本实用新型涉及半导体加工技术领域，具体涉及一种用于金属有机化学气相沉积反应器中的基片托盘的结构。
背景技术：
当前LED已经成为越来越重要的照明光源，而用于生产LED芯片的金属有机化学气相沉积反应腔(MOCVD)也得到长足发展。其中MOCVD反应器也可以用来生产氮化镓(GaN)的半导体功率器件，相比现有技术中通常采用的硅基的功率器件，氮化镓具有高击穿电压、高效率和开关频率高等诸多优点，因此具有很好的市场前景。如图1a所示为现有技术的MOCVD 反应器结构，反应器包括反应腔10，反应腔底部包括一个中空的旋转桶11 从大气环境中穿入反应腔内，旋转桶11侧壁通过磁流体实现与反应腔底部的气密。旋转桶11上方包括一个横向的延展部，延展部上固定有一个圆柱状支撑桶13，支撑桶13顶端用于固定基片托盘中支撑环16的内边缘，基片托盘还包括一个平板状的支撑盘15，支撑盘15上表面包括至少一个凹陷部用于容纳待处理的基片。反应腔10的顶部设置有进气装置将来自反应气源1和反应气源2两种气体互相隔离的送入反应腔内，流向下方的基片W。反应腔底部还包括一个抽气口用于将反应后的气体抽走并维持反应腔内部具有一个接近真空的极低气压。支撑盘15下方支撑环13围绕的空间内还分布着多个加热用的电阻丝17用于均匀加热上方的支撑盘15和基片。这种结构的MOCVD 反应器能够实现GaN材料层的生长。其中支撑盘15通常由石墨作为基材，在石墨表面涂覆一层SiC材料层。
在反应器内的真空环境中不存在气体对流，只能通过物体的传导和热辐射实现热量传递，加热器17产生的热量均匀的向上辐射，热量从支撑盘15 底部向上表面传递，但是在支撑盘的边缘区域却存在多个额外的热传递渠道：支撑盘15边缘侧壁向低温的反应腔侧壁10辐射；支撑盘15边缘底面经过下方支撑环16及支撑桶13通过热传导的方式向下方低温的旋转桶11传递热量。其中支持桶13通常由石英制成，虽然导热率不高但是在真空的反应腔中，额外的散热通道还是会导致支撑盘15的边缘区域散热过快。这样一来整个支撑盘15上表面就具有了如图1b所示的温度分布曲线，其中边缘区域温度会随着半径的增加表面温度迅速下降，托盘中心区域由于会向低温的托盘边缘区域横向扩散热量所以也具有一定程度的温度变化斜率。这就会带来两个问题：基片上的温度也会存在分布不均，支撑盘15的边缘区域由于温度变化梯度过大，表面的SiC涂层会在处理过程中发生开裂破损的现象，严重影响处理效果和托盘的使用寿命。
由于支撑盘15边缘散热过快，如果在支撑盘15外侧再设置一延展部，会进一步恶化支撑盘边缘的散热效果，导致支撑盘上的基片温度均匀性达不到要求。但是，如果支撑盘15没有向外延展的部分，机械手无法直接抬升支撑盘15并移走支撑盘，只能通过设置在支撑桶13内或者支撑盘15上方的举升机构如举升顶针(lift pin)来实现先抬升支撑盘，然后再利用机械臂将支撑盘15或者基片W取走，机械结构过于复杂无法降低成本。同时支撑环16 无法被机械臂移除，所以支撑环16上积累的污染物也无法被及时的清除，影响处理效果。必需要打开反应腔才能清洁支撑环16，严重影响生产效率。
所以业内需要开发一种新的基片托盘，防止基片托盘边缘区域开裂，最佳的能够使得基片上具有更好的温度均一性，同时能够方便快捷移出基片托盘和托盘上的基片，并清除基片托盘上沉积的污染物。
技术实现要素：
本实用新型公开了一种用于热化学气相沉积的基片托盘，包括：中心托盘和边缘环，所述边缘环围绕在中心托盘外围，中心托盘外侧壁上包括一上延伸部，边缘环开口内侧壁上包括一下延伸部，所述上延伸部设置在所述下延伸部上方，使得中心托盘得到边缘环的支撑，所述边缘环底面包括第一区域和第二区域，其中第一区域形状与用于支撑托盘的支撑桶顶部匹配，实现对边缘环的支撑和旋转，第二区域位于所述第一区域和所述支撑桶外侧，用于与机械臂配合举升并移动所述基片托盘。所述中心托盘上表面包括至少一个凹陷部用于放置基片。
最佳的，所述中心托盘表面由第一材料制成，边缘环表面由第二材料制成，其中第二材料的热导率、发射率低于所述第一材料的热导率和发射率。所述第一材料可以是碳化硅涂层，第二材料可以选自SiN、BN和sialon陶瓷之一。其中所述中心托盘也可以是基体为石墨，石墨外涂有碳化硅涂层，边缘环整体由第二材料制成。
