CN111411347A - 一种cvd衬底托盘及其拼接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种CVD衬底托盘，由n个矩形衬底载具和n‑1个条状的卡持部件组成，通过拼接槽进行无缝拼接，通过卡持部连接衬底载具，固定衬底。本发明所述的CVD衬底托盘成本低、强度高、不易变形，可以根据需要调节托盘大小，并可降低托盘整体热应力，避免托盘开裂，减少托盘损坏，另外对于损坏的衬底载具可以及时局部更换，降低托盘成本投入并且利用卡持部件设有预留缝隙，防止沉积过程中“桥接”现象出现。

Description

一种CVD衬底托盘及其拼接方法

技术领域

本发明涉及化学气相沉积技术领域，特别涉及用于化学气相沉积工艺的可组装的衬底托盘。

背景技术

CVD技术是化学气相沉积Chemical Vapor Deposition的缩写，化学气相沉积是通过化学反应的方式，利用加热或者等离子激励或光辐射等能源，在反应器内使气态或蒸汽的化学物质在气相或者气固界面上经化学反应形成固态沉积的技术。此项技术大量运用于例如硅、氮化镓等半导体材料的成产过程。

而托盘作为在气相沉积过程中承载衬底的载具，或被设计成仅承载一片衬底的托盘，或被设计成承载多片衬底的托盘。在当今半导体行业竞争日益激烈的情况下，一件托盘上承载多片衬底的单一整体大尺寸托盘为主要选择，其造价十分昂贵。单一固定大尺寸衬底托盘的价格远高于相应拼接数量的小尺寸衬底载具价格，(据悉，1200*800*5mm尺寸托盘仅原料价格即高达10000元/片，而1200*400*5mm尺寸托盘原料价格则为1500元/片)。在实际CVD工艺过程，托盘的安装、拆卸以及衬底的剥离等，极易对衬底托盘造成损坏，特别对于衬底托盘中衬底承载槽的损坏尤为严重。另外，对于高温反应，其工艺过程会使村底托盘内部产生热应力，并发生热膨胀致使单一整体大尺寸衬底托盘更容易发生形变和产生裂纹。以上两种情况均会造成整个衬底托盘报废，导致衬底托盘更换成本非常高。

另外，对于工艺过程中非水平放置的衬底托盘，通常需要对衬底进行固定。例如，公开号为CN104164704A的发明专利公开了一种用于同时处理多片衬底的反应器，该反应器同样包含衬底托盘。该衬底托盘通过肩部固定衬底的带肩螺钉，将多片衬底安装在衬底托盘上。然而，该衬底托盘设计会导致带肩螺钉和衬底之间由于硅沉积而出现桥接现象，桥接时不容易将沉积晶片脱离。

该发明还描述了一种改型之后的衬底托盘，其允许衬底被安装成与衬底托盘的平面成一个小角度。衬底藉由衬底托盘上的小凸缘保持在衬底托盘的凹处，衬底与垂直线的角度约为1至3度(例如，衬底托盘与衬底托盘之间的间隙约为6-10毫米)。该发明不用任何其它连接装置就可以将衬底安装在衬底托盘的凹处，但衬底不能完全固定，很难应用于动态反应器(即具备移动式衬底托盘的反应器)。另外，虽然该发明衬底托盘的结构及其安装形式，可以使相对的衬底表面之间的间距沿工艺气体流动方向递减，补偿沿气体流动方向的气体浓度的减小，但是该设计会使气流在每个承载槽顶部形成空白区域，使小凸缘下方无物料沉积，同时在晶片载盘底端形成涡流，致使衬底沉积不均匀。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了适用于CVD气相沉积的可组装的托盘，该托盘由衬底载具和卡持部件组成的拼接式设计，可以有效降低高温工艺过程中产生的应力和热膨胀，从而极大地提高托盘的使用寿命。同时，此拼接结构对反应器尺寸要求宽松，可以根据反应器大小及产量调节托盘的大小，并且可以在单一衬底载具损坏时进行局部更换，从而降低托盘的成本投入。值得注意的是，本发明所设计的卡持部件可以将衬底完全固定在衬底载具上，可同时适用于静、动态反应器，并且不会产生桥接现象，易于衬底的装载和卸载。本发明尤其适用于组建大型托盘，满足大规模、低成本生产要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种CVD衬底托盘由n个衬底载具和n-1个卡持部件组成：所述衬底载具为矩形；所述衬底载具上设置承载槽；所述卡持部件为条状；位于衬底载具顶部具有用于固定的挂孔。

其中，所述承载槽为正方形、长方形、五边形、六边形、圆形，其中优选正方形。承载槽用于放置衬底，并且承载槽深度不大于衬底的厚度，以防止工艺气体在衬底面上产生空白区和涡流，形成均匀的沉积层。

其中，所述承载槽在衬底载具上为单面布置或为背对双面布置，双面布置便于进行双面沉积，实现高效沉积，并可在两面轮流使用的情况下降低托盘清洗次数，进一步降低成本。而所述衬底载具两侧具有拼接槽，相对于衬底载具中心线呈180°旋转呈镜像，用于多个衬底载具无缝拼接；拼接槽可以为楔形、阶梯型。所述拼接槽上设置至少一个固定插孔。

