反应腔室及外延生长设备的制作方法
【专利摘要】本发明提供的反应腔室及外延生长设备，其包括多个托盘、交变电源和感应线圈，交变电源用于向感应线圈通入交变电流；感应线圈包括第一感应线圈和第二感应线圈，第一感应线圈缠绕于反应腔室的侧壁外侧；第二感应线圈缠绕于反应腔室内，且沿竖直方向贯穿多个托盘；并且第一感应线圈的缠绕方向与第二感应线圈的缠绕方向相同，且交变电源分别向二者通入相位相差180°的交变电流；或者，第一感应线圈的缠绕方向与第二感应线圈的缠绕方向相反，且交变电源分别向二者通入相位相同的交变电流，以使分别由二者产生的交变磁场在托盘处的方向保持一致，从而可以提高托盘各个区域的温度均匀性。
【专利说明】反应腔室及外延生长设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及微电子加工【技术领域】，具体地，涉及一种反应腔室及外延生长设备。
【背景技术】
[0002]采用气相外延生长(Vapor Phase Epitaxy,以下简称VPE)设备或金属有机化合物化学气相沉积(Metal Organic Chemical Vapor Deposit1n,以下简称MOCVD)设备制备薄膜的原理是将II或III族元素的有机化合物与IV或V族元素的氢化物相混合后通入反应腔室，混合后的气体在加热的衬底表面发生热分解反应，并在衬底表面外延生长形成薄膜。
[0003]图1为M0CVD设备的结构示意图。请参阅图1，M0CVD设备包括反应腔室1，在反应腔室1内设置有多个由石墨等耐高温的磁导体材料制作的托盘2，多个托盘2沿竖直方向间隔设置，用以承载被加工工件；而且，在反应腔室1的内部设有进气管5，进气管5沿竖直方向穿过各个托盘2的中心孔，并且在进气管5上，且位于相邻的两个托盘2之间设置有进气口，用以向反应腔室1的四周喷出反应气体；此外，在反应腔室1的侧壁外侧缠绕有感应线圈3，其缠绕方式具体为:沿竖直方向呈螺旋状缠绕在反应腔室1的侧壁外侧，如图2所示，并且，感应线圈3与交流电源(图中未示出)连接，当交流电源向感应线圈3内通入交变流电时，感应线圈3在反应腔室1内产生交变磁场，从而在托盘2内将感应出交变的涡电流，涡电流将托盘2加热，进而间接地将置于托盘2上的被加工工件加热至工艺所需的温度。
[0004]在使用感应线圈3加热被加工工件的过程中，由于感应加热的集肤效应，交变磁场的分布如图1中的阴影区域4所示，交变磁场的磁感应强度自每个托盘2的边缘朝向中心的方向逐渐下降，导致托盘2感应出的涡电流的分布密度自每个托盘2的边缘朝向中心的方向逐渐减小，这使得托盘2在其径向上产生的热量不均匀，从而导致托盘2在其径向上的温度不均匀，尤其针对尺寸较大的托盘2，其径向上存在温差往往无法满足工艺要求。
[0005]为此，公布号为CN102953046A的中国发明专利申请公开了一种CVD设备，如图3所示，该CVD设备相对于上述M0CVD设备主要作了下述改进，即:其除了在反应腔室1的侧壁外侧缠绕有与交流电源连接的感应线圈3之外，还在反应腔室1的内部设置有加热线圈6，该加热线圈6采用感应加热的方式加热托盘2，且设置方式具体为:加热线圈6穿过各个托盘2的中心孔，且沿竖直方向呈螺旋状缠绕在进气管5的侧壁外侧，或者，加热线圈6还可以采用热辐射的方式加热托盘2，且设置方式具体为:加热线圈6位于各个托盘2的中心孔内，且设置在进气管5的侧壁外侧。在加热的过程中，借助感应线圈3以较大的加热功率加热托盘2，以使各个托盘2的整体温度达到工艺所需的温度，与此同时，借助加热线圈6以较小的加热功率对托盘2的低温区域进行加热补偿，从而可以使托盘2在其径向上的温度更均匀。
