CN113604875B - 一种气相外延系统及其维护操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气相外延系统及其维护操作方法。外延系统包括载盘支撑装置、载盘、第一盖体、第二盖体、内腔室、外腔室、排气室；载盘支撑装置穿过第一盖体和第二盖体，第一盖体与载盘支撑装置连接；载盘设置于载盘支撑装置的顶部；内腔室的一端设有供气系统，另一端设有开口，载盘支撑装置可移动地设置于内腔室中；外腔室设于内腔室外部；排气室与外腔室堆叠设置，设于外腔室的一端，排气室与外腔室密封隔离，内腔室与排气室连通；排气室远离供气系统的一端设有开口，内腔室可移动地设置于外腔室和排气室中。本发明的气相外延系统通过引入内腔室和载盘支撑装置的双升降结构，简化了维护流程，提高了设备稼动率和良率。

Description

一种气相外延系统及其维护操作方法

技术领域

本发明涉及半导体外延生长技术领域，特别是涉及一种气相外延系统及其维护操作方法。

背景技术

化合物半导体例如III-V族半导体是第三代半导体材料的典型代表，具有禁带宽、电子饱和漂移速率高、击穿电场强度高、抗辐射强、介电常数小、热稳定性好和化学性能稳定等优点，广泛应用于发光二极管(LED)、激光二极管(LD)以及包括高功率、高频率、高温晶体管和集成电路的电子装置的各种半导体装置中。

为了生长III-V族半导体，通常执行将多种气体源沉积到基底上的气相外延工艺，目前常见的有金属有机化学气相沉积(MOCVD)、高温高压合成法、分子束外延(MBE)和氢化物气相外延(HVPE)等。例如，在氢化物气相外延工艺中，III-V族半导体通过热的气态金属卤化物(例如，GaCl或AlCl)与V族气体(例如NH3)反应而形成，其生长速率高、设备简单、制备成本低。

现有的气相外延系统多为单体式石英腔体，在大尺寸、量产型反应腔体设计中，往往需要加长腔体加热区用以确保径向传递温度均匀，导致上下料用时较长，维护不便。此外，通常在气相外延生产过程中，前驱物气体通过进气通道进入反应室后，扩散至整个反应室内混合均匀，反应室内壁和衬底托盘上都会发生寄生反应沉积一些寄生沉积物，这会对温度控制、衬底表面洁净度等产生影响，进而影响外延片的良率。现有技术在每次生长前都需要对反应室和衬底托盘通过工艺程序进行气体蚀刻反应与高温烘烤以实现自清洁，经一定周期后，再通过周期性大维护清洁整个石英炉管。上述清洁流程挤占了生长时间，导致设备稼动率低，且周期性大维护后，需要较长的恢复过程。该问题对于大尺寸反应腔而言尤为严重。

因此，有必要提出一种新的气相外延系统，解决上述问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种气相外延系统及其维护操作方法，用于解决现有技术中大尺寸反应腔不便于维护及稼动率低等问题。

为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供了一种气相外延系统，包括：

载盘支撑装置；

第一盖体和第二盖体，所述第一盖体和所述第二盖体之间堆叠并通过紧固装置连接，所述载盘支撑装置穿过所述第一盖体和所述第二盖体，所述第一盖体与所述载盘支撑装置连接；

载盘，设置于所述载盘支撑装置的顶部；

内腔室，所述内腔室的一端设有供气系统，所述内腔室远离所述供气系统的另一端设有开口，所述第一盖体用于对所述内腔室的开口进行气密性开闭，所述载盘支撑装置可移动地设置于所述内腔室中；

