TW201447021A - 反應室及其氣流控制方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種反應室及其氣流控制方法，反應室包括：基座，用於在反應室內設置基片；控制單元，用於實時監測對基片進行處理過程中所述反應室內的反應環境，並根據所述反應環境控制反應室內的加工工藝；可移動導流環，設置在所述基座的邊緣部分與所述反應室的側壁對應位置之間；驅動單元，與所述可移動導流環連接，用於根據所述控制單元實時監測到的反應環境，使所述可移動導流環升降，並停止在適合所述加工工藝的位置，從而改變所述基座的邊緣部分與所述反應室的側壁對應位置之間的開度，以流導反應室內的氣流。

Description

反應室及其氣流控制方法

本發明係關於一種半導體技術領域，特別是關於一種反應室及其氣流控制方法。

金屬有機化合物化學氣相沉澱(Metal-organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)是在氣相外延生長的基礎上發展起來的一種新型氣相外延生長技術。MOCVD技術是以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有機化合物和V、Ⅵ族元素的氫化物等作為晶體生長源材料，以熱分解反應方式在襯底上進行氣相外延，生長各種Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體以及它們的多元固溶體的薄層單晶材料。通常MOCVD系統中的晶體生長都是在反應室中進行，反應氣體通過溫度可控的液體源鼓泡攜帶金屬有機物到生長區。

MOCVD系統主要包括：用於供給Ⅲ族、Ⅱ族元素的有機化合物和V、Ⅵ族元素的氫化物的源供給系統，輸送反應氣體的氣體輸送系統，反應室以及尾氣處理系統等。反應室是源材料在襯底上進行外延生長的地方，對外延層厚度、組分的均勻性、異質結果梯度、本底雜質濃度以及外延膜產量具有較大影響。

類似地，在其它化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,CVD)技術中也會使用到類似MOCVD技術中的反應室，指高溫下的氣相反應，例如，金屬鹵化物、有機金屬、碳氫化合物等的熱分解，氫還原或使它的混合氣體在高溫下發生化學 反應以析出金屬、氧化物、碳化物等無機材料的方法。這種技術最初是作為塗層的手段而開發的，但目前，不只應用於耐熱物質的塗層，而且應用於高純度金屬的精製、粉末合成、半導體薄膜等。

比如，在MOCVD技術中用到的反應室根據工藝的需求，通常可以劃分為兩路氣流反應室、分離氣路反應室、三路氣流反應室，在兩路氣流反應室中，主氣流流向與襯底表面平行，次氣流流向與襯底表面垂直。而在分離氣路反應室中，主氣流在進入反應室之前，氣源被分成兩路。

下面對基片邊緣部分進行處理進行簡單描述。

如圖1所示，為現有技術中反應室基座邊緣位置處的反應氣體流動示意圖，該基座101可以是加熱盤或者是普通的托盤，在該基座101上固定有待處理的基片(圖中未示出)。如果反應室中沒有設置導流環的話，該內壁102可以指反應室本身的內壁；如果反應室中設置有導流環的話，該內壁102則是指導流環壁，詳細不再贅述。在基座101不斷旋轉的過程中，反應氣體對基座101上基片的邊緣部分進行化學處理。但是，由於基座101的高速旋轉，使得在反應氣體在基座101的邊緣部分以很高的線性速度撞擊內壁102，從而在該基座101的邊緣部分和內壁102形成局部渦流如圖1中虛線圓圈所圈示，從而影響對基片化學處理的均勻性。

緣此，本發明之目的即是提供一種反應室及其氣流控制方法，用以改善現有技術中基片化學處理的均勻性。

本發明為解決習知技術之問題所採用之技術手段係 提供一種反應室，該反應室包括基座，用於在反應室內設置基片；控制單元，用於實時監測對基片進行處理過程中所述反應室內的反應環境，並根據所述反應環境控制反應室內的加工工藝；可移動導流環，設置在所述基座的邊緣部分與所述反應室的側壁對應位置之間；驅動單元，與所述可移動導流環連接，用於根據所述控制單元實時監測到的反應環境，使所述可移動導流環升降，並停止在適合所述加工工藝的位置，從而改變所述基座的邊緣部分與所述反應室的側壁對應位置之間的開度，以流導反應室內的氣流。

