TWI564428B - 金屬有機化學汽相沈積裝置 - Google Patents

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Description

金屬有機化學汽相沈積裝置
本發明是有關於一種金屬有機化學汽相沈積裝置，更詳細而言是有關於一種可將沈積裝置的反應器內部的污染最小化，並將反應器內部的反應空間最小化而減少反應氣體的消耗量，同時藉由反應氣體的穩定流動而提高薄膜的均勻度的金屬有機化學汽相沈積裝置。
隨著於各種產業領域逐漸使用高效率的發光二極體(LED)，要求一種品質或性能不會下降而可實現大量生產的設備。於此種發光二極體的製造中，廣泛使用金屬有機化學汽相沈積裝置。
金屬有機化學汽相沈積(MOCVD：Metal Organic Chemical Vapor Deposition)裝置為如下裝置：向反應室內供給Ⅲ族烷基化合物(alkyl)(金屬有機原料氣體)、V族反應氣體、與高純度載氣(carrier gas)的混合氣體，於經加熱的基板上進行熱分解而使化合物半導體結晶成長。此種金屬有機化學汽相沈積裝置是於基座(susceptor)安裝基板，自上部注入氣體而於基板上 部成長半導體結晶。
作為先前的金屬有機化學汽相沈積裝置，提出有如韓國專利第1026058號中所揭示的金屬有機化學汽相沈積裝置。圖1所示的先前的金屬有機化學汽相沈積裝置呈如下構造：包括腔室(chamber)本體、化學物質傳達模組(module)、真空系統(vacuum system)、簇射頭(shower head)組裝體，藉由簇射頭組裝體向腔室內的反應空間供給反應氣體，於上述腔室內的反應空間，藉由遠程電漿(remote plasma)而於基板上沈積薄膜。
然而，於上述先前技術的金屬有機化學汽相沈積裝置中，供給於腔室內部的反應氣體附著至腔室的頂蓋(lid)內部面及腔室側壁的內部面而腔室內部受到污染。而且，於在沈積製程結束後，為了更換上述基板而開放腔室的情形時，因振動或衝擊等而寄生沈積於上述腔室的內側面的雜質(particle)掉落至基板上而污染基板。
又，先前的金屬有機化學汽相沈積裝置呈自上部的簇射頭組裝體供給反應氣體的構造。於該情形時，存在如下問題點：反應氣體的流動不順暢而沈積至安裝於基座上的多個基板上的薄膜的均勻度下降。
本發明欲解決上述先前技術的問題點，本發明的目的在 於提供一種將沈積裝置內部的反應空間最小化而減少反應氣體的消耗量，從而可削減費用，將反應器內部的污染最小化而延長沈積裝置的維護管理週期，從而可提高生產量(throughput)的金屬有機化學汽相沈積裝置。
本發明的另一目的在於提供一種確保供給至腔室內的反應空間的反應氣體的穩定流動，從而可提高薄膜的均勻度的金屬有機化學汽相沈積裝置。
為了達成上述目的，本發明的金屬有機化學汽相沈積裝置的特徵在於包括：基板收容腔室，其包含腔室頂蓋、外部壁部、及底部；基座部，其配置於上述基板收容腔室內部，安裝基板並對所安裝的上述基板進行加熱；氣體供給部，其連接於反應氣體供給源，向上述基板收容腔室內部供給反應氣體；及反應空間形成單元，其連接於上述氣體供給部，於上述基板收容腔室內部形成單獨的反應空間而將上述基板收容腔室內部的污染最小化，減少反應氣體的消耗量。
其中，上述反應空間形成單元包含：上部板，其具有配置於上述基座部的上部的阻熱頂蓋；側部板，其連接於上述上部板；及下部板，其於與上述基座部的上部面對應的位置形成有開口。
其中，上述反應空間形成單元包括多個氣體引導板、及插入於上述多個氣體引導板之間的噴嘴(nozzle)，且上述噴嘴連 接於上述氣體供給部的氣體供給線，上述多個氣體引導板各自以自上述噴嘴向上述基座部傾斜的方式形成。
此處，上述多個氣體引導板以如下方式設置：最上端的第一氣體引導板的傾斜角度最大，位於上述第一氣體引導板的下部的氣體引導板越位於下部則傾斜角度越減少。