所述基片托盘还包括一中间环位于所述中心托盘和边缘环之间，所述中间环包括位于中间环开口内侧的下延伸部和位于中间环外侧的上延伸部，与所述边缘环的下延伸部和中心托盘的上延伸部互相匹配，使得中心托盘、中间环依次叠放在边缘环上。一个凹陷部用于放置基片的凹陷部位于所述中心托盘上表面或者所述中心托盘和中间环上表面。
可选地，所述上延伸部的下表面包括第一倾斜面，下延伸部的上表面包括第二倾斜面，所述第一倾斜面和第二倾斜面互相匹配，使得两个倾斜面互相贴合。
较佳地，下延伸部上表面还包括一个向上延伸的支撑部，所述支撑部顶表面与所述中心托盘的上延伸部的部分底面接触，以支撑所述中心托盘。进一步地，所述支撑部与中心托盘外侧壁之间存在第一间隙，所述中心托盘的上延伸部外侧端面与边缘环内侧壁之间存在第二间隙。所述第一间隙和第二间隙大于0.3mm小于1.5mm。所述上延伸部外侧还可以包括一个向下延伸的填充部，所述填充部与边缘环内壁和所述支撑部之间存在间隙。
本实用新型还提供一种用于热化学气相沉积的基片托盘，所述基片托盘包括多个组合部件，所述多个组合部件包括：一个中心托盘和多个边缘环，所述边缘环围绕在中心托盘外围，所述中心托盘和多个边缘环从内到外依次排列，其中每个组合部件之间通过支撑装置与相邻的组合部件固定，所述支撑装置包括位于内侧组合部件外侧壁上的上延伸部，以及与所述上延伸部匹配的相邻组合部件内侧壁上的下延伸部，其中最外侧边缘环底面包括第一区域和第二区域，其中第一区域形状与用于与支撑托盘的支撑桶顶部匹配，实现对基片托盘边缘环的支撑和旋转，第二区域位于所述第一区域和所述支撑桶外侧，用于与机械臂配合举升并移动所述基片托盘。所述中心托盘表面由第一材料制成，最外侧边缘环表面由第二材料制成，其中第二材料的热导率、发射率低于所述第一材料的热导率和发射率。进一步地，所述位于中心托盘和最外侧边缘环之间的边缘环表面由第三材料制成，所述第三材料的热导率低于所述第一材料的热导率，第三材料的发射率高于第二材料的发射率。
本实用新型还提供一种热化学气相沉积反应器，包括：反应腔，反应腔中底部包括一个支撑桶，支撑桶顶部设置有一个基片托盘，所述基片托盘包括一个中心托盘和一个边缘环，所述边缘环围绕在中心托盘外围，中心托盘外侧壁上包括一上延伸部，边缘环开口内侧壁上包括一下延伸部，所述上延伸部设置在所述下延伸部上方，使得中心托盘得到边缘环的支撑，所述边缘环底面包括第一区域和第二区域，其中第一区域形状与用于与支撑托盘的支撑桶顶部匹配，实现对基片托盘边缘环的支撑和旋转，第二区域位于所述第一区域和所述支撑桶外侧，用于与机械臂配合举升并移动所述基片托盘，进气装置，将反应气体供应到所述基片托盘上方；加热器位于支撑桶内，基片托盘下方；位于反应腔底部的抽气装置，使得反应腔在化学气相沉积过程中处于真空状态。
附图说明
图1a为现有技术MOCVD反应器示意图；
图1b为现有技术中托盘上的温度分布示意图；
图2是本实用新型第一实施例的托盘和支撑环剖面示意图；
图3a、3b是本实用新型第二实施例的托盘和支撑环剖面示意图和立体图；
图4是本实用新型第第一和第二实施例中托盘上的温度分布示意图；
图5是本实用新型第三实施例的托盘和支撑环剖面示意图。
具体实施方式
以下结合附图2～5，进一步说明本实用新型的具体实施例。
本实用新型公开了一种用于MOCVD反应器的基片托盘。如图2所示，本实用新型托盘包括两部分，位于中心区域的中心托盘15a以及位于外围区域的边缘环15b，其中中心托盘15a上表面包括凹陷部，待处理基片可以设置在凹陷部内。中心托盘15a外侧壁上端包括一个上延伸部15a1。边缘环15b 外侧端包括一个外延伸部15b3，外延伸部15b3的底部包括一个托举平面，在托盘以及位于托盘上的基片需要传输走时，由机械臂伸入托举平面下，抬升托盘边缘环15b，最后将托盘移动到其它位置。边缘环15b靠近中心托盘的内侧壁下端包括一个下延伸部15b1，其中下延伸部15b1的向内侧横向延伸，使得边缘环内侧形成的下部开口直径小于上部直径。