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基座

阅读：930发布：2020-05-13

IPRDB可以提供基座专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种基座装置，其用于化学气相沉积(CVD)反应器，包括在半导体工业中使用的金属有机CVD(MOCVD)。特别地，所述基座装置与感应加热一起使用，并且包括适于承载一个或多个晶片的水平板和垂直杆，感应加热线圈围绕垂直杆设置。还可以使用螺钉系统和绝热体。该设计有助于防止不希望的悬浮并且允许反应器的气体注入器位于更靠近晶片的位置以在高温沉积过程中在约1500℃或更高的基座表面温度下进行沉积。，下面是基座专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于化学气相沉积(CVD)反应器的基座装置，其包括：至少一个水平板，所述水平板适于承载至少一个晶片；

至少一个垂直杆，所述垂直杆与所述水平板集成并垂直于所述水平板；

其中，所述基座装置适于感应加热。

2.根据权利要求1所述的基座装置，其中所述基座装置没有电阻加热器。

3.根据权利要求1所述的基座装置，其中所述基座装置包含两个或多于两个垂直杆，所述垂直杆与所述水平板集成并垂直于所述水平板。

4.根据权利要求1所述的基座装置，其中所述垂直杆作为所述水平板的热源。

5.根据权利要求1所述的基座，其中基座配置为使其能够在CVD过程中旋转。

6.一种CVD设备，其包括权利要求1所述的基座装置。

7.根据权利要求6所述的CVD设备，所述设备还包括至少部分地包围所述基座的绝热结构。

8.根据权利要求6所述的CVD设备，其中所述设备还包括喷头式注入结构。

9.根据权利要求6所述的CVD设备，其中所述设备包括至少一个感应线圈和至少一个反应室，并且所述感应线圈安装在所述反应室内。

10.一种使用权利要求6所述的CVD设备的方法，其中CVD在至少1500℃的基座表面温度下进行。

说明书全文

基座

背景技术

[0001] 金属有机化学气相沉积(MOCVD)反应器的设计多种多样。在MOCVD反应中，通过反应气体对受热表面的反应，在受热的晶片表面上形成材料膜。产物可以沉积在晶片表面上，气态副产物会通过排气泵从反应器中除去。MOCVD反应器已经用于制备各种外延化合物，包括半导体单膜和异质结构如激光器和LED的各种组合。

[0002] 一般来说，加热晶片有多种选择，但有两种选择是最普及的。第一种选择是用电阻加热器加热，第二种选择是用感应加热器加热。然而，由于尺寸不稳定性，即翘曲变形，传统的电阻加热器通常不能在长时间内提供高于约1500℃的沉积温度稳定性。沉积温度是材料沉积在晶片表面上的晶片表面温度。因此，当必须提供高于约1500℃的温度时，通常使用感应加热器。然而，当将沉积温度增加到约1700℃时，现有技术设计会遇到问题。

[0003] 传统的感应加热装置存在公认的悬浮问题。例如，参见美国专利第6368404号，其描述了基座如何可以悬浮离开下面的基座。这种不希望的悬浮是由于感应线圈会产生交变磁通量而产生的，并且该交变磁通量将根据法拉第定律在基座上感应出涡电流。由基座表面上的感应线圈感应的涡电流会与感应线圈产生的磁通量相互作用。当涡电流流过基座时，涡电流会感应磁通量，该磁通量与由感应线圈产生的磁通量相反。结果是涡流和磁通量之间的相互作用产生了可以引起基座悬浮的力。该悬浮力可以使载体从感应加热装置分离并降低传热效率。

[0004] 此外，当由感应线圈产生的交变磁通量接近并穿过物体时，任何导电物体会感应涡电流(例如，参见图4)。基座通常放置在感应线圈的中心，因此交变磁通量可以容易地穿透感应线圈上方的任何导电物体。因此，其他导电物体需要远离感应线圈；否则，物体会被感应线圈加热，这可能造成损坏。对于MOCVD过程，许多气态反应物通过通常由导体制成的气体入口注入反应器中，并且当这些反应物在晶片表面上彼此相遇时会发生化学反应。在这样的高温(例如1700℃)下，需要将气体入口保持远离基座以躲避磁通量。否则，如果气体入口保持在太靠近晶片表面的位置，它们的温度会因磁通量而增加(当感应加热器的功率增加时磁场会更强)，这将导致反应物在到达晶片之前分解，或者它们可能沉积在气体入口表面上。反应物也可在它们到达晶片表面之前反应，或者可能发生一些气体再循环。而且，有可能熔化气体入口装置。然而，如果气体入口保持在远离基座的位置，则可能导致晶片上薄膜生长效率低、生长不均匀或产率低。为了避免这种情况，基座可能需要以高的每分钟转数(RPM)旋转，但是旋转可能导致气体的循环流动。这种循环流动会影响生长效率和生长质量。

