CN104513971A - 反应腔室及等离子体加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种反应腔室及等离子体加工设备，在反应腔室内设置有采用导磁材料制作的承载被加工工件的多层托盘，且沿竖直方向间隔设置，其包括对托盘进行加热的加热单元，加热单元包括交流电源、环绕设置在反应腔室的侧壁外侧的加热线圈和辅助线圈，加热线圈位于与多层托盘所在区域相对应的位置，且与交流电源连接，采用感应加热的方式对托盘进行加热；采用自身为闭合回路结构的辅助线圈位于加热线圈的顶端上方和/或底端下方，用以在加热线圈通入交流电时形成感应磁场，用于调整由加热线圈形成的交变磁场的分布，以使各层托盘的径向温度趋于均匀。本发明提供的反应腔室，其可以提高被加工工件温度的均匀性，从而可以提高工艺质量和良品率。

Description

反应腔室及等离子体加工设备

技术领域

本发明属于半导体设备制造领域，具体涉及一种反应腔室及等离

子体加工设备。

背景技术

金属有机化学气相沉积（Metal-organic Chemical VaporDeposition，以下简称MOCVD）是在气相外延生长的基础上发展起来的一种新型气相生长技术，其可以精确控制外延层的厚度和组分，是目前生产光电器件的关键技术。MOCVD设备的工艺质量与反应腔室内气流和温度的均匀性有关，温度的均匀性尤其是指托盘上承载被加工工件的区域的温度均匀性。

目前，通常采用立式结构的MOCVD设备，其借助设置多层承载托盘，可以大幅度的增加MOCVD设备的产能。图1为现有的MOCVD设备的结构简图。图2为图1中MOCVD设备的磁场分布图。请一并参阅图1和图2，MOCVD设备包括反应腔室1，在反应腔室1内沿其竖直方向间隔设置有多层由石墨制成的承载托盘2，用于承载被加工工件，并且，在最上层承载托盘的上方以及最下层承载托盘的下方，且沿着反应腔室竖直方向间隔设置的多个辅助托盘5，辅助托盘5与托盘2相对设置；而且，在反应腔室1内还设置有中央进气管3，中央进气管3沿竖直方向贯穿每层位于承载托盘2上方的辅助托盘5和承载托盘2，中央进气管3用于向每层承载托盘2输送工艺气体，以使工艺气体与位于承载托盘2上的被加工工件反应，从而在被加工工件的上表面形成工艺所需的薄膜。此外，在反应腔室1的外周壁的外侧环绕设置有加热线圈4，且加热线圈4位于与多层承载托盘2所在区域相对应的位置，加热线圈4与交流电源（图中未示出）电连接，交流电源在对应于加热线圈4的区域内产生交变磁场，如图2所示，这使得在交变磁场下承载托盘2内部感应出能够产生热量的涡电流，从而间接地将承载在承载托盘2上的被加工工件加热至工艺所需的温度。

然而，上述MOCVD设备在实际应用中不可避免地存在以下问题，即：如图2所示，由于交变磁场的磁力线在靠近加热线圈4的区域比远离加热线圈4的区域分布密集，导致托盘2的边缘区域所处的磁场强度大于中心区域所处的磁场强度，从而导致托盘2的边缘区域感应出的涡电流多于中心区域，这就造成托盘2边缘区域的温度高于中心区域的温度，导致托盘2沿径向上的温度不均匀，从而造成承载在托盘2上表面上的被加工工件的温度不均匀，进而导致工艺质量差和良品率低。而且，为了提高被加工工件温度的均匀性，可借助托盘2自身的热传导和相邻托盘2之间的热辐射使其中心区域与边缘区域的温度尽量接近，这就需要花费较长的均温时间和增设保温设施，从而使得工艺时间长、生产成本高。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，提供了一种反应腔室及等离子体加工设备，其可以提高被加工工件温度的均匀性，从而可以提高工艺质量和良品率。

本发明提供了一种反应腔室，在所述反应腔室内设置有采用导磁材料制作的多层托盘，且沿竖直方向间隔设置，用以承载被加工工件；并且，所述反应腔室包括加热单元，用以对所述托盘进行加热，所述加热单元包括交流电源、环绕设置在所述反应腔室的侧壁外侧的加热线圈和辅助线圈，其中所述加热线圈位于与所述多层托盘所在区域相对应的位置，且与所述交流电源连接，用以采用感应加热的方式对所述托盘进行加热；所述辅助线圈位于所述加热线圈的顶端上方和/或底端下方，所述辅助线圈自身采用闭合回路结构，用以在所述加热线圈通入交流电时形成感应磁场，所述感应磁场用于调整由所述加热线圈形成的交变磁场的分布，以使各层所述托盘的径向温度趋于均匀。

