化学气相沉积装置及基片温度控制方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种化学气相沉积装置及基片温度控制方法。


背景技术：

2.化学气相沉积(cvd)反应器，特别是金属有机化学气相沉积(mocvd)反应器是生产光学器件如发光二极管(led)外延芯片的主要设备。典型的化学气相沉积(cvd)和金属有机化学气相沉积(mocvd)反应器都需要在沉积时转动放置有加工基片的承载盘，从而为基片提供均一的沉积效果。如图1所示，一种典型的气相沉积反应器结构为，由反应腔侧壁环绕围成的反应腔，反应腔内包括旋转轴，安放有若干基片20的基片托盘10安装在旋转轴的顶端。反应腔顶部包括进气喷头，用于将反应气体从反应气体源均匀注入反应腔，实现对基片10的加工处理，反应腔下方还包括一个抽气装置以控制反应腔内部气压并抽走反应过程中产生的废气。
3.在mocvd反应过程中，不仅气体种类和气流对沉积效果影响很大，而且温度分布也是影响晶体结构形成的重要因素。由此请继续参考图1，在所述基片托盘20边缘位置下方区域设有加热器30。基片(晶圆)20对应摆放在基片托盘10上的晶圆承载凹槽13内，所述晶圆承载凹槽13的边缘处设有若干个晶圆支撑台阶12，每一所述晶圆20对应搭载在所述晶圆支撑台阶12上，所述晶圆承载凹槽13的底部表面11与所述晶圆支撑台阶12的顶部表面之间的高度为h。化学气相沉积工艺，尤其是金属气相化学沉积mocvd工艺中，上述晶圆20与基片托盘10一起进入化学反应腔内，进行工艺镀膜。对于每一所述晶圆20而言，它的加热模式为：1.接收所述晶圆承载凹槽13的底部表面(底部平面)11的辐射加热；2.晶圆20底部与对应的底部表面11之间气体的热传导加热。
4.加热器30通常与基片托盘10平行摆放，加热器30通电后，温度升高，通过辐射传热将热量传到基片托盘10，基片托盘10的材质通常为石墨或碳化硅等热传导性好的材料，能将接受到的热能均匀化分布，使得底部表面11的温度均匀一致，底部表面11再通过辐射和晶圆20下方的晶圆承载凹槽13内气体的传热，将热量传递到晶圆20底部。
5.由此可知，在上述晶圆20被辐射加热过程中，所述晶圆承载凹槽13的底部表面11与所述晶圆支撑台阶12的顶部表面之间的高度为h和底部表面11的表面发射率这两个因素会对晶圆20温度均匀性产生影响，然而这两个因素在基片托盘10加工成产过程中无法保证完全一致，由此会造成晶圆与晶圆之间工艺结果产生偏差。
6.例如：led工艺中，经常发生每片晶圆20的波长均匀性都达到标准，但是位于该基片托盘10上的各个晶圆20之间的波长平均值偏差很大。如果发现某个晶圆承载凹槽13内晶圆20温度异常，需要在离线状态下，对该晶圆承载凹槽13进行机械整修，调整所述晶圆承载凹槽13的底部表面11与所述晶圆支撑台阶12的顶部表面之间的高度h或调整该晶圆承载凹槽13的底部表面11的粗糙度，以改进表面发射率，进而实现改善各个晶圆20之间温度一致性。但上述温度调节方法无法达到实时调节，且调节方法费时费力，导致晶圆制备成本增
加，产率下降等问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种化学气相沉积装置及基片温度控制方法，以实现在沉积工艺中能对每片晶圆的温度实时监测并进行微调，来实现基片托盘上各个晶圆之间的加热温度一致性的目的。
8.为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
9.一种化学气相沉积装置，包括一反应腔，所述反应腔的顶端设置一进气喷头，所述反应腔内设置通过旋转轴进行支撑的基片托盘，所述基片托盘位于进气喷头下方，所述基片托盘用于承载基片，所述基片托盘上设有若干个向下凹陷的基片承载区，用于放置所述基片，所述基片托盘中设置多个第一独立气道，每个第一独立气道联通到一个所述基片承载区，为所述基片的底面与所述基片承载区的上表面之间的凹坑空间通入成份独立可调的导热气体，所述导热气体包含一种或多种气体成份；所述基片托盘下方设置加热器，所述加热器围绕旋转轴设置，用于控制上方基片的温度，所述基片利用所述凹坑空间内的气体进行热传导以实现该基片的温度控制。
10.优选地，所述导热气体的流量为1～500sccm。
11.优选地，所述导热气体包含氢气、氮气、氦气、氩气中的一种或多种。
12.优选地，任意两个基片承载区分别与对应基片之间的凹坑空间的导热气体成分不同。
