专利名称：通过化学汽相沉积在晶片上生长外延层的无基座式反应器的制作方法
技术领域：
本发明涉及制作半导体组件，更具体地说是涉及用于在诸如晶片之类的衬底上生长外延层的装置。
背景技术：
各种工业使用一定的工艺程序来在固体衬底上形成薄膜层。沉积了薄膜层的衬底广泛使用于微处理器、光电器件、通讯设备以及其他的一些装置。用于在固体衬底上沉积薄膜层的工艺对于半导体工业尤为重要。在半导体的制作中，涂层的固体衬底，例如由硅和碳化硅制成的基本为平面的晶片，被用来制作半导体器件。在沉积之后，对涂层晶片进行众所周知的进一步加工，以形成半导体器件，例如激光器、晶体管、发光二极管以及多种其他器件。例如，在发光二极管的制造中，沉积在晶片上的膜薄层形成了二极管的有源元件。
沉积在固体衬底上的材料包括碳化硅、砷化镓、复杂金属氧化物(例如YBa2Cu3O7)以及很多其他材料。无机材料的薄膜层通常通过总地被称为化学汽相沉积(CVD)的工艺进行沉积。众所周知，CVD过程如果进行适当地控制会生成具有规则晶格的薄膜。尤其重要的是，沉积薄膜具有与底层固体衬底相同的晶格结构。这种薄膜通过其生长的层被称为外延层。
在典型的化学汽相沉积过程中，通常为晶片的衬底在CVD反应器内被暴露在气体中。在晶片被加热并通常被旋转的同时，由气体运载的反应化学物以受控数量和受控速率被引到晶片上。通过将反应化学物放置在称为发泡器的装置中，然后使载带气体通过该发泡器，通常被称为前驱物的反应化学物被引入CVD反应器。载带气体获得前驱物分子以提供反应气体，该反应气体然后被输入CVD反应器的反应腔。前驱物通常由无机成分和有机成分组成，该无机成分随后在晶片(例如Si、Y、Nb等等)表面形成外延层。通常，有机成分被用来使前驱物能够在发泡器中挥发。虽然无机成分对于CVD反应器中的高温稳定，但有机成分在加热至足够高的温度时容易分解。当反应气体到达加热了的晶片附近时，有机成分分解，在晶片表面以外延层的形式沉积无机成分。
CVD反应器有各种各样的设计，包括水平式反应器，该反应器中，晶片被安装成与流入的反应气体成一定角度；行星式旋转的水平式反应器，该反应器中，反应气体通过晶片；桶式反应器；以及垂直式反应器，该反应器中，当反应气体向下注入到晶片上时，晶片在反应腔里以相对较高的速度进行旋转。高速旋转的垂直式反应器为商业上最重要的CVD反应器之一。
任一个CVD反应器的理想特性包括加热均匀性、较低反应器周期时间、良好性能特性、在反应腔内进行加热和/或旋转的内部零件的寿命、温度控制简易性以及组件耐高温性。同样重要的有必需组件的成本、维护的容易性、能量效率以及加热组件热惰性的最小化。例如，如果CVD反应器的加热组件具有高的热惰性，特定的反应器操作可能被延迟，直到加热组件达到所需的温度。因此，由于生产能力依赖于反应器循环的时间，反应器加热组件的较低热惰性增加了生产力。相似地，如果在沉积过程中进行旋转的反应器内部零件即使仅发生小程度的变形，反应器也可能会在使用过程中出现过度的振动，结果导致维护需求增加。
典型的现有技术的垂直式CVD反应器示于
图1。从图1可以看出，晶片10被放置在晶片托架12上，该晶片托架被放置在基座14上。晶片托架12通常由相对便宜并且具有优良制作重现性的材料制成。晶片托架可能必须在一定的商业上适当数量的反应器周期后进行替换。基座14被永久地安装并且通过可旋转的主轴16支撑，该主轴16能使基座14、晶片托架12以及晶片10进行旋转。基座14、晶片托架12以及晶片10被安装在封闭的反应腔18内。可以包括一个或多个加热丝22的加热组件20被安装在基座14下面，并且经电极25通电流进行加热。加热组件20加热基座14、晶片托架12并最终加热晶片10。晶片托架12的旋转是用来提高沉积区上的温度均匀性，以及沉积过程中引至晶片10上的反应气体的均匀性的。当晶片支撑组件(主轴/基座/晶片托架)旋转加热晶片10时，反应气体被通入反应腔18，在晶片10表面沉积薄膜。
与图1所示的反应器相类似的既有基座又有晶片托架的垂直式CVD反应器对于各种CVD应用具有普遍和成功的应用。例如，由Emcore Corporation ofSomerset，New Jersey制造的Enterprise和Discovery反应器是商业市场上最成功的CVD反应器中的一些。然而，如本发明发明家所揭示的，这样的CVD反应器的性能对于某些CVD应用可加以进一步地改进。
首先，既有基座又有晶片托架的CVD反应器包含至少两个热界面。参考图1，它们是加热组件20与基座14之间的界面以及基座14与晶片托架12之间的界面。本发明发明人的研究显示，在这些界面上存在相当大的温度梯度。例如，加热组件20的温度高于基座14的温度，而该基座14的温度又高于晶片托架12的温度。因此，在沉积过程中，加热组件20必须被加热至明显高于晶片10所需温度的温度。加热组件所需的较高温度导致了较高的能量消耗以及加热组件的零件的较快损坏。另外，典型的基座具有相当大的热容，因而具有大的热惰性，大大地增加了加热和冷却晶片托架1 2所需的时间。这样导致了较长的反应器周期以及随之而来的反应器生产力的降低。同样，发明人已经确定，较长的反应器周期时间容易导致较差的精确性以及晶片托架温度控制的较小灵活性，增加了在沉积之前稳定晶片托架温度必需的时间。
