CN104025259A - 包括处理单元的基板处理装置 - Google Patents

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Abstract

根据本发明一实施方案，用于对基板进行工艺的基板处理装置，其包括：下部腔室，其上部敞开，并在一侧形成有用于使所述基板进出的通道；外部反应管，其用于封闭下部腔室中敞开的上部，并提供实现工艺的工艺空间；基板支架，其以上下方向载置一个以上的所述基板，并可以转换到在基板支架内载置所述基板的载置位置、或对所述基板进行工艺的工艺位置；气体供应单元，其向工艺空间供应反应性气体；以及处理单元，其设置在外部反应管的外侧，并使反应性气体活性化而对基板进行工艺。

Description

包括处理单元的基板处理装置
技术领域
本发明涉及一种基板处理装置，尤其涉及一种包括用于使反应性气体活性化的处理单元的基板处理装置。
背景技术
常用的选择性外延工艺(selective epitaxy process)伴随沉积反应及蚀刻反应。沉积及蚀刻反应对多晶层及外延层以相对不同的反应速度同时发生。在沉积工艺中，在至少一个第二层上，在现有的多晶层及/或非晶层沉积的期间，外延层在单晶表面上形成。但是沉积的多晶层一般比外延层以更快的速度蚀刻。因此，通过改变腐蚀气体的浓度，网状选择性工艺(net selective process)可以实现外延材料的沉积、和受限或不受限的多晶材料的沉积。例如，选择性外延工艺可以实现，沉积物不残留在垫片上并在单晶硅表面上形成含硅材料的外延层(epilayer)。
选择性外延工艺一般具有几个缺点。在这种外延工艺中，前驱体的化学浓度及反应温度在沉积工艺上进行调节及调整，以保持选择性。若供应不充足的硅前驱体，则使蚀刻反应活化而导致整体工艺迟缓。另外，会对基板表面的蚀刻产生不利影响。若供应不充足的腐蚀液前驱体，则会使沉积反应在整个基板表面上形成单晶及多晶材料的选择性(selectivity)减少。另外，常用的选择性外延工艺一般需要高反应温度如约800℃、约1000℃、或更高的温度。这种高温会使得在基板表面产生不被控制的氮化反应及热移动(thermal budge)，因此在制造工艺中并不优选。
发明内容
技术问题
本发明的目的在于，提供一种能够使反应性气体活性化而对基板进行工艺的基板处理装置。
本发明的其他目的可以通过下述详细的说明和附图来进一步确定。
技术方案
根据本发明一实施方案，用于对基板进行工艺的基板处理装置，其包括：下部腔室，其上部敞开，并在一侧形成有用于使所述基板进出的通道；外部反应管，其用于封闭所述下部腔室中敞开的上部，并提供实现所述工艺的工艺空间；基板支架，其以上下方向载置一个以上的所述基板，并可以转换到在所述基板支架内载置所述基板的载置位置、或对所述基板进行所述工艺的工艺位置；气体供应单元，其向所述工艺空间供应反应性气体；以及处理单元，其设置在所述外部反应管的外侧，并使所述反应性气体活性化而对基板进行工艺。
所述处理单元可以包括：加热器，其设置在所述外部反应管的侧部及上部中的一个，并且加热所述工艺空间而对所述基板进行外延沉积工艺；以及等离子生成构件，其设置在所述外部反应管的侧部及上部中的另一个，并且从所述反应性气体生成等离子而对所述基板进行清洗工艺。
所述处理单元可以包括加热器，所述加热器设置在所述外部反应管的外侧，并且加热所述工艺空间而对所述基板进行外延沉积工艺。
所述处理单元可以包括等离子生成构件，所述等离子生成构件设置在所述外部反应管的外侧，并且从所述反应性气体生成等离子而对所述基板进行清洗工艺。
所述等离子生成构件可以是ICP天线。
所述基板处理装置可以进一步包括内部反应管，所述内部反应管设置在所述外部反应管的内部，并且配置在放置于所述工艺位置的所述基板支架的周围，并用于划分对所述基板的反应区域。
所述基板处理装置可以进一步包括隔热板，所述隔热板设置在所述基板支架的下部，当所述基板支架位于所述工艺位置时，封闭所述内部反应管中敞开的下部。
所述基板处理装置可以进一步包括：盖体，其以包围所述外部反应管的侧部及上部的方式设置在所述外部反应管的周围，在其内部实装有所述处理单元；及盖体移动单元，其用于将所述盖体转换到包围所述外部反应管的工艺位置或、从所述外部反应管移除所述盖体的解除位置。
所述盖体移动单元可以具备：升降杆，其以直立的状态设置在所述盖体的一侧，并在其外周面形成有螺纹；支撑框架，其与所述盖体连接，并通过所述升降杆的旋转沿着所述升降杆移动；及驱动马达，其用于驱动所述升降杆。
所述气体供应单元可以设置在所述外部反应管的内部，并可以沿着上下方向形成所述反应性气体的流动，所述反应性气体具有互不相同的相位差。
所述气体供应单元可以包括：多个供应喷嘴，其沿着所述外部反应管的内壁配置，并且分别配置在互不相同的高度，并用于喷出所述反应性气体；多个供应管，其分别与所述供应喷嘴连接，并用于向所述供应喷嘴分别供应所述反应性气体；多个排气喷嘴，其沿着所述外部反应管的内壁配置，并且分别配置在互不相同的高度，并用于吸入所述工艺空间内的未反应气体及反应副产物；以及多个排气管，其分别与所述排气喷嘴连接，并使通过所述排气喷嘴分别吸入的所述未反应气体及所述反应副产物穿过。
所述基板处理装置可以包括后方排气线，所述后方排气线与所述排气喷嘴连接，并用于排出通过所述排气喷嘴吸入的所述未反应气体及所述反应副产物，所述下部腔室可以具有：排气端口，其用于将所述排气喷嘴和所述后方排气线连接；及辅助排气端口，其用于将形成在所述下部腔室的内部的载置空间连接于所述后方排气线。
所述载置空间的压力可高于所述工艺空间的压力。
所述下部腔室可以具备辅助气体供应端口，所述辅助气体供应端口与形成在所述下部腔室的内部的载置空间连接。
发明的效果
根据本发明一实施方案，能够使反应性气体活性化而对基板进行工艺。
附图说明
图1是示意性地示出本发明一实施例的半导体制造设备的图。
图2是示出根据本发明一实施例进行处理的基板的图。
图3是示出根据本发明一实施例形成外延层的方法的流程图。
图4是示意性地示出图1所示的外延装置的图。