13.优选地，旋转轴内包括多个第二独立气道分别与所述多个第一独立气道联通，每组第一、第二独立气道共同构成一个独立气流通路，供所述气体流通至所述凹坑空间。
14.优选地，所述旋转轴包括上部和下部，上部位于反应腔内，下部位于反应腔外大气环境中，每个第二独立气道具有一进气口，所述进气口位于所述旋转轴下部，进气口由所述反应腔外部的供气装置输入一定流量的气体，所述供气装置输出多种成份独立可调的导热气体到所述多个第二独立气道的进气口。
15.优选地，所述旋转轴下部的侧壁通过多个磁流体环与所述反应腔实现密封，不同磁流体环之间形成多个气密的环形空间，每个所述进气口位于不同的环形空间内。
16.优选地，所述旋转轴内的第二独立气道包括轴向孔，从旋转轴下部向上延伸到旋转轴上部；所述进气口是所述旋转轴的圆周侧面上开设的侧面孔；所述轴向孔底部与相应的侧面孔联通，所述轴向孔通过旋转轴顶面或者顶部侧壁的联通孔与所述第一独立气道联通。
17.优选地，任意两个第二独立气道的侧面孔与旋转轴顶面之间的距离不同。
18.优选地，各路轴向孔和/或各路侧面孔相互独立并且相互之间不联通。
19.优选地，调节所述供气装置输出的多路导热气体的流量，使得基片未被所述凹坑空间内的气体托起。
20.优选地，进一步包含：若干个气体流量控制器，分别用于控制若干个凹坑空间的各种导热气体的流量；至少一个检测传感器，用于监控每个基片的温度；控制模块，接收所述检测传感器反馈的基片的温度，根据预设定条件发送相应的控制命令给所述多个气体流量控制器，控制每个气体流量控制器所对应的各个凹坑空间的各种导热气体的流量，以调整
每个基片下方的凹坑空间的气体的配比。
21.优选地，还包括:供气装置，所述供气装置包括多个气源，每一所述气体流量控制器控制不同气源的流量，混合形成所述多种所述导热气体，并将所述导热气体对应输送到各个所述独立气流通路内。
22.另一方面，本发明还提供一种化学气相沉积装置的基片温度控制方法，包括：提供如上文所述的化学气相沉积装置；将基片对应放置于所述化学气相沉积装置的反应腔内的基片托盘，上设有的若干个向下凹陷的基片承载区上，所述基片托盘通过旋转轴进行支撑；向所述基片的底面与所述基片承载区的底面之间的凹坑空间通入成份独立可调的导热气体，所述导热气体包含一种或多种气体成份；所述基片未被所述凹坑空间内的气体托起；所述基片托盘下方的加热器控制所述凹坑空间内的气体的温度，通过所述凹坑空间内气体的热传导实现基片的温度控制。
23.优选地，所述凹坑空间的气压大小是通过控制进气口处输入的气体的流量大小进行调节，以保证基片未被所述凹坑空间内的气体托起。
24.本发明与现有技术相比，至少具有以下优点之一：
25.本发明通过为所述基片的底面与所述基片承载区的上表面之间的凹坑空间通入成份独立可调的导热气体，所述导热气体包含一种或多种气体成份；所述基片托盘下方设置加热器，所述加热器围绕旋转轴设置，用于控制上方基片的温度，所述基片利用所述凹坑空间内的气体进行热传导以实现该基片的温度控制，由此实现该基片托盘上的各个基片或晶圆之间的温度一致性。
26.在沉积工艺过程中，基片托盘旋转，原位检测器(检测传感器)实时监控每个基片的温度状况，并将温度值反馈给控制模块，根据预先设定的算法，控制模块将命令发送到气体流量控制器，独立调整每个基片下部导热气体的配比，从而保持该基片托盘上的各个基片或晶圆之间的温度一致性，由此可知上述调节方法简单便捷，降低基片制备成本，产率提升。
附图说明
27.图1为现有技术中的基片托盘的中的一个晶圆承载凹槽的剖面结构示意图；
28.图2为本发明一实施例提供的一种化学气相沉积装置结构示意图；
29.图3为本发明一实施例提供的在不同温度下的氮气，氢气和氦气之间的热传导率对比的示意图；
30.图4为本发明一实施例提供的一种化学气相沉积装置中的独立气流通路的剖面结构示意图；
31.图5为本发明一实施例提供的一种化学气相沉积装置中的基片托盘的结构示意图；
32.图6为本发明一实施例提供的一种化学气相沉积装置中的旋转轴的结构示意图；
33.图7为本发明一实施例提供的一种化学气相沉积装置中的旋转轴内的气道的结构示意图；
34.图8为本发明一实施例提供的一种化学气相沉积装置中的气流控制过程示意图。
具体实施方式
35.以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种化学气相沉积装置及基片温度控制方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
