反应腔室及等离子体加工设备的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种反应腔室及等离子体加工设备，包括沿其竖直方向间隔设置的多层托盘和加热装置，加热装置包括感应线圈和与之电连接的交流电源，用以采用感应加热的方式加热托盘以间接加热被加工工件，感应线圈包括主线圈和至少一个辅助线圈，主线圈螺旋缠绕在反应腔室的侧壁外侧，且形成对应于反应腔室竖直方向上不同区域的多个加热线圈分组，在每个反应腔室竖直方向上不同区域内包括至少一层托盘；每个辅助线圈位于主线圈的外侧，辅助线圈根据反应腔室竖直方向上不同区域的温度需求，与对应于反应腔室竖直方向上相应区域的加热线圈分组并联。本发明提供的反应腔室，其可以提高反应腔室竖直方向上托盘的温度均匀性，从而可以提高工艺质量和良品率。
【专利说明】反应腔室及等离子体加工设备
【技术领域】
[0001] 本发明属于半导体设备制造领域，具体涉及一种反应腔室及等离子体加工设备。
【背景技术】
[0002] 金属有机化学气相沉积（Metal-organic Chemical Vapor Deposition，以下简称 M0CVD)是在气相外延生长的基础上发展起来的一种新型气相生长技术，其可以精确控制外 延层的厚度和组分，是目前生产光电器件的关键技术。
[0003] 目前，为了大幅度地增加 MOCVD设备的产能，通常采用立式结构的MOCVD设备。图 1为现有的立式MOCVD设备的结构简图。请参阅图1，MOCVD设备包括反应腔室10,在反应 腔室10内沿其坚直方向间隔设置有多层托盘（1?6)，用于承载被加工工件；在反应腔室 10内还设置有中央进气管12,中央进气管12沿坚直方向贯穿每层托盘，中央进气管12用 于向每层托盘输送工艺气体，以使工艺气体与置于托盘上的被加工工件反应，从而在被加 工工件的上表面形成工艺所需的薄膜；并且，在反应腔室10的底部设置有排气口（图中未 示出），用于将反应腔室10内的未反应的工艺气体以及反应后的废气排出反应腔室10。此 夕卜，在反应腔室10的外周壁的外侧环绕设置有加热线圈11，且加热线圈11沿着反应腔室 10的坚直方向的距离与多层托盘的距离相对应，加热线圈11与交流电源（图中未示出）电 连接，交流电源在对应于加热线圈11的区域内产生交变磁场，这使得托盘在交变磁场下其 内部感应出能够产生热量的涡电流，从而间接地将承载在托盘上的被加工工件加热至工艺 所需的温度。
[0004] 然而，上述MOCVD设备在实际应用中不可避免地存在以下问题，S卩：由于最上层 托盘与反应腔室10的顶壁之间的空间相对其他相邻两层托盘之间的空间很大，使得最上 层的托盘的热量比其他托盘的散热更快、热损耗更多；并且，由于最下层托盘靠近排气口， 且靠近排气口的区域内的气体流动快，使得最下层托盘的热量在气体流动过程中容易被带 走，往往造成靠近最上层和靠近最下层托盘的温度低于位于二者之间托盘的温度，因而造 成反应腔室10坚直方向上的托盘（1?6)的温度不均匀，从而导致工艺质量差和良品率低。
【发明内容】
[0005] 本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，提供了一种反应腔室及等离子体加 工设备，其可以提高反应腔室坚直方向上托盘温度的均匀性，从而可以提高工艺质量和良 品率。
[0006] 本发明提供一种反应腔室，其包括多层托盘和加热装置，其中，所述多层托盘设置 在所述反应腔室内，且沿其坚直方向间隔设置，用以承载被加工工件；所述加热装置包括 感应线圈和与之电连接的交流电源，用以采用感应加热的方式加热托盘，从而间接加热被 加工工件，所述感应线圈包括主线圈和至少一个辅助线圈，其中所述主线圈螺旋缠绕在所 述反应腔室的侧壁外侧，形成对应于所述反应腔室坚直方向上不同区域的多个加热线圈分 组，在每个所述反应腔室坚直方向上不同区域内包含至少一层所述托盘；每个所述辅助线 圈位于所述主线圈的外侧，并且所述辅助线圈根据所述反应腔室坚直方向上不同区域的温 度需求，与对应于所述反应腔室坚直方向上相应区域的加热线圈分组并联。
[0007] 其中，所述加热装置还包括通断开关，所述通断开关的数量与所述辅助线圈的数 量相对应，并且每个所述通断开关用于接通或断开所述辅助线圈和与之并联的所述加热线 圈分组。
