CN107761165A - 一种基于伯努利效应的底座及外延设备 - Google Patents

一种基于伯努利效应的底座及外延设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于伯努利效应的底座及外延设备，包括底座主体及设于所述底座主体背面的支撑杆，其中：所述底座主体内部设有空腔；所述支撑杆中设有与所述空腔连通的喷射气体供气孔；所述底座主体正面设有若干与所述空腔连通的喷射气体出气孔；所述喷射气体出气孔向所述底座主体外侧倾斜，用于从所述底座主体正面向所述底座主体外侧喷射气体，使所述底座主体正面气压降低，利用伯努利效应将晶圆吸附于所述底座主体正面。本发明的外延设备在同一反应腔内可同时生长2片外延片，有利于提高产率；晶圆与底座之间无直接接触；并且晶圆加热主要是通过底座的热辐射和热传导，底座表面不易生长外延层，因此能够克服由于外延层较厚而引起的粘片问题。

Description

一种基于伯努利效应的底座及外延设备
技术领域
本发明属于半导体制造领域，涉及一种基于伯努利效应的底座及外延设备。
背景技术
目前众多功率器件厂商正从8寸工厂(fab)逐渐过渡至12寸工厂(fab)，为满足功率器件衬底的要求，12寸Si衬底需要有单层或多层厚度大于20um的外延层。然而，现有的12寸单片Si外延技术在生长厚外延Si层(>20um)时，存在如下几个缺点：1、由于Si外延生长速率较慢，一般<5um/min，因此在生长厚膜时，由于单个外延炉内仅能放置一片Si衬底，因此产量较低。2、随着外延层厚度的增加，晶圆(wafer)和底座(susceptor)之间容易发生粘附(stick)现象，造成取片困难。
如图1所示，显示为现有技术中生长Si外延层的示意图，其中，底座101放置于生长腔室102内，晶圆103放置于所述底座101上，所述生长腔室外部上方及下方均设有加热灯管104，Si外延层105在所述晶圆103(Si衬底)表面生长。图中箭头示出了热传导方向。由于晶圆103与底座101之间有接触，且晶圆正面存在加热灯管的直接加热，底座表面也会生长Si层，造成底座与晶圆粘附在一起，在取片过程中造成取片困难，且容易造成Si外延层边缘翘曲。
为解决产量较低的问题，AMAT公司的外延炉采用一种群(cluster)多腔室的设计，即多个腔室(chamber)共用一个加料室(transfer chamber)，由此提高产能。如图2所示，显示为这种群多腔室的结构示意图，其中，第一腔室、第二腔室、第三腔室及第四腔室共用一个加料室。但是这种设计的本质是将几个腔室合在一个机台，每个腔室仍然只能放置一片晶圆，没有从根本上解决问题。
为解决粘片的问题，通常需要将较厚的外延膜进行分次生长。例如，对于60um的外延层，需要分三次，单次20um进行生长，每层外延膜生长之间，晶圆需要传送出反应腔室(reactor)，并对腔室内及底座表面进行HCl刻蚀以去除Si层。如图3所示，显示为将厚外延层分为n次生长的示意图。这种方法虽然可以解决粘片问题，但是腔室蚀刻以及多次升温降温将会耗费很多时间，导致产率大大降低。
因此，如何提供一种新的底座及外延设备，以避免晶圆与底座之间的粘片问题，并提高产率，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于伯努利效应的底座及外延设备，用于解决现有技术中生长厚外延层时产率交底、并容易引起粘片的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于伯努利效应的底座，包括底座主体及设于所述底座主体背面的支撑杆，其中：
所述底座主体内部设有空腔；
所述支撑杆中设有与所述空腔连通的喷射气体供气孔；
所述底座主体正面设有若干与所述空腔连通的喷射气体出气孔；所述喷射气体出气孔向所述底座主体外侧倾斜，用于从所述底座主体正面向所述底座主体外侧喷射气体，使所述底座主体正面气压降低，利用伯努利效应将晶圆吸附于所述底座主体正面。
可选地，所述喷射气体出气孔靠近所述底座正面边缘区域。
可选地，所述底座主体内部设有N套独立设置的所述空腔，其中，N为大于1的整数；所述支撑杆中相应设有N个所述喷射气体供应孔，这N个喷射气体供应孔分别与相应的一个空腔连通；所述底座主体正面的若干所述喷射气体出气孔分为N组，每组喷射气体出气孔分别与相应的一个空腔连通。
可选地，2≤N≤5。
可选地，所述空腔包括至少两条管路。