其中，位于所述加热线圈的顶端上方的所述辅助线圈的数量为一个或者多个，多个所述辅助线圈彼此独立，且每个所述辅助线圈为螺旋缠绕的至少一匝的闭合线圈，和/或，位于所述加热线圈的底端下方的所述辅助线圈的数量为一个或者多个，多个所述辅助线圈彼此独立，且每个所述辅助线圈为螺旋缠绕的至少一匝的闭合线圈。

其中，所述反应腔室还包括闭合开关，所述闭合开关的数量与所述辅助线圈的数量一一对应，且每个所述闭合开关设置在与之对应的所述辅助线圈上，用于接通或断开由所述辅助线圈形成的闭合回路。

其中，所述反应腔室还包括控制单元，所述控制单元用于控制所述辅助线圈自身回路结构以设定的频率断开或闭合。

其中，在所述反应腔室内，且位于与所述辅助线圈所在区域相对应的位置设置有一层或多层辅助托盘，且所述多层辅助托盘沿竖直方向间隔设置。

其中，所述交流电源的频率范围在1K～20KHZ。

其中，所述加热线圈包括铜线圈或者紫铜管。

其中，所述加热线圈的径向截面的形状包括圆形或者方形。

其中，所述辅助线圈所采用的材料包括不锈钢。

其中，所述辅助线圈的径向截面的形状包括圆形或者方形。

本发明还提供一种等离子体加工设备，包括反应腔室，所述反应腔室采用本发明提供的上述反应腔室。

本发明具有下述有益效果：

本发明提供的反应腔室，其借助设置在加热线圈的顶端上方和/或底端下方的自身采用闭合回路结构的辅助线圈，用以在加热线圈通入交流电时形成感应磁场，由于感应磁场的磁场方向永远与交变磁场的磁场方向相反，这使得感应磁场会对加热线圈形成的交变磁场产生排斥作用，可以在一定程度上调整由加热线圈形成的交变磁场的分布，使得交变磁场的磁力线在每层托盘的径向方向上分布均匀，因而可以使各层托盘的径向温度趋于均匀，从而可以提高被加工工件温度的均匀性，进而可以提高工艺质量和良品率。

本发明提供的等离子体加工设备，其通过采用本发明提供的反应腔室，可以提高被加工工件温度的均匀性，从而可以提高工艺质量和良品率。

附图说明

图1为现有的MOCVD设备的结构简图；

图2为图1中MOCVD设备的磁场分布图；

图3为本发明第一实施例提供的反应腔室的结构简图；

图4为图3中反应腔室内的磁场分布图；以及

图5为本发明第二实施例提供的反应腔室的结构简图。

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提供的反应腔室及等离子体加工设备进行详细描述。

图3为本发明第一实施例提供的反应腔室的结构简图。图4为图3中反应腔室内的磁场分布图。请一并参阅图3和图4，在反应腔室10内设置有采用导磁材料制作的多层托盘101，且沿竖直方向间隔设置，用以承载被加工工件；并且，反应腔室10包括加热单元，用以对托盘101进行加热，加热单元包括交流电源（图中未示出）、环绕设置在反应腔室10的侧壁外侧的加热线圈102和辅助线圈103，其中加热线圈102位于与多层托盘101所在区域相对应的位置，且与交流电源连接，用以采用感应加热的方式对托盘101进行加热，从而间接加热被加工工件，具体地，加热线圈102与交流电源电连接，用以在交流电源接通时在反应腔室10内，且对应于加热线圈102所在的区域形成交变磁场B，交变磁场B在采用导磁材料制作的托盘102内产生涡电流使得托盘101的温度升高，从而实现对托盘101进行加热，进而间接的加热被加工工件。优选地，交流电源的频率范围在1～20KHz。另外，加热线圈102包括采用铜线圈或者紫铜管绕制，并且加热线圈102的横截面的形状包括诸如圆形或者方形等的任意形状。