[0008] 其中，所述主线圈包括对应于所述反应腔室坚直方向上的上层区域、中间区域和 下层区域的三个加热线圈分组，并且所述辅助线圈与对应于所述反应腔室的中间区域的加 热线圈分组并联。
[0009] 其中，所述加热装置还包括检测单元和控制单元，其中所述检测单元用于分别检 测位于所述反应腔室的上层区域、中间区域和下层区域内托盘的温度，并将其发送至所述 控制单元；所述控制单元用于基于所述温度判断位于所述中间区域内托盘的温度是否高于 位于上层区域和/或下层区域内托盘的温度，且判断二者的温度差是否超出预定阈值，若 是，则控制所述通断开关接通所述反应腔室的中间区域的加热线圈分组和与之并联的所述 辅助线圈；若否，则控制所述通断开关断开所述反应腔室的中间区域的加热线圈分组和与 之并联的所述辅助线圈。
[0010] 其中，对应于每个所述加热线圈分组，所述辅助线圈的数量为多个，每个所述辅助 线圈与所述加热线圈分组并联，且螺旋缠绕在所述加热线圈分组的外侧，并且多个所述辅 助线圈沿着所述反应腔室的径向相互嵌套。
[0011] 其中，对应于每个所述加热线圈分组，所述辅助线圈的数量为多个，每个所述辅助 线圈与所述加热线圈分组并联，并且多个所述辅助线圈沿所述加热线圈分组的周向间隔且 均匀设置。
[0012] 其中，所述检测单元的数量与所述反应腔室坚直方向上的不同区域的数量对应。
[0013] 其中，所述检测单元包括温度传感器。
[0014] 其中，所述检测单元包括热电偶。
[0015] 本发明还提供一种等离子体加工设备，其包括反应腔室，所述反应腔室采用本发 明提供的上述反应腔室。
[0016] 本发明具有下述有益效果：
[0017] 本发明提供的反应腔室，其借助位于主线圈外侧的每个辅助线圈与主线圈的多个 加热线圈分组中的一个并联，可以对与辅助线圈并联的加热线圈分组中的电流进行分流， 使得该加热线圈分组中的电流减小，这使得位于与该加热线圈分组相对应的反应腔室的区 域内托盘的加热效率降低，而未与辅助线圈并联的加热线圈分组中的电流保持不变，使得 位于与该加热线圈分组相对应的反应腔室的区域内托盘的加热效率不变，因而可以实现对 反应腔室坚直方向上不同区域的托盘均匀加热，从而可以提高反应腔室坚直方向上托盘的 温度均匀性，进而可以提高工艺质量和良品率。
[0018] 本发明提供的等离子体加工设备，其采用本发明提供的反应腔室，可以提高反应 腔室坚直方向上托盘的温度均匀性，从而可以提高工艺质量和良品率。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1为现有的MOCVD设备的结构简图；
[0020] 图2为本发明第一实施例提供的反应腔室的结构示意图；
[0021] 图3为本发明第一实施例提供的反应腔室的原理图；
[0022] 图4为本发明第一实施例提供的第二种反应腔室的结构示意图；
[0023] 图5为本发明第一实施例提供的第三种反应腔室的结构简图；
[0024] 以及
[0025] 图6为图5提供的反应腔室的俯视图。
【具体实施方式】
[0026] 为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提 供的反应腔室及等离子体加工设备进行详细描述。
[0027] 图2为本发明第一实施例提供的反应腔室的结构示意图。图3为本发明第一实施 例提供的反应腔室的原理图。请一并参阅图2和图3,反应腔室20包括多层托盘（1?6) 和加热装置，其中，多层托盘（1?6)设置在反应腔室20内，且沿其坚直方向间隔设置，用 以承载被加工工件；加热装置包括感应线圈和与之电连接的交流电源（图中未示出），用以 采用感应加热的方式加热托盘，从而间接加热被加工工件，感应线圈包括主线圈和至少一 个辅助线圈22,其中主线圈螺旋缠绕在反应腔室20的侧壁外侧，且形成对应于反应腔室20 坚直方向上不同区域的多个加热线圈分组，在每个反应腔室20坚直方向上不同区域内包 括至少一层托盘；每个辅助线圈22位于主线圈的外侧，并且辅助线圈22根据反应腔室20 坚直方向上不同区域的温度需求，与对应于反应腔室20坚直方向上相应区域的加热线圈 分组并联。
