CN102347258B - 一种用于半导体外延系统的基座 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于半导体外延系统的基座，机械传动方式实现基座的公转、气动旋转方式实现衬底的自转，并结合机械手实现基座整体的升降。本发明包含有大盘、小盘，大盘内部设有辐射状的内部气路通道，大盘的内部气路通道连通小盘，支撑杆内的内部气道连通大盘内部辐射状的内部气路通道，支撑杆中部设有金属法兰，金属法兰的中心设有磁流体组件，撑杆延伸出金属法兰的部分固定有一从动轮，从动轮一侧等高的位置设有主动轮，靠近支撑杆尾端的位置设有轴承组件，支撑杆的尾端设有进气组件，进气组件由轴承组件、B套管和气体入口组成。本发明的设计可以节约反应的原料、提高薄膜的均匀性；基座结构简单、可靠。

Description

一种用于半导体外延系统的基座

技术领域

 本发明涉及半导体外延设备领域，尤其是涉及一种具有升降功能以及双重旋转功能的基座设计，该基座可以在机械手的带动下实现整体的上升和下降；基座的大盘在机械传动装置的带动下进行公转；基座的小盘下部设计有的旋转扇叶，气体流过时推动扇叶旋转从而实现小盘的自转。本发明所涉及的基座设计用于半导体材料外延设备时，可以提高气态源的利用率,同时可以改善外延层的均匀性。

背景技术

与硅、锗、砷化镓等传统的半导体材料相比，以Ⅲ族（主要指Al、Ga和In元素）氮化物为代表的第三代半导体材料属于直接带隙半导体材料，具有高的禁带宽度，非常适合制作短波长的光电器件；其优异的电学、光学性能以及高温下稳定的特性，也非常适用于制作高频、大功率电子器件,因此对Ⅲ-Ⅴ族半导体器件的研究也是目前半导体领域研究的热点和难点。

目前商业化的Ⅲ-Ⅴ族半导体外延系统主要包括氢化物气相外延（HVPE）系统、金属有机物化学气相沉积（MOCVD）系统等，这些系统的基本原理是:利用载气（氮气、氢气、惰性气体或者其中几者的混合气体），将Ⅲ-Ⅴ族半导体生长所需要的Ⅲ族以及Ⅴ族源气体均匀混合并运至基座表面，反应气体流经基座表面时会形成滞留层，参与反应的气体在该滞留层内进行扩散并吸附于衬底表面，从而发生化学反应，反应的副产物从衬底表面脱附，通过扩散作用再进入主气流并被带离反应腔，通过控制反应腔内的压强、温度以及各种气体的流量，最终获得高质量的外延层。

半导体外延系统的设计理念始终向着多片式、大尺寸（≥4英寸）发展，以提高产能、降低成本，目前商业化的MOCVD设备单次可生长的衬底数已经突破50片。在半导体外延系统反应腔内，基座整体都是围绕对称轴旋转的（公转），比如Thomas Swan公司的近耦合喷淋头(Close Coupled Showerhead)结构MOCVD的反应腔，在这种反应腔内，薄膜的沉积均匀性更多地依赖于喷淋头的结构设计而不是旋转，所以此类结构的MOCVD只需要基座整体以较低的转速进行公转；而对于某些半导体外延系统的反应腔，除了基座自身的公转之外，衬底也需要围绕自身的中心进行旋转（自转），比如AXITRON公司的水平式行星式MOCVD反应腔，采用了源气体径向流动、基座公转以及衬底自转的设计，获得了良好的外延均匀性。总的来说，在半导体外延系统中，基座公转与衬底自转相结合的设计，有助于气态源在衬底表面的扩散，同时也有利于提高外延层的均匀性以及气态源的利用率。

发明内容

本发明是针对上述背景技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种具有双重旋转和升降功能的基座设计，本发明利用机械传动的方式实现基座的公转、气动旋转方式实现衬底的自转，并结合机械手实现基座整体的升降。本发明所涉及的基座整体结构简单、可靠，可以应用于半导体设备领域，比如氢化物气相外延（HVPE）系统以及金属有机物气相沉积（MOCVD）系统。

