CN111599716B - 用于外延生长设备的预热环以及外延生长设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于外延生长设备的预热环以及外延生长设备，该预热环包括上环部和下环部，上环部与下环部同轴自上而下叠置，上环部的外径与下环部的外径相等，上环部的内径小于下环部的内径，上环部的一侧设有排气通道，从而使净化气体和处理气体快速排走，上环部的内径小于下环部的内径，使上环部对下环部的内周面形成遮蔽，避免净化气体通过基板支撑件和下环部之间的间隙向上流动，防止在基板边缘附近形成紊流及额外流阻，改善基板边缘沉积效率，提高基板成膜均匀性。

Description

用于外延生长设备的预热环以及外延生长设备
技术领域
本发明属于半导体制造设备领域，更具体地，涉及一种用于外延生长设备的预热环以及外延生长设备。
背景技术
半导体装置尺寸的持续减小，依赖于输送至半导体处理室的处理气体的流动及温度的更精确的控制。通常，在半导体横流(cross-flow)处理室中，处理气体可被输送至反应腔室，并被引导经过待处理的基板的表面，处理气体的温度可通过围绕基板支撑件的预热环来控制。
图1示出了现有技术的预热环示意图，如图1所示，该预热环为一个圆环结构，上表面为平面。
图2示出了现有技术的预热环在反应腔室内气流流向示意图，包括：预热环33，基板支撑件101，基板130，净化气体34、处理气体35；一部分净化气体34会通过基板支撑件101和预热环33之间间隙向上流动，净化气体34流入基板处理区域会稀释基板130边缘的处理气体浓度。稀释气体主要产生于基板130边缘附近，且会形成紊流及额外流阻，如区域“A”所示区域，处理气体35需要经过紊流及额外流阻而前进至基板3的表面。因此，在基板130边缘处的沉积效率变差。虽然在沉积期间旋转基板130能产生旋转对称沉积，但由于稀释所造成的不良沉积效率，而导致膜的均匀性降低，特别是基板130边缘附近。
发明内容
本发明的目的提供一种用于外延生长设备的预热环以及外延生长设备，防止在基板边缘附近形成紊流及额外流阻而使处理气体被稀释，提高基板成膜均匀性。
为了实现上述目的，根据本发明的一方面，提供一种用于外延生长设备的预热环，所述预热环包括上环部和下环部，所述上环部与所述下环部同轴自上而下叠置，所述上环部的外径与所述下环部的外径相等，所述上环部的内径小于所述下环部的内径，所述上环部的一侧设有排气通道。
优选地，所述排气通道包括开口；
所述下环部的上端面设有与所述开口相配合的第一弧形凸台，所述第一弧形凸台沿所述下环部的上端面周向设置，且所述第一弧形凸台的厚度与所述上环部的厚度相等。
优选地，所述上环部的所述开口处具有相互平行的第一端面和第二端面，所述第一弧形凸台具有相互平行的第三端面和第四端面，所述第一端面与所述第三端面贴合，所述第二端面与所述第四端面贴合。
优选地，所述第一端面、所述第二端面、所述第三端面和所述第四端面均与所述上环部的同一轴截面平行，且所述第一端面和所述第二端面相对于所述轴截面对称，所述第三端面和所述第四端面相对于所述轴截面对称。
优选地，所述上环部的下端面设有沿其周向设置的第二弧形凸台，所述第二弧形凸台具有第五端面和第六端面，所述第五端面与所述第一端面对齐，所述第二端面与所述第六端面对齐，所述第二弧形凸台的外径与所述下环部的内径相等，所述第二弧形凸台的厚度小于或等于所述下环部的厚度。
优选地，所述排气通道包括多个通孔，多个所述通孔沿所述上环部的周向分布，所述多个通孔的圆心在同一圆弧上，且所述圆弧与所述上环部同心，所述圆弧的外径小于或等于所述下环部的内径，每个所述通孔的轴线均与所述上环部的轴线平行。