第二，在与图1的反应器相似的CVD反应器中，由于基座14被永久地安装在反应腔内，它必须经得起大量的反应器循环，并且在不中断反应器循环、打开反应器并移去将基座永久安装在主轴上的零件(如螺丝、螺母等)的情况下通常不易更换。因此，基座通常由高度抗高温和高度抗变形的材料制成，典型的为钼。这种材料非常昂贵并且经常呈现高的热惰性。
第三，晶片支撑组件中的每一个附加界面都增加了对制造公差的要求。例如，再次参考图1，为产生晶片所需的均匀加热，基座14与晶片托架12之间的间距必须精确并且一致。然而，尽管在基座制造中进行了高精密加工，由于基座的随着时间的变形(over-the-time deformation)和基座对基座制造重现性上的不可避免的一定程度的偏差，基座/晶片托架的间距很可能呈现某些不一致性。再者，由于为产生晶片托架的均匀加热而所需的基座不均匀加热，基座的小程度变形在既有基座又有晶片托架的CVD反应器中基本上是不可避免的。在沉积工艺的旋转过程中，基座的积累变形最终可能导致晶片支撑组件的过度振动，以及致使涂层晶片的损耗和破坏。
第四，在具有永久安装的基座的CVD反应器中，为使反应器操作过程中的振动减到最少，基座通常被刚性地安装在主轴上。主轴/基座的连接处在反应器的反复操作中被加热，并且有时变得难以拆卸，使维护和更换程序变得复杂。
最后，晶片支撑组件越重，主轴的机械惯量也越大。而高的机械惯量又增加了主轴支撑组件上的应力，缩短了它的寿命。
尽管有这些局限性，现有的既有基座又有晶片托架的已有技术的CVD反应器在半导体工业继续有着成功和广泛的用途。
然而，人们仍然需要一种CVD反应器，它能在保持高水平性能的同时将目前能够得到的CVD反应器的这些局限性减到最少。
发明内容
本发明通过提供一种新颖的CVD反应器以及一种在CVD反应器中生成外延层的相关方法来致力于满足这种需求，在这种反应器中，晶片托架被放置在可旋转主轴上，不设基座。这些新颖的反应器有希望与目前能够得到的成功的CVD反应器(例如示于图1的反应器)一起使用。
发明人已经确定，在现有技术的CVD反应器(例如示于图1的现有技术的反应器)中，大量的热损失发生在晶片支撑组件的热界面上。发明人的研究同样说明，为达到要求的晶片温度所需的加热丝温度的增加显著地缩短了加热丝的寿命。
发明人同样确定，在现有技术的CVD反应器中永久性安装的基座的存在明显地增大了晶片支撑组件总体的热惰性和机械惯量。
发明人同样确定，可旋转的主轴是沉积过程中晶片支撑组件大量热损耗的原因。该热损耗可能会消极地影响加热的均匀性、能量效率以及加热丝的寿命。
因此，本发明提供一种新颖的CVD反应器，使用该反应器使目前能够得到的CVD反应器的这些局限性以及描述于本文中背景技术部分的局限性减到最少。
依照本发明的一个方面，提供一种通过化学晶片沉积在一个或多个晶片上生长外延层的设备，该设备包括反应腔、可旋转主轴、用于加热晶片的加热装置以及用来支撑晶片和在沉积位置和装载位置之间传送晶片的晶片托架。
在装载位置，晶片托架和可旋转主轴分离，晶片可以被放置在晶片托架上用于随后传送到沉积位置。装载位置可以位于反应腔之内或者反应腔之外。装载位置位于反应腔之外更为适宜。可以有一个或多个这样的装载位置。
在沉积位置，晶片托架被可分离地安装在反应腔内可旋转的主轴上，使放置在晶片托架上的晶片能够进行化学汽相沉积。在沉积位置，晶片托架与主轴直接接触更为适宜。同样，在沉积位置时，晶片托架被居中地安装在主轴上并且仅仅由主轴支撑更为适宜。极为可取的是，晶片托架通过摩擦力保持在主轴上，意味着在沉积位置不存在独立的、用来将晶片托架保持在主轴上的保持装置。然而，本发明的设备也可以在沉积位置包括独立的、用来保持晶片托架的保持装置。该独立的保持装置可以与可旋转主轴整体成形，或者与主轴和晶片托架均分开。
本发明的晶片托架可以包括顶面和底面。晶片托架的顶面可以包括一个或多个用来放置晶片的凹座。底面可以包括用来将晶片托架可分离地安装在主轴上的一个中心凹进部分。该中心凹进部分从晶片托架的底面向晶片托架的顶面延伸到一凹进部分末端。该中心凹进部分不到达晶片托架的顶面更为适宜，因此该凹进部分末端位于比晶片托架顶面低的高度处。
可旋转的主轴包括在反应腔内的用来安装晶片托架的一个顶端。在沉积位置，主轴的顶端被插入晶片托架底面的中心凹进部分。为了改进晶片托架的旋转稳定性，主轴在晶片托架的重心之上支撑晶片托架更为可取。
本发明的设备同样可以包括用于在沉积位置和装载位置之间传送晶片托架的机械装置。本发明的设备的加热装置可以包括一个或多个辐射加热元件。本发明的设备可以用来处理单个晶片或多个晶片。
依照本发明的另一个方面，提供一种通过化学汽相沉积在一个或多个晶片上生长外延层的设备；该设备包括反应腔、具有位于反应腔之内的顶端的可旋转主轴、晶片托架以及安装在晶片托架之下的辐射加热元件。该晶片托架提供了一个支架并且传送晶片。在沉积过程中，晶片托架被中心并可分离地安装在主轴的顶端，在该主轴顶端，晶片托架与主轴接触。该晶片托架被安装成一种方式，使它能够容易地从主轴的顶端移开。在沉积完成之后或者在任何其他时间，晶片托架可以从主轴的顶端移开，并且被传送到装载或卸载晶片的位置。可以有一个或多个这样的装载位置。装载位置可以位于反应腔之内或者反应腔之外。晶片托架与主轴的顶端直接接触并且具有包括一个或多个用于支撑多个晶片的凹座的顶面更为适宜。因此，单个晶片或多个晶片可以同时在本发明的反应器中进行沉积。晶片托架在安装在主轴的顶端的位置和装载位置之间通过机械装置进行迁移，该机械装置典型地为机器人臂。
