艺气体、反应副产物、以及载气的混合气体从工艺腔室排出的效率，所述排气孔包括沿所述内石英筒的轴向间隔开的多组，每一组内的排气孔沿所述内石英筒的周向分布在所述内石英筒的壁上。

进一步地，为了使工艺腔室内的环境更趋均匀稳定，所述每一组内的排气孔沿所述内石英筒的周向均匀分布。

此外，还可以使所述多组排气孔在所述内石英筒的轴向上等间隔分布。

此外，为了达到上述目的，根据本发明第二方面实施例的外延设备，包括：工艺腔室装置，所述工艺腔室装置为根据本发明第一方面的任一实施例的工艺腔室装置；多层托盘，所述多层托盘沿所述工艺腔室装置的轴向彼此间隔开设置在所述工艺腔室装置的工艺腔室内；进气组件，所述进气组件设置在所述工艺腔室装置上，用于向所述工艺腔室内供气；和感应线圈，所述感应线圈沿周向绕设在所述外石英筒的外侧。

根据本发明实施例的外延设备，由于采用了本发明第一方面实施例的工艺腔室装置，在不会大幅提高设备成本的情况下，可以显著地改善石墨托盘的径向温度均匀性，从而改善了置于石墨托盘上的衬底的温度均匀性，进而改善了形成于衬底上的外延层的均匀性。此外，还可以有效地减少设备的维护频率和维护成本，并可以显著地提高生产效率。

其中，为了迅速有效地将设置在多层托盘上的衬底周围的工艺副产物等排出工艺腔室，在所述工艺腔室装置的轴向上可以使所述工艺腔室装置的所述多组排气孔分别与所述多层托盘对应。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的外延设备的结构示意图；

图2是根据本发明另一实施例的外延设备的结构示意图；和

图3是现有外延设备的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面，参考图1和图2说明根据本发明实施例的工艺腔室装置，图1和图2示出了包括本发明实施例的工艺腔室装置的外延设备。

如图1所示，根据本发明实施例的工艺腔室装置，包括顶盖100和底盖200、内石英筒300、石墨套筒400和外石英筒500。

具体而言，内石英筒300设在顶盖100和底盖200之间且由内石英筒300与顶盖100和底盖200限定出工艺腔室，其中内石英筒300上设有排气孔301；石墨套筒400设在顶盖100和底盖200之间且套设在内石英筒300外侧，石墨套筒400与内石英筒300之间限定出与外界连通的排气通道EP，且排气通道EP通过排气孔301与所述工艺腔室连通；外石英筒500设在顶盖100和底盖200之间且套设在石墨套筒400外侧，外石英筒500与石墨套筒400之间限定出与外界连通的冷却通道CC。

根据本发明上述实施例的工艺腔室，相比于图3所示的现有技术而言，在石墨套筒400内侧增加了一个内石英筒300，并在石墨套筒400和外石英壁500之间增加了冷却通道CC，该冷却通道CC和排气通道EP被石墨套筒400隔开并相互密封。由此，可以通过在石墨套筒400和外石英筒500之间导入冷却介质的方式来调节石墨套筒400的筒壁温度进而改善工艺腔室内的温度场分布，由此改善了工艺腔室内的径向温度的均匀性，最终实现了置于工艺腔室内的衬底的径向温度的均匀性。关于冷却介质，例如可以使用冷却空气、温度经调节的氮气等。另外，通过调节冷却气体的流量、压力和温度，可以根据需要方便、有效地控制石墨套筒的温度，并通过实验验证了通过上述改进可以在石墨托盘径向方向获得一个满足外延设备对2寸衬底片温度均匀性需求的一个区域。关于冷却气体的流量、压力的调节方法，例如可以采用常用的压力调节阀、MFC来控制冷却气体的流量和压力。

