通過化學汽相沉積在晶片上生長外延層的無基座式反應器的制作方法

專利名稱：通過化學汽相沉積在晶片上生長外延層的無基座式反應器的制作方法
技術領域：
本發明涉及制作半導體組件，更具體地說是涉及用于在諸如晶片之類的襯底上生長外延層的裝置。
背景技術：
各種工業使用一定的工藝程序來在固體襯底上形成薄膜層。沉積了薄膜層的襯底廣泛使用于微處理器、光電器件、通訊設備以及其他的一些裝置。用于在固體襯底上沉積薄膜層的工藝對于半導體工業尤為重要。在半導體的制作中，涂層的固體襯底，例如由硅和碳化硅制成的基本為平面的晶片，被用來制作半導體器件。在沉積之后，對涂層晶片進行眾所周知的進一步加工，以形成半導體器件，例如激光器、晶體管、發光二極管以及多種其他器件。例如，在發光二極管的制造中，沉積在晶片上的膜薄層形成了二極管的有源元件。
沉積在固體襯底上的材料包括碳化硅、砷化鎵、復雜金屬氧化物(例如YBa2Cu3O7)以及很多其他材料。無機材料的薄膜層通常通過總地被稱為化學汽相沉積(CVD)的工藝進行沉積。眾所周知，CVD過程如果進行適當地控制會生成具有規則晶格的薄膜。尤其重要的是，沉積薄膜具有與底層固體襯底相同的晶格結構。這種薄膜通過其生長的層被稱為外延層。
在典型的化學汽相沉積過程中，通常為晶片的襯底在CVD反應器內被暴露在氣體中。在晶片被加熱并通常被旋轉的同時，由氣體運載的反應化學物以受控數量和受控速率被引到晶片上。通過將反應化學物放置在稱為發泡器的裝置中，然后使載帶氣體通過該發泡器，通常被稱為前驅物的反應化學物被引入CVD反應器。載帶氣體獲得前驅物分子以提供反應氣體，該反應氣體然后被輸入CVD反應器的反應腔。前驅物通常由無機成分和有機成分組成，該無機成分隨后在晶片(例如Si、Y、Nb等等)表面形成外延層。通常，有機成分被用來使前驅物能夠在發泡器中揮發。雖然無機成分對于CVD反應器中的高溫穩定，但有機成分在加熱至足夠高的溫度時容易分解。當反應氣體到達加熱了的晶片附近時，有機成分分解，在晶片表面以外延層的形式沉積無機成分。
CVD反應器有各種各樣的設計，包括水平式反應器，該反應器中，晶片被安裝成與流入的反應氣體成一定角度；行星式旋轉的水平式反應器，該反應器中，反應氣體通過晶片；桶式反應器；以及垂直式反應器，該反應器中，當反應氣體向下注入到晶片上時，晶片在反應腔里以相對較高的速度進行旋轉。高速旋轉的垂直式反應器為商業上最重要的CVD反應器之一。
任一個CVD反應器的理想特性包括加熱均勻性、較低反應器周期時間、良好性能特性、在反應腔內進行加熱和/或旋轉的內部零件的壽命、溫度控制簡易性以及組件耐高溫性。同樣重要的有必需組件的成本、維護的容易性、能量效率以及加熱組件熱惰性的最小化。例如，如果CVD反應器的加熱組件具有高的熱惰性，特定的反應器操作可能被延遲，直到加熱組件達到所需的溫度。因此，由于生產能力依賴于反應器循環的時間，反應器加熱組件的較低熱惰性增加了生產力。相似地，如果在沉積過程中進行旋轉的反應器內部零件即使僅發生小程度的變形，反應器也可能會在使用過程中出現過度的振動，結果導致維護需求增加。
典型的現有技術的垂直式CVD反應器示于

圖1。從圖1可以看出，晶片10被放置在晶片托架12上，該晶片托架被放置在基座14上。晶片托架12通常由相對便宜并且具有優良制作重現性的材料制成。晶片托架可能必須在一定的商業上適當數量的反應器周期后進行替換。基座14被永久地安裝并且通過可旋轉的主軸16支撐，該主軸16能使基座14、晶片托架12以及晶片10進行旋轉。基座14、晶片托架12以及晶片10被安裝在封閉的反應腔18內。可以包括一個或多個加熱絲22的加熱組件20被安裝在基座14下面，并且經電極25通電流進行加熱。加熱組件20加熱基座14、晶片托架12并最終加熱晶片10。晶片托架12的旋轉是用來提高沉積區上的溫度均勻性，以及沉積過程中引至晶片10上的反應氣體的均勻性的。當晶片支撐組件(主軸/基座/晶片托架)旋轉加熱晶片10時，反應氣體被通入反應腔18，在晶片10表面沉積薄膜。
與圖1所示的反應器相類似的既有基座又有晶片托架的垂直式CVD反應器對于各種CVD應用具有普遍和成功的應用。例如，由Emcore Corporation ofSomerset，New Jersey制造的Enterprise和Discovery反應器是商業市場上最成功的CVD反應器中的一些。然而，如本發明發明家所揭示的，這樣的CVD反應器的性能對于某些CVD應用可加以進一步地改進。
首先，既有基座又有晶片托架的CVD反應器包含至少兩個熱界面。參考圖1，它們是加熱組件20與基座14之間的界面以及基座14與晶片托架12之間的界面。本發明發明人的研究顯示，在這些界面上存在相當大的溫度梯度。例如，加熱組件20的溫度高于基座14的溫度，而該基座14的溫度又高于晶片托架12的溫度。因此，在沉積過程中，加熱組件20必須被加熱至明顯高于晶片10所需溫度的溫度。加熱組件所需的較高溫度導致了較高的能量消耗以及加熱組件的零件的較快損壞。另外，典型的基座具有相當大的熱容，因而具有大的熱惰性，大大地增加了加熱和冷卻晶片托架1 2所需的時間。這樣導致了較長的反應器周期以及隨之而來的反應器生產力的降低。同樣，發明人已經確定，較長的反應器周期時間容易導致較差的精確性以及晶片托架溫度控制的較小靈活性，增加了在沉積之前穩定晶片托架溫度必需的時間。