图5是示出图1所示的下部腔室及基板支架的剖视图。
图6是示意性地示出图5所示的扩散板的立体图。
图7是沿着I-I构成图6所示的扩散板的剖视图。
图8是图6所示的扩散板的后视图。
图9是示意性地示出图1所示的外部反应管及内部反应管、供应喷嘴及排气喷嘴的剖视图。
图10是示出移除图1所示的侧部加热器及上部加热器的状态的图。
图11是示出图1所示的供应喷嘴的配置状态和热电偶的配置状态的剖视图。
图12是示出图1所示的排气喷嘴的配置状态和热电偶的配置状态的剖视图。
图13是示出分别与图1所示的供应喷嘴连接的供应线的图。
图14是示出在图1所示的内部反应管内反应性气体的流动的图。
图15及图16是示出图1所示的基板支架转换到工艺位置的状态的图。
图17是示意性地示出本发明的另一实施例的外延装置的图。
图18是示意性地示出本发明的又一实施例的外延装置的图。
图19是示意性地示出本发明的又另一实施例的外延装置的图。
图20-图22是示出利用排气端口及辅助排气端口的排气过程的图。
图23是示意性地示出关于图6所示的供应喷嘴变形的实施例的立体图。
图24是示出图23所示的供应喷嘴的立体图。
图25是示出图23所示的供应喷嘴的剖视图。
图26是示出经由图23所示的供应喷嘴及排气喷嘴的反应性气体的流动的图。
图27是示意性地示出关于图24所示的供应喷嘴变形的实施例的立体图。
图28是示出图27所示的供应喷嘴的剖视图。
本发明的最佳实施方式
下面，参照图1至图16对本发明优选的实施例进行更详细的说明。本发明的实施例可以以各种形式变形，本发明的范围不应被解释为限定于下述实施例。本实施例是为了对本领域普通技术人员更详细地说明本发明而提供的。因此，附图所示的各种要素的形状可以被放大，以用于强调说明。
图1是示意性地示出本发明一实施例的半导体制造设备1的图。半导体制造设备1包括：工艺设备2、设备前端模块(Equipment FrontEnd Module:EFEM)3、及界面壁(interface wall)4。设备前端模块3安装在工艺设备2的前端，用于向容纳有基板S的容器(未图示)和工艺设备2之间搬运晶圆(wafer)W。
设备前端模块3具有多个装载端口(loadports)60和框架(frame)50。框架50位于装载端口60和工艺设备2之间。用于容纳基板S的容器通过高架传输机(overhead transfer)、高架输送机(overheadconveyor)，或者自动引导车(automatic guided vehicle)等搬运单元(未图示)放置于装载端口60上。
容器可以使用密闭用容器如前端开口整合盒(Front Open UnifiedPod:FOUP)。在框架50内设置有用于向放置于装载端口60的容器和工艺设备2之间搬运基板S的框架机器70。在框架50内设置有用于自动开闭容器门的开门单元(未图示)。另外，在框架50内可以设置有向框架50内供应清洁空气以使洁净空气从框架50内上部流向下部的风机过滤单元(Fan Filter Unit:FFU)(未图示)。
基板S在工艺设备2内进行规定工艺。工艺设备2包括：搬运腔室(transfer chamber)102；装载锁定腔室(loadlock chamber)106；清洗腔室(cleaning chamber)108a、108b；缓冲腔室(buffer chamber)110；及外延腔室(或者外延装置)(epitaxial chamber)112a、112b、112c。搬运腔室102从上部看时大致具有多角形状，装载锁定腔室106、清洗腔室108a、108b、缓冲腔室110、及外延腔室112a、112b、112c设置在搬运腔室102的侧面。
装载锁定腔室106在搬运腔室102的侧部中位于与设备前端模块3相邻的侧部。基板S暂时位于装载锁定腔室106内后装载于工艺设备2而实现工艺，完成工艺后基板S从工艺设备2卸载并暂时位于装载锁定腔室106内。搬运腔室102、清洗腔室108a、108b、缓冲腔室110、及外延腔室112a、112b、112c保持在真空状态，装载锁定腔室106转换成真空状态或大气压状态。装载锁定腔室106用于防止外部污染物流入搬运腔室102、清洗腔室108a、108b、缓冲腔室110、及外延腔室112a、112b、112c。另外，在搬运基板S的期间，基板S不会暴露在大气中，因此能够防止在基板S上形成氧化膜。
在装载锁定腔室106和搬运腔室102之间，及装载锁定腔室106和设备前端模块3之间设置有闸阀(未图示)。当基板S移动到设备前端模块3和装载锁定腔室106之间时，设置在装载锁定腔室106和搬运腔室102之间的闸阀将关闭，当基板S移动到装载锁定腔室106和搬运腔室102之间时，设置在装载锁定腔室106和设备前端模块3之间的闸阀将关闭。
搬运腔室102具备基板处理器104。基板处理器104在装载锁定腔室106、清洗腔室108a、108b、缓冲腔室110、及外延腔室112a、112b、112c之间搬运基板S。搬运腔室102在基板S移动时被密封以保持真空状态。保持真空状态是为了防止基板S暴露在污染物(例如，O2、颗粒物等)中。
设置外延腔室112a、112b、112c的目的是在基板S上形成外延层。本实施例中设置三个外延腔室112a、112b、112c。外延工艺比清洗工艺需要更多的时间，因此能够通过多个外延腔室提高制造效率。可以不同于本实施例，设置四个以上或两个以下的外延腔室。
设置清洗腔室108a、108b的目的是在外延腔室112a、112b、112c内实现对基板S的外延工艺之前清洗基板S。要成功地实现外延工艺，需要使在结晶基板上存在的氧化物的量最小化。当基板表面的含氧量过高时，氧原子阻碍沉积材料在籽基板上的结晶学配置，因此外延工艺受到不良影响。例如，在硅外延沉积时，结晶基板上的过量氧气，通过原子单元的氧原子簇，会使硅原子从其外延位置偏向。这种局部的原子偏向在层生长得更厚时会使后续原子排列产生误差。这种现象也可以被称为所谓的载置缺陷或者小丘状缺陷(hillock defects)。基板表面的氧化现象(oxygenation)，例如，会在基板搬运时暴露在大气的情况下产生。因此，用于去除在基板S上形成的自然氧化膜(native oxide)(或者表面氧化物)的清洗工艺能够在清洗腔室108a、108b内实现。
