TWI567229B

TWI567229B - Ｍｏｃｖｄ用裝置

Info

Publication number: TWI567229B
Application number: TW104111362A
Authority: TW
Inventors: 趙廣一; 張瓊鎬
Original assignee: Tes股份有限公司
Priority date: 2014-10-13
Filing date: 2015-04-09
Publication date: 2017-01-21
Also published as: TW201614099A; KR20160043486A; KR101722915B1

Description

MOCVD用裝置

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即便不開閉腔室頂蓋(chamber lid)，亦可於腔室內裝載(loading)/卸載(unloading)基板，從而可執行連續的製程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)，因此對於品質或性能不會下降而可實現大量生產的設備有所需求。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(MOCVD)。

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(alkyl)化合物(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。

圖1所示的為作為先前技術的金屬有機化學汽相沈積裝置。於圖1所示的先前技術的金屬有機化學汽相沈積裝置中，在將基板裝載至製程位置時，於將手套箱(glove box)內的真空狀態的反應器變為大氣狀態後，開放腔室的上部頂蓋(lid)，分離形成水平流動(flow)的內置腔室(inner chamber)的零件(part)。此後，於使用手套(glove)與鑷子(tweezer)將相應的基板裝載至基座上的基板凹穴(pocket)並排列位置後，按照分解的相反順序組裝內置腔室，之後進行將反應器轉換為真空狀態的製程。

然而，於上述先前技術的金屬有機化學汽相沈積裝置中，為了裝載基板，需將真空狀態的反應器轉換為大氣狀態，故而存在於轉換時反應器內的狀態發生變化之虞。特別是，構成內置腔室(inner chamber)的石英類的脆性較弱，存在破裂或扭曲的危險。

又，為了裝載基板，分解對連續的製程結果造成影響的零件，故而存在如下問題點：不僅因零件的拆解及組裝而薄膜的再現性(reproducibility)降低，而且於製程中產生的副產物主要集中於基板周圍的零件，因該等零件的卸除及安裝而副產物掉落，從而反應器及基板上端受到污染。

又，存在如下問題：基板的裝載/卸載(loading/unloading)時間變長，每個製程均需以手動的方式裝載/卸載基板，因此成為設備運轉率及生產性降低的原因，於製程後需待機至反應器溫度降至室溫為止，而此種待機時間較長。

又，於利用致動器(actuator)等開閉腔室頂蓋時，因腔室頂蓋的位置變化而於溫度監控感測器(temperature monitoring sensor)產生細微的位置變化，從而存在如下問題：不僅需要修正該位置變化，而且溫度監控感測器的修正(calibration)週期相對變短。

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即便不開閉腔室頂蓋，亦可於腔室內裝載及卸載(loading and unloading)基板，不分解腔室內部的零件既可執行連續的製程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於腔室內部的高溫狀態下，較為容易進行基板的裝載/卸載，且於更換因高溫的沈積製程而熱變形的基座或軸(shaft)的情形時，亦較為容易進行調平(levelling)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；基板加熱單元，其配置於上述基板收容腔室內部，具有對基板進行加熱的加熱器區塊(heater block)；氣體供給部，其向上述基板收容腔室內部供給反應氣體；升降驅動部，其升降驅動上述基板加熱單元；以及搬送腔室，其具備於上述基板收容腔室的下部，具有搬送機器人，搬送機器人藉由上述升降驅動部而下降的上述基板加熱單元將安裝有基板的基座搬送至上述加熱器區塊上。

此處，上述升降驅動部包含：升降驅動軸；升降驅動托架(bracket)，其沿上述升降驅動軸而上下升降驅動；密封凸緣(seal flange)，其緊固於上述驅動托架，連接於包圍上述基板加熱單元的軸的密封部。

又，上述升降驅動部更包括：防護管(shield tube)，其結合於上述密封凸緣，且包圍上述軸；以及波紋管(bellows)，其配置於上述密封凸緣與上述底部之間，且包圍上述防護管。

