CN103806094A - 外延生长设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种外延生长设备，其包括反应腔室和加热单元，其中，反应腔室的腔室侧壁采用石英制作；加热单元围绕在腔室侧壁的外侧，并透过腔室侧壁朝向反应腔室的内部辐射热量。本发明提供的反应腔室，其可以提高反应腔室的温度分布均匀性，从而可以提高工艺的均匀性。

Description

外延生长设备

技术领域

本发明属于结晶膜生长技术领域，具体涉及一种外延生长设备。背景技术

目前随着技术的发展，化学气相沉积(Chemical VaporDeposition，简称为CVD)技术已经得到越来越多的应用。特别是其中的金属有机化学气相沉积(Metal Organic Chemical VaporDeposition，简称为MOCVD)技术，因其具有镀膜成分易控、镀膜均匀致密以及附着力好等优点而逐渐成为工业界主要的镀膜技术。所谓MOCVD技术是指，利用金属有机化合物(Metal Organic，简称为MO)作为源物质的一种化学气相生长技术，其原理为使有机金属原料气体、氢化气体或卤化气体进行热分解反应而在气相中使薄膜生长。在实际工艺中，将进行上述CVD反应的设备称为CVD设备；将使用MO气体进行CVD反应的设备称为MOCVD设备。

图1为现有的一种MOCVD设备的结构示意图。请参阅图1，在反应腔室10内沿其竖直方向间隔设置有用于承载被加工工件12的多层托盘11，每层托盘11可以承载多个被加工工件12，而且多个被加工工件12沿托盘11的周向均匀分布；在反应腔室10内且靠近其中心线的位置处竖直设置有贯穿多层托盘11的中央进气管13，在中央进气管13上且位于相邻的两个托盘11之间设置有出气口(图中未示出)，工艺气体自该出气口喷出并向反应腔室10的四周扩散。在反应腔室10的外侧设有用于加热被加工工件12的感应线圈14，感应线圈14用于采用感应加热的方式加热托盘11，从而间接地将被加工工件12加热至工艺所需的温度。

在使用感应线圈14加热被加工工件12的过程中，由于受到反应腔室10的室壁的影响，靠近反应腔室10的室壁，即，位于反应腔室10的边缘区域的托盘11的热量损耗速率大于远离反应腔室10的室壁，即，位于反应腔室10的中心区域的托盘11的热量损耗速率，导致各层托盘11之间的温度存在差异，从而导致置于各层托盘11上的被加工工件12之间的温度不同，进而降低了工艺的均匀性。此外，由于感应加热的集肤效应，导致托盘11边缘区域感应出的涡电流的分布密度大于在中心区域感应出的涡电流的分布密度，这使得托盘11边缘区域产生的热量比中心区域产生的热量多，从而导致托盘11边缘区域的温度高于中心区域的温度，进而导致被加工工件12边缘区域与中心区域之间存在温差，降低了工艺的均匀性。

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，提出了一种外延生长设备，其可以提高被加工工件的温度分布均匀性，从而可以提高工艺的均匀性。

为实现本发明的目的而提供一种外延生长设备，其包括反应腔室和加热单元，所述反应腔室的腔室侧壁采用石英制作，所述加热单元围绕在所述腔室侧壁的外侧，并透过所述腔室侧壁朝向所述反应腔室的内部辐射热量。

其中，所述加热单元包括电阻丝。

其中，所述外延生长设备还包括分离驱动机构，用以驱动所述电阻丝沿所述反应腔室的径向移动，以使所述电阻丝靠近或远离所述腔室侧壁。

其中，所述加热单元还包括围绕在所述腔室侧壁的外侧的支撑体，所述支撑体为分体结构，且所述支撑体为由至少两个子支撑体沿所述腔室侧壁的周向拼接而成的环形结构；在每个所述子支撑体内设置有所述电阻丝；所述分离驱动机构与所述子支撑体连接，用以驱动各个子支撑体沿所述反应腔室的径向移动，以使各个子支撑体同时靠近或远离所述腔室侧壁。

其中，设置在每个所述子支撑体内的所述电阻丝的数量与将所述反应腔室的内部空间沿其轴向所划分的子空间的数量相同，且所述电阻丝的设置位置与所述子空间所在的位置一一对应。