辅助线圈103位于加热线圈102的顶端上方和底端下方，辅助线圈103自身采用闭合回路结构，用以在加热线圈102通入交流电时形成感应磁场，具体地，加热线圈102通入交流电时在闭合的辅助线圈103内形成感应电流，该感应电流在反应腔室10内，且在对应辅助线圈103的区域内形成感应磁场B1和B2，由于感应磁场B1和B2的磁场方向永远与交变磁场B的磁场方向相反，这使得感应磁场B1和B2会对加热线圈102形成的交变磁场B产生排斥作用，可以在一定程度上调整由加热线圈102形成的交变磁场B的分布，使得交变磁场B的磁力线在每层托盘101的径向方向上分布均匀，因而可以使各层托盘101的径向温度趋于均匀，从而可以提高被加工工件温度的均匀性，进而可以提高工艺质量和良品率。另外，辅助线圈103包括采用不锈钢材料制成，并且辅助线圈103的径向截面的形状包括诸如圆形或者方形等的任意形状。

在本实施例中，位于加热线圈102的顶端上方和底端下方的辅助线圈103的数量均为一个，且为螺旋缠绕的至少一匝的闭合线圈，但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，位于加热线圈102的顶端上方和/或底端下方的辅助线圈103的数量为多个，且多个辅助线圈103彼此独立，每个辅助线圈103为螺旋缠绕的至少一匝的闭合线圈。

此外，由于靠近顶层或者底层的托盘101的热量容易散失，不仅造成与加热线圈102连通的交流电源的加热功率的损耗，从而造成生产成本高；而且散失的热量可能对反应腔室10内的其他部件产生影响，造成反应腔室10内的其他部件损坏，从而使得反应腔室10的稳定性低，因此，优选地，如图1所示，在反应腔室10内，且在托盘101的顶层上方和底层下方设置有一层或多层辅助托盘105，且多层辅助托盘105沿竖直方向间隔设置，借助辅助托盘105可以对多层托盘101进行隔热保温，从而不仅可以降低加热线圈102的加热功率的损耗，而且可以提高反应腔室10的稳定性。

反应腔室10还包括中央进气管106，中央进气管106沿竖直方向依次贯穿多层托盘101的顶层上方的一层或多层辅助托盘105和每层托盘101，并且在中央进气管106上，且位于每层托盘101的上方设置有进气口，用以沿水平方向向反应腔室10的四周喷出工艺气体，工艺气体在流动至被加工工件的上方时与被加工工件发生反应，以实现在被加工工件的表面生成工艺所需的薄膜。在实际应用中，也可以借助导气管与进气口相连通，以使工艺气体从进气口流出经由导气管直接输送至被加工工件的上方，也可以采用其他的工艺气体输送结构，在此不一一列举。

需要说明的是，辅助托盘105可以仅设置在托盘101的顶层上方或底层下方，或者也可以省去辅助托盘105，容易理解，当辅助托盘105设置在底层下方，或者省去辅助托盘105的情况下时，中央进气管106沿竖直方向仅需要依次贯穿每层托盘101，而且，与本实施例相类似，在中央进气管106上，且在每层托盘101的上方设置有进气口，用以沿水平方向向反应腔室10的四周喷出工艺气体；辅助托盘105仅设置在托盘101的顶层上方的情况下时，中央进气管106的设置方式与本实施例中的设置方式相类似，在此不再赘述。

还需要说明的是，在本实施例中，采用闭合回路结构的辅助线圈103设置在加热线圈102的顶端上方和底端下方，但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，采用闭合回路结构的辅助线圈103可以仅设置在加热线圈102的顶端上方或者底端下方，在这种情况下，对应地感应磁场B1或者B2对交变磁场B的产生排斥，可以在一定程度上使交变磁场B的磁力线在托盘101的径向上分布均匀，从而可以在一定程度上调整由加热线圈形成的交变磁场B的分布，从而可以提高被加工工件温度的均匀性，进而可以提高工艺质量和良品率。另外，辅助线圈103的数量可以为一个，且为螺旋缠绕的至少一匝的闭合线圈，或者辅助线圈103的数量可以为多个，且多个辅助线圈103彼此独立，每个辅助线圈103为螺旋缠绕的至少一匝的闭合线圈。

图5为本发明第二实施例提供的反应腔室的结构简图。请参阅图5，本实施例提供的反应腔室与上述第一实施例提供的反应腔室相比，同样包括托盘101、加热线圈102、辅助线圈103、辅助托盘105和中央进气管106，由于托盘101、加热线圈102、辅助线圈103、辅助托盘105和中央进气管106的功能和结构关系在上述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上述第一实施例之间的不同点进行详细地描述：具体地，本实施例与上述第一实施例相比，二者的不同点仅在于：在本实施例中，反应腔室10还包括闭合开关104，并且，闭合开关104的数量与辅助线圈105的数量一一对应，且每个闭合开关104设置在与之对应的辅助线圈105上，用于接通或断开由辅助线圈105形成的闭合回路。