外腔室，设于所述内腔室外部；

排气室，与所述外腔室堆叠设置，设于所述外腔室远离所述供气系统的一端，所述排气室与所述外腔室密封隔离，所述内腔室与所述排气室连通；

所述外腔室排气室远离所述供气系统的一端设有开口，所述第二盖体用于对所述排气室外腔室的开口进行气密性开闭，所述内腔室可移动地设置于所述外腔室和所述排气室中。

作为本发明的一种可选方案，还包括旋转升举组件，所述旋转升举组件带动所述载盘支撑装置沿所述内腔室的轴向移动所述载盘。

作为本发明的一种可选方案，所述旋转升举组件还包括带动所述载盘绕所述内腔室的轴向进行旋转的旋转机构。

作为本发明的一种可选方案，所述外腔室中设有外部加热器。

在进一步的方案中，所述载盘支撑装置中靠近所述载盘的位置设有内部加热器。

作为本发明的一种可选方案，所述内部加热器包括位于所述载盘支撑装置顶部的平面加热器和套置于所述载盘支撑装置靠近顶部外围的环状加热器。

作为本发明的一种可选方案，所述排气室包括排气室环和排气管路；所述排气环连接至所述内腔室，用于引导残留气体从所述排气管路排出。

作为本发明的一种可选方案，所述外腔室中设有水冷管道。

作为本发明的一种可选方案，构成所述外腔室的材料包括金属材料。

作为本发明的一种可选方案，构成所述内腔室的材料包括石英、碳化硅、氧化铝或氮化硼中的一种或多种的组合。

本发明还提供了一种气相外延系统的维护操作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)提供如上述任一方案中所述的气相外延系统；在外延生长时，装载有待处理的基板的所述载盘设置于所述载盘支撑装置的顶部，所述第一盖体、所述第二盖体均处于密封闭合状态，所述内腔室中通入工艺气体，在由所述载盘保持的基板上沉积；

2)在基板装载卸载时，打开所述第一盖体与所述第二盖体之间的紧固装置，所述第二盖体使得所述外腔室的开口保持闭合，所述第一盖体连同所述载盘及其上已生长好的所述基板沿所述内腔室朝向所述内腔室远离所述供气系统的一端进行轴向移动，从而传送出内腔室以完成所述基板的卸载；将新的待处理的基板放置于所述载盘上，沿所述内腔室朝向所述供气系统的一端进行轴向移动，从而传送入所述内腔室内以完成基板装载；

3)在内腔室清洁维护时，打开所述第二盖体，所述第二盖体连同所述第一盖体、所述内腔室和所述载盘支撑装置一起沿所述外腔室朝向远离所述供气系统的一端进行轴向移动，从而被传送出所述外腔室；更换所述内腔室及其中的待清洁的部件，并对更换下的部件进行清洗。

如上所述，本发明提供一种气相外延系统和维护操作方法，具有以下有益效果：

本发明提供的气相外延系统通过引入内腔室和载盘支撑装置的双升降结构，可以在不同工况下移动不同结构进出腔体，以便于设备维护，简化了维护流程，提高了设备稼动率和良率。进一步地，采用外部加热器和内部加热器的双加热装置的设置，可提升径向温度均匀性，减少炉体纵向长度，缩短上下料时间，且低温死区较少，可以减少反应物在腔体的沉积，使得可连续生长炉次得以增加，而且由于沉积物减少，温度控制精确度和表面良率也有显著提升，有助于提升工艺稳定性。

附图说明

图1显示为本发明实施例中所提供的气相外延系统的例示性截面示意图。

图2显示为本发明实施例中所提供的气相外延系统分离载盘支撑装置的截面示意图。

图3显示为本发明实施例中所提供的气相外延系统分离内腔室和载盘支撑装置的截面示意图。

元件标号说明

101 载盘支撑装置

102 载盘

103 内腔室

104 外腔室

105 第一盖体

106 内部加热器

107 外部加热器

108 第二盖体

109 旋转升举组件

110 进气管路

111 进气法兰

112 排气室

112a 排气环

113 排气管路

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。且为使图示尽量简洁，附图中并未对所有的结构进行标示。

在现有技术中，常规结构的气相外延腔体需要定期维护石英腔体，一般透过工艺程序进行气体蚀刻反应与高温烘烤(即原位清洁)，以进行自清洁。在一定周期后，再清洁整体石英炉管。单体式腔体在常规操作时的取放片及周期维护清洁并不容易。此外，周期性大维护后，需要较长的恢复过程。该问题对于大尺寸反应腔而言尤为严重。对此，发明人经长期研究而提出了一种改善，在本发明的方案中，通过腔体结构的改进可以显著改善上述问题。

