CN104911565A - 一种化学气相沉积装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种化学气相沉积装置，包括一反应腔，所述反应腔顶端设置一气体喷淋头，所述气体喷淋头下方设置一通过旋转轴支撑的基片托盘，将基片托盘设置为主体托盘和环绕所述主体托盘的边缘环，利用边缘环的隔热屏蔽作用，降低了主体托盘的热量向反应腔侧壁的辐射散失，同时，降低了对边缘区域的加热器的功率和温度的要求，延长了加热器的使用寿命，有效的维持了基片托盘的温度均匀。

Description

一种化学气相沉积装置

技术领域

本发明涉及制造半导体器件，尤其涉及一种在诸如基片等衬底上生长外延层或进行化学气相沉积的装置。

背景技术

化学气相沉积（CVD）反应器，特别是金属有机化学气相沉积（MOCVD）反应器是生产光学器件如发光二极管（LED）外延芯片的主要设备。典型的化学气相沉积（CVD）和金属有机化学气相沉积（MOCVD）反应器都需要在沉积时转动放置有加工基片的承载盘，从而为基片提供均一的沉积效果。一种典型的气相沉积反应器结构为，由反应腔侧壁环绕围成的反应腔，反应腔内包括旋转轴，安放有若干基片的基片托盘安装在旋转轴的顶端。反应腔顶部包括气体喷淋头，用于将反应气体从反应气体源均匀注入反应腔，实现对基片的加工处理，反应腔下方还包括一个抽气装置以控制反应腔内部气压并抽走反应过程中产生的废气。

在MOCVD反应过程中，不仅气体种类和气流对沉积效果影响很大，而且温度分布也是影响晶体结构形成的重要因素。在上文所述的反应腔中，基片托盘边缘位置靠近反应腔侧壁，基片托盘通常工作在500～1500摄氏度的环境中，由于反应腔侧壁内设有冷却液通道，温度大大低于基片托盘的工作温度，因此基片托盘与反应腔侧壁间温差较大，导致基片托盘边缘位置辐射热量损失严重，影响基片托盘的温度均匀性。为了保证基片托盘的温度均匀，基片托盘边缘位置下方区域的加热器必须长时间保持高温度，高功率状态，以弥补设有冷却液通道的反应腔侧壁对基片托盘边缘位置温度的影响，因此对基片托盘边缘位置下方的加热器的材料与寿命要求比较特殊，增加了加热器的成本。另外，在升温或降温过程中，如果基片托盘边缘位置下方的加热器温度控制不当，会导致基片托盘边缘位置和中心位置温差过大，可能会对基片托盘造成破坏。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种化学气相沉积装置，包括一反应腔，所述反应腔顶端设置一气体喷淋头，所述气体喷淋头下方设置一通过旋转轴支撑的基片托盘，所述基片托盘下方设置加热器，所述基片托盘包括一主体托盘和环绕所述主体托盘的边缘环，所述边缘环下方设置环绕所述加热器的隔热屏，所述边缘环的表面发射率小于等于所述托盘主体的表面发射率。所述反应腔下方设置一抽气装置，反应气体通过所述气体喷淋头大致与所述基片垂直的注入所述反应腔内，与基片反应后，反应副产物通过所述抽气装置排出所述反应腔，在所述反应腔内，气流的方向是自上而下的，有利于反应气体最大面积的和所述基片接触实现沉积反应。

优选的，所述主体托盘包括一支撑基片的上表面，所述主体托盘的外围设置一表面低于所述上表面的延伸部，所述边缘环至少部分的放置于所述延伸部表面上。

优选的，所述边缘环包括一上表面，所述边缘环的上表面高于或持平于所述主体托盘的上表面。以实现所述边缘环对所述主体托盘的有效隔热作用。

优选的，所述延伸部包括一下表面，所述边缘环包括一下表面，所述延伸部的下表面和所述边缘环的下表面位于同一水平面内。便于将所述边缘环和所述主体托盘一起移出所述反应腔。

优选的，所述隔热屏位于所述边缘环下表面下方，所述隔热屏靠近所述边缘环下表面一端到所述边缘环下表面距离大于等于2mm。以便于留出位置供机械装置将所述边缘环和所述主体托盘一起移出所述反应腔。

