CN103243313A - 衬底支撑结构、含有上述衬底支撑结构的反应腔室 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及衬底支撑结构，该衬底支撑结构包括衬底支撑盘和支撑环，所述支撑环支撑所述衬底支撑盘的边缘区域，所述衬底支撑盘下方并且所述支撑环围绕的空间内放置加热单元，所述支撑环至少与所述支撑盘接触的一段的导热性和吸热性均比石英好。本发明还提供一种含有上述衬底支撑结构的反应腔室。本发明的所述支撑环与所述支撑盘接触的一段的导热性和吸热性均比石英好，从而所述支撑环能吸收较多的热量，并将所述热量传递到所述衬底支撑盘的边缘区域，从而补偿所述衬底支撑盘边缘区域的温度，使得所述衬底支撑盘的温度分布更容易均匀，以提高反应腔室内工艺的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及化学气相沉积(CVD)技术领域，特别是涉及一种衬底支撑结构、含有上述衬底支撑结构的反应腔室。
背景技术
MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)是在气相外延生长(VPE)的基础上发展起来的一种化学气相外延沉积工艺。它以III族、II族元素的有机化合物和V、VI族元素的氢化物等作为晶体生长的源材料，以热分解反应方式在衬底上进行沉积工艺，生长各种III-V族、II-VI族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。
具体地，请参考图1所示的现有的MOCVD设备的反应腔室的结构示意图。反应腔室10内形成有相对设置的喷淋头11和衬底支撑盘12。所述喷淋头11内可以设置多个通孔以提供反应气体。所述衬底支撑盘12的正面(即所述衬底支撑盘12的朝向所述喷淋头11一侧的表面)用于放置衬底121。所述衬底支撑盘12的背面(即所述衬底支撑盘12的背离所述喷淋头11一侧的表面)具有支撑环13，所述支撑环13一般为圆筒状，所述支撑环13的材料通常为石英，所述圆筒状的支撑环13支撑所述衬底支撑盘12，所述圆筒状的支撑环13的顶端与所述衬底支撑盘12边缘接触。所述衬底支撑盘12的下方还形成有加热单元14，所述加热单元14设置在所述圆筒状的支撑环13围绕的区域内，加热单元14对衬底支撑盘12进行加热。为了保证衬底121的受热均匀性和沉积的外延材料层的均匀性，所述衬底支撑盘12在MOCVD工艺过程中，在所述支撑环13的带动下，会以一定的速度围绕一轴线进行旋转运动，所述轴线为衬底支撑盘12的正面的中垂线。在MOCVD工艺结束后，所述衬底支撑盘12连同上方的衬底121从反应腔室10中取出。
然而，现有技术中，衬底支撑盘12的边缘区域仍然存在由于热量容易散失而温度相对降低的问题；从而使得整个衬底支撑盘的温度分布不均匀。
发明内容
本发明提供一种衬底支撑结构以及反应腔室，以解决现有的衬底支撑盘的温度分布不均匀的问题。
为解决上述问题，本发明提供一种衬底支撑结构，包括：衬底支撑盘和支撑环，所述支撑环支撑所述衬底支撑盘的边缘区域，所述衬底支撑盘下方并且所述支撑环围绕的空间内放置加热单元，所述支撑环至少与所述支撑盘接触的一段的导热性和吸热性均比石英好。
进一步的，在所述衬底支撑结构中，所述支撑环具有上部和下部，所述上部为所述支撑环与所述支撑盘接触的一段，所述下部为所述支撑环远离所述支撑盘的一段，所述下部导热性和吸热性均比所述上部差。
进一步的，在所述衬底支撑结构中，所述上部与所述下部之间通过隔热垫片连接。
进一步的，在所述衬底支撑结构中，所述上部为耐高温金属上部，且所述耐高温金属上部的环体的内表面上涂有吸热涂层；或所述上部的为石墨上部。
进一步的，在所述衬底支撑结构中，所述吸热涂层为石墨层或黑炭层。
进一步的，在所述衬底支撑结构中，所述石墨上部的表面具有一碳化硅保护层。