在本发明这个方面的一个较佳实施例中，晶片托架的底面包括一个中心凹进部分，该中心凹进部分从底面向上朝晶片托架的顶面方向延伸，终止于凹进部分末端。该中心凹进部分没有达到晶片托架的顶面。因此，该凹进部分末端位于比晶片托架顶面低的高度处。当晶片托架被安装在主轴的顶端时，主轴的顶端插入晶片托架底面的中心凹进部分。该插入在主轴和晶片托架之间提供了一个接触点，使晶片托架能够通过主轴支撑。为了改进晶片托架的旋转稳定性，主轴和晶片托架之间具有最高高度的的接触点位于晶片托架的重心之上。
在本发明这个方面的极佳实施例中，晶片托架具有基本上为圆形的形状。在该实施例中，晶片托架的顶面和底面大体上互相平行。当然，晶片托架的顶面可以包括凹座用于放置晶片，晶片托架的底面包括用来将晶片托架安装到主轴的顶端的一个凹进部分，并且不排除在晶片托架顶面或底面上的其他的凹口或凸起件。
根据本发明该实施例所述的主轴具有基本上为圆柱的形状和一根转动轴线。晶片托架的底面在安装到主轴上时，基本垂直于主轴的转动轴线。主轴的顶端终止于大体平直的顶面更为适宜，该顶面同样基本垂直于主轴的转动轴线。主轴的顶端朝主轴大体平直的顶面方向变窄更为适宜。因此，主轴顶端的狭窄部分位于靠近主轴大体平直的顶面的位置，主轴的宽阔部分位于远离主轴大体平直的顶面的位置。
前面已经说明，主轴是晶片支撑组件相当大热损耗的原因。本发明提供了减少这种热损耗的新颖方法。为此，在较佳实施例中，主轴具有一个凹腔，从主轴顶端的大体平直的顶面垂直向下延伸至凹腔末端，该凹腔末端被设置在一个预定的深度处。主轴中的凹腔具有大体上为圆柱的形状并且基本与主轴共轴线。主轴中凹腔的预定深度为主轴直径的大约3倍到大约4倍更为适宜。主轴顶端的这个空心结构使晶片支撑组件的热损耗能够减少。
为了进一步减少热损耗，提供了一种辐射加热组件的特殊布置。在这种布置中，辐射加热元件包括第一辐射加热元件，该第一辐射加热元件基本上与可旋转主轴共轴线，并且具有接近晶片托架底面的顶面、内周和外周。第一辐射加热元件的内周限定了围绕主轴的一圆形开口。本发明辐射加热元件的这种布置也可以包括第二辐射加热元件，该第二辐射加热元件与第一辐射加热元件以及主轴大体共轴线，并且位于第一辐射加热元件和主轴之间。第二辐射加热元件限定了外周，该外周的半径小于第一辐射加热元件的内周的半径。极为可取的是，第二辐射加热元件的顶面位于与第一辐射加热元件顶面大体相同的高度处，第二辐射加热元件的底面位于与可旋转主轴的凹腔末端相同的高度处。第二辐射加热元件使主轴顶端的加热能够进行，这与主轴顶端的中空结构一起减少了晶片支撑组件的热损耗。本发明的反应器也可以包括辐射加热护罩。
依照本发明的再一个方面，提高一种通过化学晶片沉积在一个或多个晶片上生长外延层的方法。根据本发明的方法，化学晶片沉积在一反应腔里进行，该反应腔包括具有设置在反应腔内的顶端的可旋转主轴。为了进行沉积，该方法包括a)提供具有保持一个或多个晶片的表面的晶片托架；b)在装载位置将一个或多个晶片放置在晶片托架的表面，该装载位置中，晶片托架与主轴分离；c)向主轴传送晶片托架；d)将晶片托架可分离地安装在主轴顶端上，以随之旋转；以及e)当引入一个或多个反应物至反应腔并且加热晶片托架时，旋转主轴和位于其上的晶片托架。
更为可取的是，本发明的方法还包括将晶片托架从主轴顶端移开以卸载晶片。可分离地安装晶片托架的步骤可以包括直接安装晶片托架和/或将晶片托架居中地安装在主轴顶端。晶片托架被安装在晶片托架的重心之上的主轴顶端，并且仅仅通过摩擦力保持在那里更为适宜。装载位置位于反应腔之外更为可取。
附图简述对本发明的主题更为精确的评价以及它的各种优点能够通过参考下列详细的说明进行实现，该说明参考了附图，其中图1为现有技术的CVD反应器的高度概略的前横断面图；图2为本发明晶片支撑组件的高度概略的前视横断面图，显示了晶片托架可以在装载位置和沉积位置之间进行传送，在该沉积位置，晶片托架被放置在主轴上，而没有设置基座；图3A和3B为本发明设备的高度概略的示意图，显示了晶片托架可以在装载位置和沉积位置之间穿过闸阀进行迁移；图4为现有技术的晶片支撑组件的高度概略的示意图，显示了永久固定于主轴顶端的基座、晶片托架、加热元件以及辐射加热护罩；图5A为本发明晶片支撑组件高度概略的前视横断面图，显示了沉积位置中安装在主轴顶端上的晶片托架；图5B为示于图5A的本发明变型的晶片托架的顶视透视图；图5C为示于图5A和5B的本发明变型的晶片支撑组件的顶视透视图，晶片托架在装载位置，图中，晶片托架从主轴移开，显示了主轴的顶端以及主要加热元件；图5D为示于图5A-5C的本发明变型的晶片托架的升高的底视图；图6A为本发明另一个变型的高度概略的前视横断面图；图6B为示于图6A的本发明变型的主轴的顶部透视顶视图；图7A为本发明另一个变型的晶片支撑组件的高度概略的横断面图，显示了主轴顶端用来减少晶片支撑组件通过主轴的热损耗的凹腔；图7B为示于图7A的变型的主轴顶端的顶部透视图；图7C为示于图7A和7B的本发明变型的主轴的高度概略的前视横断面图；图7D为示于图7A-7C的本发明变型的主轴和晶片托架之间关系的高度概略的前视横断面图；图8A为本发明晶片支撑组件的高度概略的前视横断面图，显示了主轴和辐射加热元件的新颖布置，使用该布置使晶片支撑组件通过主轴的热损耗的降低；图8B为晶片托架在装载位置时的本发明晶片支撑组件的顶部透视顶视图，显示了示于图7A-7C的本发明一个变型的主轴/加热元件的布置。
