CN203721688U - 加热器组件 - Google Patents

Abstract

一种晶圆处理装置及用于此类处理装置的加热组件。具体地，所述晶圆处理装置中包括具有多个加热丝和所述加热丝的机械支撑件的加热元件，所述加热元件安装与所述处理装置中以对安装于晶圆承载器上的晶圆进行加热并且使得辐射热元件可进行不受限制的热膨胀。加热元件为大致平面形状。加热元件的尺寸设为直径约为675mm±5%。加热丝为弯曲性并且大致处于同一平面。各加热丝的结构设置为，所述加热丝跟随其相邻加热丝的结构但不与其相邻加热丝发生接触。

Description

加热器组件

技术领域

本实用新型涉及，晶圆处理装置及用于此类装置的加热组件。本实用新型尤其涉及晶圆处理装置中的加热元件和加热元件丝的机械支撑件，其中加热元件安装在处理装置中以对安装于晶圆承载盒上的晶圆进行加热的。

背景技术

许多的半导体器件系通过所谓的化学气相沉积（CVD）工艺对基板上的半导体材料进行外延生长而形成。基地一般为盘形的晶体材料，通常称为“晶圆”。这一工艺中，当使得晶圆处于高温的同时使得晶圆暴露至一或多个化学前体。前体气体在基板表面上发生反应及/或分解以产生所需的沉积物。CVD工艺所用的常见前体包括金属，金属的氢化物、卤化物及卤代氢化物，以及金属有机化合物。一般地，前体与并不参与反应的载流气体（例如，氮气）混合。通过流经反应室的气体去除载流气体和任何不需要的副产品。

例如，通常使用金属有机化学气相沉积（“MOCVD”）生长连续的化合物半导体层而形成III-V族半导体之类的化合物半导体。III-V族半导体的例子包括发光二极管（LEDs），以及激光二极管，光检测器，及场效应管之类的其他高性能器件。可通过使得有机金属-镓与氨气在具有合适晶格间距的基底（例如，蓝宝石晶圆或硅晶圆）上进行反应而形成此类器件。一般地，在氮化镓及相关化合物的沉积过程中，晶圆的温度保持在500-1200℃的级数。处理过程中，加热元件通常会被加热至1000-2200℃以使得晶圆达到其处理温度。同样控制压力和气体流速之类的多个其他处理参数以达成所需的晶体生长。在形成所有的半导体层之后，并且通常在形成适当的电触点后，将晶圆切为单个的器件。

一般地，MOCVD反应器包括反应室（装有可将基底传递及放置入反应室中的装置），基底架，及带有温度控制的加热系统。

为了促进外延生长的均匀性，将其上要生长多层薄膜的半导体晶圆放置在快速旋转的，称为晶圆承载器。旋转速度为500-1,500RPM的级数。这一快速旋转使得晶片表面更均匀地暴露至用于沉积半导体材料的处理室中的大气环境。晶圆承载器一般由石墨之类的高导热材料加工而成，并且通常涂有碳化硅之类材料的保护层。各晶圆承载器的顶面具有一组凹槽或凹口，以供单个晶圆放置于其中。

晶圆承载器被支撑在处理室中的转轴上，以使得晶圆承载器的具有晶片暴露表面的顶面向外朝向气体分布装置。在转轴旋转的同时，气体直接向下导线至晶圆承载器的顶面并且朝向晶圆承载器的周部流经顶面。所使用的气体通过晶圆承载器下方的口排出反应室。

通过加热元件将晶圆承载器保持在升高的温度，一般为设于晶圆承载器的底面下方的电阻加热元件。这些加热元件的温度保持为高于晶圆表面所需温度，而气体分布装置的温度一般保持为低于所述所需温度以防止前体过早发生反应。因此，热从加热元件传递至晶圆承载器的底面，并且经由晶圆承载器向上流动至单个的晶圆。向上传递经过晶圆承载器的热也从晶圆承载器的顶面辐射。从晶圆承载器辐射出的辐射热传递的度为晶圆承载器的多个表面和周围组件（例如，保护层，晶圆，及沉积膜）的辐射率的函数。