优选地，所述上环部的下端面设有沿其周向设置的第一环形凸台，所述下环部的上端面设有沿其周向设置的第二环形凸台，所述第一环形凸台与所述第二环形凸台相配合，所述第一环形凸台的外径与所述上环部的外径相等，所述第一环形凸台的内径与所述第二环形凸台的外径相等，所述第二环形凸台的内径与所述下环部的内径相等，所述第一环形凸台的厚度与所述第二环形凸台的厚度相等。
优选地，所述第二弧形凸台的径向宽度为1mm～2mm。
优选地，所述上环部的径向宽度为20mm～45mm，所述下环部的径向宽度为20mm～35mm。
根据本发明的另一方面，提供一种外延生长设备，包括反应腔室和位于所述反应腔室内的基座以及所述的预热环，所述预热环环绕于基座的外周，并与所述基座之间留有间隙，所述反应腔室的一侧设有气体排放区，另一侧设有处理气体进气区，所述排气通道靠近于所述气体排放区。
本发明的有益效果在于：上环部和下环部上下同轴叠置，上环部的排气通道靠近气体排放区，从而使净化气体和处理气体快速排走，上环部的内径小于下环部的内径，使上环部对下环部的内周面形成遮蔽，避免净化气体通过基板支撑件和下环部之间的间隙向上流动，防止在基板边缘附近形成紊流及额外流阻，改善基板边缘沉积效率，提高基板成膜均匀性。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
图1示出了现有技术的预热环示意图。
图2示出了现有技术的预热环在反应腔室内气流流向示意图。
图3示出了根据本发明一个实施例的一种外延生长设备的结构示意图。
图4示出了根据本发明一个实施例的一种预热环的结构示意图。
图5示出了根据本发明一个实施例的一种上环部的结构示意图。
图6示出了根据本发明一个实施例的一种下环部的结构示意图。
图7示出了根据本发明一个实施例的另一种预热环的结构示意图。
图8示出了图7在B处的局部放大图。
图9示出了根据本发明一个实施例的另一种上环部的结构示意图。
图10示出了根据本发明一个实施例的另一种下环部的结构示意图。
附图标记说明：
1、下环部；2、上环部；11、第一弧形凸台；12、第一弧形凸台的上端面；13、第二环形凸台；14、第三端面；15、第四端面；21、开口；22、上环部的上端面；23、第二弧形凸台；24、第一环形凸台；25、通孔；26、第一端面；27、第二端面；28、轴截面；33、预热环；34、净化气体；35、处理气体；100、处理腔室；101、基板支撑件；103、上拱形结构；104、下拱形结构；105、腔室侧壁；110、基板处理区域；113、尾气排放结构；120、下处理室；130、基板；140、处理气体进气装置；150、净化气体源；160、尾气处理***。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
根据本发明实施例的一种用于外延生长设备的预热环，包括上环部和下环部，上环部与下环部同轴自上而下叠置，上环部的外径与下环部的外径相等，上环部的内径小于下环部的内径，上环部的一侧设有排气通道。
上环部的一侧设有排气通道，在排气通道处的上环部未对下环部的内周面形成遮掩，通过排气通道保留了基板支撑件和预热环之间气体排放的路径，有利于净化气体和处理气体快速从气体排放区排走。其它位置处的上环部的内径小于下环部的内径，上环部对基板支撑件和预热环之间的间隙形成遮蔽，避免净化气体通过基板支撑件和预热环之间的间隙向上流动，防止在基板边缘附近形成紊流及额外流阻，改善基板边缘沉积效率，提高基板成膜均匀性。
作为一个示例，预热环组件可由以下材质制成：石英、碳化硅、涂覆碳化硅的石墨、不透明石英、涂覆的石英、以及任何在冷或加热状态下对处理气体造成的化学分解具有抵抗作用的材料。
