TW202240017A - 基片託盤及其所在的反應器 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種支撐待處理基片的基片託盤及其所在的反應器，用於倒裝基片進行薄膜生長。所述基片託盤包括側壁和側壁圍繞而成的中心開口，所述側壁內側包括第一臺階部用於放置一熱擴散板，所述第一臺階部下方包括一第二臺階部，所述第二臺階部上表面設置有一隔熱裝置，所述隔熱裝置用於支撐待處理基片的第一表面，所述第一臺階部的內側壁直徑大於所述第二臺階部內側壁直徑。

Description

基片託盤及其所在的反應器

本發明涉及半導體的領域，尤其涉及一種用於化合物半導體外延材料生長的基片託盤及其反應器的技術領域。

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中心開口，所述側壁的內側包括第一臺階部用於放置一熱擴散板，所述第一臺階部下方包括一第二臺階部，所述第二臺階部的上表面設置有一隔熱裝置，所述隔熱裝置用於支撐待處理的基片的第一表面，所述第一臺階部的內側壁直徑大於所述第二臺階部的內側壁直徑。

較佳的，所述隔熱裝置包括一隔熱環，所述隔熱環的底面放置在所述第二臺階部上，所述第二臺階部的頂部包括一支撐面用於支撐待處理的基片，還包括一垂直側壁圍繞所述支撐面。

較佳的，所述隔熱裝置包括一隔熱環，所述隔熱環的頂部包括多條向上凸起的棱，所述基片放置在所述多條向上凸起的棱上。

較佳的，所述隔熱環的底面包括多條向下凸起的棱，所述隔熱環通過多條所述棱與所述第二臺階部接觸。

較佳的，所述隔熱裝置包括多個沿圓周方向分開設置的支撐爪，所述支撐爪設置在所述第二臺階部上，且至少部分頂部用於支撐所述基片。

較佳的，所述支撐爪包括水平延伸部和垂直延伸部，其中水平延伸部的底部平面放置在所述第二臺階部上，水平延伸部的頂部橫截面小於所述底部平面。

較佳的，所述垂直延伸部位於水平延伸部外側，所述垂直延伸部靠近基片託盤的中心開口端的橫截面呈錐形，使得基片側壁與所述垂直延伸部的接觸面積最小化。

較佳的，所述支撐爪包括託盤連接部、下延伸部和基片支撐部，所述託盤連接部的底面得到所述第二臺階部的頂面支撐，所述下延伸部的一端連接到所述託盤連接部的另一端向下延伸並連接到基片支撐部，所述基片支撐部的頂部用於支撐所述待處理的基片，使得所述基片的第一表面低於第二臺階部的頂面。

較佳的，所述基片支撐部沿水平方向延伸，其中頂部的橫截面小於基片支撐部的底部的橫截面。

較佳的，所述下延伸部靠近基片託盤的中心開口端呈錐形橫截面，使得基片的側壁與所述垂直延伸部的接觸面積最小化。

較佳的，所述隔熱裝置由具有第一導熱係數的材料製成，所述基片託盤由具有第二導熱係數的材料製成，其中第一導熱係數小於第二導熱係數的1/4。

較佳的，所述隔熱裝置的導熱係數小於等於40 W/m.k，所述基片託盤的導熱係數大於等於150W/m.k。

進一步的，本發明還提供一種反應器，包括一反應腔，所述反應腔內設置如上文所述的基片託盤。

本發明的優點在於：本發明提供一種倒裝MOCVD反應器的基片託盤及其所在的反應器，其中基片託盤包括第一臺階部用於放置熱擴散板，還包括第二臺階部，其中第二臺階部上放置一個由隔熱材料製成的支撐環，以減少基片邊緣區域與基片託盤之間通過傳導進行橫向的熱量傳輸。其中第一臺階部的內側壁直徑大於第二臺階部的內側壁的直徑。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。通過使用上述隔熱材料可以大幅減少基片的邊緣與基片託盤之間的熱傳導，從而改善基片的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。

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的改變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臺階部81，用於放置熱擴散板9，還包括位於所述第一臺階部81的下方的第二臺階部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臺階部82支撐並朝向下方反應腔底部。其中熱擴散板9與基片的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的加工面的邊緣區域由於存在與第二臺階部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臺階部82和基片10之間橫向流動，這會導致基片10的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的周邊，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的下方的反應空間，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8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10放到第二臺階部82，然後再吸取熱擴散板9放到第一臺階部81上；在卸載時需要等基片託盤8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的背面吸取基片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的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10轉移過程中吸附到基片10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。如圖2所示是本發明的用於倒裝MOCVD反應器的基片託盤示意圖，其中基片託盤8包括第一臺階部81用於放置熱擴散板9，還包括第二臺階部82’，其中第二臺階部82’上放置一個由隔熱材料製成的支撐環84，以減少基片邊緣區域與基片託盤8之間通過傳導進行橫向的熱量傳輸。其中第一臺階部81的內側壁81S直徑大於第二臺階部82’的內側壁82’S的直徑。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。通過使用上述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。支撐環84包括L形的截面，其中底面與第二臺階部82’配合，上表面內側包括一隔熱臺階部，基片放置在隔熱臺階部上。