第二，在與圖1的反應器相似的CVD反應器中，由于基座14被永久地安裝在反應腔內，它必須經得起大量的反應器循環，并且在不中斷反應器循環、打開反應器并移去將基座永久安裝在主軸上的零件(如螺絲、螺母等)的情況下通常不易更換。因此，基座通常由高度抗高溫和高度抗變形的材料制成，典型的為鉬。這種材料非常昂貴并且經常呈現高的熱惰性。
第三，晶片支撐組件中的每一個附加界面都增加了對制造公差的要求。例如，再次參考圖1，為產生晶片所需的均勻加熱，基座14與晶片托架12之間的間距必須精確并且一致。然而，盡管在基座制造中進行了高精密加工，由于基座的隨著時間的變形(over-the-time deformation)和基座對基座制造重現性上的不可避免的一定程度的偏差，基座/晶片托架的間距很可能呈現某些不一致性。再者，由于為產生晶片托架的均勻加熱而所需的基座不均勻加熱，基座的小程度變形在既有基座又有晶片托架的CVD反應器中基本上是不可避免的。在沉積工藝的旋轉過程中，基座的積累變形最終可能導致晶片支撐組件的過度振動，以及致使涂層晶片的損耗和破壞。
第四，在具有永久安裝的基座的CVD反應器中，為使反應器操作過程中的振動減到最少，基座通常被剛性地安裝在主軸上。主軸/基座的連接處在反應器的反復操作中被加熱，并且有時變得難以拆卸，使維護和更換程序變得復雜。
最后，晶片支撐組件越重，主軸的機械慣量也越大。而高的機械慣量又增加了主軸支撐組件上的應力，縮短了它的壽命。
盡管有這些局限性，現有的既有基座又有晶片托架的已有技術的CVD反應器在半導體工業繼續有著成功和廣泛的用途。
然而，人們仍然需要一種CVD反應器，它能在保持高水平性能的同時將目前能夠得到的CVD反應器的這些局限性減到最少。

發明內容
本發明通過提供一種新穎的CVD反應器以及一種在CVD反應器中生成外延層的相關方法來致力于滿足這種需求，在這種反應器中，晶片托架被放置在可旋轉主軸上，不設基座。這些新穎的反應器有希望與目前能夠得到的成功的CVD反應器(例如示于圖1的反應器)一起使用。
發明人已經確定，在現有技術的CVD反應器(例如示于圖1的現有技術的反應器)中，大量的熱損失發生在晶片支撐組件的熱界面上。發明人的研究同樣說明，為達到要求的晶片溫度所需的加熱絲溫度的增加顯著地縮短了加熱絲的壽命。
發明人同樣確定，在現有技術的CVD反應器中永久性安裝的基座的存在明顯地增大了晶片支撐組件總體的熱惰性和機械慣量。
發明人同樣確定，可旋轉的主軸是沉積過程中晶片支撐組件大量熱損耗的原因。該熱損耗可能會消極地影響加熱的均勻性、能量效率以及加熱絲的壽命。
因此，本發明提供一種新穎的CVD反應器，使用該反應器使目前能夠得到的CVD反應器的這些局限性以及描述于本文中背景技術部分的局限性減到最少。
依照本發明的一個方面，提供一種通過化學晶片沉積在一個或多個晶片上生長外延層的設備，該設備包括反應腔、可旋轉主軸、用于加熱晶片的加熱裝置以及用來支撐晶片和在沉積位置和裝載位置之間傳送晶片的晶片托架。
在裝載位置，晶片托架和可旋轉主軸分離，晶片可以被放置在晶片托架上用于隨后傳送到沉積位置。裝載位置可以位于反應腔之內或者反應腔之外。裝載位置位于反應腔之外更為適宜。可以有一個或多個這樣的裝載位置。
在沉積位置，晶片托架被可分離地安裝在反應腔內可旋轉的主軸上，使放置在晶片托架上的晶片能夠進行化學汽相沉積。在沉積位置，晶片托架與主軸直接接觸更為適宜。同樣，在沉積位置時，晶片托架被居中地安裝在主軸上并且僅僅由主軸支撐更為適宜。極為可取的是，晶片托架通過摩擦力保持在主軸上，意味著在沉積位置不存在獨立的、用來將晶片托架保持在主軸上的保持裝置。然而，本發明的設備也可以在沉積位置包括獨立的、用來保持晶片托架的保持裝置。該獨立的保持裝置可以與可旋轉主軸整體成形，或者與主軸和晶片托架均分開。
本發明的晶片托架可以包括頂面和底面。晶片托架的頂面可以包括一個或多個用來放置晶片的凹座。底面可以包括用來將晶片托架可分離地安裝在主軸上的一個中心凹進部分。該中心凹進部分從晶片托架的底面向晶片托架的頂面延伸到一凹進部分末端。該中心凹進部分不到達晶片托架的頂面更為適宜，因此該凹進部分末端位于比晶片托架頂面低的高度處。
可旋轉的主軸包括在反應腔內的用來安裝晶片托架的一個頂端。在沉積位置，主軸的頂端被插入晶片托架底面的中心凹進部分。為了改進晶片托架的旋轉穩定性，主軸在晶片托架的重心之上支撐晶片托架更為可取。
本發明的設備同樣可以包括用于在沉積位置和裝載位置之間傳送晶片托架的機械裝置。本發明的設備的加熱裝置可以包括一個或多個輻射加熱元件。本發明的設備可以用來處理單個晶片或多個晶片。
