CN103726103A - 一种反应腔室 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种反应腔室，该反应腔室包括大托盘、小托盘、以及中央进气管，大托盘包括支撑部件、环形部件、以及进气部件，其中，环形部件设置于进气部件的外围，支撑部件位于环形部件的下方；环形部件上设置有M个托盘孔，托盘孔用于放置所述小托盘，其中M为大于或等于1的整数；进气部件上设置有M个进气通道，M个进气通道与M个托盘孔分别一一对应；进气通道的一端连接至所述中央进气管，另一端连接至对应的托盘孔；小托盘的底部设置有叶片，所述叶片用于在进入托盘孔的气体的推动作用下，带动所述小托盘进行自转。通过本发明的反应腔室，提供了一种结构清楚、加工和安装过程简单、维护和使用都较为方便的公转和自转相结合的复合旋转机构。

Description

一种反应腔室

技术领域

本发明涉及半导体技术，特别涉及一种反应腔室。

背景技术

气相外延生长方法（VPE）包括氢化物气相外延技术（HVPE）和金属有机化合物化学气相沉积方法（MOCVD）等。气相外延技术主要是利用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源材料，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，可用于制备高性能的化合物半导体单晶薄片。

外延生长工艺设备一般包括反应腔室、气体输运系统、尾气处理系统、控制系统、以及基片传输系统等，其中反应腔室是外延生长工艺设备最核心的硬件，也是外延生长工艺设备设计中最活跃的领域。目前外延生长工艺设备中的反应腔室主要包括水平式反应腔和垂直式反应腔两种结构，每种结构有多种实现方式，例如，垂直式反应腔包括喷淋头结构和高速旋转结构，水平式反应腔包括气动行星式结构和机械行星式结构等。但无论哪一种反应腔结构，都必须保证在衬底外延生长区域实现良好的温度均匀性和气体浓度均匀性，这些均匀性也直接决定生长出的外延片的质量好坏。

如上所述，加热的均匀性将影响外延均匀性。目前主要使用的加热方法包括热传递方法和感应加热方法。对于热传递方法，一种方式是将衬底材料放置于托盘上，托盘置于机台上，电阻在机台底部加热并通过中间石墨材料的托盘的热传导效应来加热衬底材料，同时利用多区电阻加热技术，可以保证基座的温度均匀性，进而改善衬底生长温度的稳定和均匀；

其它的方式包括部分采用加热反应腔室四周外壁，然后通过热辐射加热衬底材料。热传递方法加热速度较慢，控制过程复杂，热传导过程中热量除了往衬底表面传导外，还会往其他方向传导，热量利用效率低，并且对反应腔室水冷的设计要求较高。对于感应加热方法，该方法可以将线圈置于衬底下部，或将线圈置于托盘四周以将托盘和衬底包围。线圈在通高频电流后，托盘和衬底表面将会出现感生涡流，从而被迅速加热。这种感应加热方法加热速度显著提升，但是，线圈产生的磁场分布不均匀，将造成托盘和衬底的加热的不均匀，因而对反应腔室结构的设计提出了更高的要求。

另外一个影响外延均匀性的因素是气体的浓度分布。目前的进气技术主要有喷淋头技术和中央进气技术。另外，对于小产量的2至8片机器，直接从托盘或机台的一侧吹至另一侧。在这些技术中，不可避免的就是气体进入反应腔室之后，在输运过程中，随着内部温度的提升，气体相互之间会发生反应。这将导致衬底表面近气体入口端和远气体入口端的反应气体浓度不同，从而影响衬底上部的反应场的均匀性，进而导致外延片生长不均匀，同时外延片生长的不均匀将加剧在后续外延生长过程中衬底表面出现的裂纹分布、位错密度等缺陷，最终严重地影响外延生长质量。

