CN203715721U - 一种化学气相沉积装置及旋转轴 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种化学气相沉积装置，所述化学气相沉积装置包括一处理腔室，所述处理腔室内设基片托盘和用于支撑基片托盘的旋转轴，为保持旋转轴和基片托盘的同步转动，在旋转轴的支撑面上设置凹陷部，在基片托盘的下表面上设置与所述凹陷部卡接的凸起部，通过凹陷部和凸起部的凹陷侧面和凸起侧面相互抵靠，保证基片托盘与旋转轴同步运动。通过对处理腔室外转轴旋转位置进行监控，可以获知当前托盘的旋转位置，从而对基片托盘上的特殊位置进行定位并采集信息。
Description
技术领域
本实用新型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及旋转轴。
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托盘或基座，从而为基片提供均一的沉积效果。如图1所示是一种典型的MOCVD反应器结构，该反应器内包括处理腔室100，处理腔室内包括旋转轴110，安放有若干基片105的基片托盘120安装在旋转轴110的顶端，加热装置103位于基片托盘120的下方并围绕旋转轴110而设置。处理腔室顶部包括气体喷淋头101，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均匀地分布到处理腔室内的基片托盘120上方。气体喷淋头101还包括一个冷却装置将来自冷却液源50的冷却液通过管道51送入喷淋头，进行冷却循环以对气体喷淋头的温度进行控制。处理腔室下方还包括一个抽气装置106以控制处理腔室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。因而，在旋转过程中，需要对基片托盘上方不同位置的温度和沉积层厚度进行实时的监控。要分析温度或沉积层的厚度，就必须基于基片托盘的精确的旋转位置信息，否则就无法判断所探测到的温度是对应的高速旋转中的基片托盘上的哪个部位。要获得精确的旋转位置的信息，最简单的方法是计算旋转轴110位于处理腔室外部大气中的旋转周数和角度，然后就可以获得处理腔室内基片托盘的旋转角度和位置。使用基片托盘和旋转轴固定连接可以实现精确的旋转位置信息采集，但是这种固定连接会带来其它的问题，比如基片托盘与旋转轴中任何一个位置调校不准或者安装时的偏差都会造成最终托盘不在水平平面上旋转，从而对机械的稳定性和加工的效果造成影响，同时，将基片托盘和旋转轴固定连接，增加了基片沉积完成后的取出难度，增加了反应工艺的复杂程度。
基于上述不足，现有技术中又有人提出利用摩擦力带动基片转动的方案，如美国专利US6506252所提供的无基座式MOCVD反应器。在该现有技术中，旋转轴与基片托盘之间存在一个带状的摩擦接触面，在转动过程中如果初始状态的基片托盘不是水平的，由于重力的作用在高速旋转中整个基片托盘会自发地调整成水平状态。但是，这种带摩擦接触驱动结构也有问题，在旋转加速和减速过程中一旦加速度过大会发生基片托盘和转轴之间的相对位移。一旦发生位移，探测到的旋转轴的旋转角度就与处理腔室内部基片托盘的旋转位置发生偏离，就无法继续精确判断内部托盘的旋转位置。具体而言，基片托盘在MOCVD反应室内受旋转轴支撑并被驱动而旋转。旋转轴由真空旋转密封机构进入真空反应室，所以对处理腔室外旋转轴旋转位置进行监控，可以获得当前托盘的旋转位置，从而对托盘上的特殊位置进行定位并采集信息。当旋转轴旋转时，旋转轴与基片托盘接触处的摩擦力驱动托盘旋转。由于旋转轴与基片托盘之间为圆结构接触，旋转方向无自由度限制，因此旋转轴与基片托盘之间可相对转动，在运行过程中，尤其是加速、减速时，托盘与旋转轴之间易发生相对旋转，且此旋转相对位置具有随机性，此时旋转轴的旋转位置并不能反应当前托盘的旋转位置，因此无法对托盘上的特殊位置进行定位并采集信息。
所以业内需要一种改良的化学气相沉积装置，其包括一种保持旋转轴与基片托盘同步转动的结构，该结构保证旋转轴与基片托盘的同步旋转，通过对转轴旋转位置的监控，得知托盘的旋转位置，从而对托盘上的特殊位置进行监测。
实用新型内容