请参阅图1至图3，本发明提供一种气相外延系统，包括：载盘支撑装置101、第一盖体105、第二盖体108、载盘102、内腔室103、外腔室104和排气室112；所述第一盖体105和所述第二盖体108之间堆叠并通过紧固装置连接，所述第一盖体105和第二盖体108均优选密封法兰，所述载盘支撑装置101穿过所述第一盖体105和所述第二盖体108，所述第一盖体105与所述载盘支撑装置101连接；载盘102设置于所述载盘支撑装置101的顶部，在工艺处理期间由载盘102支撑基板；所述内腔室103的一端设有供气系统，所述内腔室103远离所述供气系统的另一端设有开口，所述第一盖体105用于对所述内腔室103的开口进行气密性开闭，所述载盘支撑装置101可移动地设置于所述内腔室103中；所述外腔室104设于所述内腔室103外部；所述排气室112与所述外腔室104堆叠设置，且设于所述外腔室104远离所述供气系统的一端，所述排气室与所述外腔室104密封隔离，所述内腔室103与所述排气室112连通；所述排气室112远离所述供气系统的一端设有开口，所述第二盖体108用于对所述排气室112的开口进行气密性开闭，所述内腔室103可移动地设置于所述外腔室104和所述排气室112中。即所述内腔室103端侧开口部与所述排气室112端侧开口部位于相同侧；所述第一盖体105位于所述第二盖体108远离所述供气系统的一侧，所述第一盖体105与所述第二盖体108之间堆叠并通过紧固装置连接，作为示例，可采用螺栓连接。所述第一盖体105与所述第二盖体108之间形成第一密封面，所述第二盖体108与所述排气室112之间形成第二密封面。

作为示例，所述排气室112包括相互连接的排气环112a和排气管路113；所述排气环112a与所述第二盖体108固定连接，所述排气环112a连接至所述内腔室103，用于引导残留气体从所述排气管路113排出，由此可以避免在内腔室103中形成反应生成物粉末。较佳地，所述排气管路113不少于2条，避免因排气管路113堵塞而中断外延生长，可进一步延长外延生长的持续时间。

在一示例中，所述气相外延系统还包括旋转升举组件109，所述旋转升举组件109可带动所述载盘支撑装置101沿所述内腔室103的轴向移动所述载盘102。设置所述旋转升降组件109有利于传送载盘102和基板进出内腔室103。当打开第一盖体105和第二盖体108之间的紧固装置时，此时第一密封面开启，所述内腔室103的第一盖体105能够连同载盘支撑装置101一起利用旋转升举组件109进行轴向移动。内腔室103可移动地设置于外腔室104和排气室112中，所述旋转升举组件109带动载盘支撑装置101和内腔室103一起沿外腔室104、排气室112轴向移动，旋转升举组件109的轴向移动有利于传送内腔室103进出外腔室104和排气室112。当打开第二盖体108时，此时第二密封面开启，所述排气室112的第二盖体108能够连同内腔室103的第一盖体105、第二盖体108上的排气环112a、排气环112a上的内腔室103、载盘支撑装置101一起利用旋转升举组件109进行轴向移动。

在一示例中，所述旋转升举组件109还包括带动所述载盘102绕所述内腔室103的轴向进行旋转的旋转机构。

在一示例中，所述外腔室104中设有外部加热器107，所述外部加热器107为热壁式外加热器，位于内腔室103外壁，用以加热所述内腔室103。

在另一示例中，所述载盘支撑装置101中靠近所述载盘102的位置还设有内部加热器106。在进一步的示例中，所述内部加热器106包括位于所述载盘支撑装置101顶部的平面加热器和套置于所述载盘支撑装置101靠近顶部外围的环状加热器。相比仅在腔室外壁处设置加热器的方案，本实施例通过外部加热器和内部加热器的设置，可减少炉体的纵向长度，同时提供反应区内良好的径向温度均匀性，可以缩短上下料时间，并减少反应源在腔体内的沉积物，使反应室热化，腔体内部低温死区较少，减缓管壁沉积，可以实现连续生长，而不需要引入每炉生长后的自清洁工艺步骤，从而提升了设备稼动率。

当然，在其他示例中，也可以仅设置所述内部加热器而不设置所述外部加热器，对此不再详细展开。

作为示例，所述供气系统包括进气管路110和进气法兰111；所述进气法兰111设置于所述内腔室103远离所述载盘支撑装置101的顶部，并通过进气管路110向所述内腔室103供气。可选地，所述进气管路110可以向所述内腔室103供给反应气体、清洁气体、保护气体或载气中的一种或多种。

作为示例，所述外腔室104中设有水冷管道(未示出)，可防止内部高温损坏所述外腔室104，并隔离腔室内部高温对外界的影响。

作为示例，构成所述外腔室104的材料优选但不限于金属材料，包括但不限于不锈钢。

作为示例，构成所述内腔室103的材料优选但不限于石英、碳化硅、氧化铝、氮化硼、石墨、碳化硅涂层石墨和氮化钽涂层石墨中的一种或多种的组合。

需要特别说明的是，图中所示的是垂直式腔体结构，而在本发明的其他实施案例中，也可以采用水平式的腔体结构。

通过采用本发明实施例所述的气相外延系统的双加热、双密封、双轴向运动机构，在相同运行周期内，相比现有的气相外延系统，预计可增加30％产能，并且由于沉积物减少，可显著提升温度控制精确度以及基板表面良率。