加热的均匀性和气体的浓度分布的均匀性将共同影响反应腔室内的反应场分布的均匀性，进而影响外延均匀性和质量。

为了改善受到上述因素影响的外延生长的均匀性，出现了很多改进措施，比如说Veeco公司和Thomas Swan公司的进气系统的喷淋头设计和托盘高速旋转的解决方法，再比如Axitron公司采用的中央分层进气系统和气垫托盘行星旋转技术。然而，这些技术都对机械结构精度和加工要求很高，同时设备的安装维护困难。

以Axitron公司的气垫托盘行星旋转技术为例，该公司针对反应腔室采用了中央分层进气系统和气垫托盘行星旋转技术。请参阅图1，其示出了气垫托盘行星旋转技术的示意图，其中，大托盘101上设置有多个小托盘102，工艺过程中，在大托盘101带动小托盘102进行公转的同时，小托盘102还可以进行自转。其中，大托盘101和小托盘102均采用气体悬浮旋转，通过气垫的设计以及气路结构，使得大托盘101上的小托盘102产生自转。

通过上述公转和自转相结合的复合旋转机构，虽然反应腔室内部气体浓度会沿腔室径向有所减少，但是由于衬底103在反应腔室中的位置不再沿径向固定不动，对于衬底103上的不同位置来说，化学反应浓度和反应产物能够基本保持一致，从而改善了外延薄膜的均匀性。

然而，行星式旋转方法虽然能改善外延薄膜的均匀性，但为实现行星式旋转所采用的气垫结构必须设计成复杂的气路结构，并且在旋转过程中必须考虑到腔室内部复杂的流体变化，气垫进气口的设计、加工安装、设备维护使用都非常复杂。

发明内容

本发明提供一种反应腔室，用于解决现有技术中在实现大托盘和小托盘的公转和自转时，采用的气垫和气路结构过于复杂、导致工艺设备的设计、加工安装、维护使用都十分困难的问题。

为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了一种反应腔室，所述反应腔室包括大托盘、小托盘、以及中央进气管，所述大托盘包括支撑部件、环形部件、以及进气部件，其中，所述环形部件设置于所述进气部件的外围，所述支撑部件位于所述环形部件的下方；所述环形部件上设置有M个托盘孔，所述托盘孔用于放置所述小托盘，其中M为大于或等于1的整数；所述进气部件上设置有M个进气通道，所述M个进气通道与M个托盘孔分别一一对应；所述进气通道的一端连接至所述中央进气管，另一端连接至对应的托盘孔；所述环形部件上还设置有M个出气通道，所述M个出气通道与M个托盘孔分别一一对应；所述出气通道的一端连接至对应的托盘孔，另一端连通至所述大托盘的外侧，以用于排放通过与所述托盘孔对应的进气通道进入的气体；所述托盘孔的底部与所述支撑部件连通，所述小托盘与所述支撑部件之间设置有支撑轴，被支撑轴支撑的小托盘能够相对所述支撑部件进行旋转，所述小托盘的底部设置有叶片，所述叶片用于在进入托盘孔的气体的推动作用下，带动所述小托盘进行自转。

优选地，所述进气通道为沟槽，所述进气部件由多个扇形组成，所述沟槽形成于相邻的扇形之间；或

所述进气通道为设置于所述进气部件内部的管道。

优选地，所述进气通道与所述托盘孔连接处的入风口的高度与所述叶片的高度相一致。

优选地，所述叶片为方块形状，各个叶片设置在所述小托盘底部的靠近外侧的区域，且各个叶片旋转到同一位置时，所述各个叶片相对于进气通道倾斜的角度一致；或，

所述叶片为曲线型，各个叶片形状一致，且围绕小托盘的中心形成涡状分布。

优选地，所述支撑部件上与所述托盘孔对应的位置设置有凹槽或凸台，所述凹槽或凸台均为螺旋型，所述凹槽或凸台用于对从进气通道进行的气体进行引导，从而使得沿所述凹槽或凸台流动的气体能够带动所述小托盘进行自转。

