CN104302807B - 用于化学气相沉积的具有铁磁流体密封件的转盘反应器 - Google Patents

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Abstract

一种用于化学汽相沉积的转盘反应器，其包括真空室和铁磁流体穿通件，该铁磁流体穿通件包括上部和下部铁磁流体密封件，马达轴通过该铁磁流体穿通件进入真空室中。马达联接至马达轴，并且定位在上部和下部铁磁流体密封件之间的大气区域中。转台定位在真空室中，并且联接至马达轴，从而马达按所需转速转动转台。介电支架联接至转台，从而转台当由轴驱动时转动介电支架。基片载体定位在用于化学汽相沉积处理的真空室中的介电支架上。加热器定位成靠近基片载体，该加热器将基片载体的温度控制到化学汽相沉积所需的温度。

Description

用于化学气相沉积的具有铁磁流体密封件的转盘反应器
这里使用的章节标题仅出于文章组织方面的考虑，不应解释成按任何方式限制在本申请中描述的主题。
对于相关申请的交叉参考
本申请要求对于如下申请的优先权：美国临时专利申请No.61/648,640，在2012年5月18日提交，标题为“用于化学气相沉积的转盘”；美国临时专利申请No.61/781,858，在2013年3月14日提交，标题为“用于化学气相沉积的具有铁磁流体密封件的转盘反应器”；以及美国临时专利申请No.61/648,646，在5/18/2012提交，标题为“用于化学气相沉积的基片载体”。美国临时专利申请No.61/648,640、No.61/781,858以及No.61/648,646的全部内容通过参考包括在里。
背景技术
气相取向附生(VPE)是一种类型的化学气相沉积(CVD)，它涉及将包含化学物种的一种或多种气体引导到基片的表面上，从而相应物种在基片的表面上反应并且形成薄膜。例如，VPE系统可用来在基片上生长化合物半导体。
材料典型地通过将至少一种前体气体，并且在多种工艺过程中，将至少第一和第二前体气体注入到处理室中而生长，该处理室包含晶体基片。化合物半导体，如III-V族半导体，可通过使用氢化物前体气体和有机金属前体气体在基片上生长各种半导体材料层而形成。金属有机气相取向附生(MOVPE)是一种气相沉积方法，这种气相沉积方法通常用来使用金属有机物和氢化物的表面反应来生长化合物半导体，这些金属有机物和氢化物包含要求的化学元素。例如，磷化铟可通过引入三甲基铟和磷化氢而在反应器中在基片上生长。
在业内使用的用于MOVPE的可选择名称包括有机金属气相取向附生(OMVPE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)以及有机金属化学气相沉积(OMCVD)。在这些工艺过程中，气体在基片，如蓝宝石、Si、GaAs、InP、InAs或GaP基片，的生长表面处彼此反应，以形成通式InXGaYAlZNAAsBPCSbD的III-V族化合物，其中，X+Y+Z近似等于一，并且A+B+C+D近似等于一，并且X、Y、Z、A、B、C以及D中的每一个可以在零与一之间。在各种工艺过程中，基片可以是金属、半导体、或绝缘基片。在一些情况下，铋可以用来代替其它III族金属的一些或全部。
化合物半导体，如III-V族半导体，也可通过使用氢化物或卤化物前体气体工艺过程在基片上生长各种半导体材料层而形成。在一种卤化物气相取向附生(HVPE)工艺过程中，III族氮化物(例如，GaN、AlN)通过使热气态金属氯化物(例如，GaCl或AlCl)与氨气(NH3)反应而形成。金属氯化物通过使热HCl气体在热III族金属上通过而产生。HVPE的一个特征是，它可具有非常高生长速率，对于一些现有技术工艺过程高达100μm每小时。HVPE的另一个特征是，它可用来沉积比较高质量的薄膜，因为薄膜在无碳环境中生长，并且因为热HCl气体提供自清洁作用。
在这些工艺过程中，基片在反应室内保持在升高的温度下。前体气体典型地与惰性载体气体相混合，并且然后引导到反应室中。典型地，气体当它们被引入到反应室中时在比较低的温度下。随着气体到达热基片，它们的温度升高、并且因此它们用于反应的适用能量增大。取向附生层的形成通过组成化学物品在基片表面处的最终热解而发生。晶体通过在基片的表面上的化学反应并且不是通过物理沉积工艺过程而形成。因此，VPE是用于热力学金属稳定合金的合意生长技术。当前，VPE通常用来制造激光二极管、太阳能电池以及发光二极管(LED)。
发明内容
用于化学气相沉积的转盘反应器包括真空室和铁磁流体穿通件(ferrofluidfeedthrough)，该铁磁流体穿通件包括上部和下部铁磁流体密封件，马达轴通过该铁磁流体穿通件进入真空室中。在一些实施例中，铁磁流体穿通件形成空心导管，以将电气和管道设施提供到真空室。马达以机械或磁性方式联接至马达轴，并且定位在上部和下部铁磁流体密封件之间的大气区域中。转台定位在真空室中，并且联接至马达轴，从而马达按所需转速转动转台。在一些实施例中，转台由柔性装置联接至马达轴。而且，在一些实施例中，马达轴在偏离转台的转动中心的区域中联接至转台。
介电支架，如石英支架，其联接至转台，从而转台当由轴驱动时转动介电支架。基片载体定位在用于化学气相沉积处理的真空室中的介电支架上。在各个实施例中，基片载体可通过在介电支架的顶部表面与基片载体的底部表面之间的摩擦而被保持在介电支架的顶部上，或者它可以以物理方式连结。基片载体可适于支承单个基片或多个基片。在一些实施例中，介电支架由一种材料形成，这种材料在被处理的基片与真空室中的冷区域之间建立隔热屏障。