依照本發明的另一個方面，提供一種通過化學汽相沉積在一個或多個晶片上生長外延層的設備；該設備包括反應腔、具有位于反應腔之內的頂端的可旋轉主軸、晶片托架以及安裝在晶片托架之下的輻射加熱元件。該晶片托架提供了一個支架并且傳送晶片。在沉積過程中，晶片托架被中心并可分離地安裝在主軸的頂端，在該主軸頂端，晶片托架與主軸接觸。該晶片托架被安裝成一種方式，使它能夠容易地從主軸的頂端移開。在沉積完成之后或者在任何其他時間，晶片托架可以從主軸的頂端移開，并且被傳送到裝載或卸載晶片的位置。可以有一個或多個這樣的裝載位置。裝載位置可以位于反應腔之內或者反應腔之外。晶片托架與主軸的頂端直接接觸并且具有包括一個或多個用于支撐多個晶片的凹座的頂面更為適宜。因此，單個晶片或多個晶片可以同時在本發明的反應器中進行沉積。晶片托架在安裝在主軸的頂端的位置和裝載位置之間通過機械裝置進行遷移，該機械裝置典型地為機器人臂。
在本發明這個方面的一個較佳實施例中，晶片托架的底面包括一個中心凹進部分，該中心凹進部分從底面向上朝晶片托架的頂面方向延伸，終止于凹進部分末端。該中心凹進部分沒有達到晶片托架的頂面。因此，該凹進部分末端位于比晶片托架頂面低的高度處。當晶片托架被安裝在主軸的頂端時，主軸的頂端插入晶片托架底面的中心凹進部分。該插入在主軸和晶片托架之間提供了一個接觸點，使晶片托架能夠通過主軸支撐。為了改進晶片托架的旋轉穩定性，主軸和晶片托架之間具有最高高度的的接觸點位于晶片托架的重心之上。
在本發明這個方面的極佳實施例中，晶片托架具有基本上為圓形的形狀。在該實施例中，晶片托架的頂面和底面大體上互相平行。當然，晶片托架的頂面可以包括凹座用于放置晶片，晶片托架的底面包括用來將晶片托架安裝到主軸的頂端的一個凹進部分，并且不排除在晶片托架頂面或底面上的其他的凹口或凸起件。
根據本發明該實施例所述的主軸具有基本上為圓柱的形狀和一根轉動軸線。晶片托架的底面在安裝到主軸上時，基本垂直于主軸的轉動軸線。主軸的頂端終止于大體平直的頂面更為適宜，該頂面同樣基本垂直于主軸的轉動軸線。主軸的頂端朝主軸大體平直的頂面方向變窄更為適宜。因此，主軸頂端的狹窄部分位于靠近主軸大體平直的頂面的位置，主軸的寬闊部分位于遠離主軸大體平直的頂面的位置。
前面已經說明，主軸是晶片支撐組件相當大熱損耗的原因。本發明提供了減少這種熱損耗的新穎方法。為此，在較佳實施例中，主軸具有一個凹腔，從主軸頂端的大體平直的頂面垂直向下延伸至凹腔末端，該凹腔末端被設置在一個預定的深度處。主軸中的凹腔具有大體上為圓柱的形狀并且基本與主軸共軸線。主軸中凹腔的預定深度為主軸直徑的大約3倍到大約4倍更為適宜。主軸頂端的這個空心結構使晶片支撐組件的熱損耗能夠減少。
為了進一步減少熱損耗，提供了一種輻射加熱組件的特殊布置。在這種布置中，輻射加熱元件包括第一輻射加熱元件，該第一輻射加熱元件基本上與可旋轉主軸共軸線，并且具有接近晶片托架底面的頂面、內周和外周。第一輻射加熱元件的內周限定了圍繞主軸的一圓形開口。本發明輻射加熱元件的這種布置也可以包括第二輻射加熱元件，該第二輻射加熱元件與第一輻射加熱元件以及主軸大體共軸線，并且位于第一輻射加熱元件和主軸之間。第二輻射加熱元件限定了外周，該外周的半徑小于第一輻射加熱元件的內周的半徑。極為可取的是，第二輻射加熱元件的頂面位于與第一輻射加熱元件頂面大體相同的高度處，第二輻射加熱元件的底面位于與可旋轉主軸的凹腔末端相同的高度處。第二輻射加熱元件使主軸頂端的加熱能夠進行，這與主軸頂端的中空結構一起減少了晶片支撐組件的熱損耗。本發明的反應器也可以包括輻射加熱護罩。
依照本發明的再一個方面，提高一種通過化學晶片沉積在一個或多個晶片上生長外延層的方法。根據本發明的方法，化學晶片沉積在一反應腔里進行，該反應腔包括具有設置在反應腔內的頂端的可旋轉主軸。為了進行沉積，該方法包括a)提供具有保持一個或多個晶片的表面的晶片托架；b)在裝載位置將一個或多個晶片放置在晶片托架的表面，該裝載位置中，晶片托架與主軸分離；c)向主軸傳送晶片托架；d)將晶片托架可分離地安裝在主軸頂端上，以隨之旋轉；以及e)當引入一個或多個反應物至反應腔并且加熱晶片托架時，旋轉主軸和位于其上的晶片托架。
更為可取的是，本發明的方法還包括將晶片托架從主軸頂端移開以卸載晶片。可分離地安裝晶片托架的步驟可以包括直接安裝晶片托架和/或將晶片托架居中地安裝在主軸頂端。晶片托架被安裝在晶片托架的重心之上的主軸頂端，并且僅僅通過摩擦力保持在那里更為適宜。裝載位置位于反應腔之外更為可取。
