反应腔室以及设置有该反应腔室的半导体处理设备的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种反应腔室以及设置有该反应腔室的设备，涉及半导体设备领域，可解决现有反应腔体安装维护麻烦，石英筒容易受径向应力碎裂的问题。本发明所述反应腔室包括：反应腔，以及覆盖于所述反应腔顶端的反应腔上盖，所述反应腔包括：呈桶状的金属腔体，与所述反应腔上盖密封连接；嵌套于所述金属腔体内的石英筒，设置在所述石英筒的外壁的感应加热线圈；以及，嵌套于所述石英筒内的带孔石墨筒。
【专利说明】反应腔室以及设置有该反应腔室的半导体处理设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体设备领域，尤其涉及一种反应腔室以及设置有该反应腔室的半导体处理设备。
【背景技术】
[0002]金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD, Metal-organic Chemical VaporDeposit1n)是在气相外延生长的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术,具有对组分层厚界面能够精确控制、较低的维护费用、规模化的工业生产等优点，因此逐步成为砷化镓、磷化铟、氮化镓等光电子材料的主要量产技术。
[0003]MOCVD设备一般包括反应腔室、气体输运系统、尾气处理系统、控制系统、基片传输系统等。其中，反应腔室是MOCVD设备最核心的硬件，也是MOCVD设备设计中研究较多的领域。现有MOCVD反应腔室的基本结构如图1所示，由反应腔上盖21、反应腔基座22和石英筒23构成的反应腔20，反应腔20的内部摆放有垂直排列的多层石墨托盘24。在反应腔20的外壁上还安装感应线圈25，感应线圈25与石墨托盘24同心放置，感应线圈25和中高频的RF电源连接，采用感应加热方式对MOCVD反应室内的石墨托盘24进行加热。
[0004]石英筒23采用透明石英玻璃材质，耐温高，做工艺时能够实时观察反应腔内部全貌，判断工艺过程，但发明人发现也存在如下问题:
[0005]1.石英筒作为反应腔外壁，但对上下基座加工、安装等要求加高，且维护麻烦，一旦加工设计有误差，石英筒容易受应力碎裂。
[0006]2、石英筒需上下与反应腔基座为周向密封结构(一般采用密封环)，石英筒受轴向应力较大，密封环处冷却结构不易设计，且密封环装卸麻烦。
[0007]3、感应线圈放置在反应腔体外，需要额外设计绝缘及遮挡机构，以免不小心触碰，存在安全风险；
[0008]4、石英筒为作为反应腔外壁，为热壁结构，做工艺时，存在触摸烫伤的风险。
【发明内容】
[0009]本发明提供一种反应腔室以及设置有该反应腔室的半导体处理设备，可解决现有反应腔体安装维护麻烦，石英筒容易受径向应力碎裂的问题。
[0010]一方面，本发明实施例提供一种反应腔室，包括:反应腔，以及覆盖于所述反应腔顶端的反应腔上盖，所述反应腔包括:
[0011]呈桶状的金属腔体，与所述反应腔上盖密封连接；
[0012]嵌套于所述金属腔体内的石英筒，设置在所述石英筒的外壁的感应加热线圈；以及，
[0013]嵌套于所述石英筒内的带孔石墨筒。
[0014]进一步地，所述金属腔体还包括:设置在所述金属腔体底壁上的第一支撑结构，
[0015]所述石英筒与带孔石墨筒设置在所述第一支撑结构上，所述石英筒和带孔石墨筒均与所述反应腔上盖之间保留有间隙。
[0016]优选地，所述第一支撑结构的顶部设置有两个弧形缺口，所述石英筒与带孔石墨筒分别置于所述弧形缺口内，且所述带孔石墨筒与所述石英筒均与所述弧形缺口的侧面保留有间隙。
[0017]进一步地，所述金属腔体还包括:筒状隔热层，
[0018]及第二支撑结构，所述第二支撑结构位于所述金属腔体的内侧壁上用于支撑所述筒状隔热层以使所述筒状隔热层位于所述金属腔体和所述石英筒之间。
[0019]优选地，所述第二支撑结构与所述金属腔体一体成型。
[0020]优选地，在所述反应腔上盖的边缘和中央位置还分别设置有相互不连通的环状水冷槽，分别用于冷却密封圈和进气系统，所述密封圈设置在所述反应腔上盖和所述金属腔体之间，用于使所述金属腔体和反应腔上盖密封连接，所述进气系统设置在所述反应腔上盖的中央位置，用于向反应腔内输入工作气体。
[0021]优选地，在所述金属腔体的底壁、侧壁和所述侧壁的顶端还分别设置有相互不连通的环状水冷槽，其中，
[0022]位于所述金属腔体的底部的环状水冷槽用于冷却位于所述金属腔体外部底端的磁流体，所述磁流体用于向旋转系统提供动力，所述旋转系统用以使反应腔室内的石墨托盘进行旋转；
