CN103794528A - 半导体加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体加工设备，包括：室体，所述室体内具有反应腔；第一托盘，所述第一托盘设于所述反应腔内，所述第一托盘上设有承载晶片的片槽；电感线圈，所述电感线圈环绕在所述室体的外周，用于加热所述第一托盘，所述第一托盘由多个子托盘构成，所述子托盘之间存在物理间隙。根据本发明的半导体加工设备，通过将第一托盘分成多个子托盘，可有效降低集肤效应对第一托盘的影响，提高了第一托盘温度分布的均匀性，降低第一托盘径向的温度分布梯度，进而使位于片槽内的基片升温更加均匀，提高了半导体加工设备工艺效果。

Description

半导体加工设备

技术领域

本发明涉及一种半导体加工设备。

背景技术

半导体加工设备广泛应用于半导体加工领域，在半导体加工过程中，随着加工精度的要求越来越高，晶片表面的温度均匀性越来越受到关注，特别是在LED外延片的加工过程中，为了提升产能，通常采用在一个托盘上放置多个晶片同时进行加工，为了获得良好的工艺一致性，放置在托盘表面的多个晶片的温度应该尽量保持一致，这就要求托盘表面的温度分布应尽可能的均匀。尤其是在LED领域的金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）技术，是利用金属有机化合物进行金属输送的一种化合物半导体气相外延技术。由于MOCVD的化学反应对温度极度敏感，因此对温度均匀性的要求更高。MOCVD设备一般由反应室子系统、气体输运子系统和尾气处理子系统组成，其中反应室子系统是MOCVD设备的核心组件，反应室子系统主要包括托盘、加热装置、进气装置等，目前通常采用在反应室外部设置感应线圈，通过在感应线圈内部通入射频电流，使得在托盘上感应出涡电流，涡电流加热托盘使托盘成为热源，进而对放置在托盘上的基片进行加热。

但是，由于感应加热存在集肤效应，即托盘靠近线圈的外圆周部分的感应电流密度大，发热量大，温度高，而托盘远离线圈的中心区域的感应电流密度小，发热量小，温度低，中心区域的热量补偿主要来自于外圆周的热传导和托盘之间的热辐射，实际补偿效果差。从而导致托盘的温度不均匀，进而影响托盘上的基片温度分布的均匀性，最终可能影响薄膜沉积的均匀性。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种半导体加工设备，所述半导体加工设备可有效提高晶片加热时温度分布的均匀性。

本发明提供的半导体加工设备，包括：室体，所述室体内具有反应腔；第一托盘，所述第一托盘设于所述反应腔内，所述第一托盘上设有承载晶片的片槽；电感线圈，所述电感线圈环绕在所述室体的外周，用于加热所述第一托盘，所述第一托盘由多个子托盘构成，所述子托盘之间存在物理间隙。

本发明提供的半导体加工设备，通过将第一托盘分成彼此之间存在物理间隙的多个子托盘，可有效降低集肤效应对第一托盘的影响，具体地说，电感线圈感应产生的交变涡电流的流经路径为每一个子托盘的外周，从而增加了交变涡电流的流经路径的长度，渗透层深度的总面积也随之增加，从而最大限度地降低集肤效应对第一托盘的影响，提高了第一托盘温度分布的均匀性，降低第一托盘径向的温度分布梯度，进而使位于片槽内的基片升温更加均匀。

进一步，所述多个子托盘沿所述第一托盘的周向均匀布置。

进一步，所述子托盘为四个。

通过将多个子托盘沿第一托盘的周向均匀布置，可以进一步降低集肤效应对第一托盘温度分布均匀性的影响，使第一托盘温度分布更加均匀。

进一步，所述多个子托盘沿所述第一托盘的径向均匀布置。由此，同样可进一步降低集肤效应对第一托盘加热均匀性的影响，提高第一托盘温度分布的均匀性。

进一步，所述半导体加工设备还包括第二托盘，所述第二托盘同轴电绝缘地设置在所述第一托盘下方且所述第二托盘的直径小于所述第一托盘的直径。

通过设置第二托盘，由于集肤效应，第二托盘的边缘温度高于其中心温度，通过将第二托盘的直径设置为小于第一托盘的直径，使得能够通过第二托盘边缘高温度补偿第一托盘的低温度部分，从而使第一托盘温度分布更加均匀。