[0006]然而，上述CVD设备在实际应用中不可避免地存在以下问题:其一，若加热线圈6采用感应加热的方式加热托盘2，在加热托盘2的过程中，由于没有在感应线圈3与加热线圈6之间设定有关缠绕方向与射频电流的相位的约束关系，若二者的缠绕方向相同，S卩，同为右旋或左旋缠绕，则分别向二者通入的射频电流的相位应相差180° ;若二者的缠绕方向相反，则分别向二者通入的射频电流的相位相同，这使得分别由感应线圈3与加热线圈6产生的交变磁场可能存在相互抵消的情况，例如，若二者的缠绕方向相同，且分别向二者通入的射频电流的相位相同时，则分别由二者产生的交变磁场会在彼此叠加的区域内相互抵消，导致分布在该叠加区域内的磁感应强度明显小于反应腔室的其他区域的磁感应强度，从而造成托盘2的对应于该叠加区域的部分的温度与对应于其他区域的部分的温度偏差较大，进而降低了工艺均匀性。
[0007]其二，若加热线圈6采用热辐射的方式加热托盘2，则感应线圈3与加热线圈6之间根本不存在上述约束关系，这使得很难分别获得感应线圈3和加热线圈6的能够使托盘2的径向温度均匀的加热功率值，从而给在加热过程中的温度控制带来的难度。
【发明内容】
[0008]本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种反应腔室及外延生长设备，其通过限定第一、第二感应线圈之间有关缠绕方向和电流相位之间的约束关系，可以避免由二者产生的交变磁场在彼此叠加的区域内相互抵消，从而可以提高托盘各个区域的温度均匀性。
[0009]为实现本发明的目的而提供一种反应腔室，包括多个托盘、交变电源和感应线圈，所述多个托盘采用磁导体材料制作，且沿竖直方向间隔设置在所述反应腔室内；所述交变电源用于向所述感应线圈通入交变电流；所述感应线圈包括第一感应线圈和第二感应线圈，所述第一感应线圈缠绕于所述反应腔室的侧壁外侧；所述第二感应线圈缠绕于所述反应腔室内，且沿竖直方向贯穿所述多个托盘；并且所述第一感应线圈的缠绕方向与所述第二感应线圈的缠绕方向相同，且所述交变电源分别向二者通入相位相差180°的交变电流；或者，所述第一感应线圈的缠绕方向与所述第二感应线圈的缠绕方向相反，且所述交变电源分别向二者通入相位相同的交变电流，以使分别由二者产生的交变磁场在托盘处的方向保持一致。
[0010]其中，所述第二感应线圈包括多个单匝线圈和连接部，其中所述多个单匝线圈沿竖直方向间隔设置，且每个单匝线圈所在平面平行于水平面，并且每个单匝线圈包括彼此水平间隔的左连接端和右连接端，且每个单匝线圈的左连接端或右连接端的位置与相邻且位于其上方的单匝线圈的右连接端或左连接端的位置相对应；所述连接部分别位于相邻两个单匝线圈的位置相对应的左连接端和右连接端之间，且分别与二者电连接，以使所述第二感应线圈形成由所有的所述单匝线圈串接而成的缠绕结构。
[0011]其中，所述反应腔室还包括进气管，所述进气管沿竖直方向穿过所述第二感应线圈，并且在所述进气管的侧壁上，且位于相邻两个托盘之间的同一水平面内间隔设置有多个进气口，并且所述多个进气口所在平面与所述单匝线圈所在平面交错设置；所述进气口用于向所述反应腔室的四周喷出工艺气体。
[0012]其中，在所述进气管的侧壁上，且与每个相邻两个托盘之间的各个所述进气口相对应的位置处设置有喷嘴，所述喷嘴的一端和与之相对应的所述进气口连通，所述喷嘴的另一端沿水平方向穿过所述第二感应线圈，并延伸至位于所述进气口下方且相邻的托盘的内侧边缘的上方。
[0013]其中，所述反应腔室还包括电磁屏蔽件，所述电磁屏蔽件设置在所述进气管与第二感应线圈之间，用以屏蔽由所述第二感应线圈产生的磁场对所述进气管的干扰；并且在所述电磁屏蔽件的侧壁上设置有多个排气孔，所述多个排气孔的位置分别与位于各个相邻两个托盘之间的所述进气口相对应。
[0014]其中，每个相邻两个托盘之间的多个进气口沿所述进气管的周向均匀分布。
[0015]其中，所述进气管和喷嘴的材料包括石英。
[0016]其中，所述第一感应线圈呈螺旋状缠绕于所述反应腔室的侧壁外侧。
[0017]其中，每个单匝线圈的直径等于或小于所述托盘上表面的半径。
[0018]为实现本发明的目的还提供一种外延生长设备，包括反应腔室，所述反应腔室采用上述的反应腔室。
[0019]本发明具有以下有益效果:
[0020]本发明提供的反应腔室，其通过限定分别缠绕在反应腔室的侧壁外侧和内部的第一、第二感应线圈之间的有关缠绕方向与电流相位之间的约束关系，即:第一感应线圈的缠绕方向与第二感应线圈的缠绕方向相同，且交变电源分别向二者通入相位相差180°的交变电流；或者，第一感应线圈的缠绕方向与第二感应线圈的缠绕方向相反，且交变电源分别向二者通入相位相同的交变电流，可以使分别由二者产生的交变磁场在托盘处的方向保持一致，这与现有技术相比，可以避免由二者产生的交变磁场在彼此叠加的区域内相互抵消，从而仅需分别调节第一、第二感应线圈的电流大小即可使在托盘各个区域的磁场分布均匀，进而可以提高托盘各个区域的温度均匀性，提高工艺均匀性。
[0021]本发明提供的外延生长设备，其通过采用本发明提供的反应腔室，可以使在托盘各个区域的磁场分布均匀，从而可以提高托盘各个区域的温度均匀性，进而可以提高工艺均匀性。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为M0CVD设备的结构示意图；
[0023]图2为图1中感应线圈的缠绕方式的示意图；
[0024]图3为现有的CVD设备的结构示意图；
[0025]图4为本发明实施例提供的反应腔室的结构示意图；
[0026]图5为本发明实施例提供的反应腔室的内部结构示意图；以及
[0027]图6为本发明实施例提供的反应腔室的第二感应线圈的结构示意图。
【具体实施方式】
[0028]为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的反应腔室及外延生长设备进行详细描述。
[0029]请参看图4，图4为本发明实施例提供的反应腔室的结构示意图。反应腔室包括多个托盘10、交变电源、感应线圈20和进气管30。其中，多个托盘10采用磁导体材料制作，且沿竖直方向间隔设置在反应腔室内；感应线圈20包括第一感应线圈21和第二感应线圈22，其中，第一感应线圈21缠绕于反应腔室的侧壁外侧；第二感应线圈22缠绕于反应腔室内，且沿竖直方向贯穿上述多个托盘10。交变电源用于分别向第一感应线圈21和第二感应线圈22通入交变电流，以使二者分别在反应腔室内产生交变磁场，从而在托盘10内感应出交变的涡电流，涡电流将托盘10加热，进而间接地将置于托盘10上的被加工工件加热至工艺所需的温度。而且，第一感应线圈21和第二感应线圈22之间具有有关缠绕方向与电流相位之间的约束关系，即:若第一感应线圈21的缠绕方向与第二感应线圈22的缠绕方向相同，则交变电源分别向二者通入相位相差180°的交变电流；若第一感应线圈21的缠绕方向与第二感应线圈22的缠绕方向相反，则所述交变电源分别向二者通入相位相同的交变电流。
[0030]例如，在本实施例中，第一感应线圈21与第二感应线圈22的缠绕方向相同，在进行工艺的过程中，交变电源应向第一感应线圈21和第二感应线圈22通入相位相差180°的交变电流，在这种情况下，分别由第一感应线圈21和第二感应线圈22在托盘10处产生的交变磁场的磁场方向一致，这与现有技术相比，可以避免由二者产生的交变磁场在彼此叠加的区域内相互抵消，从而仅需分别调节第一、第二感应线圈的电流大小即可使在托盘各个区域的磁场分布均匀，进而可以提高托盘各个区域的温度均匀性，提高工艺均匀性。
[0031]下面对第一感应线圈21和第二感应线圈22的缠绕方式进行详细描述。具体地，在本实施例中，第一感应线圈21沿竖直方向呈螺旋状缠绕于反应腔室的侧壁外侧；第二感应线圈22包括多个单匝线圈221和连接部222，如图5及图6所示，其中，多个单匝线圈221沿竖直方向间隔设置，且每个单匝线圈221所在平面平行于水平面，并且每个单匝线圈221包括彼此水平间隔的左连接端221a和右连接端221b，且每个单匝线圈221的左连接端221a或右连接端221b的位置与相邻且位于其上方的单匝线圈221的右连接端221b或左连接端221a的位置相对应；连接部222分别位于相邻两个单匝线圈221的位置相对应的左连接端221a和右连接端221b之间，且分别与二者电连接，以使第二感应线圈22形成由所有的单匝线圈221串接而成的缠绕结构。