又，自上述噴嘴噴射的氣體沿上述氣體引導板按照扇形擴散。
其中，上述基座部包括：加熱器區塊(heater block)，其安裝多個基板並對該等多個基板進行加熱；感應加熱部，其以包圍上述加熱器區塊的方式配置，對上述加熱器區塊進行加熱；熱障構件(thermal barrier)，其配置於上述加熱器區塊與上述感應加熱部之間；及軸(shaft)，其支持上述加熱器區塊。
此處，於上述軸與上述基板收容腔室的底部之間形成密封(sealing)部。
其中，更包括氣體引導板位置調節部，該氣體引導板位置調節部連接於上述氣體供給部的緊固有上述多個氣體引導板的氣體導引區塊(gas guide block)，使上述多個氣體引導板朝向上述基座部側前後移動而調節位置。
此處，上述多個氣體引導板的朝向上述基座部側的末端位於阻熱頂蓋的下部。
其中，上述阻熱頂蓋厚於上述上部板，且包含氮化硼。
其中，於上述腔室頂蓋與上述底部形成供冷卻介質流動 的冷卻流路。
根據具有上述構成的本發明，藉由包括上述反應空間形成單元(40)，於基板收容腔室(10)內部形成單獨的反應空間而將沈積裝置內部的反應空間最小化，藉此可減少反應氣體的消耗量而削減費用，且可將反應器內部的污染最小化。
藉此，可於基板收容腔室內部，藉由作為氣體反應分隔壁發揮功能的上述反應空間形成單元而保持反應氣體的層流(laminar flow)，可將基板收容腔室內部的顆粒污染最小化而延長用以上述反應空間形成單元的外部及基板收容腔室的內部的維護管理的更換週期，且可減少因更換產生的時間與費用、及用以再運轉的時間及費用，因此可於整體上提高生產量。
又，可藉由上述氣體供給部、上述氣體引導板、及上述氣體引導板位置調節部確保供給至腔室內的反應空間的反應氣體的穩定流動而提高薄膜的均勻度。
1‧‧‧金屬有機化學汽相沈積裝置
10‧‧‧基板收容腔室
11‧‧‧腔室頂蓋
11a‧‧‧冷卻流路
12‧‧‧外部壁部
12a‧‧‧內部壁部
13‧‧‧底部
13a‧‧‧冷卻流路
14‧‧‧排氣孔
20‧‧‧基座部
21‧‧‧加熱器區塊
22‧‧‧軸
22a‧‧‧熱電偶
23‧‧‧密封部
24‧‧‧感應加熱部
25‧‧‧熱障構件
26‧‧‧隔熱部
30‧‧‧氣體供給部
31‧‧‧氣體供給埠
31a‧‧‧按壓氣體供給埠
31b、31c‧‧‧反應氣體供給埠
31d‧‧‧清除氣體供給埠
32‧‧‧噴嘴
33‧‧‧氣體引導板位置調節部
34‧‧‧導桿
35‧‧‧氣體導引區塊
40‧‧‧反應空間形成單元
41‧‧‧上部板
42‧‧‧側部板
43‧‧‧下部板
44‧‧‧阻熱頂蓋
45‧‧‧氣體引導板
45a‧‧‧第一氣體引導板
45b‧‧‧第二氣體引導板
45c‧‧‧第三氣體引導板
51‧‧‧光學感測器
52‧‧‧感測器管
W‧‧‧基板
圖1是表示先前技術的金屬有機化學汽相沈積裝置的圖。
圖2是表示本發明的金屬有機化學汽相沈積裝置的圖。
圖3是表示本發明的金屬有機化學汽相沈積裝置的氣體供給部及反應空間形成單元的圖。
圖4是表示本發明的氣體供給部及反應空間形成單元的俯視圖。
圖5是沿圖4的A-A'撷取的剖面圖。
以下，參照隨附圖式，利用實施例詳細地對本發明的金屬有機化學汽相沈積裝置進行說明。
圖2是表示本發明的金屬有機化學汽相沈積裝置(1)的圖。
如圖2所示，本發明的金屬有機化學汽相沈積裝置(1)包括基板收容腔室(10)、基座部(20)、氣體供給部(30)、及反應空間形成單元(40)。
上述基板收容腔室(10)包括：腔室頂蓋(11)，其覆蓋腔室的上部；外部壁部(12)，其緊固於上述腔室頂蓋(11)，且覆蓋腔室的側部；及底部(13)，其形成腔室的下部底表面。
