键控晶片载体的制作方法

键控晶片载体的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种用于化学气相沉积反应器的装置(10)，其理想地包括：具有内部区域(26)的反应室，安装在所述反应室内的主轴(30)，以及可释放地安装在所述主轴上以随之旋转的晶片载体(40)。所述主轴理想地具有沿着竖直旋转轴线(32)延伸的传动轴(36)以及从所述传动轴向外突出的键(80)。所述晶片载体(40)优选地具有限定了顶表面(41)和底表面(44)的主体(40a)以及至少一个构造来保持晶片(50)的晶片保持结构(43)。所述晶片载体(40)理想地还具有从所述底表面(44)延伸进入所述主体的凹部(47)，以及沿着所述横向轴线(106)从所述凹部的外围(104)向外突出的键槽(48)。所述传动轴(36)优选地接合在所述凹部(47)中并且所述键(80)优选地接合在所述键槽(48)中。
【专利说明】键控晶片载体
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请是于2012年3月20日提交的美国专利申请N0.13/424，821的在后申请，其全部内容通过引用在此并入本文。

【技术领域】
[0003]本发明涉及晶片处理装置，用于这种处理装置的晶片载体，以及处理晶片的方法。

【背景技术】
[0004]许多半导体器件通过在基板上所执行的工艺而形成。该基板典型地为晶体材料的板，通常称为“晶片”。典型地，晶片是通过生长成大晶体并且将该晶体切成盘状而形成。一种在这样的晶片上所执行的常见处理就是磊晶成长。
[0005]例如，由复合半导体，例如II1-V半导体所形成的装置典型地通过使用金属有机化学气相沉积法或者说“M0CVD”来生长复合半导体的连续层而形成。在这种处理中，晶片暴露在组合的气体中，其典型地包括作为第III主族金属的源的金属有机化合物，并且还包括第V主族元素的源，它们在晶片维持在高温时流过晶片的表面。典型地，金属有机化合物和第V主族的源与不明显参加反应的载气(例如氮)相结合。II1-V半导体的一个例子是氮化镓，其可以由有机镓化合物和氨在具有合适的晶格间距的基材(例如蓝宝石晶片)上反应而形成。典型地，在氮化镓和相关化合物的沉积过程中，晶片维持在500至1100°C数量级的温度。
[0006]可以通过在稍微不同的反应条件下在晶片的表面上连续沉积许多层从而制造复合器件，例如，加入其他第III主族或第V主族元素以改变半导体的晶体结构和能带隙。例如，在基于氮化镓的半导体上，可使用不同比例的铟、铝或者两者以改变半导体的能带隙。而且，可添加P-型和η-型掺杂剂以控制每一层的电导率。在形成了所有的半导体层之后，以及典型地，在进行了合适的电接触之后，将晶片切割成单独的器件。可以这种方式来制造例如发光二极管(LED)、激光这样的器件以及其他电子器件和光电器件。
[0007]在典型的化学气相沉积处理中，多个晶片保持在通常被称为晶片载体的部件上，使得每个晶片的顶表面暴露在晶片载体的顶表面上。随后将晶片载体放入反应室，并且在气体混合物流过晶片载体的表面时晶片载体保持在所需的温度。在处理期间，在载体上的不同晶片的顶表面上的所有点处维持均匀条件非常重要。反应气体的组成和晶片表面的温度的微小变化会导致不需要的所得到半导体器件的性能变化。
[0008]例如，如果沉积了氮化镓铟层，晶片表面温度的变化或者反应气体浓度的变化会导致沉积层的成分和能带隙的变化。因为铟具有相对高的蒸汽压，所以在晶片的表面温度较高的区域中，沉积层中的铟的比例较低并且能带隙较大。如果沉积层是LED结构的活性发光层，则该晶片所形成的LED的发光波长也会变化。因此，迄今为止在现有技术中，为了维持均匀的条件已经付出了相当大的努力。
[0009]在工业中被广泛接受的一种类型的CVD装置使用的大盘状形式的具有多个晶片保持区域的晶片载体，每个晶片保持区域适于保持一个晶片。晶片载体可释放地支撑在反应室内的主轴上，使得具有晶片的暴露表面的晶片载体的顶表面向上面向气体分布元件。当主轴旋转时，气体被向下引导到晶片载体的顶表面，并且流经顶表面，流向晶片载体的外围。使用后的气体通过排气口而排出反应室，排出口设置在晶片载体下方并且围绕着主轴的轴线分布，例如靠近反应室的外围。
[0010]使用加热元件来将晶片载体保持在所需的高温，所述加热元件典型地为设置在晶片载体的底表面之下的电阻加热元件。将这些加热元件的温度保持在高于所需的晶片表面的温度，然而气体分布元件的温度典型地维持在远低于所需的反应温度，从而防止气体过早反应。因此，热量从加热元件传递到晶片载体的底表面，并且向上流动经过晶片载体而到单个的晶片。
[0011]如美国专利6，506，252的某些实施例所述，主轴在其顶端可具有锥形的接触表面，并且晶片载体可具有锥形的接触面，该接触面位于从晶片载体的底表面延伸进入晶片载体的凹部内。主轴和晶片载体的锥形接触面构造成当把晶片载体装配在主轴上时这两者之间具有面接触。主轴的锥形接触面和晶片载体的锥形接触面之间的面接触的几何中心典型地设置在晶片载体的重心之上，使得当主轴旋转时晶片载体倾向于保持为位于主轴上。可容易地从主轴上移走晶片载体，并且替换成携带有待处理的新晶片的新的晶片载体。
[0012]CVD反应器的部件的设计很难。这样的部件必须忍受极端的温度变化(例如在室温和1000°C之间)，其必须是可替换的，能够以合理的成本生产，并且不会污染晶片。而且，机器人设备必须能够相对容易地将晶片载体放置在主轴上。虽然至今为止已经在本领域付出了相当大的努力以最优化这种系统，但是仍然期待进一步的改进。


【发明内容】

[0013]本发明提供了用于化学气相沉积反应器的装置和一种处理晶片的方法。本发明的一个方面提供了用于化学气相沉积反应器的装置，该装置包括晶片载体。晶片载体理想地包括:主体，所述主体限定了朝向相反的顶表面和底表面和大体上垂直于所述顶表面和底表面的竖直旋转轴线；至少一个晶片保持结构；凹部，所述凹部从主体的底表面延伸进入主体；以及键槽，所述键槽从凹部的外围沿着第一横向轴线向外突出而远离旋转轴线。该至少一个晶片保持结构可以构造成使得晶片可以保持在其中，同时晶片的表面暴露在主体的顶表面处。
[0014]本发明的另外一个方面提供了一种用于化学气相沉积反应器的装置，该装置包括具有内部区域的反应室以及安装在反应室内的主轴。所述主轴优选地具有沿着竖直旋转轴线延伸的传动轴，该传动轴具有顶端、从该顶端向下延伸的锥形部分以及位于该锥形部分下方的主要部分。所述传动轴还优选地具有沿着横向于竖直旋转轴线的第一横向轴线从所述传动轴的主要部分向外突出的键。该传动轴的锥形部分可以限定围绕旋转轴线延伸的锥形接触表面，并且其直径可以在远离顶端向下的方向上逐渐增加。
[0015]而且本发明的另外一个方面提供了一种用于化学气相沉积反应器的装置，该装置包括:具有内部区域的反应室，安装在反应室内的主轴，以及可释放地安装在主轴上以随其围绕竖直旋转轴线旋转的晶片载体。该主轴理想地具有沿着竖直旋转轴线延伸的传动轴以及沿着横向于竖直旋转轴线的第一横向轴线从传动轴向外突出的键。该晶片载体理想地具有限定了朝向相反的顶表面和底表面的主体以及至少一个晶片保持结构，该晶片保持结构构造成使得晶片可以保持在其中，同时晶片的表面暴露在主体的顶表面处。晶片载体优选地具有从主体的底表面延伸进入主体的凹部，以及沿着第一横向轴线从该凹部的外围向外突出的键槽。该传动轴优选地接合在凹部内，并且键优选地接合在键槽内。
[0016]在特定的实施例中，键可以具有接合到键槽内的尖端部分。该尖端部分可以具有上表面，所述上表面面向主体的位于键槽中的暴露的朝下表面并且与其间隔开，使得键并不约束主体以阻碍其相对于传动轴向下移动。在一个实施例中，传动轴可以具有顶端和锥形接触表面，所述锥形接触表面的直径在远离该顶端朝下的方向上逐渐增加。在一个示例性的实施例中，传动轴可以具有位于锥形接触表面下方的主要部分，并且键可以与传动轴的主要部分相接合。在一个特定的实施例中，晶片载体的主体可以具有朝下的凹部端表面以及位于凹部内的从凹部端表面向下延伸的锥形接触表面。主体的锥形接触表面可以至少部分地与传动轴的锥形接触表面相接触。凹部端表面可以与主轴的顶端间隔开。
[0017]在一个实施方式中，主体的锥形接触表面和传动轴的锥形接触表面之间的面接触的几何中心可以设置在主体的重心之上。在一个示例性的实施例中，键可以是第一键并且键槽可以是第一键槽。主轴还可以包括一个或多个第二键，每个第二键沿着相应的横向于竖直旋转轴线的第二横向轴线从传动轴向外突出。晶片载体还可以包括一个或者多个第二键槽，每个所述第二键槽沿着相应的一个第二横向轴线从凹部的外围向外突出。每个第二键可以接合在相应的一个第二键槽内。