优选的，所述加热器包括第一区加热器和第二区加热器，所述第一区加热器和所述第二区加热器温度可独立控制。

优选的，所述加热器还包括第三区加热器，所述第三区加热器与所述第一区加热器和第二区加热器的材料为相同或不同。

优选的，所述边缘环设置为一片式圆环。

优选的，所述边缘环包括至少两段并机械连接为一片圆环。

优选的，所述主体托盘的材料为碳化硅或涂覆有碳化硅薄膜的石墨，所述边缘环的材料为陶瓷或非透明石英或与主体托盘相同的材料。

本发明的优点在于：本发明通过将所述基片托盘设置为主体托盘和环绕所述主体托盘的边缘环，利用边缘环的隔热屏蔽作用，降低了主体托盘的热量向反应腔侧壁的辐射散失，同时，降低了对边缘区域的加热器的功率和温度的要求，延长了加热器的使用寿命，有效的维持了基片托盘的温度均匀，节省了设备成本。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

如下附图构成了本说明书的一部分，和说明书一起列举了不同的实施例，以解释和阐明本发明的宗旨。以下附图并没有描绘出具体实施例的所有技术特征，也没有描绘出部件的实际大小和真实比例。

图1示出一种化学气相沉积装置的结构示意图；

图2示出基片托盘和反应腔侧壁的局部放大示意图；

图3示出一片式边缘环结构示意图；

图4a-4c示出一种实施例的分段式边缘环结构示意图；

图5a-5c示出另一实施例的分段式边缘环结构示意图；

图6a-6b示出另一实施例的分段式边缘环结构示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种化学气相沉积装置，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

图1示出本发明所述化学气相沉积装置的结构示意图，所述装置包括反应腔100，反应腔100包括环绕所述反应腔100的反应腔侧壁101，反应腔100内还包括旋转轴108，安放有若干基片105的基片托盘120安装在转轴108的顶端，加热器130位于基片托盘120的下方并围绕旋转轴108而设置。反应腔100顶部包括气体喷淋头60，用于将来自第一反应气源41的气体通过管道43以及来自第二反应气源42的气体通过管道44均匀地分布到反应腔100内的基片托盘120上方。反应腔100下方还包括一个抽气装置70以控制反应腔100内部气压并抽走反应过程中产生的废气。在图1所示的反应腔100内，反应气体经气体喷淋头60进入反应腔100，在反应腔100内完成对基片105的加工处理，反应副产物经过基片托盘120和反应腔侧壁101之间的空隙经抽气装置70排出反应腔100。在本实施例中，反应腔100内的气体流动为自气体喷淋头60至抽气装置70，反应气体沿大致垂直于基片105和基片托盘120的方向对基片进行加工处理，保证了反应气体与基片之间最大的接触面积，提高了化学气相沉积的效率。

本实施例中，基片托盘120下方设置加热器130，加热器130围绕旋转轴108设置，由于基片托盘的面积较大，为了保证整个基片托盘的温度均匀，本实施例的加热器130设置为分区控制的方式，包括至少第一区加热器131和环绕所述第一区加热器的第二区加热器132。在另外的实施例中，还可以设置第三区加热器。第一区加热器131和第二区加热器132可以实现独立的温度控制，不同加热区的加热器的材料和控制方式可以相同，也可以为不同。在正常工作条件下，加热器130需要加热基片托盘的温度至500～1500摄氏度之间，为避免加热器130的热量传递到反应腔侧壁101造成整台反应器设备的温度过高，需要在加热器130和反应腔侧壁101之间设置隔热屏140，进一步的，为了降低反应腔侧壁101可能发生的温度过高问题，在反应腔侧壁101内设置冷却渠道102，对反应腔侧壁进一步降温。