上述腔室頂蓋(11)可藉由螺桿(bolt)等緊固元件，以可分離的方式緊固於上述外部壁部(12)，於上述腔室頂蓋(11)，可形成冷卻流路(11a)。以如下方式構成：構成為使冷卻水或冷卻氣體等冷卻介質於上述冷卻流路(11a)流動，從而冷卻因於上述基板收容腔室(10)內的沈積製程中產生的高溫的熱而被加熱的上述基板收容腔室(10)。
又，於上述腔室頂蓋(11)，設置有作為光學感測器(optical sensor)(51)的光測定通路而發揮功能的感測器管(sensor tube)(52)，該光學感測器(51)用以光學測定於下文將述的反應空間形成單元(40)內沈積於基板上的薄膜。此處，以如下方式構成：於上述感測器管(52)導入清除氣體(purge gas)，防止反應氣體自上述反應空間形成單元(40)向上述感測器管(52)排出。
上述外部壁部(12)以如下方式構成：緊固於上述腔室頂蓋(11)，覆蓋上述基板收容腔室(10)的側部。以如下方式構成：於上述外部壁部(12)，形成排氣孔(14)，上述排氣孔(14)連接於氣體排氣線(未圖示)，於沈積製程結束後，藉由上述排氣孔(14)與上述氣體排氣線(未圖示)而向上述基板收容腔室(10)的外部排出殘留於上述反應空間形成單元(40)的反應氣體。
又，於上述外部壁部(12)的內部，可更包括內部壁部(12a)。以如下方式構成：於上述內部壁部(12a)，以插入貫通的方式設置上述反應空間形成單元(40)，可穩定地設置上述反應空間形成單元(40)。
於上述基板收容腔室的下部，具備底部(13)。於上述底部(13)，可形成冷卻流路(13a)。以如下方式構成：構成為使冷卻水或冷卻氣體等冷卻介質於上述冷卻流路(13a)流動，從而冷卻因於上述基板收容腔室(10)內的沈積製程中產生的高溫的熱而被加熱的上述基板收容腔室(10)。
於上述基板收容腔室內部，配置安裝基板(W)的基座部(20)。
上述基座部(20)包含：加熱器區塊(21)，其安裝基板(W)並對該基板(W)進行加熱；軸(22)，其支持上述加熱器區塊(21)並使該加熱器區塊(21)旋轉；密封部(23)；及感應加熱部(24)，其對上述加熱器區塊(21)進行加熱。
上述加熱器區塊(21)於上部面具備多個槽，以便可安裝多個基板(W)。
上述軸(22)以如下方式構成：一末端連接於上述加熱器區塊(21)，另一末端貫通上述基板收容腔室(10)的上述底部(13)而連接於配置於上述基板收容腔室(10)的外部的旋轉驅動部(未圖示)，支持上述加熱器區塊(21)並且使該加熱器區塊(21)旋轉。以如下方式構成：於上述軸(22)的內部，設置熱電偶(thermocouple)(22a)，可測定控制藉由上述感應加熱部(24)而加熱的上述加熱器區塊(21)的溫度。
以如下方式構成：於上述軸(22)與上述基板收容腔室(10)的上述底部(13)之間具備密封部(23)，將旋轉的上述軸(22)與上述底部(13)之間的空間密封。於上述密封部(23)填充流體密封材(fluidic seal)，於本實施例中，上述流體密封材可包含藉由磁力而氣密地密封與外部的空隙的磁性流體密封材。
又，於上述密封部(23)的上部，可更設置隔熱部(26)，該隔熱部(26)包圍上述軸(22)，防止於沈積製程過程中產生的高溫的熱傳遞至上述基板收容腔室(10)及上述密封部(23)。
上述感應加熱部(24)以如下方式構成：例如包含包圍 上述加熱器區塊(21)的感應線圈(induction coil)，對配置於上述感應加熱部(24)的內側的上述加熱器區塊(21)進行加熱。
於上述感應加熱部(24)與上述加熱器區塊(21)之間，可更包括熱障構件(25)。上述熱障構件(25)不僅可防止藉由上述感應加熱部(24)而加熱的上述加熱器區塊(21)的高溫的熱傳遞至上述基板收容腔室(10)內部，而且亦可保護上述感應加熱部(24)免受上述加熱器區塊(21)的高溫的熱的影響。於本實施例中，上述熱障構件(25)例如包含於高溫下穩定，且熱反射率較高的氮化硼(Boron Nitride)材質。
