一种化学气相沉积或外延层生长反应器及其内的旋转轴的制作方法

本发明涉及半导体加工领域，具体涉及一种化学气相沉积或外延层生长反应器及其内的旋转轴。

背景技术：

mocvd是金属有机化合物化学气相沉积(metal-organicchemicalvapordeposition)的英文缩写。mocvd是在气相外延生长(vpe)的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。它以ⅲ族、ⅱ族元素的有机化合物和v、ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长各种ⅲ-v族、ⅱ-ⅵ族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。

如图1所示，为现有技术中已广泛使用的mocvd装置，在mocvd反应腔1内，晶圆放置在由旋转轴2支撑的石墨托盘3上，使得晶圆上表面暴露在用于分配工艺气体的喷淋头4的下方。进行mocvd工艺时，由设置在石墨托盘3下方的加热器5对晶圆进行加热，使晶圆保持在反应所需的高温环境。并且使旋转轴2高速旋转，其可带动放置在石墨托盘3上的晶圆一起高速旋转，工艺气体通过喷淋头4进入mocvd反应腔1内，向下引导至晶圆上表面上，与高速旋转中的晶圆上表面发生化学反应而沉积，并由晶圆上表面通过石墨托盘3向外周流动。

进入mocvd反应腔1内的工艺气体在石墨托盘3表面的均匀分布对mocvd工艺至关重要。为保证这个关键的工艺要求，除了喷淋头4的作用之外，位于mocvd反应腔1底部的气体抽取装置6的作用也非常大。所述的气体抽取装置6沿着mocvd反应腔1的侧壁底端设置，与旋转轴2同轴，该气体抽取装置6与加热器5之间设置有加热器隔热屏8，作用是均匀分配由石墨托盘3的边缘流下的气体，并将其排出mocvd反应腔1。

mocvd在工艺过程中，旋转轴2与石墨托盘3直接接触，旋转轴2的材料通常为钼或钼合金，石墨托盘3的材料通常为石墨。在高温环境下石墨会与钼发生渗碳，在旋转轴2表面产生一层涂层，导致旋转轴2的尺寸产生变化，并且经过一段时间使用后涂层会发生剥落现象，导致旋转轴2无法使用，故而大大减少了旋转轴2的使用寿命，增加了大量额外的生产成本。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种化学气相沉积或外延层生长反应器及其内的旋转轴，该旋转轴在高温环境下很难与石墨材质的石墨托盘发生渗碳，故而具有更长的使用寿命，减少额外的生产成本。

为达到上述目的，本发明提供了一种用于化学气相沉积或外延层生长反应器内的旋转轴，用以支撑石墨托盘并带动其旋转，所述石墨托盘的下表面设置一凹陷部，其中，所述旋转轴包括：

主轴部；

一凸起部，沿所述主轴部向所述石墨托盘方向延伸一高度，所述凸起部可分离地插接于所述凹陷部；

一支撑部，所述支撑部设置在所述主轴部靠近所述石墨托盘的一端，包括一支撑面，所述支撑面与所述石墨托盘的下表面接触，实现对所述石墨托盘的支撑；

所述支撑面与所述凸起部的外表面为钨或钨合金材质。

上述的用于化学气相沉积或外延层生长反应器内的旋转轴，其中，所述钨合金为钨钼合金，钨镧合金，铌钨合金或钨钴合金中的一种或几种。

上述的用于化学气相沉积或外延层生长反应器内的旋转轴，其中，所述钨镧合金中包括1％-5％的氧化镧。

上述的用于化学气相沉积或外延层生长反应器内的旋转轴，其中，所述旋转轴设置有机械安装孔，所述机械安装孔在所述凸起部的顶表面上设有开口，并沿着所述主轴部的方向延伸一定深度。

上述的用于化学气相沉积或外延层生长反应器内的旋转轴，其中，所述主轴部与所述支撑部和所述凸起部一体设置，所述主轴部，所述支撑部和所述凸起部的基体材质为钼或钼合金，所述支撑面和所述凸起部表面材质为涂覆在钼或钼合金表面的钨或钨合金。