上述搬送腔室包括：搬送腔室本體，其具有與上述基板收容腔室連通的搬送開口；以及匣盒(cassette)，其配置於上述搬送腔室內，儲存安裝有基板的基座。

此處，上述搬送腔室更包括狹縫閥(slit valve)，該狹縫閥配置於上述基板收容腔室與上述搬送腔室之間，開閉上述搬送開口。

又，上述搬送腔室更包括冷卻擋板，該冷卻擋板設置於上述基板收容腔室，開閉上述搬送開口，於內部具有供冷卻介質流動的冷卻流路。

上述加熱器區塊形成有形成於中央且朝向上部突出的加熱器區塊突起，上述基座形成供上述加熱器區塊突起插入的基座中央槽。

另一方面，更包括：張力區塊(tension block)，其緊固於上述升降驅動托架；張力螺桿(tension blot)，其將上述張力區塊固定於上述密封凸緣；以及張力彈簧(tension spring)，其配置於上述張力區塊與上述密封凸緣之間，並施加張力。

於上述密封凸緣抵接於上述底部的部分配置多個O形環(O-ring)。

又，包括：調平凸緣(levelling flange)，其將上述軸的末端緊固於密封部；及調平螺桿(levelling bolt)，其對上述調平凸緣進行加壓。

根據上述，於本發明中即便不開閉腔室頂蓋(lid)，亦可於腔室內裝載及卸載基板，因此無需將真空狀態的反應器轉換成大氣狀態，不存在因轉換而反應器內的狀態發生變化之虞，無需因大氣狀態的轉換而待機至反應器溫度降至室溫為止。

又，可不開閉腔室頂蓋及中斷製程而裝載基板，並且實現連續的製程，無需為了裝載基板而拆解及組裝零件。

又，無需開閉腔室頂蓋，因此無需修正溫度監控感測器，於腔室內部的高溫狀態下，較為容易地進行基板的裝載/卸載，於更換因高溫的沈積製程而熱變形的基座或軸的情形時，亦可容易地進行調平。

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

12‧‧‧外部壁部

12a‧‧‧內部壁

13‧‧‧底部

14‧‧‧排氣孔

20‧‧‧基板加熱單元

21‧‧‧加熱器區塊

21a‧‧‧加熱器區塊槽

21b‧‧‧加熱器區塊突起

22‧‧‧軸

23‧‧‧密封部

23b‧‧‧調平螺桿

23c‧‧‧調平凸緣

24‧‧‧隔熱部

25‧‧‧感應加熱部

26‧‧‧熱屏障構件

30‧‧‧氣體供給部

40‧‧‧反應空間形成單元

40a‧‧‧上部板

40b‧‧‧下部板

41‧‧‧阻熱頂蓋

42‧‧‧氣體引導板

50‧‧‧升降驅動部

51‧‧‧升降驅動軸

52‧‧‧升降驅動托架

53‧‧‧密封凸緣

53a‧‧‧冷媒流路

53b‧‧‧O形環

54‧‧‧波紋管

55‧‧‧防護管

56‧‧‧張力區塊

57‧‧‧張力螺桿

58‧‧‧張力彈簧

60‧‧‧搬送腔室

61‧‧‧搬送腔室本體

61a‧‧‧搬送開口

62‧‧‧搬送機器人

62a‧‧‧搬送臂

63‧‧‧匣盒

64‧‧‧狹縫閥

65‧‧‧冷卻擋板

65a‧‧‧冷卻流路

70‧‧‧基座

70a‧‧‧基座外周槽

70b‧‧‧基座中央槽

a‧‧‧基座中央槽的寬度

a'‧‧‧上述凹槽之間的寬度

b‧‧‧上述基座外周槽之間的寬度

b'‧‧‧上述凹槽整體寬度

P‧‧‧吹掃氣體

S‧‧‧基板供給空間

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腔室頂蓋的開閉的圖。

圖2是表示本發明的金屬有機化學汽相沈積裝置的一實施例的圖。

圖3是表示圖2的金屬有機化學汽相沈積裝置的升降驅動部的升降及搬送腔室的搬送的圖。

圖4a、圖4b、圖4c、圖4d是表示本發明的加熱器區塊及基座的圖。

圖5是表示本發明的搬送臂(arm)的圖。

圖6及圖7是表示本發明的密封部的另一例。

圖8是表示圖7的金屬有機化學汽相沈積裝置的升降的圖。

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。

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、基板加熱單元20、氣體供給部30、反應空間形成單元40、升降驅動部50、及搬送腔室60。