[0018]在一个实施例中，主轴可以包括沿着第一横向轴线延伸穿过传动轴的孔，并且键可以包括接合在该孔内的柄。在一个示例性的实施方式中，主轴还可以限定从传动轴的顶端沿着竖直旋转轴线延伸的凹部。该主轴还可以包括可拆除地接合在凹部中的叉。该叉可具有一对叉齿。键的柄可以接合在叉的叉齿之间。在一个特定的实施例中，键的柄可具有位于叉的两个叉齿之间的中心部分和与该中心部分相邻的末端部分。该中心部分的宽度小于叉的叉齿之间的间隔距离。每个末端部分的宽度均比该间隔距离大，以便将键锁在两个叉齿之间并且由叉来保持住以防止其沿着第一横向轴线相对于传动轴移动。
[0019]在一个示例性的实施方式中，键的中心部分可包括朝向相反的大体上为平面的侧表面。每一个侧表面均可设置成与叉齿中的一个的表面相邻，以便键被叉旋转式固定，从而防止其围绕第一横向轴线旋转。在一个特定的实施例中，键和叉均可以大体上由第一材料组成，并且传动轴可以大体上由不同于第一材料的第二材料组成。在一个实施方式中，叉可包括螺纹孔，并且该螺纹孔可暴露在传动轴的顶端。在一个特定的实施例中，键可具有设置在传动轴的外侧的尖端部分。该尖端部分在平行于竖直旋转轴线的纵向方向上的高度比该孔的直径大。在一个示例性的实施方式中，键的尖端部分可具有面向传动轴的顶端的圆形上表面。在一个实施方式中，键可以是第一键，并且主轴还可包括一个或多个第二键。每个第二键均可沿着相应的横向于竖直旋转轴线的横向轴线从传动轴向外突出。
[0020]在特定的实施例中，晶片载体的至少一个晶片保持结构可以包括限定在主体的顶表面上的多个口袋。每一个口袋均可以构造成使得晶片可以保持在其中。每一个所述口袋可以具有中心。在一个实施方式中，至少一些口袋可以设置成接近旋转轴线，并且可以设置成以圆形图案围绕旋转轴线分布，在该图案中在相邻口袋的中心之间具有间隔。键槽可以与一个所述间隔对准。在一个示例性的实施方式中，至少一部分设置成圆形图案的口袋可以围绕竖直旋转轴线对称地分布。
[0021]在特定的实施方式中，晶片载体的主体可具有限定在顶表面、底表面或者在主体的顶表面和底表面之间延伸的周面中的至少一个上的参考标记。该参考标记可为对成像装置可见。该标记在围绕旋转轴线的周向方向上可以设置在相对于键槽的预定位置上。在一个实施方式中，平行于晶片载体的底表面并且包含第一横向轴线的平面可以延伸穿过该参考标记。
[0022]在一个示例性的实施例中，该装置还可以包括:编码器，所述编码器与主轴相连接并且设置成提供表示主轴的旋转方向的信号；自动化视觉系统，其适用于检测参考标记的旋转位置；以及机器人控制系统，其设置成旋转晶片载体和主轴中的至少一个，从而将键的旋转位置和键槽的旋转位置彼此对准。在特定的实施例中，晶片载体大体上可以是盘状的。在一个示例性的实施例中，键槽可以是第一键槽，并且晶片载体还可以包括一个或多个第二键槽。每个第二键槽都可以沿着相应的横向于竖直旋转轴线的横向轴线从凹部的外围向外突出。
[0023]在一个实施例中，反应室在反应室的壁或者基板上可以具有定位元件。该定位元件可以与固定在反应室上的坐标系具有已知关系。该装置还可以包括归位工具，所述归位工具适用于可移除地与主轴和定位元件相连接。在特定的实施例中，该归位工具可以具有适于在其中接收键的槽。在示例性的实施例中，主轴可以具有限定在传动轴或者键的其中至少一个上的参考标记。该标记可以在围绕旋转轴线的周向方向上设置在相对于键的预定位置上。该装置还可以包括适用于检测参考标记的旋转位置的非接触视觉系统，该视觉系统与固定在反应室上的坐标系具有已知关系。
[0024]本发明的其他方面还提供了一种处理晶片的方法。该方法理想地包括这些步骤:将至少一个晶片放置在晶片载体上，可释放地将晶片载体安装到位于反应室内的主轴上，从而使其随主轴围绕竖直旋转轴线旋转；以及，当晶片载体安装在主轴上时，围绕旋转轴线旋转主轴和晶片载体并且处理所述至少一个晶片中的每一个的顶表面。晶片载体理想地限定了朝向相反的顶表面和底表面，并且该竖直旋转轴线理想地与顶表面和底表面大体垂直。优选地，将晶片载体可释放地安装在主轴上的步骤如此执行，即使得主轴的传动轴接合到从晶片载体的底表面延伸进入晶片载体的凹部内，并且使得沿着第一横向轴线从传动轴的外围向外突出而远离旋转轴线的键可释放地接合在沿着第一横向轴线从凹部的外围向外突出而远离旋转轴线的键槽中。
[0025]在一个实施例中，该方法还可以包括以下步骤:检测主轴的旋转方向，检测晶片载体的旋转方向，以及在将晶片载体安装到主轴之前自动地将键和键槽对准。在特定的实施例中，检测晶片载体的旋转方向的步骤可以包括使用自动化视觉系统来检测晶片载体上的至少一个参考标记的位置。在示例性的实施例中，可以使用与主轴相连接的旋转编码器来执行检测主轴的旋转方向的步骤。
[0026]在特定的实施例中，该方法还可以包括如下步骤:检测主轴的旋转方向；以及将主轴的旋转方向指定为归位位置，所述归位位置与固定在反应室上的坐标系具有已知关系。在一个实施例中，该方法还可以包括，在检测和指定的步骤之前，将归位工具可移除地与主轴相连接，旋转归位工具，并且将归位工具可移除地连接到位于反应室的壁或者基板上的定位元件。定位元件可以与固定在反应室上的坐标系具有已知关系。在示例性的实施例中，检测主轴的旋转方向的步骤可以包括旋转主轴并且使用非接触视觉系统来检测主轴上的至少一个参考标记的位置。该视觉系统可以与固定到反应室的坐标系具有已知关系。

【专利附图】

【附图说明】
[0027]图1是描绘根据本发明的一个实施方式的化学气相沉积装置的立体剖面图。
[0028]图2A是图1中所示的主轴的侧视图。
[0029]图2B是图2A中所示的主轴的2B部分的局部放大侧视图。
[0030]图2C是图2A中所示的主轴的2B部分的另一个局部放大侧视图。
[0031]图2D显示了叉，其中所述叉设置成可移除地接合在图2A中的主轴的凹部中。
[0032]图2E是图2D中所示的叉的仰视图。
[0033]图2F显示了键的侧视图，其中所述键构造成可移除地接合在图2A所示的主轴和图2D所示的叉之中。
[0034]图2G是图2F中所示的键的端视图。
[0035]图2H是图2F中所示的键的侧视图。
[0036]图3A是图1中所示的晶片载体的俯视图。
[0037]图3B是图3A中所示的晶片载体沿着图3A中的线3B-3B的侧面剖视图。
[0038]图3C是图3B中所示的凹部的局部放大侧面剖视图。
[0039]图3D是图3C中所示的凹部的局部放大仰视图。
[0040]图3E是具有参考标记的晶片载体的一部分的局部放大侧面剖视图。
[0041]图4是图1中所示的化学气相沉积装置的A部分的局部放大立体剖视图。
[0042]图5是归位工具的立体图，其中所述归位工具适于校准图1中示出的主轴的定向。
[0043]图6A是图5中所示的归位工具的立体图，其中所述归位工具与根据本发明的实施方式的化学气相沉积装置相接合。
[0044]图6B是图6A中的归位工具和装置的一部分沿着图6A中的线6B-6B的局部放大侧视剖视图。
[0045]图7是具有多个键槽的晶片载体的一个实施方式的局部放大仰视图，其中该晶片载体适合用于图1中所示的化学气相沉积装置。
[0046]图8A是具有多个键的主轴的一个实施方式的立体图，其中该主轴构造成用于具有多个键槽的晶片载体，例如图7中所示的晶片载体。
[0047]图SB是具有多个键的主轴的另一个实施方式的局部放大立体剖视图，其中所示主轴与图7中所示的晶片载体相接合。

【具体实施方式】
[0048]参照图1，根据本发明的一个实施方式的化学气相沉积装置或结构10包括反应室12，反应室12具有设置在反应室12的一个端部上的进气歧管14。此处将反应室12的具有进气歧管14的端部称为反应室12的“顶”端。反应室的该端部典型地、但不是必须地在标准重力参照系中设置在反应室的顶部。因此，本文中所用的向下方向是指远离进气歧管14的方向，反之向上方向是指在反应室内朝向进气歧管14的方向；而无论这些方向与重力的向上方向或向下方向是否一致。同样地，本文参照反应室12和歧管14的参照系来描述兀件的“顶”表面和“底”表面。
[0049]反应室12具有在位于反应室顶端的顶法兰22和位于反应室底端的基板24之间延伸的圆柱形壁20。壁20、法兰22和基板24限定了位于中间的气密性密封的内部区域26，其可包含从进气歧管14进入的气体。虽然所显示的反应室12是圆柱形，其他的实施方式可包括其他形状的反应室，例如包括锥形或者其他围绕中心轴线32绕转的表面，正方形、六角形、八角形、或者任意其他合适形状。
[0050]进气歧管14与用于提供晶片处理工艺中待使用的处理气体(例如载气以及反应气体，诸如金属有机化合物和第V主族元素的源)的气体源相连。在典型的化学气相沉积工艺中，载气可以是氮气、氢气或者氮气和氢气的混合物，且因此位于晶片载体的顶表面的处理气体可以主要包括氮气和/或氢气以及一定量的反应气体组分。设置进气歧管14来接收不同的气体，并且大致沿向下方向引导处理气体流。
[0051]进气歧管14还可以与冷却系统(未示出)相连，所述冷却系统设置来使液体循环通过气体分布元件，以便在操作过程中将元件的温度维持在所需的温度。可设置类似的冷却系统(未示出)来冷却反应室12的壁。
