CN113604874B - 一种气相外延***及其维护操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气相外延***，包括载盘支撑装置、盖体、反应室、供气***及排气室，载盘支撑装置穿过盖体，盖体与载盘支撑装置连接；反应室包括内腔室和外腔室，内腔室为反应腔，内腔室设置于外腔室中；供气***位于反应室的一端部；内腔室包括第一分体和第二分体，第一分体靠近供气***，第二分体远离供气***；排气室与外腔室堆叠设置，排气室与外腔室密封隔离，内腔室与排气室连接；排气室远离供气***的一端设有开口，内腔室可移动地设置于外腔室和排气室中。本发明通过引入具有分体结构的内腔室以及升降结构，可以在维护时只需更换内腔室的分体部分，无需整管更换，便于设备维护，可简化维护流程，提高设备稼动率和良率。

Description

一种气相外延***及其维护操作方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及外延生长技术，特别是涉及一种气相外延***及其维护操作方法。

背景技术

第三代半导体材料，例如III-V族化合物半导体，具有禁带宽、电子饱和漂移速率高、击穿电场强度高、抗辐射强、介电常数小、热稳定性好和化学性能稳定等优点。其被广泛应用于发光二极管(LED)、激光二极管(LD)以及包括高功率、高频率、高温晶体管和集成电路的电子装置等各种半导体装置中。

气相外延工艺是生长III-V族半导体的常见工艺，其包括金属有机化学气相沉积(MOCVD)、高温高压合成法、分子束外延(MBE)和氢化物气相外延(HVPE)等。其具有生长速率高、设备简单及制备成本低的优势。例如，在氢化物气相外延工艺中，III-V族半导体通过热的气态金属卤化物(例如GaCl或AlCl)与V族气体(例如NH3)反应而形成。

现有的气相外延***一般采用单体式石英腔体，在大尺寸、量产型反应腔体设计中，往往需要加长腔体加热区用以确保径向传递温度均匀，导致上下料用时较长，维护不便。此外，通常在气相外延生产过程中，前驱物气体通过进气通道进入反应室后，扩散至整个反应室内混合均匀，反应室内壁和衬底托盘上都会发生寄生反应沉积一些寄生沉积物，这会对温度控制、衬底表面洁净度等产生影响，进而影响外延片的良率。现有技术在每次生长前都需要对反应室和衬底托盘通过工艺程序进行气体蚀刻反应与高温烘烤以实现自清洁，经一定周期后，再通过周期性大维护清洁整个石英炉管。上述清洁流程挤占了生长时间，导致设备稼动率低，且周期性大维护后，需要较长的恢复过程。该问题对于大尺寸反应腔而言尤为严重。

因此，有必要提出一种新的气相外延***，解决上述问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种气相外延***及其维护操作方法，用于解决现有技术中的大尺寸反应腔不便于维护及稼动率低等问题。

为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供一种气相外延***，包括：

载盘支撑装置，用于支撑位于所述载盘支撑装置顶部的载盘；

盖体，所述载盘支撑装置穿过所述盖体，所述盖体与所述载盘支撑装置连接；

反应室，所述反应室包括内腔室和外腔室，所述内腔室为反应腔，所述内腔室设置于所述外腔室中；

供气***，位于所述反应室的一端部，用于向所述内腔室供气；

所述内腔室包括可拆卸连接的第一分体和第二分体，所述第一分体靠近所述供气***，所述第二分体远离所述供气***；

排气室，与所述外腔室堆叠设置，且设于所述外腔室远离所述供气***的一端，所述排气室与所述外腔室密封隔离，所述内腔室与所述排气室连接；所述排气室远离所述供气***的一端设有开口，所述盖体用于对所述排气室的开口进行气密性开闭，所述内腔室可移动地设置于所述外腔室和所述排气室中。

