CN111477565A - 一种外延设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种外延设备，包括：反应腔室；基座，可旋转地设置在所述反应腔室中；预热环，设置在所述反应腔室侧壁的台阶上，且所述预热环的内环壁面与所述基座的外环壁面相互间隙配合设置；预热环位置调整定位装置，设置在所述预热环与所述反应腔室侧壁的台阶之间，用于对所述预热环进行位置调整与定位。本发明的外延设备具有预热环位置调整定位装置，采用一对偏心结构相对旋转配合实现预热环中心位置的调整，同时通过偏心配合机构整体旋转实现位置360°整圈调整。调整后的位置不因机台震动而发生径向偏移。大幅度地提高了预热环的位置精度与稳定性，因此可减小预热环与石墨托盘的配合间隙而不发生碰撞干涉。

Description

一种外延设备

技术领域

本发明属于半导体设备领域，涉及硅外延片制备设备，具体地提供一种具有预热环位置调整定位装置的外延设备。

背景技术

现有的硅外延设备包括石墨基座与预热环，石墨基座放置在旋转石英轴上，并随同石英轴旋转，预热环静置于石英腔室侧壁的台阶上，并由石英腔室内壁限制住预热环在径向的偏移量。

外延设备采用红外加热灯对目标石墨基座与预热环进行加热，石墨基座随同石英轴旋转，保证石墨基座在圆周方向受热均匀。石墨预热环的内环壁面与石墨基座的外环壁面相互间隙配合，相对运动无磕碰，且此间隙的大小直接影响着石墨基座上部的反应区内工艺气体与石墨基座下部的腔室底部吹扫气体的混合程度，间隙越小越有利于减小底部吹扫气体对上部反应气体的气流干扰，对工艺性能越好。

现有技术方案如图1所示，外延设备包括石墨基座4与预热环3，石墨基座4放置在旋转石英轴5上，预热环3放置于石英腔室侧壁6的台阶上。预热环3与石英腔室侧壁6之间形成间隙1，预热环3与石墨基座4之间形成间隙2。上圆顶10设置在顶部，在石墨基座4与上圆顶10之间形成工艺反应区11。在工艺反应区11的侧壁一侧形成有进气口7，用于提供反应气体，在工艺反应区11的侧壁另一侧形成有第一排气口8，用于排出反应气体。石墨基座4下部是下腔室12，包括腔室底部13，旋转支撑轴5位于腔室底部13内。底部吹扫气体从腔室底部13吹入，从下腔室12侧壁上的第二排气口9排出。

预热环3的外圆与石英腔室内壁6形成间隙1，间隙1大小决定了预热环3在径向的偏移量。

间隙1存在两个作用。作用一，随着工艺反应区11内的温度升高到1100℃-1200℃，预热环3的外径膨胀量远大于石英腔室内壁的直径膨胀量，间隙1用于保证膨胀安全余量，且间隙1的值大于预热环3外径与石英腔室内径热膨胀量的差值。理论上间隙1足够大，其可完全避免热膨胀引起的问题。

作用二，由于实际零件制造尺寸公差和安装偏差存在，以及摆动旋转石英轴5以调平石墨基座4的水平度(如图2所示)，最终导致旋转石英轴5与石英腔室内壁6存在不同轴的现象。需要手动调整预热环3的位置，使预热环3与发生位置偏移的石墨基座4同轴，以此可保证预热环3与石墨基座4的间隙2较为均匀，避免石墨基座4旋转引起与预热环3的磕碰。最终预热环3偏向石英腔室的一侧，形成间隙1min与间隙1max，如图3所示。

由于实际制造尺寸偏差以及旋转机构调平石墨基座4，导致石墨基4的旋转轴线与石英腔室中心轴线不同轴，从而需要调整预热环3的位置，使预热环3与石墨基座4同轴而与石英腔室不同轴。为了避免因预热环3与石英腔室不同轴而导致间隙1缩小甚至接触，需增加间隙1的余量。石英腔室、预热环3与石墨基座4的偏心示意图如图3所示。预热环3偏向腔室一侧，形成间隙1max与间隙1min。

由于腔室所处的外部环境存在风机的震动，放置于石英腔室侧壁6台阶上的预热环3在工艺过程中会因为震动而发生位置偏移，其偏移量最大可达间隙1max，这就要求间隙2的值必须大于间隙1max，才能满足工艺旋转运动中不发生干涉碰撞。当石墨基座4与石英腔室安装后的中心轴偏差越大，间隙max越大，即引起的预热环3振动偏移量越大。