[0052]反应室12还可以具有通向前室17和/或其他中间的晶片载体传递室的进入开口 16，以及用于关闭和打开该进入开口 16的可移动的挡板18。可以按照例如美国专利7，276，124所公开的那样来构造该挡板18，其公开内容通过引用并入本文。挡板18的形式理想地为围绕反应室12的圆周延伸的圆环。挡板18可具有内表面19，内表面19限定了反应室12的内表面。
[0053]主轴30设置在反应室内，以围绕竖直旋转轴线32旋转。主轴30的竖直旋转轴线32在反应室12的上下方向上延伸。主轴通过常规的旋转式直通机构34安装到反应室12，所述旋转式直通机构34包括轴承和密封圈(未示出)，使得主轴可围绕竖直旋转轴线32旋转，同时在反应室12的主轴30和基板24之间保持密封。
[0054]参照图2A至2C，主轴30具有沿着竖直旋转轴线32延伸的传动轴36。该传动轴具有非常接近进气歧管14的顶端70、从该顶端向下延伸的锥形部分72以及位于该锥形部分下方的主要部分74。传动轴36的锥形部分72围绕旋转轴线32延伸并且限定了锥形的接触表面73，接触表面73围绕旋转轴线32延伸并且其直径在远离顶端70的向下方向上逐渐增加。例如，锥形的接触表面73在传动轴36的顶端70处可具有的第一直径D1，直径沿着向下方向增加到位于主要部分74处的大于第一直径Dl的第二直径D2。
[0055]主轴30可具有沿着第一横向轴线33 (图2C)延伸穿过传动轴36的孔37，第一横向轴线33横向于(即交叉于)包含有竖直旋转轴线32的平面。在本文中，“横向”于包含有第二轴线的平面的第一轴线意为第一轴线以任意非零角度与该平面相交，可以是倾斜的或者垂直的。在图中所示的实施方式中，第一横向轴线33垂直于竖直旋转轴线32，但并非必然是这种情况。在特定的实施方式中，孔37能够以倾斜的角度延伸穿过传动轴36，使得第一横向轴线33与竖直旋转轴线32不相交。
[0056]孔37可以构造成接收键80 (图2F到2H)，键80延伸穿过孔37并且沿着第一横向轴线33从传动轴36的主要部分74向外突出。在图中，孔37延伸穿过传动轴36的主要部分74，但并非必然是这种情况。在一个备选的实施方式中(未示出)，孔37可延伸穿过传动轴36的锥形部分72，或者孔可延伸穿过传动轴的锥形部分和主要部分相接的位置。在一些实施方式中，例如图8A和SB，主轴可以具有或者构造成接收一个或多个不延伸穿过该主轴的键，下文将详细描述。
[0057]键80包括设置成接合到主轴30的孔37中的柄82。柄82在柄的轴线81的方向上是狭长的。柄82具有中心部分84和与该中心部分相邻的末端部分86。中心部分84可包括朝向相反的大体上是平面的侧表面85，以便中心部分的宽度Wl比末端部分86的宽度W2小。每个末端部分86可具有圆形的截面。末端部分86中的一个可在其中限定沟槽87,沟槽87设置成在下述的装配过程中接收螺丝刀的尖端。
[0058]键80可具有与柄82相邻的尖端部分88，该尖端部分在横向于柄的轴线81的纵向方向L上的高度Hl比传动轴36的孔37的直径D3大。如图所示，尖端部分88的高度Hl可以比柄82的高度H2大。在一个备选的实施方式中(未图示)，尖端部分88的高度Hl可等于或者小于柄82的高度H2。在一个实施例中，键80的尖端部分88可具有在沿着柄的轴线81(图2G)观测的端视图中为圆形的上表面89。
[0059]主轴30还可以限定从传动轴36的顶端70沿着竖直旋转轴线32向下延伸的凹部
39。凹部39可构造成接收叉90 (图2D和2E)，叉90在凹部39中沿着竖直旋转轴线32延伸。
[0060]叉90包括顶端92、从顶端向下延伸的上部分94和位于该上部分之下的一对叉齿96。叉90可以构造成可移除地接合在凹部39内。叉的上部分94可具有圆形截面，并且每个叉齿96的横截面可以是圆的一部分，在叉齿之间限定有间隙97。每个叉齿96可具有向内面向间隙97的大体上是平面的侧表面98。叉90可以包括暴露在传动轴36的顶端的螺纹孔99，从而使用者可以通过将螺栓旋入螺纹孔从而将叉从凹部39拆掉，并且拖曳螺栓从而取出叉。
[0061]参照图4，可以在将晶片载体40安装到主轴30上之前将键80和叉90装配在传动轴36上。为了将键80装配到传动轴36上，键的柄82可接合到传动轴的孔37中，以便键的尖端部分88放置在传动轴的外侧并且沿着第一横向轴线33从传动轴向外突出。在图示的实施方式中，当键80接合在传动轴36中时，柄的轴线81与第一横向轴线33相重合。如图4所示，孔37延伸穿过传动轴36的主要部分74，使得键80与传动轴的主要部分相接八口 ο
[0062]在叉90接合在凹部39中之前，键80的大体上是平面的侧表面85应该定向成平行于传动轴36的竖直旋转轴线32。使用者可以通过将螺丝刀的尖端插入沟槽87中并且围绕柄的轴线81旋转螺丝刀从而将键80旋转到所需的方向。
[0063]为了将叉90与传动轴36和键80装配，叉90可以接合在主轴30的凹部39中，使得叉的顶端92位于传动轴36的顶端70处。叉90可以下降到凹部39内，使得键80的柄82接合在叉90的叉齿96之间。键80的中心部分84的每个侧表面85都设置成与叉齿96的其中一个的大体上是平面的侧表面98相邻，使得键被叉90旋转式固定以防止其围绕第一横向轴线33旋转。
[0064]柄82的中心部分84的宽度Wl (图2H)小于叉90的叉齿96之间的间隔距离或间隙97 (图2D)，并且柄的每一个末端部分86的宽度W2 (图2H)大于叉的叉齿之间的间隔距离，使得键锁在两个叉齿之间并且被叉保持住，以防止键沿着第一横向轴线33相对于传动轴36移动。
[0065]在特定的实施方式中，键80和叉90均可大致上由第一材料组成，并且传动轴36大致上可由不同于第一材料的第二材料组成。例如，键80和叉90可以由钨合金、例如WL制成，并且传动轴36可以由钥合金、例如TZM制成。键80、叉90和传动轴36的材料使用这种组合，可以防止在高温下操作装置10的过程中传动轴与键和/或叉之间的粘合。
[0066]再次参照图1，主轴30与旋转驱动机构38 (例如电动机驱动器)相连，其设置成围绕中心轴线32旋转主轴。主轴30还可具有在气体通道内大致沿着主轴的轴线方向延伸的内部冷却通道。该内部冷却通道可以与冷却剂源相连，从而通过所述冷却剂源来使得流体冷却剂循环穿过冷却剂通道并返回冷却剂源。
[0067]主轴30和/或旋转驱动机构38可以与编码器31相连，编码器31设置成提供表示主轴的围绕旋转轴线32的旋转方向的信号。在特定的实施方式中，编码器31可以是与旋转驱动机构38连接的高分辨率的旋转式编码器。如果主轴的旋转方向和晶片载体的旋转方向之间的关系已知，例如可在装置10中得到，则这样的关于主轴30的旋转方向的信息可以用于决定晶片载体40的旋转方向。
[0068]晶片载体40的形式大体上可以是盘状体40a，盘状体40a具有扁平的、圆形的顶表面41和底表面44，以及大体上垂直于该顶表面和底表面的竖直旋转轴线42。在图1所示的操作位置上，晶片载体40安装在主轴30上，使得晶片载体的竖直旋转轴线42与主轴的竖直旋转轴线32重合。晶片载体40设置在反应室12内的进气歧管14的下方，以便当晶片载体旋转时，进气歧管可以朝向晶片载体向下排出气体。当挡板18处在图1所示的操作位置上时，挡板的内表面19包围住晶片载体40。
[0069]晶片载体40可形成为单件式或者为多件的组合。例如美国的公开专利申请20090155028中所公开的，其全部内容通过引用并入本文，晶片载体40可以包括毂，所述毂限定了晶片载体的包围着中心轴线42的较小区域和限定了盘状体40a的剩余部分的较大部分。
[0070]晶片载体40可以由不污染CVD处理并且可以经受该处理中所采用的温度的材料形成。例如，晶片载体40的较大部分可以部分或者全部地由例如石墨、碳化硅、氮化硼、氮化铝的材料或者其他耐火材料形成。晶片载体40具有大致为平面的上表面和下表面，其大致彼此平行地延伸，并且大致地垂直于晶片载体的竖直旋转轴线42。在一个实施例中，晶片载体40的直径可以是约300mm至约700mm。
[0071]参照图3A至3E，晶片载体40的顶表面41可以包括至少一个晶片保持结构，所述晶片保持结构显示为口袋43的形式。口袋43可以围绕晶片载体40周向地设置，该口袋的每一个都构造成可移除地接收盘状晶片50并且在MOCVD处理期间如下所述地将晶片保持在其中。在一个实施例中，例如当口袋设置成具有一个或多个同心环的结构时，则口袋43的至少一些可以布置成邻近竖直旋转轴线42并且可以设置成围绕竖直旋转轴线分布的圆形图案，并且在该图案中，相邻口袋的中心46之间具有间距45。在一个特定的实施方式中，设置成围绕竖直旋转轴线42分布的圆形图案的口袋43可以围绕竖直旋转轴线对称分布。虽然图中所示的口袋43设置成圆形图案，但是在其他实施方式中，口袋可以设置成其他图案，例如矩形阵列或者六边形密堆积结构的一部分。