36.结合图2～图8所示，本实施例提供一种化学气相沉积装置，包括一反应腔100，所述反应腔100的顶端设置一进气喷头(可以理解的是，平板型的气体喷淋头)，所述反应腔100内设置通过旋转轴600进行支撑的基片托盘200，所述基片托盘200位于进气喷头下方，所述基片托盘200用于承载基片300，所述基片托盘200上设有若干个向下凹陷的基片承载区，用于放置所述基片300，所述基片托盘200中设置多个第一独立气道2001，每个第一独立气道2001联通到一个所述基片承载区，为所述基片300的底面与所述基片承载区的上表面之间的凹坑空间400通入成份独立可调的导热气体，所述导热气体包含一种或多种气体成份；所述基片托盘200下方设置加热器500，所述加热器500围绕旋转轴600设置，用于控制上方基片300的温度，所述基片300利用所述凹坑空间400内的气体进行热传导以实现该基片300的温度控制。
37.在本实施例中，请继续参考图2和图4，所述旋转轴600内包括多个第二独立气道6003分别与所述多个第一独立气道2001联通，每组第一独立气道2001和第二独立气道6003共同构成一个独立气流通路，供所述气体流通至所述凹坑空间400。
38.所述旋转轴600包括上部和下部，上部位于反应腔100内，下部位于反应腔100外大气环境中，每个第二独立气道6003具有一进气口(例如：如图2所示的第一进气口6011、第二进气口6012、第三进气口6013和第四进气口6014)，所述进气口位于所述旋转轴下部，进气口由所述反应腔100外部的供气装置输入一定流量的气体，所述供气装置输出多种成份独立可调的导热气体到所述多个第二独立气道6003的进气口。
39.所述旋转轴600包括壳体6002、转轴6001、所述转轴6001套设在所述壳体6002内部。所述转轴6001上部位于所述反应腔100内并与所述基片托盘200接触。
40.所述旋转轴下部的侧壁(壳体6002)通过多个磁流体环(每一磁流体环包括气道隔挡环6004和磁流体密封液6005，所述气道隔挡环6004套设在所述转轴6001上，且气道隔挡环6004的外环边缘与所述壳体6002内侧壁密封连接，其内环边缘通过所述磁流体密封液6005与所述转轴6001的表面密封连接，所述磁流体密封液6005实现所述转轴6001与所述气道隔挡环6004之间的旋转动态密封)与所述反应腔100实现密封，不同磁流体环之间形成多个气密的环形空间，每个所述进气口位于不同的环形空间内。所述旋转轴600还包括轴承6006，所述轴承6006设置在所述壳体6002内，所述转轴6001贯穿所述轴承6006，所述轴承6006为所述转轴6001提供支撑。
41.请继续参考图7所示，所述旋转轴600内的第二独立气道6003包括轴向孔6020，从旋转轴600下部向上延伸到旋转轴600上部；且与所述旋转轴600的轴线平行；所述进气口是
所述旋转轴600的圆周侧面上开设的侧面孔；所述轴向孔6020底部与相应的侧面孔联通，所述轴向孔6020通过旋转轴600顶面或者顶部侧壁的联通孔与所述第一独立气道2001联通。
42.任意两个第二独立气道6003的侧面孔与旋转轴600顶面之间的距离不同。各路轴向孔6020和/或各路侧面孔相互独立并且相互之间不联通。每一所述轴向孔6020与所述第一独立气道2001的入口2010连通。
43.如图5所示，所述基片托盘200设有多个向下凹陷的基片承载区401，所述基片承载区401的边缘处设有若干个晶圆支撑台阶402，每一所述基片300对应搭载在所述晶圆支撑台阶402上。所以基片300与基片托盘200的基片承载区401的边缘周向为非密封，所以温度调节气流需要持续流动，导热气体在凹坑空间400的底部完成热传导后，即从基片边缘的缝隙流出，由于调整气流通常流量很小，对基片托盘顶面的化学反应工艺影响不大。
44.请继续参考图8所示，进一步包含：若干个气体流量控制器，分别用于控制若干个凹坑空间400的各种导热气体的流量；至少一个检测传感器(原位监测传感器)，用于原位监控每个基片的温度；控制模块，接收所述检测传感器反馈的基片(晶圆)的温度，根据预设定条件发送相应的控制命令给所述多个气体流量控制器，控制每个气体流量控制器所对应的各个凹坑空间的各种导热气体的流量，以调整每个基片下方的凹坑空间的气体的配比。
45.所述导热气体包含氢气、氮气、氦气、氩气中的一种或多种。
