CN114686858B - 一种薄膜生长系统以及基片托盘和载环组件 - Google Patents

Abstract

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的加热腔，所述侧壁顶部包括盖板，所述顶盖用于向下辐射热量；所述顶盖下方的侧壁内侧包括多个互相分离的支撑腔，以及与每个支撑腔相邻的举升腔，所述举升腔底部向下延伸并穿过基片托盘侧壁底面，使得举升腔与基片托盘下方空间联通，所述支撑腔底部平面高于所述基片托盘底面。与相应的载环组件配合后能够使得基片从基片托盘底部取放，简化取放基片流程。

Description

一种薄膜生长系统以及基片托盘和载环组件

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和基片承载组件。

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加热腔，所述侧壁的顶部包括盖板，所述盖板用于向下辐射热量；所述盖板下方的侧壁内侧包括多个凹进的腔体，所述多个腔体包括多个互相分离的支撑腔，以及与每个支撑腔相邻的举升腔，所述举升腔的底部向下延伸并穿过基片托盘的侧壁底面，使得举升腔与基片托盘下方空间联通，所述支撑腔的底部平面高于所述基片托盘的底面。

可选的，所述侧壁的底部还包括一环形凹槽与所述举升腔联通，用于容纳环形载环。

可选的，所述侧壁的顶部包括一台阶部，所述盖板为架设在台阶部上的热扩散板。

可选的，所述盖板包括至少一个环和圆形板的组合，其中至少一个环或者圆形板可替换。

可选的，所述支撑腔和举升腔之间还包括一转移腔，其中转移腔底面高度高于所述支撑腔的底面高度。

可选的，所述支撑腔、转移腔、举升腔在基片托盘内壁沿圆周方向排列，共同构成一个支撑单元，多个支撑单元在基片托盘侧壁底部互相间隔设置。

可选的，所述支撑腔底面包括凸起或者凹进部。

进一步的，本发明还提供一种用于支撑基片的载环组件，所述载环组件包括：

一个载环，

多个互相间隔设置在载环上的载环支撑爪，所述每个载环支撑爪一端固定到载环，另一端向载环外侧延伸；

多个互相间隔设置在载环上的基片支撑爪，所述每个基片支撑爪一端固定到载环，另一端向载环内侧延伸，用于支撑基片；

可选的，所述载环、载环支撑爪、基片支撑爪中至少一个由导热系数小于等于40W/m.k的低导热系数材料制成，其它部分由导热系数大于等于150W/m.k的高导热系数材料制成。

可选的，所述基片支撑爪由低导热系数材料制成。

可选的，所述基片支撑爪包括一固定段固定到所述载环，一水平支撑段用于支撑基片，连接在固定段和水平支撑段之间的过渡段，其中过渡段从固定段向下延伸。

可选的，所述水平支撑段的顶部截面呈上小下大的锥形，使得水平支撑段顶部与基片的接触面最小化。

可选的，所述载环支撑爪底面包括一凸起或者凹进部，以防止载环支撑爪滑动。

进一步的，本发明还提供一种薄膜生长系统，所述薄膜生长系统包括一反应腔，所述反应腔包括位于反应腔顶部的如上文所述的基片托盘，基片托盘下方包括进气装置，用于输入反应气体并在基片托盘底部生长材料层，所述基片托盘上方包括加热器用于加热所述基片托盘的盖板。

可选的，所述薄膜生长系统还包括一传输腔，所述传输腔中包括一个机械传输装置，所述机械传输装置包扩一个传输头，所述传输头用于支撑上文所述的载环，并且驱动所述载环组件中的载环支撑部进入所述基片托盘中的举升腔，并沿载环的圆周方向旋转一预设角度。

本发明的优点在于：本发明提供一种倒置的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的加热腔，所述侧壁顶部包括盖板，所述顶盖用于向下辐射热量；所述顶盖下方的侧壁内侧包括多个互相分离的支撑腔，以及与每个支撑腔相邻的举升腔，所述举升腔底部向下延伸并穿过基片托盘侧壁底面，使得举升腔与基片托盘下方空间联通，所述支撑腔底部平面高于所述基片托盘底面。与相应的载环组件配合后能够使得基片从基片托盘底部取放，简化取放基片流程。