本发明解决了取放片与清洁维护的便捷性，进而提升工艺稳定性，并且具备未来量产的可拓展性。

本发明还提供了一种气相外延系统的维护操作方法，用于基板装载卸载及在所述气相外延系统在经历了一定的外延生长周期后对所述气相外延系统进行维护，所述气相外延系统的各腔室在不同的生长或维护过程中具有不同的开闭状态，可用于对上述任一方案中所述的气相外延系统进行维护。具体地，该维护操作方法包括如下阶段：

1)外延生长过程

在外延生长时，如图1所示，装载有待处理基板的载盘102设置于载盘支撑装置101的顶部，第一盖体105、第二盖体108均处于密封闭合状态，内腔室103中通入工艺气体，在由所述载盘102保持的基板上沉积，比如在设置有所述旋转升降组件109的情况下，载盘102在旋转升举组件109的带动下绕内腔室103的轴向旋转，工艺气体被卷入旋转气流并彼此混合而进行气相外延沉积。

2)基板装载卸载过程

外延生长结束后，如图2所示，打开第一盖体105与第二盖体108之间的紧固装置，此时第二盖体108使得所述外腔室的开口保持闭合，所述第一盖体105连同载盘102及其上已生长好的基板一起(比如利用旋转升举组件109)沿内腔室103朝向所述内腔室103远离所述供气系统的一端进行轴向移动，从而被传送出内腔室103，就可以把经本实施例气相外延系统完成外延生长的基板取下，完成基板卸载；然后将新的待处理基板放置于载盘102上，(比如同样利用旋转升举组件109)沿所述内腔室103朝向所述供气系统的一端进行轴向移动，传送入内腔室103内，完成基板装载。

类似地，可以按照上述操作完成载盘102的更换，待清洁载盘可以在气相外延系统外部进行独立清洁。

3)反应室维护过程

在气相外延过程中，应当堆积在基板上的半导体薄膜会附着在腔体内壁、气体流路等基板以外的各种部件上，附着在基板以外部件上的反应物成为不需要的污染物，因此需要清洗污染部件从而除去上述反应物。在现有技术中，例如HVPE设备因生长速率最高可达100um/h，每次生长完成就需要清洁石英管，因单体结构石英炉管较大易碎，人工更换不便，常需要通过腔体内部自清洁工艺减少石英炉管更换频度，一定周期后，再更换清洁整体石英炉管。由于现有技术采用炉内原位清洁，占用了有效生产时间，设备稼动率低。

在本发明实施例中，在需要清洁石英炉管时，如图3所示，打开第二盖体108，所述第二盖体108连同所述第一盖体105、所述内腔室103和所述载盘支撑装置101一起(比如同样利用旋转升举组件109)沿所述外腔室104朝向远离所述供气系统的一端进行轴向移动，从而被传送出所述外腔室104；更换所述内腔室103及其中的待清洁的部件(包括内腔室炉体本身)，并对更换下的部件进行清洗，然后更换为新的部件，即可进行下一轮外延生长。而待清洁部件可以在气相外延系统外部进行独立清洁。采用本发明气相外延系统的双密封、双轴向运动机构，使备件更换更为简便，还可以省去现有技术中常用的腔体内部自清洁工艺步骤，从而进一步增加有效生产时间，提升设备稼动率。

综上所述，本发明提供了一种气相外延系统，包括载盘支撑装置；第一盖体和第二盖体，所述第一盖体和所述第二盖体之间堆叠并通过紧固装置连接，所述载盘支撑装置穿过所述第一盖体和所述第二盖体，所述第一盖体与所述载盘支撑装置连接；载盘，设置于所述载盘支撑装置的顶部；内腔室，所述内腔室的一端设有供气系统，所述内腔室远离所述供气系统的另一端设有开口，所述第一盖体用于对所述内腔室的开口进行气密性开闭，所述载盘支撑装置可移动地设置于所述内腔室中；外腔室，设于所述内腔室外部；排气室，与所述外腔室堆叠设置，设于所述外腔室远离所述供气系统的一端，所述排气室与所述外腔室密封隔离，所述内腔室与所述排气室连通；所述外腔室排气室远离所述供气系统的一端设有开口，所述第二盖体用于对所述排气室外腔室的开口进行气密性开闭，所述内腔室可移动地设置于所述外腔室和所述排气室中。本发明提供的气相外延系统通过引入内腔室和载盘支撑装置的双升降结构，可以在不同工况下移动不同结构进出腔体，以便于设备维护，简化了维护流程，提高了设备稼动率和良率。进一步地，采用外部加热器和内部加热器的双加热装置的设置，可提升径向温度均匀性，减少炉体纵向长度，缩短上下料时间，且低温死区较少，可以减少反应物在腔体的沉积，使得可连续生长炉次得以增加，而且由于沉积物减少，温度控制精确度和表面良率也有显著提升，有助于提升工艺稳定性。本发明的气相外延系统可以用于集成电路、LED和太阳能电池等领域，且尤其适用于氢化物的气相外延，有着广泛的利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种气相外延系统，其特征在于，包括：