与之相匹配的，上延伸部15a1从中心托盘外边缘的上部向外侧延伸，使得中心托盘15a上表面的直径大于下表面的直径。中心托盘15a的上延伸部15a1和边缘环15b的下延伸部15b1具有倾斜的侧壁，使得两者能够互相匹配，中心托盘15a得到边缘环15b下延伸部15b1的支撑，固定在边缘环15b内侧。其中支撑桶13顶部可以是倾斜向内的，相应的边缘环15b底面也包括一个凹陷15b2，使得凹陷15b2的底面贴合到支撑桶13顶部的外侧壁上，两者同步转动。其中中心托盘15a可以采用传统的石墨基材并涂覆一层SiC的材料，边缘环15b需要选择截然不同的材料，比如SiN、BN、塞隆(sialon)等，这些材料具有比现有技术中传统的托盘材料具有更低的热导系数(thermal conductivity)，更低的发射率(emissivity)，最佳的这些材料不需要外部额外的涂覆层，而是单一的均质材料。
由于本实用新型在边缘环15b上采用了具有更低导热系数和更低发射率的材料，所以边缘环15b上的热量通过热辐射和热传导散失的更少，所以相比现有技术可以具有更高的温度，更小的温度梯度，同时中心托盘15a上的热量横向扩散到边缘环15b的数值也会减少，所以中心托盘15a上的温度均一性也得到显著改善。本实用新型的基片托盘采用两个部件组合的方式，即使中心托盘和边缘环之间的上下延伸部是通过倾斜面贴合的，由于两者表面材料是粗糙的，实际直接接触面积很小，在真空环境中无法通过气体对流传热，所以本实用新型第一实施例中基片托盘不同部件之间的热传导能力远小于现有技术中石墨基体内的导热能力。
如图3a所示，本实用新型还提供了另一种基片托盘的实施例，与图2 所示的第一实施例类似，主要区别在于中心托盘25a外侧边缘的上延伸部 25a1与边缘环25b内侧边缘的下延伸部25b1。边缘环25b的下延伸部25b1 向内横向侧延伸，下延伸部25b1内侧区域的上表面还包括一个竖直的支撑部 25b2从下延伸部25b1的内侧端向上延伸，上延伸部25a1的底面放置在所述支撑部25b2上，所述上延伸部25a1外侧区域的下表面还包括一个竖直向下延伸的填充环25a2，其中填充环25a2与下方的下延伸部25b1、支撑部25b2 和边缘环本体25b内侧壁之间均存在间隙。边缘环25b的外侧还包括一个外延伸部25b3，外延伸部具有平面的上下表面，其中外延伸部25b3下表面内侧区域与下方的支撑桶13的顶面接触，实现对边缘环25b的支撑，外延伸部 25b3下表面外侧区域还包括托举平面用于托举基片托盘25。图3b示出了图 3a所示本实用新型基片托盘的立体结构剖面图。
其中中心托盘25a和边缘环25b的材料选择也可以与实施例一相同，中心托盘采用石墨基体涂覆有SiC层，边缘环25b采用SiN、BN、塞隆(sialon) 等材料制成。本实用新型第二实施例中，高温的中心托盘25a的热量不是直接横向朝外侧边缘环25b传导，只能经过支撑部25b2顶表面与上延伸部下表面互相的接触区域来实现热传导，这个接触区域只具有很小面积。而且由于边缘环下方是加热器的加热电阻丝17，热量从下向上扩散，所以边缘环25b 底面的温度高于上表面的温度，所以位于下方的下延伸部25b1的温度接近甚至高于上延伸部25a1的温度，所以只有很少热量会从上延伸部25b1向下传导，经过支撑部25b2和下延伸部25b1到达边缘环本体25b。填充环与外侧的边缘环不直接接触，经过填充环25a2向边缘环25b辐射的热量也很少，所以中心托盘25a向位于其外围的边缘环25b扩散的热量很少，中心托盘上具有更均一的温度分布，输入同样加热功率到加热器17时，本实用新型整体温度也会略高于现有技术。
图4示出了上述第一实施例和第二实施例实施时托盘15、25上的温度分布曲线，其中曲线15为采用图2中第一实施例结构的托盘15时托盘上的温度曲线，曲线图25为采用图3a中第二实施例结构的托盘25时托盘上的温度分布曲线。其中本实用新型第二实施例由于中心托盘也边缘环之间只有上下延伸部25a1、25b1和支撑部25b2之间存在热导通路，所以从中心托盘向边缘环扩散的热量很小，因此中心托盘区域的热量基本不会向外周扩散，温度分布更均一。在边缘环位置，由于两者都采用低热导率、低发射率的材料所以具有相似的温度分布曲线，其温度变化曲线的斜率(温度梯度)远比图1b 中托盘边缘区域的温度变化曲线的斜率低，所以本实用新型可以避免托盘边缘区域开裂，同时能够保证在托盘上的基片具有均一的温度。