其中，所述电阻丝的数量与将所述反应腔室的内部空间沿其轴向所划分的子空间的数量相同，且所述电阻丝的设置位置与所述子空间所在的位置一一对应。

其中，所述外延生长设备还包括控制单元，用以独立地控制各个电阻丝的加热功率。

其中，在所述反应腔室内设置有用于承载晶片的托盘，所述托盘的数量为两个以上，并且两个以上的所述托盘沿所述反应腔室的轴向间隔设置。

其中，在所述反应腔室内设置有用于承载晶片的托盘，所述托盘的数量为一个。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的外延生长设备，其反应腔室的腔室侧壁采用石英制作，并且在该腔室侧壁的外侧围绕有加热单元，用以透过腔室侧壁朝向反应腔室的内部辐射热量。由于加热单元是采用热辐射的方式对反应腔室的内部进行加热，这与采用感应加热的方式对反应腔室的内部进行加热相比，可以避免出现感应加热时所产生的集肤效应的现象，从而能够提高反应腔室的温度分布均匀性，进而能够提高工艺的均匀性。

附图说明

图1为现有的MOCVD设备的结构示意图；

图2为本发明第一实施例提供的外延生长设备的结构示意图；

图3a为本发明第三实施例提供的外延生长设备的结构示意图；

图3b为本发明第三实施例提供的外延生长设备在加热单元加热时沿图3a中A-A线的剖面图；以及

图3c为本发明第三实施例提供的外延生长设备在加热单元不加热时沿图3a中A-A线的剖面图；

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，下面结合附图来对本发明提供的外延生长设备进行详细描述。

图2为本发明第一实施例提供的外延生长设备的结构示意图。请参阅图2，外延生长设备包括反应腔室40和加热单元43。其中，反应腔室40包括腔室侧壁41和托盘42，腔室侧壁41采用石英制作；加热单元43围绕在腔室侧壁41的外侧，用以透过腔室侧壁41朝向反应腔室40的内部辐射热量。由于加热单元43围绕在腔室侧壁41的外侧，因而可以避免出现实施工艺时工艺所形成的部分副产物附着在加热单元43的表面的问题，从而可以提高加热单元43的使用寿命，进而可以降低外延生成设备的使用成本。

在本实施例中，加热单元43包括电阻丝，其绕制在腔室侧壁41的外侧，用以透过腔室侧壁41朝向反应腔室40的内部辐射热量。由于加热单元43是采用热辐射的方式对反应腔室40的内部进行加热，这与采用感应加热的方式对反应腔室40的内部进行加热相比，可以避免出现感应加热时所产生的集肤效应的现象，所谓集肤效应是指托盘42的边缘区域感应出的涡电流的分布密度大于托盘42中心区域感应出的涡电流的分布密度，这使得托盘42边缘区域产生的热量比中心区域产生的热量多，从而导致托盘42边缘区域的温度高于中心区域的温度，进而导致托盘42边缘区域承载的被加工工件44与托盘42中心区域承载的被加工工件44之间存在温差，而本实施例采用的加热方式能够提高反应腔室40的温度分布均匀性，进而能够提高工艺的均匀性。

在反应腔室40内设置有托盘42，用以承载被加工工件44。在本实施例中，托盘42的数量为三个，且沿反应腔室40的轴向间隔设置，并且每个托盘42可以承载多个被加工工件44，而且多个被加工工件44可以沿托盘42的周向均匀分布。这可以增加单次工艺所能处理的被加工工件44的数量，从而可以提高外延生长设备的产能。

需要说明的是，在本实施例中，托盘42的数量为三个，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，托盘42的数量也可以为一个、两个或四个以上。并且，当托盘42为两个以上时，两个以上的托盘42沿反应腔室40的轴向间隔设置。

还需要说明的是，在本实施例中，加热单元包括电阻丝，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，还可以采用红外辐射灯等可以辐射热量的加热装置对反应腔室40的内部进行加热。

本发明第二实施例提供的外延生长设备，其同样包括反应腔室40和加热单元43。由于反应腔室40和加热单元43的结构和功能在第一实施例中已有了详细的描述，在此不再赘述。下面仅对本实施例与第一实施例的不同点进行描述。

具体地，外延生长设备还包括控制单元，用以控制电阻丝的加热功率。由于受到反应腔室40的室壁(主要是位于反应腔室40的顶部和底部的室壁)的影响，导致反应腔室40的内部空间中靠近室壁的边缘区域的热量损耗速率大于远离室壁的中心区域的热量损耗速率，从而导致反应腔室40在其轴向上的温度分布不均匀。这会造成沿反应腔室40的轴向间隔设置的各个托盘42之间的温度存在差异，从而使置于不同托盘42上的被加工工件44之间的温度不同，进而降低了工艺的均匀性。因此，为了提高反应腔室40在其轴向上的温度分布均匀性，控制单元可以采用分区温控的方式对电阻丝的加热功率进行控制。

