CN103422074A - 用于沉积工艺的反应腔室及其中托盘温度的调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于沉积工艺的反应腔室，包括：托盘；加热器；进气单元；温度探测器，用于检测托盘或衬底的温度；位移装置，用于基于所述温度探测器检测的温度和目标温度之间的差值，调整进气单元与托盘之间的距离，实现对托盘或衬底的温度快速调整控制的目的。本发明还提供了一种反应腔室中托盘温度的调节方法。本发明通过调整托盘与进气单元之间的距离，可以调整进气单元上的冷却单元从托盘吸收热量的多少，便于更快速有效的升高或降低托盘或托盘上的衬底的温度。

Description

用于沉积工艺的反应腔室及其中托盘温度的调节方法

技术领域

本发明属于气相沉积领域，更具体地讲，是涉及一种外延工艺的温度控制的装置与方法。

背景技术

金属有机化合物化学气相沉积（MetalOrganicChemicalVaporDeposition，简称MOCVD）是制备化合物半导体薄膜的一项关键技术。MOCVD是以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原材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延，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。MOCVD设备主要包括气路系统、加热系统、反应腔室和检测及控制系统等几个部分。

如图1所示，现有的外延工艺利用进气单元，比如喷淋头200，将反应气体提供至托盘400和位于托盘400上的衬底410表面，位于托盘400下方的加热器500对托盘400和放置于托盘400上的衬底410进行加热。喷淋头200通过专门的提升装置悬置于衬底410和托盘400上方。为了有效控制上述外延生长的温度，现有技术是通过加热器的功率调整实现的，以控制衬底沉积外延材料层的温度及均匀性。

进行外延工艺时，首先，需要加热器500通过加热承载衬底的托盘400从而对衬底410进行加热。如图1所示，现有加热器500包括多个独立功率输出的加热单元510，每个加热单元510的输出功率由功率输出装置520单独控制，每一加热单元510用于对上方的托盘400的一个区域进行加热，由于在不同加热区域其衬底410的温度稍有差异，其温度控制器700一般根据温度探测器600对衬底410温度测量的反馈数据、外延工艺规定的温度和加热器500所设计的功能，通过位于各个区域衬底410温度的反馈，分别进行相应区域的加热单元510的功率调节，以实现对衬底410的温度及均匀性的控制。

然而在外延工艺过程中，随着进行不同的工艺步骤的温度要求，需要升高、降低或者稳定外延工艺（衬底410表面）的温度。通过加热器500的功率调整外延工艺的温度存在以下不足和缺陷：具体地，由于在不同的外延工艺温度条件下，反应腔室100内的热平衡条件不同，高温的衬底410和托盘400主要以热辐射和热对流的形式向喷淋头200以及周围的反应腔室100内侧壁传递热量，导致衬底410热量的流失，因此需要加热器500具备很大的均匀加热的可调节性。现有技术的加热器调节速度慢，并且为了获得更为均匀的温度，需要对加热器500的多个加热单元510分别进行调节，使得温度调整过程较为复杂。难以满足反应所需要的温度必须满足加热均匀、升温降温速度快、温度稳定时间短等要求。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种快速、简便以及有效的调节温度的反应腔室及其中托盘温度的调节方法。本发明提供的这种用于沉积工艺的反应腔室，包括用于承载衬底的托盘，所述托盘由若干个区域组成，该装置还包括：

加热器，用于通过加热托盘对托盘上放置的衬底进行加热；

进气单元，设置在所述托盘的远离所述加热器的一侧，所述进气单元包括冷却腔室，所述冷却腔室内填充有冷却介质，所述冷却介质对进气单元进行冷却；

温度探测器，用于检测托盘或衬底的温度；

位移装置，用于基于所述温度探测器检测的温度和目标温度之间的差值，调整进气单元与托盘之间的距离，实现对托盘或衬底的温度快速调整控制的目的。

优选地，所述位移装置设于反应腔室顶部，所述进气单元通过所述位移装置与反应腔室活动连接，悬置于衬底和托盘上方。

优选地，所述位移装置设置于托盘的远离所述进气单元的一侧。

优选地，所述托盘下方设置有旋转装置，所述旋转装置用于支撑托盘并且带动所述托盘进行旋转运动，所述位移装置位于所述旋转装置下方，所述位移装置通过调整所述旋转装置与进气单元之间的距离，来调整所述旋转装置上方的托盘与所述进气单元的距离。

