CN104752277A - 外延生长装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及外延生长装置。在本文中公开了一种用于在晶片的表面上生长外延层的外延生长装置。该装置包括：室，在其中容纳晶片；上灯组，其包括在室上方布置成环的多个加热灯；下灯组，其包括在室下方提供的多个加热灯；反射部件，其设于上灯组的环内，反射部件具有大致圆筒形状；以及附加反射部件，其设于反射部件内，附加反射部件包括大致平行于晶片的表面的反射表面。附加反射部件以接近反射部件的下端部分的开口的至少一部分的方式提供。

Description

外延生长装置

技术领域

本发明涉及一种外延生长装置，并且更具体地涉及具有加热结构的外延生长装置，该加热结构用于有效地且均匀地加热在室内的晶片。

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，当将源气体引入在其中水平地放置有晶片的室中时，执行加热以获得预定的温度，因而使外延层生长。

晶片需要在范围为从1000至2000摄氏度的高温下加热。将卤素灯用作加热源。将许多卤素灯布置在室的上和下部分中。在室的上部分，提供高温计以测量晶片的表面温度。高温计设计为通过从待测量的物体接收热辐射能来测量温度。因此，使在高温计和待测量的物体之间一定不存在障碍或不传热物。这是为什么通常将卤素灯布置成绕高温计的环的原因，以便不成为在高温计和晶片之间的障碍。

为了使在晶片平面上的外延层在厚度上尽可能均匀，在由卤素灯加热的晶片平面内的温度分布需要尽可能均匀。在日本专利申请早期公开编号2000-138170的情况下，将大致圆筒形反射部件放置在卤素灯的环内。反射部件以这样的方式成形：对应于各个外部加热卤素灯的部分的下端部位置比对应于各个内部加热卤素灯的部分的下端部位置更低。假定从各个外部加热卤素灯行进至晶片的内侧的红外线在行进至晶片的外侧之前由反射部件反射。因此，减少了发射至晶片的中央部分的红外线的量。

日本专利申请早期公开编号2011-146537公开了带有某结构的一种外延产生装置，在该结构中，大致圆筒形反射壁的下端部分设于向内侧倾斜的上灯组的外侧。在该结构中，将从上灯组的任何加热灯沿着竖直向下方向辐射的电磁波，在由倾斜的表面反射后导向至晶片的端部。因此，该结构可防止硅粘附至晶片的背面的端部，并且因此有可能改善晶片的平面度。

但是，根据常规外延生长装置的构造，由于反射部件的效果，在由卤素灯加热的晶片平面内的温度分布不充分均匀。因而，外延层可在厚度上不均匀。尤其在如日本专利申请早期公开编号2000-138170中所公开的，将卤素灯分离成外部加热组和内部加热组，并且将反射部件设于室的上部分中的情况下，在晶片的中央和外周区域中的温度倾向于高，而在中央和外周区域之间的中间区域倾向于低。

如果将大致圆筒形反射部件设于晶片上方，那么产生从上侧经由反射部件的内部流向下侧的空气流，并且该空气流直接碰撞覆盖在晶片上方的空间的室的上顶部的中央部分。因此，上顶部的中央部分的温度倾向于下降，并且问题为，硅的副产物可易于粘附至上顶部。如果副产物附接，那么来自卤素灯的热辐射能不能容易地行进穿过上顶部。作为结果，在晶片的中央区域中的温度更有可能下降，并且在晶片平面内的温度分布变得更不均匀。

发明内容

已经作出本发明以解决上述问题。因此，本发明的目的为提供一种外延生长装置，其可减少形成在晶片的主表面上的外延层的厚度上的平面内不均匀性，并且其可防止副产物粘附至室。

为了解决上述问题，在晶片的表面上生长外延层的本发明的外延生长装置包括：室，在其中容纳有晶片；上灯组，其包括在室上方布置成环的多个加热灯；下灯组，其包括设于室下方的多个加热灯；近似圆筒形反射部件，其设于上灯组的环内并在室上方；附加反射部件，其设于反射部件内并在晶片上方，并且其包括平行于晶片的反射表面，其中，附加反射部件以接近反射部件的下端部分的开口的至少一部分的方式提供。