優選地，在本發明的一實施例中，所述控制單元包括氣體流量監測單元，用於實時監測對基片進行處理過程中所述反應室內的氣體流量變化。

優選地，在本發明的一實施例中，所述控制單元還包括溫度和沉積層厚度監測單元，分別用於根據監測到基片的沉積層厚度選擇具有不同的反應氣體的加工工藝和控制適合所述加工工藝的基座的邊緣部分與所述反應室的側壁對應位置之間的開度。

優選地，在本發明的一實施例中，所述可移動導流環在靠近基座的托盤邊緣的下端具有不同的厚度，其中第一高度處的厚度大於第二高度處的厚度，所述第一高度大於第二高度。

優選地，在本發明的一實施例中，所述可移動導流環包括若干個可獨立控制以升降的子導流環，以使所述基座的邊緣部分與所述反應室的側壁對應位置之間的形成任意的開度。

優選地，在本發明的一實施例中，所述可移動導流環包括的若干個子導流環具有不同的內徑，以使可移動導流環呈 臺階狀。

優選地，在本發明的一實施例中，反應室還包括反應氣體噴頭，與所述托盤相對並向基座噴射反應氣體。

優選地，在本發明的一實施例中，所述反應室適用於化學氣相沉積或金屬有機化合物化學氣相沉澱。

本發明為解決習知技術之問題所採用之另一技術手段係提供一種反應室，其包括基座，用於在反應室內設置基片；控制單元，用於實時監測對基片進行處理過程中所述反應室內的反應環境，並根據所述反應環境控制反應室內的加工工藝；快門，設置在所述基座的邊緣部分與所述反應室的側壁對應位置之間；驅動單元，與所述快門連接，用於根據所述控制單元實時監測到的反應環境，控制所述快門的口徑變化，從而改變所述基座的邊緣部分與所述反應室的側壁對應位置之間的開度，以流導反應室內的氣流。

本發明為解決習知技術之問題所採用之另一技術手段係提供一種反應室氣流控制方法，該方法包括：實時監測對基片進行處理過程中所述反應室內的反應環境；根據實時監測到的反應環境，使所述可移動導流環的升降並停止在形成中的任意位置，從而改變所述基座的邊緣部分與所述反應室的側壁對應位置之間的任意開度，以流導反應室內的氣流。

本發明為解決習知技術之問題所採用之另一技術手段係提供一種反應室氣流控制方法，該方法包括：實時監測對基片進行處理過程中所述反應室內的反應環境，並根據所述反應環境控制反應室內的加工工藝；根據實時監測到的反應環境，控制快門的口徑變化，從而改變所述基座的邊緣部分與所述反應室的 側壁對應位置之間的開度，以流導反應室內的氣流。

經由本發明所採用之技術手段，藉由對反應室內的反應環境進行實時監測並根據監測到的反應環境，藉由驅動單元實時控制可移動導流環升降，使得可移動導流環可停留在其行程的任意位置上，從而改變所述基座的邊緣部分與所述反應室的側壁對應位置之間的任意開度，以引導反應室內的氣流。

本發明所採用的具體實施例，將藉由以下之實施例及附呈圖式作進一步之說明。

〔本發明〕

200‧‧‧密封部件

202、302、602、1102‧‧‧基座

203、303‧‧‧可移動導流環

204、304、1104‧‧‧側壁

205、305、1105‧‧‧驅動單元

306‧‧‧反應氣體噴頭

413‧‧‧子導流環

701、702、1301、1302‧‧‧步驟

1108‧‧‧快門

1118‧‧‧活動擋片

h1‧‧‧第一高度處的厚度

h2‧‧‧第二高度處的厚度

α、β‧‧‧夾角

a、c‧‧‧水平距離

b、d‧‧‧最小距離

〔習知〕

101‧‧‧基座

102‧‧‧內壁

圖1為現有技術中反應室基座邊緣位置處的反應氣體流動示意圖；圖2為本發明實施例一的反應室結構示意圖；圖3為本發明實施例二中反應室結構示意圖；圖4為上述實施例中可移動導流環的一結構示意圖；圖5為上述實施例中可移動導流環的另一結構示意圖；圖6為上述實施例中可移動導流環的再一結構示意圖；圖7為本發明上述實施例中反應室的氣流控制方法流程示意圖；圖8為上述圖8方法的應用控制示意圖之一；圖9為上述圖8方法的應用控制示意圖之二；圖10為上述圖8方法的應用控制示意圖之三；圖11為本發明實施例三的反應室結構示意圖；圖12(a)-(c)為本發明實施例三的反應室結構中快門的口徑狀 態變化示意圖；圖13為本發明上述實施例中反應室的氣流控制方法實施例二的流 程示意圖。