图5所示是本实用新型第三实施例，相对本实用新型第二实施例，其中的上延伸部25a1上没有向下延展的填充环25b2，下延伸部25b1上的支撑部 25b2与边缘环本体25b内侧壁之间存在间隙g2，支撑部25b2与中心托盘外侧壁之间存在间隙g1。由于本实用新型中中心托盘25a和边缘环25b采用不同的材料，通过不同材料的选择使得基片托盘上具有最佳的温度分布，但是两种材料不同的热膨胀系数也会使得在温度变化过程中两者的膨胀幅度不同，所以需要保证上述间隙g1、g2具有合适的数值，较佳的可以是0.3-1.5mm，间隙太小则基片托盘25的两个部件在升温过程中互相挤压会发生变形，间隙太大则流过基片托盘上表面的气流分布会受影响。
本实用新型基片托盘除了可以是由两个部件组成外，也可以由三个或者更多环组合而成，比如图5所示的本实用新型中心托盘25a可以进一步包括位于中心托盘外围的一个补偿环，补偿环进一步放置在外围的边缘环25b上，通过中心托盘和补尝环之间不同材料的选择或者支撑结构的设计可以改变中心托盘25a向外辐射的热以及托盘内部横向传导的热。同样的边缘环也可以进一步分隔为内边缘环和外边缘环两个环形组件组合而成，内外边缘环可以采用相同或不同的材料制成，内边缘环通过本实用新型实施例1-3所示的由上下延伸部组成的支撑装置得到外边缘环的支撑，外边缘环外侧还包括外延伸部。其中内边缘环也可以采用与外边缘环和中心托盘都不同的第三中材料制成，因为内边缘环的外侧边缘没有向周围低温环境辐射热量的外延伸部 25b3，所以内边缘环采用低发射率的材料效果有限，只需要考虑降低材料的热导率就能减少向外边缘环的扩散热量，所以内边缘环可以采用低热导率，高发射率的第三材料如氧化硅。同时内边缘环内侧的中心托盘之间的支撑装置也可以根据需要在图2和图3所示实施例之间选择，选择图2所示第一实施例的支撑装置时，中心托盘上延伸部和内边缘环的下延伸部为互相紧贴的倾斜面，两者之间的导热量虽然相比现有技术有大幅减小，但绝对值仍然较大。选择图3所示的第二实施例中的支撑装置时支撑部与上延伸部的接触面积很小，中心托盘和内边缘环之间的导热量远小于图2所示的支撑装置实施例。通过对内边缘环的材料和两侧支撑装置结构的选择可以进一步的调节整个基片托盘上表面的温度分布曲线，改善基片上温度分布的均匀性。
本实用新型对基片托盘结构和材料的改进使得基片托盘上的温度具有更好的均一性，所以在边缘环靠近支撑桶13位置处的温度与中心托盘的温度差也比较小，基片放置在中心托盘上表面处理能获得更均一的处理效果。采用本实用新型结构的基片托盘极大改善温度分布均匀性还能使得有效的基片处理范围也可以扩展到更靠近外围区域，比如到边缘环上表面内侧，所以在进行化学气相沉积过程中，本实用新型相对现有技术采用同样的支撑桶时可以放置更大直径的基片。
本实用新型由于大幅减少了从边缘环散失的热量，所以边缘环外侧的外延伸部可以具有足够的向外延伸长度，使得机械臂能够伸入外延伸部下方一次性托举并运走中心托盘、边缘环和上方的基片，不需要其它额外的举升机构举升中心托盘再通过机械臂移除基片或者基片托盘。基片被移出基片托盘后，中心托盘和边缘环可以进行清洗，以清除沉积在其表面的反应产物。基片托盘完成清洗流程后可以再次承载新的基片送入反应器进行反应。
本实用新型适用于各种热化学气相沉积(Thermal CVD)的应用场合，如上述MOCVD应用，在这些应用场合中，需要在具有均匀分布的高温(高于500℃)才能在基片上形成的均匀的高产量的材料层。所以控制基片和支撑基片的托盘的温度均一性，成为直接决定基片处理质量的关键要素。
尽管本实用新型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实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。