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。

以如下方式構成：上述腔室頂蓋11可藉由螺桿等緊固元件，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形成冷卻流路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可設置作為光學感測器(optical sensor)的光測定通路而發揮功能的感測器管(sensor tube)，該光學感測器用以光學測定將於下文描述的反應空間形成單元40內沈積於基板上的薄膜。

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與上述氣體排氣線而向上述基板收容腔室10的外部排出殘留將於下文描述的反應空間的反應氣體。

又，能夠以如下方式構成：於上述外部壁部12的內部更設置內部壁12a，支持將於下文描述的反應空間形成單元40。

於上述基板收容腔室10的下部具備底部13。於上述底部13處可形成冷卻流路。

於上述基板收容腔室10內部，配置對基板進行加熱的基板加熱單元20。

上述基板加熱單元20包含：加熱器區塊21，其安裝基板並對該基板進行加熱；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，其將上述軸22與上述基板收容腔室10之間密封；及感應加熱部25，其對上述加熱器區塊21進行加熱。

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而連接於配置在上述基板收容腔室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)(未圖示)，可測定控制藉由上述感應加熱部25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24(示於圖3)，該隔熱部24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25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25的內側的上述加熱器區塊21進行加熱。

於上述感應加熱部25與上述加熱器區塊21之間，更包括熱屏障構件26(thermal barrier member)，可阻斷藉由上述感應加熱部25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的內部，可保護上述感應加熱部25免受上述加熱器區塊21的高溫的熱的影響。

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，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或載氣。

於上述基板收容腔室10的內部，可更設置反應空間形成單元40。

上述反應空間形成單元40以如下方式構成：包含上部板40a、側部板(未圖示)及下部板40b，一側連接於上述氣體供給部30，於上述基板收容腔室10的內部，形成單獨的反應空間。

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12a而緊固於上述氣體供給部30，另一側貫通上述基板收容腔室10的相反側的內部壁12a而連通於在上述外部壁部12形成的上述排氣孔14。

於上述反應空間形成單元40的上述上部板40a，可設置阻熱頂蓋41(thermal barrier lid)。上述阻熱頂蓋41設置於與上述加熱器區塊21對向的位置。又，上述阻熱頂蓋41厚於上述上部板40a，且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的基板上的反應空間。又，上述阻熱頂蓋41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，可藉由熱反射率較高的上述阻熱頂蓋41而有效地加熱基板，同時有效地減少加熱基板所需的消耗電力。

又，上述反應空間形成單元40包括多個氣體引導板42。上述氣體引導板42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，穩定地將供給的反應氣體引導向基板上。

如圖2所示，本發明的金屬有機化學汽相沈積裝置1包括升降驅動部50，該升降驅動部50升降驅動上述基板加熱單元20。

上述升降驅動部50包含升降驅動軸51、升降驅動托架52、及密封凸緣53(seal flange)。

上述升降驅動軸51於上述基板收容腔室10的下部緊固於上述底部13，以垂直豎立的方式設置。上述升降驅動托架52以如下方式構成：一末端連接於上述升降驅動軸51，沿上述升降驅動軸51而上下升降驅動；且另一末端與密封凸緣53緊固。

上述密封凸緣53的一側緊固於上述升降驅動托架52，另一側連接於包圍上述軸22的上述密封部23。上述密封凸緣53以如下方式構成：形成為於上述軸22的升降驅動時，抵接於上述基板收容腔室10的上述底部13的下部面，於抵接於上述底部13的面配置多個O形環53b(示於圖7)而將該密封凸緣53與上述底部13之間更緊密地密封。

