CN103074600B - 刻蚀烘烤设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种刻蚀烘烤设备，该刻蚀烘烤设备包括：反应室组件，反应室组件构造成用于容纳石墨盘的反应腔；加热组件，加热组件设置在反应室组件的外周；以及设备平台，反应室组件和加热组件由该设备平台支承。反应室组件特别地包括：反应罩，该反应罩的顶侧设有通气管，该反应罩的底侧敞开；反应罩固定座，该反应罩固定座固定支承反应罩；以及底盖，该底盖设有连通反应腔的尾气通道，并且底盖密封连接到固定座上。采用本发明的反应室结构，可以满足刻蚀烘烤设备对于反应室的全方位的要求。

Description

刻蚀烘烤设备

技术领域

本发明涉及一种刻蚀烘烤设备，该刻蚀烘烤设备通常为氯气刻蚀烘烤设备，其具有反应室组件，石墨盘或外延衬底片可在反应室组件内进行刻蚀和烘烤。

背景技术

金属有机化学气相沉积设备(简称MOCVD)以热分解反应方式在衬底上进行化学沉积反应，生长各种Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料，石墨盘作为衬底的承载平台，在该反应过程中会有多余的化学反应残留物沉积在石墨盘表面上，假如不加以清除，必然会在新的一炉外延片生长过程中影响对应的温度控制、表面颗粒等，并最终影响到外延片生长的成品率。目前市场提供和业内使用的石墨盘清洁方法通常采用长时间高温烘烤的方式，存在单炉次烘烤的时间比较长，烘烤温度太高影响石墨盘循环使用的寿命等问题，同时无法对工艺生长过程中产生的报废外延衬底片进行刻蚀。

目前市场上还没有对于MOCVD和外延片进行刻蚀、清洁的专用设备，目前业内使用的石墨盘清洁方法通常采用真空烧结炉进行长时间高温烘烤的方式，存在单炉次烘烤的时间比较长(单炉次约14小时)，烘烤温度太高(最高温度约1400度)影响石墨盘循环使用的寿命等问题，同时无法对工艺生长过程中产生的报废外延衬底片进行刻蚀。另外该类设备体积比较大，在净化车间内占用比较大的安装和使用空间。该设备在烘烤石墨盘的工作原理是使用高温烧结的方式把氮化镓残留物物理性粉尘化，运行后会产生大量的粉尘，同时会大量残留在反应炉内，所以该类设备需要经常维护和清洁。可以采用在加热的同时通入氮气、氯气或氯化物气体的手段来清洁石墨盘或外延片进行。这对烘烤设备容纳石墨盘的反应腔结构和相应的气体通道结构有一定的特殊要求，其包括材料使用、密封性、透光性、反应气体模型、腔室内压力等多个方面。目前已有的刻蚀烘烤设备难以使各方面都符合要求。

发明内容

为了满足刻蚀烘烤设备对于反应室的全方位的要求，本发明提供了一种刻蚀烘烤设备，该刻蚀烘烤设备包括：反应室组件，反应室组件构造成用于容纳石墨盘或外延衬底片的反应腔；加热组件，加热组件设置在反应室组件的外周；以及设备平台，反应室组件和加热组件由该设备平台支承。反应室组件特别地包括：反应罩，该反应罩的顶部设有通气管，该反应罩的底侧敞开；反应罩固定座，该反应罩固定座固定支承反应罩；以及底盖，该底盖设有连通反应腔的至少一条尾气通道；所述底盖的下方连接有丝杆运动机构，所述石墨盘或外延衬底片以竖直状态安装在烤盘工装上,安装有石墨盘或外延衬底片的烤盘工装由所述底盖支承，当底盖通过丝杆运动机构向下运动时，烤盘工装连同安装在烤盘工装上的石墨盘或外延衬底片随着所述底盖一起向下运动，以取出所述石墨盘或外延衬底片；反之，当需要进行石墨盘或外延衬底片的烘烤过程时，将烤盘工装连同安装在烤盘工装上的石墨盘或外延衬底片放置到底盖上，通过丝杆运动机构向上运动提升所述石墨盘或外延衬底片；并且底盖密封连接到固定座上。当刻蚀外延衬底片时，可以把外延衬底片对应放置吸附在石墨盘上的片槽内。