[0028] 在本实施例中，主线圈形成对应于反应腔室20坚直方向上的上层区域20a、中间 区域20b和下层区域20c的三个加热线圈分组21a、21b和21c，托盘1和托盘2位于上层区 域20a，托盘3和托盘4位于中间区域20b，托盘5和托盘6位于下层区域20c，并且，辅助 线圈22的数量为1个，该辅助线圈22与对应于反应腔室20的中间区域20b的加热线圈分 组21b并联，且辅助线圈22螺旋环绕在加热线圈分组21b的外侧，辅助线圈22可以对与之 并联的加热线圈分组21b中的电流}进行分流，使得该加热线圈分组21b中的电流减小为 (即，L 而未与辅助线圈22并联的加热线圈分组21a和21c中的电流}保持不变， 这使得位于中间区域20b内托盘的加热效率降低，以及位于上层区域20a和下层区域20c 内托盘的加热效率不变，可以减小位于中间区域20b中托盘与位于上层区域20a、下层区域 20c内托盘的温度差，因而可以实现对反应腔室20坚直方向上的上层区域20a、中间区域 20b和下层区域20c内托盘均匀加热，从而可以提高反应腔室20坚直方向上托盘的温度均 匀性，进而可以提高工艺质量和良品率。
[0029] 容易理解，由于辅助线圈22螺旋环绕在加热线圈分组21b的外侧，S卩，辅助线圈22 相对加热线圈分组21b远离反应腔室20,具有分流电流的辅助线圈22在中间区域20b内 产生的交变磁场强度小于同样具有电流的加热线圈分组21b在中间区域20b内产生的交 变磁场强度，因此不仅可以通过分流实现降低位于中间区域21b内托盘的加热效率，而且 具有分流电流}2辅助线圈22可以对位于该中间区域20b内的托盘进行加热，可以防止位于 中间区域20b托盘的加热效率过低，从而可以提高交流电源输出功率的利用率。
[0030] 在实际应用中，对应于每个加热线圈分组，辅助线圈22的数量也可以为多个，每 个辅助线圈22与加热线圈分组并联，且螺旋缠绕在加热线圈分组的外侧，并且，多个辅助 线圈22沿着反应腔室20的径向相互嵌套，如图4所示，为本发明第一实施例提供的第二种 反应腔室的结构示意图，对应于加热线圈分组21b，辅助线圈22的数量为三个。容易理解， 借助多个辅助线圈22分别与加热线圈分组21b并联以对加热线圈分组21b的电流}进行分 流，可以进一步使加热线圈分组21b中的分流电流I 1减小，因而可以进一步使得位于中间区 域20b内的托盘的加热效率降低，从而可以快速地减小位于中间区域20b中托盘与位于上 层区域20a、下层区域20c内托盘之间的温度差。
[0031] 在本实施例中，加热装置还包括通断开关K，通断开关K的数量与辅助线圈22的 数量相对应，并且每个通断开关K用于接通或断开辅助线圈22和与之并联的加热线圈分组 21b，通过控制通断开关K的导通或者断开可以选择性地将辅助线圈22和与之并联的加热 线圈分组21b接通或断开，从而可以提高加热装置的灵活性。其中，通断开关K可以诸如晶 闸管、IGBT等的功率开关管。
[0032] 加热装置还包括检测单元和控制单元，其中检测单元用于分别检测位于反应腔室 20的上层区域20a、中间区域20b和下层区域20c内托盘的温度，并将其发送至控制单元， 检测单元包括温度传感器，其中，温度传感器包括热电偶或红外温度传感器；控制单元用于 根据该温度判断位于中间区域20b内托盘的温度是否高于位于上层区域20a和/或下层区 域20c内托盘的温度，且判断二者的温度差是否超出预定阈值，若是，则控制通断开关K接 通反应腔室20的中间区域20b的加热线圈分组21b和与之并联的辅助线圈22 ;若否，则控 制通断开关K断开反应腔室20的中间区域20b的加热线圈分组21b和与之并联的辅助线 圈22。所谓预定阈值，是指允许位于上层区域20a和下层区域20c内托盘各自与位于中间 区域20b的托盘之间存在的最大温度差值。
[0033] 下面具体描述采用本发明第一实施例提供的反应腔室20如何实现提高反应腔室 20坚直方向上托盘的温度均匀性。具体地，包括以下步骤：
[0034] Sl，检测单元检测位于反应腔室20的上层区域20a、中间区域20b和下层区域20c 内托盘的温度，并将其发送至控制单元；