[0072]每一个晶片50均可以由蓝宝石、碳化硅、硅或者其他晶体基体形成。典型地，每一个晶片50的厚度均比其主要表面的尺寸小。例如，直径约2英寸(50mm)的圆形晶片50的厚度约为430 μ m或者更小。每一个晶片50均可顶表面朝上地设置在晶片载体40上或者与其相邻，使得晶片的顶表面暴露在晶片载体的主体40a的顶表面41处。晶片50可以与晶片载体40的顶表面41共面或者近似共面。
[0073]晶片载体40可以具有从主体的底表面44延伸进入主体40a内的凹部47。主体40a可以具有朝下的凹部端表面100和从该凹部端表面向下延伸的锥形接触表面102。凹部端表面100和锥形接触表面102可以在凹部47内暴露。
[0074]凹部47可以具有沿着横向于包含有竖直旋转轴线42的平面的第一横向轴线106(即第一横向轴线以任意非零角度与含有竖直旋转轴线的平面相交，其可以是斜交或者垂直)从该凹部的外围104向外突出远离旋转轴线42的键槽48。如图3C所示，第一横向轴线106可以与竖直旋转轴线42相交，但并非必然是这种情况。在一个特定的实施方式中，键槽48可以从凹部39的外围104以倾斜的角度向外突出，从而第一横向轴线106不与竖直旋转轴线42相交。如本文中所使用的，当键槽48描述为沿着第一横向轴线106突出时，这意味着第一横向轴线位于平行于晶片载体40的底表面44的平面中，并且第一横向轴线定位成与键槽的相对侧部的键接触表面105等距，键接触表面105在插入边缘114和朝下表面108之间延伸。
[0075]主体40a可以具有暴露在键槽48内的朝下表面108。在一个实施例中，当相邻的口袋设置成邻近竖直旋转轴线42并且设置成围绕竖直旋转轴线分布的圆形图案时，键槽48可以与相邻口袋43的中心46之间的间隔45的其中一个对齐。
[0076]在这样的实施方式中，键槽48与间隔45的其中一个对齐可以将通过键槽附近的晶片载体40的热传导的热特性的变化最小化。该效应有时被称为键槽的“热影”。通过将键槽48与间隔45的其中一个对齐，热影可以尽可能地远离口袋43。
[0077]在如图所示的实施方式中，第一横向轴线106垂直于竖直旋转轴线42，但并非必然是这种情况。在图4所示的操作位置中，晶片载体40安装在主轴30上，使得晶片载体的第一横向轴线106与主轴的第一横向轴线33重合。
[0078]晶片载体40的王体40a可以具有参考标记,参考标记的形式是从王体的顶表面41延伸进入主体40a的凹陷110和/或一个或多个记号112。例如一个或多个凹陷110和/或记号112的参考标记可以限定在主体40a的顶表面41、底表面44或在顶表面和底表面之间延伸的周面49中的至少其中一个上。在一个实施方式中，参考标记可对成像装置可见，所述成像装置例如下述的自动化视觉系统116。
[0079]凹陷110和/或记号112可以在围绕竖直旋转轴线42的周向方向上设置在相对于键槽48的预定位置处。例如，平行于底表面44并且包括第一横向轴线106的平面还可以延伸穿过例如为凹陷110和/或记号112的参考标记，使得第一横向轴线可以延伸穿过参考标记，或者第一横向轴线可以延伸穿过直接位于参考标记上方或者下方的位置处。例如可以由使用者或者下述控制系统118来将凹陷110和/或记号112设置在相对于键槽48的任意已知位置上，从而可以通过观察凹陷和/或标记的位置来确定键槽的位置。
[0080]参照图4，晶片载体40可以可移除地安装在主轴30上从而随其围绕竖直旋转轴线32,42旋转。在图中所示的实施方式中，当晶片载体40安装到主轴30上时，竖直旋转轴线32和42重合,并且第一横向轴线33和106重合。
[0081]主轴30的顶端70可以接合在晶片载体40的凹部47中，使得主体40a的锥形接触表面102至少部分地与传动轴36的锥形接触表面73相接触，并且使得凹部端表面100与主轴的顶端间隔开。凹部端表面100可以与主轴的顶端70间隔开间隙G1。如图4所示，主体40a的锥形接触表面102和传动轴36的锥形接触表面73之间的面接触的几何中心Cl位于主体的重心C2之上。
[0082]键80的尖端部分88可以接合在键槽48中，使得暴露在键槽内的主体40a的朝下表面108面对尖端部分的上表面89且与上表面89间隔开。如图4所示，主体40a的朝下表面108与键80的尖端部分88的上表面89间隔开间隙G2。位于表面108和89之间的这样的间隙G2可以允许键80限制晶片载体40的相对于主轴30的旋转运动，同时却不会限制晶片载体的主体40a相对于主轴的传动轴36的向下运动。在特定的实施例中，键80的尖端部分88的上表面89可以具有切角的边缘，和/或可以将键槽48的插入边缘114切角，当晶片载体安装在主轴上时，如果晶片载体40与主轴30并非完全地旋转对齐(例如第一横向轴线106和33并非完全重合)，则上述做法允许键80进行某种自动对齐而到键槽内。
[0083]再次参照图1，在例如MOCVD的许多处理中，加热晶片载体40以在晶片50的表面提供所需的温度。为了进行这样的加热，加热元件60安装在反应室12内并且在传动轴36的顶端70的下方包围住主轴30。加热元件60可以主要通过辐射式传热而将热量传递到晶片载体40的底表面44。施加在晶片载体40的底表面的热量可以向上流动穿过晶片载体的主体40a而到其顶表面41。热量可以向上传递到由晶片载体40所保持的每个晶片50的底表面，并且向上穿过晶片而到晶片的顶表面。热量可以从晶片50的顶表面辐射到处理反应室12的较冷的元件，例如辐射到处理反应室的壁20和进气歧管14。热量还可以从晶片50的顶表面传递到经过这些顶表面的处理气体。
[0084]在特定的实施方式中，加热元件60可以是多区域加热元件，由此可以区别性地加热晶片载体40的不同部分(例如与主轴30的竖直旋转轴线32相距第一径向距离的第一圆形部分和与该竖直旋转轴线相距第二径向距离的第二圆形部分。)
[0085]反应室12还可以包括外衬垫(未图示)，其减少渗入到反应室的包含有加热元件60的区域中的处理气体。在一个示例性的实施方式中，挡热板61可以设置在加热元件60的下方，例如设置成平行于晶片载体40，以帮助引导来自于加热元件的热量，使其向上朝向晶片载体，而不是向下朝向位于反应室12的底端的基板24。
[0086]反应室12还配置有排气系统62，排气系统62设置成将用过的气体移出反应室的内部区域26。排气系统62可以在晶片载体40所占据的位置的下方的位置处与反应室12相连。排气系统62可以包括位于反应室12的底部或者底部附近的排气歧管63。排气歧管63可以与泵65或者其他可构造成将使用过的气体运出反应室12的真空源相连。
[0087]装置10还可以包括自动化视觉系统116，所述自动化视觉系统116例如设置在前室17内或者设置在反应室12之外的其他位置处，自动化视觉系统116适于检测参考标记(例如凹陷110或者记号112)的旋转位置。装置10还可以包括设置成旋转晶片载体40和主轴30中的至少一个的机器人控制系统118。在一个实施例中，来自于自动化视觉系统116和编码器31的旋转位置信息可以发送到机器人控制系统118，并且如下所述，该机器人控制系统可以在晶片载体装载到装置10内之前或在装载过程中旋转晶片载体40和主轴30中的至少一个。
[0088]在特定的变体中，如室17可以包括与固定在反应室12上的坐标系具有已知关系的键控部件(未图示)。在这样的实施例中，使用者或者自动化视觉系统116可以检测参考标记110或112的旋转位置，并且使用者或者该自动化系统可以使用这个旋转位置信息来将键槽48与键控部件相对准。一旦建立了这样的对准，可以在机器人控制系统118将晶片载体40装载入反应室12之前得知键槽48相对于固定在反应室12上的坐标系的旋转位置，并且机器人控制系统可以使用该旋转位置以在晶片载体装载入反应室之前旋转晶片载体和/或主轴30。
[0089]在操作中，将至少一个晶片50放在晶片载体40上。接着，通过将挡板18降低到打开位置从而打开进入开口 16。随后，使用者或者自动化视觉系统116(优选地在反应室12之外的位置处，例如前室17中)可以通过检测参考标记的位置(其与键槽48的旋转位置具有已知关系)来检测晶片载体40的旋转方向。而且，编码器31可以检测主轴的旋转方向(其与键80的旋转位置具有已知关系)。
[0090]使用者或者机器人控制系统118可以使用由使用者或者自动化视觉系统116所得到的关于参考标记的旋转位置的信息和由编码器31所得到的关于主轴30的旋转位置的信息，以在将晶片载体40安装到主轴上时确定键80与键槽48的旋转位置是否对准。如果键80和键槽48并未旋转对准，使用者或者机器人控制系统118可以旋转晶片载体40和主轴30中的至少一个，从而在将晶片载体安装到主轴上之前将键和键槽的旋转位置彼此对准。