可选地，所述载盘位于所述第一分体中。

可选地，所述外腔室中设有外部加热器。

可选地，所述载盘支撑装置中靠近所述载盘的位置设有内部加热器，所述载盘和内部加热器位于所述第一分体中。

可选地，所述内部加热器包括位于所述载盘支撑装置顶部的平面加热器和套置于所述载盘支撑装置靠近顶部***的环状加热器。

可选地，所述第一分体和所述第二分体通过嵌合结构连接。

更可选地，所述嵌合结构包括所述第一分体和所述第二分体相互咬合的起伏接触界面。

可选地，所述嵌合结构的数量为3至8个。

可选地，所述气相外延***还包括旋转升举组件，所述旋转升举组件带动所述载盘支撑装置沿所述内腔室的轴向移动所述载盘。

更可选地，所述旋转升举组件还包括带动所述载盘绕所述内腔室的轴向进行旋转的旋转机构。

可选地，构成所述外腔室的材料包括金属材料。

可选地，构成所述内腔室的第一分体的材料包括石英、碳化硅、氧化铝、氮化硼、石墨、碳化硅涂层石墨、氮化钽涂层石墨中的一种或多种的组合。

可选地，所述排气室包括排气环和排气管路；所述排气环连接至所述内腔室，用于引导残留气体从所述排气管路排出，所述排气管路不少于2条。

本发明还提供一种气相外延***的维护操作方法，包括以下步骤：

a)提供如上述任一方案所述的气相外延***；在外延生长时，装载有待处理的基板的所述载盘设置于所述载盘支撑装置的顶部，所述盖体处于密封闭合状态，所述内腔室中通入工艺气体，在由所述载盘保持的基板上进行气相外延沉积；

b)在反应室维护时，打开盖体，使盖体连同其一侧的内腔室沿外腔室进行轴向移动，将内腔室传送出外腔室，将内腔室的第一分体和第二分体进行分离，并对内腔室的第一分体进行清洁维护。

如上所述，本发明提供的气相外延***及其维护操作方法，具有以下有益效果：本发明提供的气相外延***通过引入具有分体结构的内腔室及内腔室升降结构，可以在维护时直接更换内腔室的分体部分，以便于设备维护，可极大简化维护流程，提高设备稼动率和良率。采用外部加热器和内部加热器的双加热装置的设置，可显著提升径向温度均匀性，可减少炉体纵向长度，缩短上下料时间，减少反应物在腔体的沉积，有助于提升工艺稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例一中所提供的气相外延***的截面示意图。

图2为本发明实施例一中所提供的气相外延***分离载盘支撑装置的截面示意图。

图3为本发明实施例一中所提供的气相外延***分离内腔室和载盘支撑装置的截面示意图。

图4为本发明实施例一中所提供的内腔室部分的立体示意图。

图5为图4中AA’方向的仰视图。

图6为本图5中B区域箭头方向的侧视图。

元件标号说明

101 载盘支撑装置

102 载盘

103 内腔室

103a 第一分体

103b 第二分体

104 外腔室

105 第一盖体

106 第二盖体

108 外部加热器

109 内部加热器

110 进气管路

111 进气法兰

112 排气室

112a 排气环

113 排气管路

114 旋转升举组件

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。且为使图示尽量简洁，附图中并未标示所有的结构。

在现有技术中，常规结构的气相外延腔体需要定期维护石英腔体，一般透过工艺程序进行气体蚀刻反应与高温烘烤(即原位清洁)，以进行自清洁。在一定周期后，再清洁整体石英炉管。单体式腔体在常规操作时的取放片及周期维护清洁并不容易。此外，周期性大维护后，需要较长的恢复过程。该问题对于大尺寸反应腔而言尤为严重。发明人经长期研究，提出了一种改善方案。本发明通过引入分体结构的内腔室及内腔室升降结构可以显著改善上述问题。