根据本发明，将从上灯组放射并然后由晶片的上表面反射的电磁波通过附加反射部件再次反射，并且然后碰撞晶片的上表面。因此，晶片的上表面的平面内温度分布变得均匀，并且可加强外延层的厚度的平面内分布的均匀性。而且，可阻塞从上侧经由反射部件的内部空间流向下侧的空气流。因此，有可能防止副产物在上顶部上的沉积，该上顶部覆盖在晶片上方的空间。

在本发明的一个实施例中，附加反射部件优选地包括：圆板部分，其构成反射表面；和侧壁部分，其以围绕圆板部分的外周的方式提供。这种构造可确保机械强度，同时保持平行于晶片的反射表面尽可能大。

本发明的外延生长装置优选地还包括高温计，其设于室的上方和晶片的中央，其中，将反射部件以包围朝向晶片延伸的高温计的光轴的方式提供，附加反射部件包括形成在圆板部分的中央处的通孔，并且高温计的光轴行进穿过通孔。为了提供晶片中央的上方的高温计，需要将反射部件设于上灯组和高温计之间。反射部件的存在有可能导致晶片的平面内温度分布的不均匀性。但是，根据该构造，即使提供这种反射部件，晶片的平面内温度分布也可均匀。

本发明的外延生长装置优选地还包括近似圆筒形屏蔽管，将其以围绕高温计的光轴的方式设于反射部件内，其中将屏蔽管插入附加反射部件的通孔。而且，优选地将渐缩部分以如下方式设于反射部件的下端部分中：其直径朝向下侧变得逐渐更小，并且附加反射部件的外周端部与渐缩部分的内周表面接触。根据该构造，有可能仅仅通过将屏蔽管插入通孔而确定附加反射部件的平面方向位置。因此，附加反射部件可在放置附加反射部件时在这种情况下容易地操作。而且，可将晶片仅仅通过附加反射部件的自身重量容易且稳定地放置，并且反射表面自动地变成平行于晶片。

根据本发明，附加反射部件优选地由于反射部件相同的材料制成。根据该构造，当反射部件和附加反射部件通过在室内的温度变化而热膨胀时，可防止附加反射部件的变形、位置偏离和其它问题，这是因为反射部件和附加反射部件在热膨胀性上相等。

根据本发明，有可能提供一种外延生长装置，其可减少形成在晶片的上表面上的外延层的厚度上的平面内不均匀性，并且其可防止副产物粘附至室。

附图说明

本发明的上述特征和优点将从结合附图作出的某些优选实施例的下列描述而更加显而易见，其中：

图1是显示根据本发明的优选实施例的外延生长装置的构造的示意侧视横截面图；

图2是显示在图1中显示的外延生长装置中的上灯组的布局的示意平面图；

图3A是显示附加反射部件的形状的示意平面图；

图3B是沿着Xl-Xl线的侧视横截面图；

图4A是示出在未提供附加反射部件的情况下附加反射部件的功能性的示意图；

图4B是示出在提供附加反射部件的情况下附加反射部件的功能性的示意图；

图5A是示出在未提供附加反射部件的情况下附加反射部件的功能性的示意图；

图5B是示出在提供附加反射部件的情况下附加反射部件的功能性的示意图；

图6是显示晶片的上表面的平面内温度分布的图；

图7A是显示外延晶片的错位发生分布的示意平面图，所述外延晶片由本发明的实施例的外延生长装置产生；以及

图7B是显示外延晶片的错位发生分布的示意平面图，所述外延晶片由常规外延生长装置产生。

具体实施方式

本发明的优选实施例将参照附图在下面详细描述。

图1是显示根据本发明的优选实施例的外延生长装置的构造的示意侧视横截面图。

如图1所示，外延生长装置1为单个晶片形装置，其可一个接一个地加工硅晶片。外延生长装置1包括：室10，在其中容纳有晶片W；和基座13，其在室10中从其下表面侧水平地支撑晶片W。基座13由支撑轴15以可旋转的方式支撑。在室的一侧部分中，提供有：气体入口16、挡板17和调整部件18。在与一侧部分对置的另一侧部分中，提供气体出口19。附带地，根据其标准使用条件限定在外延生长装置1中的预定方向。因此，术语“向上”指从在室10中水平地放置的晶片W的下表面向其上表面的方向，并且术语“向下”指从晶片的上表面向下表面的方向。