[0091]当键80和键槽48旋转对准时，带有放置在其上的晶片50的晶片载体40从前室17装载入反应室12中，并且将晶片载体40可释放地安装在主轴30上。晶片载体40安装在主轴30上，使得传动轴36的顶端70接合在晶片载体的凹部47内，并且使得键接合在键槽内，从而将晶片载体放置在图1所示的操作位置中。
[0092]在这种情况下，晶片50的顶表面面向上方而朝向进气歧管14。通过将挡板18上升到图1所示的关闭位置从而关闭进入开口 16。激活加热元件60，并且旋转驱动器38进行操作以围绕中心轴线42转动主轴30并且因此转动晶片载体40。典型地，主轴40以约50到1500转每分钟的旋转速度旋转。
[0093]驱动处理气体供应单元(未示出)以通过进气歧管14来提供气体。气体向下朝向晶片载体40传递，越过晶片载体的顶表面41和晶片50的顶表面，并且围绕着晶片载体的外围向下传递到排气系统62的排气歧管63。因此，晶片载体40的顶表面41和晶片50的顶表面暴露在处理气体中，处理气体包括由多种处理气体供应单元所提供的多种气体的混合物。最典型地，位于顶表面41处的处理气体主要包括由载气供应单元(未示出)所提供的载气。
[0094]该工序继续进行，直到完成晶片50的所需处理。一旦该工序完成，通过降低挡板18从而将进入开口 16打开。一旦进入开口 16打开，可以将晶片载体40从主轴30移除，并且替换成用于下次操作循环的新的晶片载体40。
[0095]现在参照图5、图6A和图6B，可以使用归位工具120来将主轴30的围绕旋转轴线32的角取向相对于反应室12对准，使得编码器31 (例如图1所示的这种)可以提供表示与固定在反应室上的坐标系具有已知关系的主轴的旋转方向的信号。
[0096]归位工具120具有构造成与主轴30的传动轴36的顶端70相接合的插座元件121以及与插座元件相连的连接元件122，连接元件122构造成在插座元件和反应室12的圆柱形壁20之间提供机械连接。
[0097]插座元件121限定了插口 126，插口 126构造成在其中接受传动轴36的顶端70。插座元件121还具有槽128，槽128从插座元件的底表面129开始延伸且构造成接受穿过它的键80的尖端部分88。优选地，槽128的宽度W3与键80的尖端部分88的宽度W2 (图2H)精密匹配但又比其稍宽，使得归位工具在任意方向上不能够围绕旋转轴线32相对于主轴30旋转超过1.5°，使得归位工具和主轴之间的总旋转公差不超过3°。
[0098]如图6A所示，插口 126和槽128可以构造成当主轴30插入到插口内时，传动轴36的顶端70可以与插口的顶表面125相接触，但是键80的尖端部分88的上表面89能够与槽的顶表面127间隔开。使得键80的尖端部分88的上表面89与槽128的顶表面127间隔开，这样可以允许归位工具120的重量主要由传动轴36来承担,而不是由键来承担。在特定的实施例中，插口 126可以构造成使得当主轴30插入到插口中时，传动轴36的顶端70与插口的顶表面125间隔开。使得传动轴36的顶端70与插口 126的顶表面125间隔开，可以允许归位工具120的重量主要由圆柱形壁20的上表面21来承担，而不是由主轴30来承担。
[0099]连接元件122在接近其端部123处限定了开口 124，该开口在连接元件的相对的上表面130和下表面132之间延伸。开口 124优选地具有沿着连接元件122的轴线134延伸的长尺寸LI和大体上垂直于该长尺寸延伸的短尺寸L2。在特定的实施例中，开口 124可以具有椭圆的形状，使得长尺寸LI是椭圆的长轴，而短尺寸L2是椭圆的短轴。
[0100]反应室12的圆柱形壁20限定了定位元件，定位元件的形式是从圆柱形壁的上表面21开始在圆柱形壁的内部延伸的定位凹部160，当反应室的顶法兰22(图1)从圆柱形壁上撤去后其可以暴露。定位凹部160内具有与固定在反应室上的坐标系具有已知关系的接触表面165。如图6A和6B所示，定位凹部160可以设置在反应室12的进入开口 16的中心的上方。但是，在另一些实施方式中，定位凹部160可以设置在固定于反应室12的坐标系中的任意已知位置，包括例如反应室的基板24中的位置。在特定的实施例中，定位凹部160可以具有直径为D4的圆形的横截面形状，并且接触表面165的形状可以是作为球形的一部分的球冠形状，该球形的直径大于或等于定位凹部的直径。
[0101]开口 124构造成接受穿过它的定位工具140，该定位工具构造成将归位工具120连接到定位凹部160。定位工具140具有柄142以及固定在该柄的端部上并且限定了接触表面145的定位部分144。在一个实施方式中，定位部分144可以为直径为D5的球形，并且接触表面145可以是作为限定了定位部分的球形的一部分的球冠。
[0102]在一个实施例中，定位部分144的直径D5可以比定位凹部160的直径D4大，使得当定位部分接合到定位凹部中时，定位部分的最宽部分位于定位工具140的开口 124内。在示例性的实施方式中，定位工具140的定位部分144的接触表面145的曲率可以大约与定位凹部160的接触表面165的曲率相匹配，使得当定位工具接合在定位凹部中时接触表面145和165之间具有面接触。
[0103]如图6B所示，定位工具140的定位部分144的直径D5优选地与归位工具120的开口 124的短尺寸L2精密匹配但是比其稍小，以便当定位工具通过归位工具的开口接合在定位凹部160中时，归位工具的端部123在周向方向C上相对于定位工具和定位凹部大体固定。
[0104]此外，定位工具140的定位部分144的直径D5优选显著地小于归位工具120的开口 124的长尺寸LI，使得当定位工具通过归位工具的开口接合在定位凹部160内时，归位工具的端部123沿着连接元件122的轴线134相对于定位工具和定位凹部具有一些活动自由。在特定的制造设备中，即使主轴30的旋转轴线32和沿着连接元件122的轴线的定位凹部160之间的距离在不同的反应室之间变化，例如由于反应室的装配期间的公差叠加而变化，该沿着轴线134的活动自由可以允许将单独的归位工具120用于不同反应室12的主轴30的旋转对准。
[0105]为了执行主轴归位步骤，可以将反应室12的顶法兰22从圆柱形壁20上拆卸掉，由此暴露圆柱形壁的上表面21和定位凹部160。接着，可以对准归位工具120使得键80的尖端部分88面向与槽128相同的方向，并且将归位工具降低到主轴30上以便传动轴36的顶端70被接收在插口 126中，并且键的尖端部分被接收在槽中。可以将归位工具120降低到主轴30上，直到连接元件122的下表面132接触到圆柱形壁20的上表面21。
[0106]然后，归位工具120可以围绕主轴30的旋转轴线32旋转，直到定位凹部160的至少一部分在周向方向C上与归位工具的开口 124对准。随后，定位工具140的定位部分144可以插入到开口 124中和定位凹部160中，使得定位工具的定位部分的接触表面145与定位凹部的接触表面165相接合，由此相对于定位凹部来固定主轴30的旋转方向。最后，编码器31可以检测主轴30的旋转方向，并且控制系统118可以将主轴的当前旋转方向指定为与固定在反应室12上的坐标系具有已知关系的归位位置。
[0107]在一个备选实施方式中，可以使用非接触视觉系统来帮助使用者或者控制系统118以围绕旋转轴线32相对于反应室12对准主轴30的角定向，使得编码器31可以提供表示主轴的旋转方向的信号，该旋转方向与固定在反应室上的坐标系具有已知关系。在这样的实施方式中，主轴30或者键80可以具有参考标记,例如在主轴的传动轴36上的已知位置处的高反射表面。非接触视觉系统可以是例如与固定在反应室12上的坐标系具有已知关系的基于激光的检测系统。
[0108]在使用中，使用者或者控制系统118可以旋转主轴30，直到非接触视觉系统检测到主轴上的参考标记。随后，编码器31可以检测主轴30的旋转方向，并且控制系统118可以将主轴的当前旋转方向指定为与固定在反应室12上的坐标系具有已知关系的归位位置。
[0109]图7显示了根据另一个实施方式的晶片载体240。该晶片载体240与上述的晶片载体40相同，除了晶片载体240具有多个从凹部247的外围204向外突出远离旋转轴线242的键槽248a、248b、248c和248d (统称为键槽248)以外。
[0110]如图7所示，有4个键槽248，但是在其他实施方式中，可以具有从凹部247的外围204向外突出的两个键槽、三个键槽、或者其他任意数量的键槽。优选地，每个键槽248以规律地隔开的间隔围绕凹部247的外围204沿周向设置。例如如图7所示，四个键槽248中的每一个的中心线都围绕凹部247的外围204以90°的间隔间隔开。在示例性的具有三个键槽的晶片载体中，优选地该三个键槽的每一个的中心线都围绕凹部的外围以120°的间隔间隔开。在示例性的具有两个键槽的晶片载体中，优选地该两个键槽的每一个的中心线都围绕凹部的外围直接在彼此的对面而间隔开(即为180°的间隔)。
