CN113529165A - 一种超薄衬底外延生长装置及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于外延生长装置技术领域，本发明提供了一种超薄衬底外延生长装置及制备方法，包括装置主体，装置主体的呈立方体结构，且左右两侧方分别设置有进气口和出气口，装置主体内壁四周且靠近进气口和出气口处设置有一圈凸缘，凸缘顶部并排设置有两块凹透镜，两块凹透镜将装置主体内部分割为上下两个部分，一种超薄衬底外延生长设备的制备方法，包括以下步骤：步骤一、将晶圆底衬放入支撑拖架内，并使所述支撑拖架旋转；步骤二、通过驱动电动伸缩杆调整调域加热装置照射加热所述晶圆底衬，使得两个所述调域加热装置的照射面积一之和正好覆盖整个所述晶圆底衬表面，从而使得晶圆底衬的受热更加的均匀，使得外延生长厚度更加的均匀。
Description
技术领域
本发明属于外延生长装置技术领域，具体而言，涉及一种超薄衬底外延生长装置及制备方法。
背景技术
外延生长装置广泛地使用作为用于形成在例如硅晶片的表面上的单晶层(外延层)的装置。在单个晶片型外延生长装置中，将源气体引入在其中水平地放置有晶片的反应室中时，执行加热以获得预定的温度，从而使外延层生长。
晶片需要在范围为从1000至2000摄氏度的高温下加热。可将卤素灯用作加热源。
由于外延生长的速度与厚度与晶片表面温度息息相关，而现有技术中晶片表面温度由于卤素灯照射时电磁波的叠加效应会产生晶片中心区域温度高于外侧区域温度的情况出现，从而导致晶片中心区域外延生长厚度高于外侧区域外延生长厚度，从而影响晶片质量和芯片制作的后续加工工艺的实施。
发明内容
本发明是这样实现的：
一方面，本发明提供了一种超薄衬底外延生长装置，包括装置主体，所述装置主体的呈立方体结构，且左右两侧方分别设置有进气口和出气口，所述装置主体内壁四周且靠近所述进气口和所述出气口处设置有一圈凸缘，所述凸缘顶部并排设置有两块凹透镜，两块所述凹透镜将所述装置主体内部分割为上下两个部分，所述装置主体内壁底部转动连接有转动撑杆，所述转动撑杆的底部设置有支撑拖架，所述支撑拖架顶部中央设置有晶圆底衬，所述装置主体内壁的顶部且与所述凹透镜对应的位置处均设置有调域加热装置，所述调域加热装置用于调整照射加热所述晶圆底衬表面的范围，所述装置主体的顶部设置有电动伸缩杆和高温计，所述电动伸缩杆的伸缩轴端部穿过所述装置主体内壁顶部固定连接有连接支架，所述连接支架的左右两侧分别与两个所述调域加热装置连接，所述电动伸缩杆用于施加所述调域加热装置的动力，所述高温计用于检测所述晶圆底衬表面温度。
进一步的，所述调域加热装置包括安装盒和滑动罩，所述安装盒的顶部与所述装置主体内壁顶部固定连接，所述安装盒内壁顶部沿水平方向设置有一排电加热灯一，所述安装盒滑动连接于滑动罩内部，所述滑动罩底部开设有投影孔，两个所述滑动罩之间固定连接有所述连接支架。
进一步的，所述晶圆底衬顶部与两个所述凹透镜底部构成的空间为气体反应区，所述气体反应区用于容纳反应气体与所述晶圆底衬表面发生反应提供空间，所述气体反应区与所述进气口和所述出气口相匹配，所述气体反应区的顶部四边均设置为向所述装置主体的顶部倾斜的倾斜面，该倾斜面的表面设置有反射板，所述装置主体内壁底部且靠近所述支撑拖架的四周处设置有一圈电加热灯二，一圈所述电加热灯二位于所述反射板的下方位置处。
进一步的，所述装置主体顶部的一侧设置有控制器，所述控制器为PLC控制器，所述高温计、电加热灯一、电加热灯二和电动伸缩杆通过电线与所述控制器电性连接。
进一步的，所述安装盒的左右两侧均等距离设置有导向块，所述滑动罩的内壁左右两侧等距离设置有导向槽，所述导向块滑动连接于所述导向槽内部。