载盘支撑装置；

第一盖体和第二盖体，所述第一盖体和所述第二盖体之间堆叠并通过紧固装置连接，

所述载盘支撑装置穿过所述第一盖体和所述第二盖体，所述第一盖体与所述载盘支撑装置连接；

载盘，设置于所述载盘支撑装置的顶部；

内腔室，所述内腔室的一端设有供气系统，所述内腔室远离所述供气系统的另一端设有开口，所述第一盖体用于对所述内腔室的开口进行气密性开闭，所述载盘支撑装置可移动地设置于所述内腔室中；

外腔室，设于所述内腔室外部；

排气室，与所述外腔室堆叠设置，设于所述外腔室远离所述供气系统的一端，所述排气室与所述外腔室密封隔离，所述内腔室与所述排气室连通；

所述排气室远离所述供气系统的一端设有开口，所述第二盖体用于对所述排气室的开口进行气密性开闭，所述内腔室可移动地设置于所述外腔室和所述排气室中。

2.根据权利要求1所述的气相外延系统，其特征在于，还包括旋转升举组件，所述旋转升举组件带动所述载盘支撑装置沿所述内腔室的轴向移动所述载盘。

3.根据权利要求2所述的气相外延系统，其特征在于，所述旋转升举组件还包括带动所述载盘绕所述内腔室的轴向进行旋转的旋转机构。

4.根据权利要求1所述的气相外延系统，其特征在于，所述外腔室中设有外部加热器。

5.根据权利要求4所述的气相外延系统，其特征在于，所述载盘支撑装置中靠近所述载盘的位置设有内部加热器。

6.根据权利要求5所述的气相外延系统，其特征在于，所述内部加热器包括位于所述载盘支撑装置顶部的平面加热器和套置于所述载盘支撑装置靠近顶部外围的环状加热器。

7.根据权利要求1所述的气相外延系统，其特征在于，所述排气室包括排气环和排气管路；所述排气环连接至所述内腔室，用于引导残留气体从所述排气管路排出，所述排气管路不少于2条。

8.根据权利要求1所述的气相外延系统，其特征在于，所述外腔室中设有水冷管道。

9.根据权利要求1所述的气相外延系统，其特征在于，构成所述外腔室的材料包括金属材料；构成所述内腔室的材料包括石英、碳化硅、氧化铝、氮化硼、石墨、碳化硅涂层石墨和氮化钽涂层石墨中的一种或多种的组合。

10.一种气相外延系统的维护操作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)提供如权利要求1至9中任一项所述气相外延系统；在外延生长时，装载有待处理的基板的所述载盘设置于所述载盘支撑装置的顶部，所述第一盖体、所述第二盖体均处于密封闭合状态，所述内腔室中通入工艺气体，在由所述载盘保持的基板上进行气相外延沉积；

2)在基板装载卸载时，打开所述第一盖体与所述第二盖体之间的紧固装置，所述第二盖体使得所述排气室开口保持闭合，所述第一盖体连同所述载盘及其上已生长好的所述基板沿所述内腔室朝向所述内腔室远离所述供气系统的一端进行轴向移动，从而被传送出内腔室以完成所述基板的卸载；将新的待处理的基板放置于所述载盘上，沿所述内腔室朝向所述供气系统的一端进行轴向移动，从而传送入所述内腔室内以完成基板装载；

3)在内腔室清洁维护时，打开所述第二盖体，所述第二盖体连同所述第一盖体、所述内腔室和所述载盘支撑装置一起沿所述外腔室朝向远离所述供气系统的一端进行轴向移动，从而被传送出所述外腔室；更换所述内腔室及其中的待清洁的部件，并对更换下的部件进行清洗。

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