可选地，所述空腔包括一条环形管路及至少一条条形管路；所述环形管路与所述喷射气体出气孔连通，所述条形管路的一端连通所述环形管路，另一端连通所述喷射气体供气孔。
本发明还提供一种外延设备，所述外延设备包括上述任意一项所述的基于伯努利效应的底座。
可选地，所述外延设备包括石英腔室；所述石英腔室中设有两个所述基于伯努利效应的底座；这两个基于伯努利效应的底座正面相对，分别位于所述石英腔室上部与下部。
可选地，两个基于伯努利效应的底座的支撑杆分别穿通所述石英腔室的顶面与底面。
可选地，所述石英腔室包括反应气体进气口及反应气体尾气口；所述反应气体进气口及反应气体尾气口分别设于所述石英腔室的一对相对侧面上，且当所述石英腔室水平放置时，所述反应气体进气口所在水平面及所述反应气体尾气口所在水平面均位于两个基于伯努利效应的底座之间。
可选地，所述反应气体进气口所在石英腔室侧面上还设有两个吹扫气体进气口，这两个吹扫气体进气口分别位于所述反应气体进气口上方及下方，用于带走所述喷射气体出气孔喷出的气体。
可选地，所述石英腔室外部上方及外部下方均设有加热灯管。
如上所述，本发明的基于伯努利效应的底座及外延设备，具有以下有益效果：
(1)本发明的基于伯努利效应的底座包括底座主体及设于所述底座主体背面的支撑杆，其中：所述底座主体内部设有空腔，所述支撑杆中设有与所述空腔连通的喷射气体供气孔；所述底座主体正面设有若干与所述空腔连通的喷射气体出气孔；该底座通过将气流输送至晶圆背面，使得晶圆背面与正面气体流速不同，由伯努利定理，晶圆背面与正面受到的压力不同，该压差将晶圆与底座紧密吸附在一起，实现晶圆的支撑；
(2)由伯努利定理，晶圆两侧的压差足以克服晶圆重力的影响，因此可以在传统的晶圆位置上方，通过本发明的基于伯努利效应的底座再放置一片晶圆，即本发明的外延设备在同一反应腔内包含2个所述基于伯努利效应的底座，可同时生长2片外延片，有利于节约反应气体，降低加热灯管功耗，并且同时生长2片外延片有助于节约腔室蚀刻、升温与降温时间，进而提高产率；
(3)晶圆与底座之间由于有喷射气体的存在，因此无直接接触；并且晶圆加热主要是通过底座的热辐射和热传导，外延层主要生长于晶圆表面，在底座表面不易生长外延层，因此能够克服由于外延层较厚而引起的粘片问题。
附图说明
图1显示为现有技术中生长Si外延层的示意图。
图2显示为现有技术中群多腔室的结构示意图。
图3显示为现有技术中将厚外延层分为n次生长的示意图。
图4显示为本发明的基于伯努利效应的底座的剖视结构示意图。
图5显示为本发明的基于伯努利效应的底座的正面结构示意图。
图6显示为本发明的基于伯努利效应的底座内部空腔的俯视图。
图7显示为本发明的外延设备的结构示意图。
图8显示为本发明的外延设备在生长外延层时的热传导示意图。
元件标号说明
101 底座
102 生长腔室
103 晶圆
104 加热灯管
105 Si外延层
201 底座主体
202 支撑杆
203 空腔
204 喷射气体供气孔
205 喷射气体出气孔
206 环形管路
207 条形管路
208 石英腔室
209 反应气体进气口
210 反应气体尾气口
211 吹扫气体进气口
212 加热灯管
213 晶圆
214 外延层
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图4至图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
本发明提供一种基于伯努利效应的底座，请参阅图4，显示为该底座的剖视结构示意图，包括底座主体201及设于所述底座主体201背面的支撑杆202，其中：
所述底座主体201内部设有空腔203；
所述支撑杆202中设有与所述空腔203连通的喷射气体供气孔204；
所述底座主体201正面设有若干与所述空腔203连通的喷射气体出气孔205；所述喷射气体出气孔205向所述底座主体201外侧倾斜，用于从所述底座主体201正面向所述底座主体201外侧喷射气体，使所述底座主体201正面气压降低，利用伯努利效应将晶圆吸附于所述底座主体201正面。
具体的，所述喷射气体出气孔205靠近所述底座正面201边缘区域，以利于喷射气体的排出。图5显示为所述基于伯努利效应的底座的正面结构示意图。此处“靠近所述底座正面边缘区域”是指所述喷射气体出气孔205与所述底座边缘的距离小于所述喷射气体出气孔205与所述底座中心的距离。