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2a、图2b是用于倒装MOCVD反应器的载环组件侧向截面图和顶视图；

图3a是与图2a、2b所示载环组件与相应的基片托盘组合后的仰视图；

图3b是图3a中基片承载环与基片托盘组合体在X处的截面图；

图3c是图3a中基片承载环与基片托盘组合体在Y处的截面图。

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。本发明能够有效解决倒装式基片托盘基片装载/卸载困难的问题。为此发明人提出了一个改进实施例，如图2a、图2b是用于倒装MOCVD反应器的基片载环组件的侧向截面图和顶视图。在该实施例中包括一个载环182，载环182内侧设置有多个基片支撑爪188，基片支撑爪188用于支撑基片W。基片支撑爪188包括固定段188a用于固定到载环182上，还包括水平支撑段188b，两者之间还包括过渡部，使得水平支撑段188b的高度低于固定段188a。载环182外侧还包括一组在圆周上均匀分布的载环支撑爪189，载环支撑爪189内侧端固定在载环182上，外侧端用于架设在基片托盘内侧壁开设的支撑腔中。图2b为基片放置在载环上时，载环组件的顶视图。其中载环支撑爪189、载环182和基片支撑爪188中至少一个是由低导热系数的陶瓷材料制成的，其它部件可以是高导热材料制成的。最佳的，基片支撑爪188是由石英等低导热材料制成，其余部分可以由石墨和碳化硅制成，典型的是由石墨构成基体在外表面涂覆一层碳化硅涂层。

如图3a所示为载环组件将基片安装到基片托盘内部空腔后基片托盘8的仰视图，其中基片托盘8内侧壁上开设有多个与载环支撑爪189对应的开口180作为举升腔。在基片托盘8内的开口180与相邻的一个转移腔181和支撑腔联通。其中转移腔181底部包括一个底面181a，其高度大于基片托盘底面80的高度，支撑腔183底面183a用于支撑载环组件上的载环支撑爪189，支撑腔底面183a高度低于底面181a的高度且高于基片托盘底面80的高度。在MOCVD工艺执行过程中，首先需要将待处理基片放置到载环组件的基片支撑爪188上，使得基片的处理区域面向下方。然后通过机械臂将载环传输到基片托盘下方，使得载环支撑爪189与基片托盘底面上的开口180相对，再通过机械臂提升载环位置，使得载环支撑爪189的高度高于所述底面181a的高度，随后通过机械臂上的传输头旋转或者通过基片托盘8的旋转使得载环支撑爪189沿圆周方向转动越过转移腔181并进入支撑腔183，最后机械臂向下移动使得载环组件上的载环支撑爪189下降到支撑腔底面183a上，实现从下方装载基片到基片托盘的方法。其中转移腔底面181a高于支撑腔底面183a可以使得基片托盘在旋转过程中载环支撑爪189不会滑动，转移腔181的横向宽度可以很小，只要能防止载环支撑爪189水平移动就可以实现本发明目的。

图3b为上图3a中X处的截面视图，其中载环组件在安装到基片托盘后载环182阻挡了开口180与基片之间的空隙，载环支撑爪189放置在支撑腔底面183a上，基片支撑爪188的水平支撑段188b位于所述基片托盘底面80下方，使得水平支撑段188b的上表面也就是基片处理面与基片托盘底面80基本持平。