又，上述密封凸緣53於內部包括供冷卻介質流動的冷媒流路53a(示於圖7)，冷卻自上述基板收容腔室10的內部傳遞的高溫的熱而防止上述基板收容腔室10的高溫的熱傳遞至腔室外部及上述密封部23。

又，上述升降驅動部50可更包括防護管55(示於圖3)、及波紋管54。上述防護管55以如下方式構成：設置為垂直於上述密封凸緣53，且包圍上述軸22。上述波紋管54以如下方式構成：配置為將上述密封凸緣53上部與上述底部13的下部連接，且包圍上述防護管55。

如圖3所示，若為了將基板裝載至上述基板加熱單元20的上述加熱器區塊21、或自上述基板加熱單元20的上述加熱器區塊21卸載基板而上述升降驅動托架52沿上述升降驅動軸51下降，則藉由上述防護管55而關閉的上述基板收容腔室10內的基板供給空間S開放。此時，上述防護管55呈下降的狀態，上述波紋管54呈展開的狀態。

此處，向上述防護管55與上述波紋管54之間供給吹掃氣體(purge gas)P，阻斷上述基板收容腔室10內的副產物附著至上述波紋管54與上述防護管55而污染上述波紋管54與上述防護管55。

又，如圖7所示，於上述基板加熱單元20的升降驅動時，為了將上述密封部23與上述底部13之間更緊密地密封，可更包括張力區塊56、張力螺桿57、及張力彈簧58。

如圖7所示，上述張力區塊56以如下方式構成：設置於上述升降驅動托架52上部，上述張力區塊56的內周面部分支持上述密封部23的彎折的末端。

上述張力螺桿57貫通上述張力區塊56而插入至上述密封凸緣53，將上述張力區塊56向上述密封凸緣53側加壓。又，上述張力彈簧58以如下方式構成：配置於上述張力區塊56與上述密封凸緣53之間，對上述張力區塊56與上述密封凸緣53施加張力而使上述密封部23與上述底部更緊密地密封。

又，如圖7所示，於上述軸22與上述密封部23之間，可設置調平凸緣23c及調平螺桿23b。上述調平凸緣23c的頭部配置於上述軸22的末端，以便可按壓上述軸22的彎折的末端而對其加壓，且配置於上述密封部23的上端。可藉由上述調平螺桿23b而將上述調平凸緣23c緊固至上述密封部23，並且一方面藉由上述調平凸緣23c而對上述軸22的末端加壓，一方面將其固定。

藉由包括上述調平凸緣23c與上述調平螺桿23b，而於更換上述軸22時，可調節上述調平螺桿23b而容易地實施上述軸22的扭曲調平(wobble leveling)，從而可實施上述加熱器區塊21的扭曲調平。

另一方面，本發明的金屬有機化學汽相沈積裝置1包括搬送腔室60。上述搬送腔室60以如下方式構成：具備於上述基板收容腔室10的下部，可將安裝有基板的基座裝載至藉由上述升降驅動部50而下降的上述基板加熱單元20、或自藉由上述升降驅動部50而下降的上述基板加熱單元20卸載安裝有基板的基座，從而將基板裝載至上述加熱器區塊21上、或自上述加熱器區塊21卸載基板。

上述搬送腔室60包括搬送腔室本體61、搬送機器人(robot)62及匣盒63。上述搬送腔室本體61具有與形成於上述基板收容腔室10的搬送開口連通的搬送開口61a，於上述搬送腔室本體61內部，收容上述搬送機器人62與上述匣盒63。

上述匣盒63配置於上述搬送腔室60內，儲存有多個基座70，於上述多個基座70分別安裝有多個基板W。

於上述搬送機器人62，安裝有抓持並搬送上述基座70的搬送臂62a。

此處，如圖4a及圖4b所示，上述基座70於外周下端部分包括凹陷地切割形成的基座外周槽70a，於上述基座的下部面中央，形成向上部側凹陷地切割而成的基座中央槽70b。