优选地，所述气体沿所述凹槽或凸台流动实现的对小托盘的带动方向与所述叶片对小托盘的带动方向相同。

优选地，所述反应腔室设置为多层托盘结构，且每层托盘结构中包括所述大托盘和所述小托盘，且每层托盘结构均与所述中央进气管相连接。

优选地，所述支撑部件、所述环形部件、以及所述进气部件在制作中一体成型；或，所述支撑部件和所述环形部件在制作中一体成型；或，

所述环形部件和所述进气部件在制作中一体成型；或，所述支撑部件和所述进气部件在制作中一体成型。

优选地，所述中央进气管包括工艺气体进气管和辅助气体进气管，所述进气通道的一端连接至所述中央进气管的辅助气体进气管。

优选地，所述叶片、支撑轴的材质均为石墨、带SiC涂层的石墨、SiC、或金属钼中的一种。

本发明的有益效果包括：

本发明实施例中，通过在小托盘的底部设置叶片，并将中央进气管的气体引入到小托盘的底部，使得叶片在气体的气流推动作用下，能够带动小托盘进行自转，从而通过小托盘的自转改善外延生长的温度均匀性、气体浓度均匀性、以及反应场分布的均匀性，另外，相对于现有技术中通过复杂的气路结构实现的公转和自转相结合的复合旋转机构，本发明实施例中通过叶片实现的复合旋转机构的结构更加简洁，加工和安装过程也更加简单、维护和使用都较为方便。

附图说明

图1为现有技术中气垫托盘行星旋转技术的示意图；

图2为本发明实施例提供的反应腔室的结构示意图；

图3为本发明实施例的示例性的进气通道207的设置示意图；

图4A、图4B为本发明实施例的示例性的叶片210的设置示意图；

图5为本发明实施例提供的支撑部件2021的俯视示意图；

图6为本发明实施例提供的多层托盘结构的示意图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例提供的反应腔室进行详细描述。

本发明的核心构思在于，在小托盘的底部设置叶片，并将中央进气管的气体引入到小托盘的底部，使得叶片在气体的气流推动作用下，能够带动小托盘进行自转，以通过小托盘的自转改善外延生长的温度均匀性、气体浓度均匀性、以及反应场分布的均匀性，从而改善外延生长的质量。相对于现有技术中通过复杂的气路结构所形成的气垫来带动小托盘进行自转的实现方式，本发明实施例提供了一种结构清楚、加工和安装过程简单、维护和使用都较为方便的大托盘公转和小托盘自转相结合的复合旋转机构。

请参阅图2，其示出了本发明实施例提供的一种反应腔室的结构示意图，该反应腔室包括：腔体201、大托盘202、小托盘203、以及设置在大托盘202中心的中央进气管204，所述大托盘202包括支撑部件2021、环形部件2022、以及进气部件2023。

具体地，大托盘202可以设置为上下两层，环形部件2022和进气部件2023位于上层，其中环形部件2022设置位于进气部件2023的外围；

支撑部件2021位于下层，即所述支撑部件2021位于所述环形部件2022和所述进气部件2023的下方。

其中，所述环形部件2022上设置有托盘孔206，该托盘孔206用于放置小托盘203，托盘孔206的底部与支撑部件2021之间部分或者全部连通，优选地，托盘孔206为通孔，且托盘孔206的形状与小托盘203的形状对应。环形部件2022上设置的托盘孔206的数目M可以是1或者是大于1的整数。