上述的用于化学气相沉积或外延层生长反应器内的旋转轴，其中，所述支撑面和所述凸起部表面涂覆的钨或钨合金的厚度大于0.05mm。

上述的用于化学气相沉积或外延层生长反应器内的旋转轴，其中，所述钨或钨合金通过热喷涂，电镀，薄膜沉积，等离子体物理气相沉积，等离子体化学气相沉积或等离子体增强型物理气相沉积方法涂覆在钼或钼合金表面。

上述的用于化学气相沉积或外延层生长反应器内的旋转轴，其中，所述支撑部和所述凸起部的材质为钨或钨合金，所述主轴部的材质为钼或钼合金，所述支撑部和所述凸起部通过机械方式与所述主轴部连接固定。

上述的用于化学气相沉积或外延层生长反应器内的旋转轴，其中，所述支撑部与所述凸起部一体制成，所述凸起部设置在所述支撑部的上方。

上述的用于化学气相沉积或外延层生长反应器内的旋转轴，其中，所述支撑部在与所述凸起部相反一侧设置一连接端，所述连接端的横截面为非圆形，所述主轴与所述支撑部相连的一端设置一向下凹陷的沉孔，所述沉孔与所述连接端相匹配，所述连接端插入所述沉孔后所述主轴旋转带动所述支撑部旋转。

上述的用于化学气相沉积或外延层生长反应器内的旋转轴，其中，所述机械安装孔的深度大于所述沉孔的深度。

上述的用于化学气相沉积或外延层生长反应器内的旋转轴，其中，所述机械安装孔的内表面设置螺纹。

上述的用于化学气相沉积或外延层生长反应器内的旋转轴，其中，所述连接端插入所述沉孔后，所述连接端的外表面与所述沉孔的内周面之间设置一缝隙。

上述的用于化学气相沉积或外延层生长反应器内的旋转轴，其中，所述支撑部和所述主轴上设置螺孔，通过螺钉将所述支撑部和所述主轴连接固定。

上述的用于化学气相沉积或外延层生长反应器内的旋转轴，其中，所述主轴部与所述支撑部和所述凸起部一体设置，所述旋转轴的材质为钨或钨合金。

本发明还提供了一种化学气相沉积或外延层生长反应器，包括一处理晶圆的反应腔以及设置在所述反应腔顶部的进气装置，用于允许工艺气体进入；所述的反应腔中设置有可旋转的上述旋转轴，以及安装在该旋转轴顶端并可随其转动的石墨托盘；所述的石墨托盘与进气装置相对设置，用于放置待处理晶圆。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：钨或钨合金比钼或钼合金的渗碳温度要高出许多，因而与石墨更难发生渗碳；钨或钨合金的渗碳层比钼或钼合金的渗碳层结构致密，更加稳定，不容易剥落。故而在旋转轴与石墨托盘所接触的位置选择钨或钨合金材料，可以大大延长旋转轴的使用寿命。

附图说明

图1为现有技术中化学气相沉积或外延层生长反应器的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的旋转轴与石墨托盘组合时的结构示意图；

图3为本发明另一实施例提供的旋转轴的局部结构示意图；

图4为本发明又一实施例提供的旋转轴与石墨托盘组合时的局部结构示意图；

图5为本发明再一实施例提供的旋转轴与石墨托盘组合时的局部结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，本发明所述的旋转轴适用于化学气相沉积或外延层生长反应器，尤其适用于反应腔内具有较高温度工作环境的反应器。下文实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供一种化学气相沉积或外延层生长反应器，其包含用于放置晶圆的反应腔1、进气装置和气体抽取装置6。其中，进气装置设置在反应腔1的顶部，气体抽取装置6设置在反应腔1的底部。