图9A、9B和9C显示了用来在沉积位置中将晶片托架保持主在轴顶端上的本发明保持装置的可能变型。
具体实施例方式
本发明的一般概念示于图2。本发明的反应器包括反应腔100、晶片托架110、可旋转主轴120和加热装置170。晶片托架110在装载位置L和沉积位置D之间进行迁移。在位置L，晶片托架110与主轴120分离。在位置D，晶片托架110被安装在可旋转主轴120上。更为适宜的是，晶片托架110被安装在主轴120的顶端180上。
根据本发明，在位置D晶片托架被安装成任何一种使它能够在反应器循环期间在操作本发明反应器的正常过程中容易与主轴120分离的方式。安装晶片托架110的这种方式不使用将晶片托架110连在主轴120上的诸如螺丝钉、螺钉等之类的装置，使用这些装置将必须要开启反应器以及拆卸将晶片托架110永久连在主轴120上的这些部件或零件。更为适宜的是，在位置D晶片托架110仅仅通过摩擦力被保持在主轴120上，没有任何独立的保持装置。
与示于图1的现有技术的CVD反应器相比，本发明的反应器不含基座。更为可取的是，晶片托架110被直接安装在主轴120上，也就是在位置D，在晶片托架110和主轴120之间形成直接的接触。本发明不排除中间元件可以存在于主轴120和晶片托架110之间的可能性，例如使晶片托架110便于保持在主轴120上的元件，例如圆环、固定器等等，只要这些中间元件在反应器操作的正常过程中不妨碍晶片托架从位置D移开或者分离。
在位置L，晶片130在晶片托架110和晶片130迁移到反应腔100之前被装载在晶片托架110上。装载位置L可以位于反应腔100之内或者之外。虽然只有一个位置L示于图2中，可以有一个或多个这样的位置。
晶片托架110可以包括用于放置晶片的顶面111。本发明的反应器可以用来涂覆单个晶片或者多个晶片。相应地，晶片托架110的顶面111可以以任何本技术领域已知的方式用于单个晶片或多个晶片。顶面111有多个凹座用来放置多个晶片130更为可取。
图3A和3B显示晶片托架110传送操作的一个实例。参考图3A可以看出，用于晶片托架110的装载位置L位于独立的装载腔150内，该装载腔150通过闸阀160被连接到反应腔100。装载腔150有一个排气口108，该排气口装载腔150在不中断反应器循环情况下进行单独通风用。在位置L，晶片托架110装载有未涂层的晶片130。其后，晶片托架110穿过闸阀160迁移到反应腔100。
反应腔100可以包括上凸缘104和底板102。主轴120被插入底盘102中的孔以便主轴120的顶端180在反应腔100之内。主轴120可以被连接到旋转装置109，例如电动机。反应腔100同样可以包括排气口1 06以及其他的本技术领域已知的元件。
如图3B所示，在沉积位置D，晶片托架110与未涂层的晶片130一起被安装在主轴120的顶端180上，并且可以在反应器操作过程中与主轴120一起进行旋转。然后，当晶片托架110和晶片130通过主轴120进行旋转并且通过加热装置140进行加热时，前驱化学物可以通过上凸缘104提供给反应腔100。在位置D中仅有主轴120支撑晶片托架110更为适宜。
在沉积完成之后，晶片托架110被传送回位置L以卸载涂层了的晶片并且装载新的未涂层晶片，以进行随后到反应腔100中位置D的迁移。可以重复这个反应器循环加工更多的晶片。
晶片托架110可以在位置D和L之间以任何本技术领域已知的方式进行传送。例如，本发明的反应器可以包括用于迁移的机械装置，例如机械人臂或者自动装卸机。例如，用来迁移本发明晶片托架的适当机械装置在一同转让的美国专利No.6,001,183中有述，该专利完整地援引于此，以供参考。
晶片托架110具有圆形或长方形的形状更为适宜，晶片托架110具有圆形形状尤为可取。晶片托架可以由任何能够耐CVD反应器反应腔内高温的合适的材料(如石墨或钼)所制成。当然，成本方面的考虑可能会影响对合适材料的选择。如上所述，不存在基座/晶片托架界面了，这拓宽了对合适材料的选择余地，以包括不太昂贵的替换材料。
加热装置140包括一个或多个辐射加热元件更为可取。多个辐射加热元件的使用使晶片托架110能多区加热、更好的进行温度控制以及提高涂层的均匀性。辐射加热元件可以以任何本技术领域的熟练技术人员已知的方式进行布置。较佳的布置会参考本发明的特殊实施例进行说明。