另一方面，於上述基板收容腔室的一側，設置氣體供給部(30)。上述氣體供給部(30)包括分別連接於多個氣體供給線(未圖示)的多個氣體供給埠(31)，自多個氣體供給源(未圖示)向上述多個氣體供給線供給反應氣體。
上述多個氣體供給埠(31)例如可包含反應氣體供給埠(31b、31c)及按壓氣體供給埠(31a)，該等反應氣體供給埠(31b、31c)連接於分別供給ⅢI族、V族反應氣體的反應氣體供給線，該按壓氣體供給埠(31a)具備於上述反應氣體供給埠的上部，供給按壓氣體，該按壓氣體按壓上述反應氣體，以便防止上述反應氣體的熱對流，穩定地向上述基板(W)上供給上述反應氣體。
此處，上述反應氣體供給埠當然可包含單個反應氣體供給埠。又，除上述反應氣體供給埠(31b、31c)及按壓氣體供給埠(31a)以外，可更包括清除氣體供給埠(31d)。
上述多個氣體供給埠(31a、31b、31c、31d)分別連接於氣體導引區塊(35)，於各個氣體導引區塊(35)的末端，具備用以向上述基板收容腔室(10)的內部噴射所供給的反應氣體與按壓氣體的噴嘴(32)。
如圖4所示，上述噴嘴(32)以如下方式構成：插入於下文將述的多個氣體引導板(45)之間，使氣體藉由利用多個氣體引導板(45)形成的氣體引導路徑而流動。
另一方面，本發明的金屬有機化學汽相沈積裝置(1)更包括反應空間形成單元(40)，該反應空間形成單元(40)設置於上述基板收容腔室(10)的內部。
上述反應空間形成單元(40)包含：上部板(41)，其設置於與上述腔室頂蓋對應之側；側部板(42)；及下部板(43)，其設置於與上述基座部對應之側；且向上述反應空間形成單元供給反應氣體之側、與連通於上述排氣孔之側開口。
以如下方式構成：上述反應空間形成單元(40)的一側貫通上述基板收容腔室(10)的內部壁部，緊固於上述氣體供給部(30)的上述氣體導引區塊(35)，另一側連通於形成於上述外部壁部(12)的排氣孔(14)。
於上述反應空間形成單元的上述上部板(41)，可設置阻熱頂蓋(44)。如圖2及圖3所示，上述阻熱頂蓋(44)設置於與上述加熱器區塊(21)對向的位置，厚於上述上部板，朝向上述加熱器區塊(21)的上部面突出，可更小地形成安裝於上述加熱 器區塊(21)的基板(W)上的反應空間。
又，上述阻熱頂蓋(44)能夠以如下方式構成：與上述上部板(41)緊固成一體型，可與上述上部板(41)分離，以便易於更換。又，上述阻熱頂蓋(44)例如可包含於高溫下穩定，且熱反射率較高的氮化硼材質。
上述基板收容腔室(10)內部的溫度達到1000℃以上的高溫，故而於包覆上述加熱器區塊(21)的熱障構件(25)與上述阻熱頂蓋(44)中利用氮化硼素材，藉此構成為於高溫下穩定。
藉此，可藉由熱反射率較高的上述阻熱頂蓋(44)有效地加熱基板，同時有效地減少加熱基板所需的消耗電力。又，於在基板上成長薄膜的過程中因沈積製程的化學反應集中產生副產物的位置設置上述阻熱頂蓋而延長零件的更換週期，藉此可提高生產量(throughput)。
上述下部板(43)以如下方式構成：於與上述加熱器區塊(21)的上部面對應的位置具有開口部。即，能夠以如下方式構成：上述下部板(43)的開口部的位置形成於上述加熱器區塊(21)的末端的位置或安裝基板(W)的位置，自上述下部板(43)的開口部的位置向基板上供給上述反應氣體及/或按壓氣體。
又，上述反應空間形成單元包括多個氣體引導板(45)。上述氣體引導板(45)以如下方式構成：於上述反應空間形成單元(40)內設置於上述氣體供給部(30)側，穩定地向基板上引導供給的反應氣體及/或按壓氣體。
如圖5所示，上述多個氣體引導板(45)以如下方式構成：緊固於上述反應空間形成單元(40)的側部板，分別插入有連接於多個氣體供給線的多個噴嘴(32)。