根据本发明的一个方面，反应罩密封地连接到反应罩固定座上。较佳地，反应罩的下端设有凸缘部，反应罩通过压圈接合凸缘部而将反应罩固定到反应罩固定座上。较佳地，凸缘部和压圈的接合部中设有密封件，以实现反应罩与反应罩固定座的密封连接。

根据本发明的另一个方面，反应罩固定座具有面朝上方的第一配合面和面朝下方的第二配合面，第一配合面与反应罩的敞开的下端的端面配合在一起，第二配合表面与底盖配合，第二配合表面与底盖之间设有密封件。较佳地，第二配合面形成有台阶部，台阶部将第二配合面分成两个部分，其中第二配合面的一部分与设备台面配合，第二配合面的另一部分与底盖配合。

根据本发明的又一个方面，反应罩固定座内部设有水腔，水腔设有水腔入口和水腔出口，冷却水从水腔入口通入并从水腔出口通出，从而在水腔内循环。

根据本发明的又一个方面，设备平台的下侧面固定有多个旋转夹紧气缸，底盖通过多个旋转夹紧气缸紧固到设备平台下方。

根据本发明的又一个方面，尾气通道的出口设有单向阀。

根据本发明的又一个方面，底盖上设有一个压力检测口，用以检测反应室组件的内部空间中的腔体压力。

根据本发明的又一个方面，如需对外延衬底片进行清洁处理，可以将外延衬底片放置在石墨盘上。另外，石墨盘较佳地为1个或2个。

根据本发明的又一个方面，反应罩的顶部还设有中间通管，用于***测温热电偶。

根据本发明的又一个方面，反应罩的顶部设有至少一层配流板，该配流板上设有多个通孔。较佳地，配流板有两层，上层的配流板上的通孔与下层的配流板上的通孔位置错开。

较佳地，底盖密封连接到反应罩固定座上。

在根据本发明的刻蚀烘烤设备的中，通气管用于通入反应气体，反应气体可包括氯气或氯化物气体中的一种或多种。

采用本发明的刻蚀烘烤设备，反应室组件中的气体可以得到精确控制，反应室组件的反应腔内的温度可以得到均匀、精确的控制，从而全方位地满足反应腔的技术要求。

附图说明

图1为示出了包含根据本发明的实施例的反应室的刻蚀烘烤设备的立体图，其外部壳体被去除，以示出其内部结构；

图2为示出了根据本发明的实施例的刻蚀烘烤设备的反应室组件的立体剖视图；

图3为示出了根据本发明的实施例的反应罩的顶部结构的示意图；

图4为示出了根据本发明的实施例的反应室的剖视图，其中放置有石墨盘；以及

图5为示出了根据本发明的实施例的反应室的底部盖板结构的立体图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

图1示出了包含根据本发明的实施例的反应室组件100的刻蚀烘烤设备10的立体图，设备10的外部壳体被去除，以示出其内部结构。刻蚀烘烤设备10包括形成用于容纳石墨盘20或外延衬底片的反应腔150的反应室组件100和设置在反应室组件100外周的加热组件200，由此构成了刻蚀烘烤设备10的反应炉。通常，外延衬底片对应放置吸附在石墨盘20上的片槽内，同石墨盘20一同放置在反应炉内，但这不是限制性的，外延衬底片也可以通过专用的工装单独放置在反应炉内。

加热组件200和反应室组件100均由设备平台500来支承，设备平台500是刻蚀烘烤设备10的支承组件的一部分。加热组件200包括红外灯管组件210，红外灯管组件210可包括第一红外灯管组件部212和第二红外灯管组件部(未示出)，它们分别设置在反应室组件100的相对两个侧面的外侧，即反应室组件100大致位于两个红外灯管组件部之间。在红外灯管组件210的加热作用下，反应腔150内的最高温度可达800摄氏度。在反应室组件100的另外两个相对侧面的外侧通常不设置红外灯管组件，而是设有反射板组件300，用于反射由红外灯管组件发出的热量。这样，两个红外灯管组件部和两个反射板组件300所构成的加热组件200将反应腔150封围其中。