以下將配合圖式及實施例來詳細說明本發明的實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題並達成技術功效的實現過程能充分理解並據以實施。

本發明的下述實施例中，反應室可以適用於化學氣相沉積CVD技術或金屬有機化合物化學氣相沉澱MOCVD技術。通過對反應室內的反應環境進行實時監測並根據監測到的反應環境，通過驅動單元實時控制可移動導流環升降，使得可移動導流環可停留在其行程的任意位置上，從而改變所述基座的邊緣部分與所述反應室的側壁對應位置之間的任意開度，以引導反應室內的氣流。

如圖2所示，為本發明實施例一的反應室結構示意圖，本實施例中，其具體可以包括：控制單元(圖中未示出)、基座202、可移動導流環203、反應室的側壁204、驅動單元205。其中：基片設置在反應室的基座202上。所述基座202可以是直接如圖2所示安裝在旋轉軸上，在完成材料沉積後從旋轉軸上取下。其中基座上表面包括一個或多個固定放置基片的凹槽。所述基座202上還可以包括一個額外托盤(圖中未示出)，托盤在沉積過程中安放在所述基座202上，並在完成沉積過程後從基座202上移除托盤，托盤上包括一個或多個安放待加工基片的凹槽。

控制單元(圖中未示出)用於實時監測對基片進行處理過程中所述反應室內的反應環境，並根據所述反應環境控制反應室內的加工工藝；本實施例中，所述控制單元(圖中未示出)包括可以氣體流量監測單元，用於實時監測對基片進行處理過程中所述反應室內的氣壓變化，該氣體流量監測單元可以具體選用 流量傳感器。

進一步地，為了更為準確的控制開度變化，所述控制單元還可以包括溫度和沉積層厚度監測單元，分別用於根據監測到基片的沉積層厚度選擇具有不同的反應氣體的加工工藝和控制適合所述加工工藝的基座的邊緣部分與所述反應室的側壁對應位置之間的開度。其他反應環境可以包括反應室內的溫度、基片的翹曲程度等，而監測這些反應環境的監測單元可以分別為溫度傳感器、翹曲傳感器等。需要說明的是，本實施例中並不局限於傳感器來監測反應環境，其他可替代部件也可以，詳細不再贅述。

可移動導流環203設置在所述基座的邊緣部分與所述反應室的側壁204對應位置之間。具體地，為了根據不同的反應室反應環境，可以將可移動導流環203設置不同的內徑，比如從上到下呈階梯狀，如直角階梯狀、斜角階梯狀、弧面階梯狀等。另外，內徑從上到下可以依次增大、減小，詳細不再贅述，只要可以對氣流進行流導即可，避免反應氣體在所述基座的邊緣部分與所述反應室的側壁204對應位置之間形成渦流即可。

驅動單元205，與所述可移動導流環203連接，用於根據所述控制單元實時監測到的反應環境，使所述可移動導流環203升降並停止在適合所述加工工藝的位置，從而改變所述基座202的邊緣部分與所述可移動導流環203內壁之間的任意開度，以引導反應室內的氣流。

本實施例中，可以根據步進馬達或伺服馬達或氣缸來控制驅動單元205，從而最終改變所述基座的邊緣部分與所述可移動導流環203內壁之間的任意開度，以流導反應室內的氣流。對於本領域普通技術人員來說，可以根據本實施例的啟發或者借 助現有技術中的類似手段來實現對驅動單元205的控制，詳細過程不再贅述。

驅動單元205可以為穿過反應室的頂壁與所述可移動導流環203連接，此時，可以通過密封部件200如可用波紋管或O型圈來對反應室進行真空密封。

如圖3所示，為本發明實施例二中反應室結構示意圖，本實施例中，與上述實施例一不同的是，反應室還可以包括：所述可移動導流環303在靠近基座的托盤邊緣的下端具有不同的厚度，其中第一高度處的厚度h1大於第二高度處的厚度h2，所述第一高度大於第二高度。本實施中，反應室還可以包括反應氣體噴頭306，與上述述托盤相對並向基座噴射反應氣體。