加热器定位成靠近基片载体，该加热器将基片载体的温度控制到化学气相沉积所需的温度。加热器可以定位在介电支架内部或外面。加热器可以包括两个或更多个独立加热区。加热器可以是石墨加热器，或者可以包括钨和/或铼盘管式加热器。
而且，用于化学气相沉积的基片载体包括本体，该本体是大致圆形的。基片载体可由石墨、SiC、金属或陶瓷材料中的至少一者形成。基片载体可由具有热膨胀系数的材料形成，其导致基片载体的膨胀，这种膨胀将基片载体更紧密地保持在转动支架的顶部上。基片载体的重量选择成使得：在处理和清洗期间，基片载体借助于摩擦力而连结至转动支架的顶部表面。
基片载体的顶部表面具有用来接纳基片的凹入区域。凹入区域可包括用来支承基片的接片。接片的形状可以是三角形的。接片可由一种材料形成，这种材料吸收当基片载体抵靠基片膨胀时产生的力的至 少一些。而且，接片可减小随着基片载体的温度升高在基片上产生的机械应力。
基片载体的凹入区域可在局部区域中加工到预定深度轮廓，其导致跨过基片载体的所需热特性。另外，基片载体的凹入区域可包括在局部区域中插入的材料，导致跨过基片载体的所需热特性。此外，基片载体的凹入区域可包括多阶(multi-level)底部表面。在局部区域中的材料的至少一种热性能可与形成基片载体的材料的热性能不同。
基片载体的圆化边缘具有的形状能够减小热损失并且增进流过基片的工艺气体的均匀性。基片载体在圆化边缘的底部处具有大致平坦表面，用来定位在转动支承结构的顶部上。另外，基片载体具有定位成靠近圆化边缘的竖向边沿，该竖向边沿减小基片载体当定位在转动支架的顶部上时的摆动。竖向边沿的尺寸设定成用以在所需转动速率下将基片载体固定在转动支架的顶部上。
附图说明
按照优选和例示性实施例的本讲授与其进一步优点一起，在联系附图取得的如下详细描述中更具体地描述。本领域的技术人员将理解，下面描述的附图仅用于说明目的。附图不一定按比例，而是总体上将重点放在说明讲授的原理上。在附图中，类似附图标记一般贯穿各个附图指示类似特征和结构元素。不打算以任何方式用附图限制本申请人的讲授的范围。
图1所示的是根据本讲授的CVD反应器的一个实施例的横截面。
图2所示的是联系图1描述的CVD反应器的横截面的顶部角部的放大图。
图3所示的是整个铁磁流体穿通件的简化图，示出了加热器安装凸缘和加热器支承结构。
图4A所示的是铁磁流体穿通件的上部部分和周围元件的横截面图，这些周围元件包括马达的细节。
图4B所示的是铁磁流体穿通件的下部部分和周围元件的横截面 图，这些周围元件包括安装凸缘。
图5所示的是根据本讲授的单个基片载体的俯视图。
图6所示的是根据本讲授的单个基片载体的放大俯视图，联系图2描述了该单个基片载体。
图7所示的是根据本讲授的单个基片载体的侧视图，联系图5描述了该单个基片载体，该单个基片载体定位在转动支架的顶部上。
图8A和8B所示的是配有销的介电支架和基片载体，在它们正由转台转动的同时，这些销更牢固地将介电支架连结至基片载体。
具体实施方式
在本说明书中对于“一个实施例”或“实施例”的参考意味着，联系实施例描述的具体特征、结构、或特性包括在本讲授的至少一个实施例中。在本说明书中在各个地方中短语“在一个实施例中”的出现不一定全部指同一实施例。
应该理解，在本讲授的方法中使用的各个步骤可以按任何顺序进行并且/或者同时地进行，只要讲授保持可操作。此外，应该理解，本讲授的设备和方法可包括所描述实施例的任何数量、或全部，只要本讲授保持可操作。
现在参照在附图中所示的本讲授的例示性实施例，将更详细地描述本讲授。尽管联系各个实施例和例子描述本讲授，但打算的是，本讲授并非限于这样的实施例。相反，本讲授包容各种可选择例、修改以及等效方式，如由本领域的技术人员将认识到的那样。已经获知这里的讲授的本领域的技术人员将认识到另外的实施、修改以及实施例、以及其它使用领域，这些在这里所描述的本公开的范围内。
本讲授涉及用于化学气相沉积的方法和设备，该化学气相沉积包括MOCVD。更具体地说，本讲授涉及用于使用竖向反应器的化学气相沉积的方法和设备，在这些竖向反应器中，基片布置在转盘上。最近，LED和OLED市场已经有极大的增长。而且，半导体功率已经有一些显著的进步，这些显著进步已经增加它们的实用性。因此，已 经有对于构造这些器件的高效和高产量CVD和MOCVD制造系统和方法的增大需要。有对于制造系统和方法的特别需要，这些制造系统和方法改进沉积均匀性，而不会不利地影响维护和操作参数，如影响基片载体的转速。
联系单基片CVD反应器将描述本讲授的方法。然而，本领域的技术人员将认识到，本讲授的方法和设备可实施用于多基片反应器。另外，本讲授的CVD反应器可以改变比例以用于任何尺寸的基片。
图1所示的是根据本讲授的CVD反应器100的一个实施例的横截面。CVD反应器100包括真空室102，该真空室102常常由不锈钢形成。真空室102为单个基片或一批基片的CVD处理提供真空环境。根据本讲授、关于CVD反应器可进行的工艺过程的一个例子是由CVD沉积薄膜，如为了LED制造在蓝宝石基片上生长的GaN基薄膜。
转台104定位在真空室102的冷区域中。冷区域在正常工艺条件期间保持在比较低的温度下，从而它可包围比较低温度的元件。转台104的底部包括轴承或导向轮系统，该轴承或导向轮系统允许转动。转动介电支架108定位在转台104的顶部上。介电支架108可由各种装置以机械或磁性方式联接至转台104。在本讲授的一个实施例中，介电支架108是空心介电圆筒或管，该空心介电圆筒或管连结至转台104，如图1所示。在各种另一些实施例中，转动介电支架108由各种其它形状形成。本讲授的一个方面是，转动介电支架108的长度可比由金属材料或高导热率介电材料形成的类似结构显著地短，这些类似结构用在另一些已知CVD反应器中。