室10包括：环形底座环11；上顶部12a，其覆盖在晶片W上方的空间；和下顶部12b，其覆盖在晶片W的下方的空间。夹入在上顶部12a和下顶部12b之间的室10的内部是封闭空间。底座环11可由不锈钢制成。上顶部12a和下顶部12b主要由透明石英材料制成，该透明石英材料不阻碍从加热源发射的电磁波。根据本实施例，已知的是在其中上顶部12a为平板的实例。备选地，上顶部12a可弯成朝向外侧(上侧)的凸起形状。下顶部12b为漏斗形。上顶部12a和下顶部12b固定至底座环11。上顶部12a和下顶部12b相对底座环11可分离。在维护时，上顶部12a和下顶部12b从底座环11分离，并且执行包括粘附至它们的内表面的硅副产物的移除的维护工作。

在室10上方，提供上灯组20G来加热晶片W的上表面。在室10下方，提供下灯组21G来加热晶片W的下表面。上灯组20G和下灯组21G均包括多个水平类型卤素灯20，该卤素灯20以预定的顺序布置成环。

图2是显示在图1中显示的外延生长装置1中的上灯组20G的布局的示意平面图。

如图2所示，上灯组20G包括二十个内加热卤素灯20i，其设计为主要加热在晶片W的径向方向的内部区域(中央区域)S1，并且十二个外部加热卤素灯20o设计为主要加热在晶片W的径向方向上的外部区域(外周区域)S2。灯以预定的顺序布置成环。

如图1所示，将反射壁23放置在上灯组20G外，来限制来自在灯罩内的各个卤素灯20的电磁波。上灯组20G由反射壁23环绕。相似地，在下灯组21G外，放置反射壁24来限制来自在灯罩内的各个卤素灯21的电磁波。下灯组21G由反射壁24环绕。

将反射板25设于上灯组20G上方。反射板25反射从卤素灯20向上辐射的电磁波，使得电磁波行进至放置在基座13上的晶片W。尤其是，定位在各个内部加热卤素灯20i上方的反射板25的部分的平面形状不同于在各个外部加热卤素灯20o上方的部分的形状。因此，将从各个内部加热卤素灯20i向上辐射的电磁波导向至晶片W的内部区域处。如果将卤素灯仅均匀地放置，那么将在卤素灯20的正下方的晶片W的外周区域S2比晶片W的中央区域S1更强烈地加热。在这种情况下，由于不均匀的加热，形成在晶片W的表面上的外延层的厚度的平面内分布变得不均匀，并且滑动错位有可能发生。但是，如果将一些卤素灯20用于加热晶片W的内部区域，并且调整在这些卤素灯20上方的反射板25的角度，那么可分散热辐射能，并且外延层因此变得厚度均匀。

在室10上方和晶片W的中央上方，安装高温计(非接触式热电偶温度计)22。高温计22通过接受从晶片W辐射的电磁波来测量晶片W的表面温度。在室10(尤其是晶片W的中央部分)内的温度通过高温计22来监控。控制器(未显示)使用通过高温计22的测量的结果来控制各个卤素灯20的输出功率。

在高温计22正下方，提供圆筒形屏蔽管22a。屏蔽管22a以包围高温计22的光轴的方式提供。提供的屏蔽管22a有助于减少从卤素灯20辐射的热在高温计22的测量系统上的影响，因而改善了通过高温计22的测量的精度。