[0023]位于所述金属腔体的侧壁的环状水冷槽用于冷却所述金属腔体；
[0024]位于所述金属腔体的侧壁的顶端的环状水冷槽用于冷却所述密封圈，所述密封圈设置在所述反应腔上盖和所述反应腔的金属腔体之间，用于使所述金属腔体和反应腔上盖密封连接。
[0025]优选地，对所述金属腔体的内表面进行抛光处理，或者在所述金属腔体的内表面设置有反射层。
[0026]优选地，所述金属腔体由不锈钢制成。
[0027]进一步地，所述的反应腔室，还包括:
[0028]设置在所述反应腔内的多层石墨托盘，
[0029]第一保温层和第二保温层，分别设置在所述多层石墨托盘的顶端和底端用于使得多层石墨托盘温度分布均匀。
[0030]另一方面，本发明实施例还提供一种半导体处理设备，设置有上面任一项所述的反应腔室。
[0031]所述半导体处理设备为金属有机化合物化学气相沉积MOCVD设备。
[0032]本发明实施例提供的反应腔室以及设置有该反应腔室的半导体处理设备，采用桶状的金属腔体，石英筒、带孔石墨筒内置于金属腔体内，感应加热线圈设置在石英筒的外壁上，反应腔上盖与金属腔体密封连接，这样，石英筒不需要做密封设计，加工、安装要求低，可维护性好，解决了现有反应腔体安装维护麻烦，石英筒容易受径向应力碎裂的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0034]图1为现有MOCVD反应室的结构示意图；
[0035]图2为本发明实施例提供的反应腔室的结构示意图；
[0036]图3为本发明实施例反应腔室的第一支撑结构的结构示意图；
[0037]图4为本发明实施例反应腔室的第二支撑结构的结构示意图；
[0038]图5为本发明实施例反应腔室的第一支撑结构与排气口的位置关系示意图。
[0039]附图1的标记说明
[0040]20-反应腔，21-反应腔上盖，22-反应腔基座，23-石英筒，24-石墨托盘，25-感应线圈；
[0041]附图2-5的标记说明
[0042]1-进气系统，(I)-第一保温层，(2)-第二保温层，3-石墨托盘，4-旋转系统，5-带孔石墨筒，6-石英筒，7-感应加热线圈，8-金属腔体，9-反应腔上盖，10-环状水冷槽，
11-密封圈，12-排气口，13-磁流体，14-第一支撑结构，141-弧形缺口，15-第二支撑结构，16-筒状隔热层。
【具体实施方式】
[0043]本发明实施例提供一种反应腔室以及设置有该反应腔室的半导体处理设备，可解决现有反应腔体安装维护麻烦，石英筒容易受径向应力碎裂的问题。
[0044]下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。此处所描述的【具体实施方式】仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0045]实施例
[0046]本发明实施例提供一种反应腔室，如图2所示，该反应腔室包括:反应腔，以及覆盖于反应腔顶端的反应腔上盖9,反应腔还包括:
[0047]呈桶状的金属腔体8，与反应腔上盖9密封连接；
[0048]嵌套于金属腔体8内的石英筒6，设置在石英筒6的外壁的感应加热线圈7 ;以及，
[0049]嵌套于石英筒6内的带孔石墨筒5。
[0050]本发明实施例提供的反应腔，采用金属腔体，易加工，可承受应力大，不易碎裂。石英筒设置于金属腔体内，金属腔体与反应腔上盖密封连接，这样，石英筒不需要做真空密封设计，加工、安装要求低，可维护性好，解决了现有反应腔体安装维护麻烦，石英筒容易受径向应力碎裂的问题。
[0051 ] 具体地，金属腔体8底壁上设置有第一支撑结构14，石英筒6与带孔石墨筒5设置在第一支撑结构14上，石英筒6和带孔石墨筒5均与反应腔上盖9之间保留有间隙，在顶部无其它部件的挤压应力，受热时在纵向可自由膨胀。
[0052]优选地，如图2和3所示，第一支撑结构14的顶部设置有两个弧形缺口 141，弧形缺口 141保证一定深度，石英筒6与带孔石墨筒5分别放置在弧形缺口 141内保持稳定，且石英筒6与带孔石墨筒5均与弧形缺口 141的侧面保留有间隙，在径向及轴向方向上均无其它部件的挤压应力，受热时可自由膨胀。
[0053]第一支撑结构14可以为一个或多个，第一支撑结构14为一个时也呈筒状；第一支撑结构14为多个时，外形不作不限定，但是多个第一支撑结构14沿圆周方向均匀分布(如图5所示，第一支撑结构14沿圆周方向均布4处)，第一支撑结构14坐落在反应腔底部，远离排气口 12,不影响底部排气系统,如图5所不。