例如，可以将反应腔室40的内部空间沿其轴向划分为三个子空间，其自上而下依次为：上部子空间、中部子空间和下部子空间；在腔室侧壁41的外侧分别绕制三根电阻丝，其自上而下依次为：第一电阻丝431、第二电阻丝432和第三电阻丝433，并且第一电阻丝431的设置位置对应于上部子空间所在的位置；第二电阻丝432的设置位置对应于中部子空间所在的位置；第三电阻丝433的设置位置对应于下部子空间所在的位置。控制单元包括第一功率调节器、第二功率调节器和第三功率调节器。其中，第一功率调节器用于对第一电阻丝431的加热功率进行调节；第二功率调节器用于对第二电阻丝432的加热功率进行调节；第三功率调节器用于对第三电阻丝433的加热功率进行调节。由于受到反应腔室40的室壁的影响，导致靠近位于反应腔室40的顶部的室壁的上部子空间和靠近位于反应腔室40的底部的下部子空间的温度比靠近反应腔室40的中心的中部子空间的温度低。在这种情况下，可以借助第一功率调节器和第三功率调节器分别提高第一电阻丝431和第三电阻丝433的加热功率；或者，也可以借助第二功率调节器单独降低第二电阻丝432的加热功率；或者，还可以在借助第一功率调节器和第三功率调节器分别提高第一电阻丝431和第三电阻丝433的加热功率的同时，借助第二功率调节器单独降低第二电阻丝432的加热功率，以补偿中部子空间分别与上部子空间和下部子空间之间的温差，从而使反应腔室40在其轴向上的温度均匀。

需要说明的是，虽然在本实施例中，将反应腔室40的内部空间沿其轴向划分为三个子空间，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，还可以将反应腔室40的内部空间沿其轴向划分四个以上的子空间，并在腔室侧壁41的外侧绕制数量与所划分的子空间的数量相同的电阻丝，且电阻丝的设置位置与子空间所在的位置一一对应；功率调节器的数量与电阻丝在腔室侧壁41的外侧绕制的数量可以相同，且一一对应，以独立地控制各个电阻丝的加热功率，从而补偿各个子空间之间存在的温差，从而使反应腔室40在其轴向上的温度均匀。当然，功率调节器的数量与电阻丝在腔室侧壁41的外侧绕制的数量也可以不同，比如可以使用一个加热功率源，采用功率分配网络实现按比例控制各个电阻丝的加热功率，以实现反应腔室40内部的温度均匀性。

图3a为本发明第三实施例提供的外延生长设备的结构示意图。请参阅图3a，本实施例提供的外延生长设备与第一实施例和第二实施例的结合相比，同样包括反应腔室40、加热单元43和控制单元。由于反应腔室40、加热单元43和控制单元在第一实施例和第二实施例结合的上述技术方案中已有了详细地描述，在此不再赘述。下面仅对本实施例的技术方案与第一实施例和第二实施例结合的上述技术方案之间的不同点进行描述。

具体地，加热单元43还包括围绕在腔室侧壁41的外侧的支撑体45，支撑体45为分体结构，且为由8个子支撑体451沿腔室侧壁41的周向拼接而成的环形结构。而且，在每个子支撑体451内设置有电阻丝，用以透过腔室侧壁41朝向反应腔室40的内部辐射加热。

在本实施例中，外延生长设备还包括分离驱动机构，其与子支撑体451连接，用以驱动各个子支撑体451沿反应腔室40的径向移动，以使各个子支撑体451同时靠近或远离腔室侧壁41。例如，分离驱动机构可以包括滑轨、连杆和直线驱动源。其中，滑轨的数量与子支撑体451的数量相同，且一一对应，每个滑轨设置在与之对应的子支撑体451的底部，且每个滑轨的轨道沿反应腔室40的径向设置，每个子支撑体451和与之对应的滑轨可滑动地连接；连杆包括子连杆和中心连杆，子连杆的数量与子支撑体451的数量相同，且一一对应，并且每个子连杆的一端与相应的子支撑体451固定连接，另一端与中心连杆的一端固定连接；中心连杆的另一端与直线驱动源的驱动轴固定连接。直线驱动源设置在反应腔室40的底部且靠近其中心的位置处，用以驱动中心连杆沿反应腔室40的轴向作往复运动，从而使中心连杆带动各个子连杆同时在滑轨中滑动，即，沿反应腔室40的径向作往复运动，以实现各个子支撑体451同时靠近或远离腔室侧壁41。当需要加热单元43加热反应腔室40时，如图3b所示，为本发明第三实施例提供的外延生长设备在加热单元加热时沿图3a中A-A线的剖面图。借助分离驱动机构，可以驱动8个子支撑体451同时沿反应腔室的径向且朝靠近腔室侧壁41的方向移动，直至8个子支撑体451位于紧靠腔室侧壁41的位置。当加热单元43加热完毕，并需要对被加工工件42进行降温时，如图3c所示，为本发明第三实施例提供的外延生长设备在加热单元不加热时沿图3a中A-A线的剖面图。借助分离驱动机构，可以驱动8个子支撑体451同时沿反应腔室的径向且朝远离腔室侧壁41的方向移动，直至8个子支撑体451位于远离腔室侧壁41的位置，这可以增加反应腔室40的室壁与外界之间的热量交换，从而提高反应腔室40的热量散失速率，进而使反应腔室40内的被加工工件42能够快速降温，以提高外延生长设备的加工效率。

