TW202225477A - 薄膜生長系統以及基片託盤和載環元件 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種支撐基片的基片託盤、載環元件及薄膜生長系統。所述基片託盤包括側壁和側壁圍繞而成的的加熱腔，所述側壁的頂部包括蓋板，所述頂蓋用於向下輻射熱量；所述頂蓋的下方的側壁的內側包括多個互相分離的支撐腔，以及與每個支撐腔相鄰的舉升腔，所述舉升腔的底部向下延伸並穿過基片託盤的側壁的底面，使得舉升腔與基片託盤下方空間聯通，所述支撐腔的底部平面高於所述基片託盤的底面。與相應的載環元件配合後能夠使得基片從基片託盤底部取放，簡化取放基片流程。

Description

薄膜生長系統以及基片託盤和載環元件
本發明涉及半導體的技術領域，尤其涉及一種用於化合物半導體外延材料生長的薄膜生長系統以及基片託盤和載環元件。
化合物半導體外延材料的需求越來越廣泛，典型的如氮化鎵材料能夠用於LED和功率元件製造。常用的化合物半導體材料反應器包括金屬有機化學氣相反應器(MOCVD)，MOCVD反應器包括一個反應腔，反應腔內底部為旋轉的基片託盤，基片託盤下方為加熱器用於加熱基片託盤，基片託盤上設置待處理的基片，反應器內部上方包括進氣裝置，從進氣裝置流入的反應氣體流向設置在託盤上表面的基片，並在基片上表面生長產生需要的外延材料層。隨著產業需求的發展，micro/mini LED對基片上方外延層均一性的要求越來越高，同時對顆粒物的數量上限的要求也越來越高。現有MOCVD反應器中位於基片上方的的進氣裝置會在反應過程中產生大量顆粒物，這些顆粒物隨氣流運動或者被重力吸引掉落到基片上表面，導致尺寸微小的LED晶片結構損害。
為了防止顆粒物掉落到基片上，業內需要一種新的基片託盤結構，使得基片進行外延生長時減少顆粒物，同時基片上的溫度具有極高的均一性，最佳的還需要易於裝載和卸載基片，以實現真空環境的自動化操作，避免顆粒物的帶入。
為解決上述技術問題，本發明提供一種支撐基片的基片託盤，所述基片託盤包括側壁和側壁圍繞而成的加熱腔，所述側壁的頂部包括蓋板，所述蓋板用於向下輻射熱量；所述蓋板的下方的側壁的內側包括多個凹進的腔體，所述多個腔體包括多個互相分離的支撐腔，以及與每個支撐腔相鄰的舉升腔，所述舉升腔的底部向下延伸並穿過基片託盤的側壁的底面，使得舉升腔與基片託盤下方空間聯通，所述支撐腔的底部平面高於所述基片託盤的底面。
較佳的，所述側壁的底部還包括一環形凹槽與所述舉升腔聯通，用於容納環形載環。
較佳的，所述側壁的頂部包括一台階部，所述蓋板為架設在台階部上的熱擴散板。
較佳的，所述蓋板包括至少一個環和圓形板的組合，其中至少一個環或者圓形板可替換。
較佳的，所述支撐腔和舉升腔之間還包括一轉移腔，其中轉移腔的底面的高度高於所述支撐腔的底面的高度。
較佳的，所述支撐腔、轉移腔、舉升腔在基片託盤的內壁沿圓周方向排列，共同構成一個支撐單元，多個支撐單元在基片託盤的側壁的底部互相間隔設置。
較佳的，所述支撐腔的底面包括凸起部或者凹進部。
進一步的，本發明還提供一種用於支撐基片的載環元件，所述載環元件包括： 一個載環； 多個互相間隔設置在載環上的載環支撐爪，所述每個載環支撐爪的一端固定到載環，另一端向載環外側延伸；以及 多個互相間隔設置在載環上的基片支撐爪，所述每個基片支撐爪的一端固定到載環，另一端向載環內側延伸，用於支撐基片。
較佳的，所述載環、載環支撐爪、基片支撐爪中至少一個由導熱係數小於等於40W/m.k的低導熱係數材料製成，其它部分由導熱係數大於等於150W/m.k的高導熱係數材料製成。
較佳的，所述基片支撐爪由低導熱係數材料製成。
較佳的，所述基片支撐爪包括一固定段固定到所述載環，一水平支撐段用於支撐基片，連接在固定段和水平支撐段之間的過渡段，其中過渡段從固定段向下延伸。
較佳的，所述水平支撐段的頂部截面呈上小下大的錐形，使得水平支撐段的頂部與基片的接觸面最小化。
較佳的，所述載環支撐爪的底面包括一凸起部或者凹進部，以防止載環支撐爪滑動。