图3c为图3a在Y处的截面视图，其中基片托盘内侧壁底面设置有多个贯穿基片托盘底面80的开口180、支撑腔183和转移腔181。其中支撑腔183上方的侧壁内侧还包括一个台阶部，用于放置热扩散板9。由于本发明结构的基片托盘8，基片是通过基片托盘8底部开口180装载/卸载基片的，所以顶部的热扩散板9可以固定到基片托盘8，或者热扩散板与基片托盘顶部集成作为一个零部件制造，或者热扩散板9与基片托盘8台阶部的尺寸可以有更大的设计空间，不需要考虑频繁取放热扩散板9，以及下方基片需要从上述台阶部围绕的空间中穿过的设计要求。热扩散板9也可以是如图3c所述有多个部分组合而成，其中热扩散板9位于外围的环状热扩散板9a和架设在环状部上的圆形热扩散板9b。其中热扩散板9a、9b的面积比例和材料组成都可以根据工艺需求优化选择，比如执行第一工艺时中心的热扩散板9b具有第一导热系数，在执行第二工艺时，需要不同的温度分布所以可以更换具有另一种导热系数的热扩散板9b。

在完成MOCVD工艺流程需要卸载基片时，可以执行相反的操作：伸入机械臂到反应腔中载环下方，抬起机械臂使载环上升一定高度，高度选择要能够避免载环支撑爪189与支撑腔183顶面碰撞，又要使载环支撑爪189底面高于转移腔底面181高度。然后旋转载环组件或者基片托盘之一，使得两者发生相对位移后载环支撑爪189移动到开口180对应位置，最后驱动机械臂下降，使得载环组件脱离基片托盘8。再通过机械臂将载环组件转移到薄膜沉积系统的其它腔体，由这些腔体内的其它机械装置将基片翻转并实现基片与载环组件的分离。比如通过机械臂将载环与基片传输到存储腔或者冷却腔，使得基片温度降低到适合吸盘吸取的温度，然后通过吸盘在基片背面吸附固定，再翻转吸盘方向使得基片加工面朝上。采用本发明的基片托盘和载环组件结构，可以实现在反应腔高温状态下将基片从反应腔内移出，并送人新的基片和载环组件，处理完的高温基片可以在冷却腔内等待降温，不需要反应腔内等待降温后再通过复杂的运动过程将基片取出，提高了反应腔的实际利用率。

本发明除了可以应用于只有一个基片托盘的反应腔，也可以应用于具有多个基片托盘的反应腔，只是上述机械臂或者基片托盘旋转驱动装置需要适应多个基片托盘的结构。比如多个基片托盘8固定在一个基片托架上，旋转基片托架使得多个基片托盘8发生公转，机械臂伸入反应腔中，每次采用前述装载/卸载方法取放一片基片和载环组件，随后旋转基片托架，使得下一个基片托盘靠近机械臂并取放下一片基片和载环组件，最终实现利用一个机械臂对一个基片托架上多个基片的取放。

其中载环182最佳的需要选择高导热材料如石墨或碳化硅制成，基片支撑爪188需要是隔热材料制成，这样的设计可以在MOCVD工艺过程中保证载环182上具有均匀的温度分布，基片边缘与载环182具有均匀的辐射热量分布，同时减少基片与载环182之间的直接接触热传导，最终获得最佳的基片温度分布效果。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。载环支撑爪189可以选择合适材料制成的，以提高载环182的温度，使得载环182和基片温度接近，减少横向的热量传输。基片支撑爪188、载环182与载环支撑爪189之间可以是烧结为一体的零部件，也可以采用其它方法固定，比如基片支撑爪188的固定段188a通过插入载环内壁上开设的固定孔实现固定，同样的，载环支撑爪189也可以是通过这种方式机械固定到载环182上。

进一步的，本发明中载环支撑爪189底面可以设置沿半径方向延展的楔形凹槽/突出部，与基片托盘中支撑腔底面183a的突出部/凹槽相匹配，其中凹槽呈放射状排布使得载环支撑爪189在向下放置过程中能自动对准位置，而且在基片托盘加速或者减速旋转过程中载环支撑爪189不会打滑移动。载环支撑爪189设置固定安装面的情况下，上述转移腔181也可以省略，支撑腔183与开口180直接连通，这样的设计可以进一步简化基片托盘的结构。