需要说明的是，分离驱动机构的结构并不局限于本实施例中分离驱动机构的上述结构，只要分离驱动机构能够驱动各个子支撑体451靠近或远离腔室侧壁41即可。

还需要说明的是，虽然在本实施例中，子支撑体451的数量为8个，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，子支撑体451的数量可以为两个以上，且沿腔室侧壁41的周向排列设置。

进一步需要说明的是，在本实施例中，分离驱动机构与子支撑体451连接，以间接驱动电阻丝沿反应腔室40的径向方向移动，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，还可以省去支撑体45，即，分离驱动机构直接与电阻丝连接，这同样可以实现本发明使电阻丝沿反应腔室40的径向方向移动的目的。

综上所述，本发明提供的外延生长设备，其反应腔室的腔室侧壁采用石英制作，并且在该腔室侧壁的外侧围绕有加热单元，用以透过腔室侧壁朝向反应腔室的内部辐射热量。由于加热单元是采用热辐射的方式对反应腔室的内部进行加热，这与采用感应加热的方式对反应腔室的内部进行加热相比，可以避免出现感应加热时所产生的集肤效应的现象，从而能够提高反应腔室的温度分布均匀性，进而能够提高工艺的均匀性。

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 (9)

1.一种外延生长设备，其包括反应腔室和加热单元，其特征在于，所述反应腔室的腔室侧壁采用石英制作，所述加热单元围绕在所述腔室侧壁的外侧，并透过所述腔室侧壁朝向所述反应腔室的内部辐射热量。

2.根据权利要求1所述的外延生长设备，其特征在于，所述加热单元包括电阻丝。

3.根据权利要求2所述的外延生长设备，其特征在于，所述外延生长设备还包括分离驱动机构，用以驱动所述电阻丝沿所述反应腔室的径向移动，以使所述电阻丝靠近或远离所述腔室侧壁。

4.根据权利要求3所述的外延生长设备，其特征在于，所述加热单元还包括围绕在所述腔室侧壁的外侧的支撑体，所述支撑体为分体结构，且所述支撑体为由至少两个子支撑体沿所述腔室侧壁的周向拼接而成的环形结构；

在每个所述子支撑体内设置有所述电阻丝；

所述分离驱动机构与所述子支撑体连接，用以驱动各个子支撑体沿所述反应腔室的径向移动，以使各个子支撑体同时靠近或远离所述腔室侧壁。

5.根据权利要求4所述的外延生长设备，其特征在于，设置在每个所述子支撑体内的所述电阻丝的数量与将所述反应腔室的内部空间沿其轴向所划分的子空间的数量相同，且所述电阻丝的设置位置与所述子空间所在的位置一一对应。

6.根据权利要求2所述的外延生长设备，其特征在于，所述电阻丝的数量与将所述反应腔室的内部空间沿其轴向所划分的子空间的数量相同，且所述电阻丝的设置位置与所述子空间所在的位置一一对应。

7.根据权利要求5或6所述的外延生长设备，其特征在于，所述外延生长设备还包括控制单元，用以独立地控制各个电阻丝的加热功率。

8.根据权利要求1所述的外延生长设备，其特征在于，在所述反应腔室内设置有用于承载晶片的托盘，所述托盘的数量为两个以上，并且两个以上的所述托盘沿所述反应腔室的轴向间隔设置。

9.根据权利要求1所述的外延生长设备，其特征在于，在所述反应腔室内设置有用于承载晶片的托盘，所述托盘的数量为一个。

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