本发明的CVD反应器具有许多重要优点。没有永久安装基座可减少晶片支撑组件的热惰性，导致反应器循环时间的减少和对晶片温度的更好控制。同样，消除存在于现有技术的反应器中的一个热界面(也就是，加热元件/基座界面)可减少一个加热元件或多个加热元件与晶片之间的温度梯度，增加了反应器的能量效率和加热元件的寿命。再者，晶片支撑组件的较低重量减小了它的机械惯量，因此减小了轴上的应力。没有了需要高精确制造并且仍然可能出现某些不均匀的基座和晶片托架之间的接触，可使制造公差要求降低且和晶片对晶片的温度均匀性也更好。由于同样的原因，本发明的晶片托架可以由不太昂贵的材料制成，降低了反应器的总成本。同样，由于本发明晶片托架的良好转动稳定性，晶片支撑组件振动的可能性被减到最少。由于同样的原因，较小的振动导致涂层晶片较低的损耗。本发明的这些优点以及其他的优点将参考本发明的具体实施例和变型进行说明。
为了进行说明，本发明将参考具体实施例进行描述。应该理解的是，这些实施例是不限制的，并且本发明包括了在所附权利要求书范围之内的任何主题。
图4显示了现有技术的晶片支撑组件。基座14通过螺丝钉70被永久地安装在主轴16上。在沉积过程中，晶片托架12被放置在基座14上。加热结构可以包括主要加热元件25和次要加热元件26和27。如上所述，发明家人发现基座14的存在以及由此形成的加热元件/基座与基座/晶片托架的界面影响了反应器的性能。
因此，本发明反应器的所有实施例不包括永久安装的基座。图5A、5B、5C和5D显示了本发明反应器一个实施例的晶片支撑组件的变型。从图5A可以看出，反应器包括反应腔100、具有位于反应腔100之内的顶端280的主轴250、晶片托架200以及辐射加热元件140。图5A显示了在沉积位置的晶片托架200。
晶片托架200具有顶面201和底面202。顶面201包括用于放置晶片的凹座220。如图5B所示，晶片托架200具有圆形形状。除凹座220限定的区域之外，底面202平行于顶面201。从图5D可以看出，晶片托架200的底面202包括一个中心凹进部分290。该中心凹进部分290从底面202向上延伸并终止于被凹进部分壁292包围的平直表面291。
主轴250具有圆柱形状和转动轴线255。图5C显示了当晶片托架200与主轴分离、例如当晶片托架在装载位置L时的主轴250的顶端280和辐射加热元件140。从图5C可以看出，主轴250的顶端280具有终止于顶面281的主轴壁282。图5C同样显示了具有顶面141的辐射加热元件140。辐射加热元件140被设置成这样一种方式，以使得在沉积过程中顶面141能够加热晶片托架200，该晶片托架被安装在辐射加热元件140之上的主轴250顶端280上。
在沉积位置D，主轴250的顶端280被插入晶片托架200的中心凹进部分290。当主轴壁282与凹进部分壁292直接接触时，主轴250的平直表面281位于与凹进部分290的平直表面291的相邻位置。在完全地插入后，主轴250的顶端280的平直表面281被设置成与凹进部分290的平直表面291直接接触。更为适宜的是，晶片托架200和主轴250之间接触的最高的一个点或者多个点(在本发明的该变型中为表面291和281之间的接触区域)位于晶片托架200的重心之上，这有助于晶片托架的旋转稳定性。
主轴250的顶端280在凹进部分290中的插入在主轴壁282和凹进部分壁292之间产生了摩擦配合，该摩擦配合使晶片托架200能够在没有独立保持装置的情况下由主轴250进行旋转。在沉积过程中，主轴旋转从而使晶片托架200和放置在凹座220中的晶片旋转。仅仅通过摩擦力将晶片托架保持在主轴上能使托架-主轴组件的机械惯量减到最小，并能够由此降低主轴上的应力。如果主轴250必须突然停止，并且施加在晶片托架上的惯性力超过它与主轴250顶端280之间的摩擦力，晶片托架200就可能独立于主轴地旋转，从而减小了主轴上的应力。
然而，本发明同样考虑在晶片支撑组件中使用独立保持装置。这种独立保持装置的实例示于图9A、9B和9C中。如图9A所示，主轴250的顶端280可以包括从平直表面281垂直向下延伸的凹口289。晶片托架200可以在凹进部分290的平直表面291具有匹配凹口299。该凹口299从平直表面291垂直向上延伸。然后指状件800可以插入凹口289和299，将晶片托架200和主轴250连在一起。或者，如图9B所示，主轴250顶端280的平直表面281可以包括与主轴顶端成一体的凸起件900。在晶片托架200的沉积位置，凸起件900被插入凹进部分290的平直表面291的匹配凹口299中。更为适宜的是，从图9C中可以看出，保持装置包括两个指状件800或者两个凸起件900，以及相应数量的匹配凹口。
晶片支撑组件的另一个变型示于图6A和6B中。除了在晶片托架的沉积位置中晶片托架/主轴的关系之外，该变型与示于图5A-5D的变型相类似。根据本发明的这个变型，晶片托架300的底面302有一个中心凹进部分390。该凹进部分390包括狭窄部分392和宽阔部分391。狭窄部分392终止于平直表面395。
