反应腔室及外延生长设备的制作方法
【专利摘要】本发明提供的反应腔室及外延生长设备，其包括设置在其内的多个托盘，以及环绕在其外周壁上的感应线圈；感应线圈与交流电源连接，用以采用感应加热的方式加热托盘，其包括至少两个彼此独立的子线圈，且沿反应腔室的外周壁的周向排列；交流电源的数量与子线圈的数量相对应，且二者一一对应地电连接，通过独立控制每个交流电源向与之对应的子线圈提供的交变电流的相位和/或大小，使由各个子线圈产生的交变磁场相互作用，以使每个托盘各个区域的温度趋于均匀。本发明提供的反应腔室可以在对设置于反应腔室中的托盘进行加热，并使每个托盘上的各个区域具有均匀的温度，以提高工艺的均匀性。
【专利说明】反应腔室及外延生长设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及微电子加工【技术领域】，具体地，涉及一种反应腔室及外延生长设备。
【背景技术】
[0002]采用金属有机化合物化学气相沉积(Metal Organic Chemical VaporDeposit1n,以下简称MOCVD)设备制备薄膜的原理是将II或III族金属有机化合物与IV或V族元素的氢化物相混合后通入反应腔室，混合后的气体在加热的衬底表面发生热分解反应，并在衬底表面外延生长形成薄膜。
[0003]典型的MOCVD设备包括反应系统、气体输送系统以及尾气处理系统。图1为MOCVD设备中反应系统的结构简图。请参阅图1，MOCVD设备包括反应腔室1，在反应腔室I内设置有沿竖直方向间隔设置的多个由石墨等耐高温的磁导体材料制作的托盘2，用以承载被加工工件；而且，在反应腔室I的侧壁外侧缠绕有感应线圈3，其缠绕方式具体为:沿竖直方向呈螺旋状缠绕在反应腔室I的侧壁外侧，如图2所示，并且，感应线圈与交流电源(图中未示出)连接，当感应线圈3内通入交变流电时，其在反应腔室I内产生交变磁场，从而在托盘2内将感应出交变的涡电流，涡电流将托盘2加热，进而间接地将置于托盘2上的被加工工件加热至工艺所需的温度。
[0004]在使用感应线圈加热被加工工件的过程中，由于感应加热的集肤效应，交变磁场的分布如图2中的阴影区域4所示，交变磁场的分布主要集中在各层托盘2的边缘区域，导致托盘2边缘区域感应出的涡电流的分布密度大于在中心区域感应出的涡电流的分布密度，这使得托盘2边缘区域产生的热量比中心区域产生的热量多，从而导致托盘2边缘区域的温度高于中心区域的温度，进而导致被加工工件边缘区域与中心区域之间存在温差，降低了工艺的均匀性。
【发明内容】
[0005]本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种反应腔室及外延生长设备，其可以在对设置于反应腔室中的托盘进行加热，并使每个托盘上的各个区域具有均匀的温度，以提高工艺的均匀性。
[0006]为实现本发明的目的而提供一种反应腔室，包括设置在其内的多个托盘，以及环绕在所述反应腔室的外周壁上的感应线圈，其中，所述多个托盘采用磁导体材料制作，且沿竖直方向间隔设置，用以承载被加工工件；所述感应线圈与交流电源连接，用以采用感应加热的方式加热所述托盘，其特征在于，所述感应线圈包括至少两个彼此独立的子线圈，且沿所述反应腔室的周向排列；所述交流电源的数量与所述子线圈的数量相对应，且二者一一对应地电连接，通过独立控制每个所述交流电源向与之对应的所述子线圈提供的交变电流的相位和/或大小，使由各个子线圈产生的交变磁场相互作用，以使每个托盘各个区域的温度趋于均匀。
[0007]其中，每个所述子线圈为在一弧面内螺旋缠绕的弧面线圈，并且所述弧面和与之相对的所述反应腔室的外周壁的弧面相对应。
[0008]其中，所述至少两个子线圈的形状和大小完全相同。
[0009]其中，在所述反应腔室的外周壁上，且位于每个所述子线圈中的相邻两匝线圈之间设置有至少一个绝缘柱，用以支撑所述子线圈，并隔离相邻的两匝线圈。
[0010]其中，所述绝缘柱包括金属柱，在所述金属柱的外表面上设置有绝缘层。
[0011]其中，所述反应腔室还包括测温单元，用以测量每个托盘各个区域的温度；根据每个托盘各个区域的温度而获得每个所述交流电源向与之对应的所述子线圈提供的交变电流的相位和/或大小，以使每个托盘各个区域的温度趋于均匀。