[0054]进一步地，如图2、4所示，所述反应腔还包括筒状隔热层16，及第二支撑结构15，第二支撑结构15位于金属腔体8的内侧壁上用于支撑筒状隔热层16以使筒状隔热层16位于金属腔体8和石英筒6之间。第二支撑结构15和筒状隔热层16均设置在金属腔体8和石英筒6之间。筒状隔热层16可避免反应腔壁温度过高，以免不小心触碰，避免存在安全风险。
[0055]优选地，也可以在第二支撑结构15的顶部设置槽状结构(例如弧形缺口 )。第二支撑结构15也可以为一个或多个，第二支撑结构15为多个时需沿圆周方向均匀分布。
[0056]可选地，第二支撑结构15可以如图2所示与金属腔体8 —体成型，也可以如图4所示，第二支撑结构15独立于金属腔体8。
[0057]此外，优选地，金属腔体8的内表面还可以进行抛光处理，或者在所述金属腔体8的内表面设置有反射层，用以将反应腔内辐射的热量反射回去。
[0058]进一步地，反应腔室内设置有多层石墨托盘3，以及用以旋转石墨托盘3的旋转系统4，还设置有第一保温层(I)和第二保温层(2)用于使得多层石墨托盘3温度分布均匀。第一保温层(I)和第二保温层(2)分别设置在多层石墨托盘3的顶端和底端，且优选地第一保温层(I)和第二保温层(2)的形状、面积与反应腔的内径相差不大。第一保温层(I)和第二保温层(2)的面积既要尽可能遮挡石墨托盘3，以反射辐射的热量，又要保证不影响石墨托盘3的升降、旋转。
[0059]在金属腔体8内设置筒状隔热层16、石英筒6、在多层石墨托盘3的顶端和底端设置第一保温层(I)和第二保温层(2)，以及对金属腔体8的内表面进行抛光处理或者设置反射层，均可增强金属腔体8的保温效果，降低工艺过程中的热量损失，最大程度地利用能量,从而降低生产成本。
[0060]此外,在反应腔上盖9和反应腔的金属腔体8之间设置有密封圈11,用于使金属腔体8和反应腔上盖9密封连接，形成一密封空间(反应腔室内为密封的反应空间)，密封圈11 一般塑胶制品，而工艺过程中反应腔内温度一般比较高，为避免密封圈11损坏以及不小心触碰存在的安全风险，保证设备正常运转以及快速降温等，需要设置冷却系统(一般为水冷设施)。
[0061]在本实施例的一种优选实施方式中，金属腔体8、反应腔上盖9、以及反应腔底部均为冷壁结构，壁内开出多个水冷槽，每处水冷槽均引出两个接头，分别为进水与出水，从而形成循环冷却系统。
[0062]具体地，在反应腔上盖9的边缘和中央位置还设置有两处相互不连通的环状水冷槽10，分别用于冷却密封圈11和进气系统1，密封圈11设置在反应腔上盖9和反应腔的金属腔体8之间，用于使金属腔体8和反应腔上盖9密封连接；进气系统I设置在反应腔上盖9的中央位置，用于向反应腔内输入工作气体。反应腔上盖9的边缘的环状水冷槽10主要用于冷却密封圈11，中央位置的环状水冷槽10主要用于冷却进气系统I以及进气系统I与反应腔上盖9处的密封圈(图中未示出)。
[0063]具体地，在金属腔体8的底壁、侧壁和侧壁的顶端还分别设置有三处不连通的环状水冷槽10,其中,位于金属腔体8底壁的环状水冷槽10用于冷却位于金属腔体8外部底端的磁流体13，磁流体13用于向旋转系统4提供动力，旋转系统4用以使反应腔室内的石墨托盘3进行旋转。位于金属腔体8的侧壁的环状水冷槽10用于冷却金属腔体8 ;位于金属腔体8的侧壁的顶端的环状水冷槽10用于冷却密封圈11,密封圈11设置在反应腔上盖9和反应腔的金属腔体8之间,用于使金属腔体8和反应腔上盖9密封连接。
[0064]此外，优选地，感应加热线圈7呈中空螺旋状结构，内部设置有冷却水循环管道。感应加热线圈7放置在反应腔体内，感应加热线圈7的电极在反应腔腔体8底部通过引线(Elctrical feedthrough)导出，使用时感应加热线圈7加电,透过石英筒6对带孔石墨筒5、石墨托盘3加热，感应加热线圈7设置在反应腔内，安全性较高。
[0065]优选地，所述金属腔体8由不锈钢制成，与石英壁形成的反应腔相比，采用不锈钢腔体结构，安全性高，且可维护性能好。
[0066]基于上述结构描述的反应腔室在工艺过程中，工艺气体通过顶部的进气系统I通入反应腔，反应气体与石墨托盘3上的待反应加工件反应生成薄膜，反应气体及反应后的副产物流过带孔石墨筒5，从带孔石墨筒5与石英筒6之间的通道向下从排气口 12排出反应腔。本发明实施例提供的反应腔室可带来如下的有益效果:
[0067]1、采用金属腔体结构，安装方便，且更容易真空密封，避免了石英腔壁不能受大的应力，易碎的缺点。
[0068]2、将石英筒、带孔石墨筒放在反应腔内的第一支撑结构上，受热自由膨胀，保温石英筒与石墨筒不易受应力；