如图6B所示，主轴400的顶端480包括狭窄部分485和宽阔部分486。包括主轴壁482的狭窄部分485终止于顶面481。在沉积位置，主轴400顶端480的顶面481被插入晶片托架300的中心凹进部分390。晶片支撑组件的该变型与前面所述的示于图5A-5D的变型之间的差异主要在于中心凹进部分390与主轴400顶端480的形状。与本发明示于图5A-5D的变型相似，晶片托架300通过摩擦力保持在主轴400的顶端480上。在沉积位置安装晶片托架300过程中，主轴400的顶端480被插入中心凹进部分390，直到主轴壁482和凹进部分390的壁之间紧密配合，这样产生了将晶片托架300保持在沉积位置的摩擦力。还应该注意的是，主轴400的顶面481可以不与或者与中心凹进部分390的表面395直接接触，如下面将参照图7A所说明的晶片支撑组件的另一个但是相似的变型。
如上所述，主轴自身常常是晶片支撑组件热损耗的原因。在处理单个晶片的晶片托架被安装于可旋转主轴的情况中，主轴的存在对晶片的温度有影响。晶片托架被居中地安装在主轴上以致晶片托架顶面上的单个晶片凹座的中心区域覆盖在可旋转主轴上。由于主轴在中心区域从晶片托架区域吸走热量，所以在晶片托架中产生的温度梯度被传递到覆盖其上的单个晶片凹座，导致所处理的晶片表面不均匀的温度分布。当多个晶片通过使用单个晶片托架同时进行处理时，因为如从图5B中可以看出，这种晶片托架包括多个围绕晶片托架中心对称排列的晶片凹座，并且没有一个晶片凹座覆盖在与主轴连接的晶片托架的轴线中心上面，所以与上面相比问题较小。因此，主轴从晶片托架中心部分吸取热量的事实对安装在多个晶片凹座中的多个晶片温度的影响程度比对单个晶片处理过程的影响程度要小。然而，甚至在使用例如图5B中所示的晶片托架时，热损耗仍可能会在晶片托架表面产生某些加热不均匀性。在没有现有技术反应器中所包括的中间基座的情况下，由于晶片托架被放置在主轴顶端，该不均匀性对于本发明的反应器可能会增加。
因此，本发明提供了将通过可旋转主轴的热损耗减到最少的一晶片支撑组件变型。该变型示于图7A、7B、7C和7D中。主轴500的顶端580包括从顶面581向下延伸的凹腔550。该凹腔550与主轴500大体共轴线。图7B显示了没有晶片托架300情况下的主轴500的顶端580。凹腔550延伸到凹腔末端570，该凹腔末端570可以构成平直平面560或者为其他形式。凹腔550的深度h等于主轴凹腔直径d(图7C)的大约3倍到大约4倍更为适宜。从图7B和7C看出，主轴500的顶端580具有空心结构，顶面581与凹进部分390表面之间的接触面积被减到最小。这样减少了晶片托架300通过主轴500的热损耗。如图7A所示，如果凹进部分390的平直表面395不与主轴500的顶面581接触，则热损耗进一步减少。
图7D显示了对于本发明这个变型的主轴和晶片托架之间的较佳关系。如早先所述，晶片托架和主轴之间的接触点位于晶片托架的重心之上更为适宜。从图7D可以看出，这种布置可以通过对主轴顶端和晶片托架中心凹进部分的制造公差的调整来实现。通常，要避免对预定角度α(图7D)小程度偏离的存在是困难的。然而，制造公差A的偏差是可以进行操纵的。因此，在制造过程中，晶片托架中心凹进部分的角度α和主轴顶端的角度α被设置成相等更为适宜。然而，对于晶片托架的中心凹进部分，制造公差A给予正偏差，而对于主轴的顶端，制造公差A给予负偏差。与对晶片托架中心凹进部分的深度的合适选择一起，这样将晶片托架和主轴之间的接触减到最少，并且使晶片托架和主轴之间的接触点能够位于晶片托架的重心之上。
为了更进一步地减少通过主轴的热损耗，本发明的反应器可以配备有如图8A和8B所示的辐射加热元件的新颖布置。图8A显示了主要辐射加热元件140和次要加热元件700。该次要加热元件700具有顶面701和底面702，并且围绕主轴600的空心顶端680成形。次要加热元件700的底面702位于与凹腔550的末端570相同的高度，从而通过加热，产生抵抗晶片支撑组件热损耗的热障。因此，主轴600的空心顶端680通过次要加热元件700进行加热，进一步减少了通过主轴的热损耗。次要加热元件700的顶面701位于与主要辐射加热元件140顶面141相同的高度。从图8B可以看出，主轴600的顶端680可以与示于图6A和6B中的本发明变型中的主轴顶端相同。
虽然本发明根据详细的实施例在此进行了描述，应予理解的是，这些实施例仅仅是本发明原理和应用的说明性内容。因此，应予理解的是在不背离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在这些说明性的实施例上作许多更改，而且可以设计其他的一些结构。
权利要求
1.一种通过化学汽相沉积在一个或多个晶片上生长外延层的垂直式装置，所述装置包括一反应腔；具有设置在所述反应腔内的一顶端的一可旋转主轴；用于传送所述一个或多个晶片和对所述一个或多个晶片提供支撑的一晶片托架；所述晶片托架被居中地和可分离地安装在所述主轴的所述顶端上并且至少在所述沉积的过程中与之接触；所述晶片托架能够容易地从所述主轴的所述顶端移开，以用于传送所述晶片托架以装载或卸载所述一个或多个晶片；以及设置在所述晶片托架之下用于其加热的辐射加热元件。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述晶片托架与所述可旋转主轴的所述顶端直接接触。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述晶片托架具有包含用于保持多个所述一个或多个晶片的多个凹座的一顶面。