反應室包括的控制單元(圖中未示出)、基座302、反應室的側壁304、驅動單元305可參見上述圖1實施例一的記載，詳細不再贅述。

本實施例中，由於有上述可移動導流環303的存在，可以使氣體在流動路線上均勻逐漸放大，避免氣流兩側空間突變的結構造成湍流。

如圖4所示，為上述實施例中可移動導流環的一結構示意圖，可移動導流環可以包括若干個可獨立控制以升降的子導流環413，以使所述基座的邊緣部分與所述反應室的側壁對應位置之間的形成任意的開度。

所述可移動導流環包括的若干個子導流環具有不同的內徑，以使可移動導流環呈臺階狀。

本實施例中，雖然示意除了兩個子導流環，但是本領域普通技術人員知悉，根據工藝需求，子導流環的數量可靈活 設計，並不做具體限定。

如圖5所示，為上述實施例中可移動導流環的另一結構示意圖，該可移動導流環從上到下內壁直徑不斷增大，比如可以是臺階狀的厚度變化，從內到外具有第一至第三臺階，其中相鄰第一和第二臺階的階梯面之間的過渡斜面與第二臺階面的夾角為α。本實施例中，為了確定不同的內壁直徑，基座上表面到殼移動導流環的最小距離為b，基座側面到移動導流環的水平距離為a。

如圖6所示，為上述實施例中可移動導流環處於較高位置時可移動導流環內壁與基座602邊緣的相對位置示意圖。該可移動導流環向上移動造成基座上表面到殼移動導流環的最小距離為d，基座側面到移動導流環的水平距離為c，兩個間距都比圖6中的a，b要大，與此同時，對基座邊緣位置的氣流影響最大的變成第二臺階和第三臺階之間的過渡斜面，該過渡斜面與第三臺階面的夾角為β。夾角α與β可以相同也可以不同，這些夾角的設計可以根據加工工藝的不同選擇優化。

與上述圖4不同的是，圖5和圖6中，在工藝上直接使導流環本體形成不同的內壁直徑，從而便於基座的邊緣部分與所述可移動導流環203內壁之間的任意的開度的形成。

如圖7所示，為本發明上述實施例中反應室的氣流控制方法實施例一的流程示意圖，其可以具體包括： 步驟701：實時監測對基片進行處理過程中所述反應室內的反應環境；步驟702：根據實時監測到的反應環境，使所述可移動導流環的升降並停止在形成中的任意位置，基片從而改變所述基座的邊緣部分與所述可移動導流環203內壁之間的任意開 度，以引導反應室內的氣流。

如圖8所示，為上述圖7方法的應用控制示意圖之一。如果僅監測氣流的氣壓的話，如果監測到的氣體流量小於設定的閾值的話，因此，為了保證基片處理的均勻性，通過向下或向上移動可移動導流環203，從而減小基座202上基片基座的邊緣部分和反應室的側壁204對應位置之間的開度。

如圖9所示，為上述圖7方法的應用控制示意圖之二。如果僅監測氣流的氣壓的話，如果監測到的氣體流量介於設定的兩個閾值的話，因此，為了保證基片處理的均勻性，通過向下或向下移動可移動導流環203，從而增加或減小基座202上基片基座的邊緣部分和反應室的側壁204對應位置之間的開度。

如圖10所示，為上述圖7方法的應用控制示意圖之三。如果僅監測氣流的氣壓的話，如果監測到的氣體流量大於設定的最大閾值的話，因此，為了保證基片處理的均勻性，通過向上移動可移動導流環203，從而增加基座202上基座的邊緣部分和反應室的側壁204對應位置之間的開度。

如圖11所示，為本發明實施例三的反應室結構示意圖，本實施例中，反應室，包括快門1108，設置在所述基座1102與反應室的側壁對應位置之間。

反應室包括的控制單元(圖中未示出)、基座1102、反應室的側壁1104、驅動單元1105等可參見上述圖1實施例一的記載，詳細不再贅述。

本實施例中，由於有快門1108的存在，使得通過控制快門的口徑變化，從而改變所述基座的邊緣部分與所述反應室的側壁對應位置之間的開度，以流導反應室內的氣流。

如圖12(a)-(c)所示，為本發明實施例三的反應室結構中快門的口徑狀態變化示意圖，快門包括若干個活動擋片1118，通過控制活動擋片1118的旋轉角度，從而根據氣體流量控制快門的口徑大小，比如氣體流量由小變大，則口徑如圖12(a)-(c)依次增大。