为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种化学气相沉积装置，包括一处理腔室,所述处理腔室内包括：一旋转轴，所述旋转轴包括旋转主轴以及与所述旋转主轴一端相连接、并沿所述旋转主轴外围向外延伸开来的支撑部，所述支撑部包括一支撑面；所述支撑面上设有凹陷部；一基片托盘，所述基片托盘包括一上表面和一下表面，所述基片托盘的下表面设置凸起部；所述基片托盘可分离地放置在所述支撑部上，在此位置下，所述支撑部的支撑面与所述基片托盘的凸起部周围区域接触以支撑所述基片托盘，所述下表面的凸起部与所述支撑面上的凹陷部相互卡接或抵靠，以产生一力量以带动或推动所述旋转轴和所述基片托盘共同旋转。
优选的，所述凸起部为圆柱形或方柱形或椭圆柱形或三棱柱形或其它规则或不规则柱体形。
优选的，所述三棱柱形、方柱形的凹陷部和凸起部的拐角处为弧状倒角。
优选的，所述支撑面为一圆形，所述凹陷部位于所述支撑面圆心位置或偏离圆心的位置。
优选的，所述支撑面上设置两个或两个以上所述凹陷部，所述凹槽内设置对应个数的相互匹配的所述凸起部。
优选的，所述支撑面上的两个或两个以上的凹陷部形状和大小为相同或不相同。
优选的，所述支撑面上设置一个凹陷部，所述凹槽内设置两个或两个以上的凸起部，所述凹陷部与若干个所述凸起部相匹配卡接。
优选的，所述支撑面上的凹陷部向所述支撑面边缘延伸，在所述支撑面边缘形成至少一个缺口。
优选的，所述凸起部的凸起侧面和所述凹陷部的凹陷侧面之间设置有间隙，所述间隙不小于0.01mm。
进一步的，本实用新型还公开了一种用于化学气相沉积装置的旋转轴，包括旋转主轴以及与所述旋转主轴一端相连接、并沿所述旋转主轴外围向外延伸开来的支撑部，所述支撑部包括一支撑面；所述支撑面上设有凹陷部。
本实用新型的优点在于：为保持旋转轴和基片托盘的同步转动，在旋转轴的支撑面上设置凹陷部，在基片托盘的下表面上设置与所述凹陷部卡接的凸起部，通过凹陷部和凸起部的凹陷侧面和凸起侧面相互抵靠，保证基片托盘与旋转轴同步运动。通过对处理腔室外转轴旋转位置进行监控，可以获知当前托盘的旋转位置，从而对基片托盘上的特殊位置进行定位并采集信息。
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，本实用新型的其它特征、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，以解释和阐明本实用新型的宗旨。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反应器的结构示意图；
图2a-2g示出第一种实施例的旋转轴和基片托盘结构示意图；
图3a-3f示出第二种实施例的旋转轴和基片托盘结构示意图；
图4a-4b示出第三种实施例的旋转轴和基片托盘结构示意图。
具体实施方式
本实用新型公开了一种化学气相沉积装置，为使本实用新型的上述目的、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实用新型的具体实施方式做详细的说明。
本实用新型提供的化学气相沉积装置，包括一处理腔室，处理腔室内设置有旋转轴和基片托盘，基片托盘可分离地放置在旋转轴上并受其支撑，旋转轴和基片托盘上设置有一种保持二者同步转动的构造，能够相互匹配卡接从而保证旋转轴与基片托盘的同步旋转，可以实现通过对旋转轴的旋转位置的监控，得知基片托盘在处理腔室内的旋转位置，从而对基片托盘上的某些位置或位于其上方的基片进行位置测量或数据监测。本实用新型所提供的化学气相沉积装置，既能实现旋转中对基片托盘的自平衡，也能保持旋转轴与基片托盘同步转动，防止二者相对滑动。
以下结合附图说明本实用新型的具体实施方式。应当说明，以下图2a至图4b所示意的旋转轴与基片托盘均是对图1中所示的化学气相沉积装置的处理腔室100内的旋转轴与基片托盘的改良，因而，为简洁起见，在图2a至图4b中不再示意化学气相沉积装置的处理腔室100，仅示出其中被改良的旋转轴与基片托盘。应当说明，以下所述各实施例中的处理腔室内均包括至少一个旋转轴，旋转轴上可分离地放置有基片托盘，该基片托盘至少部分地受旋转轴支撑并使基片托盘在旋转轴的旋转驱动下围绕旋转轴的中心轴线转动。除此之外，这些实施例中还提供了上述可以保持基片托盘和旋转轴同步转动的结构。
