反应腔室及设置有该反应腔室的mocvd设备的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种反应腔室及设置有该反应腔室的MOCVD设备，涉及半导体设备制造领域，可提高基片放置区域的温度均匀性，从而获得更佳工艺效果，而且可以降低能耗，从而降低生产成本。本发明所述反应腔室内，贴近腔壁设置绝热壁，真空系统和冷却气体系统，其中：所述绝热壁的上下两端分别通过上法兰和下法兰固定于反应腔室内，所述绝热壁包括：内壁和外壁，所述内壁和外壁之间形成有一密封间隙；所述密封间隙分别与所述真空系统和所述冷却气体系统相连接；所述真空系统，用于在工艺前对所述密封间隙抽真空；所述冷却气体系统，用于在工艺结束后或工艺过程中需要快速降温的阶段，向所述密封间隙通入冷却气体。
【专利说明】反应腔室及设置有该反应腔室的MOCVD设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体设备制造领域，尤其涉及一种反应腔室及设置有该反应腔室的MOCVD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。典型代表是以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原材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长各种II1-V族、I1-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。
[0003]MOCVD生长室(反应室)的基本结构如图1所示，由石英材料形成的反应腔20，反应腔20的内部摆放有垂直排列的多层石墨托盘21。在反应腔20的外壁上还安装感应线圈22，感应线圈22与石墨托盘21同心放置。感应线圈22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21进行加热。感应线圈22中的低频交变电流产生交变磁场，当磁力线23穿过石墨托盘21时，磁力线被切割产生感应电动势，从而在石墨托盘21中产生低频涡流，由于低频涡流在石墨托盘21中的电阻热效应，石墨托盘21被加热。
[0004]MOCVD的工艺对温度的均匀性要求很高，尤其是大尺寸(4寸以上)基片的MOCVD生长，对基片温度的均匀性要求更是严格。基片温度不均匀很可能直接影响薄膜的光学质量，从而影响LED芯片的发光效率。但现有MOCVD生长室中，放置基片的石墨托盘21与感应线圈22同心放置，由于在腔体内部垂直方向上磁场分布不均匀，如图2所示，从反应腔中心向反应腔内表面磁力线的分布由疏到密，容易造成石墨托盘表面温度不均匀致使石墨托盘的外围温度偏高，而中间温度偏低。而且，由于感应加热对加热体分区段加热的可控性很低，因此即便在石墨托盘同心圆周上可以找到温度较为均匀的环带来盛放基片，也无法解决石墨托盘温度均匀性的问题。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种反应腔室及设置有该反应腔室的MOCVD设备，可提高基片放置区域的温度均匀性，从而获得更佳工艺效果，而且可以降低能耗，从而降低生产成本。
[0006]一方面，本发明实施例提供一种反应腔室，所述反应腔室内，贴近腔壁设置绝热壁，真空系统和冷却气体系统，其中:
[0007]所述绝热壁的上下两端分别通过上法兰和下法兰固定于反应腔室内，所述绝热壁包括:内壁和外壁，所述内壁和外壁之间形成有一密封间隙；所述密封间隙分别与所述真空系统和所述冷却气体系统相连接；
[0008]所述真空系统，用于在工艺前对所述密封间隙抽真空；
[0009]所述冷却气体系统，用于在工艺结束后或工艺过程中需要快速降温的阶段，向所述密封间隙通入冷却气体。
[0010]进一步地，所述的反应腔室，还包括:
[0011]冷却装置，设置于所述内壁和外壁之间的密封间隙内，所述冷却装置用于冷却所述密封间隙内的冷却气体。
[0012]可选地，所述冷却装置为水冷壁。
[0013]优选地，所述内壁的内表面和所述外壁的内表面覆有热反射层。
[0014]可选地，所述热反射层为镀银层或者镀金层。
[0015]具体地，所述绝热壁由内外两个石英管嵌套而成的，所述内壁为内石英管，所述外壁为外石英管。
[0016]进一步地，所述上法兰内还设置有上法兰水冷壁，所述下法兰内还设置有下法兰水冷壁。
[0017]具体地，所述上法兰水冷壁和下法兰水冷壁分别与所述冷却装置连通；
[0018]通过增大所述上、下法兰水冷壁与所述冷却装置中的冷却水流量及流速，快速降低所述密封间隙中的冷却气体的温度，并通过所述真空系统排出来，以增大腔室与外界环境的散热。
[0019]所述反应腔室，还包括:中央进气系统、上排气系统和下排气系统，其中:通过所述中央进气系统向所述反应腔室通入大量的氮气，再通过所述上排气系统和所述下排气系统排走腔室内部的气体，以实现辅助降温。
[0020]本发明实施例还提供一种设置有上述任一反应腔室的设备。