基片载体110定位在转动介电支架108的顶部上。基片载体110联系图5-7更详细地描述。基片载体110具有至少一个凹入部分，该至少一个凹入部分的尺寸设定成用以接收用于处理的至少一个基片。在一个具体实施例中，基片载体110是单基片载体。单基片载体可提供多个工艺优点。例如，单基片载体与多基片载体相比，可提供跨过基片的较大温度均匀性。而且，单基片载体可以提供更高的产量、并且提供更大的保护以使关键元件免受反应过程化学物质影响。而且， 单基片载体可提供气体效率的增进。单基片载体可以允许接触点比多晶片载体更少，因为离心力将更低。此外，单基片载体一般用较短时间段实现所需转速。最后，单基片载体可比多基片载体便宜。然而，在本讲授的另一些实施例中，基片载体110是用于批量处理的多基片载体。
基片载体110可以机械方式连结至转动介电支架108，或者可自由地定位在转动介电支架108的顶部上，并且只借助于摩擦力而保持就位。本讲授的CVD系统在基片载体110与转动介电支架108之间的界面中使用各种隔热或绝热手段。一种这样的绝热手段是形成基片载体110的圆化边缘，以减少在基片载体110的边缘处的热损失。用于绝热的另一种手段是减少在基片载体110的底部与介电支架108之间的热传递。
在一些实施例中，在真空室102中的活门或大门敞开，以允许基片载体110转移到真空室102的反应区域112中和从其转移出。在多个实施例中，基片载体110具有唇边或其它边缘特征，该唇边或其它边缘特征允许机器人臂将它运送到真空室102中和从中运送出来。
加热器组件114定位成靠近基片载体110。在一些CVD反应器中，根据本讲授，加热器组件114产生高达约1,300摄氏度的工艺温度。在多个实施例中，加热器组件114定位在转动介电支架108的内部，靠近基片载体110并在其下面，从而在加热器组件114与基片载体110之间有强热连通。然而，在另一些实施例中，加热器组件114定位在转动介电支架108的外面。加热器组件114可以是单区加热器，或者可具有任何数量的加热器区。例如，在一个具体实施例中，加热器组件114包括两区加热器组件。在一些实施例中，热辐射护套定位成靠近加热器组件114。在一些实施例中，加热器组件114的一些部分被流体冷却。
在一个实施例中，加热器组件114是包括加热器盘管的辐射加热器，这些加热器盘管由绝热体支承，这些绝热体定位成与基片载体110相邻，这些绝热体将加热元件115电气地和绝热地隔离。在一些实施 例中，加热器组件114包括石墨加热器盘管。在大多数已知系统中的加热盘管一般不由石墨制成，并且代之以使用成本高得多的材料。石墨加热器元件典型地不使用，因为一些普通CVD工艺气体，如氨，在高温下攻击石墨并且使其退化，导致工艺过程不均匀性和系统维护的增加。代之以，一些已知系统使用石墨加热器，这些石墨加热器涂有至少一个保护材料层。然而，这些系统典型地限于较低温度工艺过程，因为在高工艺温度下，在石墨与涂敷材料(一种或多种)之间的不同热膨胀速率引起涂敷材料(一种或多种)的破裂和剥落，这会导致污染和维护的增加。在另一些实施例中，加热器组件114包括钨和/或铼加热器盘管。
在一个特定实施例中，加热器组件114由底板118、或类似结构支承，以将加热器组件114定位在基片载体110下方并且极接近它。加热器安装管160支承加热器底板118。加热器底板可以是水冷却的。真空室102包括电力穿通件(power feedthroughs)120，以使电极122穿过真空室102而与加热器组件114相连接和向其供电，同时保持反应器100的真空室102的真空。电极122用高温导体，如由像钼之类的耐火材料制成的高温导体，连接至加热元件115。
CVD反应器100包括气体歧管，该气体歧管将工艺气体引入到真空室102中靠近被处理的基片(一个或更多个)。本讲授的CVD反应器的一个方面是，工艺气体不在转动介电支架的内部流动。通过用惰性气体(如氮气)在比在真空室102中靠近基片载体110的压力高的压力下吹洗加热器组件114，可以防止工艺气体进入加热器组件114区域。这种吹洗将限制工艺气体流动成与加热器组件114相接触的量。这允许使用低成本的石墨加热器。
在一个实施例中，转动介电支架108由石英形成。石英是用于介电支架108的特别良好的介电材料，因为它比较便宜。关于高工艺温度也可使用石英。另外，石英具有非常低的热膨胀系数，所以介电材料的尺寸在高温处理期间不会显著地变化。另外，石英具有低导热率，只有约1.3W/(m·K)，所以它在被处理的基片与冷区域之间起到隔热 屏障的作用。使用石英将减小在基片载体110上的温度不均匀性或使其最小化。如这里描述的低导热率，一般定义为是指小于10W/(m·K)。这比在材料处理系统中普通使用的一些其它介电材料(如氮化硼)低得多。有几种不同种类的氮化硼，但其导热率可在20-120W/(m·K)的范围中。
使用石英介电支架108具有几个设计优点。例如，石英介电支架108的尺寸与使用金属或高导热率材料的类似CVD反应器相比可以短得多，因为将需要较少材料以便将基片载体110与冷区域隔热。较短的介电支架将导致较小的反应器，而较小的反应器制造起来要便宜得多，并且操作起来也便宜得多。例如，可使用较低容量的真空泵。而且，为了将基片载体110保持在所需操作温度下，将需要较小的功率。另外，较短的支架将使基片载体110的摆动较小，并因此增进工艺过程均匀性。