图2a-2g是本实用新型所提供的第一种实施例化学气相沉积装置中的旋转轴与基片托盘的结构示意图。如图2a所示，旋转轴110包括一旋转主轴111和沿旋转主轴111一端的外围向外延伸开来的支撑部113，所述支撑部包括一支撑面116；支撑面116上设有凹陷部114；图2b示出一基片托盘的结构示意图，基片托盘120包括一上表面121和一下表面122，下表面122靠近支撑部113，下表面122设置凸起部124，凸起部124可以与凹陷部114匹配卡接，实现旋转轴110带动基片托盘120同步转动。支撑部113位于旋转主轴111的上方，其直径大于旋转主轴的直径，与旋转主轴111一体设置或可分离设置，在旋转过程中，支撑部113保持与旋转主轴111相对固定。在本实施例中，凹陷部114在支撑部113内部形成凹陷侧面117，凹陷部114的凹陷深度大于等于支撑部113的厚度，为了保证支撑部113与基片托盘120在旋转时的安全连接，防止由于旋转速度太快导致基片托盘被甩出，通常设置凹陷部114的凹陷深度大于支撑部113的厚度，即凹陷侧面117沿着支撑部113向下延伸至旋转主轴111内部一定深度，在旋转主轴内部形成凹陷面115。作为与之配合卡接的凸起部124，其周围环绕区域126可以在基片托盘120放置在支撑部113上时与支撑面116相接触，通过支撑面116实现对基片托盘120的支撑。凸起部124还包括凸起侧面127。本实施例中凸起部124为椭圆柱形，凹陷部114的水平横截面为椭圆形。应当理解，凸起部124和凹陷部114还可以设置为其它形状，只要能保证凸起部124的形状和大小设置为可至少部分地或全部地容纳于凹陷部114内即可。比如：凸起部124为圆柱形或方柱形或椭圆柱形或三棱柱形或其它规则或不规则柱体形。在另外的实施例中，三棱柱形、正方柱形或者长方柱形的拐角处可以为弧形倒角。
图2c示出本实施例旋转轴110与基片托盘120组装状态下的剖面示意图，如图所示，在旋转轴110与基片托盘120组合状态下，基片托盘120环绕凸起部124的区域126与支撑部113的支撑面116相接触，通过支撑面116实现支撑部113对基片托盘的支撑，此时，基片托盘120的凸起部124嵌入支撑面116的凹陷部114内，支撑部113通过支撑面116支撑基片托盘120，并带动基片托盘120旋转。由于在化学气相沉积处理装置中需要对处理腔室外旋转轴110旋转位置进行监控，从而对基片托盘120上的特殊位置进行定位并采集信息。当旋转轴110旋转时，由于支撑面116和环绕凸起部124的区域126的摩擦力有限，且两者旋转方向无自由度限制，因此旋转轴110与基片托盘120之间可相对转动，在运行过程中，尤其是加速、减速时，基片托盘120与旋转轴110之间易发生相对旋转，且此旋转相对位置具有随机性。在本实施例中，在支撑面116上设置凹陷部114，并在基片托盘下表面上设置与凹陷部114相匹配的凸起部124，通过凹陷部114和凸起部124的卡接实现旋转轴110带动基片托盘120的同步旋转，从而完成对基片托盘上的特殊位置进行定位并采集信息。
具体的，下表面122上设置的凸起部124是可分离地伸入和插接于凹陷部114内的，为便于分离和插接，只要能保证凸起部124的形状和大小设置为可至少部分地或全部地容纳于凹陷部114内即可，凸起部124和凹陷部114的形状和/或大小还可以设置为其它形状和尺寸，例如，设置凹陷部114的横截面尺寸比凸起部124的横截面尺寸略大，使得两者之间存在一个间隙。该间隙允许存在于凸起部124和凹陷部114的竖直方向和/或水平方向，其中垂直方向的间隙即为凸起部124的凸起面125和凹陷部的凹陷面115之间的间隙，其中水平方向的间隙即为凸起部124的凸起侧面127与凹陷部114的内凹陷侧面117之间的间隙。间隙的大小根据实际设计需要可以调整，如果间隙设计得太小，不仅不便于插接和分离，还会使在低温时放入的基片托盘在高温反应时由于热胀冷缩导致无法将基片托盘取出，典型的两者间隙可以选择不小于0.01mm。在工艺处理中，当旋转轴110开始旋转时或在旋转过程中加速或者减速旋转时，基片托盘120与旋转轴110之间会发生相对的旋转位移，会使凹陷部114在前述间隙内移动，直至凹陷部114的凹陷侧面117与凸起部124的凸起侧面127相互接触或二者相互抵靠住，从而可以阻止凹陷部114的进一步移动，同时也就实现了基片托盘120与旋转轴110二者不再相对移动，而是实现同步旋转。