进一步的，在所述衬底支撑结构中，所述下部为所述支撑环位于所述加热器下表面所在平面以下的部分。
进一步的，在所述衬底支撑结构中，所述下部的材料为石英。
进一步的，在所述衬底支撑结构中，所述支撑环为石墨支撑环。
进一步的，在所述衬底支撑结构中，在进行工艺时，所述衬底支撑盘表面温度等于或高于1300℃。
进一步的，在所述衬底支撑结构中，所述支撑环的表面具有一碳化硅保护层。
进一步的，在所述衬底支撑结构中，所述支撑环为圆筒状旋转体结构，所述圆筒状旋转体结构的支撑环竖直设置。
根据本发明的另一面，本发明还提供一种化学气相沉积设备的反应腔室，包括衬底支撑结构以及加热单元，所述衬底支撑结构为所述的衬底支撑结构，所述加热单元设置于所述衬底支撑盘的下方，并位于所述支撑环内，所述支撑环围绕在所述加热单元周围。
进一步的，在所述衬底支撑结构中，所述反应腔室进一步包括旋转台，所述旋转台固定于所述支撑环的底端。
进一步的，在所述衬底支撑结构中，在气相沉积工艺时，所述反应腔室内通入反应气体，所述反应气体包括III族源气体和V族源气体。
与现有技术相比，本发明提供的衬底支撑结构、含有上述衬底支撑结构的反应腔室具有以下优点：
1.在本发明的衬底支撑结构以及反应腔室中，所述支撑环至少与所述支撑盘接触的一段的导热性和吸热性均比石英好，由于现有技术中支撑环的材料为石英，石英的导热性能和吸热性能较差，所以与现有技术相比，当所述衬底支撑盘边缘区域的温度低于所述衬底支撑盘中间区域的温度时，本发明的所述支撑环与所述支撑盘接触的一段的导热性和吸热性均比石英好，从而所述支撑环能吸收较多的热量，并将所述热量传递到所述衬底支撑盘的边缘区域，从而补偿所述衬底支撑盘边缘区域的温度，使得所述衬底支撑盘的温度分布更容易均匀，以提高反应腔室内工艺的可靠性。
2.在本发明的衬底支撑结构以及反应腔室中，所述支撑环具有上部和下部，所述上部比石英具有更好地导热性和吸热性，可以补偿所述衬底支撑盘边缘区域的温度；所述下部的导热性和吸热性均比所述上部差，从而减少所述下部流失的热量，以更高效地利用热量，补偿所述衬底支撑盘边缘区域的温度。
3.在本发明的衬底支撑结构以及反应腔室中，沉积反应的工艺温度会达到1300℃以上，这时，所述衬底支撑盘表面温度会等于或高于1300℃，但普通的石英材料并不能承受如此高的温度，而当所述支撑环为石墨支撑环，所述石墨支撑环能在高温下状态稳定，从而，可以在高于1300℃的温度下，很好地支撑所述衬底支撑盘。
附图说明
图1是现有技术中的反应腔室的示意图；
图2是本发明第一实施方式的衬底支撑结构的剖面示意图；
图3是本发明第一实施方式的衬底支撑结构中支撑环的示意图；
图4是本发明第一实施方式的反应腔室的示意图；
图5是本发明第二实施方式的衬底支撑结构的剖面示意图；
图6是本发明第三实施方式的衬底支撑结构的剖面示意图。
具体实施方式
现有技术的衬底支撑结构中，圆筒状的支撑环的顶端与所述衬底支撑盘边缘接触，以支撑所述衬底支撑盘，但整个衬底支撑盘的温度分布不均匀。发明人经过对现有技术反应腔室的深入研究发现，所述衬底支撑盘下方并且所述支撑环围绕的空间内用于放置加热单元，所述加热单元对所述衬底支撑盘进行加热，然而热量容易从所述衬底支撑盘的边缘区域流失，而所述衬底支撑盘的边缘区域没有温度补偿，所以所述衬底支撑盘的边缘区域温度较低，造成整个衬底支撑盘的温度分布不均匀。发明人进一步研究发现，所述支撑环的材料通常为石英，石英的导热性和吸热性均不高，首先，石英的吸热性不高，无法有效吸收所述支撑环周围的热量，造成热量的浪费；另外，石英的导热性不高，无法有效将本身的热量传导给接触的所述衬底支撑盘，所以，石英的所述支撑环无法为所述衬底支撑盘提供温度补偿。因而，本申请发明人将所述支撑环的材料进行了优化，使得所述支撑环至少与所述支撑盘接触的一段的导热性和吸热性均比石英好，一方面，所述支撑环的吸热性高，可以有效吸收所述支撑环周围的热量，更有效地利用所述加热单元释放的热量；另一方面，所述支撑环的导热性高，可以有效地将自身的热量传递给所述衬底支撑盘，从而为所述衬底支撑盘的边缘区域提供热量，对所述衬底支撑盘的边缘区域提供温度补偿，以提高所述衬底支撑盘的温度分布的均匀性。