实施例一

图1示出本实施例的气相外延***100的截面示意图。所述气相外延***100的反应室包括载盘支撑装置101、盖体、反应室、供气***和排气室112；所述载盘支撑装置101用于支撑位于所述载盘支撑装置101顶部的载盘102，所述载盘支撑装置101穿过所述盖体，所述盖体与所述载盘支撑装置101连接；所述反应室包括内腔室103和外腔室104，所述内腔室103为反应腔，所述内腔室103设置于所述外腔室104中；所述供气***位于所述反应室的一端部，用于向所述内腔室103供气；所述内腔室103包括可拆卸连接的第一分体103a和第二分体103b，即第一分体103a和第二分体103b在需要时可进行拆卸，所述第一分体103a靠近所述供气***，所述第二分体103b远离所述供气***；所述排气室112与所述外腔室104堆叠设置，且设于所述外腔室104远离所述供气***的一端，所述排气室112与所述外腔室104密封隔离，所述内腔室103与所述排气室112连接；所述排气室112远离所述供气***的一端设有开口，所述盖体用于对所述排气室112的开口进行气密性开闭，所述内腔室103可移动地设置于所述外腔室104和所述排气室112中，即所述内腔室103端侧开口部与所述排气室112端侧开口部位于相同侧；所述盖体可以包括第一盖体105和第二盖体106，所述第一盖体105位于所述第二盖体106远离所述供气***的一侧，所述第一盖体105与所述第二盖体106之间堆叠并通过紧固装置连接，作为示例，可采用螺栓连接。所述第一盖体105与所述第二盖体106之间形成第一密封面，所述第二盖体106与所述排气室112之间形成第二密封面。

作为示例，所述排气室112包括排气环112a和排气管路113；所述排气环112a连接至内腔室103，用于引导残留气体从排气管路113排出，而不在内腔室103中不形成反应生成物粉末；优选地，所述排气室112设有两条或更多条排气管路113，避免因排气管路堵塞而中断外延生长，进一步延长了生长持续时间。

作为示例，载盘支撑装置101穿过所述第一盖体105和第二盖体106，所述第一盖体105与所述载盘支撑装置101连接，所述载盘支撑装置101可移动地设置于内腔室103中，载盘102设置于所述载盘支撑装置101的端部，配置成在工艺处理期间支撑基板。所述载盘支撑装置101可进一步包括旋转升举组件114，所述旋转升举组件114还可包括带动所述载盘102绕所述内腔室103的轴向进行旋转的旋转机构。所述旋转升举组件114可带动载盘支撑装置101沿内腔室103轴向移动载盘102并做旋转，旋转升举组件114的轴向移动有利于传送载盘102和基板进出内腔室103。当打开第一盖体105和第二盖体106之间的紧固装置时，此时第一密封面开启，所述内腔室103的第一盖体105能够连同载盘支撑装置101一起利用旋转升举组件114进行轴向移动。内腔室103可移动地设置于外腔室104和排气室112中，所述旋转升举组件114带动载盘支撑装置101和内腔室103一起沿外腔室104、排气室112轴向移动，旋转升举组件114的轴向移动有利于传送内腔室103进出外腔室104和排气室112。当打开第二盖体106时，此时第二密封面开启，所述排气室112的第二盖体106能够连同内腔室103的第一盖体105、第二盖体上的排气环112a、排气环112a上的内腔室103、载盘支撑装置101一起利用旋转升举组件114进行轴向移动。

作为示例，如图4所示，所述内腔室103包括第一分体103a和第二分体103b，所述第一分体103a靠近所述供气***，所述第二分体103b远离所述供气***。且在一示例中，所述第一分体103a和所述第二分体103b通过嵌合结构连接(即两者的边缘相互嵌合而实现连接)。利用嵌合结构实现第一分体103a和第二分体103b，而无需利用螺丝等外来连接结构，可以最大程度减少因连接结构造成的污染。具体地，在一示例中，如图5至图6所示，所述嵌合结构包括所述第一分体103a和所述第二分体103b相互咬合的起伏接触界面，其中，图5是图4中AA’方向的仰视图，图6是图5中B区域箭头方向的侧视图。图5和图6显示了第一分体103a和第二分体103b的连接部位具有相互嵌合的凸起部F1和凹陷部F2。上述相互嵌合的嵌合结构的数量优选为3至8个(包括端点值)，该数量的嵌合结构既可以确保第一分体103a和第二分体103b的紧密嵌合，又可以避免过多的嵌合结构数量导致连接结构的强度下降。