[0111]在图7所示的实施例中，键槽248a、248b、248c和248d的每一个都沿着相应的均横向于包含有竖直旋转轴线242的平面的第一轴线206、第二轴线207、第三轴线208和第四轴线209(即该第一、第二、第三和第四横向轴线均以任意非零角度相交于包含有竖直旋转轴线的平面，其可以是斜交或者垂直)从凹部247的外围204向外突出远离旋转轴线242。如图7所不，该第一横向轴线206、第二横向轴线207、第三横向轴线208和第四横向轴线209可以与竖直旋转轴线242相交，但并非必然是这种情况。
[0112]在一个实施方式中，一个或多个键槽248能够以倾斜的角度从凹部247的外围204向外突出，使得第一横向轴线206、第二横向轴线207、第三横向轴线208和第四横向轴线209中的一个或多个并不与竖直旋转轴线242相交。在图7所示的特定实施例中，两个键槽248a和248c可以沿着单一的轴线从凹部247的外围204向外突出，使得第一横向轴线206和第三横向轴线208相重合，并另外两个键槽248b和248d沿着另一条单一轴线从凹部的外围向外突出，使得第二横向轴线207和第四横向轴线209相重合。但是，在其他实施方式中，键槽248的每一个可以沿着不与任何其他键槽所沿其突出的横向轴线相重合的横向轴线从凹部247的外围204向外突出。
[0113]图8A显示了根据另一个实施例的主轴230。该主轴230与上述主轴30相同，除了主轴30具有多个从传动轴236的主要部分274向外突出远离旋转轴线232的键280a、280b、280c 和 280d (统称为键 280)。
[0114]如图8A所示，该图中具有4个键280，但是在其他实施方式中，可以具有从传动轴236的主要部分274向外突出的两个键、三个键或者其他任意数量的键。优选地以规律地隔开的间隔围绕传动轴236的主要部分274沿周向设置每个键280。例如如图8A所示，四个键280的每一个的中心线都以90°的间隔围绕传动轴236的主要部分274间隔开。在具有或者接合了三个键的示例性的主轴中，该三个键的每一个的中心线优选地以120°的间隔围绕传动轴的主要部分间隔开。在具有两个键的示例性主轴中，该两个键的每一个的中心线优选地围绕传动轴236的主要部分274直接在彼此的对面而间隔开(即为180度的间隔)。
[0115]在图8A所示的实施例中，键280a、280b、280c和280d中的每一个均沿着相应的均横向于含有竖直旋转轴线232的平面的第一轴线216、第二轴线217、第三轴线218和第四轴线219 (即第一、第二、第三和第四横向轴线的每一个均以任意非零角度相交于含有竖直旋转轴线的平面，其可以是斜交或者垂直)从传动轴236的主要部分274向外突出远离旋转轴线232。如图8A所示，第一横向轴线216、第二横向轴线217、第三横向轴线218和第四横向轴线219可以与竖直旋转轴线232相交，但不必须是这种情况。
[0116]在一个实施方式中，键280中的一个或多个能够以倾斜的角度从传动轴236的主要部分274向外突出，使得第一横向轴线216、第二横向轴线217、第三横向轴线218和第四横向轴线219中的一个或多个并不与竖直旋转轴线232相交。在图8A所示的特定实施例中，两个键280a和280c沿着单一的轴线从传动轴236的主要部分274向外突出，使得第一横向轴线216和第三横向轴线218重合，并且另外两个键280b和280d沿着另外一条轴线从凹部的外沿向外突出，使得第二横向轴线217和第四横向轴线219重合。但是，在其他的实施方式中，键280的每一个均可以沿着不与任何其他键沿其突出的横向轴线相重合的横向轴线从传动轴236的主要部分274向外突出。
[0117]能够以不同方式来构造具有多个从传动轴的主要部分开始延伸的键的主轴。例如，具有四个从传动轴的主要部分开始延伸的键280的主轴230的结构可以制造成单一整体铸件。在其他实施方式中，具有任意其他数量的键(例如一个、两个或者三个键)的主轴可以制造成单一整体铸件。在另一个实施例中，具有两个从传动轴的主要部分开始延伸的键部分的主轴可以与图4和图6B所示的结构类似，除了每一个键部分可以是延伸穿过传动轴的孔的单一键的端部分，并且当晶片载体装配在主轴上时端部分的每一个可以被接收在晶片载体的相应的键槽内以外。
[0118]图8B显示了为图8A所示的主轴230的替换实施方式的主轴330的剖面图。该主轴330与上述的主轴230相同，除了主轴330具有从传动轴336的主要部分374向外突出远离旋转轴线332的多个键380a和380c (统称为键380)，其单独地形成且安装在主轴上。在具有四个键的主轴的实施方式中，在图8B所示的剖面图中另外两个键380不可见。在图8B所示的实施方式中，键380a和键380c的每一个均接合在相应的孔337a和孔337c中，其部分地延伸进入传动轴336的主要部分374。孔337a和337c的每一个均沿着相应的第一横向轴线316和第三横向轴线318突出。
[0119]键380a和380c的每一个沿着相应的以倾斜的角度与含有旋转轴线的平面相交的第一轴线316和第三轴线318从传动轴336的主要部分374向外突出远离旋转轴线332。在图SB所示的实施方式中，第一横向轴线316和第三横向轴线318的每一个以大约75°的角度与含有旋转轴线332的平面相交。优选地，第一横向轴线316和第三横向轴线318的每一个均以位于约45°到约85°之间的角度与含有旋转轴线332的平面相交。键380a和键380c的每一个的宽度均可以等于或稍小于相应的孔337a或337c的宽度，以便可以将键的每一个适配地压入在相应的孔中。
[0120]例如从图8B中可以看出，任一具有多个键280或380的主轴230或330可以与晶片载体、例如具有多个键槽248的晶片载体240相接合。具有多个键的主轴和具有多个键槽的晶片载体的接合可以类似于参照图4所述的主轴30和晶片载体40的接合。例如如图8B所示，主轴330的顶端370可以接合在晶片载体240的凹部247中，并且键380a和380c的每一个的尖端部分388可以接合在相应的键槽248a和248c中。
[0121]优选地，具有多个键的主轴与具有相等数量的键槽的晶片载体相接合，但并非必然是这种情况。在一个实施例中，具有任意数量的键的主轴可以与具有等于或者大于键的数量的任意数量的键槽的晶片载体相接合，以便每个键槽都被键占据，或者一个或多个键槽可以保持为空的(即没有键)。例如具有两个键的主轴可以与具有两个、三个、四个或者任意其他数量的键槽的晶片载体相接合。
[0122]虽然图8A和图8B显示了其尖端部分具有圆形截面的键280和380，这样的具有多个键的主轴230和330可以具有其尖端部分为多种截面形状的键。例如，主轴230和330可以具有其尖端部分为非圆形截面的一个或多个键，例如图2F至2H所示的键80的尖端部分88。
[0123]在一个特定的实施方式中，主轴(例如主轴230和330)可以具有其各自的尖端部分为第一截面的一个或多个键，以及具有其各自的尖端部分为形状不同于第一截面的第二截面的一个或多个键。例如，具有两个键的主轴可以具有其尖端部分为圆形截面的一个键(例如键280或380其中之一)，以及其尖端部分为非圆形截面的另一个键(例如键80)。
[0124]如上所述，根据本发明的键控晶片载体系统和方法相比于常规的旋转盘状反应器系统和方法可以具有几个潜在优势。
[0125]在传统MOCVD反应器中，晶片载体可以放置在相对于主轴的任意旋转位置上。这会使得使用者更难以知道保持在晶片载体上的晶片的确切旋转位置。晶片位置的这种不确定性会对监控处理工艺的能力产生负面影响。而且，可以通过主轴和载体的接合表面传递的扭矩被表面之间的摩擦接合力所限制。在紧急情况下，必须迅速地对主轴和晶片载体的旋转进行减速。这需要将大的扭矩传递到晶片载体上。
[0126]相反，上述具有接合在晶片载体40的键槽48中的主轴30的键80的装置10可以导致保持在晶片载体上的晶片50的确切旋转位置的确定性得到提高。即使当口袋43围绕竖直旋转轴线42对称地分布时，机器人控制系统118可以在装置的操作过程中使用来自编码器31的信号来识别特定的晶片50，并且使用者或者自动化视觉系统116可以在装置操作结束后使用参考标记110或112来识别特定的晶片。可以使用晶片识别信息来在晶片处理(例如在生长结束后封装LED)过程中和结束后将现场监测数据(例如反射率和温度信号)与晶片载体40上的特定晶片相关联，这会导致更均匀的晶片处理工艺，例如由于晶片处理过程中的最佳的温度控制。