有鉴于上述的研究，本发明提出一种衬底支撑结构，所述衬底支撑结构包括衬底支撑盘和支撑环，所述支撑环支撑所述衬底支撑盘的边缘区域，所述衬底支撑盘下方并且所述支撑环围绕的空间内放置加热单元，所述支撑环至少与所述支撑盘接触的一段的导热性和吸热性均比石英好。
与现有技术反应腔室相比较，本发明的衬底支撑结构中，当所述衬底支撑盘边缘区域的温度低于所述衬底支撑盘中间区域的温度时，本发明的所述支撑环与所述支撑盘接触的一段的导热性和吸热性均比石英好，从而所述支撑环能吸收较多的热量，并将所述热量传递到所述衬底支撑盘的边缘区域，从而补偿所述衬底支撑盘边缘区域的温度，使得所述衬底支撑盘的温度分布更容易均匀，以提高反应腔室内工艺的可靠性。
请参阅图2和图3，图2是本发明第一实施方式的衬底支撑结构的剖面示意图，图3是本发明第一实施方式的衬底支撑结构中支撑环的示意图。在本实施方式中，所述衬底支撑结构200包括衬底支撑盘220和支撑环210，所述支撑环210支撑所述衬底支撑盘220的边缘区域，所述衬底支撑盘220下方并且所述支撑环210围绕的空间内用于放置加热单元230，所述加热单元230用于对所述衬底支撑盘220进行加热，以方便对所述衬底支撑盘220上放置的衬底进行加热。
其中，在本实施方式中，所述支撑环210为石墨支撑环，即所述支撑环210的材料为石墨，石墨具有良好的导热性和吸热性，其导热性和吸热性均比石英好。由于所述支撑环210围绕所述加热单元230，所以，所述加热单元230的周围，即所述支撑环210所在区域具有大量热量。然而，石墨的所述支撑环210的吸热性高，可以有效吸收所述支撑环210周围的热量，可以更有效地利用所述加热单元230释放的热量，避免热量地浪费；另外，石墨的所述支撑环210的导热性高，并且，所述支撑环210接触所述衬底支撑盘220的边缘区域，所以，石墨的所述支撑环210可以有效地将自身的热量传递给所述衬底支撑盘220，从而为所述衬底支撑盘220的边缘区域提供热量，对所述衬底支撑盘220的边缘区域提供温度补偿，以提高所述衬底支撑盘220的温度分布的均匀性。
在本实施方式中，所述支撑环210的表面还具有一碳化硅保护层214，如图2所示。碳化硅材料对反应源气体具有较好的惰性，可以有效地避免石墨的所述支撑环210受到损伤，从而提高石墨的所述支撑环210的使用寿命。
在本实施方式中，所述支撑环210的顶端还可以具有支撑环突起215，所述衬底支撑盘220具有与所述支撑环突起215相对应的支撑盘凹槽221，所述支撑环突起215可以安装在所述支撑盘凹槽221内，如图2所示，以将所述衬底支撑盘220锁紧于所述支撑环210，使所述支撑环210可以稳固地带动所述衬底支撑盘220转动。另外，所述支撑环210的顶端还可以设置支撑环凹槽，所述衬底支撑盘220具有与支撑环凹槽相对应的支撑盘突起，亦可以将所述衬底支撑盘锁紧于所述支撑环，亦在本发明的思想范围之内。
在本实施方式中，所述支撑环210为圆筒状旋转体结构，如图3所示，所述圆筒状旋转体结构的支撑环210竖直设置，所述支撑环210支撑所述衬底支撑盘220的底部边缘一周，所述圆筒状旋转体结构的支撑环210可以更多地吸收所述加热单元230释放的热量。但所述支撑环210并不限于为圆筒状旋转体结构，所述支撑环210还可以为弹簧状螺旋环，亦可以支撑所述衬底支撑盘220，并对所述衬底支撑盘220的边缘区域提供温度补偿。