如圖13所示，為本發明上述實施例中反應室的氣流控制方法實施例二的流程示意圖，其可以具體包括：步驟1301：實時監測對基片進行處理過程中所述反應室內的反應環境，並根據所述反應環境控制反應室內的加工工藝；步驟1302：根據實時監測到的反應環境，控制快門的口徑變化，從而改變所述基座的邊緣部分與所述反應室的側壁對應位置之間的開度，以流導反應室內的氣流。

利用快門控制開度的原理類似於利用可移動導流環控制開度的原理，在此不再贅述。

以上之敘述僅為本發明之較佳實施例說明，凡精於此項技藝者當可依據上述之說明而作其它種種之改良，惟這些改變仍屬於本發明之發明精神及以下所界定之專利範圍中。

200‧‧‧密封部件

202‧‧‧基座

203‧‧‧可移動導流環

204‧‧‧側壁

205‧‧‧驅動單元

Claims (11)

1. 一種反應室，包含：基座，用於在反應室內設置基片；控制單元，用於實時監測對基片進行處理過程中所述反應室內的反應環境，並根據所述反應環境控制反應室內的加工工藝；可移動導流環，設置在所述基座的邊緣部分與所述反應室的側壁對應位置之間；以及驅動單元，與所述可移動導流環連接，用於根據所述控制單元實時監測到的反應環境，使所述可移動導流環升降，並停止在適合所述加工工藝的位置，從而改變所述基座的邊緣部分與所述反應室的側壁對應位置之間的開度，以流導反應室內的氣流。
2. 如請求項1所述的反應室，其中所述控制單元包括氣體流量監測單元，用於實時監測對基片進行處理過程中所述反應室內的氣體流量變化。
3. 如請求項2所述的反應室，其中所述控制單元還包括溫度和沉積層厚度監測單元，分別用於根據監測到基片的沉積層厚度選擇具有不同的反應氣體的加工工藝和控制適合所述加工工藝的基座的邊緣部分與所述反應室的側壁對應位置之間的開度。
4. 如請求項1所述的反應室，其中所述可移動導流環在靠近基座的托盤邊緣的下端具有不同的厚度，其中第一高度處的厚度大於第二高度處的厚度，所述第一高度大於第二高度。
5. 如請求項1所述的反應室，其中所述可移動導流環包括若干個可獨立控制以升降的子導流環，以使所述基座的邊緣部分與所述反應室的側壁對應位置之間的形成任意的開度。
6. 如請求項5所述的反應室，其中所述可移動導流環包括的若干個子導流環具有不同的內徑，以使可移動導流環呈臺階狀。
7. 如請求項4所述的反應室，其中還包括反應氣體噴頭，與所述托盤相對並向基座噴射反應氣體。
8. 如請求項1至7任一項所述的反應室，其中所述反應室適用於化學氣相沉積或金屬有機化合物化學氣相沉澱。
9. 一種反應室，包含：基座，用於在反應室內設置基片；控制單元，用於實時監測對基片進行處理過程中所述反應室內的反應環境，並根據所述反應環境控制反應室內的加工工藝；快門，設置在所述基座的邊緣部分與所述反應室的側壁對應位置之間；以及驅動單元，與所述快門連接，用於根據所述控制單元實時監測到的反應環境，控制所述快門的口徑變化，從而改變所述基座的邊緣部分與所述反應室的側壁對應位置之間的開度，以流導反應室內的氣流。
10. 一種反應室的氣流控制方法，包含：實時監測對基片進行處理過程中所述反應室內的反應環境；以及根據實時監測到的反應環境，使所述可移動導流環的升降並停止在形成中的任意位置，從而改變所述基座的邊緣部分與所述反應室的側壁對應位置之間的任意開度，以流導反應室內的氣流。
11. 一種反應室的氣流控制方法，包含：實時監測對基片進行處理過程中所述反應室內的反應環境，並根據所述反應環境控制反應室內的加工工藝；以及根據實時監測到的反應環境，控制快門的口徑變化，從而改變所述基座的邊緣部分與所述反應室的側壁對應位置之間的開度，以流導反應室內的氣流。