[0127]在许多MOCVD生长处理中，有必要区分操作测温仪70所测量的载体和晶片的温度信号。这可以使用操作测温仪70所接收的来自晶片50和晶片载体40的反射或者发射信号的差异来完成。使用上述装置10将键80接合在键槽48中，从而完成的晶片载体40的角定向的确定，这特别地在晶片生长过程中会有帮助，此时操作测温仪70不会区分所得到的来自于晶片50和晶片载体40的反射信号或者发射信号的差异。因为口袋43相对于键槽48的确切位置已知，并且可以使用编码器31来检测键槽48的旋转方向，所以从编码器得到晶片载体40的角定向对于控制系统、例如控制系统118来说可足以确定操作测温仪70是从晶片上的位置接收辐射还是从晶片载体上的位置接收辐射。
[0128]而且，例如在装置的正常操作中的晶片载体的高加速度期间，或者在旋转驱动机构38的紧急关机期间，装置10可以允许通过主轴30和晶片载体40的接合表面73、102来传递更高的扭矩，该扭矩未受到表面之间的摩擦接合力限制。在传统的MOCVD反应器中，如果晶片载体的高加速度或者紧急关闭所导致的扭矩足够大，晶片载体可以相对于主轴旋转滑动，这会导致晶片载体的摆对(即晶片载体40倾斜，使得晶片载体的第一横向轴线106不垂直于主轴30的旋转轴线32)，这会损伤载体-主轴界面和载体附近的反应器的其他部件。在根据本发明的装置10中，键80接合在键槽48内可以防止在晶片载体的高加速过程中或者在紧急关机过程中晶片载体40相对于主轴30的旋转滑动，由此允许装置10能够在同等的主轴-载体的滑动风险下使用相比传统的MOCVD反应器中使用的晶片载体更大的晶片载体(具有更大的惯性力矩)来进行操作。
[0129]此外，在装置10的一个实施方式中，其中键80的柄82的末端部分86的宽度W2和传动轴36的孔37的直径D3之间紧密匹配，而晶片载体40和主轴30之间的扭转负载可以主要由键和传动轴来承担，而不是由叉90来承担，叉90仅仅由键来限制其旋转移动，而不是由传动轴来限制。因此，叉90不必承担重大的扭转负载，而且键80可以保护叉90免受损伤。
[0130]如果键80在主轴30的紧急关机过程中因为这种扭转负载而弯曲或折断，可以将叉90从凹部39取出，可以将新的键插入孔37中，并且可以将叉再次装入凹部39中，而不必移除或者替换传动轴36。
[0131]可将本发明应用在使用旋转盘状反应器的多种晶片处理工艺中，例如晶片的化学气相沉积、化学蚀刻等。虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
[0132]工业应用
[0133]本发明得到了广泛的工业应用，包括但不限于用于化学气相沉积反应器的结构以及用于处理晶片的方法。
【权利要求】
1.一种用于化学气相沉积反应器的装置，所述装置包括晶片载体，晶片载体具有: 主体，其限定了朝向相反的顶表面和底表面，以及大体上垂直于所述顶表面和底表面的竖直旋转轴线； 至少一个晶片保持结构，其构造成使得晶片能够保持在其中，同时晶片的表面暴露在主体的顶表面； 凹部，其从所述主体的底表面延伸进入主体，所述凹部限定了外围；以及 键槽，其沿着第一横向轴线从所述凹部的外围向外突出远离旋转轴线。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述晶片载体的所述至少一个晶片保持结构包括限定在所述主体的顶表面上的多个口袋，每个口袋构造成使得晶片能够保持在其中，每个所述口袋均具有中心。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，至少一部分所述口袋设置成接近所述旋转轴线并且设置成围绕所述旋转轴线分布的圆形图案，在所述图案中相邻口袋的中心之间具有间隔，并且其中所述键槽与一个所述间隔对准。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，至少一部分设置成圆形图案的所述口袋围绕着所述竖直旋转轴线对称分布。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述晶片载体的所述主体具有参考标记，所述参考标记限定在所述顶表面、所述底表面或在所述主体的所述顶表面和所述底表面之间延伸的周面的至少其中一个上，所述参考标记对于成像机构可见，所述参考标记在围绕所述旋转轴线的周向方向上设置在相对于所述键槽的预定位置上。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，平行于所述晶片载体的底表面并且含有第一横向轴线的平面延伸穿过所述参考标记。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述晶片载体大体上是盘状的。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述键槽是第一键槽，所述晶片载体还包括一个或多个第二键槽，每个所述第二键槽均沿着相应的横向轴线从所述凹部的外围向外突出远离所述旋转轴线。
9.一种用于化学气相沉积反应器的装置，所述装置包括: 反应室，其具有内部区域；和 主轴，其安装在所述反应室内，所述主轴具有: 沿着竖直旋转轴线延伸的传动轴，所述传动轴具有顶端、从所述顶端向下延伸的锥形部分和位于所述锥形部分下方的主要部分，所述锥形部分限定了围绕所述旋转轴线延伸并且具有在远离所述顶端的向下方向上逐渐增加的直径的锥形接触表面；以及 沿着横向于所述竖直旋转轴线的第一横向轴线从所述传动轴的所述主要部分向外突出的键。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述主轴具有沿着所述第一横向轴线延伸穿过所述传动轴的孔，并且所述键包括接合在所述孔内的柄。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述主轴还限定了沿着所述竖直旋转轴线从所述传动轴的顶端延伸的凹部，其中所述主轴还包括可拆卸地接合在所述凹部中的叉，所述叉具有成对的叉齿，所述键的所述柄接合在所述叉的叉齿之间。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述键的所述柄具有位于所述叉的两个叉齿之间的中心部分和与所述中心部分相邻的末端部分，所述中心部分的宽度比所述叉的叉齿之间的间隔距离小，每个末端部分的宽度比所述间隔距离大，以便将所述键锁在两个叉齿之间并且通过所述叉来保持所述键以防止其相对于所述传动轴沿着所述第一横向轴线移动。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述键的所述中心部分包括朝向相反的大体上为平面的侧表面，每个所述侧表面设置成接近所述叉齿的其中一个的表面，以便所述键通过所述叉旋转固定以防止其围绕所述第一横向轴线旋转。
14.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述键和所述叉均大致上由第一材料组成，并且其中所述传动轴大致上由不同于所述第一材料的第二材料组成。
15.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述叉包括螺纹孔，并且所述螺纹孔暴露在所述传动轴的顶端。
16.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述键具有设置在所述传动轴的外侧的尖端部分，所述尖端部分在平行于所述竖直旋转轴线的纵向方向上的高度比所述孔的直径大。
17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述键的所述尖端部分具有面向所述传动轴的顶端的圆形上表面。
18.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述键是第一键，所述主轴还包括一个或多个第二键，每个所述第二键沿着相应的横向于所述竖直旋转轴线的横向轴线从所述传动轴的所述主要部分向外突出。
19.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述反应室在反应室的壁或者基板上具有定位元件，所述定位元件与固定在所述反应室上的坐标系具有已知关系，所述装置还包括适于可移除地与所述主轴和所述定位元件相连接的归位工具。
20.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，所述归位工具具有适于在其中接收所述键的槽。
21.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述主轴具有限定在所述传动轴或者所述键的至少一个上的参考标记，所述参考标记在围绕所述旋转轴线的周向方向上设置在相对于所述键的预定位置上，所述装置还包括适于检测所述参考标记的旋转位置的非接触视觉系统，所述视觉系统与固定在所述反应室上的坐标系具有已知关系。