进一步的，所述反射板呈环状结构，且倾斜角度为能将电加热灯二发出的光线反射至所述晶圆底衬外侧区域进行升温所需要的角度。
进一步的，所述安装盒的顶部均匀设置有散热孔，所述装置主体顶部且对应所述散热孔处开设有散热槽，所述散热孔与所述散热槽连通。
进一步的，所述反应气体通过所述进气口，经由所述气体反应区，然后从出气口排除，所述反应气体的流速为匀速流动。
进一步的，一排所述电加热灯一呈圆弧形排布，且弧度与所述晶圆底衬的弧度相契合。
另一方面，一种超薄衬底外延生长设备的制备方法，包括以下步骤：
步骤一将晶圆底衬放入支撑拖架内，并使所述支撑拖架旋转；
步骤二通过驱动电动伸缩杆调整调域加热装置照射加热所述晶圆底衬，使得两个所述调域加热装置的照射面积一之和正好覆盖整个所述晶圆底衬表面，并通过进气口导入反应气体，并在气体反应区内与所述晶圆底衬表面反应生长外延；
步骤三通过高温计实时监控所述晶圆底衬表面各区域温度，到所述晶圆底衬中心温度高于其他区域温度时，发送指令给控制器，所述控制器通过控制所述电动伸缩杆，将所述调域加热装置的加热范围调整至照射面积二，从而使得所述调域加热装置的加热区域由照射面积一缩小为照射面积二，从而使的所述晶圆底衬中心停止加热实现降温，同时通过控制器启动所述电加热灯二，并通过所述电加热灯二通过反射板对所述晶圆底衬四周外侧区域进行加热，通过调域加热装置与电加热灯二交替配合，从而使得晶圆底衬表面均匀受热。
本发明的有益效果是：
本发明通过在调域加热装置底部设置凹透镜，通过凹透镜将电加热灯一的点光源通过折射转化为近似平行光源的方法，尽量减少由于电加热灯一的电磁波一叠加的影响使晶圆底衬中心区域温度高于其他区域的问题，从而使得晶圆底衬的受热更加的均匀，使得外延生长厚度更加的均匀，并通过调整电加热灯一与投影孔之间的距离，从而调整电加热灯一在晶圆底衬表面的照射面积的大小，从而使得在晶圆底衬中心区域温度过高是，能够减少对其照射时间，从而使得中心缓慢降温，同时通过电加热灯二对晶圆底衬四周区域进行补充加温维持温度，从而使得晶圆底衬的整体温度趋于平均，提高外延生长的后的均匀度，从而提高产品处的芯片质量和成品率。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明公开的温度均匀情况下外延生长装置正视剖面结构示意图；
图2为本发明公开的晶圆底衬中心温度升高的情况下外延生长结构示意图；
图3为本发明公开的调域加热装置正视剖面结构示意图；
图4为本发明公开的调域加热装置照射面积示意图；
图5为本发明公开的制备方法流程图。
附图标记说明：1、转动撑杆；2、支撑拖架；3、晶圆底衬；4、装置主体；401、凸缘；402、散热槽；403、气体反应区；5、电加热灯二；6、进气口；7、反射板；8、凹透镜；9、调域加热装置；901、安装盒；902、导向块；903、导向槽；904、滑动罩；905、投影孔；906、散热孔；907、电加热灯一；10、控制器；11、电动伸缩杆；12、连接支架；13、高温计；14、出气口；L1、电磁波一；L2、电磁波二；W、反应气体；S1、照射面积一；S2、照射面积二。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
实施例一