进一步，所述第一和第二托盘均为圆形盘。

进一步，所述第一托盘设有第一中心孔，所述第二托盘上表面设有中心凸台，所述中心凸台配合在所述第一中心孔内。

进一步，所述中心凸台的上表面与所述第一托盘的上表面平齐。

进一步，所述第一和第二托盘通过螺栓和螺母紧固。由此，方便第一托盘和第二托盘的拆卸和装配。

进一步，所述螺栓和所述螺母由碳化硅材料制成，且所述第一和第二托盘之间通过陶瓷件电绝缘。通过设置陶瓷件，保证第一托盘与第二托盘之间电绝缘，防止第一托盘和第二托盘之间电场导通。

进一步，所述第一托盘为多层，所述多层第一托盘沿所述第一托盘的轴向间隔设置。

进一步，所述半导体加工设备具有中央进气装置，所述中央进气装置沿所述第一托盘的轴向穿过所述多层第一托盘的中心，且所述中央进气装置具有与每层第一托盘对应的气体分布孔。

进一步，所述半导体加工设备还包括多层第二托盘，所述多层第二托盘电绝缘的对应设置在所述多层第一托盘的下方，且所述多层第二托盘的每一层托盘的直径均小于对应的所述第一托盘的直径。

通过设置多层第一托盘和第二托盘，进一步提高半导体加工设备的产率，适应了大产能的发展方向。

进一步，所述半导体设备为金属有机化合物化学气相沉积设备。

根据本发明的半导体加工设备，通过将第一托盘分成多个子托盘，可有效降低集肤效应且提高第一托盘温度分布的均匀性，进而，通过设置第二托盘作为第一托盘的温度补偿件，即向第一托盘上温度较低的区域传导热量，使第一托盘的温度更趋于均匀，降低第一托盘径向的温度分布梯度，从而大大改善了第一托盘上片槽的温度均匀性。

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半导体加工设备的示意图；

图2是根据本发明另一个实施例的半导体加工设备的示意图；

图3是根据本发明一个实施例的半导体加工设备的第一托盘和第二托盘装配后的俯视图；

图4是根据本发明一个实施例的半导体加工设备的第二托盘的俯视图；

图5是根据本发明另一个实施例的具有多层第一和第二托盘的半导体加工设备的示意图；

图6示出了第一托盘上温度不同的三个环形区域；和

图7是根据本发明另一个实施例的具有多层第一托盘的半导体加工设备的示意图。

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，旨在用于解释本发明，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”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面参考图1-图7描述根据本发明实施例的半导体加工设备100。其中半导体设备100例如可以是金属有机化合物化学气相沉积MOCVD设备，当然本发明并不限于此。

如图1所示，根据本发明实施例的半导体加工设备100包括室体6、第一托盘1和电感线圈7。

室体6内具有反应室61。第一托盘1设于反应室61内，第一托盘1上设有承载晶片的片槽11，第一托盘1由多个子托盘12构成，多个子托盘12之间存在物理间隙，例如，在本发明的一个具体实施例中，如图3所示，第一托盘1可沿周向分成多个子托盘12，且任意相邻的两个子托盘12之间存在物理间隙，也就是说任意相邻的两个子托盘12之间彼此独立且间隔开。如图1所示，电感线圈7环绕在室体6的外周，用于加热第一托盘1，具体地说，第一托盘1可以为石墨托盘，当电感线圈7中通入交流电后，第一托盘1上会感应出交变涡电流，从而使第一托盘1自身温度升高而成为发热体，进而加热位于片槽11内的基片。