清洗工艺可以是使用自由基状态的氢(H*)和NF3气体的干蚀刻工艺。例如，对在基板表面形成的硅氧化膜进行蚀刻时，在腔室内配置基板并在腔室内形成真空气氛后，在腔室内产生与硅氧化膜反应的中间生成物。
例如，若向腔室内供应反应性气体如氢气的自由基(H*)和氟化物气体(例如，氟化氮(NF3))，则如下述反应式1所示，反应性气体被还原而生成中间生成物如NHxFy(x、y为任意整数)。
H*+NF3＝＞NHxFy    (1)
中间生成物与硅氧化膜(SiO2)之间的反应性高，因此若中间生成物到达硅基板的表面，则与氧化硅膜选择性地反应，生成如下述反应式2的反应生成物((NH4)2SiF6)。
NHxFy+SiO2＝＞(NH4)2SiF6+H2O    (2)
之后，若将硅基板加热到100℃以上，则如下述反应式3所示，反应生成物被热分解而变成热分解气体蒸发，因此最终能够从基板表面去除硅氧化膜。如下述反应式3所示，热分解气体包括氟气体如HF气体或SiF4气体。
(NH4)2SiF6＝＞NH3+HF+SiF4    (3)
如上所述，清洗工艺包括生成反应生成物的反应工艺、及将反应生成物热分解的加热工艺，反应工艺及加热工艺可以在清洗腔室108a、108b内一同实现，或可以在清洗腔室108a、108b中的任意一个实现反应工艺并在清洗腔室108a、108b中的另一个实现加热工艺。
缓冲腔室110提供用于载置已完成清洗工艺的基板S的空间、和用于载置已实现外延工艺的基板S的空间。若完成清洗工艺，基板S在向外延腔室112a、112b、112c搬运之前向缓冲腔室110移动并载置于缓冲腔室110内。外延腔室112a、112b、112c可以为实现对多个基板的单一工艺的间歇式(batch type)，若在外延腔室112a、112b、112c内完成外延工艺，已实现外延工艺的基板S依次载置在缓冲腔室110内，已完成清洗工艺的基板S依次载置在外延腔室112a、112b、112c内。此时，基板S能够在缓冲腔室110内以纵向载置。
图2是示出根据本发明一实施例进行处理的基板的图。如上所述，在实现对基板S的外延工艺之前，在清洗腔室108a、108b内实现对基板S的清洗工艺，通过清洗工艺能够去除在基板70的表面形成的氧化膜72。氧化膜能够在清洗腔室108a、108b内通过清洗工艺去除。通过清洗工艺能够使外延表面74从基板70的表面露出，从而有助于外延层的生长。
之后，在外延腔室112a、112b、112c内实现在基板70上的外延工艺。外延工艺能够通过化学气相沉积实现，可以在外延表面74上形成外延层76。基板70的外延表面74可以暴露在包含硅气体(例如，SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2、SiH3Cl、Si2H6、或SiH4)及载气(例如，N2及/或H2)的反应性气体。另外，外延层76需要包括掺杂剂时，含硅气体可以包括掺杂剂气体(例如，砷化氢(AsH3)、磷化氢(PH3)、及/或乙硼烷(B2H6))。
图3是示出根据本发明一实施例形成外延层的方法的流程图。方法从步骤S10开始。在步骤S20中，基板S在进行外延工艺前向清洗腔室108a、108b移动，基板处理器104将基板S搬运至清洗腔室108a、108b。搬运是通过保持真空状态的搬运腔室102来实现的。在步骤S30中，实现对基板S的清洗工艺。如上所述，清洗工艺包括产生反应生成物的反应工艺、及将反应生成物热分解的加热工艺。反应工艺及加热工艺可以在清洗腔室108a、108b内一同实现，或可以在清洗腔室108a、108b中的任意一个中实现反应工艺并在清洗腔室108a、108b中的另一个中实现加热工艺。
在步骤S40中，已完成清洗工艺的基板S向缓冲腔室110搬运而载置于缓冲腔室110内，在缓冲腔室110内准备进行外延工艺。在步骤S50中，基板S向外延腔室112a、112b、112c搬运，搬运是通过保持真空状态的搬运腔室102来实现的。在步骤S60中，能够在基板S上形成外延层。之后，基板S在步骤S70中再次向缓冲腔室110搬运而载置在缓冲腔室110内，在步骤S80工艺结束。
图4是示意性地示出图1所示的外延装置的图，图5是示出图1所示的下部腔室及基板支架的剖视图。外延装置(或者外延腔室)包括上部呈敞开状态的下部腔室312b，下部腔室312b与搬运腔室102连接。下部腔室312b具有与搬运腔室102连接的通道319，基板S能够通过通道319从搬运腔室102载置于下部腔室312b。闸阀(未图示)设置在通道319的外侧，通道319能够通过闸阀打开及关闭。
外延装置具备用于载置多张基板S的基板支架328，基板S在基板支架328上以上下方向载置。例如，基板支架328能够载置15张基板S。基板支架328位于由下部腔室312b的内部提供的载置空间内(或者“载置位置”)的期间，基板S能够载置在基板支架328内。如下所述，基板支架328可以进行升降，若在基板支架328的槽上载置基板S，则基板支架328上升，从而能够在基板支架328的下一个槽上载置基板S。若基板均已载置在基板支架328上，则基板支架328向外部反应管312a的内部(或者“工艺位置”)移动，并在外部反应管312a的内部进行外延工艺。
隔热板316设置在基板支架328的下部，并与基板支架328一同升降。如图11所示，若基板支架328转换到工艺位置，则隔热板316封闭内部反应管314中敞开的下部。隔热板316可以使用陶瓷或石英(quartz)、及在金属材料涂布陶瓷的材质、AIN、及Inconel中的任一种，其用于隔绝进行工艺时反应区域内的热量向载置空间移动。向反应区域内供应的反应性气体中的一部分可以通过内部反应管314中敞开的下部向载置空间移动，这时，若载置空间在一定温度以上，则反应性气体中的一部分能够沉积在载置空间的内壁。因此，需要通过隔热板316防止载置空间被加热，由此能够防止反应性气体沉积在载置空间的内壁。
