CN103526186B

CN103526186B - 一种用于mocvd反应器的晶片载盘及mocvd反应器

Info

Publication number: CN103526186B
Application number: CN201310327232.3A
Authority: CN
Inventors: 魏唯; 罗才旺; 陈特超
Original assignee: CETC 48 Research Institute
Current assignee: CETC 48 Research Institute
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2033-07-31
Also published as: CN103526186A

Abstract

本发明公开了一种用于MOCVD反应器的晶片载盘及MOCVD反应器。为了最大限度的扩大晶片载盘表面均匀温度场的范围，所述用于MOCVD反应器的晶片载盘包括晶片载盘本体，所述晶片载盘本体的上表面开有用于放置晶片的凹槽，该晶片载盘本体的下表面周缘向下延伸形成环形凸起，使整个晶片载盘呈倒桶状。所述MOCVD反应器具有上述带环形凸起的晶片载盘及相配套的加热器，所述加热器分为内、中、外三部分，并且加热器内圈、外圈呈筒状竖向布置，中圈呈Ω形水平布置。本发明提高了热能量利用效率，并且使加热装置与反应物分开，从而能够更好的保护加热装置，同时，晶片载盘表面温度一致性的区域扩大，从而提高了单批次产量。

Description

一种用于MOCVD反应器的晶片载盘及MOCVD反应器

技术领域

本发明涉及金属有机物化学气相沉积设备领域，具体为一种用于MOCVD反应器的晶片载盘及MOCVD反应器。

背景技术

MOCVD（MetalOrganicChemicalVaporDeposition）设备，即金属有机物化学气相沉积设备，是一种集计算流体力学、热力传导、系统集成控制、化合物生长等各学科于一体的高科技、新技术高度集中的设备，是半导体产业中的关键性设备。

晶片载盘与加热装置是MOCVD反应室中的核心组成部分，直接决定各晶片之间及晶片内部各点之间的温度均匀性。众所周知，温度场是决定沉积薄膜质量的决定性因素，因此，性能优秀的晶片载盘与加热装置是MOCVD整机性能良好的重要基础。

目前一种普遍采用的加热方式是辐射加热，使用此结构反应室的典型结构如图1所示。加热装置位于晶片载盘下方，依靠加热装置的热辐射使晶片载盘升温。为了便于控制目前一般还对加热装置进行分区，如分为内、中、外三区，如专利CN101857952A所采用的分区方式，也有将整个加热区域分为若干扇形区域的分区方式，如专利CN201020284745.2中所采用的分区方式。但是，从实际应用的情况来看，使用内、中、外三分区的分区方式效果也比较好，应用较广。但是目前广泛使用的晶片载盘及加热装置存在以下问题：

1、加热装置外圈部分表面电负荷过重。晶片载盘边缘区域除与晶片载盘其他区域相同的上表面散热外，其侧面也存在辐射散热，特别是工艺尾气从晶片载盘边缘区域流过，会带走热量，因此为晶片载盘外圈加热所需的功率比较大，但是为了尽可能的扩大晶片载盘表面温度均匀区域的宽度，外圈的尺寸反而较小，所以加热装置外圈部分表面电负荷非常大，不利于在晶片载盘边缘区域获得工艺所需要的高温。

2、如上所述，虽然加热装置外圈采用了尺寸较小的加热装置，但是其还是占用了与晶片载盘平行平面上的空间，限制了加热装置中圈加热体的加热区域，由于中圈加热区域对应的晶片载盘面积即是晶片载盘上温度均匀的区域，因此对中圈加热体加热区域的限制即是对晶片载盘上表面温度均匀区域面积的限制，不利于最大限度利用载片盘表面的面积。

针对上述情况，本发明拟提供一种充分考虑载片盘边沿部分热场的特殊性，设计一种新颖的晶片载盘及相应的加热装置，尽可能的提高晶片载盘表面温度均匀区域的面积，以提高晶片载盘上表面的面积利用率。