对于介电支架108使用石英的另一个设计优点是，石英介电支架108的热膨胀系数将比基片载体110的热膨胀系数低多倍。在一些系统中，石英介电支架108的热膨胀系数(Thermal Expansion Coefficient)将比基片载体110的热膨胀系数低约十倍，该基片载体110由诸如钼或石墨之类的材料形成。因此，随着基片载体110加热，它将按比石英介电支架108大得多的速率膨胀。CTE的误匹配可用来，随着温度升高，使基片载体110将本身相对于石英介电支架108对中。随着温度升高，基片载体110将变得对于石英介电支架108更加同心，并因而更牢固地保持就位，这将导致增进的工艺过程均匀性。
对于介电支架108使用石英的另一个设计优点是，加热器组件114在整个基片载体110上保持均匀工艺温度将容易得多。这是因为，与金属和高导热率介电支架相比，在载体的边缘处的热损失小得多。石英和其它导热率非常低的材料起到绝热的作用，以防止介电支架108像散热片那样起作用和降低基片载体110在边缘处的温度。
上部壳体124包围马达126。马达126使轴128转动，该轴128又使转台104和定位在转台104上的基片载体110转动。CVD反应器 100的其它部分是静止的。马达126使这些元件以高达约1,200RPM的速度转动。然而，在各种实施例中，马达126使这些元件以可显著高的速率转动。在所示的实施例中，马达110由轴128通过铁磁流体穿通件以机械方式联接至转台104，该铁磁流体穿通件包括上部铁磁流体密封件130和下部铁磁流体密封件130’，这在图3、4A及4B中进一步描述。
本讲授的一个特征是，轴128对于转台104的连接偏离基片载体110的中心。相反，多种已知CVD反应器使用中心轴设计，该中心轴设计基本上平衡在轴128上的基片载体110。本讲授的轴128的设计和几何形状提供在马达126与基片载体110之间的更牢固机械连接，以允许在减小时间内以最小振动实现最大转速。因此，本讲授的轴128的设计和几何形状提供基片载体110向着所需转速的更快斜率，其导致更好的工艺控制，并具有更高的产量。另外，本讲授的轴128的设计和几何形状使基片能够定位在基片载体110的中心中。因此，在基片载体110的中心中将没有由中心轴引起的显著温度变化。
在一个实施例中，轴128包含一些介电材料。例如，轴128可至少部分地由石英或氮化硼形成。介电材料具有优于金属的一些优点。例如，介电材料在一些工艺条件期间将保持较冷，并因此，与金属轴相比将提供更小的热损失，并且也将减小去往在冷区段中的马达和其它元件的热传递。例如，由石英形成的轴128与金属轴相比将显著地减小热损失。
马达轴承132定位成在马达126的任一侧上与轴128相邻，以随着轴128转动而引导它。在一些实施例中，马达轴承132用空气或惰性气体清洗。而且，在多个实施例中，马达轴承132被空气或流体冷却，以保持低维护操作条件。例如，轴承132可被水冷却。在一些实施例中，马达126在正常工艺条件期间被冷却到低于50摄氏度。
轴128由柔性装置连结至转台104，该柔性装置允许在转台104与转动介电支架108之间的不同热膨胀速率。例如，转动介电支架108可在其下部端部处由弹簧(如由倾斜螺旋弹簧133)连接至平圆形板， 该倾斜螺旋弹簧133将转动介电支架108对中并锁定至转台104，而不使用常规的非柔性紧固件。这样一种连结装置保持介电支架108与圆形板同心，并且允许差别热膨胀发生，而不使转动介电支架108受力和可能破裂。
图2所示的是联系图1描述的CVD反应器100的横截面的顶部角部的放大图，示出了由上部铁磁流体密封件130形成的真空区域。该放大图示出了真空室102的顶部角部以及转台104和介电支架108。也示出了加热器组件114，该加热器组件114包括加热器底板118和电极122，这些电极122穿过空心导管134，并且与加热元件115相连接。示出了轴128，该轴128穿过上部铁磁流体密封件130，并且与转台104相连接。关于这种设计，真空在真空室102的壁的内部、在介电支架108的外面和内部以及在转台104上方和下面的间隙中存在。
图3所示的是整个铁磁流体穿通件的简化图，示出了加热器安装凸缘150和加热器支承结构152。参照图1、2及3，铁磁流体穿通件包括空心导管134，该空心导管大得足以包围为加热器组件114提供设施的结构，该加热器组件114定位在介电支架108内部。在所示的实施例中，空心导管134包括用来包围加热器支承结构152的空间，该加热器支承结构152支承加热器组件114，其定位在转动介电支架108内部。空心导管134也包括用于电极122的空间、和用于流体冷却管线的空间，这些电极122向加热器组件114供电。
加热器支承结构152的上部端部连结至加热器组件114。加热器支承结构152的下部端部刚性地连结至加热器安装凸缘150，该加热器安装凸缘150用螺栓固定至CVD室100的底部。加热器安装凸缘150包括O形圈或其它类型的真空密封件。电极122和流体冷却管线穿过安装凸缘150，在该处它们连接至在CVD反应器100外面的设施。加热器支承结构152、电极122以及流体冷却管线当轴128转动时保持静止。
包围马达126的上部壳体124将轴承132的外座圈和马达126的定子126’牢固地夹持就位。轴128将轴承132的内座圈和马达126的 转子126”牢固地夹持就位。上部和下部铁磁流体真空密封件130、130’定位在壳体中在每个轴承132上方和下面。上部和下部铁磁流体真空密封件130、130’动态地密封真空，它们与轴128的外径相接触。在一些实施例中，在靠近马达126和靠近轴承132的区域中有穿过上部和下部壳体124、124’的壁的孔，从而这些元件可与周围环境连通。这种布置允许轴承132和马达126在温和大气压力环境中操作，而轴128透过动态密封件，并且提供在抽空室102内部(在该处发生处理)的旋转运动。