附圖簡述對本發明的主題更為精確的評價以及它的各種優點能夠通過參考下列詳細的說明進行實現，該說明參考了附圖，其中圖1為現有技術的CVD反應器的高度概略的前橫斷面圖；圖2為本發明晶片支撐組件的高度概略的前視橫斷面圖，顯示了晶片托架可以在裝載位置和沉積位置之間進行傳送，在該沉積位置，晶片托架被放置在主軸上，而沒有設置基座；圖3A和3B為本發明設備的高度概略的示意圖，顯示了晶片托架可以在裝載位置和沉積位置之間穿過閘閥進行遷移；圖4為現有技術的晶片支撐組件的高度概略的示意圖，顯示了永久固定于主軸頂端的基座、晶片托架、加熱元件以及輻射加熱護罩；圖5A為本發明晶片支撐組件高度概略的前視橫斷面圖，顯示了沉積位置中安裝在主軸頂端上的晶片托架；圖5B為示于圖5A的本發明變型的晶片托架的頂視透視圖；圖5C為示于圖5A和5B的本發明變型的晶片支撐組件的頂視透視圖，晶片托架在裝載位置，圖中，晶片托架從主軸移開，顯示了主軸的頂端以及主要加熱元件；圖5D為示于圖5A-5C的本發明變型的晶片托架的升高的底視圖；圖6A為本發明另一個變型的高度概略的前視橫斷面圖；圖6B為示于圖6A的本發明變型的主軸的頂部透視頂視圖；圖7A為本發明另一個變型的晶片支撐組件的高度概略的橫斷面圖，顯示了主軸頂端用來減少晶片支撐組件通過主軸的熱損耗的凹腔；圖7B為示于圖7A的變型的主軸頂端的頂部透視圖；圖7C為示于圖7A和7B的本發明變型的主軸的高度概略的前視橫斷面圖；圖7D為示于圖7A-7C的本發明變型的主軸和晶片托架之間關系的高度概略的前視橫斷面圖；圖8A為本發明晶片支撐組件的高度概略的前視橫斷面圖，顯示了主軸和輻射加熱元件的新穎布置，使用該布置使晶片支撐組件通過主軸的熱損耗的降低；圖8B為晶片托架在裝載位置時的本發明晶片支撐組件的頂部透視頂視圖，顯示了示于圖7A-7C的本發明一個變型的主軸/加熱元件的布置。
圖9A、9B和9C顯示了用來在沉積位置中將晶片托架保持主在軸頂端上的本發明保持裝置的可能變型。
具體實施例方式
本發明的一般概念示于圖2。本發明的反應器包括反應腔100、晶片托架110、可旋轉主軸120和加熱裝置170。晶片托架110在裝載位置L和沉積位置D之間進行遷移。在位置L，晶片托架110與主軸120分離。在位置D，晶片托架110被安裝在可旋轉主軸120上。更為適宜的是，晶片托架110被安裝在主軸120的頂端180上。
根據本發明，在位置D晶片托架被安裝成任何一種使它能夠在反應器循環期間在操作本發明反應器的正常過程中容易與主軸120分離的方式。安裝晶片托架110的這種方式不使用將晶片托架110連在主軸120上的諸如螺絲釘、螺釘等之類的裝置，使用這些裝置將必須要開啟反應器以及拆卸將晶片托架110永久連在主軸120上的這些部件或零件。更為適宜的是，在位置D晶片托架110僅僅通過摩擦力被保持在主軸120上，沒有任何獨立的保持裝置。
與示于圖1的現有技術的CVD反應器相比，本發明的反應器不含基座。更為可取的是，晶片托架110被直接安裝在主軸120上，也就是在位置D，在晶片托架110和主軸120之間形成直接的接觸。本發明不排除中間元件可以存在于主軸120和晶片托架110之間的可能性，例如使晶片托架110便于保持在主軸120上的元件，例如圓環、固定器等等，只要這些中間元件在反應器操作的正常過程中不妨礙晶片托架從位置D移開或者分離。
在位置L，晶片130在晶片托架110和晶片130遷移到反應腔100之前被裝載在晶片托架110上。裝載位置L可以位于反應腔100之內或者之外。雖然只有一個位置L示于圖2中，可以有一個或多個這樣的位置。
晶片托架110可以包括用于放置晶片的頂面111。本發明的反應器可以用來涂覆單個晶片或者多個晶片。相應地，晶片托架110的頂面111可以以任何本技術領域已知的方式用于單個晶片或多個晶片。頂面111有多個凹座用來放置多個晶片130更為可取。
圖3A和3B顯示晶片托架110傳送操作的一個實例。參考圖3A可以看出，用于晶片托架110的裝載位置L位于獨立的裝載腔150內，該裝載腔150通過閘閥160被連接到反應腔100。裝載腔150有一個排氣口108，該排氣口裝載腔150在不中斷反應器循環情況下進行單獨通風用。在位置L，晶片托架110裝載有未涂層的晶片130。其后，晶片托架110穿過閘閥160遷移到反應腔100。
反應腔100可以包括上凸緣104和底板102。主軸120被插入底盤102中的孔以便主軸120的頂端180在反應腔100之內。主軸120可以被連接到旋轉裝置109，例如電動機。反應腔100同樣可以包括排氣口1 06以及其他的本技術領域已知的元件。
如圖3B所示，在沉積位置D，晶片托架110與未涂層的晶片130一起被安裝在主軸120的頂端180上，并且可以在反應器操作過程中與主軸120一起進行旋轉。然后，當晶片托架110和晶片130通過主軸120進行旋轉并且通過加熱裝置140進行加熱時，前驅化學物可以通過上凸緣104提供給反應腔100。在位置D中僅有主軸120支撐晶片托架110更為適宜。
在沉積完成之后，晶片托架110被傳送回位置L以卸載涂層了的晶片并且裝載新的未涂層晶片，以進行隨后到反應腔100中位置D的遷移。可以重復這個反應器循環加工更多的晶片。
晶片托架110可以在位置D和L之間以任何本技術領域已知的方式進行傳送。例如，本發明的反應器可以包括用于遷移的機械裝置，例如機械人臂或者自動裝卸機。例如，用來遷移本發明晶片托架的適當機械裝置在一同轉讓的美國專利No.6,001,183中有述，該專利完整地援引于此，以供參考。
