CN205900509U - 用于操作衬底的工具和外延生长炉 - Google Patents

Abstract

一种在外延生长炉中操作衬底的工具(1)，包括：吊臂(2)和抓握盘(3)；所述抓握盘(3)包括一个置于其下表面的用以容纳待操作的衬底(6)的底座(5)；抓握盘(3)安装在吊臂(2)上；其特征在于：抓握盘(3)还包括一由弹性材料制成、可与待操作的衬底6的边缘接触的环形部件(31)。

Description

用于操作衬底的工具和外延生长炉

技术领域

本发明涉及一种用于操作外延生长炉内的衬底的工具和与其相关的外延生长炉。

适用本发明的外延生长炉包括含有一个或多个用于容纳衬底的凹槽的基座的外延生长炉，特别是含有水平凹槽的碟状旋转基座的外延生长炉。

背景技术

外延生长炉有多种类型。

在某些类型的外延生长炉中，在被操作工具处理之前，衬底被放入反应腔中的基座的凹槽里；经过处理之后，被同一操作工具移出基座。若基座具有多个凹槽，则每个处理过程中必须处理多个衬底。

在某些类型的外延生长炉中，基座的位置及其凹槽和置于凹槽内的衬底的位置无法被精确测定，导致操作工具及操作工具的控制系统必须克服这一难题。尤其在很多情况下，凹槽内用以支撑衬底的底面的角度无法被精确测定。

某些类型的外延生长炉包含一个真空操作工具，所述工具包括一个环状部件，所述部件与衬底的边缘(尤其是边缘的上部)接触，环状部件和衬底之间抽真空；衬底边缘和环状部件沿衬底的周长接触越好，则部件能更好地抓住衬底。理想条件下，真空度需要恰好足以克服衬底的重量。不论是处理前还是处理后，衬底边缘和部件之间的接触必须轻柔且均匀的，以免损伤衬底边缘。只有如此，衬底的顶部表面才能生长晶层。此外，处理过程会导致晶体的边缘产生少量不规整，称之为边缘凸起。最后需注意所述环状部件由非常坚硬的材料制成，比如石英。操作工具的接触会导致一个问题，即衬底或者生长晶层的破损可能产生小颗粒；这些颗粒会散布在生长炉腔内，或者附着在衬底或者生长晶层的表面，或者附在操作工具上。

WO00/48234涉及了一种方案，用以解决在外延生长炉的炉腔内操作晶体的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种比现有方法更简单的替代方案。

本发明的目的通过具有权利要求描述的技术特征的操作工具实现，所述权利要求需被视为是本说明书的一部分。

本发明的技术要点是：和衬底边缘接触的环状部件由弹性材料制成，并通过一个抓握盘来操控衬底。

以这种方式，可以产生对抓握盘和衬底之间形状不一致的补偿，从而实现可控和轻柔的接触。

“不一致”指的是抓握盘表面和衬底表面的接触部分的形状不完全相符，所述不符可以是由抓握盘和衬底之间的材料颗粒导致的。

“可控和轻柔”指的是在接触中，因为工具的重量：

-在可能的“补偿”产生过程中，工具对衬底上各点(尤其是它的边缘)施加的垂直方向上的力既小且不均一；

-在可能的“补偿”产生后，工具对衬底上各点(尤其是它的边缘)施加的垂直方向上的力既小且基本均一。

附图说明

下面结合附图对本发明做详细说明。

图1是一种外延生长炉中的操作衬底的工具的实施例的三维视图。

图2是图1中的工具的截面图，尚未实现本发明的基本思想(表达如上述)。

图3是图1中的工具的顶视图，

图4是图2的截面图的一部分的放大图，

图5是类似于图2的工具的截面的一部分的放大图，但实现本发明的基本思想(表达如上述)。

具体实施方式

本说明书、附图用于说明本发明，本发明的实施方式不限于此。

容易理解的是，本发明在实践中可以有多种方式实现所附的权利要求描述的主要有利方面。

所有的附图涉及在外延生长炉中操作衬底的工具1。

所述工具1包括一个吊臂2、抓握盘3和球形关节4；所述抓握盘3包括一个置于其下表面的用以容纳待操作的衬底6的底座5；抓握盘3经由球形关节4被安装在吊臂2上，球形关节4被置于相对于抓握盘3的中心位置。