图4A和4B所示的是上部和下部铁磁流体密封件130、130’的更详细视图，更清楚地示出真空区域。适当铁磁流体密封件可以从FerroTec Corporation of Santa Clara,CA购得。这些铁磁流体密封件适用于根据本讲授的CVD系统。具体地说，这些铁磁流体密封件不需要任何辅助润滑。另外，这些铁磁流体密封件可在宽的参数范围上操作，并且它们可保持1.5×△压力的最小值。铁磁流体密封件的转速范围从小于1rmp至高于10,000rpm，但对于高速操作，重要的是，使操作速度缓慢地按斜率升高。速度范围是依赖于轴径的。这种速率变化适用于CVD处理。铁磁流体密封件的温度范围是从约0摄氏度至200摄氏度。在适当加热或冷却的情况下铁磁流体密封件的实际操作范围是-100摄氏度至2000摄氏度，这良好地在本讲授的CVD系统的范围内。用于铁磁流体密封件的操作寿命通常在约五与十年之间，但多种这样的铁磁流体密封件具有超过二十年的已知寿命。
图4A所示的是铁磁流体穿通件的上部部分和周围元件的横截面图，这些周围元件包括马达的细节。参照图1和4A两者，上部铁磁流体密封件130定位成靠近CVD反应器100的上部角部。上部壳体124包围在CVD反应器100中的上部铁磁流体密封件130。示出了转台104以及加热器底板118和介电支架108。图4A也示出了加热器安装管160，该加热器安装管160连接至加热器底板118。
关于这种设计，真空在真空室102内部存在，包括围绕电极122的、介电支架108外面的、介电支架108内部的、在转台104上方的 间隙162’中的以及在转台104下面的间隙162中的区域。另外，轴128的整个内径在真空中。而且，轴128的上部端部完全在真空中。轴128的外径穿过在轴128的上部端部附近的上部铁磁流体密封件130。在铁磁流体密封件130下面，轴128的外径与上部轴承132和马达126一道在大气压力下。
将轴承132和马达126定位在大气中具有多个性能和维护优点。一个优点是，将轴承定位在空气中允许它们更容易被冷却，并且提供这样的环境：其中，它们可被润滑，以提高它们的效率和寿命。另一个优点是，可使用多种市售的标准马达，并且这些马达可更容易被冷却。
在图4A中所示的铁磁流体密封件的视图也示出马达126和轴承的细节。转子126”定位成与轴128相接触。定子126’定位在转子126”后面。多种类型的马达可供根据本讲授的CVD反应器使用。可以通过拆除上部壳体124而拆除马达126。轴承132定位在转子126”上方在上部铁磁流体密封件130下面的大气区域中。
图4B所示的是铁磁流体穿通件的下部部分和周围元件的横截面图，这些周围元件包括安装凸缘150。铁磁流体穿通件的下部部分130’的视图示出了多个与联系图4A描述的上部铁磁流体穿通件的视图中相同的元件，这些元件包括电极122、加热器安装管160、轴128以及马达126的底部。轴承132定位成与定子126’相邻。另外，下部铁磁流体密封件130’定位成与轴承132相邻。
在下部铁磁流体密封件130’上方的元件，如轴承132和马达126的下部部分，在大气压力下。在下部铁磁流体密封件130’下面的区域在真空下。而且，轴128的整个内径在真空中。在轴128与加热器安装管160之间也具有真空间隙170。另外，轴128的下部端部完全在真空中。在轴128的下部端部附近，轴128的外径穿过靠近安装凸缘150的下部铁磁流体密封件130’。
图5所示的是根据本讲授的单个基片载体500的俯视图。基片载体500可由多种类型的材料形成，如由石墨、SiC、金属以及陶瓷材料 形成。对于本讲授的一些实施例，希望的是，基片载体500由一种材料形成，这种材料在局部区域中或在预定轮廓中可容易地加工。在另一些实施例中，希望的是，基片载体500由一种材料形成，这种材料在局部区域中可容易地接受另外的材料。在另外一些实施例中，希望的是，基片载体500由一种材料形成，这种材料在局部区域中可接受不同材料的插入，或接受具有不同取向或具有修改性质的同一材料。
基片载体500是圆形的，其具有圆化边缘502。根据本讲授的基片载体可具有多种不同类型的圆化边缘的任一种，并且这些圆化边缘可以是倒角边缘或倾斜边缘。在多个实施例中，基片载体500的圆化边缘贯穿基片载体500是相同的。然而，在一些实施例中，圆化边缘在基片载体500的各个区域中是不同的，以影响工艺气体的流动。
基片载体500具有用来接纳基片的凹入区域504。凹入区域504对于单个基片对中地定位。凹入区域504的凹口深度深得足以在正常工艺条件期间使用的所需转速状态下固定基片。另外，凹口的径向尺寸，使得在正常工艺条件期间没有基片的显著摆动发生。
基片载体500的厚度可被优化以用于各种工艺过程。较薄基片载体500一般具有较好热响应时间。然而，较厚基片载体500一般具有较好热均匀性。基片载体500的厚度可被优化，以用于特定工艺过程对于在热响应时间与热均匀性之间的最佳兼顾。
基片载体500的重量(weight)也是重要的。基片载体500必须具有足够的质量(mass)，以在正常工艺条件期间保持其在介电支架的顶部上的位置。这种要求比较容易满足，因为工艺气体的流动将强迫基片载体500与介电支架108的顶部相接触。另外，基片载体500必须具有足够的质量，以在从下面清洗的同时保持其在介电支架108的顶部上的位置。这种要求较难满足，因为清洗在介电支架的内侧和外侧之间产生净正压力，该净正压力将提升力施加在基片载体500上。