反射部件26放置在室10的上方。反射部件26为近似圆筒形部件，其由镀金铝板制成。反射部件26包括笔直桶部分，其具有大致垂直于晶片W的主表面的圆筒形表面。反射部件26布置在上灯组20G的环内，并且环绕圆筒形屏蔽管22a的外侧。在反射部件26的下端部分中，将渐缩部分26a以圆筒体的直径变得逐渐更小的方式提供。在反射部件26中，渐缩部分26a的角度优选地以其下端部导向至晶片W的中央点处的方式设置。

提供反射部件26来防止由于来自上灯组20G的电磁波的效果引起的、通过高温计22的测量的精度的下降。反射部件26限制了照射有来自各个卤素灯20的电磁波的区域。从卤素灯20向晶片W的中央点的远侧行进的电磁波由反射部件26阻碍。因此，比晶片W的中央点更接近卤素灯20的区域照射有电磁波，并且定位在中央点的远侧上的区域不照射有电磁波。

在反射部件26内，提供附加反射部件27。附加反射部件27为大致盘形部件，其由镀金铝板制成。附加反射部件27设于屏蔽管22a与反射部件26之间的空间中。附加反射部件27包括平行于晶片W的反射表面。附加反射部件27如此提供以便接近圆筒形反射部件26的下端部分的开口。附加反射部件27优选地由与反射部件26的材料相同的材料制成，或可由不同的材料制成。如果附加反射部件27由相同的材料制成，那么两者在热膨胀性上相等。因此，甚至在反射部件26和附加反射部件27由于在室10内的温度的变化而引起热膨胀时，也可防止附加反射部件27的变形、位置偏离和其它问题。

图3是显示附加反射部件27的形状的图。图3A是平面图，并且图3B是侧视横截面图。

如图3所示，附加反射部件27包括：圆板部分27a，其构成主要反射表面；和侧壁部分27b，其设于圆板部分27a的外周。圆板部分27a包括平坦表面，其大致平行于晶片W的主表面。圆板部分27a提供为进一步反射在由晶片W的上表面反射后向上行进的电磁波。提供侧壁部分27b来确保附加反射部件27的机械强度。侧壁部分27b相对圆板部分27a的角度不具体地限制。该角度优选地比直角更宽。该形状允许侧壁部分27b的表面用作反射表面。

在附加反射部件27的中央部分(或圆板部分27a的中央部分)提供通孔27c。高温计22的屏蔽管22a以行进穿过通孔27c的方式提供。附加反射部件27的外周边缘27d(或侧壁部分27b的顶端)与反射部件26的渐缩部分26a的表面(内周表面)接触。因此，在没有特别的固定机构的使用下，附加反射部件27可仅仅通过其自身重量而水平地放置。因此，十分容易将附加反射部件27附接至反射部件26或从该处分离附加反射部件27。

图4A、4B、5A以及5B为示出附加反射部件27的功能性的示意图。图4A和图5A显示了未提供附加反射部件27的情况。图4B和图5B显示了提供附加反射部件27的情况。

如图4A和图4B所示，晶片W的中央区域S1由来自上灯组20G的上方内部加热卤素灯20i(见图2)的电磁波E1充分加热。晶片W的外部区域S2由来自上方外部加热卤素灯20o(见图2)的电磁波E2充分加热。但是，在晶片W的中央区域S1和外部区域S2之间的中间区域S3未充分加热，并且因此晶片W的平面内温度分布是不均匀的。如图4A所示，如果在反射部件26内不存在附加反射部件27，那么如由虚线所指出，来自内部加热卤素灯20i的电磁波E1在由晶片W的上表面反射之后仅仅向上行进。因此，晶片W的中间区域S3不通过电磁波E1的反射波加热。

在如图4B所示附加反射部件27设于反射部件26内的情况下，来自内部加热卤素灯21i的电磁波E1在由晶片W的上表面反射后向上行进，并且然后由附加反射部件27的表面再次反射，来到达晶片W的中间区域S3。因此，将晶片W的中间区域S3充分加热，并且晶片W的平面内温度分布因而变得均匀。