[0012]其中，所述测温单元包括数量与所述托盘相对应的红外温度传感器，并且所述红外温度传感器一一对应地设置在所述托盘的斜上方，用以测量所述托盘各个区域的温度。
[0013]其中，所述反应腔室还包括控制单元，所述控制单元用于接收分别由每个所述红外温度传感器发送而来的温度信号，并根据该温度信号调节相应的所述交变电源输出的交变电流的相位和/或大小。
[0014]其中，所述反应腔室还包括存储单元，所述存储单元用于预先存储加热时间、每个托盘各个区域的温度之差以及每个所述交流电源向与之对应的所述子线圈提供的交变电流的相位和/或大小之间的对应关系；所述控制单元接收分别由每个所述红外温度传感器发送而来的温度信号，并读取所述存储单元中当前加热时间，与该温度信号相对应的每个所述交流电源向与之对应的所述子线圈提供的交变电流的相位和/或大小，且控制各个所述交变电源输出与之相同相位和/或大小的交变电流。
[0015]作为另一个技术方案，本发明还提供一种外延生长设备，包括反应腔室，所述反应腔室采用了本发明提供的上述反应腔室。
[0016]本发明具有以下有益效果:
[0017]本发明提供的反应腔室，其通过在其外周壁上环绕至少两个彼此独立的子线圈，且使各个子线圈一一对应地与交流电源电连接，可以通过独立控制每个交流电源向与之对应的子线圈提供的交变电流的相位和/或大小，而使由各个子线圈产生的交变磁场相互作用，从而可以使每个托盘各个区域的温度趋于均匀，进而可以提高置于托盘上的被加工工件的温度均匀性，提高工艺均匀性。
[0018]本发明提供的外延生长设备，其通过采用本发明提供的上述反应腔室，可以提高被加工工件的温度均匀性，从而可以提高工艺均匀性。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为MOCVD设备中反应系统的结构简图；
[0020]图2为图1所示MOCVD设备中反应系统对托盘进行加热的加热方式示意图；
[0021]图3为本实施例提供的反应腔室的剖视图；
[0022]图4A为本实施例提供的反应腔室的主视图；
[0023]图4B为本实施例提供的反应腔室的侧视图；以及
[0024]图4C为本实施例提供的反应腔室的俯视图。
【具体实施方式】
[0025]为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供反应腔室及外延生长设备进行详细描述。
[0026]图3为本实施例提供的反应腔室的剖视图。图4A为本实施例提供的反应腔室的主视图。图4B为本实施例提供的反应腔室的侧视图。图4C为本实施例提供的反应腔室的俯视图。请一并参阅图3、图4A、图4B和图4C。反应腔室20包括设置在其内的多个托盘24，以及环绕在反应腔室20的外周壁上的感应线圈。其中，多个托盘24采用石墨等的磁导体材料制作，且沿竖直方向间隔设置，用以承载被加工工件；感应线圈与交流电源连接，用以采用感应加热的方式加热托盘24，从而间接加热被加工工件。
[0027]在本实施例中，感应线圈包括沿反应腔室的外周壁排列的两个彼此独立的子线圈(211，212)，两个子线圈(211，212)的形状和大小完全相同，其均为在一弧面内螺旋缠绕的弧面线圈，且该弧面和与之相对的反应腔室20的外周壁的弧面相对应，如图4C所示。并且，交流电源的数量与子线圈的数量相对应，即:两个交流电源(221，222)，且交流电源(221，222)与子线圈(211，212)——对应地电连接，可以通过独立控制每个交流电源向与之对应的子线圈提供的交变电流的相位和/或大小，而使由各个子线圈产生的交变磁场相互作用，从而可以使每个托盘24各个区域的温度趋于均匀，进而可以提高置于托盘24上的被加工工件的温度均匀性，提高工艺均匀性。
[0028]例如，如图4C所示，两个子线圈(211，212)各自产生的磁场为图4C中阴影部分，当使两个交流电源(221，222)同时向子线圈(211，212)通入大小相等，且相位相差180°的电流时，两个子线圈(211，212)各自产生的磁场相互吸引，以向彼此靠近，从而可以增加反应腔室20中心区域的磁场分布，这在托盘24中心区域的温度较低时，可以弥补托盘24的中心区域和边缘区域的温度差，从而可以使托盘24的温度趋于均匀。与之相类似的，当使两个交流电源(221，222)同时向子线圈(211，212)通入大小相等，且相位相同的电流时，两个子线圈(211，212)各自产生的磁场相互排斥，这使得托盘24边缘区域的温度较低，可以减小托盘24的中心区域和边缘区域的温度差,从而可以使托盘24的温度整体趋于均匀。