优选地，还包括：温度控制器，用于接收来自温度探测器获得的温度数据，用于将所述温度数据与目标温度比较，基于所述比较结果确定距离调整方式，并将所述距离调整方式的指令输入至所述位移装置，控制所述位移装置调整托盘与进气单元之间的距离。

优选地，所述距离调整方式的指令包括：

增大托盘与进气单元之间的距离的指令，用于提高托盘温度；

减小托盘与进气单元的之间的距离的指令，用于降低托盘温度；

维持托盘与进气单元之间的距离保持不变的指令，用于维持托盘温度不变。

本发明还提供一种反应腔室中托盘温度的调节方法，其中，反应腔室包括：用于承载衬底的托盘；用于通过对托盘上放置的衬底进行加热的加热器；用于输送反应气体的进气单元，设置在所述托盘的远离所述加热器的一侧，所述进气单元还包括用于对进气单元进行冷却的冷却腔室，所述冷却腔室内填充有冷却介质；用于检测托盘或衬底的温度的温度探测器；用于基于所述温度探测器检测的温度和目标温度之间的差值，调整进气单元与托盘之间的距离的位移装置；

其托盘温度的调节方法包括：

获得托盘或托盘上衬底的温度；

将所述托盘或托盘上的衬底的温度与目标温度相比较，若所述托盘或托盘上的衬底的温度低于目标温度，则增大所述托盘与进气单元之间的距离，以减少所述进气单元的冷却单元从托盘吸收的热量；若所述托盘或托盘上的衬底的温度高于目标温度，则减小所述托盘与进气单元之间的距离，以增大所述进气单元的冷却单元从托盘吸收的热量；若所述托盘或托盘上的衬底的温度与目标温度相同，则维持所述托盘与进气单元之间的距离不变。

优选地，所述反应腔室为MOCVD反应腔室，所述托盘或托盘上的衬底的温度通过通过温度探测器获得。

优选地，所述温度探测器热电偶，所述热电偶通过测试获得或对该托盘或托盘上衬底的吸收光谱特性曲线测试获得。

优选地，通过移动所述托盘在反应腔室中的位置，调整所述托盘与进气单元之间的距离。

有益效果：本发明通过调整托盘与进气单元之间的距离，可以调整进气单元上的冷却单元从托盘吸收热量的多少，便于更快速有效的升高或降低托盘或托盘上的衬底的温度。

附图说明

图1是现有技术的外延工艺的温度控制的装置示意图。

图2是本发明实施例1的外延工艺的温度控制的装置示意图。

图3是本发明实施例2的外延工艺的温度控制的装置示意图。

具体实施方式

为了更好地阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合本发明的实施例及其附图进行详细描述，其中，相同的标号始终表示相同的部件。

实施例1

如图2所示，本装置应用于垂直喷淋式的MOCVD反应腔室100，包括设于反应腔室100顶部的进气单元，即喷淋头200，喷淋头200通过位移装置300活动连接于反应腔室100内壁。所述喷淋头200包括至少一气源腔室，用于往托盘400上的衬底410表面近距离地输送反应气体，喷淋头200中还包括填充有冷却介质的冷却腔室，由其中的冷却介质，例如为水，对喷淋头200进行冷却，直接控制喷淋头200出气面的温度，尤其是朝向衬底410一侧的表面温度较低（不超过200摄氏度），并能使喷淋头200温度均匀，保证反应气体在合适的温度下进入反应腔室100，不会发生分解、沉积、凝结等不合适的预先反应。

由图2可见，托盘400下方设置有加热器500，所述加热器500由多个加热单元510组成，每一加热单元510通过加热上方对应一个区域的托盘400，对应加热排列在托盘400上的衬底410，将反应气体进行分解，在衬底410表面沉积外延材料层。其中，若干个温度探测器600分别设置于托盘400上方的进气单元上，通过进气单元中设置探测孔，获得托盘400或衬底410的反射光谱或吸收光谱，基于反射光谱特性曲线或吸收光谱特性曲线，获得托盘400或衬底410的温度，并将温度探测器600获得的温度数据反馈至温度控制器700。温度控制器700，用于接收来自温度探测器600获得的温度数据，用于将温度数据与目标温度比较，基于比较结果确定距离调整方式，并将距离调整方式的指令输入至位移装置300，控制位移装置调整托盘与进气单元之间的距离。另外，在其他的实施例中，还可以将温度探测器安装在托盘上，比如所述温度探测器600可以设置在用于放置衬底的凹槽中，与衬底直接接触，这样的测试到的衬底的温度更加准确，这时温度探测器为热电偶接触式测温元件（ThermalCouple,TC）。