为实现上述目的，本发明公开了一种用于半导体外延系统的基座，具有双重旋转和升降功能的基座，包含有大盘、小盘，大盘内部设有辐射状的内部气路通道，大盘上设有3个以上小盘，小盘的下部设有扇叶，大盘的内部气路通道连通小盘，大盘中心连接支撑杆，支撑杆内设有内部气道，支撑杆的内部气道连通大盘的内部气路通道，支撑杆中部设有金属法兰，金属法兰的中心设有磁流体组件，磁流体组件包含磁流体轴承和磁流体磁铁，磁流体组件内部设有A套管，A套管的内部设有中空的支撑杆，支撑杆上位于金属法兰之下设有一从动轮，从动轮一侧等高的位置设有主动轮，主动轮安装在伺服电机的顶端，支撑杆的尾端设有进气组件，进气组件由轴承组件、B套管和气体入口组成，轴承组件包括轴承和轴承固定件，轴承固定件与支撑杆固定在一起，轴承的外部设有机械手支架，进气组件连接机械手支架。

进一步，上述大盘内设有三个以上凹槽，每个凹槽内设有小盘，小盘的上部承载着衬底，衬底的表面与大盘的表面在同一平面，小盘的下部设有扇叶，小盘的下端与凹槽底部的支撑点抵触；支撑杆的下部设有轴承固定件，轴承固定件与支撑杆固定在一起，轴承固定件的上下两端突出，轴承固定件外设有旋转轴承，机械手支架上开有一孔，机械手支架的孔内设有旋转轴承，支撑杆插入大盘下部的凹槽中以承载大盘；大盘为圆形结构，支撑杆与A套管之间设有橡胶圈，A套管的下部设有一从动轮，金属法兰边缘与从动轮等高的位置设有主动轮，伺服电机通过电机支架固定在金属法兰上，主动轮和从动轮之间通过履带连接。A套管的内部设有中空的支撑杆，支撑杆与A套管之间设有橡胶圈，金属法兰、磁流体轴承、A套管和支撑杆呈轴对称且是同轴的；磁流体组件包括组件外壳和内部的磁流体轴承、磁流体磁铁，进气组件与机械手支架之间通过螺栓固定在一起；小盘侧壁设有气路出口，气路出口设于大盘内，气路出口连通内部气路通道。

在半导体外延系统，特别是对于多片式、大尺寸的半导体外延系统，外延层的均匀性是最为关键的因素，此外考虑到提高气态源的利用率以及获得较宽的工艺窗口，基座公转与衬底自转相结合的设计是非常必要的。对于某些设备（比如氢化物气相外延系统），在整个工艺过程中，基座可能需要进行一定的移动，现有的自转与公转相结合的基座中，无法增加升降机制，即自转、公转与升降三种功能的不容易结合在一起。

本发明的机械式公转和气动式自转相结合的可升降基座设计具有以下优点：自转与公转的相结合设计可以节约反应的原料、提高薄膜的均匀性；基座的升降功能可以使反应腔的设计更为灵活，比如它可以调节喷淋头与衬底之间区域（即气体混合区）的距离，从而达到改善工艺的目的；基座结构简单、可靠，大盘的公转、小盘的自转以及基座的升降，三者相互独立运行，互不干扰。自转与公转的相结合设计可以节约反应的原料、提高薄膜的均匀性；基座的升降功能可以使反应腔的设计更为灵活，比如它可以调节喷淋头与衬底之间区域（即气体混合区）的距离，从而达到改善工艺的目的；基座结构简单、可靠，大盘的公转、小盘的自转以及基座的升降，三者相互独立运行，互不干扰，在基座系统中，小盘自转、大盘公转与升降功能三者的结合，且三者之间相互独立、互不影响。