46.具体的，关于气体传热，考虑到温度梯度的存在，以及分子的相互作用和多原子气体的分子动能，有如下经典公式可计算分子的热传导率k：
[0047][0048]
式中，k表示气体热传导率；η表示气体粘滞系数；γ绝热系数；cv表示定容热容。
[0049]
通常的化学气相沉积工艺压力高于1torr，在此条件下，气体的密度与平均自由程的乘积为常数，因此气体热传导率k是关于温度的函数，与压力无关，请继续参加图3，图3为不同温度下的氮气，氢气和氦气的热传导率对比，可见在mocvd的工艺温度范围(500～1100℃)内，氢气的热传导率是氮气的7倍左右，氦气的热传导系数是氮气的5.5倍左右。
[0050]
任意两个基片承载区分别与对应基片300之间的凹坑空间400的导热气体成分不同，可以理解的是，此处成分不同可以是导热气体种类不完全相同，各种导热气体之间的配比不同。
[0051]
所述凹坑空间400的气压大小是通过控制进气口处输入的气体的流量大小进行调节，即调节所述供气装置输出的多路导热气体的流量，使得基片未被所述凹坑空间内的气体托起；在本实施例中，所述凹坑空间400内的导热气体的流量为1～500sccm(standard cubic centimeters per minutes)。可以理解的是，由于具体化学反应工艺的基片尺寸、压力、气流、温度不同，所以基片背面的导热气体的流量也不尽相同，比如基片面积大(例如4或6寸)时相应的导热气体的流量可以调大，基片面积小(例如2寸)时导热气体的流量需要调小，所以上述导热气体的流量的范围不限于此。调节导热气体的流量基本要求是气压足够导热又不至于使基片顶起形成漂浮即可。
[0052]
在本实施例中，还包括:供气装置，所述供气装置包括多个气源，每一所述气体流量控制器控制不同气源的流量，混合形成所述多种所述导热气体，并将所述导热气体对应输送到各个所述独立气流通路内。
[0053]
另一方面，本实施例还提供一种化学气相沉积装置的基片温度控制方法，包括：提供如上文所述的化学气相沉积装置；将基片对应放置于所述化学气相沉积装置的反应腔内的基片托盘，上设有的若干个向下凹陷的基片承载区上，所述基片托盘通过旋转轴进行支撑；向所述基片的底面与所述基片承载区的底面之间的凹坑空间通入成份独立可调的导热气体，所述导热气体包含一种或多种气体成份；所述基片未被所述凹坑空间内的气体托起；所述基片托盘下方的加热器控制所述凹坑空间内的气体的温度，通过所述凹坑空间内气体的热传导实现基片的温度控制。
[0054]
所述凹坑空间的气压大小是通过控制进气口处输入的气体的流量大小进行调节，以保证基片未被所述凹坑空间内的气体托起。
[0055]
综上所述，本实施例通过为所述基片的底面与所述基片承载区的上表面之间的凹坑空间通入成份独立可调的导热气体，所述导热气体包含一种或多种气体成份；所述基片托盘下方设置加热器，所述加热器围绕旋转轴设置，用于控制上方基片的温度，所述基片利用所述凹坑空间内的气体进行热传导以实现该基片的温度控制，由此实现该基片托盘上的各个基片或晶圆之间的温度一致性。
[0056]
在沉积工艺过程中，基片托盘旋转，原位检测器(检测传感器)实时监控每个基片的温度状况，并将温度值反馈给控制模块，根据预先设定的算法，控制模块将命令发送到气体流量控制器，独立调整每个基片下部导热气体的配比，从而保持该基片托盘上的各个基片或晶圆之间的温度一致性，由此可知上述调节方法简单便捷，降低基片制备成本，产率提升。
[0057]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0058]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“高度”、“厚度”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0059]
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0060]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特
征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0061]
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。