发明内容

为了克服现有的晶片载盘上表面周缘区域温度不均匀，不能最大限度利用载片盘上表面面积的不足，本发明旨在提供一种用于MOCVD反应器的晶片载盘及MOCVD反应器，该晶片载盘及加热装置充分考虑晶片载盘边沿热场，从而能够将晶片载盘的边缘区域也利用起来，提高了晶片载盘的利用率，在其他设计不变的情况下提高了MOCVD单批次产量，提升了设备性能。并且本发明中的结构能够更好的防止反应物扩散进入加热装置区域，从而能够对加热装置进行更好的保护。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种用于MOCVD反应器的晶片载盘，包括晶片载盘本体，其结构特点是，所述晶片载盘本体的上表面开有用于放置晶片的凹槽，该晶片载盘本体的下表面周缘向下延伸形成环形凸起，使整个晶片载盘呈倒桶状。

以下为本发明的进一步改进的技术方案：

进一步地，所述环形凸起的纵截面形状为矩形或梯形。

根据本发明的实施例，所述晶片载盘由石墨压制烧结而成，该晶片载盘的表面设有保护薄膜，可以对晶片载盘起到保护作用。更进一步地，所述保护薄膜为SiC薄膜或TiC薄膜。

本发明还提供了一种MOCVD反应器，其包括装在旋转轴上的晶片载盘，位于晶片载盘上方的气体分布装置，位于晶片载盘下方的加热装置；其特征在于，所述晶片载盘为上述的用于MOCVD反应器的晶片载盘。

为了均匀地对晶片载盘上的晶片加热，所述加热装置为设置在旋转轴与晶片载盘的环形凸起之间的呈筒状竖向布置的内圈加热体、呈Ω形水平布置的中圈加热体和呈筒状竖向布置的外圈加热体，晶片载盘表面的晶片排布从靠近晶片载盘边缘的位置开始，以尽可能的提高晶片载盘表面面积的利用率。所述加热装置的内圈主要起阻止载片盘中间区域的热量通过旋转轴流失，以保证晶片载盘中间区域的温度满足工艺需求。所述加热装置的外圈主要起维持晶片载盘边缘部分温度的作用，其需要补偿晶片载盘边缘由于热对流及额外辐射所损耗的热量。由此，可以最大限度地利用晶片载盘的载片空间，提高单次载片效率。

所述加热装置由耐高温金属铼、钨、钼金属，上述金属混合物或其他导电耐高温物质制成。进一步地，所述内圈加热体和外圈加热体均由铼制成，中圈加热体由钼或钨制成。

为了防止热量散失，并提高晶片载盘加热的均匀度，所述外圈加热体下边缘的水平高度高于所述晶片载盘的环形凸起下边缘的水平高度。

为了防止热量散失，所述晶片载盘外侧设有呈筒状竖向布置的第一组隔热屏，所述加热装置下侧设有多层水平布置的第二组隔热屏蔽层，相邻两个隔热屏蔽层之间通过环形圆柱隔开；所述第二组隔热屏蔽层与第一组隔热屏之间设有呈筒状竖向布置的第三组隔热屏蔽层，所述第三组隔热屏蔽层的外径小于所述晶片载盘的环形凸起的内径；所述第一组隔热屏的外径大于所述晶片载盘的外径。

所述加热装置通过电极与电源电连接，每根电极带有冷却系统。由此，所述加热装置通过与相应的电极相连接取得电气连接。

藉由上述结构，一种下表面带一环形凸起的晶片载盘及相对应的至少分为三部分的加热装置，晶片载盘位于加热装置上方，其上表面开有放置晶片的凹槽，下表面除开有圆环形凸台外，其中间还设计有与晶片载盘支撑装置（旋转轴）相耦合的圆台形锥孔。为了提高加热效率，并保护加热装置，在加热装置下方开有片状及圆筒状的隔热屏蔽层，片状隔热层的下方还开有水冷装置。其结构特点是，晶片载盘上表面为平面，平面上开有若干放置晶片的圆形凹槽，下表面靠近边缘的位置开有一个起传热作用的环形凸起。与此晶片载盘相对应的加热装置分为内圈、中圈、外圈三部分，其中内圈、外圈为单圈圆环形，其结构近似于圆筒状，中圈为具有对称性的Ω形状绕制的平板型加热体。