其中，所述拼接槽进一步优选阶梯形拼接槽，阶梯形拼接槽厚度为衬底载具厚度的1/2。

其中，所述固定插孔为长方形。进一步限定固定两侧拼接槽上插孔呈镜像分布，所述插孔为长方形，

所述卡持部件为条状，左右两侧分别由外到内设置一级台阶、二级台阶、三级台阶，中间设有凸起卡瓣。

其中三级台阶至卡瓣内侧的距离等于村底载具的厚度。

所述中间凸起卡瓣在卡持部件中间呈线性分布，且数量、位置、大小与固定插孔一一相适应。

所述三级台阶距离衬底为0-6mm，优选0.6mm。该距离称为预留缝隙，缝隙大小远高于沉积层厚度，因此可以有效防止硅沉积在衬底和卡持部件中间而发生桥接现象，方便沉积后衬底与托盘的分离。卡持部件此处用于固定衬底载具，具有固定作用。

所述二级台阶内侧安装弹性元件，所述弹性元件优选弹簧，防止衬底厚度不一，影响托盘整体平整度及协调性，从而避免沉积过程中衬底晃动，提高沉积均匀性。

所述衬底载具材料可选择碳陶材料、碳碳复合材料、石墨，或表面涂覆SiC涂层的上述材料，以及SiC材料。进一步优选具有热膨胀系数配合极好的碳化硅和石墨制作成衬底载具。所述SiC涂覆在石墨上。

所述卡持部件材料可选择碳陶材料、碳碳复合材料、石墨，或表面涂覆SiC涂层的上述材料，以及SiC材料。进一步优选具有热膨胀系数配合极好的碳化硅和石墨制作成卡持部件。所述SiC涂覆在石墨上。

所述衬底载具沉积区域上方设置预热区，可以利用预热区对工艺气体进行加热，避免因工艺气体与沉积区温度差异过大而影响沉积速率及沉积的均匀性。

一种CVD衬底托盘的拼接及使用方法：

1.将独立的衬底载具通过拼接槽进行拼接。

2.将衬底放置于单面或双面承载槽中。可以单面沉积外延或双面同时沉积外延。

3.将卡持部件中凸起钩卡瓣一一对应插入衬底载具拼接部位上的固定插孔中，并沿固定插孔长度方向滑动，以实现衬底载具的固定连接，并固定衬底。所述第一台阶固定衬底载具，所述第二台阶固定衬底。

上述拼接及使用方法根据产量和CVD反应器实际情况确定组装托盘的大小。

有益效果：本发明所述的一种CVD衬底托盘与现有技术相比有益效果是：1)本发明采用卡持部件和衬底载具组装的方式，可以显著降低托盘成本；2)可调节托盘大小，适应不同反应器尺寸；3)能够降低托盘整体热应力和热膨胀，避免托盘开裂，减少托盘损坏，提高托盘使用寿命；4)对于损坏的衬底载具，可以及时局部更换，降低托盘更换成本；5)设计预留缝隙，防止衬底“桥接”现象出现；6)消除工艺过程中工艺气体空白区和涡流现象，提高沉积的均匀性；7)衬底夹持稳定，不易脱落；8)双面布置的承载槽可以实现高效沉积，并可在两面轮流使用的情况下降低托盘清洗次数，进一步降低成本。

附图说明

图1为托盘整体示意图。

图2为衬底载具示意图。

图3为衬底载具A-A1剖面图。

图4为卡持部件侧视图。

图5为卡持部件俯视图。

图6为卡持部件B-B1剖面图。

图7为一级台阶具有弹性部件的夹持器。

图8为二级台阶具有弹性部件的夹持器。

图9为卡持部件连接两个衬底载具局部图1中D区剖面图。

图10为卡持部件连接两个衬底载具C-C1剖面图。

图中标记：1-衬底载具；2-卡持部件；3-衬底；11、11a-拼接槽；12-预热区；13-挂孔；14-承载槽；15-固定插孔；21-卡瓣；22-一级台阶；23-二级台阶；24-三级台阶；25-弹簧。

具体实施方式

以下通过具体的实施例并结合附图对本发明中的结构及使用方法进行详细说明，但这些实施例仅仅是实例的目的，并不旨在对发明的范围进行任何限制。

参见图1，本发明涉及的一种CVD衬底托盘由n个衬底载具和n-1个卡持部件组成；所述衬底载具为矩形；所述衬底载具中间具有放置衬底的承载槽，两侧分别具有拼接槽和至少一个固定插孔；衬底载具顶部具有用于固定的挂孔；

其中，衬底载具、卡持部件材料可选择碳陶材料、碳碳复合材料、石墨，或表面涂覆SiC涂层的上述材料，SiC材料以及其它材料具有良好导热性、耐磨性、强度高、对反应体系稳定，不引入杂质污染的单一或复合材料，包括具备涂层的材料。