进气部件2023上设置有进气通道207，进气通道207的一端与中央进气管204相连接，另一端连接至托盘孔206，从而将中央进气管204中的气体引入到托盘孔206中，进气通道207的数目与托盘孔206的数目相同。当M为大于或等于2的整数时，M个进气通道207分别与M个托盘孔206一一对应。此外，环形部件2022设置有与托盘孔206相连接、且与大托盘202外侧相连通的出气通道208，该出气通道208用于排放通过进气通道207进入托盘孔206中的气体。如图2中带箭头的虚线所示，为气体流向示意，其中，工艺气体从小托盘203表面流过，用于将小托盘203上的衬底外延成膜，而用于驱动小托盘203自转的气体通过进气通道207进行输送，最终未反应的工艺气体和用于驱动小托盘203自转的气体将通过两侧的排气通道208被排出反应腔室之外。

本发明实施例中，中央进气管204包括工艺气体进气管和辅助气体进气管，辅助气体进气管与进气部件2023中的各个进气通道207相连接，辅助气体进气管输送的辅助气体用于驱动小托盘203自转，辅助气体可以是H₂，N₂等不参与化学反应的气体。另外，辅助气体可以是与工艺气体相同的气体，此时中央进气管204可设置为一个通道。本发明实施例中的气体在未指明是工艺气体时，指的是辅助气体。

为了使得小托盘203能够灵活地进行自转，在小托盘203与支撑部件2021之间设置支撑轴209。在支撑轴209的支撑下，小托盘203能够相对于大托盘202进行自转。小托盘203的底部设置有叶片210，所述叶片210能够在进入托盘孔206的气体的推动作用下，带动所述小托盘203进行自转。

下面结合图3，对本发明实施例中示例性的进气通道207的具体设置进行说明。本实施例中，以M等于4为例进行说明。请参阅图3，进气通道207可以具体为沟槽，所述进气部件2023由M个扇形组成，所述沟槽形成于相邻的扇形之间，沟槽可以对气体起到引流作用，从而将中央进气管204中的气体引入到托盘孔206之中。除了设置为沟槽，进气通道207可以是设置于进气部件2023内部的管道，设置于内部的管道引流的效果较好，但是相对于沟槽比较难以清洗。另外，进气通道207不限于上述两种设置方式，也可以采用其它能够引流气体的设置。不论进气通道207设置为何种结构，进气通道207与托盘孔206的侧壁连接处的入风口的高度优选地低于小托盘203下表面的高度，最好是入风口的高度与叶片210的高度相一致，从而增强气流对叶片210的驱动作用。

下面结合图4A和图4B，对本发明实施例中示例性的叶片210的具体设置进行说明。请参阅图4A，为本发明实施例提供的一种叶片210的设置示意图。如图4A的左边部分所示，为一个叶片210的侧视示意图，叶片210为方块形状，如图4A的右边部分所示，为叶片210的仰视示意图，在小托盘203的底部设置了多个叶片210，多个叶片210设置在小托盘203底部的靠近外侧的区域，并且各个叶片210旋转到同一位置时，例如靠近进气通道207时，各个叶片210相对于进气通道倾斜的角度一致，从而在通过进气通道207进入的气体的驱动下，带动小托盘203稳定地自转。

请参阅图4B，为本发明实施例提供的另一种叶片210的设置示意图。如图4B所示，在小托盘203的底部设置了多个曲线型的叶片210，各个叶片210形状一致，并且围绕小托盘203的中心形成涡状分布，从而在由进气通道207进入的气体的驱动下，带动小托盘203进行均匀地自转。

优选地，请参阅图5，为本发明实施例提供的支撑部件2021的俯视示意图。其中，支撑部件2021上与所述托盘孔206对应的位置（图5中虚线所示部分）设置有凸台211，该凸台211为螺旋型，凸台211能够对从进气通道207进入托盘孔206的气体进行引导，从而使得沿凸台211流动的气体能够带动小托盘203进行自转。另外，也可以在支撑部件2021上与所述托盘孔206对应的位置内设置凹槽，基于与凸台211相同或相似的原理，凹槽能够对气体进行引导，使得沿凹槽流动的气体能够带动小托盘203进行自转。优选地，对叶片210，凸台211或凹槽进行设置，使得沿所述凸台211或凹槽流动的气体对小托盘203的带动方向与叶片210对小托盘203的带动方向相同。例如，当叶片210在气流的驱动下带动小托盘203顺时针旋转时，凸台211或者凹槽通过气流对小托盘203的带动作用也是使小托盘203顺时针旋转。