其中载环182的底面也可以设置若干个用于与机械臂支撑头配合的凸起或者凹陷部，使得两者表面互相结合时能够精准定位，并且在水平运动中避免打滑。

本发明中的载环支撑爪189与基片支撑爪188之间最佳的需要是交替错开设置的，这样载环支撑爪189从上述支撑腔底面183上导入的热量会经过较长路径到达基片支撑爪188，防止基片支撑爪188周围的基片温度过高。基片支撑爪188的截面可以是多边形的，如三角形，其中支撑爪188上表面为一条凸起的棱形，这样可以使得基片支撑爪188与基片之间的接触面为线接触，最小化导热量。

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 (11)

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加热腔，所述侧壁的顶部包括盖板，所述盖板用于向下辐射热量；所述盖板下方的侧壁内侧包括多个凹进的腔体，所述多个腔体包括多个互相分离的支撑腔，以及与每个支撑腔相邻的举升腔，所述举升腔的底部向下延伸并穿过基片托盘的侧壁底面，使得举升腔与基片托盘下方空间联通，所述支撑腔的底部平面高于所述基片托盘的底面，

所述支撑腔和举升腔之间还包括一转移腔，其中转移腔底面高度高于所述支撑腔的底面高度，

所述支撑腔、转移腔、举升腔在基片托盘内壁沿圆周方向排列，共同构成一个支撑单元，多个支撑单元在基片托盘侧壁底部互相间隔设置，所述侧壁的底部还包括一环形凹槽与所述举升腔联通，用于容纳环形载环；

多个互相间隔设置在所述载环上的载环支撑爪，所述每个载环支撑爪一端固定到载环，另一端向载环外侧延伸；

多个互相间隔设置在载环上的基片支撑爪，所述每个基片支撑爪一端固定到载环，另一端向载环内侧延伸，用于支撑基片。

2.如权利要求1所述的基片托盘，其特征在于，所述侧壁的顶部包括一台阶部，所述盖板为架设在台阶部上的热扩散板。

3.如权利要求1所述的基片托盘，其特征在于，所述盖板包括至少一个环和圆形板的组合，其中至少一个环或者圆形板可替换。

4.如权利要求1所述的基片托盘，其特征在于，所述支撑腔底面包括凸起或者凹进部。

5.如权利要求1所述的基片托盘，其特征在于，所述载环、载环支撑爪、基片支撑爪中至少一个由导热系数小于等于40W/m.k的低导热系数材料制成，其它部分由导热系数大于等于150W/m.k的高导热系数材料制成。

6.如权利要求1所述的基片托盘，其特征在于，所述基片支撑爪由低导热系数材料制成。

7.如权利要求1所述的基片托盘，其特征在于，所述基片支撑爪包括一固定段固定到所述载环，一水平支撑段用于支撑基片，连接在固定段和水平支撑段之间的过渡段，其中过渡段从固定段向下延伸。

8.如权利要求7所述的基片托盘，其特征在于，所述水平支撑段的顶部截面呈上小下大的锥形，使得水平支撑段顶部与基片的接触面最小化。

9.如权利要求1所述的基片托盘，其特征在于，所述载环支撑爪底面包括一凸起或者凹进部，以防止载环支撑爪滑动。

10.一种薄膜生长系统，所述薄膜生长系统包括一反应腔，其特征在于：所述反应腔包括位于反应腔顶部的如权利要求1-6任一项所述的基片托盘，基片托盘下方包括进气装置，用于输入反应气体并在基片托盘底部生长材料层，所述基片托盘上方包括加热器用于加热所述基片托盘的盖板。

11.如权利要求10所述的薄膜生长系统，所述薄膜生长系统还包括一传输腔，所述传输腔中包括一个机械传输装置，所述机械传输装置包扩一个传输头，所述传输头用于支撑所述的载环，并且驱动所述载环组件中的载环支撑部进入所述基片托盘中的举升腔，并沿载环的圆周方向旋转一预设角度。