参见图2，衬底载具为矩形，中间放置衬底的承载槽为线性排布。衬底承载槽可以为多边形或圆形，进一步可以为长方形、正方形、五边形、六边形，其中，优选正方形。

位于衬底载具顶部具有用于固定的挂孔，用于固定悬挂衬底载具于反应器内。

衬底载具两侧分别具有拼接槽和至少一个固定插孔，固定插孔贯穿拼接槽，在拼接槽上成线性排列，优选为等距离均匀分布且对于衬底载具成镜像分布，进一步优选分布在衬底承载槽之间对应位置。为了保证沉积均匀，使工艺气体到达衬底时达到沉积温度，在衬底载具上部预留工艺气体预热区。

参见图3，衬底载具两侧的拼接槽可以呈梯形或阶梯形，优选阶梯形，阶梯型厚度等于衬底载具的1/2，并且相对于衬底载具中心线呈180°旋转成镜像，可以使衬底载具无缝连接。承载槽设置成背对双面，既可满足双面同时沉积的要求，亦可在两面轮流使用的情况下降低托盘清洗次数，进一步降低成本。

参见图4、图5、图6，用于固定衬底载具的卡持部件，左右两侧分别由内到外设置一级台阶、二级台阶、三级台阶，中间设有凸起卡瓣。

其中，中间凸起卡瓣在卡持器中间呈线性分布，且数量、位置、大小与衬底载具上的固定插孔一一相适应，便于固定相连的衬底载具。

参见图7，卡持部件一级台阶内侧安装弹性元件，所述弹性元件优选弹簧，拼接并固定衬底载具时，可消除因承载槽内所放置衬底厚度不一对托盘整体平整度及协调性的影响，进而避免沉积过程中衬底载具晃动，提高沉积的均匀性。

参见图8，另卡持部件二级台阶内侧安装弹性元件，所述弹性元件优选弹簧，拼接并固定衬底载具时，可消除因承载槽内放置衬底厚度不一对托盘整体平整度及协调性的影响，进而避免沉积过程中衬底晃动，提高沉积的均匀性。

参见图9、10，托盘拼接的方法：衬底载具通过拼接槽进行拼接后，运用卡持部件凸起卡瓣一一对应贯穿村底载具拼接部位上的固定插孔，并沿固定插孔长度方向滑动，，使卡持部件一级台阶固定拼接槽，二级台阶固定衬底，三级台阶距离衬底具有0.1-6mm距离，优选0.6mm。该距离可以有效防止硅沉积在衬底和卡持部件中间而发生桥接现象，方便沉积后衬底与托盘的分离。

本发明不仅仅可以用于硅沉积外延，同时可以用于氮化硅、碳化硅，III-V族二元和三元化合物(如氮化镓、磷化铟、GaInP，等)。

上述实施例仅为本发明的较佳实施例及运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和代替而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思情况下，还可以包括其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (11)

1.一种CVD衬底托盘由n个衬底载具和n-1个卡持部件组成；所述衬底载具为矩形；所述衬底载具中间设置承载槽；所述卡持部件为条状。

2.根据权利要求1所述一种CVD衬底托盘，其特征在于，所述承载槽为正方形、长方形、圆形，其中优选正方形。

3.根据权利要求2所述一种CVD衬底托盘，其特征在于所述承载槽在衬底载具上为单面布置或为背对双面布置。

4.根据权利要求3所述一种CVD衬底托盘，其特征在于所述衬底载具两侧具有拼接槽，相对于衬底载具中心线呈180°旋转呈镜像；所述拼接槽上设置至少一个固定插孔，所述固定插孔为长方形。

5.根据求利要求4所述一种CVD衬底托盘，其特征在于所述拼接槽为楔形、阶梯形；优选阶梯形，所述阶梯形厚度为衬底载具厚度的1/2。

6.根据权利要求1所述一种CVD衬底托盘，其特征在于卡持部件为条状，左右两侧分别由外到内设置一级台阶、二级台阶、三级台阶，中间设有凸起卡瓣；所述中间凸起卡瓣在卡持器中间呈线性分布，且数量、位置、大小与固定插孔一一相适应。

7.根据权利要求6所述一种CVD衬底托盘，其特征在于所述三级台阶与衬底间距离为0-6mm，优选0.6mm。

8.根据权利要求6所述一种CVD衬底托盘，其特征在于所述一级台阶内侧安装弹性元件，所述弹性元件优选弹簧。

9.根据权利要求6所述一种CVD衬底托盘，其特征在于所述二级台阶内侧安装弹性元件，所述弹性元件优选弹簧。

10.根据权利要求1-9所述一种CVD衬底托盘，其特征在于所述卡持部件及衬底载具材料可选择碳陶材料、碳碳复合材料、石墨，或在上述材料表面涂覆SiC涂层，以及SiC材料。

11.根据权利要求1至10一种CVD衬底托盘拼接方法：

1).将衬底载具通过拼接槽进行拼接，并将拼接槽上的固定插孔一一对应。

2).将衬底放置于承载槽中。

3).将卡持部件中凸起卡瓣一一对应插入衬底载具拼接部位上的固定插孔中，并沿固定插孔长度方向滑动，以实现衬底载具的固定连接，并固定衬底；所述第一台阶固定衬底载具，所述第二台阶固定衬底。

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