具体的，所述底座主体201内部设有N套独立设置的所述空腔203，其中，N为大于1的整数；所述支撑杆202中相应设有N个所述喷射气体供应孔204，这N个喷射气体供应孔204分别与相应的一个空腔203连通；所述底座主体201正面的若干所述喷射气体出气孔205分为N组，每组喷射气体出气孔205分别与相应的一个空腔203连通。
通过设置多套独立的所述空腔203，可以有利于更加灵活控制喷射气体的流速，使得所述基于伯努利效应的底座更加稳定地吸附晶圆。
作为示例，2≤N≤5。其中，图4与图5显示为所述底座主体201内部设有2套独立设置的所述空腔203、2个独立设置的所述喷射气体供应孔204及2组所述喷射气体出气孔205的情形。
本实施例中，每组喷射气体出气孔205均包括8个喷射气体出气孔，且8个喷射气体出气孔均匀分布于一个圆环上。在其它实施例中，每组喷射气体出气孔所包含的孔数目也可以为其它数目，例如3-50个，且其分布也可根据需要进行调整，此处不应过分限制本发明的保护范围。
具体的，所述空腔203包括至少两条管路。作为示例，所述空腔203包括一条环形管路及至少一条条形管路；所述环形管路与所述喷射气体出气孔205连通，所述条形管路207的一端连通所述环形管路206，另一端连通所述喷射气体供气孔205。其中，图6显示为所述空腔203包括一条环形管路206及八条条形管路207的情形。本实施例中，所述条形管路207为直线型，在其它实施例中，所述条形管路207也可以为曲线型或折线形等。
此处仅为示例，在其它实施例中，所述空腔203也可以为其它图形，只要保证连通所述喷射气体出气孔205与所述喷射气体供气孔203即可，此处不应过分限制本发明的保护范围。
本发明的基于伯努利效应的底座通过将气流输送至晶圆背面，使得晶圆背面与正面气体流速不同，由伯努利定理，晶圆背面与正面受到的压力不同，该压差将晶圆与底座紧密吸附在一起，实现晶圆的支撑；并且通过控制喷射气体流速，可以使得压差足够大，足以克服晶圆重力的影响，使得本发明的基于伯努利效应的底座不仅可以正面朝上吸附晶圆，还可以正面朝下吸附晶圆。
实施例二
本发明还提供一种外延设备，所述外延设备包括实施例一中所述的基于伯努利效应的底座。
具体的，所述外延设备于同一反应腔室中可以仅包含一个所述基于伯努利效应的底座，也可以包含两个所述基于伯努利效应的底座。
请参阅图7，显示为所述外延设备于同一反应腔室中包含两个所述基于伯努利效应的底座时的结构示意图，其中，所述外延设备包括石英腔室208；所述石英腔室208中设有两个所述基于伯努利效应的底座；这两个基于伯努利效应的底座正面相对，分别位于所述石英腔室208上部与下部。
作为示例，两个基于伯努利效应的底座的支撑杆202分别穿通所述石英腔室208的顶面与底面。
具体的，所述石英腔室208包括反应气体进气口209及反应气体尾气口210；所述反应气体进气口209及反应气体尾气口210分别设于所述石英腔室208的一对相对侧面上，且当所述石英腔室208水平放置时，所述反应气体进气口209所在水平面及所述反应气体尾气口210所在水平面均位于两个基于伯努利效应的底座之间。
具体的，所述反应气体进气口209所在石英腔室208侧面上还设有两个吹扫气体进气口211，这两个吹扫气体进气口211分别位于所述反应气体进气口209上方及下方，用于带走所述喷射气体出气孔205喷出的气体。
作为示例，所述反应气体包括三氯氢硅(SiHCl3，简称TCS)。在其它实施例中，所述反应气体也可以采用其它含硅气体，例如硅烷(SiH4)、二氯硅烷(SiH2Cl2，简称DCS)等。同时，所述反应气体进气口209还可以用于输入载气，例如氢气。
作为示例，当要制备掺杂硅外延层时，所述反应气体还包括杂质气体，用于得到P型硅外延层或N型硅外延层。其中，N型杂质气体可采用磷烷(PH3)或砷烷(AsH3)，P型杂质气体可采用硼烷(B2H6)。
作为示例，所述吹扫气体及所述喷射气体均采用氢气，其本身可以作为载气。
具体的，所述石英腔室208外部上方及外部下方均设有加热灯管212。所述加热灯管212可采用卤素灯管，用于将晶圆213加热至工艺所需的温度，上下两组呈90度交错的灯管可保证晶圆的温度均匀性。
图7中采用空心箭头射出了反应气体与吹扫气体的流向，采用实心箭头示出了喷射气体的流向。其中，所述喷射气体出气口205的喷射气体流速大于两个底座之间反应气体的流速，利用伯努利效应将晶圆紧紧吸附与所述底座主体201正面。
本发明的外延设备由于在传统的晶圆位置上方设置了额外的一个基于伯努利效应的底座，遮挡住了石英腔室上部加热灯管的光线，避免了晶圆表面灯管的直接加热，使得晶圆加热主要是通过底座的热辐射和热传导。其中，图8中采用箭头示出了热传导方向。