晶片托架110具有圓形或長方形的形狀更為適宜，晶片托架110具有圓形形狀尤為可取。晶片托架可以由任何能夠耐CVD反應器反應腔內高溫的合適的材料(如石墨或鉬)所制成。當然，成本方面的考慮可能會影響對合適材料的選擇。如上所述，不存在基座/晶片托架界面了，這拓寬了對合適材料的選擇余地，以包括不太昂貴的替換材料。
加熱裝置140包括一個或多個輻射加熱元件更為可取。多個輻射加熱元件的使用使晶片托架110能多區加熱、更好的進行溫度控制以及提高涂層的均勻性。輻射加熱元件可以以任何本技術領域的熟練技術人員已知的方式進行布置。較佳的布置會參考本發明的特殊實施例進行說明。
本發明的CVD反應器具有許多重要優點。沒有永久安裝基座可減少晶片支撐組件的熱惰性，導致反應器循環時間的減少和對晶片溫度的更好控制。同樣，消除存在于現有技術的反應器中的一個熱界面(也就是，加熱元件/基座界面)可減少一個加熱元件或多個加熱元件與晶片之間的溫度梯度，增加了反應器的能量效率和加熱元件的壽命。再者，晶片支撐組件的較低重量減小了它的機械慣量，因此減小了軸上的應力。沒有了需要高精確制造并且仍然可能出現某些不均勻的基座和晶片托架之間的接觸，可使制造公差要求降低且和晶片對晶片的溫度均勻性也更好。由于同樣的原因，本發明的晶片托架可以由不太昂貴的材料制成，降低了反應器的總成本。同樣，由于本發明晶片托架的良好轉動穩定性，晶片支撐組件振動的可能性被減到最少。由于同樣的原因，較小的振動導致涂層晶片較低的損耗。本發明的這些優點以及其他的優點將參考本發明的具體實施例和變型進行說明。
為了進行說明，本發明將參考具體實施例進行描述。應該理解的是，這些實施例是不限制的，并且本發明包括了在所附權利要求書范圍之內的任何主題。
圖4顯示了現有技術的晶片支撐組件。基座14通過螺絲釘70被永久地安裝在主軸16上。在沉積過程中，晶片托架12被放置在基座14上。加熱結構可以包括主要加熱元件25和次要加熱元件26和27。如上所述，發明家人發現基座14的存在以及由此形成的加熱元件/基座與基座/晶片托架的界面影響了反應器的性能。
因此，本發明反應器的所有實施例不包括永久安裝的基座。圖5A、5B、5C和5D顯示了本發明反應器一個實施例的晶片支撐組件的變型。從圖5A可以看出，反應器包括反應腔100、具有位于反應腔100之內的頂端280的主軸250、晶片托架200以及輻射加熱元件140。圖5A顯示了在沉積位置的晶片托架200。
晶片托架200具有頂面201和底面202。頂面201包括用于放置晶片的凹座220。如圖5B所示，晶片托架200具有圓形形狀。除凹座220限定的區域之外，底面202平行于頂面201。從圖5D可以看出，晶片托架200的底面202包括一個中心凹進部分290。該中心凹進部分290從底面202向上延伸并終止于被凹進部分壁292包圍的平直表面291。
主軸250具有圓柱形狀和轉動軸線255。圖5C顯示了當晶片托架200與主軸分離、例如當晶片托架在裝載位置L時的主軸250的頂端280和輻射加熱元件140。從圖5C可以看出，主軸250的頂端280具有終止于頂面281的主軸壁282。圖5C同樣顯示了具有頂面141的輻射加熱元件140。輻射加熱元件140被設置成這樣一種方式，以使得在沉積過程中頂面141能夠加熱晶片托架200，該晶片托架被安裝在輻射加熱元件140之上的主軸250頂端280上。
在沉積位置D，主軸250的頂端280被插入晶片托架200的中心凹進部分290。當主軸壁282與凹進部分壁292直接接觸時，主軸250的平直表面281位于與凹進部分290的平直表面291的相鄰位置。在完全地插入后，主軸250的頂端280的平直表面281被設置成與凹進部分290的平直表面291直接接觸。更為適宜的是，晶片托架200和主軸250之間接觸的最高的一個點或者多個點(在本發明的該變型中為表面291和281之間的接觸區域)位于晶片托架200的重心之上，這有助于晶片托架的旋轉穩定性。
主軸250的頂端280在凹進部分290中的插入在主軸壁282和凹進部分壁292之間產生了摩擦配合，該摩擦配合使晶片托架200能夠在沒有獨立保持裝置的情況下由主軸250進行旋轉。在沉積過程中，主軸旋轉從而使晶片托架200和放置在凹座220中的晶片旋轉。僅僅通過摩擦力將晶片托架保持在主軸上能使托架-主軸組件的機械慣量減到最小，并能夠由此降低主軸上的應力。如果主軸250必須突然停止，并且施加在晶片托架上的慣性力超過它與主軸250頂端280之間的摩擦力，晶片托架200就可能獨立于主軸地旋轉，從而減小了主軸上的應力。