在本实施例中，反应腔室10还包括控制单元，控制单元用于控制辅助线圈105自身回路结构以设定的频率断开或闭合，具体地，控制单元通过控制设置在辅助线圈105上的闭合开关104以设定的频率接通或断开，可以通过自行设定频率来控制辅助线圈105的断开或闭合，以控制辅助线圈105产生的感应磁场对交变磁场B产生影响，可以提高调整加热线圈形成的交变磁场B分布的灵活性。

在进行工艺之前，打开与加热线圈102连接的交流电源，并通过控制单元控制两个闭合开关104同时接通，以实现对托盘101进行均匀加热，进而间接对被加工工件进行均匀加热，直至被加工工件加热至工艺所需的温度，此时，由于被加工工件已经加热至工艺所需的温度，这使得在后续工艺过程中仅需要借助加热线圈102对托盘101进行加热，以通过托盘101的边缘区域和中心区域进行热传导和相邻托盘101之间的热辐射就能够实现被加工工件的温度保持在工艺所需的温度，因此，在被加工工件加热至工艺所需的温度之后，控制单元控制两个闭合开关104同时断开。

需要说明的是，在本实施例中，在进行工艺之前，控制单元控制两个闭合开关104同时连通，在被加工工件加热至工艺所需的温度之后，控制单元控制两个闭合开关104同时断开，但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，控制单元可以在进行工艺之前，控制两个闭合开关104交替的接通，在被加工工件加热至工艺所需的温度之后，控制单元控制两个闭合开关104均断开。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种等离子体加工设备，其包括反应腔室10，该反应腔室10采用了上述第一实施例或第二实施例提供的反应腔室10。

本发明提供的等离子体加工设备，其通过采用上述第一实施例或第二实施例提供的反应腔室10，可以提高被加工工件温度的均匀性，从而可以提高等离子体加工设备的工艺质量和良品率。

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，在不脱离本发明的原理和实质的情况下，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 (11)

1.一种反应腔室，在所述反应腔室内设置有采用导磁材料制作的多层托盘，且沿竖直方向间隔设置，用以承载被加工工件；并且，所述反应腔室包括加热单元，用以对所述托盘进行加热，其特征在于，所述加热单元包括交流电源、环绕设置在所述反应腔室的侧壁外侧的加热线圈和辅助线圈，其中

所述加热线圈位于与所述多层托盘所在区域相对应的位置，且与所述交流电源连接，用以采用感应加热的方式对所述托盘进行加热；

所述辅助线圈位于所述加热线圈的顶端上方和/或底端下方，所述辅助线圈自身采用闭合回路结构，用以在所述加热线圈通入交流电时形成感应磁场，所述感应磁场用于调整由所述加热线圈形成的交变磁场的分布，以使各层所述托盘的径向温度趋于均匀。

2.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，位于所述加热线圈的顶端上方的所述辅助线圈的数量为一个或者多个，多个所述辅助线圈彼此独立，且每个所述辅助线圈为螺旋缠绕的至少一匝的闭合线圈，和/或

位于所述加热线圈的底端下方的所述辅助线圈的数量为一个或者多个，多个所述辅助线圈彼此独立，且每个所述辅助线圈为螺旋缠绕的至少一匝的闭合线圈。

3.根据权利要求2所述的反应腔室，其特征在于，所述反应腔室还包括闭合开关，所述闭合开关的数量与所述辅助线圈的数量一一对应，且每个所述闭合开关设置在与之对应的所述辅助线圈上，用于接通或断开由所述辅助线圈形成的闭合回路。

4.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述反应腔室还包括控制单元，所述控制单元用于控制所述辅助线圈自身回路结构以设定的频率断开或闭合。

5.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，在所述反应腔室内，且位于与所述辅助线圈所在区域相对应的位置设置有一层或多层辅助托盘，且所述多层辅助托盘沿竖直方向间隔设置。

6.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述交流电源的频率范围在1～20KHz。

7.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述加热线圈包括铜线圈或者紫铜管。

8.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述加热线圈的径向截面的形状包括圆形或者方形。

9.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述辅助线圈所采用的材料包括不锈钢。

10.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述辅助线圈的径向截面的形状包括圆形或者方形。

11.一种等离子体加工设备，包括反应腔室，其特征在于，所述反应腔室采用上述权利要求1-10任意一项所述的反应腔室。