温度控制器700还与若干独立功率输出装置520连接，该若干功率输出装置520分别与所述若干个加热单元510对应连接，根据设定的外延工艺温度和实际测量的托盘400或衬底410温度，分别控制上述加热单元510的功率，进而独立控制托盘400上对应区域的衬底410温度。

其中，位移装置300与温度控制器700连接并受其控制。为达到调整喷淋头200与托盘400之间的距离的目的，位移装置300包括驱动电机310和配套的丝杆320。具体地说，反应腔室100的顶壁装设有驱动电机310，通过丝杆320与喷淋头200顶部连接，由驱动电机310带动丝杆320，驱动喷淋头200垂直升降，实现远离或靠近托盘400的调节。在相邻外延工艺的不同工作温度下，特别是温差相差较大的不同外延工艺下，尽管通过调节加热器500的功率可调节衬底410温度达到外延工艺设定的反应温度，我们知道会存在以下缺陷：加热器500调节速度慢，并且为了获得更为均匀的温度，需要对加热器500的多个加热单元510分别进行调节，使得温度调整过程较为复杂。在外延工艺过程中，高温的衬底410和托盘400主要以热辐射的形式与周边环境进行热交换，已知物体辐射或吸收的能量与自身的温度、物体之间的距离等因素有关，温度越高，辐射越强；距离越小，吸收的能量越多。经过发明人进行计算机模拟发现其中的关系，因此，本实施例中根据设定的不同外延工艺温度，启动位移装置300带动喷淋头200往衬底410靠近，此时喷淋头200与托盘400的距离D变小，由于喷淋头200朝向衬底410一侧的表面温度较低，不超过200摄氏度，而衬底410和托盘400的温度较高，至少在600摄氏度，高达1100摄氏度。一方面温度较低的喷淋头200吸收托盘400和衬底410散发的热量，另一方面随着喷淋头200冷却腔室的靠近，冷却介质水会吸收一部分的热量，最终使托盘400和衬底410的温度降低。相反，若提升喷淋头200使得其与托盘400的距离D减小，托盘400和衬底410远离了冷源，且加热器500对托盘400和衬底410加热，使其温度升高。这样，通过喷淋头200与反应腔室100的活动连接结构，在一定范围内自由调整喷淋头200与托盘400间的距离D，通常在8～30mm之间，从而在很大温度范围内快速有效地控制衬底410的温度及均匀性。还可以理解，在本发明的其他实施例中，位移装置300也可以安装于反应腔室100的侧壁上，比如喷淋头200的侧边固定有螺丝，与位移装置300的丝杆连接，同样可以达到通过位移装置300调节喷淋头200上下移动的目的。因此，所述位移装置300对喷淋头200的移动方式有三种，一是增大托盘与进气单元之间的距离，用于提高托盘温度；二是减小托盘与进气单元的之间的距离，用于降低托盘温度；三是维持托盘与进气单元之间的距离保持不变，用于维持托盘温度不变。

另外，托盘400底部设置有旋转装置420，由旋转装置420带动托盘400通过外部机械传动而旋转，进一步改善加热的均匀性。

基于上述提供的装置，对于外延工艺的温度控制的方法，包含以下步骤：

Ⅰ：在外延工艺过程中，由若干温度探测器600对应测量托盘400或同一区域中多个衬底410的实时温度，并反馈至温度控制器700进行统计处理；

Ⅱ：温度控制器700根据设定的不同外延工艺步骤的温度和实际测量的温度，并将距离调整方式的指令输入至位移装置300，驱动位移装置300实施位移调节，改变喷淋头200与托盘400之间的距离D；Ⅲ：低温的喷淋头200与高温的托盘400进行热传递，使对应放置在托盘400上方的衬底410达到所设定的温度，实现衬底410的温度调整控制，以满足设定的工艺步骤的温度要求。

其中，温度控制器700中建立的数据库需要考虑各种因素，包含：

温度探测器600以一定的频率进行衬底410的实时温度采集，并向温度控制器700提供实时的温度反馈控制，温度控制器700根据反馈数据，经过一定数据处理算法得到真实可靠的统计平均值。