然而，本發明同樣考慮在晶片支撐組件中使用獨立保持裝置。這種獨立保持裝置的實例示于圖9A、9B和9C中。如圖9A所示，主軸250的頂端280可以包括從平直表面281垂直向下延伸的凹口289。晶片托架200可以在凹進部分290的平直表面291具有匹配凹口299。該凹口299從平直表面291垂直向上延伸。然后指狀件800可以插入凹口289和299，將晶片托架200和主軸250連在一起。或者，如圖9B所示，主軸250頂端280的平直表面281可以包括與主軸頂端成一體的凸起件900。在晶片托架200的沉積位置，凸起件900被插入凹進部分290的平直表面291的匹配凹口299中。更為適宜的是，從圖9C中可以看出，保持裝置包括兩個指狀件800或者兩個凸起件900，以及相應數量的匹配凹口。
晶片支撐組件的另一個變型示于圖6A和6B中。除了在晶片托架的沉積位置中晶片托架/主軸的關系之外，該變型與示于圖5A-5D的變型相類似。根據本發明的這個變型，晶片托架300的底面302有一個中心凹進部分390。該凹進部分390包括狹窄部分392和寬闊部分391。狹窄部分392終止于平直表面395。
如圖6B所示，主軸400的頂端480包括狹窄部分485和寬闊部分486。包括主軸壁482的狹窄部分485終止于頂面481。在沉積位置，主軸400頂端480的頂面481被插入晶片托架300的中心凹進部分390。晶片支撐組件的該變型與前面所述的示于圖5A-5D的變型之間的差異主要在于中心凹進部分390與主軸400頂端480的形狀。與本發明示于圖5A-5D的變型相似，晶片托架300通過摩擦力保持在主軸400的頂端480上。在沉積位置安裝晶片托架300過程中，主軸400的頂端480被插入中心凹進部分390，直到主軸壁482和凹進部分390的壁之間緊密配合，這樣產生了將晶片托架300保持在沉積位置的摩擦力。還應該注意的是，主軸400的頂面481可以不與或者與中心凹進部分390的表面395直接接觸，如下面將參照圖7A所說明的晶片支撐組件的另一個但是相似的變型。
如上所述，主軸自身常常是晶片支撐組件熱損耗的原因。在處理單個晶片的晶片托架被安裝于可旋轉主軸的情況中，主軸的存在對晶片的溫度有影響。晶片托架被居中地安裝在主軸上以致晶片托架頂面上的單個晶片凹座的中心區域覆蓋在可旋轉主軸上。由于主軸在中心區域從晶片托架區域吸走熱量，所以在晶片托架中產生的溫度梯度被傳遞到覆蓋其上的單個晶片凹座，導致所處理的晶片表面不均勻的溫度分布。當多個晶片通過使用單個晶片托架同時進行處理時，因為如從圖5B中可以看出，這種晶片托架包括多個圍繞晶片托架中心對稱排列的晶片凹座，并且沒有一個晶片凹座覆蓋在與主軸連接的晶片托架的軸線中心上面，所以與上面相比問題較小。因此，主軸從晶片托架中心部分吸取熱量的事實對安裝在多個晶片凹座中的多個晶片溫度的影響程度比對單個晶片處理過程的影響程度要小。然而，甚至在使用例如圖5B中所示的晶片托架時，熱損耗仍可能會在晶片托架表面產生某些加熱不均勻性。在沒有現有技術反應器中所包括的中間基座的情況下，由于晶片托架被放置在主軸頂端，該不均勻性對于本發明的反應器可能會增加。
因此，本發明提供了將通過可旋轉主軸的熱損耗減到最少的一晶片支撐組件變型。該變型示于圖7A、7B、7C和7D中。主軸500的頂端580包括從頂面581向下延伸的凹腔550。該凹腔550與主軸500大體共軸線。圖7B顯示了沒有晶片托架300情況下的主軸500的頂端580。凹腔550延伸到凹腔末端570，該凹腔末端570可以構成平直平面560或者為其他形式。凹腔550的深度h等于主軸凹腔直徑d(圖7C)的大約3倍到大約4倍更為適宜。從圖7B和7C看出，主軸500的頂端580具有空心結構，頂面581與凹進部分390表面之間的接觸面積被減到最小。這樣減少了晶片托架300通過主軸500的熱損耗。如圖7A所示，如果凹進部分390的平直表面395不與主軸500的頂面581接觸，則熱損耗進一步減少。
圖7D顯示了對于本發明這個變型的主軸和晶片托架之間的較佳關系。如早先所述，晶片托架和主軸之間的接觸點位于晶片托架的重心之上更為適宜。從圖7D可以看出，這種布置可以通過對主軸頂端和晶片托架中心凹進部分的制造公差的調整來實現。通常，要避免對預定角度α(圖7D)小程度偏離的存在是困難的。然而，制造公差A的偏差是可以進行操縱的。因此，在制造過程中，晶片托架中心凹進部分的角度α和主軸頂端的角度α被設置成相等更為適宜。然而，對于晶片托架的中心凹進部分，制造公差A給予正偏差，而對于主軸的頂端，制造公差A給予負偏差。與對晶片托架中心凹進部分的深度的合適選擇一起，這樣將晶片托架和主軸之間的接觸減到最少，并且使晶片托架和主軸之間的接觸點能夠位于晶片托架的重心之上。
為了更進一步地減少通過主軸的熱損耗，本發明的反應器可以配備有如圖8A和8B所示的輻射加熱元件的新穎布置。圖8A顯示了主要輻射加熱元件140和次要加熱元件700。該次要加熱元件700具有頂面701和底面702，并且圍繞主軸600的空心頂端680成形。次要加熱元件700的底面702位于與凹腔550的末端570相同的高度，從而通過加熱，產生抵抗晶片支撐組件熱損耗的熱障。因此，主軸600的空心頂端680通過次要加熱元件700進行加熱，進一步減少了通過主軸的熱損耗。次要加熱元件700的頂面701位于與主要輻射加熱元件140頂面141相同的高度。從圖8B可以看出，主軸600的頂端680可以與示于圖6A和6B中的本發明變型中的主軸頂端相同。