请参阅图1-4，本发明提供了一种超薄衬底外延生长装置，包括装置主体4，装置主体4的呈立方体结构，且左右两侧方分别设置有进气口6和出气口14，装置主体4内壁四周且靠近进气口6和出气口14处设置有一圈凸缘401，凸缘401顶部并排设置有两块凹透镜8，两块凹透镜8将装置主体4内部分割为上下两个部分，装置主体4内壁底部转动连接有转动撑杆1，转动撑杆1的底部设置有支撑拖架2，支撑拖架2顶部中央设置有晶圆底衬3，装置主体4内壁的顶部且与凹透镜8对应的位置处均设置有调域加热装置9，调域加热装置9用于调整照射加热晶圆底衬3表面的范围，装置主体4的顶部设置有电动伸缩杆11和高温计13，电动伸缩杆11的伸缩轴端部穿过装置主体4内壁顶部固定连接有连接支架12，连接支架12的左右两侧分别与两个调域加热装置9连接，电动伸缩杆11用于施加调域加热装置9的动力，高温计13用于检测晶圆底衬3表面温度。
调域加热装置9包括安装盒901和滑动罩904，安装盒901的顶部与装置主体4内壁顶部固定连接，安装盒901内壁顶部沿水平方向设置有一排电加热灯一907，安装盒901滑动连接于滑动罩904内部，滑动罩904底部开设有投影孔905，两个滑动罩904之间固定连接有连接支架12。
晶圆底衬3顶部与两个凹透镜8底部构成的空间为气体反应区403，气体反应区403用于容纳反应气体W与晶圆底衬3表面发生反应提供空间，气体反应区403与进气口6和出气口14相匹配，气体反应区403的顶部四边均设置为向装置主体4的顶部倾斜的倾斜面，该倾斜面的表面设置有反射板7，装置主体4内壁底部且靠近支撑拖架2的四周处设置有一圈电加热灯二5，一圈电加热灯二5位于反射板7的下方位置处。
具体的，如图1、图2所述，该装置通过将晶圆底衬3放入支撑拖架2顶部，通过在调域加热装置9内部设置的电加热灯一907照射的电池波-穿过投影孔905的投影即照射面积，从而对晶圆底衬3表面进行加热，投影孔905可按需求加工成各种形状，本实施例中采用与晶圆底衬3弧度相同的半圆形孔进行投影，所的为照射面积一S1，通过两个调域加热装置9共同投影，能够使得两个呈半圆形的照射面积一S1拼接成为一个完整的圆形，从而完全覆盖整个晶圆底衬3表面进行加热。
同时，在调域加热装置9的投影孔905底部设置有凹透镜8，通过凹透镜8将电加热灯一907的点光源折射为近似平行光源，通过此设置来减少两个电加热灯一907光源的电磁波重叠加热晶圆底衬3某一区域内是的该区域局部温度过高二导致外延生长厚度不均的情况出现，此加热方式如图1所示的电磁波一L1的照射、折射路径，其获得的照射区域如图4所示为左右两个半圆形的照射面积一S1，此设置能够较均匀的对晶圆底衬3顶部整体升温，减少中心温度过高的情况出现。
由于上述方法利用凹透镜8产生的只是近似平行光源，所以不可避免的会有光的重叠加热效应产生，通过设置高温计13，检测反应过程中的晶圆底衬3表面温度，当发现晶圆底衬3中心温度高于周围区域温度是，通过高温计13向控制器10发出信号，控制器10控制电动伸缩杆11驱动连接支架12向下移动，从而带动左右两侧的滑动罩904向下移动，从而拉开电加热灯一907与投影孔905之间的距离，从而使得电加热灯一907通过投影孔905投射的光照面积减小，如图2所示为电磁波一L1缩小的光照路径，图4中的照射面积二S2为缩小后的光照范围，可以看出，所向后的照射面积二S2相互分开，使得晶圆底衬3中心区域和四周区域同时失去加热源，使得中心区域降温，同时为了补充晶圆底衬3四周的热源，通过控制器10控制支撑拖架2底部的电加热灯二5亮起，通过电加热灯二5照射倾斜设置的反射板7，通过反射板7将电磁波二L2放射至晶圆底衬3外侧四周的区域进行加热，保证晶圆底衬3四周的温度不会下降，如图2、图4所示，从而有效调整应温度过高的晶圆底衬3中心区降温，使得晶圆底衬3的温度整体达到均衡，体改外延生长厚度的均匀一致性。
装置主体4顶部的一侧设置有控制器10，控制器10为PLC控制器10，高温计13、电加热灯一907、电加热灯二5和电动伸缩杆11通过电线与控制器10电性连接。