本发明的外延设备在同一反应腔内包含2个所述基于伯努利效应的底座，可同时生长2片外延片，有利于节约反应气体，降低加热灯管功耗，并且同时生长2片外延片有助于节约腔室蚀刻、升温与降温时间，进而提高产率。晶圆213与底座之间由于有喷射气体的存在，因此无直接接触，并且晶圆加热主要是通过底座的热辐射和热传导，外延层214主要生长于晶圆213表面，在底座表面不易生长外延层，因此能够克服由于外延层较厚而引起的粘片问题。
综上所述，本发明的基于伯努利效应的底座及外延设备，具有以下有益效果：
(1)本发明的基于伯努利效应的底座包括底座主体及设于所述底座主体背面的支撑杆，其中：所述底座主体内部设有空腔，所述支撑杆中设有与所述空腔连通的喷射气体供气孔；所述底座主体正面设有若干与所述空腔连通的喷射气体出气孔；该底座通过将气流输送至晶圆背面，使得晶圆背面与正面气体流速不同，由伯努利定理，晶圆背面与正面受到的压力不同，该压差将晶圆与底座紧密吸附在一起，实现晶圆的支撑；
(2)由伯努利定理，晶圆两侧的压差足以克服晶圆重力的影响，因此可以在传统的晶圆位置上方，通过本发明的基于伯努利效应的底座再放置一片晶圆，即本发明的外延设备在同一反应腔内包含2个所述基于伯努利效应的底座，可同时生长2片外延片，有利于节约反应气体，降低加热灯管功耗，并且同时生长2片外延片有助于节约腔室蚀刻、升温与降温时间，进而提高产率；
(3)晶圆与底座之间由于有喷射气体的存在，因此无直接接触；并且晶圆加热主要是通过底座的热辐射和热传导，外延层主要生长于晶圆表面，在底座表面不易生长外延层，因此能够克服由于外延层较厚而引起的粘片问题。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种基于伯努利效应的底座，包括底座主体及设于所述底座主体背面的支撑杆，其特征在于：
所述底座主体内部设有空腔；
所述支撑杆中设有与所述空腔连通的喷射气体供气孔；
所述底座主体正面设有若干与所述空腔连通的喷射气体出气孔；所述喷射气体出气孔向所述底座主体外侧倾斜，用于从所述底座主体正面向所述底座主体外侧喷射气体，使所述底座主体正面气压降低，利用伯努利效应将晶圆吸附于所述底座主体正面。
2.根据权利要求1所述的基于伯努利效应的底座，其特征在于：所述喷射气体出气孔靠近所述底座正面边缘区域。
3.根据权利要求1所述的基于伯努利效应的底座，其特征在于：所述底座主体内部设有N套独立设置的所述空腔，其中，N为大于1的整数；所述支撑杆中相应设有N个所述喷射气体供应孔，这N个喷射气体供应孔分别与相应的一个空腔连通；所述底座主体正面的若干所述喷射气体出气孔分为N组，每组喷射气体出气孔分别与相应的一个空腔连通。
4.根据权利要求3所述的基于伯努利效应的底座，其特征在于：2≤N≤5。
5.根据权利要求1所述的基于伯努利效应的底座，其特征在于：所述空腔包括至少两条管路。
6.根据权利要求5所述的基于伯努利效应的底座，其特征在于：所述空腔包括一条环形管路及至少一条条形管路；所述环形管路与所述喷射气体出气孔连通，所述条形管路的一端连通所述环形管路，另一端连通所述喷射气体供气孔。
7.一种外延设备，其特征在于：所述外延设备包括如权利要求1-6任意一项所述的基于伯努利效应的底座。
8.根据权利要求7所述的外延设备，其特征在于：所述外延设备包括石英腔室；所述石英腔室中设有两个所述基于伯努利效应的底座；这两个基于伯努利效应的底座正面相对，分别位于所述石英腔室上部与下部。
9.根据权利要求8所述的外延设备，其特征在于：两个基于伯努利效应的底座的支撑杆分别穿通所述石英腔室的顶面与底面。
10.根据权利要求8所述的外延设备，其特征在于：所述石英腔室包括反应气体进气口及反应气体尾气口；所述反应气体进气口及反应气体尾气口分别设于所述石英腔室的一对相对侧面上，且当所述石英腔室水平放置时，所述反应气体进气口所在水平面及所述反应气体尾气口所在水平面均位于两个基于伯努利效应的底座之间。
11.根据权利要求10所述的外延设备，其特征在于：所述反应气体进气口所在石英腔室侧面上还设有两个吹扫气体进气口，这两个吹扫气体进气口分别位于所述反应气体进气口上方及下方，用于带走所述喷射气体出气孔喷出的气体。
12.根据权利要求8所述的外延设备，其特征在于：所述石英腔室外部上方及外部下方均设有加热灯管。
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