之后，温度控制器700将衬底410温度的统计平均值与外延工艺设定的温度相比较，并根据获得的温度差异，确定喷淋头200与托盘400间的距离D，从而改变喷淋头200与托盘400及衬底410的热传递。减小距离D，温度较低的喷淋头200与温度较高的托盘400之间主要以热辐射形式增强热传递，使衬底410和托盘400的温度降低；增大距离D，则减弱热传递，使衬底410和托盘400的温度升高，有利于外延反应需要的快速温度调节控制，满足衬底410在不同外延工艺中的温度变化。可以理解，有以下三种距离调整方式：一是增大托盘与进气单元之间的距离，用于提高托盘温度；二是减小托盘与进气单元的之间的距离，用于降低托盘温度；三是维持托盘与进气单元之间的距离保持不变，用于维持托盘温度不变。

由于托盘400上各处的温度始终是个动态过程，一方面由下方的加热器500的加热，一方面是表面热量的流失。热量的流失与周围的环境，即反应腔室100的内部结构有关，还与喷淋头200与其的距离D有关，需要的热量流失的温度参数就是一个关于距离的函数，这些关系可以通过初始的标定找出，放入温度控制器700的数据库，用于实时温度控制的参数设定。

另外，由于托盘400与喷淋头200间进行热传递的同时还受到下方的加热单元510的加热，因此，若改变加热单元510的输出功率，衬底410的温度会相应改变，喷淋头200与托盘400的距离D需重新调整，实际应用中可以通过初始的标定，找出规律，放入数据库中，在进行实时温度反馈控制时，由温度控制器700通过计算得到需要的温度控制参数。

因此，除了上述每个区域内加热单元510输出功率的温度参数，在温度控制器700中至少还需要设定有托盘400和衬底410热量流失的距离参数，以及每个区域内加热单元510的功率调节对距离D的影响参数。

在控制温度操作中，还可以是：在温度控制器700控制位移装置300进行喷淋头200与托盘400间的距离D调节的同时，温度控制器700控制与每个加热单元510对应连接的功率输出装置520，通过改变其输出功率，实现托盘400上各个区域的温度分布更加均匀。因此，温度控制器700的初始标定的数据库需做相应变化，以适应温度控制器700同时控制位移装置300与功率输出装置520的情况。

由于在本实施例中，所述位移装置300设置在反应腔室100顶部，喷淋头200通过位移装置300与反应腔室100的顶部活动连接，通过移动喷淋头200在反应腔室100中的位置，即提升或降低喷淋头200在反应腔室100中的高度，调整喷淋头200与托盘400之间的距离，在其他的实施例中，位移装置300也可以设置在反应腔室100的侧壁，喷淋头200通过位移装置300与反应腔室100的侧壁活动连接，通过移动喷淋头200在反应腔室100中的位置，即提升或降低喷淋头200在反应腔室100中的高度，调整喷淋头200与托盘400之间的距离；或者，还可以通过移动托盘在反应腔室中的位置，即提升或降低托盘在反应腔室中的高度，调整喷淋头与托盘之间的距离，此时，所述位移装置可以设置于托盘的远离所述进气单元的一侧，在所述托盘下方设置旋转装置，所述旋转装置用于支撑托盘并且带动所述托盘进行旋转运动，所述位移装置位于所述旋转装置下方，在实际中，根据需要，位移装置的位置、托盘与喷淋头之间距离的调整方式还可以有其他的变形，但是只要是通过调整托盘与喷淋头之间的相对距离，实现对托盘或托盘上的衬底的温度调整，均在本发明的保护范围之内。

实施例2

以下仅描述与上述实施例的不同之处。如图3所示，本实施例中，用于测量托盘温度的温度探测器620设于托盘上，设置在托盘的朝向加热器一侧的表面，即图中的托盘底面，该温度探测器620为热电偶接触式测温元件。在其他的实施例中，温度探测器620还可以设置在托盘的凹槽中，与衬底的背面直接接触，测试衬底的温度。

另外，区别点在于喷淋头200与托盘400的位置调整是通过对托盘400在反应腔室100中的位置的调整来达到的，图中所示，在旋转装置420上连接有位移装置800，同样，通过位移装置800上的驱动电机810带动丝杆820，达到与之连接的托盘400上下位置调节的目的。