[0021]本发明实施例提供的反应腔室及设置有该反应腔室的MOCVD设备，在反应腔室的内壁和外壁之间形成有一密封间隙，使用前将密封间隙抽成真空，然后设置反应腔室的反应温度，保温一段时间以使反应腔室内部通过热传递达到温度均匀，从而提高基片放置区域的温度均匀性，获得更佳工艺效果；而且，通过内、外壁的保温效果，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。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]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。
[0023]图1为现有等离子反应室的结构示意图；
[0024]图2为图1中感应线圈产生的电场分布示意图；
[0025]图3为本发明实施例提供的反应腔室的结构示意图；
[0026]图4为本发明实施例提供的反应腔室的使用方法流程图一；
[0027]图5为本发明实施例提供的反应腔室的使用方法流程图二。
[0028]附图标记说明
[0029]20-反应腔，21-石墨托盘，22-电感线圈，23-磁力线；
[0030]1-中央进气系统，2-上法兰，3-上法兰水冷壁，4-冷却气体系统，5-电感线圈，6-法兰支撑机构，7-外石英管，8-内石英管，9-真空系统，10-下法兰水冷壁，11-旋转系统，12-下法兰，13-下排气系统，14-石墨托盘，15-放片槽，16-上排气系统，17-水冷壁。
【具体实施方式】
[0031]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0032]本发明的反应腔室内，贴近腔壁设置绝热壁，真空系统和冷却气体系统，其中:
[0033]所述绝热壁的上下两端分别通过上法兰和下法兰固定于反应腔室内，所述绝热壁包括:内壁和外壁，所述内壁和外壁之间形成有一密封间隙；所述密封间隙分别与所述真空系统和所述冷却气体系统相连接；
[0034]所述真空系统，用于在工艺前对所述密封间隙抽真空；
[0035]所述冷却气体系统，用于在工艺结束后或工艺过程中需要快速降温的阶段，向所述密封间隙通入冷却气体。
[0036]在工艺前，真空系统的真空泵对内壁和外壁之间的密封间隙抽真空，保证内壁和外壁之间的密封间隙为真空区域，一般密封间隙的真空度在1mbar(13Pa)以下，内壁、真空的密封间隙、外壁共同形成一个绝热壁，有效的阻挡了热传导、热对流、热辐射形式的散热，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。优选地，还可将内壁的内表面和外壁的内表面覆盖热反射层，把热辐射反射回去，断绝热辐射通路，进一步降低热量损失，提高绝热性。可选地，所述热反射层可为镀银层或者镀金层。
[0037]长量子阱工艺对温度均匀性要求为±1°C，温度均匀性要求非常苛刻，为保证反应腔室内温度的均匀性，一般先将反应腔室的温度设置的略高于需求的工艺温度，保温一段时间，使腔室内部温度通过热传导、热对流、热辐射的作用，达到良好的温度均匀性，再进行工艺，从而提高基片放置区域的温度均匀性，获得更佳工艺效果。
[0038]需要指明的是，保温的时间长度以使基片放置区域达到工艺要求的温度均匀性为准，具体实施中，可根据多次试验反馈，总结经验值进行设置。当然，较好地是在基片放置区域的不同位置多设置几个温度测量点，根据温度测量点的反馈值来判断是否达到良好的温度均匀性。
[0039]由于内、外壁形成的反应腔室保温效果好，在工艺过程中或者工艺结束后，腔室内部温度下降速度非常慢，为解决这个问题，在工艺过程中或者工艺结束后需要降温时，冷却气体系统向内、外壁间的密封间隙通入冷却气体。
[0040]进一步地，为提高反应腔室的降温速度，所述反应腔室还包括:冷却装置，设置于内壁和外壁之间的密封间隙内，冷却装置用于冷却所述密封间隙内的冷却气体。可选地，所述的冷却装置可为水冷壁。水冷壁可由多根并联管组成水冷包壳，敷设在内壁四周，冷却工质在其中做上升运动，受热蒸发，吸收密封间隙内的辐射热量。
[0041]为了本领域技术人员更好的理解本发明实施例提供的反应腔室的结构，下面通过具体的实施例对本发明提供的反应腔室进行详细说明。
[0042]如图3所示，本发明实施例提供的反应腔室，绝热壁由内外两个石英管(7、8)嵌套而成的，所述内壁为内石英管8，所述外壁为外石英管7 ；内石英管8和外石英管7上下两端通过上法兰2和下法兰12固定于反应腔室内，内、外石英管之间形成有密封间隙，密封间隙在上端连接有冷却气体系统4，下端连接有真空系统9。工艺过程中通过真空系统9的真空泵抽真空，保证外石英管7与内石英管8间的密封间隙为真空区域，真空度在1mbar以下，两层石英管形成一个绝热壁，有效的阻挡了热传导、热对流、热辐射形式的散热。为保证温度均匀性，进行工艺过程前，先将反应腔室的温度升高略大于工艺过程需求的温度，保温一段时间以使腔室内部温度通过热传导、热对流、热辐射的作用，达到良好的温度均匀性，再进行工艺。
[0043]工艺过程中或者工艺结束后，开启与密封间隙相连的冷却气体系统4，冷却气体进入密封间隙，一般为避免污染或腐蚀密封间隙两侧的石英管内壁，冷却气体一般选用氮气。但由于双层石英管的作用，反应腔室内部温度下降速度仍然非常慢，为解决这个问题，在双石英管内部放置水冷壁17，在上法兰2内设计上法兰水冷壁3，以及在下法兰12内设计下法兰水冷壁10。
[0044]在工艺要求快速降温阶段，水冷壁17以及上下法兰水冷壁提供冷却循环水散热，同时通过冷却气体系统4通入大量的氮气，然后氮气通过真空系统9排出来，增大腔室与外界环境的散热。同时，还可进一步调节水冷壁17、上下法兰水冷壁以及冷却装置中的冷却水流量及流速，增强腔室与外界环境的换热。
