CN114686857A - 一种基片托盘及其所在的反应器 - Google Patents

Abstract

一种支撑待处理基片的基片托盘及其所在的反应器，用于倒装基片进行薄膜生长。所述基片托盘包括侧壁和侧壁围绕而成的中心开口，所述侧壁内侧包括第一台阶部用于放置一热扩散板，所述第一台阶部下方包括一第二台阶部，所述第二台阶部上表面设置有一隔热装置，所述隔热装置用于支撑待处理基片的第一表面，所述第一台阶部的内侧壁直径大于所述第二台阶部内侧壁直径。

Description

一种基片托盘及其所在的反应器

技术领域

本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种用于化合物半导体外延材料生长的基片托盘及其反应器技术领域。

背景技术

化合物半导体外延材料的需求越来越广泛，典型的如氮化镓材料能够用于LED和功率器件制造。常用的化合物半导体材料反应器包括金属有机化学气相反应器(MOCVD)，MOCVD反应器包括一个反应腔，反应腔内底部为旋转的基片托盘，基片托盘下方为加热器用于加热基片托盘，基片托盘上设置待处理的基片，反应器内部上方包括进气装置，从进气装置流入的反应气体流向设置在托盘上表面的基片，并在基片上表面生长产生需要的外延材料层。随着产业需求的发展，micro/mini LED对基片上方外延层均一性的要求越来越高，同时对颗粒物的数量上限的要求也越来越高。现有MOCVD反应器中位于基片上方的的进气装置会在反应过程中产生大量颗粒物，这些颗粒物随气流运动或者被重力吸引掉落到基片上表面，导致尺寸微小的LED芯片结构损害。

为了防止颗粒物掉落到基片上，业内需要一种新的基片托盘结构，使得基片进行外延生长时减少颗粒物，同时基片上的温度具有极高的均一性，最佳的还需要易于装载和卸载基片，以实现真空环境的自动化操作，避免颗粒物的带入。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种支撑基片的基片托盘，所述基片托盘包括侧壁和侧壁围绕而成的中心开口，所述侧壁的内侧包括第一台阶部用于放置一热扩散板，所述第一台阶部下方包括一第二台阶部，所述第二台阶部的上表面设置有一隔热装置，所述隔热装置用于支撑待处理基片的第一表面，所述第一台阶部的内侧壁直径大于所述第二台阶部内侧壁直径。

可选的，所述隔热装置包括一隔热环，所述隔热环底面放置在所述第二台阶部上，所述第二台阶部的顶部包括一支撑面用于支撑待处理基片，还包括一竖直侧壁围绕所述支撑面。

可选的，所述隔热装置包括一隔热环，所述隔热环的顶部包括多条向上凸起的棱，所述基片放置在所述多条向上凸起的棱上。

可选的，所述隔热环的底面包括多条向下凸起的棱，所述隔热环通过多条所述棱与所述第二台阶部接触。

可选的，所述隔热装置包括多个沿圆周方向分开设置的支撑爪，所述支撑爪设置在所述第二台阶部上，且至少部分顶部用于支撑所述基片。

可选的，所述支撑爪包括水平延伸部和竖直延伸部，其中水平延伸部的底部平面放置在所述第二台阶部上，水平延伸部顶部横截面小于所述底部平面。

可选的，所述竖直延伸部位于水平延伸部外侧，所述竖直延伸部靠近基片托盘中心开口端的横截面呈锥形，使得基片侧壁与所述竖直延伸部接触面积最小化。

可选的，所述支撑爪包括托盘连接部、下延伸部和基片支撑部，所述托盘连接部的底面得到所述第二台阶部的顶面支撑，所述下延伸部一端连接到所述托盘连接部另一端向下延伸并连接到基片支撑部，所述基片支撑部的顶部用于支撑所述待处理基片，使得所述基片的第一表面低于第二台阶部顶面。