从前面的描述可知，间隙的数值与基片托盘和旋转轴之间滑动程度相关。只要该间隙大小在限定范围内，仍然能保持对处理腔室内基片托盘的位置探测精度，同时保证基片托盘和旋转轴的支撑部113之间能够自由取放和实现自平衡功能。本实用新型的间隙大于等于0.01mm、小于5mm，优选的该间隙不小于0.05mm、不大于0.5mm。由图2c可以看出，为了保证旋转轴和基片托盘以较高速度旋转时，基片托盘与旋转轴不发生脱离，凸起部的凸起面125和凹陷部的凹陷面115位于支撑部113的下表面119水平线以下，保证基片托盘旋转的安全稳定。
图2d和图2e示出本实施例的一种变形结构示意图，其与上述实施例的区别在于，支撑面116a上设置的凹陷部114a水平横截面为条状椭圆形的，对应的，凸起部124a形状为与凹陷部114a相匹配的条状椭圆形。
图2f和图2g示出本实施例的另一种变形结构示意图，其与上述实施例的区别在于，凸起部124b形状为三棱柱形，支撑面116b上设置的凹陷部114b与凸起部124b形状相对应或相匹配。凹陷部114b和凸起部124b的拐角处可以为圆滑的弧状倒角。所述凹陷部和所述凸起部还可以为圆柱形，考虑到圆柱形的特殊结构，所述凹陷部和所述凸起部分别位于所述支撑面和所述下表面偏离圆心的位置，才能实现凹陷部带动凸起部旋转的作用。，除上述列举的几种形状外，凹陷部114和凸起部124的形状还可以为梯形、条形，以及其他不规则形状只要凹陷部114和凸起部124相互匹配，并且能保证在旋转轴110旋转时，凹陷部114能保证凸起部124做同步旋转运动，即属于本实用新型的保护范围。
应当说明，本实用新型所提供的各种化学气相沉积装置中的支撑部113与基片托盘120是一种非固定连接，即，在处理腔室位于工艺处理的过程中，基片托盘120可分离地放置在旋转轴110上，旋转轴110的支撑部113可分离地支撑基片托盘120，基片托盘120受支撑部113的支撑面116支撑，再通过相互抵靠的凸起部124和凹陷部114来产生一力量以带动或推动旋转轴110和基片托盘120共同围绕该旋转轴110的中心轴线旋转。同时，基片托盘的凸起部124与支撑部113的凹陷部114相互配合并保持所述基片托盘和所述旋转轴同步转动。而在工艺处理结束后，基片托盘120可以直接从旋转轴110上被分离开，再被移出处理腔室。
图3a-3f是本实用新型所提供的第二种实施例化学气相沉积装置中的旋转轴210与基片托盘220的结构示意图。旋转轴210和基片托盘220的结构和第一实施例类似，区别在于：旋转轴210的支撑部213上设置两个或两个以上的凹陷部214，如图3a和3b所示，支撑部213上设置两个凹陷部214，对应的基片托盘220的下表面上设置两个凸起部224，凹陷部214可以设置在靠近支撑部213中心的位置，也可以设置在靠近支撑部213边缘的位置，当凹陷部214设置在靠近支撑部213边缘的位置时，凹陷部214的凹陷深度可以与支撑部213的厚度相等，即贯穿支撑部的支撑面216和下表面219，此时，在基片托盘下表面222对应的位置设置凸起高度大于凹陷深度的凸起部224，由于支撑部213的直径大于旋转主轴211的直径，凸起部224可以穿过支撑部213的下表面219，保证基片托盘在高速旋转时与旋转轴210保持固定连接。当两个凹陷部214设置在靠近支撑部213中心的位置时，根据上述实施例描述，优选的，凹陷部214的凹陷深度大于支撑部213的厚度，凹陷部214形成的凹陷侧面217沿垂直于支撑面216的方向向下贯穿支撑部213并沿旋转主轴延伸一定距离。对应的，凸起部224设置在靠近基片托盘下表面圆心的位置，以实现与凹陷部的卡接匹配。具体的保持旋转轴与基片托盘同步转动的原理和方式与上述实施例相同，在此不再赘述。
图3c示出另一种能与图3b所述的凸起部224相匹配的凹陷部214’，凹陷部214’为长条形椭圆状，尽管凹陷部214’的数量为1，其可以容纳两个凸起部224，实现与凸起部224的匹配卡接，并能保持旋转轴210’与基片托盘220的同步旋转。
