[发明专利]具有用于在化学气相沉积系统中改善加热均匀性的器件的晶片承载器

说明书

一种应用于通过化学气相沉积在一个或多个晶片上生长外延层的系统中的晶片承载器。所述晶片承载器包括凹入其本体的晶片保持凹穴。热绝缘间隔装置至少部分地位于至少一个晶片保持凹穴中，并且设置为保持周壁表面和晶片之间的间隔。间隔装置由具有比晶片承载器的热传导率低的材料制成，使得间隔装置限制热从晶片承载器本体的部分传递到晶片。晶片承载器进一步包括间隔保持结构，其与间隔装置对应并且包括用于防止在绕中心轴线旋转时间隔装置的离心运动的表面。

技术领域

本发明总体上涉及半导体制造技术，更具体地涉及化学气相沉积 (CVD)工艺以及相关的用于在半导体晶片表面降低温度非均匀性的装置。

背景技术

制造发光二极管(LED)和其它高性能器件，如激光二极管、光探测器和场效应晶体管时，常常采用化学气相沉积(CVD)工艺将如氮化镓的材料应用到蓝宝石或硅基板上生成薄的膜堆结构。CVD工具包括处理腔室，其是一种允许注入的气体沉积在基板上(尤其以晶片的形式)生成薄的膜层的密封环境。这样的制造设备的当前产品的示例是纽约普兰维尤的 Veeco Instruments Inc公司制造的MOCVD系统的系列。

控制多个工艺参数，如温度、压力和气流速度，以实现希望的晶体生长。采用多样化的材料和工艺参数会生成不同的层。例如，由混合半导体制备的器件，如III-V半导体，典型地应用金属有机气相沉积(MOCVD) 通过生成混合半导体的连续层形成。在该工艺中，晶片暴露于混合气体中，具体地包括作为III族金属源的金属有机化合物，还包括在晶片保持在高温时流过晶片的表面的V族元素源。具体地，金属有机化合物和V族源与明显不会参与反应的例如氮气的承载器气体结合。III-V半导体的一个示例是氮化镓，其能够由有机镓化合物和氨在具有合适的晶体点阵间隔的基板上反应形成，作为示例如蓝宝石晶片。具体地，晶片在氮化镓和相关的化合物沉积时保持在大约1000-1100℃的温度。

在MOCVD工艺中，晶体的生长通过基板的表面上的化学反应发生，工艺参数必须特别谨慎地控制以保证化学反应在需要的条件下进行。即使工艺条件中微小的变化都可能不利地影响器件质量和产品产量。例如，如果沉积镓和氮化铟层，晶片表面温度的变化将引起合成物和沉积层的带隙的变化。因为铟具有相对高的蒸汽压，在晶片的表面温度较高的那些区域中，沉积层将具有较低比例的铟和较大的带隙。如果沉积层是活性的LED 结构的发光二极管层，由晶片形成的LED的波长发射还将会变化到无法接受的程度。

在MOCVD处理腔室中，在其上生长薄膜层的半导体晶片设置在快速旋转的称为晶片承载器的传送器上，在用于半导体材料沉积的反应腔室内将其表面均匀地暴露于大气中。旋转速度大约1000RPM。晶片承载器典型地由高温导体材料加工而成，例如石墨，并且常常涂有如金刚砂的材料的保护层。每个晶片承载器在放置单个晶片的上表面具有一组圆形凹进或凹穴。具体地，晶片间隔支承在每个凹穴的下表面，以允许气流环绕晶片的边缘。相关技术的一些示例公开于美国专利申请公开号2012/0040097、美国专利第8,092,599号、美国专利第8,021,487号、美国专利申请公开号 2007/0186853、美国专利第6,902,623号、美国专利第6,506,252号和美国专利第6,492,625号，其公开内容通过引用合并于此。

晶片承载器支承在反应腔室内的主轴上，使得晶片承载器的上表面具有晶片面向向上朝向气体分配装置的暴露的表面。当主轴旋转时，气体向下导向在晶片承载器的上表面上且绕上表面朝向晶片承载器的外周流动。反应过的气体从反应腔室穿过设置在晶片承载器下部的端口排出。晶片承载器通过加热元件，具体地设置在晶片承载器的下表面下方的电阻加热元件，保持在需要的高温。这些加热元件保持在晶片表面需要的温度之上的温度，而气体分配装置典型地保持在远低于需要的反应温度之下的温度，从而预防气体的过早反应。因此，热从加热元件传递到晶片承载器的下表面，并且向上流动过晶片承载器至单个晶片。向上传递穿过承载器材料的热还从晶片承载器的上表面辐射。从晶片承载器辐射散出的程度由承载器和周围的元件的发射率决定。