由于感应加热存在集肤效应（即skin effect，也叫趋肤效应），导致第一托盘1上的温度分布不均匀。通过将第一托盘1分成多个子托盘12，例如将第一托盘1沿周向分成彼此独立的多个子托盘12，改变了交变涡电流的流经路径和长度。具体而言，交变涡电流在多个子托盘12上流经的路径为每一个子托盘12的周边。因此，将第一托盘1分成多个子托盘12不仅改变了交变涡电流流经的路径，同时还增加了交变涡电流流经路径的长度，从而改善了第一托盘1温度分布的均匀性。同时，由于交变涡电流的流经路径的改变以及长度的增加，还使渗透层深度的总面积增加，提高了第一托盘1上温度分布的均匀性。

根据本发明实施例的半导体加工设备100，通过将第一托盘1分成多个子托盘12，交变涡电流在多个子托盘12上的流经路径为每一个子托盘12的外周，从而大大增加了交变涡电流的流经路径的长度，渗透层深度的总面积也随之增加，从而提高了第一托盘1温度分布的均匀性，降低第一托盘1径向的温度分布梯度，进而使位于片槽11内的基片升温更加均匀，提高了半导体加工设备工艺效果。

在本发明的一个具体实施例中，如图3所示，多个子托盘12沿第一托盘1的周向均匀布置，进一步地，子托盘12可以是四个，优选地，每一个子托盘12对应90°的圆心角。

可以理解的是，为满足不同工艺要求，第一托盘1沿周向可以均匀地分成彼此独立的六个子托盘12或八个子托盘12等，本领域内的普通技术人员可以根据实际工艺需要将第一托盘1沿周向分成不同数量的多个子托盘12。

通过将第一托盘1分成沿该第一托盘1的周向均匀布置的彼此独立的多个子托盘12，可以进一步降低集肤效应对第一托盘1温度分布均匀性的影响，使第一托盘1温度分布更加均匀。

当然，本发明并不限于此，在本发明的另一些实施例中，多个子托盘12可以沿第一托盘1的径向均匀布置，也就是说，多个子托盘12分别成环形且同心地设置在一起。由此，同样可降低集肤效应对第一托盘1加热均匀性的影响，提高第一托盘1温度分布的均匀性。

如图2-图4所示，优选地，半导体加工设备100还包括第二托盘2，第二托盘2同轴电绝缘地设置在第一托盘1下方且第二托盘2的直径小于第一托盘2的直径，即第一托盘1的外径大于第二托盘2的外径。具体地，如图2和图4所示，第二托盘2也可以为石墨托盘，在电感线圈7中通入1KHZ—20KHZ间的任意频率的交流电后，第二托盘2中会感应出交变涡电流从而使第二托盘2自身也成为发热体，由于集肤效应，第二托盘2的边缘温度高于其中心温度，通过将第二托盘2的直径设置为小于第一托盘1的直径，使得能够通过第二托盘2边缘高温度补偿第一托盘1的低温度部分，从而使第一托盘1温度分布更加均匀。

具体而言，由于集肤效应使第一托盘1的中心部分比边缘部分的温度低，且中央进气装置8设在第一托盘1的中央并向四周吹送冷气，因此导致第一托盘1靠近中央进气装置8的位置的温度低于远离中央进气装置位置的温度。更具体地说，为描述方便、清楚，可将第一托盘1大致分成三个环形区域，如图6所示，沿径向从外向内依次为第一环形区域A、第二环形区域B和第三环形区域C，其中第二环形区域B由于集肤效应比第一和第三环形区域的温度低，第三环形区域C由于靠近中央进气装置8而比第一环形区域A的温度低，如图6所示，可以理解的是，第一至第三环形区域A-C的划分仅仅是示意性的，而不能理解为对本发明的限制。