附图说明

图1是本发明实施例一的立体示意图。

图2是本发明实施例一的剖面图。

图3是本发明实施例一基座小盘和大盘的结构示意图。

图4是本发明实施例二基座小盘和大盘的结构示意图。

图5是本发明实施例二的剖面图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，解析本发明的优点与精神，藉由以下结合附图与具体实施方式对本发明的详述得到进一步的了解。

本发明附图标记说明如下：小盘1、大盘2、气路出口3、支撑杆4、内部气道41、金属法兰5、橡胶圈6、电机支架7、伺服电机8、主动轮9、从动轮10、机械手支架11、A套管12、轴承固定件13、螺栓14、轴承组件15、气体入口16、B套管17、磁流体轴承18、磁流体磁铁19、旋转轴承20、扇叶21、支撑点22、内部气路通道23、磁流体组件24。

实施例一：

附图1是本发明实施例一中所涉及基座系统的立体示意图（整体图），结合基座系统剖面图（附图2）来进行表述。本发明的具有双重旋转和升降功能的基座，包括了大盘2、小盘1、支撑杆4、中空A套管12、橡胶圈6、金属法兰5、磁流体密封件、伺服电机8、主动轮9、从动轮10、轴承、轴承固定件13、螺栓14以及机械手支架11。基座的大盘2围绕系统的中心轴进行公转，由伺服电机8、主动轮9和从动轮10构成的传动装置作为公转的动力来源；基座的小盘1围绕自身的中心轴进行自转，自转的动力来源于气体流过小盘1下部扇叶21所形成的推动力；基座整体可以进行垂直的上升与下降，升降的动力来源于一个垂直运动的机械手。处于反应腔底部的金属法兰5中心设有磁流体轴承18，所谓的磁流体轴承18是指内部用液态磁性材料进行密封、有外加磁场的滑动轴承，磁流体轴承18的内部设有A套管12，不论A套管12是静止状态还是转动状态，磁流体轴承18的磁铁与A套管12衔接处的空隙中始终充满了液态磁性材料，保证系统的密闭性。A套管12的内部设有中空的支撑杆4，支撑杆4与A套管12之间通过两个橡胶圈6进行密封，需要注意的是，此处所涉及的金属法兰5、磁流体轴承18、A套管12和支撑杆4都呈轴对称且是同轴的。支撑杆4的上部延伸至反应腔内，其顶端插入大盘2下部的孔洞中以承载整个基座，基座的大盘2为圆形结构，内部设有辐射状的内部气路通道23，大盘2上放置一定数量的小盘1（数量大于等于3），小盘1的下部设计有扇叶21，这些小盘1用来承载衬底并进行自转；支撑杆4向下延伸至金属法兰5的外部，支撑杆4延伸出金属法兰5的部分固定有一从动轮10，在从动轮10一侧等高的位置设有主动轮9，主动轮9安装在伺服电机8的顶端并由伺服电机8提供转动的驱动力；靠近支撑杆4尾端的位置设有磁流体组件24，磁流体组件24包括轴承和轴承固定件13，其中轴承固定件13与支撑杆4固定在一起，轴承处在轴承固定件13中部的凹槽内并可以围绕中心轴自由旋转，轴承固定件13上下突出的部分锁紧轴承使其固定在某一高度，轴承的外部设有机械手支架11，机械手支架11扣紧轴承，当机械手上下运动时可以带动机械手支架11、轴承组件15、支撑杆4和基座一起运动。支撑杆4的底端插入金属B套管17中，两者之间通过橡胶圈6进行密封，金属B套管17的外部设有磁流体轴承18，磁流体的下部设有一气体入口16，气体（氮气、氢气、惰性气体或者三者的混合气体）从此气体入口16进入后，顺着支撑杆4内部中空的内部气道41进入基座大盘2内部的辐射状内部气路通道23，最终推动小盘1及其承载的衬底进行自转。