所述抓握盘3上的底座5是圆盘形，以便仅与待操作的衬底6的边缘接触(如图2可见，在所述图中，底座5与抓握盘3的整个下表面的形状基本相符)。

所述吊臂2可以是近似于细长圆柱形的部件，在使用工具1时，其轴线置于水平，如图2、图3；图4中，球形关节4的轴线位于垂直位置。

因为所述球形关节4的存在，抓握盘3相对于吊臂2有至少两个转动的自由度；如图2、图3和图4所示的情况下，抓握盘3相对于吊臂2只有两个转动的自由度(即抓握盘3不能围绕在图中垂直方向上的自身的对称轴线旋转)。以这种方式，工具1能够调整到符合衬底的位置(图2和图4中所示6)，尤其是当衬底被置于位于外延生长炉中的基座的凹槽内时；实际上，抓握盘3可以通过旋转来使自身对准衬底(以及基座)；这种旋转是一种“自然的”旋转，它不是由驱动器引发，而是由工具1的下降引发。

如图2、图3和图4，所述抓握盘3的转动自由度是有限的；例如，它可能是沿两个(水平)轴相互正交的+/-1°、+/-2°、+/-3°、+/-4°、或+/-5°。

所述吊臂2内部具有抽吸管道7，管道7与底座5连通，使得衬底(图2和图4中所示6)在和抓握盘3接触时可以被工具1持续抓紧(当然抽吸是灵活的)。

所述吊臂2的一端设置有接头15和球形关节4结合；当吊臂2是杆状，如圆形(可以是多边形或椭圆形等等)时，接头15的形状既薄且宽，以便在不需要大幅增加工具1的垂直尺寸的情况下让抓握盘3旋转(具体参见图2)；当然管道7也延伸到接头15的顶端。

所述抓握盘3具有多个孔8，通过底座5(包括其中的八个孔)和管道7连通。

吊臂2(准确地说是接头15)有多个孔9通过底座5(包括其中的八个孔)和管道7连接。

因此，在抽吸过程中，底座5中的少量气体，首先经过孔8，然后经过孔9，最后进入管道7(其真正的最终目的地是和管道7相通的抽吸系统，所述系统并未显示在附图中)。

所述球形关节4的重要特征是可以旋转。

所述球形关节4的另一个重要特征是底座5和管道7之间的流体通路是密封或基本密封的。

图2、图3和图4的示例显示了这两个特征。

所述的球形关节4包括被置于吊臂2(准确地说是接头15)和抓握盘3之间的环形第一弹性部件10(可以是唇形密封部件，或者是弹性波纹管或O形环)；弹性部件10还具有密封性能。

所述的球形关节4还包括轮毂体(图4中的部件13和14)和置于轮毂体和抓握盘3之间的环形第二弹性部件12(可以是O形环)；同样的，弹性部件12也具有密封性能。

一般而言，在球形关节里的弹性部件可以是一个、两个或三个，并可以根据所述球形关节的具体实施方式在其内部进行各种设置。这些弹性部件可以在所述工具的运作期间稳定抓握盘(以及其中的衬底)的位置。

所述弹性部件10和12可以由弹性材料或金属制成；比如杜邦公司生产的合成橡胶是一种非常适合在外延生长炉中应用的材料。在图4的实施例中，轮毂体包括轮毂盘13(可以是圆形)和关节杆14(可以是圆筒形)，形成一个整体。关节杆14具有一孔，接头15也具有一个孔；通过一个螺丝11接合两个孔，使吊臂2(准确地说是接头15)固定在球形关节上；环形弹性部件12被放置在轮毂盘13、关节杆14和抓握盘3之间。在图2和图3及图4的实施例中，部件2、13、14和15由不锈钢制成，部件9由石英(一种特别适合和衬底在反应腔内外直接接触的材料)制成。

所述抓握盘3的旋转能力是由球形关节4提供的，并且由所述球形关节4里的弹性部件的弹性制约。

优选的情况下，抓握盘通过旋转简单地实现与衬底边缘的接触，也就是说，它并不需要任何驱动器来旋转。

工具1和衬底(图2和图4中所示6)之间的接触灵敏度由球形关节4里的弹性部件的材料的柔软性决定。

优选的情况下，所述工具的重量(完全)由一个工具承载系统负担，而非施加在衬底或者基座上；以这种方式，当抓握盘与衬底的边缘接触时，一个很小的力即可导致抓握盘转动；在图2、图3以及图4的实施例中，这个力只需要克服球形关节中弹性部件的阻力。

优选的情况下，为确保所述工具的重量不施加在衬底和基座上，所述工具的吊臂(各图中的2)被分成两个半臂，在两个半臂由一个铰链连接，另有一个铰链弹簧用以抵抗铰链向下的转动。