為了進一步減少基片W與基片託盤8之間的熱傳導，本發明提出了如圖3a所示的基片託盤，其中第二臺階部82’上設置有隔熱陶瓷材料製成的支撐環85，支撐環整體仍然呈L形截面。如圖3b和圖3c所示，支撐環85的底面包括多條細長棱852突出於底面，支撐環85上表面內側包括多條L形的凸起棱851，其中凸起棱851包括垂直延伸部851a和水平延伸部851b，待處理的基片的材料生長面邊緣通過水平延伸部851b得到支撐，待處理基片側壁可以與垂直延伸部851a內側壁接觸。支撐環85的下表面也設置相應的細長棱852，細長棱852使得支撐環85與基片W之間以及支撐環85與下方第二臺階部82’之間的實際接觸面積進一步減小，也就大幅減小了基片W與第二臺階部82’之間的熱量流通量。其中垂直延伸部851a的內側壁不一定是完全呈90度垂直於基片平面，也可以是傾斜向下的，這樣在放置基片時還能使得基片自動對準支撐環85的中心放置。

為了簡化本發明基片託盤8的結構，發明人提出了另一種實施例的基片託盤。如圖4a所示，基片託盤8內側通孔的內壁包括多個獨立的支撐爪86均勻分佈在第二臺階部82’’的圓環形支撐面上，不再需要支撐環設置在基片與第二臺階部82’’之間。其中支撐爪86也是由隔熱陶瓷材料製成，其具體結構如圖4b所示，包括垂直延伸部86a和水平延伸部86b。其中水平延伸部86b具有三棱柱的形狀，其中底面積較大使得支撐爪86穩定的固定在第二臺階部82’’上，上端為一條棱線86b1，使得基片邊緣區域與支撐爪86只存在線狀接觸區，極大的減小了基片與支撐爪86之間的傳導熱量。垂直延伸部86a的結構與水平延伸部86b類似，只是其外側壁面積較大，使得支撐爪86的外側壁能夠緊貼第二臺階部82’’上方的基片託盤內壁，同時垂直延伸部86a的最內側為一條棱線86a1，使得基片側壁與支撐爪86的接觸也只存在線形的接觸區域，同樣減少了基片側壁方向的熱傳導。其中支撐爪86的截面也可以是其它多邊形，只要與基片接觸的區域具有錐形的截面就能使得基片與支撐爪之間的接觸面最小化。

上述支撐環84、85與支撐爪86均能夠大幅減少基片邊緣區域與第二臺階部之間的熱量傳導，但是基片被架設在第二臺階部與支撐環/爪上方，用於材料層生長的基片下表面高於基片託盤8的底面80，這會導致反應氣體在沿水平方向流過基片託盤8的底面80，到達基片邊緣時，氣流會向上轉向到上方凹進的區域，這導致基片邊緣區域出現混亂的渦流，這種氣流分佈的紊亂會導致在基片上生長的材料層的厚度或者晶體結構的不均一，嚴重影響基片表面材料層生長品質。為了進一步解決基片表面氣流分佈不均的問題，發明人提出了如圖5a所示的基片託盤8，基片託盤8的基本結構與前述多個實施例相同，主要的不同特徵在於多個新形的支撐爪87。如圖5b所示，支撐爪87包括託盤連接部87a、下延伸部87b和基片支撐部87c。其中託盤連接部87a固定在基片託盤8的第二臺階部82’’’上方，下延伸部87b從託盤連接部87a內側端向下延伸一定距離與基片支撐部87c外側端連接。其中基片支撐部87c的頂部包括一個凸起的棱線87c1，用於支撐待處理的基片，下延伸部87b也可以設計成內則包括一條棱線87b1，使得支撐爪87與基片邊緣區域之間的熱量傳導最小化。其中下延伸部87b的向下延伸數值可以進行優化設計，使得棱線87c1的高度與基片託盤8的底面80的高度接近，這樣固定在基片支撐部87c上的待處理基片就具有與基片託盤8的底面80基本相同的高度，使得在製程過程中基片上具有穩定分佈的氣流，生長出高品質的材料層。