[0045]同时还可快速降低密封间隙中的冷却气体的温度，并通过真空系统排出来，以增大腔室与外界环境的散热。本实施例通过中央进气系统1，通入大量的氮气，通过上排气系统16，下排气系统13排走腔室内部的气体，辅助降温，达到快速降温阶段，有效加大对流散热的目的。
[0046]此外，冷却壁外部还设置有法兰支撑机构6，反应腔内部还设置有石墨托盘14和放片槽15，以及旋转系统11 ;反应腔外部还设置有电感线圈5，用于对加热石墨托盘14，这些部件与本发明技术方案没有直接关系，在此不再详述。
[0047]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。
[0048]本发明实施例提供的反应腔，保温效果好，可提高基片放置区域的温度均匀性，获得更佳工艺效果；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。
[0049]本发明还提供一种设置有上述任一反应腔室的设备，例如MOCVD设备，可提高基片放置区域的温度均匀性，获得更佳工艺效果；同时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。
[0050]另一方面，基于上述任一反应腔室，本发明实施例提供的所述反应腔室的使用方法，如图4所示，该方法为:在进行工艺过程前的准备工作中包括:
[0051]101、关闭与密封间隙相连的冷却气体系统，开启与所述密封间隙相连的真空系统，对所述密封间隙抽真空；
[0052]102、设置所述反应腔室的反应温度，保温一段时间使所述反应腔室内部通过热传递达到温度均匀。
[0053]本发明实施例提供的反应腔使用方法，使用前将反应腔室的内壁和外壁之间的密封间隙抽成真空，然后设置反应腔室的反应温度，保温一段时间以使反应腔室内部通过热传递达到温度均匀，从而提高基片放置区域的温度均匀性，获得更佳工艺效果；而且，通过内、外壁的保温效果，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。
[0054]进一步地，在使用结束后或工艺过程中的其它需要快速降温的阶段，如图5所示，所述使用方法还包括:
[0055]201、开启冷却装置；
[0056]202、开启与所述密封间隙相连的冷却气体系统，使冷却气体进入所述密封间隙。
[0057]本发明实施例提供的反应腔使用方法，在使用结束后或工艺过程中的其它需要快速降温的阶段，开启冷却装置，同时开启与所述密封间隙相连的冷却气体系统，使冷却气体进入密封间隙，从而达到快速降温的目的。
[0058]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，其特征在于，所述反应腔室内，贴近腔壁设置绝热壁，真空系统和冷却气体系统，其中: 所述绝热壁的上下两端分别通过上法兰和下法兰固定于反应腔室内，所述绝热壁包括:内壁和外壁，所述内壁和外壁之间形成有一密封间隙；所述密封间隙分别与所述真空系统和所述冷却气体系统相连接； 所述真空系统，用于在工艺前对所述密封间隙抽真空； 所述冷却气体系统，用于在工艺结束后或工艺过程中需要快速降温的阶段，向所述密封间隙通入冷却气体。
2.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: 冷却装置，设置于所述内壁和外壁之间的密封间隙内，所述冷却装置用于冷却所述密封间隙内的冷却气体。
3.根据权利要求2所述的反应腔室，其特征在于，所述冷却装置为水冷壁。
4.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述内壁的内表面和/或所述外壁的内表面覆有热反射层。
5.根据权利要求4所述的反应腔室，其特征在于，所述热反射层为镀银层或者镀金层。
6.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述绝热壁由内外两个石英管嵌套而成，所述内壁为内石英管，所述外壁为外石英管。
7.根据权利要求2所述的反应腔室，其特征在于， 所述上法兰内设置有上法兰水冷壁，所述下法兰内设置有下法兰水冷壁。
8.根据权利要求7所述的反应腔室，其特征在于，所述上法兰水冷壁和下法兰水冷壁分别与所述冷却装置连通； 通过增大所述上、下法兰水冷壁与所述冷却装置中的冷却水流量及流速，快速降低所述密封间隙中的冷却气体的温度，并通过所述真空系统排出来，以增大腔室与外界环境的散热。
9.根据权利要求1-8任意一项权利要求所述的反应腔室，其特征在于，所述反应腔室，还包括:中央进气系统、上排气系统和下排气系统，其中: 通过所述中央进气系统向所述反应腔室通入大量的氮气，再通过所述上排气系统和所述下排气系统排走腔室内部的气体，以实现辅助降温。
10.一种MOCVD设备，其特征在于，设置有权利要求1-9任一项所述的反应腔室。
【文档编号】C30B25/08GK104233460SQ201310231995
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年6月9日 优先权日:2013年6月9日
【发明者】袁福顺 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