進一步的，本發明還提供一種薄膜生長系統，所述薄膜生長系統包括一反應腔，所述反應腔包括位於反應腔的頂部的如上文所述的基片託盤，基片託盤的下方包括進氣裝置，用於輸入反應氣體並在基片託盤的底部生長材料層，所述基片託盤的上方包括加熱器用於加熱所述基片託盤的蓋板。
較佳的，所述薄膜生長系統還包括一傳輸腔，所述傳輸腔中包括一個機械傳輸裝置，所述機械傳輸裝置包括一個傳輸頭，所述傳輸頭用於支撐上文所述的載環元件，並且驅動所述載環元件中的載環支撐部進入所述基片託盤中的舉升腔，並沿載環的圓周方向旋轉一預設角度。
本發明的優點在於：本發明提供一種倒置的支撐基片的基片託盤，所述基片託盤包括側壁和側壁圍繞而成的的加熱腔，所述側壁的頂部包括蓋板，所述頂蓋用於向下輻射熱量；所述頂蓋的下方的側壁的內側包括多個互相分離的支撐腔，以及與每個支撐腔相鄰的舉升腔，所述舉升腔的底部向下延伸並穿過基片託盤的側壁的底面，使得舉升腔與基片託盤下方空間聯通，所述支撐腔的底部平面高於所述基片託盤的底面。與相應的載環元件配合後能夠使得基片從基片託盤底部取放，簡化取放基片流程。
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本發明所屬技術領域中具有通常知識者在沒有做出具進步性改變的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
圖1是本發明一種倒裝MOCVD反應器的結構示意圖，如圖1所示，倒裝基片反應腔包括頂部腔體1中的加熱器，加熱器可以是分區控溫的多個獨立加熱器H1、H2。加熱器下方包括一個基片託盤8，基片託盤8內側包括一個環形的第一台階部81，用於放置熱擴散板9，還包括位於所述第一台階部81下方的第二台階部82，用於放置待處理的基片，其中基片的背面朝向熱擴散板9，待加工面邊緣通過第二台階部82支撐並朝向下方反應腔底部。其中熱擴散板9與基片背面之間還包括間隙11，來自加熱器H1、H2的熱量通過輻射加熱熱擴散板9後，熱擴散板9通過間隙11向下輻射加熱下方基片10的背面。其中基片託盤8和熱擴散板9均由高導熱材料製成，如石墨，SiC等。在基片10加工面邊緣區域由於存在與第二台階部82直接接觸的表面，所以大量的熱量通過邊緣的接觸面在第二台階部82和基片10之間橫向流動，這會導致基片10邊緣區域溫度與中央區域溫度差距過大，而且這一溫度差無法通過控制上方加熱器的功率來補償。為了支撐並驅動基片託盤8旋轉，包括一個驅動盤7圍繞在所述基片託盤8的週邊，使得基片託盤8在進行製程處理時進行旋轉。反應腔底部還可以包括多個探頭S1、S2用於檢測上方基片上的溫度、厚度、變形程度等參數。一個控制器12根據這些探頭S1、S2獲得的參數控制上方加熱器的加熱功率和比例。基片託盤8和驅動盤7下方的一側包括進氣裝置3用於將反應氣體輸入基片託盤8下方的反應空間，與進氣裝置3相對的位置包括一個排氣裝置4，將反應後的氣體排出反應腔。
此外這種倒裝的基片託盤還存在很高的基片裝載、卸載難度，在裝載時需要先用吸盤吸取基片放到第二台階部82，然後再吸取熱擴散板9放到第一台階部81上；在卸載時需要等基片託盤的溫度降低到一定程度，在將吸盤伸入反應腔將熱擴散板9吸取後移出反應腔，然後再用吸盤從基片10背面吸取基片10後將基片10從反應腔內移出，移出反應腔後還要翻轉基片10，使得基片10加工面朝上後放置到相應的固定架上。這種反復吸取、移動、翻轉的過程動作非常複雜，無法使用低成本的機械臂完成，經常使用人工完成，這會導致大量顆粒物在基片轉移過程中吸附到基片上，最終使得倒裝基片反應腔帶來的少顆粒物的優勢大幅減弱。