图2为示出了根据本发明的实施例的刻蚀烘烤设备10的反应室组件100的立体剖视图。反应室组件100包括：反应罩110，该反应罩110的顶部设有通气管111，反应罩110的底侧敞开；反应罩固定座120，反应罩固定座120固定支承反应罩110；以及底盖140，该底盖140设有连通反应腔150的至少一条尾气通道141，并且底盖140密封连接到固定座120上。

图3详细示出了反应罩110的顶侧，通过设置在反应罩110顶侧的通气管111，诸如氮气、氯气或氯化物之类反应所需的气体通过通气管111输送到反应腔150内。较佳地，反应罩110的顶部设有至少一层、较佳地两层配流板112，配流板112上设有若干通孔113，用于使通入的气体散布开以均匀地通入反应腔150内。通孔113的设置位置、大小、数量可以根据需要设计而定。较佳地，当有两层配流板112时，上层配流板112上的通孔113与下层配流板112上的通孔113位置错开。反应罩110较佳地由石英材料制成，石英反应罩110的各部分可以采用焊接的方式实现。这样，在刻蚀烘烤设备10工作时，如图2所示，氯气或氯化物气体通过顶部的通气管111进入，如箭头所示，气流将至上而下流经竖直设置在反应腔150内的烤盘工装400上的石墨盘20(石墨盘20通常为两个一组设置)，接着，气流汇集到底盖140处，最后从尾气通道141向外通出。

此外，图示的反应罩110顶部还设有中间通管114，用于使测温热电偶直接伸入到反应室内。

如图2所示，反应罩固定座120设置在刻蚀烘烤设备10中的设备平台500上，用于固定支承反应罩110。为确保反应腔密闭，反应罩110应当密封连接到反应罩固定座120上。作为一种实施例，反应罩110的下端设有凸缘部115，反应罩110通过压圈130接合反应罩110下端的凸缘部115将反应罩110固定到反应罩固定座120上，凸缘部115和压圈130的接合部中设有密封件160，如O型圈。此外，反应罩110的凸缘部115与反应罩固定座120的相对接合部中也可设置密封件。反应罩压圈130和反应罩固定座120可以选用不锈钢，其中压圈130的外表面可以设有用于反射热量的金属涂层，例如金。反应罩固定座120具有面朝上方的第一配合面122，第一配合面122与反应罩110的敞开的下端的端面配合在一起。反应罩固定座120具有面朝下方的第二配合面123。根据本发明的较佳实施例，第二配合面123形成有台阶部，台阶部将第二配合面123分成两个部分，其中第二配合面123的一部分与设备平台500配合，第二配合面123的另一部分与底盖140配合。如图所示，在底盖140与第二配合面123之间设有密封件170，如O型圈，较佳地为同心设置的两个O型圈，以使底盖140与固定座密封配合在一起，以防反应腔内的气体或热量外泄。

此外，为了防止底盖140与第二配合面123之间的密封件受到高温影响，较佳地，在固定座内部设有水腔125，水腔125设有入口126和出口127，入口126和出口127均可设置于设备平台500的下方，从图5中可见，诸如冷却水之类的冷却剂从入口126输入又从出口127输出从而在水腔125内循环，从而对O型圈起到冷却作用。

以下，结合图1和图5对反应室组件100的底盖140的结构加以说明。根据本发明的一个较佳实施例，底盖140包括至少一条尾气通道141，用于使反应腔150中的气体流出反应腔150。尾气通道141的入口通常设置在底盖140与反应罩110的敞开的底侧相对应的一部分的中间位置。尾气通道141的出口设有一个单向阀180，以排出到相应的厂区废气***(未图示)中。在本实施例中，单向阀180安装在设备平台500上，而尾气通道141连接到该单向阀180。