本发明实施例中，大托盘202和小托盘203的材质是耐高温和耐工艺气体腐蚀的材料，如石墨、带SiC涂层石墨、SiC、金属钼等。另外，支撑轴209、叶片210、以及凸台也可以采用上述耐高温和耐工艺气体腐蚀的材料制作。

本发明实施例中，支撑部件2021、环形部件2022、以及进气部件2023可以在制作中一体成型；或，支撑部件2021与环形部件2022在制作中一体成型；或，环形部件2022和进气部件2023在制作中一体成型；或，支撑部件2021和进气部件2023在制作中一体成型。本发明实施例中，凸台可以与支撑部件2021在制作中一体成型。如果支撑部件2021、环形部件2022、以及进气部件2023分开制作然后组装的话，对于应力能够有较好的消除作用。

支撑轴209滑动连接至支撑部件2021和小托盘203中的至少一个，当与其中一个滑动连接时，可以与另一个一体成型，例如，当支撑轴209与支撑部件2021滑动连接时，支撑轴209与小托盘203一体成型；或，反之，支撑轴209与支撑部件2021在制作中一体成型。

在上述示例中，以反应腔室中的一层托盘结构为例进行了说明，另外，本发明实施例提供的反应腔室中也可以设置为多层托盘结构，多层中的每一层托盘结构与上述实施例中的托盘结构相同或类似，请参阅图6，为本发明实施例提供的多层托盘结构的示意图，其中，每一层托盘结构均与中央进气管204连接，且每一层托盘结构中设置有上述大托盘202和小托盘203。对于一层托盘结构，大托盘202可以在驱动装置的带动下进行公转，对于多层托盘结构，多层大托盘202同样可以在驱动装置的带动下一起进行公转。

在上述示例中，以大托盘202分为上下两层，环形部件2022和进气部件2023位于上层，支撑部件2021位于下层进行了说明，另外，本发明实施例提供的大托盘202在包括环形部件2022、进气部件2023、以及支撑部件2021这三个部件的前提下，也可以将大托盘202设置为内外两侧，环形部件2022和支撑部件2021位于外侧，且支撑部件2021位于所述环形部件2022的下方，进气部件2023位于内侧。其中，环形部件2022、进气部件2023、以及支撑部件2021的具体设置与上述实施例中的设置相同或相似。

本发明实施例提供的反应腔室可以包括流量控制装置，流量控制装置能够对辅助气体的流量进行控制，从而通过对辅助气体的流量的调整，来改变小托盘203的自转速度。

本发明实施例提供的反应腔室可应用于LPCVD（Low PressureChemical Va-por Deposition，低压化学汽相沉积）、MOCVD、HWCVD（HotwireChemical Va-por Deposition，热丝化学气相沉积）、PECVD（plasma-enhanced chemical Va-por deposition，等离子体增强化学气相沉积）等多种类型的气相沉积CVD设备。

对于采用中央进气技术的气相沉积CVD设备，反应腔室内部的气体浓度沿腔室径向从腔室的中心到侧壁会有所减少，通过小托盘的自转，衬底在反应腔中的位置不再沿径向固定不动，对于衬底上的不同位置来说，化学反应浓度和反应产物能够基本保持一致，从而改善了外延薄膜的均匀性。另外，如果反应腔室采用感应式加热方法，由于感应线圈产生磁场的强度在从反应腔室内部的中心位置向边沿区域存在由疏到密的变化，磁场的强度不同将造成加热的速度不同，通过小托盘的自转，在径向分布上不同位置的衬底、或同一衬底的不同位置不会恒定地处于加热较快或者加热较慢的区域，从而对于上述径向分布上不同位置的衬底、或同一衬底上的不同位置来说，加热速度能够更加均衡，从而改善了外延薄膜的均匀性。