在一较优的示例中，所述第一分体103a和所述第二分体103b的连接位置距离所述供气***的距离大于所述载盘102距离所述供气***的距离，也即所述载盘102位于所述第一分体103a中。上述设置可以将较脏的反应区域限制在维护时计划进行更换的所述第一分体103a处。

作为示例，所述供气***包括进气管路110和进气法兰111；所述进气法兰111与所述外腔室104之间通过紧固装置连接，用于密封所述反应室，所述进气管路110与所述内腔室103相通以向所述内腔室供气。可选地，所述进气管路110可以向所述内腔室103供给反应气体、清洁气体、保护气体或载气中的一种或多种。

作为示例，构成所述内腔室103的材料优选但不限于石英、碳化硅、氧化铝或氮化硼、石墨、碳化硅涂层石墨和氮化钽涂层石墨中的一种或多种的组合；构成所述外腔室104的材料优选金属材料，比如不锈钢。所述第一分体103a和第二分体103b的材料可以相同或不同，比如所述第一分体103a可由耐高温材料组成，优选但不限于石英、碳化硅、氧化铝、氮化硼、石墨、碳化硅涂层石墨和氮化钽涂层石墨中的一种或多种的组合。

在一示例中，所述外腔室104中设有水冷管道，比如可设置于所述外腔室104的外表面，由此可防止内部高温损坏所述外腔室104，并隔离腔室内部高温对外界的影响。

作为示例，所述外腔室中104设有外部加热器108，所述外部加热器108为热壁式外加热器，位于内腔室103外壁，用以加热所述内腔室103。

需要指出的是，图1中所示的是垂直式腔体结构，而在本发明的其他实施案例中，也可以采用水平式的腔体结构。

实施例二

本实施例中的气相外延***与实施例一中的气相外延***100的结构大致相同，二者的区别在于，实施例一中仅在外腔室104中设置外部加热器108，为单一加热器，而本实施例中的气相外延***采用双加热***。具体地，可继续参考图1(由于实施例一和二的差异很小，为使图示简洁，附图未分开示例)，本实施例除所述外腔室104中设有外部加热器108，且所述外部加热器同样可以为热壁式外加热器，位于内腔室103外壁，用以加热所述内腔室103外，所述载盘支撑装置101中靠近所述载盘102的位置还设有内部加热器109。在一示例中，所述内部加热器109包括位于所述载盘支撑装置101顶部的平面加热器和套置于所述载盘支撑装置101靠近顶部***的环状加热器，用于直接对所述载盘102上的基板进行加热。可选地，所述第一分体103a和所述第二分体103b的连接位置距离所述供气***的距离大于所述内部加热器距离所述供气***的距离，也即所述载盘102和所述内部加热器109位于所述第一分体103a中。相比实施例一中仅在腔室外壁处设置加热器的方案，本发明通过外部加热器和内部加热器减少炉体的纵向长度，同时提供反应区内良好的径向温度均匀性，可以缩短上下料时间，并减少反应源在腔体内的沉积物，使反应室热化，腔体内部低温死区较少，减缓管壁沉积，可以实现连续生长，而不需要引入每炉生长后的自清洁工艺步骤，从而提升了设备稼动率。

通过采用本实施例所述的气相外延***的双加热、双密封、双轴向运动机构，在相同运行周期内，相比现有的气相外延***，预计可增加30％产能，并且由于沉积物减少，对于温度控制精确度以及基板表面良率也有正面提升。

本发明可极大提高反应腔清洁维护的便捷性，进而提升工艺稳定性，并且具备未来量产的可拓展性。

本发明还提供了一种如上述任一方案中所述的气相外延***的维护方法，用于在所述气相外延***在经历了一定的外延生长周期后对所述气相外延***进行维护，所述气相外延***的各腔室在不同的生长或维护过程中具有不同的开闭状态。