[0005] 因此，在CVD设备中使用感应加热的高温MOCVD需要更好的设计。

发明内容

[0006] 本文描述和/或要求保护的实施例包括例如结构、装置、设备和系统，以及制造和使用这种结构、装置、设备和系统的方法。

[0007] 第一方面是一种用于化学气相沉积(CVD)反应器的基座装置，包括：至少一个水平板，其适于承载至少一个晶片；至少一个垂直杆，其与水平板集成并垂直于水平板，其中基座装置适于感应加热。

[0008] 在一个实施方案中，基座装置没有电阻加热器。

[0009] 在一个实施方案中，基座装置包含与水平板集成并垂直于水平板的两个或多于两个垂直杆。

[0010] 在一个实施方案中，垂直杆作为水平板的热源起作用。

[0011] 在一个实施方案中，基座配置为使其在CVD过程中可旋转。

[0012] 另一个实施方案是CVD设备，包括如本文所述和/或要求保护的基座装置。

[0013] 在一个实施方案中，该设备还包括至少部分地包围基座的绝热结构。

[0014] 在一个实施方案中，该设备还包括喷头注入结构。

[0015] 在一个实施方案中，该设备包括至少一个感应线圈和至少一个反应室，并且该感应线圈安装在反应室内。

[0016] 另一个实施方案提供了使用如本文所述和/或要求保护的CVD设备的方法，其中CVD在至少1500℃的基座表面温度下进行。

[0017] 在一个实施方案中，进行CVD的基座表面温度为至少1600℃，或至少1700℃。

[0018] 至少一些实施方案中的至少一些优点包括避免悬浮问题；收集来自感应加热器传递的更多功率，从而获得更高的能量效率；较高的生长速率；和/或更好的膜均匀性和品质。

[0019] 至少一些实施方案的其他可能的优点包括，例如，气体入口可以位于晶片表面附近(例如小于10mm)，这会减少对前体的高流速的需要；并尽量减少对一些惰性气体如H2或N2的需要，以抑制再循环并提高生长均匀性。而且，功率效率会更高，因为垂直杆会占据线圈的大部分磁通区域，这意味着会利用最大功率来加热基座，例如，如图6所示。

附图说明

[0020] 图1示出了具有多晶片容量的蘑菇状基座结构的一个实施方案，其中多个垂直杆与水平板(1A，左)集成，以及仅具有单个垂直杆(1B，右)的另一个实施方案。

[0021] 图2示出了应用于立式反应器中的蘑菇状基座结构的一个实施方案。

[0022] 图3示出了应用于水平反应器中的蘑菇状基座结构的一个实施方案，其中楔形物可以用于倾斜。

[0023] 图4示出了在一个现有技术实施方案中，由感应线圈产生的交变磁通量如何影响感应线圈上方的任意导体，这可以导致磁通量泄漏到喷头。

[0024] 图5示出了在一个实施方案中蘑菇型基座的横截面，其中示出了垂直杆和水平板之间的热传导。关键点是垂直杆是将热传导到水平板的热源。

[0025] 图6示出了在一个实施方案中，蘑菇状结构如何通过减弱由感应线圈产生的交变磁通量的强度来使水平板上方的任意导体(例如气体入口)中的涡电流避开交变磁通量。

[0026] 图7示出了在一个实施方案中由绝热体包围的蘑菇状基座，该绝热体由多个螺钉固定并安装在反应器的底部或旋转器上。

[0027] 图8示出了在一个实施方案中由绝热体包围的蘑菇状基座，该绝热体通过穿过反应器的底部和绝热体的螺钉固定到基座的底部。

[0028] 图9示出了在一个实施方案中的蘑菇状基座的垂直杆部分和绝热体，垂直杆部分可以制成螺栓状结构，并且绝热体可以制成螺孔。蘑菇状基座本身是安装在绝热体中的螺钉。