作为优选方案，排气通道包括开口；下环部的上端面设有与开口相配合的第一弧形凸台，第一弧形凸台沿下环部的上端面周向设置，且第一弧形凸台的厚度与上环部的厚度相等。
具体地，上环部与下环部上下同轴叠置组成预热环，上环部的开口与下环部的第一弧形凸台相配合，第一弧形凸台的厚度与上环部的厚度相等，从而使第一弧形凸台与上环部的上端面处于同一水平面，其开口与第二弧形凸台配合的结构，排气通道处的上环部未对下环部与基板支撑件之间的间隙形成遮挡，有利于净化气体和处理气体快速从气体排放区排走。
作为优选方案，上环部的开口处具有相互平行的第一端面和第二端面，第一弧形凸台具有相互平行的第三端面和第四端面，第一端面与第三端面贴合，第二端面与第四端面贴合，开口的长度与圆弧凸台的长度相等，从而保证其两侧端面相互贴合，能够限制上环部在垂直进气方向的位移。
作为一个示例，第一弧形凸台的内径与下环部的内径相等，第一弧形凸台的外径与下环部的外径相等，从而保留了排气通道处下环部与基板支撑件之间的间隙，有利于净化气体和处理气体快速从气体排放区排走。
作为优选方案，第一端面、第二端面、第三端面和第四端面均与上环部的同一轴截面平行，且第一端面和第二端面相对于轴截面对称，第三端面和第四端面相对于轴截面对称，从而保证第一端面和第三端面、第二端面和第四端面之间具有良好吻合的配合度，确保上环部与下环部能够沿周向形成连贯一体的预热环结构，并使排气通道的位置与气体排气区域的位置对应，有利于净化气体和处理气体快速从气体排放区排走。
作为一个示例，第一端面与第二端面之间的距离不大于气体排放区的宽度，从而使气体排放区与排气通道的位置相对应，保证净化气体和处理气体均能够通过气体排放通道排入气体排放区域，从而提高气体排放区的气体排放效率。
作为优选方案，上环部的下端面设有沿其周向设置的第二弧形凸台，第二弧形凸台具有第五端面和第六端面，第五端面与第一端面对齐，第二端面与第六端面对齐，第二弧形凸台的外径与下环部的内径相等，第二弧形凸台的厚度小于或等于下环部的厚度。第二弧形凸台用于限制上环部与下环部的相对位移，避免在处理基板过程中，预热环与基板支撑件产生位移而出现摩擦。
作为优选方案，排气通道可以包括多个通孔，多个通孔沿上环部的周向分布，多个通孔的圆心在同一圆弧上，且圆弧与上环部同心，圆弧的外径小于或等于下环部的内径，每个通孔的轴线均与上环部的轴线平行。
排气通道包括设置于上环部的一侧的多个通孔，多个通孔用于将净化气体和处理气体快速从气体排放区排走，同时多个通孔周向分布，还具有缓冲净化气体流量作用，防止净化气体流量过大时，气体排放区无法及时抽走，导致气体排放区处流阻增大，从而影响气体排放区附近的晶片边缘的处理气体分布，导致晶片膜厚均匀性变差。
多个通孔的圆心在同一圆弧上，且圆弧与上环部同心，保证多个通孔沿上环部的周向分布均匀，圆弧的外径小于或等于下环部的内径，每个通孔的轴线均与上环部的轴线平行，避免多个通孔所形成的排气通道对下环部与基板支撑件之间的间隙形成遮挡，使净化气体和处理气体能够顺畅排出，提高排气效率。
作为一个示例，每个通孔的直径小于上环部的宽度，多个通孔所连成区域的长度不大于气体排放区的宽度，从而使气体排放区与排气通道的位置相对应，保证净化气体和处理气体均能够通过气体排放通道排入气体排放区域，从而提高气体排放区的气体排放效率。
作为优选方案，上环部的下端面设有沿其周向设置的第一环形凸台，下环部的上端面设有沿其周向设置的第二环形凸台，第一环形凸台与第二环形凸台相配合，第一环形凸台的外径与上环部的外径相等，第一环形凸台的内径与第二环形凸台的外径相等，第二环形凸台的内径与下环部的内径相等，第一环形凸台的厚度与第二环形凸台的厚度相等。