又，於上述加熱器區塊21的外周上端部分，形成凹陷地切割形成的加熱器區塊槽21a，於上述加熱器區塊21的上部面中央形成向上部側突出形成的加熱器區塊突起21b。

又，上述基座外周槽70a與上述加熱器區塊槽21a當然可如圖4c及圖4d所示般僅設置於上述基座70或上述加熱器區塊21中的一者。

如圖5所示，於上述搬送臂62a抓持上述基座70時，上述搬送臂62a的邊緣(edge)部分嵌入至上述基座外周槽70a，從而可容易地自上述匣盒63抓持相應的基座70並搬送。

又，於將上述基座70安裝至上述加熱器區塊21上時，上述搬送臂62a的邊緣部分嵌入至由上述加熱器區塊槽21a與上述基座外周槽70a形成的空間，並且上述加熱器區塊突起21b嵌入至上述基座中央槽70b，從而可將上述基座70穩定地安裝至上述加熱器區塊21上。

此時，較佳為以如下方式形成：上述基座外周槽70a的邊線與基座中央槽70b的邊線的延長線不與用以將基板W安裝至上述基座70的凹槽(groove)的邊緣重疊。即，較佳為上述基座中央槽的寬度a形成為小於上述凹槽之間的寬度a'，上述基座外周槽之間的寬度b形成為大於上述凹槽整體寬度b'。

藉此，較佳為藉由為了使基板的裝載/卸載變得容易且穩定而形成的上述多個槽21a、70a、70b及加熱器區塊突起21b，將自上述加熱器區塊傳遞至上述基板的熱的影響最小化而不對基板的溫度均勻度造成影響。

又，上述搬送腔室60包括狹縫閥64。上述狹縫閥64以如下方式構成：配置於上述基板收容腔室10與上述搬送腔室60之間，開閉上述搬送開口61a。

又，於上述基板收容腔室10，設置冷卻擋板(shutter)65。上述冷卻擋板65以如下方式構成：與上述狹縫閥64一同開閉上述搬送開口61a。又，上述冷卻擋板65於內部包括供冷卻介質流動的冷卻流路65a，防止上述基板收容腔室10的高溫的熱傳遞至外部及上述搬送腔室60。

對具有上述構成的本發明的金屬有機化學汽相沈積裝置1的作動進行說明。

首先，基板的裝載是於在所準備的多個基座70排列多個基板W後，於具備於搬送腔室60內的匣盒63安裝上述基座70，之後將上述搬送腔室60保持為真空狀態。

此時，上述基板收容腔室10亦為保持真空的狀態。如圖3所示，為了自上述搬送腔室60接收上述基座70，藉由上述升降驅動部50而使支持上述加熱器區塊21的上述軸22降至裝載位置。此時，因上述軸22的下降驅動而防護管55一同下降，並且基板供給空間S開放。

若上述基板供給空間S開放，則上述搬送腔室60內的搬送機器人62自加熱器區塊21拾取(pick-up)已完成沈積製程的基座70而安裝至匣盒63，拾取成為下一製程對象的基座70而安裝至上述加熱器區塊21。此時，呈上述狹縫閥64及上述冷卻擋板65下降而上述搬送開口61a開放的狀態。

此後，使搬送臂62a後退，使上述狹縫閥64及上述冷卻擋板65上升而關閉上述搬送開口61a。接著，驅動上述升降驅動部50而上升驅動上述基板加熱單元20。此時，上述基板收容腔室10與上述基板加熱單元20的上述密封部23不僅由上述密封凸緣53密封，而且由上述張力區塊56等而更緊密地密封。

此後，重新連續地進行上述基板收容腔室10內的沈積製程。

如上所述，本發明的金屬有機化學汽相沈積裝置1是即便不開閉腔室頂蓋11，亦可藉由利用上述升降驅動部50進行的基板加熱單元20的升降驅動、及上述搬送腔室60與上述升降驅動部50而於腔室內裝載及卸載基板，因此無需將真空狀態的反應器轉換成大氣狀態。又，由於無需向大氣狀態的轉換，而亦可於高溫狀態下實現基板更換。又，可一方面裝載基板，一方面實現連續的製程，無需為了裝載基板而分解及組裝零件。

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。