22.一种用于化学气相沉积反应器的装置，所述装置包括: 反应室，其具有内部区域，和 主轴，其安装在所述反应室内，所述主轴具有沿着竖直旋转轴线延伸的传动轴以及沿着横向于所述竖直旋转轴线的第一横向轴线从所述传动轴向外突出的键；以及 晶片载体，其可释放地安装在所述主轴上以随其围绕所述竖直旋转轴线旋转，所述晶片载体具有限定了朝向相反的顶表面和底表面的主体和至少一个晶片保持结构，所述晶片保持结构构造成使得晶片能够保持在其中，同时晶片的表面暴露在所述主体的顶表面，所述晶片载体具有从所述主体的底表面延伸进入所述主体的凹部以及沿着所述第一横向轴线从所述凹部的外围向外突出的键，所述传动轴接合在所述凹部内并且所述键接合在所述键槽内。
23.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，所述键具有接合在所述键槽内的尖端部分，所述尖端部分具有面对暴露在所述键槽内的所述主体的朝下的表面并且与其间隔开的上表面，使得所述键不约束所述主体而不会防止其相对于传动轴向下移动。
24.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，所述传动轴具有顶端以及直径在远离所述顶端的向下方向上逐渐增加的锥形接触表面。
25.根据权利要求24所述的装置，其特征在于，所述传动轴具有位于所述锥形接触表面的下方的主要部分，并且所述键与所述传动轴的所述主要部分相接合。
26.根据权利要求24所述的装置，其特征在于，所述主体具有朝下的凹部端表面，以及在所述凹部内从所述凹部端表面向下延伸的锥形接触表面，所述主体的锥形接触表面至少部分地与所述传动轴的所述锥形接触表面相接触，并且其中所述凹部端表面与所述主轴的顶端间隔开。
27.根据权利要求26所述的装置，其特征在于，所述主体的锥形接触表面和所述传动轴的锥形接触表面之间的面接触的几何中心在所述主体的重心之上。
28.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，所述键是第一键并且所述键槽是第一键槽，所述主轴还包括一个或多个第二键，每个所述第二键均沿着相应的横向于所述竖直旋转轴线的第二横向轴线从所述传动轴向外突出，所述晶片载体还包括一个或多个第二键槽，每个所述第二键槽均沿着相应的所述第二横向轴线其中之一从所述凹部的外围向外突出，每个第二键接合在相应的一个第二键槽中。
29.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，所述主轴具有沿着所述第一横向轴线延伸穿过所述传动轴的孔，并且所述键包括接合在所述孔内的柄。
30.根据权利要求29所述的装置，其特征在于，所述主轴还限定了沿着所述竖直旋转轴线从所述传动轴的端部开始延伸的凹部，其中所述主轴还包括可移除地接合在所述凹部内的叉，所述叉具有成对的叉齿，所述键的所述柄接合在所述叉的叉齿之间。
31.根据权利要求30所述的装置，其特征在于，所述键的所述柄具有位于所述叉的两个叉齿之间的中心部分和与所述中心部分相邻的末端部分，所述中心部分的宽度比所述叉的叉齿之间的间隔距离小，每个所述末端部分的宽度均比所述间隔距离大，使得所述键锁在两个叉齿之间并且被所述叉保持以防止其相对于所述传动轴沿着所述第一横向轴线移动。
32.根据权利要求31所述的装置，其特征在于，所述键的中心部分包括朝向相反的大体为平面的侧表面，每个所述侧表面均设置成接近所述叉齿的其中一个的表面，使得所述叉将所述键旋转固定以防止其围绕所述第一横向轴线旋转。
33.根据权利要求30所述的装置，其特征在于，所述键和所述叉大体上均由第一材料形成，并且其中所述传动轴大体上由不同于所述第一材料的第二材料形成。
34.根据权利要求30所述的装置，其特征在于，所述叉包括螺纹孔，并且所述螺纹孔暴露在所述传动轴的顶端。
35.根据权利要求29所述的装置，其特征在于，所述键具有处在所述传动轴外侧的尖端部分，所述尖端部分在平行于所述竖直旋转轴线的纵向方向上的高度大于所述孔的直径。
36.根据权利要求35所述的装置，其特征在于，所述键的尖端部分具有面向所述传动轴的顶端的圆形上表面。
37.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，所述键是第一键，所述主轴还包括一个或多个第二键，每个所述第二键均沿着相应的横向于所述竖直旋转轴线的横向轴线从所述传动轴向外突出。
38.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，所述晶片载体的所述至少一个晶片保持结构包括限定在所述主体的顶表面上的多个口袋，每个口袋均构造成能够在其中保持晶片，每个所述口袋均具有中心。
39.根据权利要求38所述的装置，其特征在于，至少一部分所述口袋布置成接近所述旋转轴线并且设置成围绕所述旋转轴线分布的圆形图案，并且在所述图案中相邻口袋的中心之间具有间隔，并且其中所述键槽与一个所述间隔对准。
40.根据权利要求39所述的装置，其特征在于，至少部分设置成圆形图案的所述口袋围绕所述竖直旋转轴线对称分布。
41.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，所述晶片载体的主体具有参考标记，所述参考标记限定在顶表面、底表面或者在所述主体的顶表面和底表面之间延伸的周面中的至少一个上，所述参考标记对成像装置可见，所述参考标记在围绕所述旋转轴线的周向方向上设置在相对于所述键槽的预定位置处。
42.根据权利要求41所述的装置，其特征在于，平行于所述晶片载体的底表面并且包含第一横向轴线的平面延伸穿过所述参考标记。
43.根据权利要求41所述的装置，其特征在于，还包括与所述主轴相连并且设置成提供表示所述主轴的旋转方向的信号的编码器、适于检测所述参考标记的旋转位置的自动化视觉系统以及设置成旋转所述晶片载体和所述主轴中的至少一个以将所述键和所述键槽的旋转位置彼此对准的机器人控制系统。
44.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，所述晶片载体大体上是盘状的。
45.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，所述键槽是第一键槽，所述晶片载体还包括一个或多个第二键槽，每个第二键槽均沿着相应的横向于所述竖直旋转轴线的横向轴线从所述凹部的外围向外突出。
46.一种用于处理晶片的方法，包括: 将至少一个晶片放置在限定了朝向相反的顶表面和底表面以及大致垂直于所述顶表面和底表面的竖直旋转轴线的晶片载体上； 可释放地将所述晶片载体安装在位于反应室内的主轴上，以使其随主轴围绕所述竖直旋转轴线旋转，使得所述主轴的传动轴接合在从所述晶片载体的底表面延伸进入所述晶片载体的凹部中，并且使得沿着第一横向轴线从所述传动轴的外围向外突出远离所述旋转轴线的键可释放地接合在沿着所述第一横向轴线从所述凹部的外围向外突出远离所述旋转轴线的键槽中；并且 当所述晶片载体安装在所述主轴上时，围绕所述旋转轴线旋转所述主轴和所述晶片载体并且处理所述至少一个晶片的每一个的顶表面。
47.根据权利要求46所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤:检测所述主轴的旋转方向，检测所述晶片载体的旋转方向，并且在所述晶片载体安装在所述主轴上之前自动地将所述键和所述键槽对准。
48.根据权利要求47所述的方法，其特征在于，所述检测所述晶片载体的旋转方向的步骤包括使用自动化视觉系统来检测在所述晶片载体上的至少一个参考标记的位置。
49.根据权利要求47所述的方法，其特征在于，使用与所述主轴相连的旋转式编码器来进行所述检测所述主轴的旋转方向的步骤。
50.根据权利要求46所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤:检测所述主轴的旋转方向，并且将所述主轴的旋转方向指定为与固定在所述反应室上的坐标系具有已知关系的归位位置。
51.根据权利要求50所述的方法，其特征在于，还包括在所述检测步骤和指定步骤之前，可移除地将归位工具与所述主轴相连接，旋转所述归位工具，并且可移除地将所述归位工具与位于所述反应室的壁或者基板处的定位元件相连接，所述定位元件与固定在所述反应室上的坐标系具有已知关系。
52.根据权利要求50所述的方法，其特征在于，所述检测所述主轴的旋转方向的步骤包括旋转所述主轴并且使用非接触视觉系统来检测在所述主轴上的至少一个参考标记的位置，所述视觉系统与固定在所述反应室上的坐标系具有已知关系。
【文档编号】C23C16/458GK104321859SQ201380026257
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2013年3月1日 优先权日:2012年3月20日
【发明者】桑迪普·克里希南, 耿莫伊, 亚历山大·I·古拉里, 马修·金, 瓦迪姆·博古斯拉夫斯基, 史蒂文·克罗门霍伊克 申请人:维易科仪器公司