而且，较重基片载体500一般将导致在加热器114与真空室102之间的隔离被改进。这样一种较重基片载体500将具有比较高的热质量，这将导致热稳定性的增大和热均匀性的增大，但导致比较慢的热 响应时间。
图6所示的是根据本讲授的单个基片载体500的放大俯视图，已联系图5描述了该单个基片载体500。该放大俯视图600示出了多个接片602，这些接片602用来支承基片。基片在处理期间安置在这些接片602上。可使用多种类型的接片。例如，接片602可以是三角形接片602，如所示的那样，这些三角形接片602沿基片载体602的边缘定位在几个位置处。这是因为基片载体500随其温度按斜率升高到所需工艺温度而膨胀，而多种类型的基片的尺寸基本上保持相同。接片602的尺寸被设定为使得它们在工艺过程的整个操作温度范围上支承基片。
图7所示的是根据本讲授的单个基片载体500的侧视图，已联系图5描述了该单个基片载体500。基片载体500定位在介电支架108的顶部上。该侧视图示出基片载体500的圆化边缘502以及平坦底部表面506，该平坦底部表面506接触转动介电支架108的顶部。在图4中所示的实施例中，基片载体500只借助于摩擦力而在转动的介电支架108的顶部上保持就位。就是说，介电支架108的重量和介电支架108的顶部表面的摩擦系数和基片载体500的边缘502的平坦底部表面506的摩擦系数，使得基片载体500在正常工艺条件期间在所需转速下转动的同时和在清洗期间建立压差的同时都不滑移。
基片载体500也包括竖向边沿508，该竖向边沿508与转动介电支架108的内表面对准。竖向边沿508的位置和尺寸设定成用以使得基片载体500当它在正常工艺条件期间在所需转速下正在转动的同时不摆动。介电支架108的热膨胀系数与基片载体500的热膨胀系数相比非常低。因此，随着基片载体500的温度按斜率升高到工艺温度，基片载体500膨胀，并且在竖向边沿508与转动的介电支架108的内壁之间的间隙减小，由此更牢固地保持基片载体500并减小摆动。
单晶片基片载体500的侧视图更清楚地示出圆化边缘502。基片载体500的圆化边缘502具有多个特征和优点。基片载体500的圆化边缘502减小在边缘502处基片载体500的表面面积。表面面积的减 少导致在边缘502处的较小热质量，并因此，导致在基片载体500的边缘502处的较小热损失。具体地说，在边缘502处将具有显著较低辐射热损失。
另外，基片载体500的圆化边缘502导致工艺气体在边缘502的表面上的较均匀流动。在边缘502处工艺气体的较均匀流动，增进跨过被处理的基片的表面流动的工艺气体的均匀性。此外，圆化边缘502减小将基片载体的边缘502加热到与基片载体500的内部部分相比更高温度的需要，因为圆化边缘502在正常操作条件期间将辐射少得多的热量。
此外，在图4中所示的单基片载体500的侧视图更清楚地示出用来接纳基片的凹入区域504。凹入区域504的深度和凹入区域504的底部表面的平坦度是重要变量，这些重要变量确定跨过被处理的基片的温度均匀性，并因此确定由CVD生长的薄膜的厚度均匀性。更具体地说，在基片的生长表面处的温度依赖于基片载体500的温度，并且依赖于在基片载体500与基片之间的热传递。
热传递可通过传导、对流、辐射、或通过各热传递机理的组合而发生。热传递的传导和对流模型对于CVD处理不是特别准确。传导模型对于较小基片最准确，其中，典型地在基片与基片载体之间仅有比较小的间隙，其在50-100微米的量级上。混合传导-对流模型假定，热传递通过传导和对流两者而发生。这种模型对于较大基片较准确，其中，在基片与基片载体之间可以有较大间隙，该较大间隙可以在300-500微米的量级上。例如，八英寸基片可以具有在基片与基片载体之间的比较大间隙，其导致传导和对流两种热传递的显著量。热传递的辐射模型假定，热传递通过辐射而发生。这种模型对于使用不透明基片(如硅基片)的一些工艺过程较准确。
基片的生长表面的温度也受在材料处理系统中的多个其它不均匀性的影响。例如，基片的生长表面的温度受工艺气体流动在基片上的不均匀性、在处理室的壁附近的边缘效应以及在处理系统中的多个其它缺陷和非对称性的影响。
另外，基片的形状影响基片的生长表面的温度。具体地说，基片通常不是完全圆的。基片典型地包括平坦的定向，并且它们在处理期间也倾向于弓曲和翘曲。基片弓曲是自由未夹持基片的中间表面的中心点与中间表面基准平面的偏差，该中间表面基准平面由三个点建立，这三个点在圆上等距地间隔开，该圆具有比基片的名义直径小的规定量的直径。像弓曲那样，翘曲是在自由未夹持基片的中间表面离基准地方的最大和最小距离之差的测量。基片的弓曲和翘曲是多个因素的函数，这些因素如基片的内部应力、沉积温度、在基片上生长的结构以及在处理室中的温度梯度。
多种材料处理要求非常高的生产率，以在业内具有竞争性。例如，高度希望的是，实现LED和半导体激光器件的高工艺生产率，使这些器件在业内具有竞争性。具体地说，当前在业内有改进制造LED和半导体激光器件的VPE工艺过程的生产率的需要。对于多种LED和半导体激光器用途，关键是实现在几纳米内的精确发射波长，该精确发射波长相对于时间是稳定的。具有在一定狭窄预定范围外的发射波长的器件将被丢弃或者折价销售，这会降低目标工艺过程生产率。