[0032]例如，在本实施例中，如图6所示，每个单匝线圈221的右连接端221b的位置与相邻且位于其上方的单匝线圈221的左连接端221a的位置相对应；连接部222分别位于相邻两个单匝线圈221的位置相对应的左连接端221a和右连接端221b (图6中左连接端221a位于与之相对应的右连接端221b的上方)之间，且分别与二者电连接。
[0033]如图4和图5所示，进气管30沿竖直方向穿过第二感应线圈22，并且在进气管30的侧壁上，且位于相邻两个托盘10之间间隔设置有多个进气口，多个进气口沿进气管30的周向均匀设置，用以向反应腔室的四周喷出工艺气体。优选地，由于组成第二感应线圈22的多个单匝线圈221所在平面均平行于水平面，这使得进气口可以在同一水平面内沿进气管30的周向均匀分布，而不会受到第二感应线圈22的阻挡，从而可以均匀地向反应腔室的四周喷出反应气体，进而可以提高工艺均匀性。
[0034]而且，在进气管30的侧壁上，且与每个相邻两个托盘10之间的各个进气口相对应的位置处设置有喷嘴31，喷嘴31的一端和与之相对应的进气口连通，喷嘴31的另一端沿水平方向穿过第二感应线圈22，并延伸至位于进气口下方且相邻的托盘10的内侧边缘的上方。在进行工艺的过程中，反应气体经由进气管30的进气口和喷嘴31直接流入反应腔室内相邻的两个托盘10之间，S卩，反应气体在到达托盘10位置之后相互混合，并与置于托盘10上的被加工工件发生反应而形成外延层，这可以减少反应气体的损耗，从而可以降低外延生长设备的生产成本。在实际应用中，为适应反应腔室的高温环境，进气管30和喷嘴31由耐高温，且导热系数较低的材料制成，例如石英或陶瓷等。
[0035]在本实施例中，反应腔室还包括电磁屏蔽件，该电磁屏蔽件设置在进气管30与第二感应线圈22之间，用以屏蔽由第二感应线圈22产生的磁场对进气管30的干扰，且防止进气管30内的工艺气体因受到磁场的影响而发生预反应。而且，在电磁屏蔽件的侧壁上设置有多个排气孔，该多个排气孔的位置分别与位于各个相邻两个托盘10之间的进气口相对应，容易理解，此时喷嘴31的另一端应沿水平方向穿过上述排气孔，并延伸至位于进气口下方且相邻的托盘10的内侧边缘的上方。
[0036]需要说明的是，在本实施例中，第一感应线圈21沿竖直方向呈螺旋状缠绕于反应腔室的侧壁外侧，但本发明并不限于此，在实际应用中，第一感应线圈21也可以采用与第二感应线圈22相同或类似的缠绕方式。
[0037]还需要说明的是，在实际应用中，由于感应加热的集肤效应，导致由第一感应线圈21产生的磁场自每个托盘10的边缘朝向中心的方向逐渐下降，为此，优选地，将第二感应线圈22设置在反应腔室内，且位于等于或小于托盘10的二分之一半径的圆周处，即，每个单匝线圈的直径等于或小于托盘上表面的半径，以借助第二感应线圈22增强托盘10中心区域的磁场强度，从而补偿由第一感应线圈21产生的磁场在托盘10中心区域与边缘区域之间的差异，进而使托盘10中心区域的温度与托盘10边缘区域的温度趋于均匀。
[0038]综上所述，本发明实施例提供的反应腔室，其通过限定分别缠绕在反应腔室的侧壁外侧和内部的第一、第二感应线圈之间的有关缠绕方向与电流相位之间的约束关系，即:第一感应线圈21的缠绕方向与第二感应线圈22的缠绕方向相同，且交变电源分别向二者通入相位相差180°的交变电流；或者，第一感应线圈21的缠绕方向与第二感应线圈22的缠绕方向相反，且交变电源分别向二者通入相位相同的交变电流，可以使分别由二者产生的交变磁场在托盘10处的方向保持一致，这与现有技术相比，可以避免由二者产生的交变磁场在彼此叠加的区域内相互抵消，从而仅需分别调节第一、第二感应线圈的电流大小即可使在托盘10各个区域的磁场分布均匀，进而可以提高托盘10各个区域的温度均匀性，提高工艺均匀性。