图3d和图3e示出本实施例的另一种变形的旋转轴210a和基片托盘220a的结构示意图，与上述不同之处在于，旋转轴210a的支撑部213a上设置三个凹陷部214a，对应的基片托盘220的下表面上设置三个凸起部224a，凹陷部214a可以设置在靠近支撑部213a中心的位置，也可以设置在靠近支撑部213a边缘的位置，设置在靠近支撑部中心位置和靠近支撑部边缘位置的具体方式如图3a和图3b的实施例所述，在此不再赘述，需要指出的是，图3a-图3e公开的实施例中，如果支撑面213上设置一个以上的凹陷部，凹陷部的形状和大小可以相同，也可以为不同，此外，若干个凹陷部可以既分布在支撑部213的中心区域，又分布在支撑部的边缘区域，只要与之匹配的凸起部224能与之卡接，实现旋转轴与基片托盘的同步旋转即可。
图3f公开了一种可以与图3e所述基片托盘配合的旋转轴210a’，由于图3e公开的实施例为三个凸起部224a，图3f的凹陷部横截面为三棱柱形，三个凸起部224a可以与凹陷部214a’卡接，实现旋转轴和基片托盘的同步转动。
图4a和图4b公开了第三种实施例的结构示意图，其与上述实施例的区别在于，凹陷部314自支撑部的中心区域向边缘处延伸，并在边缘处形成缺口318，缺口318穿透或不穿透支撑部313的下表面319，凹陷部314的凹陷深度可以等于缺口318的深度，也可以大于缺口318的深度。此外，缺口318的数目可以为一个或一个以上，若为一个以上，可以在所述支撑部上均匀分布，也可以分布不均匀。对应的所述基片托盘上要设置与所述缺口匹配的延伸部328，以便实现旋转轴与基片托盘的同步旋转。
本实用新型虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本实用新型的保护范围应当以本实用新型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，包括一处理腔室，其特征在于：所述处理腔室内包括：
一旋转轴，所述旋转轴包括旋转主轴以及与所述旋转主轴一端相连接、并沿所述旋转主轴外围向外延伸开来的支撑部，所述支撑部包括一支撑面；所述支撑面上设有凹陷部；
一基片托盘，所述基片托盘包括一上表面和一下表面，所述基片托盘的下表面设置凸起部；
所述基片托盘可分离地放置在所述支撑部上，在此位置下，所述支撑部的支撑面与所述基片托盘的凸起部周围区域接触以支撑所述基片托盘，所述下表面的凸起部与所述支撑面上的凹陷部相互卡接或抵靠，以产生一力量以带动或推动所述旋转轴和所述基片托盘共同旋转。
2.根据权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于：所述凸起部为圆柱形或方柱形或椭圆柱形或三棱柱形或其它规则或不规则柱体形。
3.根据权利要求2所述的化学气相沉积装置，其特征在于：所述三棱柱形、方柱形的凹陷部和凸起部的拐角处为弧状倒角。
4.根据权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于：所述支撑面为一圆形，所述凹陷部位于所述支撑面圆心位置或偏离圆心的位置。
5.根据权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于：所述支撑面上设置两个或两个以上所述凹陷部，所述基片托盘的下表面设置对应个数的相互匹配的所述凸起部。
6.根据权利要求5所述的化学气相沉积装置，其特征在于：所述支撑面上的两个或两个以上的凹陷部形状和大小为相同或不相同。
7.根据权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于：所述支撑面上设置一个凹陷部，所述基片托盘的下表面设置两个或两个以上的凸起 部，所述凹陷部与若干个所述凸起部相匹配卡接。
8.根据权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于：所述支撑面上的凹陷部向所述支撑面边缘延伸，在所述支撑面边缘形成至少一个缺口。
9.根据权利要求1-8中的任何一项所述的化学气相沉积装置，其特征在于：所述凸起部的凸起侧面和所述凹陷部的凹陷侧面之间设置有间隙，所述间隙不小于0.01mm。
10.一种用于化学气相沉积装置的旋转轴，其特征在于：包括旋转主轴以及与所述旋转主轴一端相连接、并沿所述旋转主轴外围向外延伸开来的支撑部，所述支撑部包括一支撑面；所述支撑面上设有凹陷部。
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