可选的，所述基片支撑部沿水平方向延伸，其中顶部的横截面小于基片支撑部底部的横截面。

可选的，所述下延伸部靠近基片托盘的中心开口端呈锥形横截面，使得基片侧壁与所述竖直延伸部接触面积最小化。

可选的，所述隔热装置由具有第一导热系数的材料制成，所述基片托盘由具有第二导热系数的材料制成，其中第一导热系数小于第二导热系数的1/4。

可选的，所述隔热装置的导热系数小于等于40W/m.k，所述基片托盘的导热系数大于等于150W/m.k。

进一步的，本发明还提供一种反应器，包括一反应腔，所述反应腔内设置如上文所述的基片托盘。

本发明的优点在于：本发明提供一种倒装MOCVD反应器的基片托盘及其所在的反应器，其中基片托盘包括第一台阶部用于放置热扩散板，还包括第二台阶部，其中第二台阶部上放置一个由隔热材料制成的支撑环，以减少基片边缘区域与基片托盘之间通过传导进行横向的热量传输。其中第一台阶部的内侧壁直径大于第二台阶部的内侧壁的直径。隔热材料可以是由氧化铝、石英、蓝宝石等陶瓷材料制成，氧化铝和石英和蓝宝石材料的热传导系数只有4、20、40W/m.k，传统的基片托盘材料石墨和碳化硅材料的热传导系数可以达到150-490W/m.k。通过使用上述隔热材料可以大幅减少基片边缘与基片托盘之间的热传导，从而改善基片中中心到边缘区域的温度均一性，并改善基片上外延材料生长质量的均一性。

附图说明

图1是本发明一种倒装MOCVD反应器的结构示意图；

图2是本发明的用于倒装MOCVD反应器的基片托盘示意图；

图3a是本发明的用于倒装MOCVD反应器的基片托盘第二实施例意图；

图3b、图3c是本发明基片托盘示第三实施例中承载环结构示意图；

图4a和4b是本发明的用于倒装MOCVD反应器的基片托盘第四实施例意图；

图5a是本发明的用于倒装MOCD反应器的基片托盘第五实施例示意图；

图5b是图5a中基片托盘第五实施例中的基片承载爪结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明一种倒装MOCVD反应器的结构示意图，如图1所示，倒装基片反应腔包括顶部腔体1中的加热器，加热器可以是分区控温的多个独立加热器H1、H2。加热器下方包括一个基片托盘8，基片托盘8内侧包括一个环形的第一台阶部81，用于放置热扩散板9，还包括位于所述第一台阶部下方的第二台阶部82，用于放置待处理基片，其中基片背面朝向热扩散板9，待加工面边缘通过第二台阶部82支撑并朝向下方反应腔底部。其中热扩散板9与基片背面之间还包括间隙11，来自加热器H1、H2的热量通过辐射加热热扩散板9后，热扩散板9通过间隙11向下辐射加热下方基片10的背面。其中基片托盘8和热扩散板均由高导热材料制成，如石墨，SiC等。在基片10加工面边缘区域由于存在与台阶部82直接接触的表面，所以大量的热量通过边缘的接触面在台阶部82和基片10之间横向流动，这会导致基片边缘区域温度与中央区域温度差距过大，而且这一温度差无法通过控制上方加热器的功率来补偿。为了支撑并驱动基片托盘旋转，包括一个驱动盘7围绕在所述基片托盘8的外围，使得基片托盘8在进行工艺处理时进行旋转。反应腔底部还可以包括多个探头S1、S2用于检测上方基片上的温度、厚度、变形程度等参数。一个控制器12根据这些探头获得的参数控制上方加热器的加热功率和比例。基片托盘8和驱动盘7下方的一侧包括进气装置3用于将反应气体输入基片托盘下方的反应空间，与进气装置3相对的位置包括一个排气装置4，将反应后的气体排出反应腔。

此外这种倒装的基片托盘还存在很高的基片装载、卸载难度，在装载时需要先用吸盘吸取基片放到第二台阶部82，然后再吸取热扩散板9放到第一台阶部81上；在卸载时需要等基片托盘的温度降低到一定程度，在将吸盘伸入反应腔将热扩散板9吸取后移出反应腔，然后再用吸盘从基片10背面吸取基片后将基片从反应腔内移出，移出反应腔后还要翻转基片10，使得基片加工面朝上后放置到相应的固定架上。这种反复吸取、移动、翻转的过程动作非常复杂，无法使用低成本的机械臂完成，经常使用人工完成，这会导致大量颗粒物在基片转移过程中吸附到基片上，最终使得倒装基片反应腔带来的少颗粒物的优势大幅减弱。