由于反应腔侧壁101内部设置冷却渠道102，反应腔侧壁101的温度通常接近于室温，而基片托盘120正常工作时温度为500～1500摄氏度之间，远远高于反应腔侧壁101的温度，而且，由于基片托盘在沉积工艺结束后需要在机械手10的帮助下移出反应腔100，因此反应腔100内的隔热屏140高度不能超过基片托盘的上表面，进一步的，为了方便机械手10的进出，隔热屏140到基片托盘边缘区域的下表面距离大于等于2mm。基于上述原因，基片托盘120靠近反应腔侧壁101的边缘区域与反应腔侧壁101之间的温差较大，导致基片托盘边缘区域辐射热量损失严重，容易造成基片托盘120的温度不均匀，为了维持不同区域基片托盘120的温度均匀，基片托盘边缘区域下方对应的加热器相对于中心区域下方的加热器必须长时间保持更高温度，更高功率状态，因此对基片托盘边缘区域下方对应的加热器的材料与寿命有特殊要求，这也增加了加热器和整台设备的成本，此外，伴随着升温或降温的过程，如果边缘区域的加热器温度控制不当，极易造成基片托盘边缘区域温度骤降，发生基片托盘破裂等损坏基片托盘的现象。

图2示出本发明基片托盘和反应腔侧壁的局部放大示意图，在图2所示的示意图中，基片托盘120包括位于中心区域的主体托盘121和环绕主体托盘121设置的边缘环122，主体托盘121包括一支撑基片的上表面1211，主体托盘121的外围设置延伸部125，延伸部125包括一上表面1251和一下表面1252，上表面1251低于主体托盘121的上表面1211，边缘环122包括一上表面1221，本实施例中，边缘环122的上表面1221和主体托盘121的上表面位于同一水平面上，在另外的实施例中，边缘环122的上表面1221可以高于主体托盘121的上表面。边缘环122还包括一第三表面1223，第三表面1223与延伸部125的上表面1251相接处，实现延伸部125对边缘环122的支撑作用。边缘环122的下表面1222与延伸部125的下表面1252位于同一高于主体托盘121下表面1212的水平面内，以便于机械手10托住边缘环122的下表面1222与延伸部125的下表面1252将基片托盘120移出反应腔100。在另外的实施例中，所述边缘环的下表面1222可以高于所述延伸部125的下表面1252。

主体托盘121和边缘环122的材料可以相同也可以为不同，本实施例中，边缘环122到反应腔侧壁101的距离与不设置边缘环122时基片托盘120边缘区域到反应腔侧壁101的距离大致相同，以避免距离改变对反应腔100内的气流产生影响，影响沉积工艺。本实施例中，通过将现有技术中整片的基片托盘设置为主体托盘121和环绕主体托盘121的边缘环122，相当于在主体托盘的边缘区域增加了一个隔热屏，主体托盘121的热量通过传导与辐射传递给边缘环122，边缘环再通过辐射将热量传递到反应腔侧壁101，通过边缘环的隔热屏蔽与缓冲作用，可以降低主体托盘121受反应腔侧壁影响的敏感度，有效的减少主体托盘的热量损耗，同时，可以降低第二区加热器132的功率与温度，

增加使用寿命。具体来说，将主体托盘作为一个发热体，其向外辐射的热辐射能量q的公式为：

q＝ε₁σT₁ ⁴

q:热辐射能量；

ε₁:发热体的表面发射率；

σ:史蒂芬-玻尔兹曼常数；

T₁:发热体的绝对温度；

当在主体托盘121外围设置边缘环122时，边缘环122可以作为发热体121的隔热屏，此时，发热体主体托盘121的热辐射能量公式为：

$q={\mathrm{\ϵ}}_1\mathrm{\σ}{T_1}^4\left(\frac{1}{1+\frac{{2\mathrm{\ϵ}}_1}{{\mathrm{\ϵ}}_2}-{\mathrm{\ϵ}}_1}\right)$

q:热辐射能量；

ε₁:发热体的表面发射率；

ε₂:隔热屏的表面发射率；

σ:史蒂芬-玻尔兹曼常数；

T₁:发热体的绝对温度；

由上述两组公式可以看出，增加边缘环122后，发热体主体托盘121热辐射能量变为原来的当主体托盘121和边缘环122材料相同时，认定二者的表面发射率相同，假设为1，因此，发热体主体托盘121的热辐射能量为不设置隔热屏时的一半。优选的，选择边缘环122表面发射率小于主体托盘121表面发射率的材料，可以更明显的降低主体托盘的热辐射能量。常用的主体托盘121的材料为碳化硅或涂覆有碳化硅薄膜的石墨，边缘环122的材料可以为陶瓷或非透明石英或与主体托盘121相同的材料。