[0029]又如，当使两个交流电源(221，222)同时向子线圈(211，212)通入大小不等，且相位相差180°的电流时，则两个子线圈(211，212)各自产生的磁场会向电流较大的一侧偏移，即，针对托盘24的温度较低的相应位置而调整两个交流电源(221，222)的电流和/或相位，以使托盘24各个区域的温度趋于均匀。
[0030]由于两个在反应腔室20的外周壁上对称设置的子线圈(211，212)在通入电流之后产生的磁场的相互作用关系最为简单，这便于对通入子线圈的交变电流的相位和/或大小进行控制，以使两个子线圈产生的交变磁场相互作用，从而每个托盘24各个区域的温度趋于均匀。
[0031]在本实施例中，在反应腔室20的外周壁上，且位于每个子线圈中的相邻两匝线圈之间设置有至少一个绝缘柱23，其包括金属柱以及设置于金属柱外表面上的绝缘层，用以支撑子线圈，以及隔离相邻的两匝线圈。在实际应用中，绝缘柱23也可以采用绝缘材料制作。
[0032]在本实施例中，反应腔室20还包括测温单元和控制单元。其中，测温单元用于测量每个托盘24各个区域的温度，并将其发送至控制单元，具体地，测温单元包括数量与托盘24相对应的红外温度传感器，每个红外温度传感器设置在与之相对应的托盘24的斜上方，用以在工艺过程中实时测量该托盘24各个区域的温度，并将其发送至控制单元。控制单元根据每个托盘24各个区域的温度而获得每个交流电源向与之对应的子线圈提供的交变电流的相位和/或大小，以使每个托盘24各个区域的温度趋于均匀。
[0033]在实际应用中，若相邻的两个托盘24之间的竖直间距较小，这使得设置在各个托盘24斜上方的红外温度传感器无法对托盘24各个区域的温度进行测量，在这种情况下，可以采用提前标定的方式获得各个托盘24在整个升温过程中的温度分布。该提前标定的方式具体为:预先在各个托盘24上设置多个热电偶；对置于该托盘24上的被加工工件进行一次工艺；在进行该工艺的过程中，利用热电偶测量并记录托盘24各个区域的温度，而获得加热时间、每个托盘24各个区域的温度之差以及每个交流电源向与之对应的子线圈提供的交变电流的相位和/或大小之间的对应关系。在进行正式的工艺时，借助该对应关系控制每个交流电源向与之对应的子线圈提供的交变电流的相位和/或大小，以使每个托盘24各个区域的温度趋于均匀。
[0034]优选地，反应腔室20还包括存储单元，其用于预先存储加热时间、每个托盘24各个区域的温度之差以及每个交流电源向与之对应的子线圈提供的交变电流的相位和/或大小之间的对应关系，容易理解，该对应关系可以通过上述提前标定获得。在进行工艺的过程中，若在各个托盘24斜上方设置有红外温度传感器，则控制单元接收由红外温度传感器发送而来的温度信号，其读取存储单元中当前加热时间，与该温度信号相对应的交流电源向与之对应的子线圈提供的交变电流的相位和/或大小，且控制各个交变电源输出与之相同相位和/或大小的交变电流。若无法设置红外温度传感器，则控制单元可以根据当前加热时间读取存储单元中与该加热时间相对应的交流电源向与之对应的子线圈提供的交变电流的相位和/或大小，而控制各个交变电源输出与之相同相位和/或大小的交变电流。
[0035]由上可知，可以根据采用上述提前标定的方式而预先获得的加热时间、每个托盘24各个区域的温度之差以及每个交流电源向与之对应的子线圈提供的交变电流的相位和/或大小之间的对应关系，来控制每个交流电源向与之对应的子线圈提供的交变电流的相位和/或大小。例如，对应在托盘24升温过程中100?200°C，200?300°C等的不同温度段，可以控制交流电源向子线圈交替通入大小相等、相位相差180°的电流和大小相等、相位相同的电流。
[0036]需要说明的是，在本实施例中，感应线圈包括两个彼此独立的子线圈，但本发明并不限于此，在实际应用中，感应线圈还可以包括三个以上彼此独立的子线圈，且交流电源一一对应地与子线圈电连接；而且，各个子线圈的大小和形状可以相同，也可以不同，只要通过控制每个交流电源向与之对应的子线圈提供的交变电流的相位和/或大小，可以使每个托盘24各个区域的温度趋于均匀即可。