如图5A所示，如果不提供附加反射部件27，那么从上侧经由近似圆筒形的反射部件26的内部行进至下侧的冷却空气(空气流)C1直接地碰撞室10的上顶部12a的中央部分Ao。作为结果，上顶部12a的中央部分Ao的温度变得比周围区域更低。尤其是，从上灯组20G朝向室10的上顶部12a的中央部分Ao发射的电磁波E1由反射部件26阻碍，并且因此不能达到上顶部12a的中央部分Ao。由此，上顶部12a的中央部分Ao的温度有可能下降。上顶部12a的中央部分Ao的温度的下降有可能引起硅副产物的沉积。副产物的沉积妨碍来自卤素灯20的热辐射能行进穿过上顶部12a。作为结果，晶片W的中央区域S1的温度下降，导致晶片W的平面内温度分布更加不均匀。

在如图5B所示将附加反射部件27设于反射部件26内的情况下，可阻碍从上侧经由反射部件26的内部空间向下侧行进的冷却空气C1。如果提供附加反射部件27，那么由晶片W的上表面反射的电磁波由附加反射部件27再次反射，并且因此行进至上顶部12a的中央部分Ao。作为结果，电磁波在上顶部12a的中央部分Ao上聚焦，并且上顶部12a的中央部分Ao可比周围区域更加加热。由此，有可能抑制上顶部12a的中央部分Ao的温度的下降，并且防止在上顶部12a上的副产物的沉积。

在上述外延生长装置1中，在将晶片W放置在基座13上后，打开上灯组20G和下灯组21G来加热晶片W。同时，源气体(例如三氯氢硅(SiHCls)气体或二氯硅烷(SiH2Cl2)气体)经由气体入口16引入，同时将空气经由气体出口19排出。

源气体从气体入口16行进穿过挡板17和调整部件18，并且流入室10的上空间。已经通过上灯组20G和下灯组21G加热晶片W，基座13和初步环14。源气体沿着晶片W的加热表面作为层流流动。作为结果，外延生长在晶片W上发生，并且形成外延层。

图6是显示在室中加热的晶片的上表面的平面内温度分布的图。水平轴线代表与晶片的中央的距离，并且竖直轴线代表相对晶片的中央位置的温差。线G1代表在由本实施例的外延生长装置加热的晶片中的温差，该外延生长装置包括附加反射部件27。线G2和G3代表在由不带有附加反射部件27的常规外延生长装置加热的晶片中的温差。更具体地，线G2显示在未使上顶部不透明时的平面内温度分布，并且线G3显示了在使上顶部的中央部分不透明时的平面内温度分布。

如图6所示，如果使用常规外延生长装置，那么不提供附加反射部件27。因此，如果未使上顶部的中央部分不透明，那么温度分布如线G2所示为W形。即，晶片W的中央部分的温度是相当高的，并且晶片W的外周部分的温度也是相当高的。但是，晶片的中间部分温度是相当低的。如果由副产物的沉积而使上顶部的中央部分不透明，那么晶片的中央部分的温度如线G3所示骤降，并且温度分布因此为V形。这种温差导致外延层的生长的差异，并且外延层厚度变得更不均匀。

在使用本实施例的外延生长装置1的情况下，由于附加反射部件27的效果(见线G1)，在晶片W的中央和外周端部之间的温度变得近似相等。因此，晶片的平面内温度分布变得均匀，从而抑制外延层的厚度的平面内不均匀性。由此，可产生高品质外延晶片。

图7A和图7B是显示外延晶片的错位发生分布的示意平面图。图7A显示了由本实施例的外延生长装置1产生的晶片，该外延生长装置包括附加反射部件27。图7B显示了由不带有附加反射部件27的常规外延生长装置产生的晶片。

如图7A所示，在由本实施例的外延生长装置1产生的外延晶片上存在极少的滑动错位。如图7B所示，在由常规外延生长装置产生的外延晶片的外周部分中存在许多滑动错位。由此，本实施例的外延生长装置1可通过减少晶片的平面内温度分布的不均匀性而防止滑动错位的发生。