[0069]3、采用金属腔体，不需考虑石英腔体易碎问题，容易打开顶盖，维护方便，安全性會泛1?。
[0070]另一方面，本发明实施例还提供一种设置有上述任一反应腔室的半导体处理设备，采用金属腔体结构，安装方便，且更容易真空密封，避免了石英腔壁不能受大的应力，易碎的缺点，维护方便，安全性能高；而且，可降低工艺过程中的热量损失，最大程度地利用电能，从而降低生产成本。所述设备可以为:物理气相沉积设备，或者化学气相沉积设备，或者干法刻蚀设备，或者其它任何需要设置反应腔室的产品或部件。
[0071 ] 可选地，所述薄膜沉积设备为金属有机化合物化学气相沉积MOCVD设备。
[0072]需要注意的是，本发明实施例所述的技术特征，在不冲突的情况下，可任意相互组合使用。
[0073]以上所述，仅为本发明的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种反应腔室，包括:反应腔，以及覆盖于所述反应腔顶端的反应腔上盖，其特征在于，所述反应腔包括: 呈桶状的金属腔体，与所述反应腔上盖密封连接； 嵌套于所述金属腔体内的石英筒，设置在所述石英筒的外壁的感应加热线圈；以及， 嵌套于所述石英筒内的带孔石墨筒。
2.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，还包括:设置在所述金属腔体底壁上的第一支撑结构， 所述石英筒与带孔石墨筒设置在所述第一支撑结构上，所述石英筒和带孔石墨筒均与所述反应腔上盖之间保留有间隙。
3.根据权利要求2所述的反应腔室，其特征在于， 所述第一支撑结构的顶部设置有两个弧形缺口，所述石英筒与带孔石墨筒分别置于所述弧形缺口内，且所述带孔石墨筒与所述石英筒均与所述弧形缺口的侧面保留有间隙。
4.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，还包括: 筒状隔热层， 及第二支撑结构，所述第二支撑结构位于所述金属腔体的内侧壁上用于支撑所述筒状隔热层以使所述筒状隔热层位于所述金属腔体和所述石英筒之间。
5.根据权利要求4所述的反应腔室，其特征在于， 所述第二支撑结构与所述金属腔体一体成型。
6.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于， 在所述反应腔上盖的边缘和中央位置还分别设置有相互不连通的环状水冷槽，分别用于冷却密封圈和进气系统，所述密封圈设置在所述反应腔上盖和所述金属腔体之间，用于使所述金属腔体和反应腔上盖密封连接，所述进气系统设置在所述反应腔上盖的中央位置，用于向反应腔内输入工作气体。
7.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于， 在所述金属腔体的底壁、侧壁和所述侧壁的顶端还分别设置有相互不连通的环状水冷槽，其中， 位于所述金属腔体的底壁的环状水冷槽用于冷却位于所述金属腔体外部底端的磁流体，所述磁流体用于向旋转系统提供动力，所述旋转系统用以使反应腔室内的石墨托盘进行旋转； 位于所述金属腔体的侧壁的环状水冷槽用于冷却所述金属腔体； 位于所述金属腔体的侧壁的顶端的环状水冷槽用于冷却所述密封圈，所述密封圈设置在所述反应腔上盖和所述反应腔的金属腔体之间，用于使所述金属腔体和反应腔上盖密封连接。
8.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于， 对所述金属腔体的内表面进行抛光处理，或者在所述金属腔体的内表面设置有反射层。
9.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，还包括: 设置在所述反应腔内的多层石墨托盘， 第一保温层和第二保温层，分别设置在所述多层石墨托盘的顶端和底端用于使得多层石墨托盘温度分布均匀。
10.一种半导体处理设备，其特征在于，所述半导体处理设备包括权利要求1-9任一项所述的反应腔室。
11.根据权利要求10所述的反应腔室，其特征在于，所述半导体处理设备为金属有机化合物化学气相沉积MOCVD设备。
【文档编号】C23C16/44GK104233225SQ201310239143
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年6月17日 优先权日:2013年6月17日
【发明者】党志泉 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