基於上述揭露的技術問題，發明人提出了一種新型的基片託盤結構。本發明能夠有效解決倒裝式基片託盤基片裝載/卸載困難的問題。為此發明人提出了一個改進實施例，如圖2a、圖2b是用於倒裝MOCVD反應器的基片載環元件的側向截面圖和頂視圖。在該實施例中包括一個載環182，載環182內側設置有多個基片支撐爪188，基片支撐爪188用於支撐基片W。基片支撐爪188包括固定段188a用於固定到載環182上，還包括水平支撐段188b，兩者之間還包括過渡部，使得水平支撐段188b的高度低於固定段188a。載環182外側還包括一組在圓周上均勻分佈的載環支撐爪189，載環支撐爪189內側端固定在載環182上，外側端用於架設在基片託盤內側壁開設的支撐腔中。圖2b為基片放置在載環182上時，載環元件的頂視圖。其中載環支撐爪189、載環182和基片支撐爪188中至少一個是由低導熱係數的陶瓷材料製成的，其它部件可以是高導熱材料製成的。最佳的，基片支撐爪188是由石英等低導熱材料製成，其餘部分可以由石墨和碳化矽製成，典型的是由石墨構成基體在外表面塗覆一層碳化矽塗層。
如圖3a所示為載環元件將基片安裝到基片託盤內部空腔後基片託盤8的仰視圖，其中基片託盤8內側壁上開設有多個與載環支撐爪189對應的開口180作為舉升腔。在基片託盤8內的開口180與相鄰的一個轉移腔181和支撐腔183聯通。其中轉移腔181底部包括一個底面181a，其高度大於基片託盤底面80的高度，支撐腔183底面183a用於支撐載環元件上的載環支撐爪189，支撐腔183底面183a高度低於轉移腔181底面181a的高度且高於基片託盤底面80的高度。在MOCVD製程執行過程中，首先需要將待處理基片放置到載環元件的基片支撐爪188上，使得基片的處理區域面向下方。然後通過機械臂將載環傳輸到基片託盤下方，使得載環支撐爪189與基片託盤底面80上的開口180相對，再通過機械臂提升載環位置，使得載環支撐爪189的高度高於轉移腔181底面181a的高度，隨後通過機械臂上的傳輸頭旋轉或者通過基片託盤8的旋轉使得載環支撐爪189沿圓周方向轉動越過轉移腔181並進入支撐腔183，最後機械臂向下移動使得載環元件上的載環支撐爪189下降到支撐腔183的底面183a上，實現從下方裝載基片到基片託盤的方法。其中轉移腔181的底面181a高於支撐腔183的底面183a可以使得基片託盤在旋轉過程中載環支撐爪189不會滑動，轉移腔181的橫向寬度可以很小，只要能防止載環支撐爪189水平移動就可以實現本發明目的。
圖3b為上圖3a中X處的截面視圖，其中載環元件在安裝到基片託盤後載環182阻擋了開口180與基片之間的空隙，載環支撐爪189放置在支撐腔183的底面183a上，基片支撐爪188的水平支撐段188b位於所述基片託盤底面80下方，使得水平支撐段188b的上表面也就是基片處理面與基片託盤底面80基本持平。
圖3c為圖3a在Y處的截面視圖，其中基片託盤內側壁底面設置有多個貫穿基片託盤底面80的開口180、支撐腔183和轉移腔181。其中支撐腔183上方的側壁內側還包括一個台階部，用於放置熱擴散板9。由於本發明結構的基片託盤8，基片是通過基片託盤8的底部的開口180裝載/卸載基片的，所以頂部的熱擴散板9可以固定到基片託盤8，或者熱擴散板9與基片託盤8的頂部集成作為一個零部件製造，或者熱擴散板9與基片託盤8的台階部的尺寸可以有更大的設計空間，不需要考慮頻繁取放熱擴散板9，以及下方基片需要從上述台階部圍繞的空間中穿過的設計要求。熱擴散板9也可以是如圖3c所述有多個部分組合而成，其中熱擴散板9位於週邊的環狀熱擴散板9a和架設在環狀部上的圓形熱擴散板9b。其中環狀熱擴散板9a9a、圓形熱擴散板9b的面積比例和材料組成都可以根據製程需求優化選擇，比如執行第一製程時中心的圓形熱擴散板9b具有第一導熱係數，在執行第二製程時，需要不同的溫度分佈所以可以更換具有另一種導熱係數的圓形熱擴散板9b。