例如，以如下方式構成：於最上端的第一氣體引導板(45a)與其下部的第二氣體引導板(45b)之間插入連接於供給按壓氣體的按壓氣體供給埠(31a)的噴嘴(32)，使按壓氣體藉由利用上述最上端的第一氣體引導板(45a)與其下部的第二氣體引導板(45b)形成的氣體引導路徑而流動。又，能夠以如下方式構成：於上述第二氣體引導板(45b)與第三氣體引導板(45c)之間、及第三氣體引導板(45c)與上述下部板(43)之間分別插入連接於供給反應氣體的反應氣體供給埠(31b、31c)的噴嘴(32)，使反應氣體藉由利用上述第2及第三氣體引導板(45b、45c)與下部板形成的氣體引導路徑而流動。
又，較佳為以如下方式構成：上述多個氣體引導板(45)的另一末端、即氣體引導板(45)的朝向上述基座部(20)側的末端位於上述阻熱頂蓋(44)的下部。
又，較佳為上述多個氣體引導板(45)各自以自上述噴嘴(32)側向上述基座部(20)傾斜的方式形成。又，上述多個氣體引導板(45)的傾斜角度可彼此不同地形成。
例如，能夠以如下方式構成：設置為最上端的第一氣體引導板(45a)的傾斜角度最大，越向其下部則傾斜角度越減少，從而由上述第1至第三氣體引導板(45a、45b、45c)形成的氣體 引導路徑以越朝向上述基板(W)則越變小的方式形成，藉此朝向上述基板(W)上穩定地實現供給的氣體的流動。
又，傾斜地形成上述氣體引導板(45)，由上下鄰接的氣體引導板形成氣體引導路徑，藉此可防止供給的氣體於到達基板上部的反應空間之前混合而進行汽相反應並寄生沈積，減少反應氣體的消耗量。
又，能夠以如下方式構成：構成為上述氣體引導板(45)的一末端、即上述氣體引導板(45)的朝向上述噴嘴(32)側的末端如圖4所示般以上述噴嘴(32)為中心而形成為扇形，自上述噴嘴(32)噴射的氣體沿上述氣體引導板(45)按照扇形逐漸擴散，從而實現供給的反應氣體的穩定擴散。
另一方面，本發明的金屬有機化學汽相沈積裝置(1)可更包括氣體引導板位置調節部(33)。
上述氣體引導板位置調節部(33)以如下方式設置：設置為供導桿(guide bar)(34)貫通，可沿上述導桿(34)前後移動。上述導桿(34)以如下方式構成：一末端緊固於上述基板收容腔室(10)的外部壁部(12)，另一末端緊固於上述基板收容腔室(10)的內部壁部(12a)。又，上述氣體引導板位置調節部(33)藉由托架(bracket)或螺桿等元件而緊固於緊固有上述多個氣體引導板(45)的上述氣體導引區塊(35)。藉由使上述氣體引導板位置調節部(33)沿上述導桿(34)前後移動，可使緊固於上述氣體引導板位置調節部(33)的上述氣體導引區塊(35)前後移 動。
藉此，可使設置於上述氣體導引區塊(35)的多個氣體引導板(45)的位置朝向上述基座部(20)側前後移動而調節上述反應氣體及/或按壓氣體的基板(W)上的供給位置。
如上所述，位於氣體供給線的上端的按壓氣體自上端按壓Ⅲ族、V族反應氣體，藉此發揮抑制因高溫製程產生的熱對流的作用，藉由適當地調節Ⅲ族、V族反應氣體與清除氣體的流量比(Flow Ratio)，可明顯改善薄膜成長率。
又，藉由上述按壓氣體而向上述反應空間形成單元(40)內的反應空間推擠擴散停滯於上述氣體引導板(45)的噴射口側的反應氣體，藉此可防止上述氣體引導板(45)的傾斜的末端部分的因反應氣體的耗盡(Depletion)引起的薄膜均勻度的下降。
又，可抑制藉由因於上述基座部(20)的上部的上述阻熱頂蓋(44)熱分解引起的化學反應，而於除基板以外的零件成長薄膜。藉此，可減少反應空間形成單元內部的零件的更換次數及維護管理次數而提高生產量。
以上所說明的本發明並不受上述實施例及隨附圖式的限定，於本發明所屬的技術領域中具有常識者應明白可於不脫離本發明的技術思想的範圍內，實現多種置換、變形、及變更。