但是，间隙2的大小直接影响工艺结果，间隙2越小对工艺气流场的影响越小，外延生长的薄膜电阻率与厚度越均匀。现有技术方案的间隙2尺寸较大无法缩小。

因此，有必要设计一种具有预热环位置调整定位装置的外延设备。

发明内容

本发明是为了解决石墨基座与腔室同轴度偏差导致预热环位置偏移，最终导致间隙2尺寸较大，且随着圆晶尺寸增加，该影响导致的间隙2尺寸进一步增加的问题。因此，提供一种外延设备，具有用于调整预热环位置的装置，从而降低预热环与石墨基座的间隙。

根据本发明的一个方面，提供一种外延设备，包括：

反应腔室；

基座，可旋转地设置在所述反应腔室中；

预热环，设置在所述反应腔室侧壁的台阶上，且所述预热环的内环壁面与所述基座的外环壁面相互间隙配合设置；

预热环位置调整定位装置，设置在所述预热环与所述反应腔室侧壁的台阶之间，用于对所述预热环进行位置调整与定位。

进一步地，所述预热环位置调整定位装置包括：

过渡板，所述过渡板为圆环状，设置在所述预热环的下方，所述过渡板转动地设置在所述反应腔室侧壁的台阶上，所述过渡板的外圆与反应腔室侧壁的内圆配合定位；

第一偏心台阶，设置在所述过渡板的上表面；

第二偏心台阶，设置在所述预热环的下表面；

所述第一偏心台阶与所述第二偏心台阶配合安装，并通过所述第一偏心台阶与所述第二偏心台阶的相对旋转实现所述预热环在径向上的位置调整。

进一步地，所述第一偏心台阶的第一边缘为圆形，且所述第一边缘的圆心与所述过渡板的外圆的圆心偏心。

进一步地，所述第二偏心台阶的第二边缘为圆形，且所述第二边缘的圆心与所述预热环的外圆的圆心偏心。

进一步地，所述第一偏心台阶的第一边缘与所述第二偏心台阶的第二边缘配合安装。

进一步地，所述第一偏心台阶的第一边缘为外缘，所述第二偏心台阶的第二边缘为内缘。

进一步地，所述第一偏心台阶为连续台阶或间隔设置的多个台阶，所述多个台阶的第一边缘位于同一个圆周上。

进一步地，所述第二偏心台阶为连续台阶或间隔设置的多个台阶，所述多个台阶的第二边缘位于同一个圆周上。

进一步地，所述过渡板、所述第一偏心台阶以及所述第二偏心台阶均为石英材质。

进一步地，所述外延设备还包括：

工艺气体进气口和工艺气体排气口，设置在所述反应腔室侧壁上，且所述工艺气体进气口和所述工艺气体排气口均位于所述基座的承载面的上方；

吹扫气体入口和吹扫气体出口，所述吹扫气体入口设置在所述反应腔室的底部，所述吹扫气体出口设置在所述反应腔室侧壁上，且所述吹扫气体出口位于所述基座的承载面的下方。

本发明的外延设备，具有预热环位置调整定位装置，通过采用一对偏心结构相对旋转配合，实现了预热环中心位置的调整，同时通过一对偏心结构的整体旋转实现预热环位置360°整圈调整。同时调整后的位置不因机台震动而发生径向偏移。因此，大幅度地提高了预热环的位置精度与稳定性，可减小预热环与基座的配合间隙而不发生碰撞干涉。

由于预热环位置可兼容所有安装偏差导致的基座偏心问题，且配合基座调心后的位置不因径向振动而偏移，保证了预热环与基座的间隙稳定性，进而可设计更小基座与预热环的间隙，最终提高工艺过程中吹扫气体与工艺气路相互独立性，提升外延工艺均匀性。

此外，通过旋转预热环与过渡板的相对角度，能够实现预热环在腔室水平面上任意方向的位置偏移，提高预热环在不同安装环境下对基座偏心的兼容性，保证预热环与基座同轴，同时对预热环的任意一个旋转位置都可起到位置限定的作用。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1为现有技术的外延设备的剖面结构示意图。