在基座系统中，金属法兰5处于反应腔底部，通过橡胶圈6与反应腔连接在一起并保证反应腔的密封性，在金属法兰5的中心设有由磁流体轴承18和磁流体磁铁19构成的磁流体组件24，磁流体组件24内部设有A套管12，在磁场的作用下，磁流体磁铁19与A套管12衔接处的空隙中始终充满了液态磁性材料，不论A套管12是旋转状态还是静止状态都可以保证系统的密闭性。A套管12的内部设有中空的支撑杆4，支撑杆4与A套管12之间通过两个橡胶圈6进行密封，A套管12的下部固定了一个从动轮10，在金属法兰5边缘与从动轮10等高的位置设有主动轮9，主动轮9是安装在伺服电机8的顶端，电机支架7将伺服电机8固定在金属法兰5上，由伺服电机8提供旋转的动力，主动轮9和从动轮10之间通过履带传送动力，在从动轮10的带动下A套管12、支撑杆4以及大盘2一起旋转，从而实现大盘2的公转，大盘2公转的转速可以由伺服电机8精确控制。

附图3是基座系统中小盘与大盘的结构示意图，支撑杆4插入大盘2下部的凹槽中以承载大盘2，支撑杆4的内部气道41与大盘2内部辐射状的内部气路通道23衔接在一起，在大盘2内至少设有三个凹槽，每个凹槽内放置有小盘1，小盘1的上部承载着衬底，衬底的表面与大盘2的表面在同一平面，小盘1的下部设有扇叶21，小盘1的下端与凹槽底部的支撑点22接触，小盘1的重量都由支撑点22承载，需要注意的是，在本实施例中支撑点22为半圆球，也可以是尖顶状或其它顶部面积很小的形状。为了实现衬底的自转，一路气体（氮气、氢气、惰性气体或者三者的混合气体）从基座下部的气体入口16被引入，气体通过支撑杆4的内部气道41进入大盘内部的辐射状内部气路通道23，随后注入大盘2内部的凹槽中，最终气体从气路出口3溢出，气体在流过小盘1底部扇叶21时产生的推动力带动了小盘1及其上部的衬底进行自转，相应的，气体的流量由系统外部的质量流量计进行控制，通过调节气体的流量得到不同的自转速度。

支撑杆4接近下部的部位设有垂直运动的机械手支架11，具体的来说，支撑杆4的下部设有轴承固定件13，它是与支撑杆4固定在一起的，轴承固定件13的上下两端突出，将旋转轴承20锁死在中心位置，机械手支架11上开有一孔，旋转轴承20置于孔的内部，拧紧螺丝将机械手支架11与其内部的旋转轴承20固定在一起。机械手支架11在机械手的带动下进行垂直运动时，它带动旋转轴承20、轴承固定件13、支撑杆4、大盘2和小盘1同时进行垂直运动，从而实现了基座系统的升降。

支撑杆4的尾端设有进气组件，由磁流体组件24（包括组件外壳和内部的磁流体轴承18、磁流体磁铁19）、B套管17和气体入口16组成，整个进气组件与机械手支架11之间通过螺栓14固定在一起。需要注意的是，在大盘2的公转时，支撑杆4、A套管12、B套管17均在转动，磁流体密封件保证了相对旋转的部件（比如B套管17和磁流体组件24）之间的气密性，气体入口16处引入的气体继续按照预定的气路进行流动，小盘1仍然可以稳定地转动，因此小盘1的自转和大盘2的公转是相互独立、互不影响的；当机械手支架11垂直运动时，支撑杆4、大盘2、小盘1和磁流体组件24在其带动下同时进行垂直运动，虽然此时支撑杆4与A套管12、B套管17之间存在相对运动，但是两者之间的橡胶圈起着可靠的密封作用，从气体入口16处引入的气体仍然按照预定的气路进行流动并推动小盘1进行自转，因此机械手的垂直运动不影响小盘1的自转。