雖然本發明根據詳細的實施例在此進行了描述，應予理解的是，這些實施例僅僅是本發明原理和應用的說明性內容。因此，應予理解的是在不背離所附權利要求書所限定的本發明的精神和范圍的情況下，可以在這些說明性的實施例上作許多更改，而且可以設計其他的一些結構。
權利要求
1.一種通過化學汽相沉積在一個或多個晶片上生長外延層的垂直式裝置，所述裝置包括一反應腔；具有設置在所述反應腔內的一頂端的一可旋轉主軸；用于傳送所述一個或多個晶片和對所述一個或多個晶片提供支撐的一晶片托架；所述晶片托架被居中地和可分離地安裝在所述主軸的所述頂端上并且至少在所述沉積的過程中與之接觸；所述晶片托架能夠容易地從所述主軸的所述頂端移開，以用于傳送所述晶片托架以裝載或卸載所述一個或多個晶片；以及設置在所述晶片托架之下用于其加熱的輻射加熱元件。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述晶片托架與所述可旋轉主軸的所述頂端直接接觸。
3.如權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述晶片托架具有包含用于保持多個所述一個或多個晶片的多個凹座的一頂面。
4.如權利要求3所述的裝置，其特征載運，還包含用來將所述晶片托架從可分離安裝在所述主軸上的所述位置傳送到用于裝載或卸載所述一個或多個晶片的所述位置的機械裝置。
5.如權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述晶片托架有一個包含一中心凹進部分的底面，該中心凹進部分從所述晶片托架的所述底面向上朝所述晶片托架的所述頂面的方向延伸至一凹進部分末端，所述中心凹進部分的所述凹進部分末端位于比所述晶片托架的所述頂面低的一高度處；所述主軸的所述頂端能夠插入所述中心凹進部分，從而提供了所述主軸和所述晶片托架之間的接觸點，由此所述晶片托架可以由所述主軸支撐。
6.如權利要求5所述的裝置，其特征在于，所述主軸和所述晶片托架之間的所述接觸點被設置在所述晶片托架的重心之上，由此所述晶片托架被所述主軸支撐在所述晶片托架的所述重心之上。
7.如權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述晶片托架具有大體為圓形的形狀，所述晶片托架的所述頂面和所述晶片托架的所述底面大體互相平行。
8.如權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述主軸有一轉動軸線和大體為圓柱的形狀；所述晶片托架的所述底面大體垂直于所述主軸的所述轉動軸線；所述主軸的所述頂端終止于大體垂直于所述主軸的所述轉動軸線的一大體平直的頂面。
9.如權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述主軸的所述頂端具有設置在遠離所述主軸的所述頂端的所述大體平直頂面處的一寬闊部分，以及設置在接近于并終止于所述主軸的所述頂端的所述大體平直頂面處的一狹窄部分；所述主軸具有一個凹腔，該凹腔從所述主軸所述頂端的所述大體平直頂面垂直向下延伸到設置在一預定深度處的一凹腔末端；在所述晶片托架的所述底面中的所述中心凹進部分具有設置在遠離所述凹進部分末端處的一寬闊部分以及設置在接近所述凹進部分末端處的一狹窄部分；由此，所述晶片托架和所述主軸之間的所述接觸點被設置在接近于所述晶片托架的所述底面的所述凹進部分末端的位置。
10.如權利要求9所述的裝置，其特征在于，所述主軸具有預定的直徑并且所述主軸中的所述凹腔具有大體為圓柱的形狀，所述主軸中的所述凹腔與所述主軸大體共軸線；其中，所述主軸中的所述凹腔的所述預定深度等于所述預定主軸直徑的大約3倍到大約4倍。
11.如權利要求10所述的裝置，其特征在于，所述輻射加熱元件包含大體與所述可旋轉主軸共軸線的一第一輻射加熱元件。
12.如權利要求11所述的裝置，其特征在于，所述第一輻射加熱元件包括接近所述晶片托架的所述底面的一頂面、一內周以及一外周，其中，所述內周長限定了一圓形開口。
13.如權利要求12所述的裝置，其特征在于，還包含大體與所述第一輻射加熱元件共軸線的一第二輻射加熱元件，所述第二輻射加熱元件形成一外周，其中，所述第一輻射加熱元件的所述內周的半徑大于所述第二輻射加熱元件的所述外周的半徑。
14.如權利要求13所述的裝置，其特征在于，至少第二輻射加熱元件的一部分被設置在與所述第一輻射加熱元件的所述內周限定的所述圓形開口所在平面相同的平面內。
15.如權利要求14所述的裝置，其特征在于，所述第二輻射加熱元件包括設置在與所述第一輻射加熱元件的所述頂面大體相同高度的一頂面，以及設置在與所述可旋轉主軸的所述凹腔末端大體相同高度的一底面。
16.如權利要求15所述的裝置，其特征在于，還包括輻射加熱護罩。