当使用图2、图3和图4的工具时，通常按以下步骤进行：

A)移动工具直到抓握盘处于和基座中某个包含衬底的凹槽对应的位置；

B)降低工具直到抓握盘触及衬底的边缘上至少一个点；

C)继续降低工具，直到抓握盘触及旋转着(尤其是倾斜着的)的衬底的相对于某一(固定的)纵轴(如图4的纵轴)的整个边缘；

D)通过工具的提取系统吸出衬底；

E)抬升工具和(被其吸取的)衬底；

F)移动工具和(被其吸取的)衬底。

步骤A是接近步骤，通常包括一个水平位移。

步骤B和C一起实现抓握盘和衬底之间的自动持平。

步骤D可以被定义为“捕获”步骤。

步骤F是移出步骤，通常包括一个水平位移。

在步骤C中，所述抓握盘接触衬底的边缘，所述接触近似地覆盖衬底的整个边缘。

抓握盘由抓握盘和衬底的边缘之间的接触而简单地产生旋转，即不需要任何驱动器来旋转抓握盘。优选的情况下，至少在步骤A、B、C、E和F中，所述工具的重量(完全)由一个工具承载系统负担，而非施加在衬底或者基座上；以这种方式，当抓握盘与衬底的边缘接触时，一个很小的力即可导致抓握盘转动；在图2、图3以及图4的实施例中，这个力只需要克服球形关节内的弹性部件的阻力。

本发明涉及一种用于操作衬底的工具1，包括一个吊臂2和抓握盘3，如图1、图2和图3所示；抓握盘3包括一个置于其下表面的底座5以容纳待操作的衬底6，如图1、图2和图3所示；抓握盘3被安装在吊臂2上，如图1、图2和图3所示。然而不同于图2和图3的实施例，(部分)如图5所示，抓握盘(基本上对应于盘体30)还包括一由弹性材料制成、可与待操作的衬底6的边缘接触的环形部件31。

所述环形部件可由一块或者多块相邻片制成。

所述弹性材料可以是聚合物材料，尤其是可以在温度高于200℃时、特别是在250℃和350℃的温度范围内连续工作的聚合物材料；特别是，所述材料可以是具有弹性的氟化或全氟化的聚合物，比如由杜邦公司生产的“4079”(“4079”是一个邵氏A硬度为75的弹性材料)是一种特别合适的材料。

其他替代材料包括其他能够耐受高温、化学腐蚀(特别是酸腐蚀)以及足够软(比如，肖氏A硬度为50～80)的弹性材料。

所述环形部件材料的强度允许操作温度相对较高的衬底；例如，当使用“4079”时，可以操作在300℃(甚至更高)温度的衬底。这样可以减少外延生长炉的每一工作循环的时间，因为当经过处理的衬底仍然在相当高的温度(即尚未完全冷却)时，即可将其从生长炉中卸载(即将其从生长炉中提取出来)，而且通过和衬底边缘之间“可控和轻柔”接触亦可避免损坏衬底。

环形部件31可(比如通过螺钉33)收紧在抓握盘的盘体30(例如在盘体下方)和抓握盘夹环32(例如在夹环上方)之间，如图5所示。

所述环形部件31可以(基本)为圆形冠状的形式；所述环形构件31也可以(基本上)是平面形状，如图5所示。

所述抓握盘的盘体30和/或抓握盘的夹环32可以由石英、碳化硅、钛或不锈钢制成，或是经涂敷的铝合金，优选地可以是经涂敷的热塑性材料或纤维增强复合材料(尤其是碳纤维增强复合材料)。尤其是为了减轻盘体30的重量，它可以由覆盖有热塑性材料(例如PEEK＝聚醚醚酮)的铝合金(例如合金7075，商品名“Ergal”)制成。

在图5的方案中，抓握盘不旋转也不倾斜，但由于抓握盘的环形部件和衬底边缘之间的接触，环形部件发生弹性形变；特别需要指出的是，这种形变在任何一点都非常小(通常小于1或2mm)，而且所述工具在衬底上任何一点(尤其是它的边缘)上施加的垂直方向上的力也很小。优选情况下，所述工具的重量(完全)由一个工具承载系统负担，而非施加在衬底或者基座上；抓握盘的环形部件与衬底边缘接触产生一个很小的力，使得环形部件发生形变从而使所述工具被进一步降低；

随后当工具被抬升，环构部件由于其材料的弹性而恢复其自然形状。

本发明涉及的操作包括把一个衬底从基座附近转移到基座(尤其是其上的凹槽，也称为“空洞”)中，以及从基座(尤其是其上的凹槽，也称为“空洞”)中提取出衬底并把衬底移出基座。