如上所述，在本实施例的外延生长装置1中，附加反射部件27设于近似圆筒形反射部件26内。因此，晶片的平面内温度分布可为均匀的。作为结果，可加强外延层的薄膜厚度分布的均匀性。而且，有可能防止在室10的上顶部12a上的硅副产物的沉积，并且防止晶片的平面内温度分布恶化。

显而易见的是，本发明不限于上述实施例，而是可修改和改变而不脱离本发明的范围和精神。

例如，在上述实施例中，卤素灯描述作为加热灯的一个实例。但是，本发明不限于卤素灯。可产生红外线的任何大功率加热源均可使用。在上述实施例中，描述了硅晶片。但是，本发明不限于硅晶片，并且可用于各种晶片。

在上述实施例中，附加反射部件27由圆板部分27a和侧壁部分27b组成。备选地，例如，附加反射部件27可为顶形。附加反射部件27附接的方式不限于上面描述的方法，并且可采用其它方法。

Claims (11)

1. 一种用于在晶片的表面上生长外延层的外延生长装置，所述装置包括：

室，在其中容纳有所述晶片；

上灯组，其包括在所述室上方布置成环的多个加热灯；

下灯组，其包括在所述室下方提供的多个加热灯；

反射部件，其设于所述上灯组的环内，所述反射部件具有大致圆筒形状；以及

附加反射部件，其设于所述反射部件内，所述附加反射部件包括大致平行于所述晶片的表面的反射表面，

其中，所述附加反射部件以接近所述反射部件的下端部分的开口的至少一部分的方式提供。

2. 根据权利要求1所述的外延生长装置，其特征在于，所述附加反射部件包括：

圆板部分，其构成所述反射表面；以及

侧壁部分，其以围绕所述圆板部分的外周的方式提供。

3. 根据权利要求2所述的外延生长装置，其特征在于，还包括在所述室和所述晶片的中央的上方提供的高温计，

其中，所述反射部件以包围朝向所述晶片延伸的所述高温计的光轴的方式提供，

其中，所述附加反射部件包括形成在所述圆板部分的中央处的通孔，以及

其中，所述高温计的光轴行进穿过所述通孔。

4. 根据权利要求3所述的外延生长装置，其特征在于，还包括圆筒形屏蔽管，其以围绕所述高温计的光轴的方式设于所述反射部件内，

其中，所述屏蔽管插入所述附加反射部件的通孔。

5. 根据权利要求1所述的外延生长装置，其特征在于，所述反射部件具有渐缩部分，所述渐缩部分以其直径朝向下侧变得逐渐更小的方式设于所述反射部件的下端部分中，并且所述附加反射部件的外周端部与所述渐缩部分的内周表面接触。

6. 根据权利要求1至5中的任一个所述的外延生长装置，其特征在于，所述附加反射部件由与所述反射部件相同的材料制成。

7. 一种外延生长装置，其特征在于，包括：

室，其可容纳晶片；

加热源，其设于所述室的上方；

第一反射部件，其提供成被所述加热源包围；以及

第二反射部件，其提供成被所述第一反射部件包围，

其中，所述第一反射部件包括圆筒形表面，其大致垂直于所述晶片的主表面，以及

其中，所述第二反射部件包括平坦表面，其大致平行于所述晶片的主表面。

8. 根据权利要求7所述的外延生长装置，其特征在于，还包括高温计，

其中，所述第二反射部件包括通孔，所述高温计的光轴行进穿过所述通孔。

9. 根据权利要求8所述的外延生长装置，其特征在于，还包括屏蔽管以包围所述高温计的光轴，

其中，所述屏蔽管穿透所述第二反射部件的通孔。

10. 根据权利要求7至9中的任一个所述的外延生长装置，其特征在于，所述第一反射部件具有渐缩部分，其包括渐缩至所述晶片的主表面的渐缩表面。

11. 根据权利要求10所述的外延生长装置，其特征在于，所述第二反射部件与所述第一反射部件的渐缩部分接触。