如图2所示，由于第二托盘2的外径小于第一托盘1的外径，也就是说，第二托盘2更加邻近上述中靠近第一托盘1圆心的第二环形区域B和第三环形区域C，即第二托盘2更加靠近第一托盘1上温度较低的区域，由此第二托盘2通过与电感线圈7感应产生交变涡电流并发热，通过向温度较低的第二环形区域B和第三环形区C域传导热量，从而使第一托盘1的温度分布地更加均匀，降低第一托盘1径向的温度分布梯度，从而更进一步提高第一托盘1上片槽11的温度均匀性，从而使基片能够被更好地加热，避免基片温度不均损坏基片或影响半导体加工设备工艺进行。

可以理解的是，由于第二托盘2也存在集肤效应，在实际工艺过程中，可通过改变第一托盘1和第二托盘2的直径即外径大小，也就是说，改变第二托盘2外圆周面与第一托盘1外圆周面沿径向的距离，以最大程度地提高第二托盘2向第一托盘1低温区域传导热量的效果，降低第一托盘1径向的温度分布梯度，使第一托盘1上的片槽11的温度分布地更加均匀，提高半导体加工设备工艺效果。

可选地，如图3和图4所示，第一托盘1和第二托盘2均为圆形盘。在本发明的一个实施例中，第一托盘1设有第一中心孔12，第二托盘2设有中心凸台21，中心凸台21配合在第一中心孔12内。具体而言，中心凸台21成环形，且从第二托盘2的上表面竖直地向上延伸，中心凸台21的外圆周面紧贴第一托盘1的内圆周面，中心凸台21也由石墨材料制成且在电感线圈7中通过1KHZ—20KHZ间的任意频率的交流电后，中心凸台21感应产生交变涡电流以使其自身成为发热体。通过设置中心凸台21并紧贴第一托盘1的内周侧设置，在工艺过程中，中心凸台21与电感线圈7配合产生交变涡电流并发热，从而可更好且更直接地向第一托盘1温度较低的内周侧即上述中所述的第三环形区域传导热量，提高这部分的温度，从而改善第一托盘1径向的温度分布梯度。

优选地，中心凸台21的上表面与第一托盘1的上表面平齐以方便向第一托盘1传热。可以理解，中心凸台21的上表面也可略高于第一托盘1的上表面。可选地，中心凸台21的内周面与第二托盘2的内周面处在同一圆周面内，即中心凸台21的内周面与第二托盘2的内周面平齐。

如图2-图3所示，第一托盘1和第二托盘2可拆卸地相连。例如，在本发明的一个示例中，第一托盘1和第二托盘2通过螺栓4和螺母5紧固。由此，方便第一托盘1和第二托盘2的拆卸与装配。为了更好地防止第一托盘1和第二托盘2之间电场导通，优选地，螺栓4和螺母5由碳化硅材料制成。由此不仅提高了第一托盘1和第二托盘2之间的绝缘效果，同时采用碳化硅制成的螺栓4和螺母5，还能最大限度地减小异种材料即石墨托盘与碳化硅螺栓4和碳化硅螺母5在高温条件下热膨胀系数不一致造成的热应力过大，从而保证第一托盘1和第二托盘2之间的装配精度，进而提高第二托盘2向第一托盘1的传热效果。

更优选地，第一托盘1和第二托盘2之间通过陶瓷件3电绝缘。具体地说，绝缘件3设在第一托盘1的下表面与第二托盘2的上表面以及第一托盘1的内周面与中心凸台21的外周面之间，以防止第一托盘1与第二托盘2或第一托盘1与中心凸台21之间电场导通，影响工艺效果。

为了进一步提高半导体加工设备100的产率，适应大产能的发展方向，半导体加工设备100可以包括多层第一托盘1和对应设在第一托盘1下方的第二托盘2，如图5所示。具体地，半导体加工设备100包括多层第一托盘1、中央进气装置8和多个第二托盘2，其中多层第一托盘1沿第一托盘的轴向间隔设置，多层第二托盘2电绝缘地对应设置在多层第一托盘1的下方，且多层第二托盘2的每一层的直径均小于对应的第一托盘1的直径。中央进气装置8沿第一托盘1的轴向穿过多层第一托盘1的中心，且中央进气装置8具有与每层第一托盘1对应的气体分布孔以向每层第一托盘1吹送冷气。