所述的反应腔1由位于顶端的顶壁，位于底端的底壁，以及连接在顶壁和底壁之间的筒状侧壁构成，从而形成气密性的内部反应空间，容纳由进气装置提供的工艺气体。本实施例中，所述的反应腔1为圆筒状，当然在其他实施例中反应腔1也可以是其他形状，例如圆锥形、方形筒状、六角形筒状、八角形筒状或任意其他适当的形状等。

所述的反应腔1还设置有用于晶圆移入移出的晶圆进出口，以及紧邻侧壁设置并可沿侧壁方向进行上下移动的、呈环形的反应腔内衬。所述的反应腔内衬的环状形状与反应腔1的形状相匹配，该反应腔内衬具有位于上方的关闭位置和位于下方的打开位置。反应腔1内的晶圆在完成mocvd处理后，可下移反应腔内衬(使其处于打开位置)，从而露出晶圆进出口，进而可将晶圆由晶圆进出口处移出。下批次的待处理晶圆也可紧接着从晶圆进出口移入反应腔1。晶圆移入后，可上移反应腔内衬(使其处于关闭位置)，将晶圆进出口遮盖。此时，由反应腔内衬所界定出的反应腔1的内部空间呈对称形状，晶圆进出口被隐藏在反应腔内衬的后面，使得晶圆进出口与反应腔1的内部空间分隔开，因而其不会与反应腔1内的工艺处理气体有接触，从而保证了整个反应腔1的内部空间的环境均匀性。用于控制和驱动反应腔内衬上下移动的驱动机构可以是任意类型的驱动器，例如机械的、机电的、液压的或气动的驱动器。

本实施例中，所述的反应腔内衬一般为圆筒形，其界定出的反应腔1的内部空间呈圆形。当然在其他实施例中反应腔内衬也可以是其他形状，例如圆锥形、方形筒状、六角形筒状、八角形筒状或任意其他适当的形状等。

所述的反应腔1中设置有可旋转的旋转轴2，以及安装在该旋转轴2顶端并可随其转动的石墨托盘3。所述的旋转轴2与旋转驱动机构相连接，在旋转驱动机构的驱动下使旋转轴2绕其中心轴进行旋转。本实施例中，所述的旋转驱动机构可以是电机驱动器等。

所述的石墨托盘3与进气装置相对设置，用于放置需要进行mocvd工艺的晶圆。本实施例中，所述的石墨托盘3呈圆盘状，具有约500毫米至1000毫米的直径，可由不污染mocvd工艺过程且能承受该工艺过程所经历温度的材料石墨制成。在其他实施例中，石墨托盘3不与旋转轴接触的表面上可以设置有碳化硅涂层。

所述的装载机构能将石墨托盘3通过晶圆进出口移入反应腔1内，并将石墨托盘3安装在旋转轴2的顶端；还能使石墨托盘3与旋转轴2脱离，并通过晶圆进出口移出反应腔1。

所述的反应腔1中还设置有加热器5，其安装在所述的石墨托盘3的下方，且围绕所述旋转轴2设置，以保证反应腔1内能够达到mocvd工艺所需的高温环境。加热器5主要通过辐射传递热量至石墨托盘3的底面。施加至石墨托盘3底面的热量可向上流动穿过该石墨托盘3进而传递至放置在其上的晶圆底面，并向上穿过晶圆至其顶面。热量进一步可从石墨托盘3的顶面与晶圆的顶面辐射至整个反应腔1，从而传递至由进气装置提供的位于晶圆上方的工艺气体。

所述的反应腔1中还设置有隔热屏7，其围绕设置在加热器5的外侧，一方面用来减少工艺气体向石墨托盘3的下方区域流动，另一方面帮助引导热量从加热器5向上朝石墨托盘3传递，而不是向下朝反应腔1的底壁传递。