加热元件一般由钨，钼，铌，钽，铼及其合金制成，以耐受这样的高温（1000-2200℃）。现有加热元件的一个问题是加热元件的热诱导变形。随着加热元件的尺寸增大以适应更大规模的MOCVD，这一问题更加严重。此外，为了确保加热元件的位置设置正确，提出了不同种类的机械支撑结构。一般地，使用端子对加热元件进行这样支撑的，即，即使在加热元件发生膨胀的过程中，所述端子仍然将其保持在预定位置。加热处理过程中，加热元件会趋于延伸其尺寸并因此在加热元件材料的内部生成热诱导应力。

业界需要这样的具有较大直径加热组件的MOCVD系统，其加热元件能够因热增加而膨胀同时减小加热元件的应力并且保持均匀的加热。

实用新型内容

本公开的一个方面提供了一种用于MOCVD反应器的平面加热器的加热元件，其易于制造并且制造成本相对较低并且限制的存在于较大加热元件中的诱导应力同时保持均匀的加热。

本实用新型的用于晶圆上的外延层生长的装置，其包括腔室、安装在所述腔室内用以在其上安装至少一个晶圆的晶圆承载器及安装在所述腔室内用以将所述晶圆加热至预定温度以在所述晶圆上生长所述外延层的加热元件，所述加热元件包括多个加热丝，其中所述加热丝处于同一平面，并被设置为与所述晶圆承载器在空间上平行且沿圆周方向对齐。

如本实用新型实施例的装置，其中所述加热元件为圆形。

如本实用新型实施例的装置，其中所述加热元件具有纵向轴线。

如本实用新型实施例的装置，其中所述多个加热丝包括内部加热丝、第一中间加热丝、第二中间加热丝、第一外部加热丝及第二外部加热丝，其中所述多个加热丝相互配合地处于同一平面并且所述多个加热丝相互不接触。

如本实用新型实施例的装置，其中所述内部加热丝相对于所述纵向轴线对称，所述第一中间加热丝设于所述纵向轴线的一侧而所述第二中间加热丝设于所述纵向轴线的另一侧且与所述第一中间加热丝对齐，并且所述第一外部加热丝设于所述纵向轴线的一侧而所述第二外部加热丝设于所述纵向轴线的另一侧且与所述第一外部加热丝对齐。

如本实用新型实施例的装置，其中所述多个加热丝具有弯曲结构以使得所述多个加热丝各构成所述圆形加热元件的一部分。

如本实用新型实施例的装置，其中所述加热元件的圆周尺寸设置为大致等于或小于所述晶圆承载器的圆周方向。

如本实用新型实施例的装置，其中所述加热元件的圆周尺寸设为直径为675mm±5%。

如本实用新型实施例的装置，其中所述多个加热丝各具有两个连接器端，所述连接器端用于刚性连接至电极从而向所述多个加热丝供电。

如本实用新型实施例的装置，其中所述加热丝可承受被加热到至少2000℃的温度。

如本实用新型实施例的装置，其中所述多个加热丝各自由钨或其合金组成。

如本实用新型实施例的装置，其中所述外部加热丝由铼或其合金组成，并且所述内部加热丝和所述中间加热丝各由钨或其合金组成。

如本实用新型实施例的装置，其中所述多个加热丝各由多孔烧结涂层完全或部分覆盖。

如本实用新型实施例的装置，其中所述加热元件由端子机械支撑，所述端子安装于热防护件上以使得所述端子设于所述加热元件和所述热防护件之间，所述端子允许所述加热元件的径向热位移。

如本实用新型实施例的装置，其中所述加热元件配置为提供2～6个加热区域，较佳为4个加热区域。

本实用新型至少具有如下优点。

由于本实用新型的装置的结构和装配使得加热元件可进行不受限的热膨胀，并且可避免加热丝因增加的热膨胀而可能发生任何的弯折或扭曲。由此，这些丝的高热应力不会产生与热膨胀相关的这些条件下会预期产生的问题。