4.如权利要求3所述的装置，其特征载运，还包含用来将所述晶片托架从可分离安装在所述主轴上的所述位置传送到用于装载或卸载所述一个或多个晶片的所述位置的机械装置。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述晶片托架有一个包含一中心凹进部分的底面，该中心凹进部分从所述晶片托架的所述底面向上朝所述晶片托架的所述顶面的方向延伸至一凹进部分末端，所述中心凹进部分的所述凹进部分末端位于比所述晶片托架的所述顶面低的一高度处；所述主轴的所述顶端能够插入所述中心凹进部分，从而提供了所述主轴和所述晶片托架之间的接触点，由此所述晶片托架可以由所述主轴支撑。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述主轴和所述晶片托架之间的所述接触点被设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轴支撑在所述晶片托架的所述重心之上。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述晶片托架具有大体为圆形的形状，所述晶片托架的所述顶面和所述晶片托架的所述底面大体互相平行。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述主轴有一转动轴线和大体为圆柱的形状；所述晶片托架的所述底面大体垂直于所述主轴的所述转动轴线；所述主轴的所述顶端终止于大体垂直于所述主轴的所述转动轴线的一大体平直的顶面。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述主轴的所述顶端具有设置在远离所述主轴的所述顶端的所述大体平直顶面处的一宽阔部分，以及设置在接近于并终止于所述主轴的所述顶端的所述大体平直顶面处的一狭窄部分；所述主轴具有一个凹腔，该凹腔从所述主轴所述顶端的所述大体平直顶面垂直向下延伸到设置在一预定深度处的一凹腔末端；在所述晶片托架的所述底面中的所述中心凹进部分具有设置在远离所述凹进部分末端处的一宽阔部分以及设置在接近所述凹进部分末端处的一狭窄部分；由此，所述晶片托架和所述主轴之间的所述接触点被设置在接近于所述晶片托架的所述底面的所述凹进部分末端的位置。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述主轴具有预定的直径并且所述主轴中的所述凹腔具有大体为圆柱的形状，所述主轴中的所述凹腔与所述主轴大体共轴线；其中，所述主轴中的所述凹腔的所述预定深度等于所述预定主轴直径的大约3倍到大约4倍。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述辐射加热元件包含大体与所述可旋转主轴共轴线的一第一辐射加热元件。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述第一辐射加热元件包括接近所述晶片托架的所述底面的一顶面、一内周以及一外周，其中，所述内周长限定了一圆形开口。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，还包含大体与所述第一辐射加热元件共轴线的一第二辐射加热元件，所述第二辐射加热元件形成一外周，其中，所述第一辐射加热元件的所述内周的半径大于所述第二辐射加热元件的所述外周的半径。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，至少第二辐射加热元件的一部分被设置在与所述第一辐射加热元件的所述内周限定的所述圆形开口所在平面相同的平面内。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述第二辐射加热元件包括设置在与所述第一辐射加热元件的所述顶面大体相同高度的一顶面，以及设置在与所述可旋转主轴的所述凹腔末端大体相同高度的一底面。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，还包括辐射加热护罩。
17.一种通过化学汽相沉积在一个或多个晶片上生长外延层的装置，所述装置包含一反应腔；一可旋转主轴；用来加热所述一个或多个晶片的加热装置，该加热装置被设置在所述反应腔内；以及用来支撑并传送所述一个或多个晶片的晶片托架，该晶片托架在用于实现所述化学汽相沉积的沉积位置与用于装载和卸载所述一个或多个晶片的装载位置之间是可传送的，在该沉积位置，所述晶片托架可分离地安装在所述可旋转主轴上用于在反应腔内随之旋转；在装载位置，所述晶片托架不被安装在所述可旋转主轴上。
18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，当在所述沉积位置时，所述晶片托架与所述主轴直接接触。