所述的进气装置由多个设置在反应腔1顶壁上的喷淋头4组成，与用于供应在mocvd反应过程中所使用的工艺气体源头连接，从而允许工艺气体进入反应腔1内。由于工艺气体一般包含载体气体和反应气体，所述的反应气体如金属有机化合物及v族金属元素的来源物质；而所述的载体气体典型的可为氮气、氢气或氮气和氢气的混合物。因此所述的进气装置用于接收各种气体并将其传递进入反应腔1内形成工艺气体，并引导该工艺气体大致以向下的方向流动。

所述的气体抽取装置6沿着反应腔1的侧壁底端设置，且围绕设置在隔热屏7的外侧，与所述的旋转轴2同轴，用于均匀分配由石墨托盘3的边缘流下的气体(既包括mocvd反应生成的废气，也包括还未来得及参加反应的部分工艺气体)，并将其排出mocvd反应腔1。所述的气体抽取装置6与设置在反应腔1外部的泵或其他真空源相连接，所述的泵或其他真空源用于提供气体流动动力。

由于石墨托盘3通常为由耐高温的石墨材料制成，在晶圆加工过程中，反应腔内温度会超过1千摄氏度，为避免旋转轴2与石墨托盘3在高温下发生反应，本发明提供了一种用于化学气相沉积或外延层生长反应器内的旋转轴。

如图2所示，所述旋转轴2用以支撑石墨托盘3并带动其旋转，所述石墨托盘3的下表面设置一凹陷部，所述旋转轴2包括：主轴部130；沿所述主轴部130向所述石墨托盘3方向延伸一凸起部110，所述凸起部110可分离地插接于所述凹陷部；一支撑部120，所述支撑部120设置在所述主轴部130靠近所述石墨托盘3的一端，包括一支撑面，所述支撑面与所述石墨托盘3的下表面接触，实现对所述石墨托盘3的支撑。本实施例中，设置主轴部130，支撑部120及凸起部110一体设置为钨或者钨合金材料，由于钨或者钨合金与石墨难以发生渗碳反应，旋转轴2能够在高温环境下保持稳定，进而提高了设备的稳定性和加工工艺的稳定性。钨合金可以为钨钼合金，钨镧合金，铌钨合金或钨钴合金的一种或几种的混合，为了提高钨旋转轴的可加工性，可以在钨合金里添加1％-5％的氧化镧，制作成钨镧合金，采用钨镧合金材质可以降低旋转轴的加工难度，减少制作成本，本实施例中可以选择添加3％的氧化镧。

如图3所示，所述旋转轴2用以支撑石墨托盘3并带动其旋转，所述石墨托盘3的下表面设置一凹陷部，所述旋转轴2包括：主轴部130；沿所述主轴部130向所述石墨托盘3方向延伸一凸起部110，所述凸起部110可分离地插接于所述凹陷部；一支撑部120，所述支撑部120设置在所述主轴部130靠近所述石墨托盘3的一端，包括一支撑面，所述支撑面与所述石墨托盘3的下表面接触，实现对所述石墨托盘3的支撑。所述旋转轴2设置有机械安装孔140，以便于安装；所述机械安装孔140在所述凸起部110的顶表面上设有开口，并沿着所述主轴部130的方向延伸一定深度。所述主轴部130与所述支撑部120和所述凸起部110一体设置，所述主轴部130，所述支撑部120和所述凸起部110的基体材质为钼，所述支撑面和所述凸起部110表面材质为涂覆在钼基体表面钨或钨合金。其中，钨合金可以为钨钼合金，钨镧合金，铌钨合金或钨钴合金的一种或几种的混合，本实施例中涂覆的钨或钨合金涂层的厚度为0.06mm，较佳的，为了保证旋转轴与石墨托盘的接触面不发生渗碳反应，能够保持旋转轴的长时间使用，钨或钨合金涂层的厚度大于等于0.05mm。所述钨或钨合金涂层可以通过热喷涂，电镀，薄膜沉积，等离子体物理气相沉积，等离子体化学气相沉积或等离子体增强型物理气相沉积方法涂覆在钼基体表面，由于钨或钨合金与石墨难以发生渗碳反应，旋转轴2能够在高温环境下保持稳定，进而提高了设备的稳定性和加工工艺的稳定性。