[0039]作为另一个技术方案，本发明实施例还提供一种外延生长设备，其包括反应腔室，该反应腔室采用了本发明实施例提供的上述反应腔室。
[0040]本发明实施例提供的外延生长设备，其通过采用本发明实施例提供的上述反应腔室，可以使在托盘各个区域的磁场分布均匀，从而可以提高托盘各个区域的温度均匀性，进而可以提高工艺均匀性。
[0041]可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种反应腔室，包括多个托盘、交变电源和感应线圈，所述多个托盘采用磁导体材料制作，且沿竖直方向间隔设置在所述反应腔室内；所述交变电源用于向所述感应线圈通入交变电流；其特征在于，所述感应线圈包括第一感应线圈和第二感应线圈，所述第一感应线圈缠绕于所述反应腔室的侧壁外侧；所述第二感应线圈缠绕于所述反应腔室内，且沿竖直方向贯穿所述多个托盘；并且 所述第一感应线圈的缠绕方向与所述第二感应线圈的缠绕方向相同，且所述交变电源分别向二者通入相位相差180°的交变电流；或者，所述第一感应线圈的缠绕方向与所述第二感应线圈的缠绕方向相反，且所述交变电源分别向二者通入相位相同的交变电流，以使分别由二者产生的交变磁场在托盘处的方向保持一致。
2.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述第二感应线圈包括多个单匝线圈和连接部，其中 所述多个单匝线圈沿竖直方向间隔设置，且每个单匝线圈所在平面平行于水平面，并且每个单匝线圈包括彼此水平间隔的左连接端和右连接端，且每个单匝线圈的左连接端或右连接端的位置与相邻且位于其上方的单匝线圈的右连接端或左连接端的位置相对应； 所述连接部分别位于相邻两个单匝线圈的位置相对应的左连接端和右连接端之间，且分别与二者电连接，以使所述第二感应线圈形成由所有的所述单匝线圈串接而成的缠绕结构。
3.根据权利要求2所述的反应腔室，其特征在于，所述反应腔室还包括进气管，所述进气管沿竖直方向穿过所述第二感应线圈，并且在所述进气管的侧壁上，且位于相邻两个托盘之间的同一水平面内间隔设置有多个进气口，并且所述多个进气口所在平面与所述单匝线圈所在平面交错设置； 所述进气口用于向所述反应腔室的四周喷出工艺气体。
4.根据权利要求3所述的反应腔室，其特征在于，在所述进气管的侧壁上，且与每个相邻两个托盘之间的各个所述进气口相对应的位置处设置有喷嘴， 所述喷嘴的一端和与之相对应的所述进气口连通，所述喷嘴的另一端沿水平方向穿过所述第二感应线圈，并延伸至位于所述进气口下方且相邻的托盘的内侧边缘的上方。
5.根据权利要求3所述的反应腔室，其特征在于，所述反应腔室还包括电磁屏蔽件，所述电磁屏蔽件设置在所述进气管与第二感应线圈之间，用以屏蔽由所述第二感应线圈产生的磁场对所述进气管的干扰；并且 在所述电磁屏蔽件的侧壁上设置有多个排气孔，所述多个排气孔的位置分别与位于各个相邻两个托盘之间的所述进气口相对应。
6.根据权利要求3所述的反应腔室，其特征在于，每个相邻两个托盘之间的多个进气口沿所述进气管的周向均匀分布。
7.根据权利要求4所述的反应腔室，其特征在于，所述进气管和喷嘴的材料包括石英。
8.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述第一感应线圈呈螺旋状缠绕于所述反应腔室的侧壁外侧。
9.根据权利要求2所述的反应腔室，其特征在于，每个单匝线圈的直径等于或小于所述托盘上表面的半径。
10.一种外延生长设备，包括反应腔室，其特征在于，所述反应腔室采用如权利要求1-9任意一项所述的反应腔室。
【文档编号】C23C16/46GK104372310SQ201310349288
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2013年8月12日 优先权日:2013年8月12日
【发明者】涂治 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