在本实施方式中的所述衬底支撑结构200可以用于化学气相沉积设备的反应腔室20，如图4所示，反应腔室20包括上述的衬底支撑结构200以及加热单元230，所述加热单元230设置于所述衬底支撑盘220的下方，并位于所述支撑环210内，所述支撑环210围绕在所述加热单元230周围。所述反应腔室20还包括喷淋头等必要的部件，此为本领域的公知常识，在此不作赘述。
另外，在本实施方式中，所述反应腔室20进一步包括旋转台21，所述旋转台21固定于所述支撑环210的底端，用于带动所述支撑环210转动，从而带动所述衬底支撑盘220转动。
本实施方式的反应腔室20可以用于MOCVD工艺，因为MOCVD的工艺温度会达到1300℃以上，这时，所述衬底支撑盘220表面温度等于或高于1300℃，但普通石英材料并不能承受如此高的温度，而本实施例的所述石墨支撑环能在高温下状态稳定，从而，可以在高于1300℃的温度下，很好地支撑所述衬底支撑盘220，以使得沉积工艺的可靠性得到保证。并且，采用本实施方式的所述衬底支撑结构200，所述支撑环210为所述衬底支撑盘220的边缘区域提供热量，对所述衬底支撑盘220的边缘区域提供温度补偿，从而避免所述衬底支撑盘220的中心区域与边缘区域的温度差。本实施方式的反应腔室20并不限于MOCVD工艺，还可以用于PECVD(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积法)等沉积工艺；另外，在本实施例中，所述支撑环210的材料并不限于为石墨，所述支撑环210的材料还可以为耐高温金属等耐高温材料，例如邬、钼、钛等，亦可以保证具有较好的导热性，同时可以在高温下保持状态稳定，亦在本发明的思想范围之内。
请参阅图5，图5是本发明第二实施方式的衬底支撑结构的剖面示意图。所述第二实施方式的衬底支撑结构300与所述第一实施方式的衬底支撑结构200基本相同，其区别在于：所述支撑环310具有上部311和下部312，所述上部311比石英具有更好地导热性和吸热性，所述下部312的导热性和吸热性均比所述上部差。
由于所述支撑环210围绕所述加热单元330，所以，所述支撑环310会吸收所述加热单元330释放的热量。但是所述支撑环310的底端会接触其他部件，如所述旋转台，从而将热量传给所述旋转台，造成部分热量的浪费。所以，在本实施方式中，将所述支撑环310分为上部311和下部312，较佳的，所述上部311比石英具有更好地导热性和吸热性，用于吸收热量并将热量传递给所述衬底支撑盘220，从而提高所述衬底支撑盘320的温度分布的均匀性；所述下部312的导热性和吸热性均比所述上部311差，防止热量从所述支撑环310的底端流失。
另外，所述上部311与所述下部312之间可以通过隔热垫片313连接，所述隔热垫片313的导热性差，减少所述上部311与所述下部312之间的热交换，从而提高热量的利用率。为了减少所述上部311与所述下部312之间的热交换，所述隔热垫片313导热性较所述下部312差，优选的，所述隔热垫片313的材料为石棉、陶瓷、石棉、陶瓷的导热性差，能够很好地减少所述上部311与所述下部312之间的热交换。
其中，所述上部311为耐高温金属上部，耐高温金属在高温下具有较佳的稳定性，并且导热性好。所述耐高温金属上部的环体的内表面上可以涂有吸热涂层314，所述吸热涂层314的吸热性好，能够更好地吸收附近的热量。所述吸热涂层314优选为石墨层或黑炭层，但所述吸热涂层314的材料并不限于为石墨层或黑炭层。所述下部312为所述支撑环310位于所述加热器330下表面所在平面AA’以下的部分，所述加热器330下表面所在平面AA’以下的热量较少，所以可以不必吸收所述加热器330下表面所在平面AA’以下的热量。所述下部312的材料优选为石英，但所述吸热涂层314的材料并不限于为石英。