(1)外延生长过程

在外延生长时，如图1所示，装载有待处理基板的载盘102设置于载盘支撑装置101的顶部，第一盖体105、第二盖体106均处于密封闭合状态，内腔室103中通入工艺气体，在由所述载盘102保持的基板上沉积，进一步地，载盘102在旋转升举组件114的带动下绕内腔室103的轴向旋转，工艺气体被卷入旋转气流并彼此混合，以使物质在由所述载盘102保持的基板上沉积。

(2)基板装载卸载过程

外延生长结束后，如图2所示，打开第一盖体105与第二盖体106之间的紧固装置，此时第一盖体105打开，第二盖体106仍固定位于排气室112端侧开口部使得所述排气室的开口保持闭合，所述第一盖体105连同载盘102及其上已生长好的基板一起(比如利用旋转升举组件114)沿内腔室103远离所述供气***的一端进行轴向移动，从而被传送出内腔室103，就可以把经本实施例气相外延***已生长完毕的基板取下，完成基板卸载；然后将新的待处理基板放置于载盘102上，(比如同样利用旋转升举组件114)沿所述内腔室103朝向所述供气***的一端进行轴向移动，传送入内腔室103内，完成基板装载。

类似地，可以按照上述操作完成载盘102的更换，待清洁载盘可以在气相外延***外部进行独立清洁。

(3)反应室维护过程

在气相外延过程中，应当堆积在基板上的半导体薄膜会附着在腔体内壁、气体流路等基板以外的各种部件上，附着在基板以外部件上的反应物成为不需要的污染物，因此需要清洗污染部件从而除去上述反应物。在现有技术中，例如HVPE设备因生长速率最高可达100um/h，每次生长完成就需要清洁石英管，因单体结构石英炉管较大易碎，人工更换不便，常需要通过腔体内部自清洁工艺减少石英炉管更换频度，一定周期后，再更换清洁整体石英炉管。由于现有技术采用炉内原位清洁，占用了有效生产时间，设备稼动率低。

而在本发明实施例中，内腔室103为分体结构。第一分体103a位于反应区，沉积物易粘附，第二分体103b则相对清洁，因此仅需更换上第一分体103a部件即可，无须整管更换。这无疑降低了维护难度，使反应腔体的清洗和更换更为便捷。如图3所示，维护过程可以为，打开第二盖体106，此时所述第二盖体106连同其一侧的第一盖体105、第二盖体上106上的排气环112a、排气环112a上的内腔室103、内腔室103内的载盘支撑装置101一起利用旋转升举组件114沿外腔室104进行轴向移动，从而所述内腔室103被传送出外腔室104，更换所述内腔室103及其中的待清洁的部件(包括内腔室炉体本身)，比如将内腔室103的第一分体103a和第二分体103b进行分离，并对内腔室103的第一分体103a进行清洁维护，比如对更换下的部件进行清洗，然后更换为新的部件，即可进行下一轮外延生长。由于本发明实施例中内腔室103为分体结构，在对炉管进行清洁维护时，仅需对内腔室103中最易沾污的第一分体103a进行处理，无需对整个炉管进行更换和清洁。

采用本发明气相外延***的分体式内腔室、双密封、双轴向运动机构，使备件更换更为简便，还可以省去现有技术中常用的腔体内部自清洁工艺步骤，从而进一步增加有效生产时间，提升设备稼动率。