综上所述，本发明的温度控制器以各个区域所测衬底温度的统计平均值与外延工艺规定温度的差异最小为目标，根据不同外延工艺步骤设定的温度，在确定独立控制各区域加热单元输出功率的基础上，通过温度控制器控制位移装置进行进气单元与托盘间位移调节，改变低温进气单元与高温衬底及托盘之间的热传递，有效平衡衬底及托盘的热量流失，从而实现有效、及时地调整控制衬底的温度和均匀性。

本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例，并未限制本发明的范围。凡是包含于权利要求书中的精神及范畴内的修改及均等设置均包括在本发明的范围内。

Claims (11)

1.一种用于沉积工艺的反应腔室，其特征在于，包括：

托盘，用于承载衬底；

加热器，用于通过加热托盘对托盘上放置的衬底进行加热；

进气单元，设置在所述托盘的远离所述加热器的一侧，所述进气单元包括冷却腔室，所述冷却腔室内填充有冷却介质，所述冷却介质对进气单元进行冷却；

温度探测器，用于检测托盘或衬底的温度；

位移装置，用于基于所述温度探测器检测的温度和目标温度之间的差值，调整进气单元与托盘之间的距离。

2.如权利要求1所述的用于沉积工艺的反应腔室，其特征在于，所述位移装置设于反应腔室顶部，所述进气单元通过所述位移装置与反应腔室活动连接，悬置于衬底和托盘上方。

3.如权利要求1所述的用于沉积工艺的反应腔室，其特征在于，所述位移装置设置于托盘的远离所述进气单元的一侧。

4.如权利要求3所述的用于沉积工艺的反应腔室，其特征在于，所述托盘下方设置有旋转装置，所述旋转装置用于支撑托盘并且带动所述托盘进行旋转运动，所述位移装置位于所述旋转装置下方，所述位移装置通过调整所述旋转装置与进气单元之间的距离，来调整所述旋转装置上方的托盘与所述进气单元的距离。

5.如权利要求1所述的用于沉积工艺的反应腔室，其特征在于，还包括：

温度控制器，用于接收来自温度探测器获得的温度数据，用于将所述温度数据与目标温度比较，基于所述比较结果确定距离调整方式，并将所述距离调整方式的指令输入至所述位移装置，控制所述位移装置调整托盘与进气单元之间的距离。

6.如权利要求5所述的用于沉积工艺的反应腔室，其特征在于，所述距离调整方式的指令包括：

增大托盘与进气单元之间的距离的指令，用于提高托盘温度；

减小托盘与进气单元的之间的距离的指令，用于降低托盘温度；

维持托盘与进气单元之间的距离保持不变的指令，用于维持托盘温度不变。

7.一种反应腔室中托盘温度的调节方法，其特征在于，反应腔室包括：用于承载衬底的托盘；用于通过对托盘上放置的衬底进行加热的加热器；用于输送反应气体的进气单元，设置在所述托盘的远离所述加热器的一侧，所述进气单元还包括用于对进气单元进行冷却的冷却腔室，所述冷却腔室内填充有冷却介质；用于检测托盘或衬底的温度的温度探测器；用于基于所述温度探测器检测的温度和目标温度之间的差值，调整进气单元与托盘之间的距离的位移装置；

其托盘温度的调节方法包括：

获得托盘或托盘上衬底的温度；

将所述托盘或托盘上的衬底的温度与目标温度相比较，若所述托盘或托盘上的衬底的温度低于目标温度，则增大所述托盘与进气单元之间的距离，以减少所述进气单元的冷却单元从托盘吸收的热量；若所述托盘或托盘上的衬底的温度高于目标温度，则减小所述托盘与进气单元之间的距离，以增大所述进气单元的冷却单元从托盘吸收的热量；若所述托盘或托盘上的衬底的温度与目标温度相同，则维持所述托盘与进气单元之间的距离不变。

8.如权利要求7所述的调节方法，其特征在于，所述反应腔室为MOCVD反应腔室，所述托盘或托盘上衬底的温度通过温度探测器获得。

9.如权利要求8所述的调节方法，其特征在于，所述温度探测器热电偶，所述热电偶通过测试获得或对该托盘或托盘上衬底的吸收光谱特性曲线测试获得。

10.如权利要求7所述的调节方法，其特征在于，通过移动所述进气单元在反应腔室中的位置，调整所述托盘与进气单元之间的距离。

11.如权利要求7所述的调节方法，其特征在于，通过移动所述托盘在反应腔室中的位置，调整所述托盘与进气单元之间的距离。

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