第一环形凸台与第二环形凸台相配合，用于限制预热环的位移；避免在处理基板过程中，上环部或下环部之间产生位移而导致与基板支撑件出现摩擦；第一环形凸台与第二环形凸台相互契合，保证预热环的上表面水平，以便处理气体能够顺畅流过基座。
作为优选方案，第二弧形凸台的径向宽度为1mm～2mm。基板支撑件、预热环之间的尺寸相互配合，该尺寸用于限定第二弧形凸台能够低于或略高于基板，从而保证预热环的处理气体气流流畅，避免影响工艺结果。
作为优选方案，上环部的径向宽度为20mm～45mm，下环部的径向宽度为20mm～35mm。保证预热环与基板支撑件之间的尺寸相互配合，更好的通过预热环对处理气体的温度进行精确控制。
根据本发明实施例的一种外延生长设备，包括反应腔室和位于反应腔室内的基座以及的预热环，预热环环绕于基座的外周，并与基座之间留有间隙，反应腔室的一侧设有气体排放区，另一侧设有处理气体进气区，排气通道靠近于气体排放区。
上环部对下环部的内周面形成遮蔽，用于遮挡基板支撑件与预热环间的间隙，避免净化气体通过基板支撑件和预热环之间的间隙向上流动，防止在基板边缘附近形成紊流及额外流阻，间隙通常为2mm～4mm。
上环部一侧的排气通道靠近气体排放区，能够避免下环部与基板支撑件的间隙形成遮挡，有利于净化气体和处理气体快速从气体排放区排走，气体排放区与具有负压的尾气处理***连接，防止在基板边缘附近形成紊流及额外流阻，提高基板成膜均匀性，避免了尾气排放侧净化气体对基板边缘沉积效率的影响；与气体排放区相对的一侧是处理气体进气区，上环部对基板支撑件和预热环之间的间隙形成遮蔽，以防止净化气体进入处理区域，用于遮挡基板支撑件与预热环组件之间的间隙。
当采用高生长速率工艺处理基板时，会不同比例增大处理气体和净化气体流量，基板边缘的紊流将增大对膜厚分布影响。因此，本实施例的外延生长设备对于改善基板膜厚分布具有重要作用。
作为一个示例，通常处理气体进气区的宽度与气体排放区的宽度一致，气体排放区的宽度通常为250mm～350mm。
实施例1
图3示出了根据本发明一个实施例的一种外延生长设备的结构示意图，图4示出了根据本发明一个实施例的一种预热环的结构示意图，图5示出了根据本发明一个实施例的一种上环部的结构示意图，图6示出了根据本发明一个实施例的一种下环部的结构示意图。
如图3所示，本实施例的一种外延生长设备，包括：反应腔室和位于反应腔室内的基座以及预热环，预热环环绕于基座的外周，并与基座之间留有间隙，反应腔室的一侧设有气体排放区，另一侧设有处理气体进气区，排气通道靠近于气体排放区，间隙通常为2-4mm。
反应腔室100具有基板支撑件101或称基座101、上拱形结构103、下拱形结构104和腔室侧壁105构成。处理气体111通过进气管路引导进入基板处理区域110，同时净化气体由112引导进入下处理室120。其中150为净化气体源，160为尾气处理***，113为尾气排放结构。
如图4-图6所示，本实施例的预热环包括上环部2和下环部1，上环部2与下环部1同轴自上而下叠置，上环部2的外径与下环部1的外径相等，上环部2的内径小于下环部1的内径，上环部2的一侧设有排气通道，尾气排放结构113靠近于气体排放区。
排气通道包括开口21。
下环部1的上端面设有与开口21相配合的第一弧形凸台11，第一弧形凸台11沿下环部1的上端面周向设置，且第一弧形凸台11的厚度与上环部2的厚度相等。
上环部2的开口21处具有相互平行的第一端面26和第二端面27，第一弧形凸台11具有相互平行的第三端面14和第四端面15，第一端面26与第三端面14贴合，第二端面27与第四端面15贴合，第一弧形凸台11的上端面12与上环部的上端面22平齐。
第一端面26、第二端面27、第三端面14和第四端面15均与上环部2的同一轴截面28平行，且第一端面26和第二端面27相对于轴截面28对称，第三端面14和第四端面15相对于轴截面28对称。