本发明实施例中，在小托盘的底部设置叶片，通过将中央进气管的气体引入到小托盘的底部，使得叶片在气体的气流推动作用下，能够带动小托盘进行自转，从而通过小托盘的自转改善外延生长的温度均匀性、气体浓度均匀性、以及反应场分布的均匀性，另外，相对于现有技术中通过复杂的气路结构实现的公转和自转相结合的复合旋转机构，本发明实施例中通过叶片实现的复合旋转机构的结构更加简洁，加工和安装过程也更加简单、维护和使用都较为方便。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种反应腔室，其特征在于，所述反应腔室包括大托盘、小托盘、以及中央进气管，所述大托盘包括支撑部件、环形部件、以及进气部件，其中，所述环形部件设置于所述进气部件的外围，所述支撑部件位于所述环形部件的下方；

所述环形部件上设置有M个托盘孔，所述托盘孔用于放置所述小托盘，其中M为大于或等于1的整数；

所述进气部件上设置有M个进气通道，所述M个进气通道与M个托盘孔分别一一对应；所述进气通道的一端连接至所述中央进气管，另一端连接至对应的托盘孔；

所述环形部件上还设置有M个出气通道，所述M个出气通道与M个托盘孔分别一一对应；所述出气通道的一端连接至对应的托盘孔，另一端连通至所述大托盘的外侧，以用于排放通过与所述托盘孔对应的进气通道进入的气体；

所述托盘孔的底部与所述支撑部件连通，所述小托盘与所述支撑部件之间设置有支撑轴，被支撑轴支撑的小托盘能够相对所述支撑部件进行旋转，所述小托盘的底部设置有叶片，所述叶片用于在进入托盘孔的气体的推动作用下，带动所述小托盘进行自转。

2.如权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述进气通道为沟槽，所述进气部件由多个扇形组成，所述沟槽形成于相邻的扇形之间；或

所述进气通道为设置于所述进气部件内部的管道。

3.如权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述进气通道与所述托盘孔连接处的入风口的高度与所述叶片的高度相一致。

4.如权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述叶片为方块形状，各个叶片设置在所述小托盘底部的靠近外侧的区域，且各个叶片旋转到同一位置时，所述各个叶片相对于进气通道倾斜的角度一致；或，

所述叶片为曲线型，各个叶片形状一致，且围绕小托盘的中心形成涡状分布。

5.如权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述支撑部件上与所述托盘孔对应的位置设置有凹槽或凸台，所述凹槽或凸台为螺旋型，所述凹槽或凸台用于对从进气通道进行的气体进行引导，从而使得沿所述凹槽或凸台流动的气体能够带动所述小托盘进行自转。

6.如权利要求5所述的反应腔室，其特征在于，所述气体沿所述凹槽或凸台流动实现的对小托盘的带动方向与所述叶片对小托盘的带动方向相同。

7.如权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述反应腔室设置为多层托盘结构，且每层托盘结构中包括所述大托盘和所述小托盘，且每层托盘结构均与所述中央进气管相连接。

8.如权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，

所述支撑部件、所述环形部件、以及所述进气部件在制作中一体成型；或，

所述支撑部件和所述环形部件在制作中一体成型；或，

所述环形部件和所述进气部件在制作中一体成型；或，

所述支撑部件和所述进气部件在制作中一体成型。

9.如权利要求1至8中任一项所述的反应腔室，其特征在于，所述中央进气管包括工艺气体进气管和辅助气体进气管，所述进气通道的一端连接至所述中央进气管的辅助气体进气管。

10.如权利要求1至8中任一项所述的反应腔室，其特征在于，所述叶片、支撑轴的材质均为石墨、带SiC涂层的石墨、SiC、或金属钼中的一种。

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