[0035] S2,控制单元根据该温度判断位于中间区域20b内托盘的温度是否高于位于上层 区域20a和/或下层区域20c内托盘的温度，且判断二者的温度差是否超过预定阈值(例 如，50摄氏度)，若是，进入步骤S3,若否，进入步骤S4 ;
[0036] S3,控制单元控制通断开关K导通；
[0037] S4,控制单元控制通断开关K断开。
[0038] 通过上述步骤Sl?S4,可以实现将位于中间区域20b内托盘与上层区域20a、下 层区域20c内托盘之间的温度差减小。在实际应用中，反应腔室20坚直方向上也可以包括 两个或者多于三个的区域，且与每个区域相对应的加热线圈分组均与辅助线圈22并联，并 借助通断开关K控制辅助线圈22和与之并联的加热线圈分组接通或断开，在这种情况下， 温控单元根据检测单元发送的温度判断位于任意两个区域内托盘之间的温度差是否超过 预设阈值，并控制通断开关K使与温度低的托盘所在区域相对应的加热线圈分组和与之并 联的辅助线圈22接通，可以实现任意两个区域内托盘之间的温度差减小，从而可以进一步 提高反应腔室20坚直方向上托盘的温度均匀性。
[0039] 需要说明的是，在实际应用中，当位于中间区域20b内托盘的温度在工艺过程中 始终高于位于上层区域20a和/或下层区域20c内托盘的温度时，可以省去通断开关K，即， 使辅助线圈22始终与加热线圈分组21b并联，并根据实际情况具体设置辅助线圈22的材 料、匝数和数量等参数，以在一定程度上降低位于中间区域20b内托盘的加热效率，以保证 位于上层区域20a、下层区域20c内托盘的温度和位于中间区域20b内托盘之间的温度差减 小。
[0040] 还需要说明的是，在本实施例中，对应于加热线圈分组21b，多个辅助线圈22沿着 反应腔室20的径向相互嵌套，但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，如图5和图6所 示，图5为本发明第一实施例提供的第三种反应腔室的结构简图，图6为图5提供的反应腔 室的俯视图，对应于加热线圈分组21b，多个辅助线圈22沿加热线圈分组21b的周向间隔且 均匀设置，这使得多个辅助线圈22在中间区域20b产生的交变磁场相对均匀，因而可以提 高位于中间区域20b内托盘的温度均匀性，从而可以提高检测单元检测的准确性。并且，容 易理解，为了使多个辅助线圈22在中间区域20b产生的交变磁场均匀，多个辅助线圈22的 材料、匝数等参数一致，以在每个辅助线圈22中的分流电流相等。
[0041] 另外需要说明的是，在实际应用中，在辅助线圈22和与之并联的加热线圈分组 21b上均串接有通断开关K，在工艺过程中，当位于中间区域20b内托盘的温度高于位于上 层区域20a和下层区域20c内托盘的温度，且二者之间的温度差超过预定阈值时，控制单元 控制位于辅助线圈22上的通断开关K导通和位于加热线圈分组21b上的通断开关K断开， 以将辅助线圈22接入主线圈21，这使得该加热线圈分组21b的电流为零，则位于中间区域 20b内托盘在该加热线圈分组21b作用下的加热效率为零，但由于辅助线圈22螺旋缠绕在 加热线圈分组21b的外侧，使得具有电流i辅助线圈22在中间区域20b内产生的交变磁场 强度小于同样具有电流}的加热线圈分组21b在中间区域20b内产生的交变磁场强度，因此 不仅可以实现降低位于中间区域21b内托盘的加热效率，使中间区域20b内托盘与位于上 层区域20a、下层区域20c内托盘之间的温度差减小，而且由于具有电流}的辅助线圈22可 以对位于该中间区域20b内的托盘进行加热，可以防止位于中间区域20b托盘的加热效率 过低，从而可以提高交流电源输出功率的利用率。
[0042] 当位于中间区域20b内托盘的温度不高于位于上层区域20a和下层区域20c内托 盘的温度，或者，高于位于上层区域20a和下层区域20c内托盘的温度且二者之间的温度差 不超过预定阈值时，控制单元控制位于辅助线圈22上的通断开关K断开和位于加热线圈分 组21b上的通断开关K导通，以通过加热线圈分组21b对位于该中间区域20b内的托盘进 行加热。
[0043] 作为另一种技术方案，本发明还提供一种等离子体加工设备，其包括反应腔室20。 其中，反应腔室采用本实施例提供的上述反应腔室。