图3示出本实施例中，边缘环122为一片式圆环设置，通过主体托盘121上的延伸部125的支撑与主体托盘121固定，在另外的实施例中，如图4a-图6b所述的实施例，为了便于加工制作和节约成本，边缘环可以设计为多个部件拼接成圆环的方式。

图4a-图4c描述了一种实施例的分段式边缘环结构示意图，图4a示出其中一段边缘环的结构示意图，在每段边缘环的第三表面1223上设置若干凸起部1225，对应的，在主体托盘的延伸部125上表面1251设置大小深度和凸起部1225对应的小孔1255，如图4b所示，将每段边缘环放置在延伸部125上，使凸起部1225插入小孔1255内，完成边缘环的拼接和与主体托盘的固定。图4c示出拼接完成的边缘环122结构示意图。

图5a-图5c描述了另一种实施例的分段式边缘环结构示意图，图5a示出相邻两段边缘环的结构示意图，在相邻的两段边缘环的接头位置，其中一段边缘环的两端自第三表面1223向上表面1221凹陷一定距离，并在凹陷后的位置设置小孔1224，对应的，相邻的另一段边缘环自上表面1221向第三表面1223凹陷一定距离，并在凹陷后的位置设置小孔1226，安装时，将小孔1224所在的一端边缘环放置在小孔1226所在边缘环的上方，通过一插销1227重叠插入两个小孔内，实现两段边缘环的连接固定。图5b示出若干段边缘环与主体托盘的结构示意图，图5c示出连接后的边缘环结构示意图。

图6a-图6b描述了另一种实施例的分段式边缘环结构示意图，图6a示出若干段边缘环与主体托盘的结构示意图，在图6a中，每段边缘环的两端分别设置一个小孔1228，小孔1228可以设置在边缘环的上表面1221上也可以设置在边缘环122的侧壁上，通过链接扣1229扣住相邻两段边缘环的小孔1228实现若干段边缘环的连接，连接后放置在主体托盘121的延伸部125上实现边缘环122和主体托盘121的固定。

上述几个实施例示例性的描述了边缘环122除了设置为一个整体环还可以分段设计的理念，采用分段式设计的边缘环可以降低加工难度和成本，有利于整台设备的成本降低，本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种化学气相沉积装置，包括一反应腔，所述反应腔顶端设置一气体喷淋头，所述气体喷淋头下方设置一通过旋转轴支撑的基片托盘，所述基片托盘下方设置加热器，其特征在于：所述基片托盘包括一主体托盘和环绕所述主体托盘的边缘环，所述边缘环下方设置环绕所述加热器的隔热屏，所述边缘环的表面发射率小于等于所述托盘主体的表面发射率。

2.根据权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于：所述主体托盘包括一支撑基片的上表面，所述主体托盘的外围设置一表面低于所述上表面的延伸部，所述边缘环至少部分的放置于所述延伸部表面上。

3.根据权利要求2所述的化学气相沉积装置，其特征在于：所述边缘环包括一上表面，所述边缘环的上表面高于或持平于所述主体托盘的上表面。

4.根据权利要求2所述的化学气相沉积装置，其特征在于：所述延伸部包括一下表面，所述边缘环包括一下表面，所述延伸部的下表面和所述边缘环的下表面位于同一水平面内。

5.根据权利要求4所述的化学气相沉积装置，其特征在于：所述隔热屏位于所述边缘环下表面下方，所述隔热屏靠近所述边缘环下表面一端距所述边缘环下表面距离大于等于2mm。

6.根据权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于：所述加热器包括第一区加热器和第二区加热器，所述第一区加热器和所述第二区加热器温度可独立控制。

7.根据权利要求6所述的化学气相沉积装置，其特征在于：所述加热器还包括第三区加热器，所述第三区加热器与所述第一区加热器和第二区加热器的材料为相同或不同。

8.根据权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于：所述边缘环设置为一片式圆环。

9.根据权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于：所述边缘环包括至少两段并机械连接为一片圆环。

10.根据权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于：所述主体托盘的材料为碳化硅或涂覆有碳化硅薄膜的石墨，所述边缘环的材料为陶瓷或非透明石英或与主体托盘相同的材料。