图7示出了本发明另一个实施例的半导体加工设备100，在该实施例中，半导体加工设备100的反应室61内设置有在轴向上彼此间隔开的多层第一托盘1，每个第一托盘1分成多个子托盘12，例如沿周向分为多个，且任意相邻的两个子托盘12之间存在物理间隙。电感线圈7环绕在室体6的外周，用于加热每个第一托盘1，如图7所示。图7所示的实施例与图5所示的半导体加工设备100，区别未设置第二托盘2，图7中所示的半导体加工设备100的其它结构可与图5中所示的半导体加工设备100相同。

根据本发明实施例的半导体加工设备100，通过将第一托盘1分成多个子托盘12，可有效降低集肤效应且提高第一托盘1温度分布的均匀性，进而，通过设置第二托盘2作为第一托盘1的温度补偿件，即向第一托盘1上温度较低的区域传导热量，使第一托盘1的温度更趋于均匀，降低第一托盘1径向的温度分布梯度，从而大大改善了第一托盘1上片槽11的温度均匀性，进而提高了半导体加工设备工艺效果。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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 (14)

1.一种半导体加工设备，其特征在于，包括：

室体，所述室体内具有反应腔；

第一托盘，所述第一托盘设于所述反应腔内，所述第一托盘上设有承载晶片的片槽；

电感线圈，所述电感线圈环绕在所述室体的外周，用于加热所述第一托盘，所述第一托盘由多个子托盘构成，所述子托盘之间存在物理间隙。

2.根据权利要求1所述的半导体加工设备，其特征在于，所述多个子托盘沿所述第一托盘的周向均匀布置。

3.根据权利要求2所述的半导体加工设备，其特征在于，所述子托盘为四个。

4.根据权利要求1所述的半导体加工设备，其特征在于，所述多个子托盘沿所述第一托盘的径向均匀布置。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的半导体加工设备，其特征在于，还包括第二托盘，所述第二托盘同轴电绝缘地设置在所述第一托盘下方且所述第二托盘的直径小于所述第一托盘的直径。

6.根据权利要求5所述的半导体加工设备，其特征在于，所述第一和第二托盘均为圆形盘。

7.根据权利要求5所述的半导体加工设备，其特征在于，所述第一托盘设有第一中心孔，所述第二托盘的上表面设有中心凸台，所述中心凸台配合在所述第一中心孔内。

8.根据权利要求7所述的半导体加工设备，其特征在于，所述中心凸台的上表面与所述第一托盘的上表面平齐。

9.根据权利要求5所述的半导体加工设备，其特征在于，所述第一和第二托盘通过螺栓和螺母紧固。

10.根据权利要求9所述的半导体加工设备，其特征在于，所述螺栓和所述螺母由碳化硅材料制成，且所述第一和第二托盘之间通过陶瓷件电绝缘。

11.根据权利要求1所述的半导体加工设备，其特征在于，所述第一托盘为多层，所述多层第一托盘沿所述第一托盘的轴向间隔设置。

12.根据权利要求11所述的半导体加工设备，其特征在于，所述半导体加工设备具有中央进气装置，所述中央进气装置沿所述第一托盘的轴向穿过所述多层第一托盘的中心，且所述中央进气装置具有与每层第一托盘对应的气体分布孔。

13.根据权利要求12所述的半导体加工设备，其特征在于，还包括多层第二托盘，所述多层第二托盘电绝缘的对应设置在所述多层第一托盘的下方，且所述多层第二托盘的每一层托盘的直径均小于对应的所述第一托盘的直径。

14.根据权利要求13所述的半导体加工设备，其特征在于，所述半导体设备为金属有机化合物化学气相沉积设备。

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