另外，为了在内部反应管314内的反应区域正常地进行外延工艺，应消除来自外部的阻碍因素。但是，如上所述，内部反应管314的下部呈敞开的状态，因此反应区域内的热量可能会从内部反应管314的下部散失，热损失对于外延工艺中是致命的缺陷。隔热板316用于封闭内部反应管314中敞开的下部而遮断热量的同时防止热损失。
下部腔室312b具有排气端口344、辅助排气端口328a、及辅助气体供应端口362。排气端口344呈“∟”字状，后述的排气喷嘴单元334通过排气端口344与第一排气线342连接。另外，辅助排气端口328a与辅助排气线328b连接，下部腔室312b内部的载置空间可以通过辅助排气端口328a进行排气。
辅助气体供应端口362与辅助气体供应线(未图示)连接，并向载置空间内供应通过辅助气体供应线供应的气体。例如，惰性气体能够通过辅助气体供应端口362向载置空间内供应。将惰性气体向载置空间内供应，由此能够防止供应于工艺空间内的反应性气体向载置空间移动。
更具体而言，将惰性气体向载置空间内连续地供应并通过辅助排气端口328a进行排气，由此能够防止供应于工艺空间内的反应性气体向载置空间移动。这时，能够设定成载置空间内的压力略高于工艺空间内的压力。在载置空间内的压力略高于工艺空间内的压力的情况下，工艺空间内的反应性气体无法向载置空间移动。
图6是示意性地示出图5所示的扩散板的立体图，图7是沿着I-I构成图6所示的扩散板的剖视图，图8是示出图6所示的扩散板的后视图。如图6至图8所示，扩散板370设置在下部腔室312b的底面，并位于辅助气体供应端口362的喷出口上，且用于扩散通过辅助气体供应端口362喷出的气体。
扩散板370设置在旋转轴318的周围，并呈环状。扩散板370具有主体372及形成于主体372的第一及第二扩散孔372a、372b。第一及第二扩散孔372a、372b沿着扩散板370(或旋转轴318)的周围形成。如图7所示，第一及第二扩散孔372a、372b与形成在第一及第二扩散孔372a、372b的下部的缓冲空间373连接。
如图8所示，缓冲空间373具有与主体372对应的环状，并连接于辅助气体供应端口362。因此，通过辅助气体供应端口362喷出的气体在缓冲空间373中扩散，之后通过第一及第二扩散孔372a、372b向载置空间扩散。
另一方面，通过扩散板370扩散的气体，不会在载置空间内均匀地分布，气体浓度随着接近辅助气体供应端口362而增大，并随着远离辅助气体供应端口362而减小。即，根据辅助气体供应端口362的位置，气体浓度存在偏差。为了防止产生偏差，需要调整第一及第二扩散孔372a、372b的间距(或密度)。
如图6所示，第一扩散孔372a与第二扩散孔372b相比位于更加远离辅助气体供应端口362的位置，第一扩散孔372a的间距比第二扩散孔372b的间距小。因此，对于相同面积，第一扩散孔372a的密度更高。由此，能够调整载置空间内的气体分布。
图9是示意性地示出图1所示的外部反应管及内部反应管、供应喷嘴及排气喷嘴的剖视图。外部反应管312a用于封闭上部敞开的下部腔室312b的上部，并提供实现外延工艺的工艺空间。支撑法兰盘442设置在下部腔室312b和外部反应管312a之间，外部反应管312设置在支撑法兰盘442的上部。下部腔室312b的载置空间和外部反应管312a的工艺空间，通过形成在支撑法兰盘442中央部位的开口互相连通，如上所述，若基板全部载置在基板支架328上，则基板支架328可以向外部反应管312a的工艺空间移动。
内部反应管314设置在外部反应管312a的内部，内部反应管314用于提供基板S的反应区域。外部反应管312a的内部被内部反应管314划分为反应区域和非反应区域，反应区域位于内部反应管314的内部，非反应区域位于内部反应管314的外部。基板支架328在转换到工艺位置时位于反应区域，反应区域具有小于工艺空间的体积。因此，当向反应区域内供应时，能够使反应性气体的使用量最小化，并且能够使反应性气体聚集在载置于基板支架328内的基板S。内部反应管314在封闭上部的状态下使下部敞开，基板支架328通过内部反应管314的下部向反应区域移动。
如图4所示，侧部盖体324及上部盖体326以包围外部反应管312a的方式配置(“工艺位置”)，侧部加热器324a设置在侧部盖体324内。侧部加热器324a用于加热外部反应管312a内部的工艺空间，由此工艺空间(或者反应区域)能够达到可以进行外延工艺的温度(工艺温度)。
侧部盖体324及上部盖体326通过支撑框架327与上部升降杆337连接，随着上部升降杆337通过升降马达338进行旋转，能够使支撑框架327进行升降。图10是示出移除图1所示的侧部加热器324及上部加热器326的状态的图。如图10所示，通过支撑框架327的升降能够将侧部盖体324及上部盖体326从外部反应管312a移除(“解除位置”)，操作者能够很容易替换侧部加热器324a或对外部反应管312a的内部或下部腔室312b的内部进行维护。
外延装置进一步包括气体供应单元，气体供应单元具备供应喷嘴单元332及排气喷嘴单元334。供应喷嘴单元332具备多个供应管332a及多个供应喷嘴332b，这些供应喷嘴332b分别与供应管332a连接。每个供应喷嘴332b具有圆形管的形状，供应口332c位于供应喷嘴332b的顶端，且反应性气体通过供应口332c喷出。供应口332c具有圆形剖面，如图9所示，供应喷嘴332b以供应口332c的高度互不相同的方式配置。
供应管332a及供应喷嘴332b位于外部反应管312a的内部。供应管332a在上下方向延伸，这些供应喷嘴332b分别以大致与所述供应管332a垂直的方式配置。这些供应口332c位于内部反应管314的内侧，由此，可以通过供应口332c使喷出的反应性气体聚集在内部反应管314内部的反应区域。内部反应管314具有多个贯通孔374，供应喷嘴332b的供应口332c可以通过贯通孔374分别配置在内部反应管314的内侧。