端子使得加热元件可在其热膨胀过程中发生位移。端子仅限制丝沿垂直方向移动，从而所述热诱导变形导致加热元件沿弯曲的加热元件的径向移动。

附图说明

结合附图，参考下文对本实用新型多个实施例的详细描述，可最佳地理解本实用新型，其中：

图1为根据本实用新型一实施例的晶圆承载器和电动机组件的立体图；

图2为根据本实用新型一实施例的图1所示装置使用的晶圆承载器的立体图；

图3为根据本实用新型一实施例的安装于热防护件上的加热器组件的俯视图；

图4a为根据本实用新型一实施例的加热器组件的内丝的俯视图；

图4b为根据本实用新型一实施例的加热器组件的内丝的侧视图；

图5a为根据本实用新型一实施例的加热器组件的中间丝的俯视图；

图5b为根据本实用新型一实施例的加热器组件的中间丝的侧视图；

图6a为根据本实用新型一实施例的加热器组件的外丝的俯视图；

图6b为根据本实用新型一实施例的加热器组件的外丝的侧视图；

图7为根据本实用新型一实施例的加热器组件的立体图；

图8为根据本实用新型一实施例的类似于图7的视图的分散图；

图9a-9e示出了根据本实用新型多个实施例的轴加热器及/或轴丝；

图10a-10d示出了根据本实用新型多个实施例的端子和端子位置；

图11a-11d示出了根据本实用新型多个实施例的钩状部和钩状部位置；

图12为根据本实用新型实施例的加热器组件底部的立体图，详细示出了安装于加热器底板上的电极密封件和连接器板。

尽管本实用新型可有多种和代替方式，附图中已经通过示例的方式给出具体细节并且下文将详述。然而，应理解，本实用新型并不限于所述的具体实施例。相反，本实用新型涵盖所有的落入由权利要求界定的本实用新型的精深和范围内的修改，等同方式，及代替方式。

具体实施方式

图1示出了可结合为化学气相沉积装置一部分的晶圆承载组件10和电动机组件12。图2详细示出了包括加热元件14的晶圆承载组件10。晶圆承载器16安装于旋转轴18上。晶圆承载器16的结构为，包括：本体，其采用中心轴线垂直于顶面和底面延伸的圆盘的形式。晶圆承载器16的本体具有第一主表面（“顶面20”），和第二主表面（“底面22”）。晶圆承载器16的顶面20朝向气体分布元件，而底面22向下朝向加热元件14并远离气体分布元件。加热元件14的外圆周大致与晶圆承载器16的外圆周对齐。仅作为实例，晶圆承载器16的本体的直径为约695mm，顶面20与底面22之间的厚度约为15.9mm。加热元件14的尺寸大致与晶圆承载器16的圆周尺寸一致。

加热元件14放置为与晶圆承载器16的底面22大致平行并且与之在空间上隔有距离。相对于晶圆承载器16安装加热元件14使得辐射加热元件可有不受限制的热膨胀。加热元件14为大致的板状，或具有大致平的尺寸，即，所谓“平面的”，意指大致平面的以使得发热元件14的延伸不会错位出一个平面超过10%。加热元件14进一步设置为，加热元件14安装至多个防护支撑件或端子24并由其进行支撑。位于底端26的端子24通过螺钉或任何其他类型的机械固定装置或通暗榫和孔形结构固定在加热防护件28上。

图3示出了本文所述的加热元件14。加热元件14提供用于反应室的循环热和对流热。一实施例中，加热元件14的直径为约675mm，±5%。装配好的加热元件14的形状为大致的平面圆形。加热元件14包括多个位于平面内的丝。圆形平面的加热元件14对于预期应用（即，用于MOCVD）是有利的，因为晶圆承载器16为旋转的圆形板并且在加热元件14的形状与晶圆承载器16的形状一致时加热覆盖得以优化。可沿轴线将加热元件14分为第一半片36和第二半片38。各半片36，38包括中间丝32和外丝34。第一半片36和第二半片38共享对称地设置在两个半片36，38之间的内丝34。各丝30，32，34具有这样的曲线形状，即，各丝30，32，34包括加热元件14的圆形几何形状的一部分。