本發明中圖4a、圖4b、圖5a、圖5b所示的實施例中多個支撐爪可以方便的替換為新的或者根據製程需要選擇新的形狀的支撐爪。在MOCVD反應器內長期使用後，基片託盤和支撐環、支撐爪的表面材料的物理特性會逐漸發生變化。採用本發明可替換支撐爪後可以方便的更換支撐爪，而不需要拆卸整個基片託盤，使得反應腔能夠長期維持在最佳的狀態。或者可以根據處理製程的結果發現局部區域溫度過高或者過低時，選擇將基片託盤上相應位置處的支撐爪更換為接觸面更小或者接觸面更大的支撐爪，這樣本發明結構的基片託盤和較佳的支撐爪組合還能夠作為調節基片表面溫度均一性的一個較佳的手段。

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 3:進氣裝置 4:排氣裝置 7:驅動盤 8:基片託盤 80:基片託盤的底面 81:第一臺階部 81S, 82’S:內側壁 82, 82’, 82’’, 82’’’:第二臺階部 84, 85:支撑環 851:凸起棱 851a, 86a:垂直延伸部 851b, 86b:水平延伸部 852:細長棱 86, 87:支撑爪 86a1, 86b1, 87b1, 87c1:棱線 87a:託盤連接部 87b:下延伸部 87c:基片支撑部 9: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2是本發明的用於倒裝MOCVD反應器的基片託盤示意圖； 圖3a是本發明的用於倒裝MOCVD反應器的基片託盤第二實施例意圖； 圖3b、圖3c是本發明基片託盤示第三實施例中承載環結構示意圖； 圖4a和4b是本發明的用於倒裝MOCVD反應器的基片託盤第四實施例意圖； 圖5a是本發明的用於倒裝MOCD反應器的基片託盤第五實施例示意圖；以及 圖5b是圖5a中基片託盤第五實施例中的基片承載爪結構示意圖。

8:基片託盤

80:基片託盤的底面

81:第一臺階部

81S,82’S:內側壁

82’:第二臺階部

84:支撑環

W:基片

Claims (13)

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中心開口，該側壁的內側包括一第一臺階部用於放置一熱擴散板，該第一臺階部的下方包括一第二臺階部，該第二臺階部的上表面設置有一隔熱裝置，該隔熱裝置用於支撐待處理的一基片的一第一表面，該第一臺階部的內側壁直徑大於該第二臺階部內側壁直徑。
2. 如請求項1所述的基片託盤，其中，該隔熱裝置包括一隔熱環，該隔熱環的底面放置在該第二臺階部上，該第二臺階部的頂部包括一支撐面用於支撐待處理的該基片，還包括一垂直側壁圍繞該支撐面。
3. 如請求項1所述的基片託盤，其中，該隔熱裝置包括一隔熱環，該隔熱環的頂部包括向上凸起的多條棱，該基片放置在向上凸起的該多條棱上。
4. 如請求項3所述的基片託盤，其中，該隔熱環的底面包括向下凸起的該多條棱，該隔熱環通過向下凸起的該多條棱與該第二臺階部接觸。
5. 如請求項1所述的基片託盤，其中，該隔熱裝置包括沿圓周方向分開設置的多個支撐爪，該支撐爪設置在該第二臺階部上，且至少部分頂部用於支撐該基片。
6. 如請求項5所述的基片託盤，其中，該支撐爪包括一水平延伸部和一垂直延伸部，其中該水平延伸部的一底部平面放置在該第二臺階部上，該水平延伸部的頂部橫截面小於該底部平面。
7. 如請求項6所述的基片託盤，其中，該垂直延伸部位於該水平延伸部外側，該垂直延伸部靠近該基片託盤的該中心開口端的橫截面呈錐形，使得該基片的側壁與該垂直延伸部的接觸面積最小化。
8. 如請求項5所述的基片託盤，其中，該支撐爪包括一託盤連接部、一下延伸部和一基片支撐部，該託盤連接部的底面得到該第二臺階部的頂面支撐，該下延伸部的一端連接到該託盤連接部的另一端向下延伸並連接到該基片支撐部，該基片支撐部的頂部用於支撐待處理的該基片，使得該基片的該第一表面低於該第二臺階部的頂面。
9. 如請求項8所述的基片託盤，其中，該基片支撐部沿水平方向延伸，其中該基片支撐部的頂部的橫截面小於該基片支撐部的底部的橫截面。
10. 如請求項8所述的基片託盤，其中，該下延伸部靠近該基片託盤的該中心開口端呈錐形橫截面，使得該基片的側壁與該垂直延伸部的接觸面積最小化。
11. 如請求項1所述的基片託盤，其中，該隔熱裝置由具有一第一導熱係數的材料製成，該基片託盤由具有一第二導熱係數的材料製成，其中該第一導熱係數小於該第二導熱係數的1/4。
12. 如請求項1所述的基片託盤，其中，該隔熱裝置的導熱係數小於等於40 W/m.k，該基片託盤的導熱係數大於等於150W/m.k。
13. 一種反應器，包括一反應腔，其中：該反應腔內設置如請求項1-12任一項所述的一基片託盤。

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