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，当在所述沉积位置时，所述晶片托架仅由所述主轴支撑。
20.如权利要求19所述的装置，其特征在于，当在所述沉积位置时，所述晶片托架被居中地安装在所述主轴上。
21.如权利要求20所述的装置，其特征在于，当在所述沉积位置时，所述晶片托架通过摩擦力保持在所述主轴上。
22.如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述晶片托架具有一个包含用于保持所述一个或多个晶片的一个或多个凹座的顶面，以及一个包含用于在所述沉积位置将所述晶片托架安装在所述主轴上的一中心凹进部分的底面；所述主轴具有设置在所述反应腔内的一顶端，其中，所述主轴的所述顶端可以被插入所述晶片托架的所述中心凹进部分内。
23.如权利要求22所述的装置，其特征在于，所述晶片托架的所述底面中的所述中心凹进部分从所述底面向上朝所述晶片托架的所述顶面方向延伸至设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顶面低的一高度处的一凹进部分末端，由此，所述晶片托架由所述主轴支撑在所述晶片托架的所述重心之上。
24.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述加热装置包含一个或多个辐射加热元件。
25.如权利要求17所述的装置，其特征在于，还包含用来在所述沉积位置保持所述晶片托架的独立保持装置。
26.如权利要求25所述的装置，其特征在于，所述保持装置与所述主轴的所述顶端整体成形。
27.如权利要求17所述的装置，其特征在于，还包含用来在所述沉积位置和所述装载位置之间传送所述晶片托架的机械装置。
28.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述装载位置位于所述反应腔之外。
29.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述晶片托架支撑并传送多个晶片。
30.一种在包括具有一顶端的一可旋转主轴的一反应腔内通过化学汽相沉积在一个或多个晶片上生长外延层的方法，所述方法包括提供具有用来保持所述一个或多个晶片的表面的一晶片托架；当所述晶片托架位于所述装载位置并与所述主轴分离时，将所述一个或多个晶片放置在所述晶片托架的所述表面；向所述主轴传送所述晶片托架；将所述晶片托架可分离地安装在所述主轴的所述顶端，以随之旋转；以及当将一个或多个反应物引入到所述反应腔并加热所述晶片托架时，旋转所述主轴和所述晶片托架，由此，所述外延层在所述一个或多个晶片上进行生长。
31.如权利要求30所述的方法，其特征在于，还包括将所述晶片托架从所述主轴的所述顶端移开以卸载所述一个或多个晶片。
32.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述可分离地安装所述晶片托架的步骤包含将所述晶片托架直接安装在所述主轴的所述顶端上。
33.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述可分离地安装所述晶片托架的步骤包含将所述晶片托架居中地安装在所述主轴的所述顶端上。
34.如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述晶片托架被安装在位于所述晶片托架重心之上的所述主轴所述顶端上。
35.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述装载位置位于所述反应腔之外。
36.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述在旋转所述主轴的步骤中，所述晶片托架通过摩擦力被保持在所述主轴的所述顶端上。
37.如权利要求34所述的方法，其特征在于，所述晶片托架包含一中心凹进部分，从而所述主轴的所述顶端被插入所述晶片托架的所述中心凹进部分，所述方法还包含对所述中心凹进部分和所述主轴的所述顶端调整制造公差，由此所述晶片托架被安装在位于所述晶片托架重心之上的所述主轴所述顶端上。
全文摘要
本发明描述了一种在固体衬底上进行沉积的CVD反应器以及一种在晶片上沉积外延层的相关方法。在本发明的反应器中，晶片托架(110)在装载位置(L)和沉积位置(D)之间进行迁移。在沉积位置，晶片托架被可分离地安装在可旋转主轴(120)的顶端上，而不设置中间基座。本发明的反应器可以处理单个晶片或者同时处理多个晶片。本发明同样描述了本发明的几个实施例和变型。本发明的一个变型使了晶片支撑组件通过主轴(500)的热损耗降低并且为此提供了一新颖的加热结构。本发明的优点包括更短的反应器周期、更低的成本和部件更长的寿命，还有更好的温度控制。
文档编号C23C16/44GK1489644SQ01822507
公开日2004年4月14日 申请日期2001年8月21日 优先权日2001年2月7日
发明者V·博古斯拉夫斯基, V 博古斯拉夫斯基, A·古拉里 申请人:埃姆科尔股份有限公司