另外，根据本发明上述实施例的工艺腔室装置，由于在石墨套筒400内侧增加了一个内石英筒300且该内石英筒上形成有排气孔301，在使用中，工艺气体可以通过这些排气孔301而由排气系统排出工艺腔室。由于石英具有不易被感应线圈加热，也不易吸收辐射热的特性，所以内石英筒300的管壁温度会显著低于工艺温度，也不会促进工艺副产物的产生。从而，工艺的副产物一般不会(或者很少)会沉积在内石英筒300的表面上且内石英筒300也不会对工艺腔室内的工艺环境造成不良影响。另外，进入内石英筒300和石墨套筒400之间的气体(未反应的工艺气体、反应副产物、以及载气的混合气体)会通过排气通道EP而被排气系统迅速排出，即其在石墨套筒400和内石英筒300之间的停歇时间较短，从而也会减少上述工艺副产物在石墨套筒400的筒壁上的沉积，由此减少了石墨套筒400的维护频率和维护成本，并有利于提高外延设备的生产效率。并且，该结构的工艺腔室装置由于可以显著减少工艺副产物在石墨套筒的筒壁上的沉积，因此可以大幅减少石墨套筒的维护频率和维护成本，从而可以显著提高生产效率。

排气通道EP可以通过形成在顶盖100和底盖200至少之一上的通气孔101与外界连通。当然，为了提高排气效率、改善工艺腔室内的气体分布均匀性，可以在顶板100和底板200上均匀地形成有多组通气孔101。

另外，冷却通道CC可以通过形成在顶盖100上的第一冷却通孔102和形成在底盖200上的第二冷却通孔202与外界连通。当然，为了提高冷却效率、进一步改善工艺腔室内的温度分布均匀性，由此改善了置于工艺腔室内的衬底的温度均匀性，可以在顶板100和底板200上均匀地形成有多组第一冷却通孔102和第二冷却通孔202。

为了更利于改善工艺腔室内的温度场分布以及工艺气体分布的均匀性，内石英筒300、外石英筒500和石墨套筒400可以均形成为圆筒。

另外，为了加快将未反应的工艺气体、反应副产物、以及载气的混合气体从工艺腔室排出的效率，内石英筒300上的排气孔301包括沿上下方向(图1和2中的上下方向，即所述内石英筒的轴向)间隔开的多组，每一组内的排气孔301沿所述内石英筒的周向分布在内石英筒300的壁上。进一步地，为了使工艺腔室内的环境更趋均匀稳定，每一组内的排气孔301可以沿所述内石英筒的周向均匀分布。此外，还可以使多组排气孔301在上下方向等间隔分布。

另外，如图2所示，根据本发明另一实施例的工艺腔室装置还包括中间石英筒600，该中间石英筒600设在顶100和底盖200之间且套设在内石英筒300与石墨套筒400之间以隔离内石英筒300与石墨套筒400，且中间石英筒600与内石英筒300之间限定出排气通道EP。由此，通过中石英筒600可以把石墨套筒400与工艺腔室内的工艺气体完全隔离，工艺的副产物也不会沉积在石墨套筒400的表面上，从而省却了石墨套筒400的维护成本和维护时间。即使工艺副产物的一部分沉积在中石英筒600的表面，如上所述由于中石英筒600不是一个热壁，沉积的副产物可以通过特殊溶剂来清洗(或者人工擦拭)去除，相对于清理石墨表面的沉积物(去除沉积在石墨套筒(热壁)上的工艺副产物的方式通常需要烘烤炉和清洗设备)来说不仅可以大大缩短处理时间，而且可以显著提高生产效率、降低设备维护成本。

需要说明的是，虽然在图2中示出了中间石英筒600和石墨套筒400间隔开设置，但本发明并不限于此，例如中间石英筒600还可以贴合在石墨套筒400的内壁上。

下面描述根据本发明实施例的外延设备，根据本发明实施例的外延设备例如可以为CVD(化学气相沉积)设备、MOCVD(金属有机化学气相沉积)设备、HVPE(氢化物气相外延)设备等。