在完成MOCVD製程流程需要卸載基片時，可以執行相反的操作：伸入機械臂到反應腔中載環下方，抬起機械臂使載環上升一定高度，高度選擇要能夠避免載環支撐爪189與支撐腔183的頂面碰撞，又要使載環支撐爪189的底面高於轉移腔181的底面的高度。然後旋轉載環元件或者基片託盤之一，使得兩者發生相對位移後載環支撐爪189移動到開口180對應位置，最後驅動機械臂下降，使得載環元件脫離基片託盤8。再通過機械臂將載環元件轉移到薄膜沉積系統的其它腔體，由這些腔體內的其它機械裝置將基片翻轉並實現基片與載環元件的分離。比如通過機械臂將載環與基片傳輸到存儲腔或者冷卻腔，使得基片溫度降低到適合吸盤吸取的溫度，然後通過吸盤在基片背面吸附固定，再翻轉吸盤方向使得基片加工面朝上。採用本發明的基片託盤和載環元件結構，可以實現在反應腔高溫狀態下將基片從反應腔內移出，並送人新的基片和載環元件，處理完的高溫基片可以在冷卻腔內等待降溫，不需要反應腔內等待降溫後再通過複雜的運動過程將基片取出，提高了反應腔的實際利用率。
本發明除了可以應用於只有一個基片託盤的反應腔，也可以應用於具有多個基片託盤的反應腔，只是上述機械臂或者基片託盤旋轉驅動裝置需要適應多個基片託盤的結構。比如多個基片託盤8固定在一個基片托架上，旋轉基片托架使得多個基片託盤8發生公轉，機械臂伸入反應腔中，每次採用前述裝載/卸載方法取放一片基片和載環元件，隨後旋轉基片托架，使得下一個基片託盤靠近機械臂並取放下一片基片和載環元件，最終實現利用一個機械臂對一個基片托架上多個基片的取放。
其中載環182最佳的需要選擇高導熱材料如石墨或碳化矽製成，基片支撐爪188需要是隔熱材料製成，這樣的設計可以在MOCVD製程過程中保證載環182上具有均勻的溫度分佈，基片邊緣與載環182具有均勻的輻射熱量分佈，同時減少基片與載環182之間的直接接觸熱傳導，最終獲得最佳的基片溫度分佈效果。隔熱材料可以是由氧化鋁、石英、藍寶石等陶瓷材料製成，氧化鋁和石英和藍寶石材料的熱傳導係數只有4、20、40W/m.k，傳統的基片託盤材料石墨和碳化矽材料的熱傳導係數可以達到150-490 W/m.k。通過使用隔熱材料可以大幅減少基片邊緣與基片託盤之間的熱傳導，從而改善基片中中心到邊緣區域的溫度均一性，並改善基片上外延材料生長品質的均一性。載環支撐爪189可以選擇合適材料製成的，以提高載環182的溫度，使得載環182和基片溫度接近，減少橫向的熱量傳輸。基片支撐爪188、載環182與載環支撐爪189之間可以是燒結為一體的零部件，也可以採用其它方法固定，比如基片支撐爪188的固定段188a通過插入載環182內壁上開設的固定孔實現固定，同樣的，載環支撐爪189也可以是通過這種方式機械固定到載環182上。
進一步的，本發明中載環支撐爪189的底面可以設置沿半徑方向延展的楔形凹槽/突出部，與基片託盤中支撐腔183的底面183a的突出部/凹槽相匹配，其中凹槽呈放射狀排布使得載環支撐爪189在向下放置過程中能自動對準位置，而且在基片託盤加速或者減速旋轉過程中載環支撐爪189不會打滑移動。載環支撐爪189設置固定安裝面的情況下，上述轉移腔181也可以省略，支撐腔183與開口180直接連通，這樣的設計可以進一步簡化基片託盤的結構。
其中載環182的底面也可以設置多個用於與機械臂支撐頭配合的凸起部或者凹陷部，使得兩者表面互相結合時能夠精準定位，並且在水平運動中避免打滑。
本發明中的載環支撐爪189與基片支撐爪188之間最佳的需要是交替錯開設置的，這樣載環支撐爪189從上述支撐腔183的底面上導入的熱量會經過較長路徑到達基片支撐爪188，防止基片支撐爪188的周圍的基片溫度過高。基片支撐爪188的截面可以是多邊形的，如三角形，其中基片支撐爪188上表面為一條凸起的棱形，這樣可以使得基片支撐爪188與基片之間的接觸面為線接觸，最小化導熱量。
雖然本發明披露如上，但本發明並非限定於此。任何本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護範圍應當以申請專利範圍所限定的範圍為原則。
1:頂部腔體 10、W:基片 11:間隙 12:控制器 180:開口 181:轉移腔 181a:轉移腔的底面 182:載環 183:支撑腔 183a:支撑腔的底面 188:基片支撑爪 188a:固定段 188b:水平支撑段 189:載環支撑爪 3:進氣裝置 4:排氣裝置 7:驅動盤 8:基片託盤 80:基片託盤底面 81:第一台階部 82:第二台階部 9:熱擴散板 9a:環狀熱擴散板 9b:圓形熱擴散板 H1、H2:加熱器 S1、S2:探頭