底盖140可通过多个旋转夹紧气缸190紧固到设备平台500下方。根据本发明的较佳实施例，旋转夹紧气缸190设有三个，当然，其他合理数量的气缸也是可行的，例如二个或四个等。旋转夹紧气缸190固定在设备平台的下侧面上，旋转夹紧气缸190具有卡爪195，当旋转夹紧气缸190和卡爪195缩紧后，卡爪195压接位于底盖140上的辅助压块142，从而达到密封的功能，以满足设备正常加热反应的需要。辅助压块142可使用螺栓连接到底盖140的适当位置，但也可采用其他的连接方式，如焊接等。

此外，如图5所示，底盖140上设有一个压力检测口146，用以检测反应室组件100的内部空间中的腔体压力，以保证设备正常运行，特别是当使用石英反应罩110时，以防反应罩110由于罩内外压差过大而碎裂。

底盖140的下方较佳地连接有丝杆运动机构，当反应完毕后在满足反应室组件100开腔需要的情况下，底盖140通过丝杆运动机构向下运动到预定位置。图1所示，安装有石墨盘20的烤盘工装400(烤盘托架)是由底盖140支承的。当底盖140通过丝杆运动机构向下运动时，烤盘工装400连同安装在烤盘工装400上的石墨盘20随着底盖140一起向下运动，以取出石墨盘20。反之，当需要进行石墨盘20的烘烤过程时，将烤盘工装400连同安装在烤盘工装400上的石墨盘20放置到底盖140上，通过丝杆运动机构向上运动提升石墨盘20，当底盖140接触到设备台面之后，再使旋转夹紧气缸190和卡爪195缩紧，使卡爪195压紧到辅助压块142上，从而使底盖140密封接合到设备台面下侧，使反应腔150闭合，与此同时单向阀180被顶开，随后即可输入气体烘烤设备开始操作。如需刻蚀外延衬底片时，需要把外延衬底片对应放置吸附在石墨盘上的片槽内，其他操作和实施动作相同。

由此，本发明提供一种新的专用的刻蚀烘烤设备，该设备是利用氯气或气体氯化物，在一定温度的条件(刻蚀最高温度800度以内)下对石墨盘或外延衬底片进行刻蚀反应，并最终达到对石墨盘表面进行有效的清洁和对外延衬底片表面的不良外延层进行有效刻蚀、清洁的功用。该氯气刻蚀设备单炉次时间比较短，可以控制在3小时以内完成；同时因设备尺寸和外形比较小，合理的节省了在净化车间对应的安装和使用空间。该氯气刻蚀烘烤设备是通过在一定温度条件下的化学反应的方式来分解氮化镓残留物，运行后的产物粉尘颗粒少，同时会通过尾气排放结构及时排出反应炉内，所以可以保证多炉次重复运行，减少设备维护和清洁的频率，保证设备具有比较高的使用效率。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改。

Claims (16)