图2为现有技术的外延设备的石墨基座调平导致位置偏移的示意图。

图3为现有技术的旋转石英轴不同轴时腔室安装俯视图。

图4为本发明实施例的过渡板与偏心台阶的示意图。

图5为本发明实施例的预热环与偏心台阶的示意图。

图6为本发明实施例的预热环位置调整定位装置在外延设备中的装配剖面示意图。

图7为本发明实施例的过渡板固定时预热环旋转调心轨迹示意图。

图8为本发明实施例的过渡板同时旋转时预热环旋转调心轨迹范围示意图。

图9为本发明实施例的石墨基座与石英腔室偏心导致预热环内表面与石墨基座存在干涉的状态示意图。

图10为本发明实施例的预热环位置调整后的状态示意图。

图11为本发明实施例的石墨基座与石英腔室偏心导致预热环内表面与石墨基座存在干涉的状态示意图。

图12为本发明实施例的预热环顺时针旋转180°位置调整后的状态示意图。

图13本发明实施例的预热环与过渡板同时逆时针旋转45°位置调整后的状态示意图。

图14为本发明实施例的偏心台阶为间隔分布的小独立台阶示意图。

附图标记：

间隙1、间隙2、预热环3、石墨基座4、旋转支撑轴5、石英腔室侧壁6、进气口7、第一排气口8、第二排气口9、上圆顶10、工艺反应区11、下腔室12、腔室底部13；

101石墨基座、102预热环、103石英腔室、104过渡石英板、105预热环偏心台阶、106过渡板偏心台阶、107小独立台阶。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开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公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

本公开提出了一种外延设备，包括：

反应腔室；

基座，可旋转地设置在反应腔室中；

预热环，设置在反应腔室侧壁的台阶上，且预热环的内环壁面与所述基座的外环壁面相互间隙配合设置；

预热环位置调整定位装置，设置在预热环与反应腔室侧壁的台阶之间，用于对预热环进行位置调整与定位。

本公开通过在外延设备中设置预热环位置调整定位装置，可实现基座与反应腔室不同轴时(且不同机台不同轴度不一致时)，预热环位置可调整，而且调整后预热环的位置不受风机震动发生径向位置偏移，保证预热环与基座保持在相对同轴的稳定状态，最终实现预热环与基座的间隙减小。

进一步地，基座可以包括旋转支撑轴，旋转支撑轴位于反应腔室内，设置在基座的下方带动基座旋转。基座的上表面为承载面，用于承载晶圆。

进一步地，基座的承载面以上为工艺反应区。优选地，反应腔室包括顶盖，顶盖与基座的承载面之间形成工艺反应区。进一步地，基座的承载面以下为下腔室，基座的旋转支撑轴位于下腔室内。

进一步地，外延设备还包括工艺气体进气口和工艺气体排气口，分别设置在反应腔室的侧壁上，且工艺气体进气口和工艺气体排气口均位于基座的承载面的上方。优选地，工艺气体进气口和工艺气体排气口分别位于工艺反应区相对两侧的腔室侧壁上，使得工艺气体均匀流过工艺反应区。

进一步地，在下腔室的侧壁上设置有吹扫气体入口和吹扫气体出口。优选地，吹扫气体入口设置在下腔室的底部，吹扫气体出口设置在反应腔室的侧壁上，且吹扫气体出口位于基座的承载面的下方。

进一步地，预热环位置调整定位装置包括：

过渡板，过渡板为圆环状，设置在预热环的下方，过渡板转动地设置在反应腔室侧壁的台阶上，过渡板的外圆与反应腔室侧壁的内圆配合定位；

第一偏心台阶，设置在过渡板的上表面；

第二偏心台阶，设置在预热环的下表面；

第一偏心台阶与第二偏心台阶配合安装，并通过第一偏心台阶与第二偏心台阶的相对旋转实现预热环在径向上的位置调整。通过采用一对偏心结构相对旋转配合，实现了预热环中心位置的调整，同时通过一对偏心结构的整体旋转实现预热环位置360°整圈调整，且调整后的位置不因机台震动而发生径向偏移。

进一步地，第一偏心台阶的第一边缘为圆形，第一偏心台阶的圆心与过渡板的外圆的圆心偏心。第二偏心台阶的第二边缘为圆形，第二偏心台阶的圆心与预热环的外圆的圆心偏心。优选地，第一偏心台阶的第一边缘与第二偏心台阶的第二边缘配合安装。

优选地，第一偏心台阶为过渡

板偏心台阶，第二偏心台阶为预热环偏心台阶。过渡板偏心台阶的第一边缘为外缘，过渡板偏心台阶的第二边缘为内缘，预热环偏心台阶的第二边缘为内缘，预热环偏心台阶的第一边缘为外缘。