安装盒901的左右两侧均等距离设置有导向块902，滑动罩904的内壁左右两侧等距离设置有导向槽903，导向块902滑动连接于导向槽903内部。
反射板7呈环状结构，且倾斜角度为能将电加热灯二5发出的光线反射至晶圆底衬3外侧区域进行升温所需要的角度，按计算和光的折射规律得出的角度设置反射板7，能有效的为晶圆底衬3外侧区域提供热源，在晶圆底衬3中心区域降温是，能够保证外侧区域的热能不受损失。
安装盒901的顶部均匀设置有散热孔906，装置主体4顶部且对应散热孔906处开设有散热槽402，散热孔906与散热槽402连通。
反应气体W通过进气口6，经由气体反应区403，然后从出气口14排除，反应气体W的流速为匀速流动。
一排电加热灯一907呈圆弧形排布，且弧度与晶圆底衬3的弧度相契合。
实施例二：
请参照图5，一种超薄衬底外延生长设备的制备方法，包括以下步骤：
步骤一将晶圆底衬3放入支撑拖架2内，并使支撑拖架2旋转；
步骤二通过驱动电动伸缩杆11调整调域加热装置9照射加热晶圆底衬3，使得两个调域加热装置9的照射面积一S1之和正好覆盖整个晶圆底衬3表面，并通过进气口6导入反应气体W，并在气体反应区403内与晶圆底衬3表面反应生长外延；
步骤三通过高温计13实时监控晶圆底衬3表面各区域温度，到晶圆底衬3中心温度高于其他区域温度时，发送指令给控制器10，控制器10通过控制电动伸缩杆11，将调域加热装置9的加热范围调整至照射面积二S2，从而使得调域加热装置9的加热区域由照射面积一S1缩小为照射面积二S2，从而使的晶圆底衬3中心停止加热实现降温，同时通过控制器10启动电加热灯二5，并通过电加热灯二5通过反射板7对晶圆底衬3四周外侧区域进行加热，通过调域加热装置9与电加热灯二5交替配合，从而使得晶圆底衬3表面均匀受热。
需要说明的是，高温计13、电动伸缩杆11、控制器10、电加热灯一907和电加热灯二5的具体的型号规格需根据该装置的实际规格等进行选型确定，具体选型计算方法采用本领域现有技术，故不再详细赘述。
需要说明的是，高温计13、电动伸缩杆11、控制器10、电加热灯一907和电加热灯二5的供电及其原理对本领域技术人员来说是清楚的，在此不予详细说明。
应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于所述的特定顺序或层次。
在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。
本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个***所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。
上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语″包含″，该词的涵盖方式类似于术语″包括″，就如同″包括，″在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语″或者″是要表示″非排它性的或者″。
Claims (10)
1.一种超薄衬底外延生长装置，包括装置主体，所述装置主体的呈立方体结构，且左右两侧方分别设置有进气口和出气口，其特征在于：所述装置主体内壁四周且靠近所述进气口和所述出气口处设置有一圈凸缘，所述凸缘顶部并排设置有两块凹透镜，两块所述凹透镜将所述装置主体内部分割为上下两个部分，所述装置主体内壁底部转动连接有转动撑杆，所述转动撑杆的底部设置有支撑拖架，所述支撑拖架顶部中央设置有晶圆底衬，所述装置主体内壁的顶部且与所述凹透镜对应的位置处均设置有调域加热装置，所述调域加热装置用于调整照射加热所述晶圆底衬表面的范围，所述装置主体的顶部设置有电动伸缩杆和高温计，所述电动伸缩杆的伸缩轴端部穿过所述装置主体内壁顶部固定连接有连接支架，所述连接支架的左右两侧分别与两个所述调域加热装置连接，所述电动伸缩杆用于施加所述调域加热装置的动力，所述高温计用于检测所述晶圆底衬表面温度。