实施例二：

图4是实施例二所涉及的一种新的小盘和大盘结构，结合实施例二的剖面图（图5）的表达，得到另一种可靠的小盘自转机制。

参见附图5，具有双重旋转和升降功能的基座包含有大盘2、小盘100，在实施例二小盘100为一个上部为圆片、下部为带有扇叶的直杆，大盘2内部设有辐射状的内部气路通道23，大盘2上周缘设有3个以上小盘100，小盘100的下部设计有扇叶21，大盘2的内部气路通道23连通小盘100，大盘2中心连接支撑杆4，支撑杆4插入大盘2下部的凹槽中以承载大盘2，支撑杆4内的内部气道41连通大盘2内部辐射状的内部气路通道23，支撑杆4中部设有金属法兰5，金属法兰5中心设有磁流体轴承18，磁流体轴承18的内部设有A套管12，A套管12的内部设有中空的支撑杆4，支撑杆4与A套管12之间通过两个橡胶圈6进行密封，金属法兰5、磁流体轴承18、A套管12和支撑杆4都呈轴对称且是同轴的。支撑杆4向下延伸至金属法兰5的外部，支撑杆4延伸出金属法兰5的部分固定有一从动轮10，从动轮10一侧等高的位置设有主动轮9，主动轮9安装在伺服电机8的顶端，靠近支撑杆4尾端的位置设有轴承组件15，轴承组件15包括轴承和轴承固定件13，其中轴承固定件13与支撑杆4固定在一起，轴承处在轴承固定件13中部的凹槽内并可以围绕中心轴自由旋转，轴承固定件13上下突出的部分锁紧轴承使其固定在某一高度，轴承的外部设有机械手支架11，机械手支架11扣紧轴承，金属法兰5处于反应腔底部，通过橡胶圈6与反应腔连接在一起并保证反应腔的密封性，支撑杆4的尾端设有进气组件，由轴承组件15（包括组件外壳和内部的磁流体轴承18、磁流体磁铁19）、B套管17和气体入口16组成，整个进气组件与机械手支架11之间通过螺栓14固定在一起。

在金属法兰5的中心设有由磁流体轴承18和磁流体磁铁19构成的磁流体组件24，磁流体组件24内部设有A套管12， A套管12的内部设有中空的支撑杆4，支撑杆4与A套管12之间通过两个橡胶圈6进行密封，A套管12的下部固定了一个从动轮10，在金属法兰5边缘与从动轮10等高的位置设有主动轮9，主动轮9是安装在伺服电机8的顶端，电机支架7将伺服电机8固定在金属法兰5上，主动轮9和从动轮10之间通过履带传送动力。支撑杆4的底端插入另一个金属B套管17中，两者之间通过橡胶圈6进行密封，金属B套管17的外部设有另一磁流体轴承18，另一磁流体轴承18的下部设有一气体入口16。

大盘2内至少设有三个凹槽，每个凹槽内放置有小盘100，小盘100的上部承载着衬底，衬底的表面与大盘2的表面在同一平面，小盘100的下部设有扇叶21，小盘100的下端与凹槽底部的支撑点22接触，小盘100的重量都由支撑点22承载。支撑杆4的下部设有轴承固定件13，它是与支撑杆4固定在一起的，轴承固定件13的上下两端突出，将旋转轴承20锁死在中心位置，机械手支架11上开有一孔，旋转轴承20置于孔的内部，拧紧螺丝将机械手支架11与其内部的旋转轴承20固定在一起。

实施例二的公转机制、升降机制与实施例一是一样的，区别在于小盘100的自转机制，在实施例二小盘100为一个上部为圆片、下部为带有扇叶的直杆，当气体从大盘内部的辐射状内部气路通道23进入放置小盘100的凹槽中后，会将小盘100顶起并从小盘100与大盘2之间的缝隙溢出，气体流动时对扇叶的推动力即为小盘100自转的动力来源。在这种设计中，气体带动小盘100自转，并从小盘的边缘溢出进入反应腔内的主气流，最终在泵的作用下被带离反应区。在此实施例中，小盘100边缘的溢出气体可以保证小盘100与大盘2接触区域的清洁，防止小盘100与大盘2之间出现不希望的沉积而减弱甚至阻止自转。