可选地，过渡板偏心台阶的第一边缘可以为内缘，过渡板偏心台阶的第二边缘可以为外缘，预热环偏心台阶的第二边缘可以为外缘，预热环偏心台阶的第一边缘可以为内缘。

更优选地，过渡板偏心台阶的第二边缘与过渡板内圆一致。换言之，过渡板偏心台阶的内缘与过渡板的圆心同心，过渡板偏心台阶的外缘与过渡板的圆心偏心。更优选地，预热环偏心台阶的第一边缘与预热环的外圆一致。换言之，预热环偏心台阶的外缘与预热环的圆心同心，预热环偏心台阶的内缘与预热环的圆心偏心。

可选地，第一偏心台阶为连续台阶或间隔设置的多个台阶，多个台阶的第一边缘位于同一个圆周上。可选地，第二偏心台阶为连续台阶或间隔设置的多个台阶，多个台阶的第二边缘位于同一个圆周上。优选地，第一偏心台阶为连续台阶，第二偏心台阶为间隔设置的多个台阶，或者第一偏心台阶为间隔设置的多个台阶，第二偏心台阶为连续台阶。更优选地，第一偏心台阶为连续台阶，第二偏心台阶为连续台阶。

进一步地，第一偏心台阶的偏心量与第二偏心台阶的偏心量之和为预热环的位置调整范围的半径。第一偏心台阶的偏心量与第二偏心台阶的偏心量无相互关系，可分别独立设计大小，但是二者之和决定了预热环的调心范围。

优选地，过渡板、第一偏心台阶以及第二偏心台阶均为石英材质。

本公开方案中，外延设备的改进点主要在于设置了预热环位置调整定位装置，外延设备的其他结构不再赘述。

为便于理解本发明实施例的方案及其效果，以下给出一个具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。

接下来，将参照图4-14详细描述本发明的实施例。本实施例中，重点描述外延设备的预热环位置调整定位装置，设置在预热环的下方，位于预热环与反应腔室侧壁的台阶之间，用于对预热环进行位置调整与定位。预热环位置调整定位装置包括：石英过渡板104、过渡板偏心台阶106、预热环102和预热环偏心台阶105。石英过渡板104为圆环状，设置在预热环102的下部；过渡板偏心台阶106设置在石英过渡板104的上表面，预热环偏心台阶105设置在预热环102的下表面。过渡板偏心台阶106与预热环偏心台阶105配合安装，并通过相对旋转实现预热环102在径向上的位置调整。

通过过渡板偏心台阶106与预热环偏心台阶105配合转动，可配合所有石墨基座101与石英腔室103的同轴度偏差情景，且调节后不因震动而导致预热环102的径向偏移。

过渡石英板104的外圆与石英腔室103的内圆配合定位，保证过渡石英板104在石英腔室103内无径向位置移动。过渡石英板104的内圆与过渡石英板104的外圆同轴，保证对加热场红外辐射的阻挡均匀。过渡石英板104的上面设置有过渡板偏心台阶106，过渡板偏心台阶106的外缘与过渡石英板104外圆的偏心度为S1，过渡板偏心台阶106的内缘与过渡石英板104内圆一致。过渡石英板104及过渡板偏心台阶106如图4所示。

预热环102的改进之处在于设置了预热环偏心台阶105，预热环偏心台阶105位于预热环102的下面。预热环偏心台阶105的内缘与预热环102的外圆偏心设计，偏心度为S2，预热环偏心台阶105的外缘与预热环102的外圆一致。预热环102及预热环偏心台阶105如图5所示。

石英腔室103、过渡石英板104、预热环102与石墨基座101的整体安装剖面图如图6所示。过渡石英板104放置于石英腔室103的内壁台阶上。过渡石英板104的外圆与石英腔室103的内圆配合定位，确定了过渡石英板104的径向位置。预热环102的预热环偏心台阶105与过渡石英板104的过渡板偏心台阶106配合安装。石墨基座101位于预热环102内，预热环102与石墨基座101之间形成间隙2，预热环102与石英腔室103之间形成间隙1。通过预热环102与过渡石英板104在轴向的相对旋转实现预热环102在径向的位置偏移。

过渡石英板104固定时，预热环102沿偏心台阶旋转一圈时的预热环中心的轨迹线如图7所示圆圈。

当过渡石英板104同时旋转，图7所示的预热环102的中心偏移轨迹圆圈以腔室中心为旋转中心而旋转。如图8所示，举例4个均分90°位置时，预热环102中心偏移轨迹相对位置为4个小圆圈线。当过渡石英板104旋转角度无限细分时，预热环102的轨迹线圆圈沿腔室中心旋转一整圈，调心范围如图8所示。在图8所示的调心范围内的任何石墨基座101的偏差都可通过本方法兼容配合。