所述加热装置下方开有与晶片载盘平行的水平隔热屏蔽层，各隔热屏蔽层通过销轴连接在一起，屏蔽层之间通过环形圆柱隔开。

所述水平隔热屏蔽层外部还开有竖直安装的桶状隔热屏，隔热屏下方与反应室底板相连接，隔热屏上缘靠近晶片载盘下方。

作为一种优选方案，在桶状隔热屏内部，即水平状隔热屏区域通有从反应室底部流向载片盘下方的保护气体氢气或惰性气体。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.加热装置完全位于倒桶状的晶片载盘内部，从而提高了热能量利用效率，并且使加热装置与反应物分开，从而能够更好的保护加热装置；

2.该晶片载盘配合加热装置能够使晶片载盘表面温度一致性的区域扩大，从而提高了单批次产量。

3.本发明的晶片载盘及加热装置充分考虑晶片载盘边沿热场，从而能够将晶片载盘的边缘区域也利用起来，提高了晶片载盘的利用率，在其他设计不变的情况下提高了MOCVD单批次产量，提升了设备性能。并且本发明中的结构能够更好的防止反应物扩散进入加热装置区域，从而能够对加热装置进行更好的保护。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

附图说明

图1是现有一种MOCVD反应室结构示意图；

图2是本发明一个实施例的结构原理图。

具体实施方式

一种MOCVD反应器，如图2所示，反应器上方为气体分布装置（喷淋头）102，102下方为晶片载盘113，113上表面开有放置晶片105的圆形凹槽，下表面为一环形凸起116，环绕环形凸起116开有隔热屏106，环形凸起116内还开有加热装置外圈107。晶片载盘113通过圆台形锥孔与旋转轴110耦合，在旋转轴的带动下晶片载盘113可以以指定的速度旋转。晶片载盘113的正下方开有加热装置中圈加热体104。在加热装置中圈加热体下开有若干水平的隔热屏蔽层101，隔热屏蔽层101下方还开有带冷却装置的冷却板112，另外还有圆筒形的隔热屏蔽层108分布于上述水平隔热屏101的外部，隔热屏108的下部与反应室底板之间采用具有一定密封性能的方式连接在一起。在水平隔热屏101中间、旋转轴110上部还开有加热装置的内圈加热体103。在旋转轴110旁边还开有加热装置保护气体入口115，保护气体为还原性气体氢气，或其他不与反应物发生反应的气体，如氮气、氦气。

所述晶片载盘113采用高纯石墨制成，并且表面镀有致密保护膜，如SiC、TiC。

优选的，所述晶片载盘113下表面的环形凸起116采用与晶片载盘相同的材料制成。

所述环形凸起116的纵截面形状为矩形或梯形，最好地，环形凸起116的纵截面形状为矩形。

优选的，所述隔热屏108的最大直径小于环形凸起116的内径。

所述加热装置的内圈、外圈加热体用金属铼制成，中圈采用钨或钼制成。

优选的，所述加热装置的外圈加热体107的下端高于环形凸起116的下端。

所述加热装置的加热体103、104、107分别通过电极111与电气连接。

优选的，所述电极111带有冷却装置。

本发明中晶片载盘下表面采用了新颖的环形凸起设计，相对应的外圈加热装置采用了竖直圆筒形设计，外圈加热装置采用了圆筒式设计后，其截面面积大大增加，从而能够以相对较小的表面负荷达到外圈所需要的加热功率。并且外圈面积增大后，外圈与载片盘受辐射表面的辐射角系数变大，从而也能够提升外圈加热装置到晶片载盘的传热效率。综合两个条件，可以使晶片载盘边缘区域获得更大的加热功率，从而保证晶片载盘边缘区域也能够保持在稳定的工艺温度上，从而拓展晶片载盘上的晶片分布面积，提升晶片载盘的使用效率。此外，晶片载盘下表面边缘凸起的结构也完全将加热装置置于晶片载盘之内，从而提升了热量利用效率，并且能够更好的保护加热装置。

按照专利法律规定的要求，本发明使用实施实例详细的描述了所发明的具体结构及其处理方法的特征。然而，应当理解，所述实例只是为了更好的表述本发明的结构及特征，本发明并不限于本文中所显示及描述的特性。因此，本发明此处声明，对本发明的实施的各种形式的均等改变或变形均被包括于所附的权利要求书的保护范围内。