图5的工具的使用方法类似于图2、图3和图4，但是在步骤C中，抓握盘不旋转也不倾斜，而是环形部件发生轻微的弹性形变。

图5部分展示的解决方案可以应用到含有牢固固定在吊臂上的抓握盘的工具里。在这种情况下，组件2、3、15(如果存在的话)、30和32中的一个、多个或全部可以是由石英、碳化硅、钛或不锈钢制成，也可以是经涂敷的铝合金，优选地可以是覆盖有热塑材料的铝合金，或是纤维增强复合材料(尤其是碳纤维增强复合材料)。

在其他情况下，图5部分展示的解决方案也可以应用在具有经由球形关节而安装在吊臂上的抓握盘的工具，如图2、图3和图4所示。在这种情况下，组件2、3、13(如果存在的话)、14(如果存在的话)、15(如果存在的话)、30和32中的一个、多个或全部可以是由石英、碳化硅、钛或不锈钢制成，也可经涂敷的铝合金，优选地可以是覆盖有热塑材料的铝合金，或是纤维增强复合材料(尤其是碳纤维增强复合材料)。

如前所述，本发明涉及的工具适用与外延生长炉中，特别是反应室空腔(大致水平设置)具有较低高度的的外延生长炉，尤其是当空腔高度只有几厘米，例如2-5厘米时(通常这种空腔内各点高度是基本相同的)。

Claims (15)

1.一种在外延生长炉中操作衬底的工具(1)，包括：吊臂(2)和抓握盘(3)；

所述抓握盘(3)包括一个置于其下表面的用以容纳待操作的衬底(6)的底座(5)；

抓握盘(3)安装在吊臂(2)上；

其特征在于：抓握盘(3)还包括一由弹性材料制成、可与待操作的衬底6的边缘接触的环形部件(31)。

2.根据权利要求1所述的工具(1)，其特征在于：所述弹性材料是由聚合物材料制成，尤其是可以在温度高于200℃时、特别是在250℃和350℃的温度范围内连续工作的聚合物材料。

3.根据权利要求1所述的工具(1)，其特征在于：所述环形部件31收紧在抓握盘(3)的盘体(30)和抓握盘(3)的夹环(32)之间。

4.根据权利要求3所述的工具(1)，其特征在于：所述抓握盘(3)的盘体(30)和/或抓握盘(3)的夹环(32)可以由石英、碳化硅、钛、不锈钢、经涂敷的铝合金或者纤维增强复合材料制成。

5.根据权利要求1所述的工具(1)，其特征在于：所述环形部件(31)是圆形冠状或平面形状。

6.根据权利要求1至5任一项所述的工具(1)，其特征在于：所述工具(1)还包括球形关节(4)；

抓握盘(3)经由球形关节(4)被安装在吊臂(2)上，球形关节(4)被置于相对于抓握盘(3)的中心位置；

抓握盘(3)相对于吊臂(1)有两个转动的自由度使抓握盘(3)可以对准外延生长炉中的基座的凹槽中的衬底(6)。

7.根据权利要求6所述的工具(1)，其特征在于：所述吊臂(2)内部具有抽吸管道(7)，抽吸管道(7)与底座(5)连通，使得衬底(6)在和抓握盘(3)接触时可以被工具(1)抓紧。

8.根据权利要求7所述的工具(1)，其特征在于：所述抓握盘(3)具有多个孔(8)，孔(8)通过底座(5)和抽吸管道(7)连通。

9.根据权利要求7所述的工具(1)，其特征在于：所述吊臂(2)具有多个孔(9)，孔(9)通过底座(5)和抽吸管道(7)连通。

10.根据权利要求6所述的工具(1)，其特征在于：所述的球形关节(4)包括被置于吊臂(2)和抓握盘(3)之间的至少一个环状弹性部件(10)。

11.根据权利要求10所述的工具(1)，其特征在于：所述环状弹性部件(10)具有密封性能。

12.根据权利要求6所述的工具(1)，其特征在于：所述球形关节(4)还包括轮毂体和置于轮毂体和抓握盘(3)之间的环形弹性部件(12)。

13.根据权利要求12所述的工具(1)，其特征在于：所述环形弹性部件(12)具有密封性能。

14.根据权利要求12或13所述的工具(1)，其特征在于：所述轮毂体包括轮毂盘(13)和关节杆(14)；

所述环形弹性部件(12)被放置在关节杆(14)和抓握盘(3)之间。

15.一种外延生长炉，包括至少一个根据权利要求1至14任一项所述的工具(1)。