图11是示出图1所示的供应喷嘴的配置状态和热电偶的配置状态的剖视图。如图11所示，这些供应喷嘴332b分别具有圆形剖面的供应口332c。这些供应喷嘴332b的供应口332c沿着内部反应管314的内壁在圆周方向配置，并分别位于彼此不同的高度。若基板支架328转换到工艺位置，则这些供应喷嘴332b分别向放置于基板支架328上的基板S喷射反应性气体。这时，这些供应口332c的高度分别与每个基板S的高度大致相同。如图9所示，供应喷嘴332b通过形成在支撑法兰盘442的供应线342分别与反应性气体源(未图示)连接。
反应性气体源能够供应用于沉积的气体(及载气)，或者供应用于蚀刻的气体(及载气)。用于沉积的气体可以包括硅烷、卤化硅烷。硅烷包括具有化学式SixH(2x+2)的高(higher)硅烷如硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)、丙硅烷(Si3H8)、及丁硅烷(Si4H10)等。卤化硅烷包括具有化学式X'ySixH(2x+2-y)的化合物如六氯乙硅烷(Si2Cl6)、四氯硅烷(SiCl4)、二氯硅烷(Cl2SiH2)、及三氯氢硅(Cl3SiH)，其中X'＝F、Cl、Br、或I。用于蚀刻的气体可以包括氯气(Cl2)、氯化氢(HCl)、三氯化硼(BCl3)、四氯化碳(CCl4)、三氟化氯(ClF3)、及这些气体的组合。载气包括氮气(N2)、氢气(H2)、氩、氦、及这些气体的组合。选择性外延工艺(selective epitaxy process)伴随沉积反应及蚀刻反应。虽然未在本实施例中示出，但当外延层需要包括掺杂剂时，也可以供应含掺杂剂气体(例如，砷化氢(AsH3)、磷化氢(PH3)、及/或乙硼烷(B2H6))。
如图9所示，排气喷嘴单元334具备多个排气管334a及多个排气喷嘴334b，这些排气喷嘴334b分别与排气管334a连接。排气口334c位于排气喷嘴334b的顶端并用于吸入未反应气体及反应副产物。排气口334c具有槽形剖面，如图9所示，排气喷嘴334b以这些排气口334c的高度互不相同的方式配置。
排气管334a及排气喷嘴334b位于外部反应管312a的内部。排气管334a在上下方向延伸，排气喷嘴334b分别以大致与排气管334a垂直的方式配置。这些排气口334c位于内部反应管314的内侧，由此，可以通过排气口334c有效地从内部反应管314内部的反应区域吸入未反应气体及反应副产物。内部反应管314具有多个贯通孔376，排气喷嘴334b的排气口334c能够通过贯通孔376分别配置在内部反应管314的内侧。
图12是示出图1所示的排气喷嘴的配置状态和热电偶的配置状态的剖视图。如图12所示，排气喷嘴334b分别具有槽形剖面的排气口334c。排气喷嘴334b的排气口334c沿着内部反应管314的内壁在圆周方向配置，并分别位于彼此不同的高度。若基板支架328转换到工艺位置，则这些供应喷嘴332b分别向放置于基板支架328上的基板S喷射反应性气体，这时，在内部反应管314内产生未反应气体及反应副产物。排气喷嘴334b用于吸入未反应气体及反应副产物并将其排出到外部。排气口334c的高度分别与每个基板S的高度大致相同。如图4所示，排气喷嘴334b通过形成在下部腔室312b的排气端口344与第一排气线342连接，未反应气体及反应副产物通过第一排气线342被排出。开闭阀346设置在第一排气线342上并用于开闭第一排气线342，涡轮泵348设置在第一排气线342上并通过第一排气线342强制性地排出未反应气体及反应副产物。第一排气线342与第二排气线352连接，沿着第一排气线342移动的未反应气体及反应副产物通过第二排气线352被排出。
另一方面，辅助排气端口328a形成在下部腔室312b，辅助排气线328b与辅助排气端口328a连接。辅助排气线328b与第二排气线352连接，第一及第二辅助阀328c、328d设置在辅助排气线328b上并用于开闭辅助排气线328b。辅助排气线328b通过连接线343与第一排气线342连接，连接阀343a设置在连接线343上并用于开闭连接线343。
如图11及图12所示，热电偶(thermocouples)382、384设置在外部反应管312a和内部反应管314之间，热电偶382、384在上下方向配置并用于测量基于高度的温度。因此，操作者能够掌握基于高度的工艺空间内的温度，从而能够事先检查温度分布对工艺所造成的影响。
图13是示出分别与图1所示的供应喷嘴连接的供应线的图。如图13所示，供应喷嘴332分别通过不同的供应线342与反应性气体源(未图示)连接。因此，能够通过多个供应喷嘴332将均匀流量的反应性气体供应于内部反应管314的反应区域。如果，在一个供应线342与多个供应喷嘴332连接的情况下，能够根据供应喷嘴332供应流量互不相同的反应性气体，由此能够根据基板支架328上的位置而呈现不同的工艺率。
图14是示出反应性气体在图1所示的内部反应管内的流动的图。如上所述，供应喷嘴332b的供应口332c沿着内部反应管314的内壁在圆周方向配置，并分别位于彼此不同的高度。另外，排气喷嘴334b的排气口334c沿着内部反应管314的内壁在圆周方向配置，并分别位于彼此不同的高度。这时，以相同高度为基准，供应口332c的中心和排气口334c的中心呈对称。即，以载置于基板支架328的基板S的中心为基准，使供应喷嘴332b的供应口332c和排气喷嘴334b的排气口334c位于彼此相反的位置。因此，从供应喷嘴332b喷射的反应性气体流向位于相反侧的排气喷嘴334b(用箭头表示)，由此能够确保反应性气体可以与基板S表面进行反应的时间充足。这时，工艺中产生的未反应气体及反应副产物被排气喷嘴334b吸入，而被排出。
另外，如图14所示，根据在基板支架328载置的基板S的高度，反应性气体的流动彼此不同，根据基板S的高度，使反应性气体的流动具有相位差。即，供应喷嘴332b的供应口332c的位置和排气喷嘴334b的排气口334c的位置，根据基板S的高度具有相位差，相同地，反应性气体的相位也根据基板S的高度具有相位差。参照图13，①表示从位于最顶端的供应喷嘴332b朝向排气喷嘴334b的反应性气体的流动，②表示从位于最底端的供应喷嘴332b朝向排气喷嘴334b的反应性气体的流动。在①和②之间存在一定角度的相位差。因此，具有从供应口喷射的反应性气体通过从位于其他高度的供应口喷射的反应性气体被扩散的效果。即，具有相位差的反应性气体的流动之间可能会发生干涉，由此反应性气体可以在被干涉而扩散的状态下向排气喷嘴334b移动。