[0029] 图10示出了在一个实施方案中，没有周围的绝热体的蘑菇状基座(10A，左)以及具有周围的绝热体的蘑菇状基座(10B，右)的垂直杆部分，其示出了绝热体在保护线圈和限制热方面的重要性。

[0030] 图11示出了在一个实施方案中具有圆角或平滑拐角的蘑菇状基座，以便于热传导到水平板的边缘。

[0031] 图12示出了两个实施方案中的蘑菇状基座，其具有围绕每个垂直杆的多个线圈(12A，左)，或围绕所有垂直杆的一个线圈(12B，右)。

[0032] 图13示出了一个实施方案中的蘑菇状基座，其中水平板未与垂直杆集成，并且任选地，它们可以包括不同的材料。

[0033] 图14示出一个实施方案中的蘑菇状基座，其中在垂直杆内部具有热电偶孔，其用于热电偶探针以测量水平板的温度。

[0034] 图15示出了垂直杆下方的绝热体以及如何能够将它安装在旋转器上。

具体实施方式

[0035] 引言

[0036] 以下提供另外的更详细的描述。

[0037] 本文引用的参考文献通过引用整体并入本文。

[0038] 化学气相沉积(CVD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、金属有机气相外延(MOVPE)和有机金属气相外延(OMVPE)是本领域已知的方法，并且实施这些方法也是本领域已知的。例如，参见Chemical Vapor Deposition:Principles and Applications,Hitchman,Jensen(编辑),1993。例如，还参见美国专利第9299595号、第8709162号、第7126090号、第
6321680号、第6031211号、第5964943号、第5835678号、第5759263号、第5700725号；和美国专利公开第2010/0199914号、第2008/0036155号以及本文引用的其他参考文献。还参见JP2013115264和CN103436862。制造实施这些方法的反应器的方法是本领域已知的。

[0039] 在一个实施方案中，美国专利第9299595号中描述的垫片、流体歧管或任何其他部件不是要求保护的本发明的装置、设备或方法的一部分。

[0040] 本发明的实施方案涉及化学气相沉积(CVD)，特别是金属有机化学气相沉积(MOCVD)。MOCVD广泛用于例如生长III-V半导体材料，其是制造激光器和LED装置的常用材料。在优选实施方案中，本发明的实施方案解决了当应用感应加热系统时的悬浮问题。此外，在本发明实施方案中，当应用感应加热系统时，气体入口可以置于更靠近晶片表面的位置。实质上，优选实施方案提供将晶片承载器和加热部件集成为具有蘑菇状形状的整体部件。这种蘑菇状结构可以收集由感应加热器传递的更多功率，并获得更高的能量效率。

[0041] 在优选的实施方案中，蘑菇状结构是包含水平板和垂直杆的集成部件，如图1所示。一个或多于一个晶片可以直接放置在板上。一个或多于一个感应线圈可以分别放置在板下方并围绕垂直杆。而且，在一个实施方案中可以使用绝热体来保护线圈免于熔化以及限制热并控制热流。此外，蘑菇状基座可以具有用于热电偶的孔，其可以精确地测量晶片温度，如图14所示。

[0042] 基座装置结构由一种或多于一种电导体材料制成。通过这种优选设计，板可以阻挡由感应线圈感应的交变磁通量。此外，这种蘑菇状结构通过例如螺钉系统固定，从而其可以防止悬浮。参见图7至图9。

[0043] 基座装置

[0044] 本发明提供了用于化学气相沉积(CVD)反应器的基座装置。该装置包括至少一个水平板，其适于承载至少一个晶片；与水平板集成并基本垂直于水平板的至少一个垂直杆。垂直杆可以在水平板的中间连接水平板。为方便起见，可以将基于具有垂直杆的水平板的该基座装置结构称为“蘑菇形基座”。