17.一種通過化學汽相沉積在一個或多個晶片上生長外延層的裝置，所述裝置包含一反應腔；一可旋轉主軸；用來加熱所述一個或多個晶片的加熱裝置，該加熱裝置被設置在所述反應腔內；以及用來支撐并傳送所述一個或多個晶片的晶片托架，該晶片托架在用于實現所述化學汽相沉積的沉積位置與用于裝載和卸載所述一個或多個晶片的裝載位置之間是可傳送的，在該沉積位置，所述晶片托架可分離地安裝在所述可旋轉主軸上用于在反應腔內隨之旋轉；在裝載位置，所述晶片托架不被安裝在所述可旋轉主軸上。
18.如權利要求17所述的裝置，其特征在于，當在所述沉積位置時，所述晶片托架與所述主軸直接接觸。
19.如權利要求18所述的裝置，其特征在于，當在所述沉積位置時，所述晶片托架僅由所述主軸支撐。
20.如權利要求19所述的裝置，其特征在于，當在所述沉積位置時，所述晶片托架被居中地安裝在所述主軸上。
21.如權利要求20所述的裝置，其特征在于，當在所述沉積位置時，所述晶片托架通過摩擦力保持在所述主軸上。
22.如權利要求21所述的裝置，其特征在于，所述晶片托架具有一個包含用于保持所述一個或多個晶片的一個或多個凹座的頂面，以及一個包含用于在所述沉積位置將所述晶片托架安裝在所述主軸上的一中心凹進部分的底面；所述主軸具有設置在所述反應腔內的一頂端，其中，所述主軸的所述頂端可以被插入所述晶片托架的所述中心凹進部分內。
23.如權利要求22所述的裝置，其特征在于，所述晶片托架的所述底面中的所述中心凹進部分從所述底面向上朝所述晶片托架的所述頂面方向延伸至設置在比所述晶片托架的重心高并且比所述晶片托架的所述頂面低的一高度處的一凹進部分末端，由此，所述晶片托架由所述主軸支撐在所述晶片托架的所述重心之上。
24.如權利要求17所述的裝置，其特征在于，所述加熱裝置包含一個或多個輻射加熱元件。
25.如權利要求17所述的裝置，其特征在于，還包含用來在所述沉積位置保持所述晶片托架的獨立保持裝置。
26.如權利要求25所述的裝置，其特征在于，所述保持裝置與所述主軸的所述頂端整體成形。
27.如權利要求17所述的裝置，其特征在于，還包含用來在所述沉積位置和所述裝載位置之間傳送所述晶片托架的機械裝置。
28.如權利要求17所述的裝置，其特征在于，所述裝載位置位于所述反應腔之外。
29.如權利要求17所述的裝置，其特征在于，所述晶片托架支撐并傳送多個晶片。
30.一種在包括具有一頂端的一可旋轉主軸的一反應腔內通過化學汽相沉積在一個或多個晶片上生長外延層的方法，所述方法包括提供具有用來保持所述一個或多個晶片的表面的一晶片托架；當所述晶片托架位于所述裝載位置并與所述主軸分離時，將所述一個或多個晶片放置在所述晶片托架的所述表面；向所述主軸傳送所述晶片托架；將所述晶片托架可分離地安裝在所述主軸的所述頂端，以隨之旋轉；以及當將一個或多個反應物引入到所述反應腔并加熱所述晶片托架時，旋轉所述主軸和所述晶片托架，由此，所述外延層在所述一個或多個晶片上進行生長。
31.如權利要求30所述的方法，其特征在于，還包括將所述晶片托架從所述主軸的所述頂端移開以卸載所述一個或多個晶片。
32.如權利要求30所述的方法，其特征在于，所述可分離地安裝所述晶片托架的步驟包含將所述晶片托架直接安裝在所述主軸的所述頂端上。
33.如權利要求30所述的方法，其特征在于，所述可分離地安裝所述晶片托架的步驟包含將所述晶片托架居中地安裝在所述主軸的所述頂端上。
34.如權利要求33所述的方法，其特征在于，所述晶片托架被安裝在位于所述晶片托架重心之上的所述主軸所述頂端上。
35.如權利要求30所述的方法，其特征在于，所述裝載位置位于所述反應腔之外。
36.如權利要求30所述的方法，其特征在于，所述在旋轉所述主軸的步驟中，所述晶片托架通過摩擦力被保持在所述主軸的所述頂端上。
37.如權利要求34所述的方法，其特征在于，所述晶片托架包含一中心凹進部分，從而所述主軸的所述頂端被插入所述晶片托架的所述中心凹進部分，所述方法還包含對所述中心凹進部分和所述主軸的所述頂端調整制造公差，由此所述晶片托架被安裝在位于所述晶片托架重心之上的所述主軸所述頂端上。
全文摘要
本發明描述了一種在固體襯底上進行沉積的CVD反應器以及一種在晶片上沉積外延層的相關方法。在本發明的反應器中，晶片托架(110)在裝載位置(L)和沉積位置(D)之間進行遷移。在沉積位置，晶片托架被可分離地安裝在可旋轉主軸(120)的頂端上，而不設置中間基座。本發明的反應器可以處理單個晶片或者同時處理多個晶片。本發明同樣描述了本發明的幾個實施例和變型。本發明的一個變型使了晶片支撐組件通過主軸(500)的熱損耗降低并且為此提供了一新穎的加熱結構。本發明的優點包括更短的反應器周期、更低的成本和部件更長的壽命，還有更好的溫度控制。
文檔編號C23C16/44GK1489644SQ01822507
公開日2004年4月14日 申請日期2001年8月21日 優先權日2001年2月7日
發明者V·博古斯拉夫斯基, V 博古斯拉夫斯基, A·古拉里 申請人:埃姆科爾股份有限公司