另外，供应喷嘴332b的供应口332c呈圆形，与此相反，排气喷嘴334b的排气口334c呈槽状。因此，从供应喷嘴332b的供应口332c喷射的反应性气体以基于排气口334c的形状具有一定宽度的方式扩散(图14所示)，由此，能够增加反应性气体与基板S的表面接触的面积。另外，由于引起充分的反应，从而能够抑制未反应气体的产生。反应性气体从供应口332c到排气口334c在基板S上形成层流(laminar flow)。
将包含基板S的工艺空间(或反应区域)调整至预定的温度及压力，由此开始进行外延工艺。通常，工艺空间在进行外延工艺期间维持固定的温度，但也可以在可变温度下进行。工艺空间通过侧部加热器324a将温度维持在约250℃至约1000℃，优选为约500℃至800℃，更加优选为约550℃至750℃范围内。实施外延工艺的适当的工艺温度，可以根据为进行沉积及/或蚀刻所使用的反应性气体而决定。
如上所述，外延层通过化学气相沉积实现。基板在工艺温度下暴露在反应性气体(用于沉积的气体)，反应性气体在工艺温度下活性化，从而能够在基板上形成外延层。沉积步骤是在基板S的非晶质及/或多晶性表面上形成多晶性层并且在基板的单晶性表面上形成外延层。另外，随着基板S暴露在反应性气体(用于蚀刻的气体)中，能够对基板S的表面进行蚀刻。在蚀刻步骤中，只保留外延层的边缘部分，并最小化或完全去除多晶性层。
另一方面，如图4所示，基板支架328与旋转轴318连接，旋转轴318贯通下部腔室312b并与升降马达319a及旋转马达319b连接。旋转马达319b设置在马达机壳319c上，旋转马达319b用于在进行外延工艺期间驱动旋转轴318而使基板支架328(及基板S)与旋转轴318一同旋转。这是因为，随着反应性气体从供应口332c向排气口334c流动，且对基板S的沉积从供应口332c侧向排气口334c侧进行，具有反应性气体的浓度减少的趋势。由此使基板S旋转，以防止上述结果而在基板S表面实现均匀的沉积。
马达机壳319c固定在支架319d，支架319c连接在与下部腔室312b的下部连接的升降杆319e上并随着升降杆319e升降。支架319c螺纹连接于下部杆419，下部杆419通过升降马达319a旋转。即，下部杆419通过升降马达319a的旋转而旋转，由此支架319c和马达机壳319c能够一同升降。因此，旋转轴318和基板支架328能够一同升降。基板支架328能够通过升降马达319a转换到载置位置或工艺位置。波纹管318a将下部腔室312b和马达机壳319c彼此连接，由此能够保持下部腔室312b内部的气密性。另外，图15及图16是示出图1所示的基板支架转换到工艺位置的状态的图。
如图15及图16所示，隔热板316设置在基板支架328的下部，随着旋转轴318升降而与基板支架328一同升降。隔热板316封闭内部反应管314中敞开的下部，从而防止内部反应管314内部的热量向下部腔室312b内的载置空间移动。
本发明通过优选实施例详细地进行了说明，但是也可以是与其不同的实施例。因此，随附的权利要求书的技术构思和范围不限定于优选实施例。
本发明的实施方式
下面，参照图17至图28对本发明的实施例进行更详细的说明。本发明的实施例可以以各种形式变形，且本发明的范围不应被解释为限定于下述实施例。本实施例是为了对本领域普通技术人员更详细地说明本发明而提供的。因此附图所示的各种要素的形状可以被放大，以用于强调说明。下面仅对与上述说明的实施例不同的内容进行说明，在下面省略的说明可以用上述说明内容代替。
图17是示意性地示出本发明另一实施例的外延装置的图。下面仅对与在上面说明过的实施例不同的结构进行说明，在下面省略的说明可以用上述说明内容代替。
外延装置进一步包括上部天线329，上部天线329设置在上部盖体326内。上部天线329连接于高频电源(未图示)，以ICP方式在反应区域内生成自由基。上部天线329可以与侧部加热器324a一起进行清洗工艺，外延装置可以将对于基板S的清洗工艺与外延工艺一起以原位(in-situ)方式进行。此时，对基板S的清洗工艺和外延工艺在内部反应管314内依次进行，因此，在搬运基板S期间，基板S不会暴露在大气中，由此能够防止基板S暴露在污染物(例如，O2、颗粒物等)。
反应性气体源包括填充有自由基生成气体(例如，H2或NH3)的气体容器(未图示)和填充有载气(N2)的气体容器(未图示)，自由基生成气体和载气通过供应喷嘴332向内部反应管314的反应区域供应。此时，上部天线329通过ICP方式在反应区域内产生电场，自由基生成气体被等离子化而生成自由基。
另外，反应性气体源包括填充有反应性气体(例如，氟化物气体如NF3)的容器，反应性气体可以通过供应喷嘴332向内部反应管314的反应区域供应。因此，自由基(例如，氢自由基)与反应性气体混合并产生反应。此时，反应式如下。
即，预先吸附在基板S表面的反应性气体和自由基反应而生成中间生成物(NHxFy)，中间生成物(NHxFy)和基板S表面的自然氧化膜(SiO2)产生反应而生成反应生成物((NH4F)SiF6)。另一方面，基板S放置于基板支架328，基板支架328在反应工艺期间使基板S旋转，从而有助于实现均匀的反应。
排气喷嘴334b通过形成在下部腔室312b的排气端口344与第一排气线342连接，反应区域内部的自由基和反应性气体、未反应自由基生成气体、等离子化时的副产物、及载气等被排气喷嘴334b吸入，并由第一排气线342排出。
若完成上述反应工艺，则侧部加热器324a将基板S加热至规定温度(100℃以上的规定温度，例如，130℃)，由此反应生成物被热分解，由此热分解气体如HF或SiF4从基板S的表面脱离并实现真空排气，从而能够从基板S的表面去除硅氧化物的薄膜。
相同地，反应区域内部的反应副产物(例如，NH3、HF、及SiF4)被排气喷嘴334b吸入并由第一排气线342排出。