1.一种刻蚀烘烤设备(10)，所述刻蚀烘烤设备(10)包括：

反应室组件(100)，所述反应室组件(100)形成用于容纳石墨盘(20)或外延衬底片的反应腔(150)，

加热组件(200)，所述加热组件(200)设置在所述反应室组件(100)的外周；以及

设备平台(500)，所述反应室组件(100)和所述加热组件(200)由该设备平台(500)支承；

其特征在于，所述反应室组件(100)包括：

反应罩(110)，所述反应罩(110)的顶部设有通气管(111)，所述反应罩(110)的底侧敞开；

反应罩固定座(120)，所述反应罩固定座(120)固定支承所述反应罩(110)；以及

底盖(140)，所述底盖(140)设有连通所述反应腔(150)的至少一条尾气通道(141)；所述底盖(140)的下方连接有丝杆运动机构，所述石墨盘(20)或外延衬底片以竖直状态安装在烤盘工装(400)上,安装有石墨盘(20)或外延衬底片的烤盘工装(400)由所述底盖(140)支承，当底盖(140)通过丝杆运动机构向下运动时，烤盘工装(400)连同安装在烤盘工装(400)上的石墨盘(20)或外延衬底片随着所述底盖(140)一起向下运动，以取出所述石墨盘(20)或外延衬底片；反之，当需要进行石墨盘(20)或外延衬底片的烘烤过程时，将烤盘工装(400)连同安装在烤盘工装(400)上的石墨盘(20)或外延衬底片放置到底盖(140)上，通过丝杆运动机构向上运动提升所述石墨盘(20)或外延衬底片。

2.如权利要求1所述的刻蚀烘烤设备(10)，其特征在于，所述反应罩(110)密封连接到所述反应罩固定座(120)上。

3.如权利要求2所述的刻蚀烘烤设备(10)，其特征在于，所述反应罩(110)的下端设有凸缘部(115)，所述反应罩(110)通过压圈(130)接合所述凸缘部(115)而将所述反应罩(110)固定到所述反应罩固定座(120)上，所述凸缘部(115)和压圈(130)的接合部中设有密封件，以实现所述反应罩(110)与所述反应罩固定座(120)的密封连接。

4.如权利要求1所述的刻蚀烘烤设备(10)，其特征在于，所述反应罩固定座(120)具有面朝上方的第一配合面(122)和面朝下方的第二配合面(123)，所述第一配合面(122)与反应罩(110)的敞开的下端的端面配合在一起，所述第二配合表面与底盖(140)配合，所述第二配合表面与底盖(140)之间设有密封件。

5.如权利要求4所述的刻蚀烘烤设备(10)，其特征在于，第二配合面(123)形成有台阶部，台阶部将第二配合面(123)分成两个部分，其中第二配合面(123)的一部分与设备台面配合，第二配合面(123)的另一部分与底盖(140)配合。

6.如权利要求1所述的刻蚀烘烤设备(10)，其特征在于，所述反应罩固定座(120)内部设有水腔(125)，水腔(125)设有水腔入口(126)和水腔出口(127)，冷却剂从所述水腔入口通入并从所述水腔出口通出，从而在所述水腔(125)内循环。

7.如权利要求1所述的刻蚀烘烤设备(10)，其特征在于，所述设备平台的下侧面固定有多个旋转夹紧气缸(190)，所述底盖(140)通过多个所述旋转夹紧气缸(190)紧固到所述设备平台下方。

8.如权利要求1所述的刻蚀烘烤设备(10)，其特征在于，所述尾气通道(141)的出口设有单向阀(180)。

9.如权利要求1所述的刻蚀烘烤设备(10)，其特征在于，所述底盖(140)上设有一个压力检测口(146)，用以检测反应室组件(100)的内部空间中的腔体压力。

10.如权利要求1所述的刻蚀烘烤设备(10)，其特征在于，所述石墨盘(20)上放置有外延衬底片。

11.如权利要求1或10所述的刻蚀烘烤设备(10)，其特征在于，所述石墨盘为1个或2个。

12.如权利要求1的刻蚀烘烤设备(10)，其特征在于，所述反应罩(110)的顶部还设有中间通管(114)，用于***测温热电偶。

13.如权利要求1的刻蚀烘烤设备(10)，其特征在于，所述反应罩(110)的顶部设有至少一层配流板(112)，配流板(112)上设有多个通孔(113)。

14.如权利要求13所述的刻蚀烘烤设备(10)，其特征在于，所述配流板(112)有两层，上层的所述配流板(112)上的所述通孔(113)与下层的所述配流板(112)上的所述通孔(113)位置错开。

15.如权利要求1所述的刻蚀烘烤设备(10)，其特征在于，所述底盖(140)密封连接到所述反应罩固定座(120)上。

16.如权利要求1所述的刻蚀烘烤设备(10)，其特征在于，所述通气管(111)用于通入反应气体，所述反应气体包括氯气和氯化物气体中的一种或多种。