基于上述揭露的技术问题，发明人提出了一种新型的基片托盘结构。如图2所示是本发明的用于倒装MOCVD反应器的基片托盘示意图，其中基片托盘8包括第一台阶部81用于放置热扩散板9，还包括第二台阶部82’，其中第二台阶部82’上放置一个由隔热材料制成的支撑环84，以减少基片边缘区域与基片托盘8之间通过传导进行横向的热量传输。其中第一台阶部81的内侧壁81S直径大于第二台阶部82’的内侧壁82’S的直径。隔热材料可以是由氧化铝、石英、蓝宝石等陶瓷材料制成，氧化铝和石英和蓝宝石材料的热传导系数只有4、20、40W/m.k，传统的基片托盘材料石墨和碳化硅材料的热传导系数可以达到150-490W/m.k。通过使用上述隔热材料可以大幅减少基片边缘与基片托盘之间的热传导，从而改善基片中中心到边缘区域的温度均一性，并改善基片上外延材料生长质量的均一性。支撑环84包括L形的截面，其中底面与第二台阶部82’配合，上表面内侧包括一隔热台阶部，基片放置在隔热台阶部上。

为了进一步减少基片W与基片托盘8之间的热传导，本发明提出了如图3a所示的基片托盘，其中第二台阶部82’上设置有隔热陶瓷材料制成的支撑环85，支撑环整体仍然呈L形截面。如图3b和图3c所示，支撑环85的底面包括多条细长棱852突出于底面，支撑环85上表面内侧包括多条L形的凸起棱851，其中凸起棱包括竖直延伸部851a和水平延伸部851b，待处理基片的材料生长面边缘通过水平延伸部851得到支撑，待处理基片侧壁可以与竖直延伸部851b内侧壁接触。支撑环85的下表面也设置相应的棱852，棱852使得支撑环85与基片10之间以及支撑环85与下方台阶部82’之间的实际接触面积进一步减小，也就大幅减小了基片10与第二台阶部之间的热量流通量。其中垂直延伸部851的内侧壁不一定是完全呈90度垂直于基片平面，也可以是倾斜向下的，这样在放置基片时还能使得基片自动对准支撑环85的中心放置。

为了简化本发明基片托盘8的结构，发明人提出了另一种实施例的基片托盘。如图4a所示，基片托盘8内侧通孔的内壁包括多个独立的支撑爪86均匀分布在第二台阶部82”的圆环形支撑面上，不再需要支撑环设置在基片与第二台阶部之间。其中支撑爪86也是由隔热陶瓷材料制成，其具体结构如图4b所示，包括竖直延伸部86a和水平延伸部86b。其中水平延伸部86b具有三棱柱的形状，其中底面积较大使得支撑爪86稳定的固定在第二台阶部82”上，上端为一条棱线86b1，使得基片边缘区域与支撑爪86只存在线状接触区，极大的减小了基片与支撑爪86之间的传导热量。竖直延伸部86a的结构与86b类似，只是其外侧壁面积较大，使得支撑爪的外侧壁能够紧贴台阶部82”上方的基片托盘内壁，同时竖直延伸部86a的最内侧为一条棱线86a1，使得基片侧壁与支撑爪的接触也只存在线形的接触区域，同样减少了基片侧壁方向的热传导。其中支撑爪85的截面也可以是其它多边形，只要与基片接触的区域具有锥形的截面就能使得基片与支撑爪之间的接触面最小化。

上述支撑环84、85与支撑爪86均能够大幅减少基片边缘区域与第二台阶部之间的热量传导，但是基片被架设在第二台阶部与支撑环/爪上方，用于材料层生长的基片下表面高于基片托盘8的底面80，这会导致反应气体在沿水平方向流过基片托盘底面80，到达基片边缘时，气流会向上转向到上方凹进的区域，这导致基片边缘区域出现混乱的涡流，这种气流分布的紊乱会导致在基片上生长的材料层的厚度或者晶体结构的不均一，严重影响基片10表面材料层生长质量。为了进一步解决基片表面气流分布不均的问题，发明人提出了如图5a所示的基片托盘8，基片托盘的基本结构与前述多个实施例相同，主要的改进特征在于多个新形的支撑爪87。如图5b所示，支撑爪87包括托盘连接部87a、下延伸部87b和基片支撑部87c。其中托盘连接部87a固定在基片托盘8第二台阶部82”’上方，下延伸部87b从托盘连接部内侧端向下延伸一定距离与基片支撑部87c外侧端连接。其中基片支撑部87c顶部包括一个凸起的棱线87c1，用于支撑待处理基片，下延伸部也可以设计成内则包括一条棱线87b1，使得支撑爪87与基片边缘区域之间的热量传导最小化。其中下延伸部87b的向下延伸数值可以进行优化设计，使得87c1的高度与基片托盘底面80的高度接近，这样固定在基片支撑部87c上的待处理基片就具有与基片托盘底面80基本相同的高度，使得在工艺过程中基片上具有稳定分布的气流，生长出高质量的材料层。