综上所述，本发明提供一种气相外延***，包括载盘支撑装置、盖体、反应室、供气***及排气室，所述载盘支撑装置用于支撑位于所述载盘支撑装置顶部的载盘，所述载盘支撑装置穿过所述盖体，所述盖体与所述载盘支撑装置连接；所述反应室包括内腔室和外腔室，所述内腔室为反应腔，所述内腔室设置于所述外腔室中；所述供气***位于所述反应室的一端部，用于向所述内腔室供气；所述内腔室包括可拆卸连接的第一分体和第二分体，所述第一分体靠近所述供气***，所述第二分体远离所述供气***；所述排气室与所述外腔室堆叠设置，且设于所述外腔室远离所述供气***的一端，所述排气室与所述外腔室密封隔离，所述内腔室与所述排气室连接；所述排气室远离所述供气***的一端设有开口，所述盖体用于对所述排气室的开口进行气密性开闭，所述内腔室可移动地设置于所述外腔室和所述排气室中。本发明提供的气相外延***通过引入具有分体结构的内腔室及内腔室升降结构，可以在维护时直接更换内腔室的分体部分，以便于设备维护，可极大简化维护流程，提高设备稼动率和良率。采用外部加热器和内部加热器的双加热装置的设置，可显著提升径向温度均匀性，减少炉体纵向长度，缩短上下料时间，减少反应物在腔体的沉积，有助于提升工艺稳定性。本发明可用于集成电路、LED及太阳能电池等领域的外延工艺中，且尤其适用于氢化物的气相外延，有着极大的利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种气相外延***，其特征在于，包括：

载盘支撑装置，用于支撑位于所述载盘支撑装置顶部的载盘；

盖体，所述载盘支撑装置穿过所述盖体，所述盖体与所述载盘支撑装置连接；

反应室，所述反应室包括内腔室和外腔室，所述内腔室为反应腔，所述内腔室设置于所述外腔室中；

供气***，位于所述反应室的一端部，用于向所述内腔室供气；

所述内腔室包括可拆卸连接的第一分体和第二分体，所述第一分体靠近所述供气***，所述第二分体远离所述供气***，所述载盘位于所述第一分体中；

排气室，与所述外腔室堆叠设置，且设于所述外腔室远离所述供气***的一端，所述排气室与所述外腔室密封隔离，所述内腔室与所述排气室连接；所述排气室远离所述供气***的一端设有开口，所述盖体用于对所述排气室的开口进行气密性开闭，所述内腔室可移动地设置于所述外腔室和所述排气室中。

2.根据权利要求1所述的气相外延***，其特征在于，所述外腔室中设有外部加热器，所述载盘支撑装置中靠近所述载盘的位置设有内部加热器，所述内部加热器位于所述第一分体中。

3.根据权利要求2所述的气相外延***，其特征在于，所述内部加热器包括位于所述载盘支撑装置顶部的平面加热器和套置于所述载盘支撑装置靠近顶部***的环状加热器。

4.根据权利要求1所述的气相外延***，其特征在于，所述第一分体和所述第二分体通过嵌合结构连接。

5.根据权利要求4所述的气相外延***，其特征在于，所述嵌合结构包括所述第一分体和所述第二分体相互咬合的起伏接触界面。

6.根据权利要求5所述的气相外延***，其特征在于，所述嵌合结构的数量为3至8个。

7.根据权利要求1所述的气相外延***，其特征在于，构成所述外腔室的材料包括金属材料；构成所述内腔室第一分体的材料包括石英、碳化硅、氧化铝、氮化硼、石墨、碳化硅涂层石墨和氮化钽涂层石墨中的一种或多种的组合。

8.根据权利要求1所述的气相外延***，其特征在于，所述排气室包括排气环和排气管路；所述排气环连接至所述内腔室，用于引导残留气体从所述排气管路排出，所述排气管路不少于2条。

9.一种气相外延***的维护操作方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)提供如权利要求1至8任一方案所述的气相外延***；在外延生长时，装载有待处理的基板的所述载盘设置于所述载盘支撑装置的顶部，所述盖体处于密封闭合状态，所述内腔室中通入工艺气体，在由所述载盘保持的基板上进行气相外延沉积；

b)在反应室维护时，打开盖体，使盖体连同其一侧的内腔室沿外腔室进行轴向移动，将内腔室传送出外腔室，将内腔室的第一分体和第二分体进行分离，并对内腔室的第一分体进行清洁维护。

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