各丝30，32，34为平面形并且其长度大于其宽度。各丝30，32，34出曲线形状并且大致在一个平面内延伸。各丝30，32，34的结构配置为丝30，32，34跟随其相邻的丝30，32，34，但不与相邻的丝30，32，34接触。由此，丝30，32，34大致嵌在所述平面上以提供由多根丝30，32，34形成的复杂结构。丝30，32，34的形式要求各丝30，32，34的侧边或边缘不与任何其他丝30，32，34的侧边或边缘接触，并且除各丝30，32，34的曲度小于90的点之外，各丝30，32，34之间的间距大致均匀。

内丝30，中间丝32，及外丝34各自设有至少两个连接器端40，43，44，46，48，50，所述连接器端配置为用于对加热元件14进行机械支撑和供电并且分别位于丝30，32，34的两端。连接器端40，43，44，46，48，50连接至连接器板74的延伸部（图12a），内丝30，中间丝32，及外丝34由此间接连接至电极电线以进行供电。除了通过连接器端40，43，44，46，48，50与连接器板74的延伸部进行限制性连接，丝30，32，34没有与可能阻止丝30，32，34热膨胀的不可移动的表面进行任何的刚性连接。

丝30，32，34必须由耐受高工作温度（通常为1000～2000℃）的材料制成。一实施例中，外丝34可包括铼或其铼合金，而中部丝32和内丝30可包括钨或其合金。另一实施例中，外丝34，中部丝32，及内丝30可包括钨或其合金。另一实施例中，外丝34，中部丝32，及内丝30可包括超合金材料，难熔金属，石墨，钼，铌，钽，钨，铼，或其组合或合金。超合金材料可选自由镍基超合金组合物或铁基超合金组合物的组群。

实施例中，可利用多孔烧结材料至少部分地覆盖对丝30，32，34。其他实施例中，可利用多孔烧结材料至少部分地覆盖丝30，32，34的顶面和底面。其他实施例中，可利用多孔烧结材料至少部分地覆盖丝30，32，34的除连接器端40，43，44，46，48，50之外的顶面和底面。其他实施例中，可利用多孔烧结材料完整地覆盖丝30，32，34。应理解，可利用本领域技术人员公知的方式制造具有大致平的尺寸的丝30，32，34。例如，一实施例中，可从板或板状元件切出丝30，32，34。

如图4a和4b所详细示出，内丝30包括单长度的材料，其沿单个的平面内的曲折路径弯曲并且其外圆周为大致的圆形。内丝30配置为绕轴线x对称。内丝30具有设为连接至电极的第一连接器端40和第二连接器端34。连接器端40，42分隔距离A，一实施例中，距离A为0.6英寸，但不限于此。由于内丝30的形状和设置，不会抑制热膨胀并且可保持丝30的边缘的分隔。

如图5a和5b所详细示出，中间丝32包括单长度的材料，其在单个的平面内弯曲以形成大致半圆形的螺旋状结构。各加热单元14设有两个中间丝32，由此，当装配在一起时，轴线x的各侧形成有一个中间丝32从而形成具有两个独立的螺旋状区域的大致圆形的结构。中间丝32具有设为连接至电极的第一连接器端44和第二连接器端46。连接器端44，46隔距离B，一实施例中，距离B为0.5～0.6英寸，但不限于此。由于中间丝32的形状和设置，不会抑制热膨胀并且可保持丝32的边缘的分离。沿轴线x的半圆的直径形成为，使得丝材料形成其中心在轴线y的半圆形容纳部47，容纳部47的直径约为中间丝32的沿轴线x的总直径的1/3。容纳部47的尺寸设置为内丝32保持在容纳部47的内部从而使得内丝30的外边缘靠近但不与中间丝32的容纳部47的外边缘48接触。由于中间丝32的形状和设置，不会抑制热膨胀并且可保持中间丝32的边缘的分隔。