[0037]综上所述，本实施例提供的反应腔室，其通过在其外周壁上环绕至少两个彼此独立的子线圈，且使各个子线圈一一对应地与交流电源电连接，可以通过独立控制每个交流电源向与之对应的子线圈提供的交变电流的相位和/或大小，而使由各个子线圈产生的交变磁场相互作用，从而可以使每个托盘各个区域的温度趋于均匀，进而可以提高置于托盘上的被加工工件的温度均匀性，提高工艺均匀性。
[0038]作为另一个方案，本发明还提供一种外延生长设备，其包括反应腔室，该反应腔室采用了上述实施例提供的反应腔室。
[0039]本实施例提供的外延生长设备，其通过采用本实施例提供的上述反应腔室，可以提高被加工工件的温度均匀性，从而可以提高工艺均匀性。
[0040]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，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，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，包括设置在其内的多个托盘，以及环绕在所述反应腔室的外周壁上的感应线圈，其中，所述多个托盘采用磁导体材料制作，且沿竖直方向间隔设置，用以承载被加工工件；所述感应线圈与交流电源连接，用以采用感应加热的方式加热所述托盘，其特征在于，所述感应线圈包括至少两个彼此独立的子线圈，且沿所述反应腔室的周向排列； 所述交流电源的数量与所述子线圈的数量相对应，且二者一一对应地电连接，通过独立控制每个所述交流电源向与之对应的所述子线圈提供的交变电流的相位和/或大小，使由各个子线圈产生的交变磁场相互作用，以使每个托盘各个区域的温度趋于均匀。
2.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，每个所述子线圈为在一弧面内螺旋缠绕的弧面线圈，并且所述弧面和与之相对的所述反应腔室的外周壁的弧面相对应。
3.根据权利要求1或2所述的反应腔室，其特征在于，所述至少两个子线圈的形状和大小完全相同。
4.根据权利要求2所述的反应腔室，其特征在于，在所述反应腔室的外周壁上，且位于每个所述子线圈中的相邻两匝线圈之间设置有至少一个绝缘柱，用以支撑所述子线圈，并隔离相邻的两匝线圈。
5.根据权利要求4所述的反应腔室，其特征在于，所述绝缘柱包括金属柱，在所述金属柱的外表面上设置有绝缘层。
6.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述反应腔室还包括测温单元，用以测量每个托盘各个区域的温度； 根据每个托盘各个区域的温度而获得每个所述交流电源向与之对应的所述子线圈提供的交变电流的相位和/或大小，以使每个托盘各个区域的温度趋于均匀。
7.根据权利要求6所述的反应腔室，其特征在于，所述测温单元包括数量与所述托盘相对应的红外温度传感器，并且所述红外温度传感器一一对应地设置在所述托盘的斜上方，用以测量所述托盘各个区域的温度。
8.根据权利要求7所述的反应腔室，其特征在于，所述反应腔室还包括控制单元，所述控制单元用于接收分别由每个所述红外温度传感器发送而来的温度信号，并根据该温度信号调节相应的所述交变电源输出的交变电流的相位和/或大小。
9.根据权利要求8所述的反应腔室，其特征在于，所述反应腔室还包括存储单元，所述存储单元用于预先存储加热时间、每个托盘各个区域的温度之差以及每个所述交流电源向与之对应的所述子线圈提供的交变电流的相位和/或大小之间的对应关系； 所述控制单元接收分别由每个所述红外温度传感器发送而来的温度信号，并读取所述存储单元中当前加热时间，与该温度信号相对应的每个所述交流电源向与之对应的所述子线圈提供的交变电流的相位和/或大小，且控制各个所述交变电源输出与之相同相位和/或大小的交变电流。
10.一种外延生长设备，包括反应腔室，其特征在于，所述反应腔室采用了如权利要求1-9任意一项所述的反应腔室。
【文档编号】C23C16/46GK104233233SQ201310252607
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年6月24日 优先权日:2013年6月24日
【发明者】蒲春 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