[0045] 图1A和图1B示出了基座装置的非限制性示例，其示出了水平板和一个或多于一个垂直杆。水平板可以具有一个或多于一个区域，其用于承载一个或多于一个晶片。

[0046] 如本领域已知的，基座装置(水平板和垂直杆二者)可以由电子传导材料或导电材料(非离子导电材料)制成，电子传导材料或导电材料包括石墨或包括钼在内的金属。如本领域已知的，电子传导性必须足以能够在基座中感应涡电流并且由感应加热引起温度升高。如图13所示，水平板和垂直杆可以使用相同或不同的材料。

[0047] 如本领域已知的，水平板可以包括一个或多于一个设计用于承载一个或多于一个晶片的凹陷或凹模，这些晶片经历如图1A和图1B所示的沉积过程。更详细地，这意味着每个晶片必须放置在凹形的“凹陷”中，以防止晶片移动。例如，参见美国专利第5242501号。在优选的实施方案中，可以设置在水平板上的晶片的数量可以是例如至少一个、至少两个、或至少五个、或2个至100个。晶片的典型尺寸可以是例如直径为2英寸、4英寸、6英寸、8英寸或12英寸。晶片是本领域中已知的并且可以具有不同的尺寸，例如2英寸、3英寸、4英寸、6英寸或8英寸晶片。

[0048] 在优选实施方案中，水平板是直径大于高度的圆柱形对称圆盘形状。可以存在水平板的最佳高度以确保温度均匀性。在优选实施方案中，垂直杆是直径小于高度的圆柱形对称形状。图11示出了可以使用平滑拐角或圆角的实施方案。

[0049] 垂直杆可以用作水平板的热源(例如，参见图5)。板的直径和垂直杆高度的比例与设计有关，并且可以适用于特定应用。垂直杆的长度可以与线圈一样长。如果垂直杆较长，则垂直杆可以被更多匝数的线圈围绕。线圈的匝数可以越多，磁通量就可以越强。较强的磁通量能够在垂直杆上感应更多的涡电流，其可以进一步加热杆。在一些实施方案中，垂直杆的直径等于或大于晶片的直径，以均匀加热晶片。

[0050] 例如，水平板的直径与垂直杆的长度之比可以是1:0.8。

[0051] 水平板的直径与杆的直径之比会是重要的。如果板的直径远大于杆的直径，则板周边不会加热。例如，该比例可以是约1:0.6。

[0052] 典型的基座装置的大小可以如下描述：水平板的直径可以是例如三英寸。板的厚度可以是例如0.25英寸。杆的直径可以是例如两英寸。

[0053] 将垂直杆集成到水平板可以提高功率效率，因为杆占据了大部分磁通区域，这意味着会利用最大功率来加热垂直杆。如图5所示，垂直杆作为热源将热量传导到水平板。在另一个实施方案中，如图11所示，蘑菇状基座可以具有圆角，以最大化到水平板的热传导。同样在一个实施方案中，杆可以用绝热材料包围，以将热限制在垂直杆内，并最大限度地将热传导到水平板。此外，如图10所示，绝热材料可以防止线圈过热。

[0054] 本发明可以帮助解决本文所描述的问题。对于悬浮问题，存在至少三个实施方案可以进一步帮助避免该问题。在一个实施方案中，如图7所示，蘑菇状基座被绝热体包围。该基座可以通过其重量抵抗悬浮力，并且绝热体可以防止基座由于悬浮力而摇摆。绝热体通过多个螺钉固定，并且安装在反应器的底部或如果期望或需要基座旋转，则安装在旋转器上。在另一个实施方案中，如图8所示，蘑菇状基座被绝热体包围，并且通过螺钉固定，该螺钉穿过反应器和绝热体的底部至基座底部。而且，基座的体积质量密度高，这可以防止其悬浮。在另一个实施方案中，蘑菇状基座的垂直杆部分可以制成带螺纹的螺栓状结构，并且绝热体可以加工成内壁上具有相应的螺纹。如图9所示，蘑菇状基座本身可以用螺钉安装在绝热体中。而且，线圈可以主要仅位于杆周围，这会减小基座上方的磁通量。主加热机制会来自垂直杆和水平板之间的热传导。图10A和图10B还显示了使用绝热材料的重要性。图15显示了绝热体如何能够与底部集成的更多信息。这些设计可以使蘑菇状结构在感应加热过程中稳定。