图18是示意性地示出本发明的又一实施例的外延装置的图。下面仅对与在上面说明过的实施例不同的结构进行说明，在下面省略的说明可以用上述说明内容代替。
如图18所示，上部加热器326a可以设置在上部盖体326内。上部加热器326a加热外部反应管312a内部的工艺空间，由此工艺空间(或反应区域)能够达到可以进行外延工艺的温度(工艺温度)。工艺空间通过上部加热器326a将温度维持在约250℃至约1000℃，优选为约500℃至800℃，更加优选为约550℃至750℃范围内。
另外，如图18所示，侧部天线325可以设置在侧部盖体324内，并连接于高频电源(未图示)，能够以ICP方式在反应区域内生成自由基。侧部天线325可以与上部加热器326a一起进行清洗工艺，外延装置可以将对于基板S的清洗工艺与外延工艺一起以原位(in-situ)方式进行。此时，对基板S的清洗工艺和外延工艺在内部反应管314内依次实现，因此，在搬运基板S期间，基板S不会暴露在大气中，由此能够防止基板S暴露在污染物(例如，O2、颗粒物等)。
图19是示意性地示出根据本发明的又另一实施例的外延装置的图。下面仅对与在上面说明过的实施例不同的结构进行说明，在下面省略的说明可以用上述说明内容代替。
如图19所示，侧部天线325可以设置在侧部盖体324内，上部天线329可以设置在上部盖体326内。侧部天线325及上部天线329连接于高频电源(未图示)，可以将对于基板S的清洗工艺与外延工艺一起以原位(in-situ)方式进行。此时，对基板S的清洗工艺和外延工艺在内部反应管314内依次实现，因此，在搬运基板S期间，基板S不会暴露在大气中，由此能够防止基板S暴露在污染物(例如，O2、颗粒物等)。
侧部天线325及上部天线329通过ICP方式在反应区域内产生电场，从自由基生成气体生成自由基。自由基(例如，氢自由基)与反应性气体混合并产生反应，预先吸附在基板S表面的反应性气体和自由基产生反应而生成中间生成物(NHxFy)，中间生成物(NHxFy)和基板S表面的自然氧化膜(SiO2)产生反应而生成反应生成物((NH4F)SiF6)。
基板S可以由在上述反应工艺时产生的反映热量被加热至规定温度(100℃以上的规定温度，例如，130℃)，由此反应生成物被热分解，由此热分解气体如HF或SiF4从基板S的表面脱离，并实现真空排气，从而能够从基板S的表面去除硅氧化物的薄膜。
另一方面，与在上面说明过的实施例不同地，外延层可以通过利用等离子的化学气相沉积来实现，并且能够省略对工艺空间的加热工艺。基板S在暴露于反应性气体(用于沉积的气体)的状态下，能够通过侧部天线325及上部天线329产生电场而使反应性气体活性化，由此能够在基板上形成外延层。另外，基板S在暴露于反应性气体(用于蚀刻的气体)的状态下，能够通过侧部天线325及上部天线329产生电场而使反应性气体活性化，由此能够蚀刻基板S的表面。
图20-图22是示出利用排气端口及辅助排气端口的排气过程的图。如图4所示，排气喷嘴334通过形成在下部腔室312b的排气端口344与第一排气线342连接，未反应气体及反应副产物通过第一排气线342被排出。开闭阀346设置在第一排气线342上并用于开闭第一排气线342，涡轮泵348设置在第一排气线342上并通过第一排气线342强制性排出未反应气体及反应副产物。第一排气线342与第二排气线352连接，沿着第一排气线342移动的未反应气体及反应副产物通过第二排气线352被排出。
辅助排气端口328a形成在下部腔室312b，辅助排气线328b与辅助排气端口328a连接。辅助排气线328b与第二排气线352连接，第一及第二辅助阀328c、328d设置在辅助排气线328b上并用于开闭辅助排气线328b。辅助排气线328b通过连接线343与第一排气线342连接，连接阀343a设置在连接线343上并用于开闭连接线343。
下面进一步说明辅助排气端口328a。首先，在进行工艺之前，下部腔室312b的内部及外部反应管312a(或内部反应管314)的内部应形成真空。此时，操作者能够利用辅助排气端口328a在下部腔室312b及外部反应管312a(或内部反应管314)内部形成真空。操作者可以在打开第一及第二辅助阀328c、328d的状态下关闭连接阀343a及主排气阀346，此时，能够通过辅助排气线328b及第二排气线352实现排气(在图20中示出)。
接着，若在一定时间内通过辅助排气线328b及第二排气线352实现排气，则操作者可以在打开第一辅助阀328c、连接阀343a、及主排气阀346的状态下关闭第二辅助阀328d，此时，能够通过辅助排气线328b及连接线343、第一排气线342、及第二排气线352实现排气。此时，可以通过涡轮泵348可以实现排气，能够利用涡轮泵348将下部腔室312b及外部反应管312a(或内部反应管314)内部的压力调整至工艺压力(在图21中示出)。
分成上述两个步骤而在下部腔室312b及外部反应管312a(或内部反应管314)内部形成真空的情况下，通过能够形成高真空状态的高性能涡轮泵348，能够防止过度的压力施加在下部腔室312b及外部反应管312a(或内部反应管314)。另外，利用与下部腔室312b直接连接的辅助排气端口328a形成真空的情况下，与利用连接于排气喷嘴334的排气端口344相比，能够更加有效地形成真空。
另一方面，在进行工艺时，操作者可以在打开第一及第二辅助阀328c、328d、及主排气阀346的状态下关闭连接阀343a，此时，利用排气喷嘴334将吸入的未反应气体及反应副产物通过第一及第二排气线342、352排出。另外，能够通过辅助气体供应端口362向下部腔室312b的载置空间内供应惰性气体，并且能够通过辅助排气线328b将下部腔室312b的载置空间内部的惰性气体向外部排出。由这种方法能够设定成载置空间内的压力略高于工艺空间内的压力，并能够防止工艺空间内的反应性气体向载置空间移动(在图22中示出)。
图23是示意性地示出关于图6所示的供应喷嘴变形的实施例的立体图。图24是示出图23所示的供应喷嘴的立体图，图25是示出图23所示的供应喷嘴的剖视图。