Claims

1.一种MOCVD反应器，包括装在旋转轴（110）上的晶片载盘（113），位于晶片载盘（113）上方的气体分布装置（102），位于晶片载盘（113）下方的加热装置；其特征在于，所述晶片载盘（113）包括晶片载盘本体，所述晶片载盘本体的上表面开有用于放置晶片（105）的凹槽，该晶片载盘本体的下表面周缘向下延伸形成环形凸起（116），使整个晶片载盘（113）呈倒桶状；所述晶片载盘（113）由石墨压制烧结而成；所述加热装置为设置在旋转轴（110）与晶片载盘（113）的环形凸起（116）之间的呈筒状竖向布置的内圈加热体（103）、呈Ω形水平布置的中圈加热体（104）和呈筒状竖向布置的外圈加热体（107）。

2.根据权利要求1所述的MOCVD反应器，其特征在于，所述环形凸起（116）的纵截面形状为矩形或梯形。

3.根据权利要求1所述的MOCVD反应器，其特征在于，所述晶片载盘（113）由石墨压制烧结而成，该晶片载盘（113）的表面设有保护薄膜。

4.根据权利要求3所述的MOCVD反应器，其特征在于，所述保护薄膜为SiC薄膜或TiC薄膜。

5.根据权利要求1-4之一所述的MOCVD反应器，其特征在于，所述内圈加热体（103）和外圈加热体（107）均由铼制成，中圈加热体（104）由钼或钨制成。

6.根据权利要求1-4之一所述的MOCVD反应器，其特征在于，所述外圈加热体（107）下边缘的水平高度高于所述晶片载盘（113）的环形凸起（116）下边缘的水平高度。

7.根据权利要求5所述的MOCVD反应器，其特征在于，所述外圈加热体（107）下边缘的水平高度高于所述晶片载盘（113）的环形凸起（116）下边缘的水平高度。

8.根据权利要求1-4之一所述的MOCVD反应器，其特征在于，所述晶片载盘（113）外侧设有呈筒状竖向布置的第一组隔热屏（106），所述加热装置下侧设有多层水平布置的第二组隔热屏蔽层（101），相邻两个隔热屏蔽层（101）之间通过环形圆柱隔开；所述第二组隔热屏蔽层（101）与第一组隔热屏（106）之间设有呈筒状竖向布置的第三组隔热屏蔽层（108），所述第三组隔热屏蔽层（108）的外径小于所述晶片载盘（113）的环形凸起（116）的内径；所述第一组隔热屏（106）的外径大于所述晶片载盘（113）的外径。

9.根据权利要求5所述的MOCVD反应器，其特征在于，所述晶片载盘（113）外侧设有呈筒状竖向布置的第一组隔热屏（106），所述加热装置下侧设有多层水平布置的第二组隔热屏蔽层（101），相邻两个隔热屏蔽层（101）之间通过环形圆柱隔开；所述第二组隔热屏蔽层（101）与第一组隔热屏（106）之间设有呈筒状竖向布置的第三组隔热屏蔽层（108），所述第三组隔热屏蔽层（108）的外径小于所述晶片载盘（113）的环形凸起（116）的内径；所述第一组隔热屏（106）的外径大于所述晶片载盘（113）的外径。

10.根据权利要求1-4之一所述的MOCVD反应器，其特征在于，所述加热装置通过电极（111）与电源电连接，每根电极（111）带有冷却系统。

11.根据权利要求5所述的MOCVD反应器，其特征在于，所述加热装置通过电极（111）与电源电连接，每根电极（111）带有冷却系统。

12.一种用于MOCVD反应器的晶片载盘，包括晶片载盘本体，其特征在于，所述晶片载盘本体的上表面开有用于放置晶片（105）的凹槽，该晶片载盘本体的下表面周缘向下延伸形成环形凸起（116），使整个晶片载盘（113）呈倒桶状；所述晶片载盘（113）由石墨压制烧结而成，该晶片载盘（113）的表面设有保护薄膜；所述环形凸起（116）采用与晶片载盘（113）相同的材料制成。

13.根据权利要求12所述的用于MOCVD反应器的晶片载盘，其特征在于，所述环形凸起（116）的纵截面形状为矩形或梯形。

14.根据权利要求12所述的用于MOCVD反应器的晶片载盘，其特征在于，所述保护薄膜为SiC薄膜或TiC薄膜。