上环部2的下端面设有沿其周向设置的第二弧形凸台23，第二弧形凸台23具有第五端面和第六端面，第五端面与第一端面对齐，第二端面与第六端面对齐，第二弧形凸台23的外径与下环部1的内径相等，第二弧形凸台23的厚度小于或等于下环部1的厚度。
上环部的径向宽度D2大于下环部的径向宽度D1，下环部的径向宽度D1为20-35mm，上环部的径向宽度D2为20-45mm；第二弧形凸台23的宽度径向为1-2mm；处理气体进气区的宽度与气体排放区的宽度一致，气体排放区的宽度通常为250-350mm。
预热环的上环部2在靠近气体排放区留有开口21，在排气通道处的上环部2未对下环部1的内周面形成遮掩，通过排气通道保留了基板支撑件101和预热环之间气体排放的路径，有利于净化气体和处理气体快速从气体排放区排走；其他位置上环部2的内径小于下环部1的内径，使上环部2对基板支撑件101和预热环之间的间隙形成遮蔽，避免净化气体通过基板支撑件和预热环之间间隙向上流动，防止在基板130边缘附近形成紊流及额外流阻，改善基板130边缘沉积效率，提高基板130的成膜均匀性。通过第二弧形凸台23限制下环部1和上环部2的径向相对位移，避免预热环位移导致可能出现的与基板支撑件101的摩擦。
实施例2
图7示出了根据本发明一个实施例的另一种预热环的结构示意图，图8示出了图7在B处的局部放大图，图9示出了根据本发明一个实施例的另一种上环部的结构示意图，图10示出了根据本发明一个实施例的另一种下环部的结构示意图。
如图7-图10所示，实施例的另一种预热环包括上环部2和下环部1，上环部2与下环部1同轴自上而下叠置，上环部2的外径与下环部1的外径相等，上环部2的内径小于下环部1的内径，上环部2的一侧设有排气通道。排气通道包括多个通孔25，多个通孔25沿上环部2的周向分布，多个通孔25的圆心在同一圆弧上，且圆弧与上环部2同心，圆弧的外径小于或等于下环部的内径，每个通孔25的轴线均与上环部2的轴线平行。上环部2的下端面设有沿其周向设置的第一环形凸台24，下环部1的上端面设有沿其周向设置的第二环形凸台13，第一环形凸台24与第二环形凸台13相配合，第一环形凸台24的外径与上环部2的外径相等，第一环形凸台24的内径与第二环形凸台13的外径相等，第二环形凸台13的内径与下环部1的内径相等，第一环形凸台24的厚度与第二环形凸台13的厚度相等。
第一环形凸台24与第二环形凸台13相配合用于限制预热环的位移；避免在处理基板130过程中，上环部2或下环部1之间产生位移导致与基板支撑件101出现摩擦；第一环形凸台与第二环形凸台相互契合，使预热环的上表面水平。
通孔25直径为2mm～3mm，开孔数量不少于4个，多个通孔25所连成区域的长度不超过气体排放区的宽度。上环部2的径向宽度D4大于下环部1的径向宽度D3，下环部1的径向宽度的D3为20mm～35mm，上环部2的径向宽度D4为20mm～45mm。
上环部2的径向宽度D4大于下环部1的径向宽度D3，使得上环部2对基板支撑件101和预热环的下环部1之间的间隙形成遮蔽，上环部2的一侧具有多个通孔25，多个通孔25靠近气体排放区，多个通孔25一方面用于将净化气体和处理气体快速从气体排放区排走，另一方面还能缓冲净化气体流量，避免净化气体流量过大时，使得尾气处理***无法及时抽走，导致气体排放区的流阻增大，防止在基板130边缘附近形成紊流及额外流阻，改善基板130边缘沉积效率，提高基板成膜均匀性。
以上已经描述了本发明的实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的实施例。在不偏离所说明的实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (9)