[0044] 本实施例提供的等离子体加工设备，其采用本实施例提供的上述反应腔室，其可 以提高反应腔室坚直方向上托盘的温度均匀性，从而可以提高工艺质量和良品率。
[0045] 可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施 方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原 理和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种反应腔室，其包括多层托盘和加热装置，其中，所述多层托盘设置在所述反应腔 室内，且沿其坚直方向间隔设置，用以承载被加工工件；所述加热装置包括感应线圈和与之 电连接的交流电源，用以采用感应加热的方式加热托盘，从而间接加热被加工工件，其特征 在于，所述感应线圈包括主线圈和至少一个辅助线圈，其中 所述主线圈螺旋缠绕在所述反应腔室的侧壁外侧，形成对应于所述反应腔室坚直方向 上不同区域的多个加热线圈分组，在每个所述反应腔室坚直方向上不同区域内包含至少一 层所述托盘； 每个所述辅助线圈位于所述主线圈的外侧，并且所述辅助线圈根据所述反应腔室坚直 方向上不同区域的温度需求，与对应于所述反应腔室坚直方向上相应区域的加热线圈分组 并联。
2. 根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述加热装置还包括通断开关，所述 通断开关的数量与所述辅助线圈的数量相对应，并且每个所述通断开关用于接通或断开所 述辅助线圈和与之并联的所述加热线圈分组。
3. 根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述主线圈包括对应于所述反应腔 室坚直方向上的上层区域、中间区域和下层区域的三个加热线圈分组，并且 所述辅助线圈与对应于所述反应腔室的中间区域的加热线圈分组并联。
4. 根据权利要求2所述的反应腔室，其特征在于，所述加热装置还包括检测单元和控 制单元，其中 所述检测单元用于分别检测位于所述反应腔室的上层区域、中间区域和下层区域内托 盘的温度，并将其发送至所述控制单元； 所述控制单元用于基于所述温度判断位于所述中间区域内托盘的温度是否高于位于 上层区域和/或下层区域内托盘的温度，且判断二者的温度差是否超出预定阈值，若是，则 控制所述通断开关接通所述反应腔室的中间区域的加热线圈分组和与之并联的所述辅助 线圈；若否，则控制所述通断开关断开所述反应腔室的中间区域的加热线圈分组和与之并 联的所述辅助线圈。
5. 根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，对应于每个所述加热线圈分组，所述 辅助线圈的数量为多个，每个所述辅助线圈与所述加热线圈分组并联，且螺旋缠绕在所述 加热线圈分组的外侧，并且 多个所述辅助线圈沿着所述反应腔室的径向相互嵌套。
6. 根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，对应于每个所述加热线圈分组，所述 辅助线圈的数量为多个，每个所述辅助线圈与所述加热线圈分组并联，并且 多个所述辅助线圈沿所述加热线圈分组的周向间隔且均匀设置。
7. 根据权利要求4所述的反应腔室，其特征在于，所述检测单元的数量与所述反应腔 室坚直方向上的不同区域的数量对应。
8. 根据权利要求4所述的反应腔室，其特征在于，所述检测单元包括温度传感器。
9. 根据权利要求4所述的反应腔室，其特征在于，所述检测单元包括热电偶。
10. -种等离子体加工设备，其包括反应腔室，其特征在于，所述反应腔室采用上述权 利要求1-9任意一项所述的反应腔室。
【文档编号】C30B25/08GK104419910SQ201310404873
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年9月5日 优先权日:2013年9月5日
【发明者】李红 申请人:北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司