上述的两个实施例中，支撑杆4的材质为石英，也可以是陶瓷或者耐高温的金属材料；小盘100和大盘2的材质为石墨，也可以是碳化硅（SiC）或者镀了一层碳化硅的石墨。

以上所述的实施例仅为说明本发明的技术思想及特点，其描述较为具体和详细，其目的在于使本领域的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，因此不能仅以此来限定本发明的专利范围，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，即凡依据本发明所揭示的精神所作的变化，仍应涵盖在本发明的专利范围内。

Claims (7)

1.一种用于半导体外延系统的基座，具有双重旋转和升降功能的基座，包含有：大盘（2）、小盘（1），其特征在于：所述大盘（2）内部设有辐射状的内部气路通道（23），所述大盘（2）上设有3个以上小盘（1），所述小盘（1）的下部设有扇叶（21），所述大盘（2）的内部气路通道（23）连通小盘（1），所述大盘（2）中心连接支撑杆（4），所述支撑杆（4）内设有内部气道（41），所述支撑杆（4）的内部气道（41）连通大盘（2）的内部气路通道（23），所述支撑杆（4）中部设有金属法兰（5），所述金属法兰（5）的中心设有磁流体组件（24），所述磁流体组件（24）包含磁流体轴承（18）和磁流体磁铁（19），所述磁流体组件（24）内部设有A套管（12），所述A套管（12）的内部设有中空的支撑杆（4），所述支撑杆（4）上位于金属法兰（5）之下设有一从动轮（10），所述从动轮（10）一侧等高的位置设有主动轮（9），所述主动轮（9）安装在伺服电机（8）的顶端，所述支撑杆（4）的尾端设有进气组件，所述进气组件由轴承组件（15）、B套管（17）和气体入口（16）组成，所述轴承组件（15）包括轴承和轴承固定件（13），所述轴承固定件（13）与支撑杆（4）固定在一起，所述轴承的外部设有机械手支架（11），所述进气组件连接机械手支架（11）。

2.根据权利要求1所述的一种用于半导体外延系统的基座，其特征在于：所述大盘（2）内设有三个以上凹槽，每个凹槽内设有小盘（1），所述小盘（1）的上部承载着衬底，衬底的表面与大盘（2）的表面在同一平面，所述小盘（1）的下部设有扇叶（21），所述小盘（1）的下端与凹槽底部的支撑点（22）抵触。

3.根据权利要求1所述的一种用于半导体外延系统的基座，其特征在于：所述支撑杆（4）的下部设有轴承固定件（13），轴承固定件（13）与支撑杆（4）固定在一起，轴承固定件（13）的上下两端突出，轴承固定件（13）外设有旋转轴承（20），机械手支架（11）上开有一孔，机械手支架（11）的孔内设有旋转轴承（20），支撑杆（4）插入大盘（2）下部的凹槽中以承载大盘（2）。

4.根据权利要求1所述的一种用于半导体外延系统的基座，其特征在于：所述大盘（2）为圆形结构，支撑杆（4）与A套管（12）之间设有橡胶圈（6），A套管（12）的下部设有一从动轮（10），金属法兰（5）边缘与从动轮（10）等高的位置设有主动轮（9），伺服电机（8）通过电机支架（7）固定在金属法兰（5）上，主动轮（9）和从动轮（10）之间通过履带连接。

5.根据权利要求1所述的一种用于半导体外延系统的基座，其特征在于：所述A套管（12）的内部设有中空的支撑杆（4），支撑杆（4）与A套管（12）之间设有橡胶圈（6），金属法兰（5）、磁流体轴承（18）、A套管（12）和支撑杆（4）呈轴对称且是同轴的。

6.根据权利要求1所述的一种用于半导体外延系统的基座，其特征在于：所述磁流体组件（24）包括组件外壳和内部的磁流体轴承（18）、磁流体磁铁（19），所述进气组件与机械手支架（11）之间通过螺栓（14）固定在一起。

7.根据权利要求1所述的一种用于半导体外延系统的基座，其特征在于：所述小盘（1）侧壁设有气路出口（3），气路出口（3）设于大盘（2）内，气路出口（3）连通内部气路通道（23）。

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