如图6a和6b所详细示出，外丝34包括单长度的材料，其在单个平面内弯曲以形成大致半圆形的结构。各加热单元14设有两个外丝34，由此，当装配在一起时，外丝32位于轴线x的各侧从而形成大致圆形的结构。外丝34具有设为连接至电极的第一连接器端48和第二连接器端50。连接器端48，50隔距离C，一实施例中，距离C为24～26英寸，但不限于此。由于外丝34的形状和设置，不会抑制热膨胀。沿轴线x的半圆的直径形成为，使得丝材料形成其中心在轴线y的半圆形容纳部52，容纳部52的直径稍小于外丝34的沿轴线x的总直径。容纳部52的尺寸设置为内丝32保持在容纳部52的内部从而使得中间丝32的外边缘靠近但不与外丝34的容纳部52的外边缘54接触。由于外丝34的形状和设置，不会抑制热膨胀并且可保持外丝34的边缘与中间丝32的边缘45之间的分隔。

如本文所述，靠近晶圆承载器16的加热丝30，32，34的结构和装配使得加热元件14可进行不受限的热膨胀，并且可避免加热丝30，32，34因增加的热膨胀而可能发生任何的弯折或扭曲。由此，这些丝30，32，34的高热应力不会产生与热膨胀相关的这些条件下会预期产生的问题。

图7示出了通过端子24安装于至少一个热防护件28上的加热元件14。热防护件28设于加热器底板29上。热防护件28安装于加热元件14的下方以将所生成的热容纳于其中，从而使得以朝向晶圆承载器16的向上方向提供热以对晶圆承载器16上的晶圆进行加热。一实施例中，加热元件14可包括四区域加热系统。其他实施例中，加热元件14可包括少于或多于四区域的加热系统。由于所述结构和分区加热，可为晶圆设置均匀的温度以使得晶圆具有均匀的温度，晶圆温度必须控制在约±1℃之内。端子24为加热元件14提供机械支撑并且设于加热元件14与最顶热防护件28之间。端子24可具有多种结构，例如，如图10a-10d所示，并且可通过多种方式进行附接或安装。可通过紧固件进行安装或者可安装在热防护件28的孔中。本领域技术人员应清楚，所示的实现方式并未涵盖所有的方式，并且可设置端子24之外的其他类型，例如，片弹簧，弹簧，柱等。一实施例中，端子24可包括陶瓷。另一实施例中，端子可包括非导热材料。

端子24使得加热元件24可在其热膨胀过程中发生位移。当对加热元件14进行加热（可为1000-2200℃的级数）时，加热元件14会发生热诱导变形。端子24仅限制丝30，32，34沿垂直方向移动，从而所述热诱导变形导致加热元件14沿弯曲的加热元件14的径向移动。

如图11a-11d所示，实施例中可设置钩状部70。设置钩状部70以稳定加热丝30，32，34，同时仍允许加热丝30，32，34在其热诱导变形过程中移动。

图8示出了加热器组件10的分散图。一实施例中，还提供了加热器轴60和轴丝62，如图9a-9e所示，从而形成旋转轴18的通路。一实施例中，轴丝62可包括铼。另一实施例中，轴丝62可包括钨。轴丝60通过连接器板64固定连接至加热器轴60。加热器轴通过腿部68连接至轴加热器加热防护件66，所述腿部68具有容纳紧固件69的孔。

本领域的技术人员应理解，可为各内丝30，两个中间丝32，两个外丝34，及轴丝62设有四个独立的电源。由此本实施例中提供四区加热系统。另一实施例中，所有的丝30，32，34，62设有单个电源，以提供单独区域加热系统。其他实施例中，丝30，32，34，62的多个组合可连接至多个独立的电源，以提供双区，三区，五区，或六区加热系统。为各区域设置独立的控制，从而可对从晶圆承载器14到较冷的反应室壁的热流动进行补偿，由此保持必要的均匀晶圆温度。