如图1和图2所示，根据本发明实施例的外延设备，包括工艺腔室装置、多层托盘2、进气组件3和感应线圈4。

具体而言，所述工艺腔室装置可以为参考本发明上述实施例描述的工艺腔室装置。多层托盘2沿上下方向(图1-2中的上下方向，即所述内石英筒的轴向)彼此间隔开设置在所述工艺腔室装置的工艺腔室内。进气组件3设置在所述工艺腔室装置上并与外界气源相通(未图示)，用于向所述工艺腔室内供气，进气组件3可以采用已知的进气组件，例如，进气组件3可以包括设置在工艺腔室内进气本体，所述进气本体内设有气体通道，所述气体通道可以包括保护气体通道和工艺气体通道，相应地，在底盖200内设有将保护气体通道与工艺腔室的外部连通的保护气体连通通道31和将工艺气体通道与工艺腔室的外部连通的工艺气体连通通道32，如图1和2所示，在顶盖100上还可以设有上部保护气体供给部件103，所述上部保护气体供给部件设置在顶盖100上且伸入所述工艺腔室内，以便将来自于外部气源的保护气体从工艺腔室上部供给到工艺腔室内。需要理解的是，进气组件3并不限于上述示例，进气组件3可以为能够将气体供给到工艺腔室内的任何合适的进气组件，例如可以直接为形成在顶盖100和/或底盖200内的供气通道和供气孔，这对于本领域的普通技术人员都是可以理解的，这里不再详细描述。感应线圈4沿周向绕设在外石英筒500的外侧。

根据本发明实施例的外延设备，在不显著增加设备成本的情况下，可以显著地改善石墨托盘的径向温度均匀性，进而可以显著改善置于石墨托盘上的衬底的径向温度均匀性，从而能够提高形成于衬底上的外延层的均匀性。此外，还可以有效地减少设备的维护频率和维护成本，并可以显著地提高生产效率。

其中，为了迅速有效地将设置在多层托盘2上的衬底周围的工艺副产物等排出工艺腔室，在上下方向上可以使所述工艺腔室装置的多组排气孔301分别与多层托盘2对应。

根据本发明实施例的外延设备的其他部件和功能对于本领域的技术人员而言是已知的，这里不再详细描述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种工艺腔室装置，其特征在于，包括：

顶盖和底盖；

内石英筒，所述内石英筒设在所述顶盖和所述底盖之间且由所述内石英筒与所述顶盖和底盖限定出工艺腔室，其中所述内石英筒上设有排气孔；

石墨套筒，所述石墨套筒设在所述顶盖和底盖之间且套设在所述内石英筒外侧，所述石墨套筒与所述内石英筒之间限定出与外界连通的排气通道，且所述排气通道通过所述排气孔与所述工艺腔室连通；和

外石英筒，所述外石英筒设在所述顶盖和底盖之间且套设在所述石墨套筒外侧，所述外石英筒与所述石墨套筒之间限定出与外界连通的冷却通道。

2.根据权利要求1所述的工艺腔室装置，其特征在于，还包括中间石英筒，所述中间石英筒设在所述顶盖和底盖之间且套设在所述内石英筒与所述石墨套筒之间以隔离所述内石英筒与所述石墨套筒，所述中间石英筒与所述内石英筒之间限定出所述排气通道。

3.根据权利要求1或2所述的工艺腔室装置，其特征在于，所述排气通道通过形成在所述顶盖和所述底盖至少之一上的通气孔与外界连通。

4.根据权利要求1或2所述的工艺腔室装置，其特征在于，所述冷却通道通过形成在所述顶盖上的第一冷却通孔和形成在所述底盖上的第二冷却通孔与外界连通。

5.根据权利要求1或2所述的工艺腔室装置，其特征在于，所述内石英筒、外石英筒和所述石墨套筒均形成为圆筒。

6.根据权利要求1所述的工艺腔室装置，其特征在于，所述排气孔包括沿所述内石英筒的轴向间隔开的多组，每一组内的排气孔沿所述内石英筒的周向分布在所述内石英筒的壁上。

7.根据权利要求6所述的工艺腔室装置，其特征在于，所述每一组内的排气孔沿所述内石英筒的周向均匀分布。

8.根据权利要求6所述的工艺腔室装置，其特征在于，所述多组排气孔在所述内石英筒的轴向上等间隔分布。

9.一种外延设备，其特征在于，包括：

工艺腔室装置，所述工艺腔室装置为根据权利要求1-8中任一项所述的工艺腔室装置；

多层托盘，所述多层托盘沿所述工艺腔室装置的轴向彼此间隔开设置在所述工艺腔室装置的工艺腔室内；

进气组件，所述进气组件设置在所述工艺腔室装置上，用于向所述工艺腔室内供气；和

感应线圈，所述感应线圈沿周向绕设在所述外石英筒的外侧。

10.根据权利要求9所述的外延设备，其特征在于，所述工艺腔室装置的所述多组排气孔在所述工艺腔室装置的轴向上分别与所述多层托盘对应。

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