本发明中图4a、图4b、图5a、图5b所示的实施例中多个支撑爪可以方便的替换为新的或者根据工艺需要选择新的形状的支撑爪。在MOCVD反应器内长期使用后，基片托盘和支撑环、支撑爪的表面材料的物理特性会逐渐发生变化。采用本发明可替换支撑爪后可以方便的更换支撑爪，而不需要拆卸整个基片托盘，使得反应腔能够长期维持在最佳的状态。或者可以根据处理工艺的结果发现局部区域温度过高或者过低时，选择将基片托盘上相应位置处的支撑爪更换为接触面更小或者接触面更大的支撑爪，这样本发明结构的基片托盘和可选的支撑爪组合还能够作为调节基片表面温度均一性的一个可选的手段。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (13)

1.一种支撑基片的基片托盘，其特征在于：所述基片托盘包括侧壁和侧壁围绕而成的中心开口，所述侧壁的内侧包括第一台阶部用于放置一热扩散板，所述第一台阶部下方包括一第二台阶部，所述第二台阶部的上表面设置有一隔热装置，所述隔热装置用于支撑待处理基片的第一表面，所述第一台阶部的内侧壁直径大于所述第二台阶部内侧壁直径。

2.如权利要求1所述的基片托盘，其特征在于，所述隔热装置包括一隔热环，所述隔热环底面放置在所述第二台阶部上，所述第二台阶部的顶部包括一支撑面用于支撑待处理基片，还包括一竖直侧壁围绕所述支撑面。

3.如权利要求1所述的基片托盘，其特征在于，所述隔热装置包括一隔热环，所述隔热环的顶部包括多条向上凸起的棱，所述基片放置在所述多条向上凸起的棱上。

4.如权利要求3所述的基片托盘，其特征在于，所述隔热环的底面包括多条向下凸起的棱，所述隔热环通过多条所述棱与所述第二台阶部接触。

5.如权利要求1所述的基片托盘，其特征在于，所述隔热装置包括多个沿圆周方向分开设置的支撑爪，所述支撑爪设置在所述第二台阶部上，且至少部分顶部用于支撑所述基片。

6.如权利要求5所述的基片托盘，其特征在于，所述支撑爪包括水平延伸部和竖直延伸部，其中水平延伸部的底部平面放置在所述第二台阶部上，水平延伸部顶部横截面小于所述底部平面。

7.如权利要求6所述的基片托盘，其特征在于，所述竖直延伸部位于水平延伸部外侧，所述竖直延伸部靠近基片托盘中心开口端的横截面呈锥形，使得基片侧壁与所述竖直延伸部接触面积最小化。

8.如权利要求5所述的基片托盘，其特征在于，所述支撑爪包括托盘连接部、下延伸部和基片支撑部，所述托盘连接部的底面得到所述第二台阶部的顶面支撑，所述下延伸部一端连接到所述托盘连接部另一端向下延伸并连接到基片支撑部，所述基片支撑部的顶部用于支撑所述待处理基片，使得所述基片的第一表面低于第二台阶部顶面。

9.如权利要求8所述的基片托盘，其特征在于，所述基片支撑部沿水平方向延伸，其中顶部的横截面小于基片支撑部底部的横截面。

10.如权利要求8所述的基片托盘，其特征在于，所述下延伸部靠近基片托盘的中心开口端呈锥形横截面，使得基片侧壁与所述竖直延伸部接触面积最小化。

11.如权利要求1所述的基片托盘，其特征在于，所述隔热装置由具有第一导热系数的材料制成，所述基片托盘由具有第二导热系数的材料制成，其中第一导热系数小于第二导热系数的1/4。

12.如权利要求1所述的基片托盘，其特征在于，所述隔热装置的导热系数小于等于40W/m.k，所述基片托盘的导热系数大于等于150W/m.k。

13.一种反应器，包括一反应腔，其特征在于：所述反应腔内设置如权利要求1-12任一项所述的基片托盘。

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