如图4所示，所述旋转轴2用以支撑石墨托盘3并带动其旋转，所述石墨托盘3的下表面设置一凹陷部，所述旋转轴2包括：主轴部130；沿所述主轴部130向所述石墨托盘3方向延伸一凸起部110，所述凸起部110可分离地插接于所述凹陷部；一支撑部120，所述支撑部120设置在所述主轴部130靠近所述石墨托盘3的一端，包括一支撑面，所述支撑面与所述石墨托盘3的下表面接触，实现对所述石墨托盘3的支撑。所述旋转轴2设置有机械安装孔140，以便于安装；所述机械安装孔140在所述凸起部110的顶表面上设有开口，并沿着所述主轴部130的方向延伸一定深度。所述支撑部120和所述凸起部110的材质为钨或钨合金，所述主轴部130的材质为钼或钼合金，所述支撑部120和所述凸起部110通过机械方式与所述主轴部130连接固定。所述支撑部120与所述凸起部110一体制成，所述凸起部110设置在所述支撑部120的上方。所述支撑部120在与所述凸起部110相反一侧设置一连接端1201，所述连接端1201的横截面为非圆形，如椭圆形，方形，三角形等，所述主轴与所述支撑部120相连的一端设置一向下凹陷的沉孔150，所述沉孔150的横截面形状与所述连接端1201的横截面形状相匹配，所述连接端1201插入所述沉孔150后与所述沉孔150相嵌合，所述主轴旋转带动所述支撑部120旋转。所述机械安装孔140的深度大于所述沉孔150的深度，以实现整体结构的稳定。所述机械安装孔140的内表面设置螺纹，以便于通过一外部装置移动安装所述旋转轴。所述连接端1201插入所述沉孔150后，所述连接端1201的外表面与所述沉孔150的内周面之间设置一缝隙，以减少磨损。由于钨或钨合金与石墨难以发生渗碳反应，旋转轴2能够在高温环境下保持稳定，进而提高了设备的稳定性和加工工艺的稳定性。

如图5所示，所述旋转轴2用以支撑石墨托盘3并带动其旋转，所述石墨托盘3的下表面设置一凹陷部，所述旋转轴2包括：主轴部130；沿所述主轴部130向所述石墨托盘3方向延伸一凸起部110，所述凸起部110可分离地插接于所述凹陷部；一支撑部120，所述支撑部120设置在所述主轴部130靠近所述石墨托盘3的一端，包括一支撑面，所述支撑面与所述石墨托盘3的下表面接触，实现对所述石墨托盘3的支撑。所述旋转轴2设置有机械安装孔140，以便于安装；所述机械安装孔140在所述凸起部110的顶表面上设有开口，并沿着所述主轴部130的方向延伸一定深度。所述支撑部120和所述凸起部110的材质为钨或钨合金，所述主轴部130的材质为钼或钼合金，所述支撑部120和所述凸起部110通过机械方式与所述主轴部130连接固定。所述支撑部120与所述凸起部110一体制成，所述凸起部110设置在所述支撑部120的上方。所述支撑部120和所述主轴上设置螺孔，通过螺钉160将所述支撑部120和所述主轴连接固定，由于与石墨托盘接触的部分材质为钨或钨合金，而钨或或合金与石墨难以发生渗碳反应，旋转轴2能够在高温环境下保持稳定，进而提高了设备的稳定性和加工工艺的稳定性。

本发明通过选用钨或钨合金制作用于支撑石墨托盘的旋转轴，由于钨或钨合金在高温下更难与石墨发生渗碳反应，从而避免旋转轴与石墨托盘接触区域发生渗碳反应，避免在旋转轴上渗碳涂层的产生，延长旋转轴的使用寿命。

尽管本发明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发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。