如图23至图25所示，供应喷嘴332b具有剖面积沿着喷出方向增加的内部空间，通过供应管332a供应的反应性气体沿着供应喷嘴332b的内部空间扩散。供应喷嘴332b具有在顶端形成的供应口332c，供应口332c具有槽状的剖面。供应口332c的剖面积大致与排气口334c的剖面积一致。
图26是示出经由图23所示的供应喷嘴及排气喷嘴的反应性气体的流动的图。如图26所示，从供应喷嘴332b喷射的反应性气体流向位于相反侧的排气喷嘴334b(用箭头表示)。这时，反应性气体在通过供应喷嘴332b的内部空间扩散的状态下被供应口332c喷出，之后被排气喷嘴334b的排气口334c吸入，因此，反应性气体从供应口332c到排气口334c形成具有一定宽度(大致与供应口332c的剖面积及排气口334c的剖面积一致)的层流(laminar flow)。
另外，虽然未在上面进行说明，但图6及图23所示的排气喷嘴334b与图23至图25所示的供应喷嘴332b具有相同的结构。即，排气喷嘴334b具有剖面积沿着吸入方向减小的内部空间，通过排气口332c吸入的未反应气体及反应副产物沿着排气喷嘴334b的内部空间收敛后，向排气管332a移动。
图27是示意性地示出关于图24所示的供应喷嘴变形的实施例的立体图，图28是示出图27所示的供应喷嘴的剖视图。如图27及图28所示，供应喷嘴332b具备喷射板332d，喷射板332d可以设置在供应口332c上。喷射板332d具有多个喷射孔332e，沿着供应喷嘴332b的内部空间扩散的反应性气体能够通过喷射孔332e进行喷射。
虽然通过优选实施例对本发明进行了详细说明，但也可以采用不同形式的实施例。因此，随附的权利要求书的技术构思和范围并不限于优选的实施例。
产业上的可利用性
本发明能够应用于各种形式的半导体制造设备及制造方法。

Claims (14)

1.一种基板处理装置，其用于对基板进行工艺，其特征在于，
所述基板处理装置包括：
下部腔室，其上部敞开，并在一侧形成有用于使所述基板进出的通道；
外部反应管，其用于封闭所述下部腔室中敞开的上部，并提供实现所述工艺的工艺空间；
基板支架，其以上下方向载置一个以上的所述基板，并可以转换到在所述基板支架内载置所述基板的载置位置、或对所述基板进行所述工艺的工艺位置；
气体供应单元，其向所述工艺空间供应反应性气体；以及
处理单元，其设置在所述外部反应管的外侧，并且使所述反应性气体活性化而对基板进行工艺。
2.根据权利要求1所述的基板处理装置，其特征在于，
所述处理单元包括：
加热器，其设置在所述外部反应管的侧部及上部中的一个，并且加热所述工艺空间而对所述基板进行外延沉积工艺；以及
等离子生成构件，其设置在所述外部反应管的侧部及上部中的另一个，并且从所述反应性气体生成等离子而对所述基板进行清洗工艺。
3.根据权利要求1所述的基板处理装置，其特征在于，
所述处理单元包括加热器，所述加热器设置在所述外部反应管的外侧，并且加热所述工艺空间而对所述基板进行外延沉积工艺。
4.根据权利要求1所述的基板处理装置，其特征在于，
所述处理单元包括等离子生成构件，所述等离子生成构件设置在所述外部反应管的外侧，并且从所述反应性气体生成等离子而对所述基板进行清洗工艺。
5.根据权利要求2所述的基板处理装置，其特征在于，
所述等离子生成构件是ICP天线。
6.根据权利要求1所述的基板处理装置，其特征在于，
所述基板处理装置进一步包括内部反应管，所述内部反应管设置在所述外部反应管的内部，并且配置在放置于所述工艺位置的所述基板支架的周围，并用于划分对所述基板的反应区域。
7.根据权利要求6所述的基板处理装置，其特征在于，
所述基板处理装置进一步包括隔热板，所述隔热板设置在所述基板支架的下部，当所述基板支架位于所述工艺位置时，封闭所述内部反应管中敞开的下部。
8.根据权利要求1所述的基板处理装置，其特征在于，
所述基板处理装置进一步包括：盖体，其以包围所述外部反应管的侧部及上部的方式设置在所述外部反应管的周围，在其内部实装有所述处理单元；以及
盖体移动单元，其用于将所述盖体转换到包围所述外部反应管的工艺位置、或从所述外部反应管移除所述盖体的解除位置。
9.根据权利要求8所述的基板处理装置，其特征在于，
所述盖体移动单元具备：升降杆，其以直立的状态设置在所述盖体的一侧，并在其外周面形成有螺纹；
支撑框架，其与所述盖体连接，并通过所述升降杆的旋转沿着所述升降杆移动；以及
驱动马达，其用于驱动所述升降杆。
10.根据权利要求1所述的基板处理装置，其特征在于，
所述气体供应单元设置在所述外部反应管的内部，并沿着上下方向形成所述反应性气体的流动，所述反应性气体具有互不相同的相位差。
11.根据权利要求10所述的基板处理装置，其特征在于，
所述气体供应单元包括：
多个供应喷嘴，其沿着所述外部反应管的内壁配置，并且分别配置在互不相同的高度，并用于喷出所述反应性气体；
多个供应管，其分别与所述供应喷嘴连接，并用于向所述供应喷嘴分别供应所述反应性气体；
多个排气喷嘴，其沿着所述外部反应管的内壁配置，并且分别配置在互不相同的高度，并用于吸入所述工艺空间内的未反应气体及反应副产物；以及
多个排气管，其分别与所述排气喷嘴连接，并使通过所述排气喷嘴分别吸入的所述未反应气体及所述反应副产物穿过。
12.根据权利要求11所述的基板处理装置，其特征在于，
所述基板处理装置包括后方排气线，所述后方排气线与所述排气喷嘴连接，并用于排出通过所述排气喷嘴吸入的所述未反应气体及所述反应副产物，
所述下部腔室具有：排气端口，其用于将所述排气喷嘴和所述后方排气线连接；及辅助排气端口，其用于将形成在所述下部腔室的内部的载置空间连接于所述后方排气线。
13.根据权利要求12所述的基板处理装置，其特征在于，
所述载置空间的压力高于所述工艺空间的压力。
14.根据权利要求1所述的基板处理装置，其特征在于，
所述下部腔室具备辅助气体供应端口，所述辅助气体供应端口与形成在所述下部腔室的内部的载置空间连接。
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