1‧‧‧金屬有機化學汽相沈積裝置
10‧‧‧基板收容腔室
11‧‧‧腔室頂蓋
11a‧‧‧冷卻流路
12‧‧‧外部壁部
12a‧‧‧內部壁部
13‧‧‧底部
13a‧‧‧冷卻流路
14‧‧‧排氣孔
20‧‧‧基座部
21‧‧‧加熱器區塊
22‧‧‧軸
22a‧‧‧熱電偶
23‧‧‧密封部
24‧‧‧感應加熱部
25‧‧‧熱障構件
26‧‧‧隔熱部
30‧‧‧氣體供給部
35‧‧‧氣體導引區塊
40‧‧‧反應空間形成單元
41‧‧‧上部板
43‧‧‧下部板
44‧‧‧阻熱頂蓋
45‧‧‧氣體引導板
51‧‧‧光學感測器
52‧‧‧感測器管
W‧‧‧基板

Claims (11)

  1. 一種金屬有機化學汽相沈積裝置，其包括：基板收容腔室，其包含腔室頂蓋、外部壁部、及底部；基座部，其配置於上述基板收容腔室內部，且包含安裝基板並對所安裝的上述基板進行加熱的加熱器區塊；氣體供給部，向上述基板供給反應氣體，設置於所述基板收容腔室的側邊；及反應空間形成單元，其連接於上述氣體供給部且形成有反應空間，於上述反應空間形成單元內部配置多個氣體引導板，其中所述氣體引導板相對於所述基座部傾斜設置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的金屬有機化學汽相沈積裝置，其中上述反應空間形成單元包含：上部板；側部板，其連接於上述上部板；下部板，其於與上述加熱器區塊的上部面對應的位置形成有開口；及阻熱頂蓋，與上述上部板相組裝。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的金屬有機化學汽相沈積裝置，其中在多個上述氣體引導板之間插入噴嘴。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的金屬有機化學汽相沈積裝置，其中上述多個氣體引導板以如下方式設置：最上端的第一氣 體引導板的傾斜角度最大，位於上述第一氣體引導板的下部的氣體引導板越位於下部則傾斜角度越減少。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的金屬有機化學汽相沈積裝置，其中上述噴嘴噴射的氣體沿上述氣體引導板按照扇形擴散。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的金屬有機化學汽相沈積裝置，其中上述基座部包括：感應加熱部，其以包圍上述加熱器區塊的方式配置，對上述加熱器區塊進行加熱；熱障構件，其配置於上述加熱器區塊與上述感應加熱部之間；及軸，其支持上述加熱器區塊。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的金屬有機化學汽相沈積裝置，其中上述軸與上述基板收容腔室的底部之間形成密封部。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的金屬有機化學汽相沈積裝置，其更包括氣體引導板位置調節部，該氣體引導板位置調節部連接於上述氣體供給部的緊固有上述多個氣體引導板的氣體導引區塊，使上述多個氣體引導板朝向上述基座部側前後移動而調節位置。
  9. 如申請專利範圍第2項所述的金屬有機化學汽相沈積裝置，其中上述多個氣體引導板的朝向上述基座部側的末端位於阻熱頂蓋的下部。
  10. 如申請專利範圍第2項所述的金屬有機化學汽相沈積裝置，其中上述阻熱頂蓋厚於上述上部板，且包含氮化硼。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的金屬有機化學汽相沈積裝置，其中於上述腔室頂蓋與上述底部形成供冷卻介質流動的冷卻流路。
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