1.一种外延生长设备，其特征在于，所述外延生长设备包括反应腔室、基板支撑件和预热环，所述基板支撑件和所述预热环均设置在所述反应腔室内，所述预热环环绕于所述基板支撑件的外周，所述反应腔室一侧设有气体排放区、另一侧设有处理气体进气区；所述预热环包括上环部(2)和下环部(1)，所述上环部(2)与所述下环部(1)同轴自上而下叠置，所述下环部(1)与所述基板支撑件之间留有间隙，所述上环部(2)的外径与所述下环部(1)的外径相等，所述上环部(2)的内径小于所述下环部(1)的内径，所述上环部(2)靠近所述气体排放区的一侧设有排气通道，以使所述上环部(2)对所述间隙处除了所述排气通道处的其他位置处进行遮蔽，以使所述预热环下方的净化气体通过所述排气通道进入所述气体排放区。
2.根据权利要求1所述的外延生长设备，其特征在于，所述排气通道包括开口(21)；
所述下环部(1)的上端面设有与所述开口(21)相配合的第一弧形凸台(11)，所述第一弧形凸台(11)沿所述下环部(1)的上端面周向设置，且所述第一弧形凸台(11)的厚度与所述上环部(2)的厚度相等。
3.根据权利要求2所述的外延生长设备，其特征在于，所述上环部(2)的所述开口(21)处具有相互平行的第一端面(26)和第二端面(27)，所述第一弧形凸台(11)具有相互平行的第三端面(14)和第四端面(15)，所述第一端面(26)与所述第三端面(14)贴合，所述第二端面(27)与所述第四端面(15)贴合。
4.根据权利要求3所述的外延生长设备，其特征在于，所述第一端面(26)、所述第二端面(27)、所述第三端面(14)和所述第四端面(15)均与所述上环部(2)的同一轴截面(28)平行，且所述第一端面(26)和所述第二端面(27)相对于所述轴截面(28)对称，所述第三端面(14)和所述第四端面(15)相对于所述轴截面(28)对称。
5.根据权利要求3所述的外延生长设备，其特征在于，所述上环部(2)的下端面设有沿其周向设置的第二弧形凸台(23)，所述第二弧形凸台(23)具有第五端面和第六端面，所述第五端面与所述第一端面对齐，所述第二端面与所述第六端面对齐，所述第二弧形凸台(23)的外径与所述下环部(1)的内径相等，所述第二弧形凸台(23)的厚度小于或等于所述下环部(1)的厚度。
6.根据权利要求1所述的外延生长设备，其特征在于，所述排气通道包括多个通孔(25)，多个所述通孔(25)沿所述上环部(2)的周向分布，所述多个通孔(25)的圆心在同一圆弧上，且所述圆弧与所述上环部(2)同心，所述圆弧的外径小于或等于所述下环部的内径，每个所述通孔(25)的轴线均与所述上环部(2)的轴线平行。
7.根据权利要求6所述的外延生长设备，其特征在于，所述上环部(2)的下端面设有沿其周向设置的第一环形凸台(24)，所述下环部(1)的上端面设有沿其周向设置的第二环形凸台(13)，所述第一环形凸台(24)与所述第二环形凸台(13)相配合，所述第一环形凸台(24)的外径与所述上环部(2)的外径相等，所述第一环形凸台(24)的内径与所述第二环形凸台(13)的外径相等，所述第二环形凸台(13)的内径与所述下环部(1)的内径相等，所述第一环形凸台(24)的厚度与所述第二环形凸台(13)的厚度相等。
8.根据权利要求5所述的外延生长设备，其特征在于，所述第二弧形凸台(23)的径向宽度为1mm-2mm。
9.根据权利要求1所述的外延生长设备，其特征在于，所述上环部(2)的径向宽度为20mm～45mm，所述下环部(1)的径向宽度为20mm～35mm。
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