圖1是本發明一種倒裝MOCVD反應器的結構示意圖； 圖2a、圖2b是用於倒裝MOCVD反應器的載環元件側向截面圖和頂視圖； 圖3a是與圖2a、2b所示載環元件與相應的基片託盤組合後的仰視圖； 圖3b是圖3a中基片承載環與基片託盤組合體在X處的截面圖； 圖3c是圖3a中基片承載環與基片託盤組合體在Y處的截面圖。
182:載環
188:基片支撐爪
189:載環支撐爪

Claims (15)

  1. 一種支撐基片的基片託盤，其中：該基片託盤包括一側壁和該側壁圍繞而成的一加熱腔，該側壁的頂部包括一蓋板，該蓋板用於向下輻射熱量；該蓋板的下方的該側壁的內側包括多個凹進的腔體，該多個腔體包括多個互相分離的支撐腔，以及與每個該支撐腔相鄰的一舉升腔，該舉升腔的底部向下延伸並穿過該基片託盤的該側壁的底面，使得該舉升腔與該基片託盤的下方空間聯通，該支撐腔的底部平面高於該基片託盤的底面。
  2. 如請求項1所述的基片託盤，其中，該側壁的底部還包括一環形凹槽與該舉升腔聯通，用於容納一環形載環。
  3. 如請求項1所述的基片託盤，其中，該側壁的頂部包括一台階部，該蓋板為架設在該台階部上的一熱擴散板。
  4. 如請求項1所述的基片託盤，其中，該蓋板包括至少一個環和圓形板的組合，其中該至少一個環或者圓形板可替換。
  5. 如請求項1所述的基片託盤，其中，該支撐腔和該舉升腔之間還包括一轉移腔，其中該轉移腔的底面的高度高於該支撐腔的底面的高度。
  6. 如請求項5所述的基片託盤，其中，該支撐腔、該轉移腔、該舉升腔在該基片託盤的內壁沿圓周方向排列，共同構成一個支撐單元，多個該支撐單元在該基片託盤的該側壁的底部互相間隔設置。
  7. 如請求項1所述的基片託盤，其中，該支撐腔的底面包括凸起部或者凹進部。
  8. 一種用於支撐基片的載環元件，其中：該載環元件包括： 一個載環； 多個互相間隔設置在該載環上的載環支撐爪，每個該載環支撐爪的一端固定到該載環，另一端向該載環的外側延伸；以及 多個互相間隔設置在該載環上的基片支撐爪，每個該基片支撐爪的一端固定到該載環，另一端向該載環內側延伸，用於支撐基片。
  9. 如請求項8所述的載環元件，其中，該載環、該載環支撐爪、該基片支撐爪中至少一個由導熱係數小於等於40W/m.k的低導熱係數材料製成，其它部分由導熱係數大於等於150W/m.k的高導熱係數材料製成。
  10. 如請求項8所述的載環元件，其中，該基片支撐爪由低導熱係數材料製成。
  11. 如請求項8所述的載環元件，其中，該基片支撐爪包括一固定段固定到該載環，一水平支撐段用於支撐基片，連接在該固定段和該水平支撐段之間的一過渡段，其中該過渡段從該固定段向下延伸。
  12. 如請求項8所述的載環元件，其中，該水平支撐段的頂部截面呈上小下大的錐形，使得該水平支撐段的頂部與基片的接觸面最小化。
  13. 如請求項8所述的載環元件，其中，該載環支撐爪的底面包括一凸起部或者凹進部，以防止該載環支撐爪滑動。
  14. 一種薄膜生長系統，該薄膜生長系統包括一反應腔，其中：該反應腔包括位於該反應腔的頂部的如請求項1-7中任一項所述的基片託盤，該基片託盤的下方包括一進氣裝置，用於輸入反應氣體並在該基片託盤的底部生長材料層，該基片託盤的上方包括一加熱器用於加熱該基片託盤的一蓋板。
  15. 如請求項14所述的薄膜生長系統，該薄膜生長系統還包括一傳輸腔，該傳輸腔中包括一個機械傳輸裝置，該機械傳輸裝置包括一個傳輸頭，該傳輸頭用於支撐如請求項8所述的載環元件，並且驅動該載環元件中的一載環支撐部進入該基片託盤中的一舉升腔，並沿該載環的圓周方向旋轉一預設角度。
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