这些器件的发射波长强烈地依赖于生长温度，并且依赖于半导体层的至少一些的固相成分。具体地说，生长具有所需发射波长和光学性质的多种量子阱结构要求对于温度、层厚度以及在基片的生长表面处的成分的精确控制。因此，生长温度必须精确地控制，以在基片的整个生长表面上实现均匀材料性质，以便实现高工艺过程生产率。即使温度在基片上是完全均匀的，由于在沉积室内的气相消耗或成分差别，发射波长也仍然可能有显著的变化。因此，有时希望的是，故意诱导温度不均匀性，以补偿气相和其它不均匀性。在多种情况下，希望的是，使用温度作为控制变量，因为局部气相成分不能被容易地操纵。
因此，本讲授的一个方面是一种制造或修改这里描述的基片载体的方法，以修改在由基片载体支承的基片上的温度均匀性。在本讲授的各个实施例中，温度均匀性可以被增进或故意地降低，以便改进工 艺性能。因而，在本讲授的一些方法中，将基片载体500构造或修改成，与基片的表面的曲率相匹配，从而基片在生长表面处具有更均匀的温度。在另一些方法中，将基片载体构造或修改成，在由基片载体支承的基片上提供预定温度分布。
在多种情况下难以准确地测量和控制被处理的基片的温度、和/或在处理室中的局部气相成分，以便得到构造或修改基片载体所需的信息，从而补偿在基片的表面上的不均匀性和补偿在处理系统中的其它不均匀性。当基片是光学透明的时，温度测量是特别困难的。根据本讲授的一种修改基片载体以增进处理性能的一种方法包括在基片上构造的基片或器件的后生长测量或分析。从测量和分析得到的结果数据然后用来修改基片载体，或者用来构造具有一些尺寸规格的新基片载体，这些尺寸规格补偿与基片相关联的不均匀工艺参数，如温度和/或气相不均匀性，这些不均匀工艺参数归因于在处理系统中的不均匀性。
在根据本讲授的方法中，在基片上构造的器件的一个或更多个参数作为它们在基片载体上的对应位置的函数而测量，该基片定位在基片载体500上。参数可以是任何类型的参数，包括但不限于光学参数、电气参数、或电气-光学参数。例如，参数可以是电气或光学器件的性能度量。在一个具体实施例中，测量的参数是由光学器件(如发光二极管或半导体激光器)产生的光学发射的波长。从测量和分析得到的结果数据然后用来修改基片载体500，或者用来构造新基片载体500，该新基片载体500可用来构造具有所需特性的器件。可以通过在预定区域中除去材料、或通过在预定区域中添加材料、或在各种预定区域中除去和添加材料的任何组合，而修改基片载体500。添加的材料可以是与基片载体500的材料相同的材料，或者可以是不同材料。
在一个实施例中，根据本讲授，基片载体500具有用来在处理期间支承基片的多台阶凹口。本讲授的一个方面是，台阶高度和/或在台阶下的基片载体500的导热率的很小变化，可以改变在基片的生长表面处的温度，从而它具有较均匀温度分布，或者具有预定的所需温度 分布。见例如在2009年12月2日提交的、标题为“用来增进基片载体的性能的方法”的美国专利申请No.12/629,467，该专利申请转让给本受让人。美国专利申请No.12/629,467的全部说明书通过参考包括在这里。
本讲授的另一个方面是，设有开槽的介电支架108可用来提供用于化学气相沉积的基片载体110的机械对中。机械锁定提供在基片载体110与介电支架108之间，以便增进机械对中并且在处理期间减小偏心度。偏心度是引起加热不均匀和最终器件处理不均匀的显著因素，并且会导致薄膜堆叠完整性的缺少。
图8A和8B所示的是配有一些销的介电支架180和基片载体190，在它们正由转台转动的同时，这些销更牢固地将基片载体190连结至介电支架180。参照图8A和8B两者，图8A所示的是介电支架180的立体图，根据本讲授，该介电支架180包括槽口182。其用来将基片载体190以机械方式锁定至介电支架180。在各种实施例中，槽口182可以按各种长度从介电支架180的顶部向下而设置，以增进设计的机械同心性。将基片载体190以机械方式锁定至介电支架180采用多个销192完成。在一些具体实施例中，使用三个或四个锁定销192。图8B所示的是基片载体190的立体图，该基片载体190包括销192，这些销192锁定到介电支架180的顶部中。
在另一些实施例中，可使用锁定机构，该锁定机构包括在基片载体110、190上的切口。例如，可使用在基片载体110、190上的切口，该切口与从介电支架108、180突出的支柱相联接。使用这样一种机构要求，将介电支架108、180和基片载体110、190预先定位，这增加工艺过程的复杂性和时间，但与仅使用设有开槽的介电支架相比，具有对于速度不敏感的优点。
等效方式
尽管联系各种实施例描述了本申请人的讲授，本申请人的讲授并非要限于这样的实施例。相反，本申请人的讲授应涵盖将由本领域的 技术人员认识到的、不脱离本讲授的精神和范围的各种可选择例、修改以及等效方式。

Claims (28)

1.一种用于化学气相沉积的转盘反应器，所述反应器包括：
a)真空室；
b)铁磁流体穿通件，马达轴通过所述铁磁流体穿通件进入真空室中，所述铁磁流体穿通件包括上部和下部铁磁流体密封件；
c)马达，其定位在所述上部和下部铁磁流体密封件之间的大气区域中，所述马达联接至所述马达轴；
d)转台，其定位在所述真空室中，并且联接至所述马达轴，从而所述马达按所需转速转动所述转台；
e)介电支架，其联接至所述转台，从而所述转台当由所述轴驱动时转动所述介电支架；
f)基片载体，其定位在所述介电支架上，所述基片载体在用于化学气相沉积处理的所述真空室中支承基片；以及
g)加热器，其定位成靠近所述基片载体，所述加热器将所述基片载体的温度控制到化学气相沉积工艺过程所需的温度；
其中，所述介电支架由一种材料形成，这种材料在被处理的基片与所述真空室中的冷区域之间形成隔热屏障。