图12a-12d为加热器组件10的底板的等距图，详细示出了多个安装在加热器底板29上的电极密封件72。电极密封件72为电极布线（未示）提供通路以连接至连接板74，所述连接板连接至连接器端40，42，44，46，48，50。尽管示出了具体的结构，但本领域技术人员应清楚，有多种结构可用以满足所需的功能。

本实用新型的另一个目的系提供MOCVD反应器，其包括：腔室，其上安装有一或多个晶圆的晶圆承载器16，及包括上述加热元件14的加热组件10。

上述实施例用于描述而非限制。权利要求范围包括其他实施例。此外，尽管业已参考具体实施例描述了本实用新型的各个方面，但本领域技术人员应认识到，可在不脱离由权利要求所限定的本实用新型范围内对形式和细节作出改变。

相关领域的技术人员应认识到，本实用新型的特征可少于包括任意一个上述单独实施例所述的特征。本文所述的实施例并非本实用新型多种特征的组合方式的穷尽表达。因此，如领域技术人员所应认识到的，本实用新型的实施例并非通常排他的特征组合，而是本实用新型可包括从不同的单独实施例选出的单个不同特征的组合。

Claims (16)

1.一种用于晶圆上的外延层生长的装置，其特征在于，所述装置包括腔室、安装在所述腔室内用以在其上安装至少一个晶圆的晶圆承载器及安装在所述腔室内用以将所述晶圆加热至预定温度以在所述晶圆上生长所述外延层的加热元件，所述加热元件包括多个加热丝，其中所述加热丝处于同一平面，并被设置为与所述晶圆承载器在空间上平行且沿圆周方向对齐。 

2.如权利要求1所述的装置，其中所述加热元件为圆形。 

3.如权利要求2所述的装置，其中所述加热元件具有纵向轴线。 

4.如权利要求3所述的装置，其中所述多个加热丝包括内部加热丝、第一中间加热丝、第二中间加热丝、第一外部加热丝及第二外部加热丝，其中所述多个加热丝相互配合地处于同一平面并且所述多个加热丝相互不接触。 

5.如权利要求4所述的装置，其中所述内部加热丝相对于所述纵向轴线对称，所述第一中间加热丝设于所述纵向轴线的一侧而所述第二中间加热丝设于所述纵向轴线的另一侧且与所述第一中间加热丝对齐，并且所述第一外部加热丝设于所述纵向轴线的一侧而所述第二外部加热丝设于所述纵向轴线的另一侧且与所述第一外部加热丝对齐。 

6.如权利要求5所述的装置，其中所述多个加热丝具有弯曲结构以使得所述多个加热丝各构成所述圆形加热元件的一部分。 

7.如权利要求6所述的装置，其中所述加热元件的圆周尺寸设置为大致等于或小于所述晶圆承载器的圆周方向。 

8.如权利要求7所述的装置，其中所述加热元件的圆周尺寸设为直径为675mm+5%。 

9.如权利要求8所述的装置，其中所述多个加热丝各具有两个连接器端，所述连接器端用于刚性连接至电极从而向所述多个加热丝供电。 

10.如权利要求9所述的装置，其中所述加热丝可承受被加热到至少2000℃的温度。 

11.如权利要求10所述的装置，其中所述多个加热丝各自由钨或其合金组成。 

12.如权利要求4或5所述的装置，其中所述外部加热丝由铼或其合金组成，并且所述内部加热丝和所述中间加热丝各由钨或其合金组成。 

13.如权利要求12所述的装置，其中所述多个加热丝各由多孔烧结涂层完全或部分覆盖。 

14.如权利要求13所述的装置，其中所述加热元件由端子机械支撑，所述端子安装于热防护件上以使得所述端子设于所述加热元件和所述热防护件之 间，所述端子允许所述加热元件的径向热位移。 

15.如权利要求14所述的装置，其中所述加热元件配置为提供2～6个加热区域。 

16.如权利要求15所述的装置，其中所述加热元件配置为提供4个加热区域。