预热环偏心台阶105的偏心量S2与过渡板偏心台阶106的偏心量S1无相互关系，可独立设计大小，S2+S1的和决定了图8所示预热环的调心范围。

应用实例1：

如图9所示，石墨基座101安装后与石英腔室103偏心，偏心方向位于正右侧，偏心距2mm。图9所示状态，预热环105内表面与石英腔室103同轴，与石墨基座101的间隙2不均，存在干涉问题。

如图10所示，正时针旋转预热环105角度180°，预热环105的内表面中心与石墨基座101的中心轴同轴，间隙2均匀布局。

应用实例2：

如图11所示，石墨基座101安装后与石英腔室103偏心，偏心方向位于右上方45°角位置，偏心距2mm。图11所示状态，预热环105的内表面与石英腔室103同轴，与石墨基座101的间隙2不均，存在干涉问题。

如图12所示，正时针旋转预热环105角度180°(与实例1中图10操作一致)，预热环105的内表面中心沿图示水平方向移动2mm。如图13所示，预热环105与过渡石英板104同时沿逆时针旋转45°，预热环105的中心沿腔室中心轴逆时针旋转45°而与石墨基座101的中心轴同轴，间隙2均匀布局。

修改例：

过渡石英板104的偏心台阶不限于整圈，可以是三个以上的间隔分布的小独立台阶107，小独立台阶107组成的圆心相对于过渡石英板104外圈偏心布局。如图14所示为包括3个小独立台阶107的例子。

同样，预热环102的偏心台阶不限于整圈，可以是三个以上的间隔分布的小独立台阶107，小独立台阶107组成的圆心相对于预热环102内圈偏心布局。

以上已经描述了本公开的各实施例，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各实施例。在不偏离所说明的各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。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种外延设备，其特征在于，包括：

反应腔室；

基座，可旋转地设置在所述反应腔室中；

预热环，设置在所述反应腔室侧壁的台阶上，且所述预热环的内环壁面与所述基座的外环壁面相互间隙配合设置；

预热环位置调整定位装置，设置在所述预热环与所述反应腔室侧壁的台阶之间，用于对所述预热环进行位置调整与定位。

2.根据权利要求1所述的外延设备，其特征在于，所述预热环位置调整定位装置包括：

过渡板，所述过渡板为圆环状，设置在所述预热环的下方，所述过渡板转动地设置在所述反应腔室侧壁的台阶上，所述过渡板的外圆与反应腔室侧壁的内圆配合定位；

第一偏心台阶，设置在所述过渡板的上表面；

第二偏心台阶，设置在所述预热环的下表面；

所述第一偏心台阶与所述第二偏心台阶配合安装，并通过所述第一偏心台阶与所述第二偏心台阶的相对旋转实现所述预热环在径向上的位置调整。

3.根据权利要求2所述的外延设备，其特征在于，所述第一偏心台阶的第一边缘为圆形，且所述第一边缘的圆心与所述过渡板的外圆的圆心偏心。

4.根据权利要求3所述的外延设备，其特征在于，所述第二偏心台阶的第二边缘为圆形，且所述第二边缘的圆心与所述预热环的外圆的圆心偏心。

5.根据权利要求4所述的外延设备，其特征在于，所述第一偏心台阶的第一边缘与所述第二偏心台阶的第二边缘配合安装。

6.根据权利要求5所述的外延设备，其特征在于，所述第一偏心台阶的第一边缘为外缘，所述第二偏心台阶的第二边缘为内缘。

7.根据权利要求2所述的外延设备，其特征在于，所述第一偏心台阶为连续台阶或间隔设置的多个台阶，所述多个台阶的第一边缘位于同一个圆周上。

8.根据权利要求2所述的外延设备，其特征在于，所述第二偏心台阶为连续台阶或间隔设置的多个台阶，所述多个台阶的第二边缘位于同一个圆周上。

9.根据权利要求2所述的外延设备，其特征在于，所述过渡板、所述第一偏心台阶以及所述第二偏心台阶均为石英材质。

10.根据权利要求1所述的外延设备，其特征在于，还包括：

工艺气体进气口和工艺气体排气口，设置在所述反应腔室的侧壁上，且所述工艺气体进气口和所述工艺气体排气口均位于所述基座的承载面的上方；

吹扫气体入口和吹扫气体出口，所述吹扫气体入口设置在所述反应腔室的底部，所述吹扫气体出口设置在所述反应腔室侧壁上，且所述吹扫气体出口位于所述基座的承载面的下方。

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