2.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述铁磁流体穿通件形成空心导管，所述空心导管用来使电极或冷却管线中的至少一者通过，所述电极向所述加热器供电，所述冷却管线控制在所述真空室中的温度。
3.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述马达直接联接至所述马达轴。
4.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述马达轴以机械方式联接至所述转台。
5.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述马达轴以磁性方式联接至所述转台。
6.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述马达轴在偏离所述转台的转动中心的区域中联接至所述转台。
7.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述马达轴由介电材料形成。
8.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述介电支架用柔性紧固件联接至所述转台。
9.根据权利要求8所述的反应器，其中，所述柔性紧固件包括倾斜螺旋弹簧，该倾斜螺旋弹簧将所述介电支架对中并且锁定至所述转台。
10.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述介电支架由介电材料形成，该介电材料具有小于10W/(m·K)的导热率。
11.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述介电支架由石英形成。
12.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述介电支架包括圆柱形外表面。
13.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述基片载体通过在所述介电支架的顶部表面与所述基片载体的底部表面之间的摩擦而被保持在所述介电支架的顶部上。
14.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述基片载体包括单基片载体。
15.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述加热器定位在所述介电支架内部、靠近所述基片载体。
16.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述加热器包括至少两个独立加热区。
17.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述加热器包括石墨加热器。
18.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述加热器包括盘管式加热器，该盘管式加热器由钨或铼中的至少一者形成。
19.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述介电支架设有开槽。
20.根据权利要求19所述的反应器，还包括锁定销，所述锁定销将设有开槽的介电支架固定至所述基片载体。
21.一种化学气相沉积的方法，所述方法包括：
a)提供铁磁流体穿通件，该铁磁流体穿通件包括上部和下部铁磁流体密封件，马达轴通过该铁磁流体穿通件进入真空室中；
b)将马达联接至所述马达轴，该马达定位在所述上部和下部铁磁流体密封件之间的大气区域中；
c)将定位在所述真空室中的转台联接至所述马达轴，从而所述马达轴转动所述转台；
d)将介电支架联接至所述转台；
e)将支承至少一个基片的基片载体联接至所述介电支架，从而所述马达轴以化学气相沉积处理所需的转速转动所述转台、所述介电支架以及所述基片载体；
f)将由所述基片载体支承的至少一个基片加热到化学气相沉积处理所需的工艺温度；以及
g)将工艺气体引入到靠近所述至少一个基片的反应区域中，由此在所述至少一个基片的表面上形成化学气相沉积反应；
其中，所述介电支架由一种材料形成，这种材料在被处理的基片与所述真空室中的冷区域之间形成隔热屏障。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，定位在所述真空室中的所述转台对于所述马达轴的联接包括机械联接。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，定位在所述真空室中的所述转台对于所述马达轴的联接包括磁性联接。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，定位在所述真空室中的所述转台对于所述马达轴的联接包括在偏离所述转台的转动中心的区域中的联接。
25.根据权利要求21所述的方法，其中，支承至少一个基片的所述基片载体对于所述介电支架的联接包括只利用在所述介电支架的顶部表面与所述基片载体的底部表面之间的摩擦的联接。
26.根据权利要求21所述的方法，还包括防止工艺气体流动到所述介电支架内部。
27.根据权利要求21所述的方法，还包括将所述介电支架柔性地联接至所述转台。
28.根据权利要求21所述的方法，其中，将所述基片载体上的所述至少一个基片加热到所需工艺温度包括在至少两个独立加热区中加热所述至少一个基片。
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