2.根据权利要求1所述的一种超薄衬底外延生长装置，其特征在于：所述调域加热装置包括安装盒和滑动罩，所述安装盒的顶部与所述装置主体内壁顶部固定连接，所述安装盒内壁顶部沿水平方向设置有一排电加热灯一，所述安装盒滑动连接于滑动罩内部，所述滑动罩底部开设有投影孔，两个所述滑动罩之间固定连接有所述连接支架。
3.根据权利要求2所述的一种超薄衬底外延生长装置，其特征在于：所述晶圆底衬顶部与两个所述凹透镜底部构成的空间为气体反应区，所述气体反应区用于容纳反应气体与所述晶圆底衬表面发生反应提供空间，所述气体反应区与所述进气口和所述出气口相匹配，所述气体反应区的顶部四边均设置为向所述装置主体的顶部倾斜的倾斜面，该倾斜面的表面设置有反射板，所述装置主体内壁底部且靠近所述支撑拖架的四周处设置有一圈电加热灯二，一圈所述电加热灯二位于所述反射板的下方位置处。
4.根据权利要求3所述的一种超薄衬底外延生长装置，其特征在于：所述装置主体顶部的一侧设置有控制器，所述控制器为PLC控制器，所述高温计、电加热灯一、电加热灯二和电动伸缩杆通过电线与所述控制器电性连接。
5.根据权利要求2所述的一种超薄衬底外延生长装置，其特征在于：所述安装盒的左右两侧均等距离设置有导向块，所述滑动罩的内壁左右两侧等距离设置有导向槽，所述导向块滑动连接于所述导向槽内部。
6.根据权利要求3所述的一种超薄衬底外延生长装置，其特征在于：所述反射板呈环状结构，且倾斜角度为能将电加热灯二发出的光线反射至所述晶圆底衬外侧区域进行升温所需要的角度。
7.根据权利要求2所述的一种超薄衬底外延生长装置，其特征在于：所述安装盒的顶部均匀设置有散热孔，所述装置主体顶部且对应所述散热孔处开设有散热槽，所述散热孔与所述散热槽连通。
8.根据权利要求3所述的一种超薄衬底外延生长装置，其特征在于：所述反应气体通过所述进气口，经由所述气体反应区，然后从出气口排除，所述反应气体的流速为匀速流动。
9.根据权利要求2所述的一种超薄衬底外延生长装置，其特征在于：一排所述电加热灯一呈圆弧形排布，且弧度与所述晶圆底衬的弧度相契合。
10.一种超薄衬底外延生长设备的制备方法，包括权利要求1～9任一项所述的一种超薄衬底外延生长装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一将晶圆底衬放入支撑拖架内，并使所述支撑拖架旋转；
步骤二通过驱动电动伸缩杆调整调域加热装置照射加热所述晶圆底衬，使得两个所述调域加热装置的照射面积一之和正好覆盖整个所述晶圆底衬表面，并通过进气口导入反应气体，并在气体反应区内与所述晶圆底衬表面反应生长外延；
步骤三通过高温计实时监控所述晶圆底衬表面各区域温度，到所述晶圆底衬中心温度高于其他区域温度时，发送指令给控制器，所述控制器通过控制所述电动伸缩杆，将所述调域加热装置的加热范围调整至照射面积二，从而使得所述调域加热装置的加热区域由照射面积一缩小为照射面积二，从而使的所述晶圆底衬中心停止加热实现降温，同时通过控制器启动电加热灯二，并通过所述电加热灯二通过反射板对所述晶圆底衬四周外侧区域进行加热，通过调域加热装置与电加热灯二交替配合，从而使得晶圆底衬表面均匀受热。
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