[0055] 对于气体入口的加热问题，蘑菇状结构的水平板可以覆盖感应线圈的整个上部空间。水平板会感应与来自感应线圈的磁通量方向相反的磁通量。结果是水平板通过减弱交变磁通量为水平板上方的任何导电物体提供屏蔽。此外，如图6所示，感应线圈可以围绕垂直杆本身但远离水平板。

[0056] 感应加热系统

[0057] 感应加热系统在本领域中是已知的，包括用于CVD处理和反应器的那些。例如，参见美国专利第6368404号、第6217662号和Elements of Induction Heating:Design,Control,and Applications,S.Zinn,S.L.Semiatin,1988。如本领域中已知的，可以使用一个或多于一个线圈，并且RF线圈的间隔可以适合于特定应用。本领域技术人员可以生产一种系统，其中发生足够的RF耦合以实现期望的温度结果并且具有足够的加热均匀性。感应加热允许更高温度的加热，例如超过1500℃。

[0058] 感应线圈可以设置在垂直杆周围和水平板下方。在一个实施方案中，蘑菇状基座可以具有多个垂直杆，并且每个杆可以被线圈围绕，或者一个线圈可以同时围绕所有垂直杆。图12A和图12B显示了这两种情况。

[0059] 在一些情况下，现有技术已经教导了使用线圈来产生等离子体条件(例如，参见Gourvest等人，ECS J.Solid State Sci.Tech.，1(6)，Q119-Q122(2012))。然而，这与使用线圈产生感应加热不同。在一个实施方案中，CVD方法在不使用等离子体的情况下进行，并且线圈不适用于产生等离子体。

[0060] 杆内热量的深度如何(趋肤深度)取决于AC的频率。频率越低，趋肤深度越深。在本发明的设计中，需要加热杆的整个横截面以均匀地加热晶片。这就是建议低频的原因。然而，可以根据所需的构造和生长条件而采用任何频率。

[0061] 设备和其他部件

[0062] CVD反应器和金属有机化学气相沉积(MOCVD)反应器存在许多反应器设计，如图2和图3所示的垂直反应器，以及本领域已知的水平反应器。反应器可以是例如冷壁反应器或热壁反应器。这些类型的CVD和MOCVD反应器已经用于制备各种外延化合物，例如半导体单膜和异质结构如激光器和LED的各种组合。

[0063] 反应器的元件例如可以包括反应室、反应器壁、衬垫、气体注入单元、温度控制单元、冷却水系统、压力维持系统、排气系统和清洁系统等。

[0064] 所谓的“喷头”结构可以用于气体注入器，并通过多个入口将加工气体、前体和/或反应物引入反应室中晶片上方。喷头气体注入结构在本领域中是已知的。例如，它们可以由不锈钢制成。晶片和喷头结构之间的间隙可以是例如至少5mm、或至少10mm、或5mm至20mm、或约10mm。根据需要，可以使用不同于喷头结构的气体入口。

[0065] 可以调整反应器，使得在沉积期间根据需要可以旋转晶片和基座装置。根据需要，它们也可以倾斜。例如，参见图3和图15。

[0066] 制备方法

[0067] 基座装置和较大的反应器可以通过本领域已知的方法制备。可以通过本领域已知的方法将制成基座的材料加工成蘑菇形状，并且可以考虑加工晶片的凹陷。

[0068] 应用：使用方法

[0069] 如本领域中已知的，可以在晶片上外延生长各种膜材料，例如氮化铝、碳化硅、氮化镓、砷化镓、砷化铟镓、砷化铝镓等。

[0070] 例如，沉积温度可以是至少1500℃或至少1700℃。上限可以是例如3000℃或钨的熔点。

[0071] 通过使用本发明的装置、设备和方法可以改善材料的品质。

标题	发布/更新时间	阅读量
基座-专利编号CN104380451A	2020-05-12	416
基座-专利编号CN101271832A	2020-05-13	377
基座-专利编号CN104380451B	2020-05-13	892
基座-专利编号CN110023537A	2020-05-13	928
基座-专利编号CN103178387B	2020-05-12	341
基座-专利编号CN101271832B	2020-05-11	510
基座-专利编号CN104969332A	2020-05-11	668
基座-专利编号CN106163974B	2020-05-11	207
基座-专利编号CN104160495B	2020-05-11	988
基座-专利编号CN104160495A	2020-05-12	547

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