在本实施方式中，所述上部311用于吸收热量并将热量传递给所述衬底支撑盘320，从而提高所述衬底支撑盘320的温度分布的均匀性，所述下部312防止热量从所述支撑环310的底端流失，能够更高效率地利用所述加热单元330释放的热量，并对所述衬底支撑盘320的边缘区域提供温度补偿，以提高所述衬底支撑盘320的温度分布的均匀性，亦在本发明的思想范围之内。
请参阅图6，图6是本发明第三实施方式的衬底支撑结构的剖面示意图。所述第三实施方式的衬底支撑结构400与所述第二实施方式的衬底支撑结构300基本相同，其区别在于：所述上部411为石墨上部，石墨比石英具有更好地导热性和吸热性，可以吸收热量并将热量传递给所述衬底支撑盘420，从而提高所述衬底支撑盘420的温度分布的均匀性。其中，所述石墨上部的表面可以具有一碳化硅保护层414，碳化硅材料对反应源气体具有较好的惰性，可以有效地避免所述石墨上部受到损伤，从而提高所述石墨上部的使用寿命。
在本实施方式中，所述上部411用于吸收热量并将热量传递给所述衬底支撑盘420，从而提高所述衬底支撑盘420的温度分布的均匀性，所述下部防止热量从所述支撑环410的底端流失，能够更高效率地利用所述加热单元430释放的热量，并对所述衬底支撑盘420的边缘区域提供温度补偿，以提高所述衬底支撑盘420的温度分布的均匀性，亦在本发明的思想范围之内。
虽然本发明已以较佳实施方式披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (15)
1.一种衬底支撑结构，包括：衬底支撑盘和支撑环，所述支撑环支撑所述衬底支撑盘的边缘区域，所述衬底支撑盘下方并且所述支撑环围绕的空间内放置加热单元，其特征在于：所述支撑环至少与所述支撑盘接触的一段的导热性和吸热性均比石英好。
2.如权利要求1所述的衬底支撑结构，其特征在于：所述支撑环具有上部和下部，所述上部为所述支撑环与所述支撑盘接触的一段，所述下部为所述支撑环远离所述支撑盘的一段，所述下部导热性和吸热性均比所述上部差。
3.如权利要求2所述的衬底支撑结构，其特征在于：所述上部与所述下部之间通过隔热垫片连接。
4.如权利要求2所述的衬底支撑结构，其特征在于：所述上部为耐高温金属上部，且所述耐高温金属上部的环体的内表面上涂有吸热涂层；或所述上部的为石墨上部。
5.如权利要求4所述的衬底支撑结构，其特征在于：所述吸热涂层为石墨层或黑炭层。
6.如权利要求4所述的衬底支撑结构，其特征在于：所述石墨上部的表面具有一碳化硅保护层。
7.如权利要求2所述的衬底支撑结构，其特征在于：所述下部为所述支撑环位于所述加热器下表面所在平面以下的部分。
8.如权利要求2所述的衬底支撑结构，其特征在于：所述下部的材料为石英。
9.如权利要求1所述的衬底支撑结构，其特征在于：所述支撑环为石墨支撑环。
10.如权利要求9所述的衬底支撑结构，其特征在于：在进行工艺时，所述衬底支撑盘表面温度等于或高于1300℃。
11.如权利要求9所述的衬底支撑结构，其特征在于：所述支撑环的表面具有一碳化硅保护层。
12.如权利要求1-11中任意一项所述的衬底支撑结构，其特征在于：所述支撑环为圆筒状旋转体结构，所述圆筒状旋转体结构的支撑环竖直设置。
13.一种化学气相沉积设备的反应腔室，包括衬底支撑结构以及加热单元，其特征在于，所述衬底支撑结构为权利要求1-12中任意一项所述的衬底支撑结构，所述加热单元设置于所述衬底支撑盘的下方，并位于所述支撑环内，所述支撑环围绕在所述加热单元周围。
14.如权利要求13所述的反应腔室，其特征在于：所述反应腔室进一步包括旋转台，所述旋转台固定于所述支撑环的底端。
15.如权利要求13-14中任意一项所述的反应腔室，其特征在于：在气相沉积工艺时，所述反应腔室内通入反应气体，所述反应气体包括III族源气体和V族源气体。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130814 |