CN111636098A - 一种碳化硅外延设备的cvd反应模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳化硅外延设备的CVD反应模块，包括石英壳体、进气法兰和尾端法兰，石英壳体内设置有加热层和保温层，加热层有多个替换件，替换件内部顶面的弧度不同，所述作业腔内还设置有用于盛放晶圆的托盘，所述加热层内对应托盘的周围还设置有内衬，所述托盘下方设置有用于支撑托盘的顶盘，所述顶盘的底部向外延伸伸展有升降杆。上述技术方案的有益效果为：在内衬的厚度增加至托盘无法正常进行CVD工艺时，将托盘位置略微升高，保证能够继续进行CVD工艺，最终达到延长内衬使用寿命的目的，通过替换具有不同弧度顶面的加热层能够调整作业腔内的温度场，使得作业腔内的温度更加均匀，进而使得晶圆上形成膜的厚度更加均匀。

Description

一种碳化硅外延设备的CVD反应模块
技术领域
本发明涉及CVD反应技术领域，具体涉及一种碳化硅外延设备的CVD反应模块。
背景技术
碳化硅(SiC)材料是继第一代半导体材料硅(Si)和第二代半导体(砷化镓GaAs)后的第三代宽禁带半导体材料。碳化硅晶体结构具有同质多型的特点，其基本结构是Si-C的四面体结构，属于密堆积结构。其性能具有更高的禁带宽度、高临界击穿电场、高导热率、高载流子饱和漂移速度等优越的性能，在半导体照明、电力电子器件、激光器、探测器等领域应用中蕴含着巨大的前景。
在CVD设备中，温度均匀性是保证工艺质量的重要参数之一，随着对产品质量的需求、晶圆尺寸增加，对均匀性的要求更加严格。同时，在进行CVD工艺时，反应源会大量的沉积在晶圆以外的区域，当副产物的堆积超过一定程度时，便需对设备进行维护，是影响设备连续生产的主要因素之一。由于第三代半导体碳化硅的特殊性质，碳化硅副产物不易于清除，导致零件的更换频率增加，连续生产时长降低，成本上升。所以，在第三代半导体领域的竞争中，延长设备的连续使用时间和成本控制至关重要。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种碳化硅外延设备的CVD反应模块，能够提高CVD工艺的稳定性，且能够延长设备的维护周期。
本发明提供一种的技术方案是：一种碳化硅外延设备的CVD反应模块，包括两端敞口的石英壳体，所述石英壳体两端的敞口处分别密封设置有进气法兰和尾端法兰，所述石英壳体与进气法兰和尾端法兰围合成真空的腔室，所述腔室内设置有加热层和包覆在加热层外的保温层，所述加热层的横截面为长圆孔形，所述加热层内设有中空的作业腔且两端敞口，所述作业腔的敞口与石英壳体的敞口相对，所述加热层具有多个替换件，每个替换件内部顶面的弧度不同，所述进气法兰与加热层的敞口之间设置有进气引导件，所述作业腔内还设置有用于盛放晶圆的托盘，所述加热层内对应托盘的周围还设置有内衬，所述进气引导件位于所述内衬的内部，所述托盘下方设置有用于支撑托盘的顶盘，所述顶盘的底部向外延伸伸展有升降杆，所述升降杆依次穿过加热层、保温层和石英壳体向外延伸，所述顶盘和升降杆上还设置有驱动所述托盘转动的转动组件，所述石英壳体外还设置有驱动所述升降杆升降运动的升降组件。
上述技术方案的有益效果为：托盘能够在升降杆的驱动下升降，在需要取晶圆时，可将托盘升至预定的传片位置，外部的机械手能够更方便的接住托盘，托盘在顶盘下降后与顶盘实现分离，机械手将托盘及晶圆由尾端法兰取出，放置晶圆也是一样。有了升降托盘的功能，工艺参数多了位置的选择，可根据内衬表面长时间副产物的累计厚度推算，在内衬的厚度增加至托盘无法正常进行CVD工艺时，将托盘位置略微升高，使得托盘超出内村表面副产物的高度，从而保证能够继续进行CVD工艺，最终达到延长内衬使用寿命的目的。
进一步，所述进气法兰上设置有一组混合气入口以及一组保护气入口，所述进气引导件对应进气法兰设置有混合气通道和保护气通道。
进一步，所述混合气通道通过隔板分隔为与混合气入口数量一致的独立通道，所述混合气通道的上方设置有导流坡道，所述导流坡道朝所述托盘的方向倾斜。独立通道使得进入作业腔的混合气体能够更加均匀，保证CVD工艺的效果更好。
进一步，所述保护气通道包括多个通气小孔，所述通气小孔环绕所述进气引导件的边缘设置。
进一步，所述内衬包括对接在一起的进气端内衬和排气端内衬，所述进气端内衬和排气端内衬紧贴加热层的内壁，所述进气端内衬和排气端内衬的对接位置为托盘的中心线，所述进气端内衬和排气端内衬对应托盘的位置均设置有圆弧缺口。对接在一起的进气端内衬和排气端内衬更加容易从加热层内取下进行更换，设置的圆弧缺口在对接后正好围合托盘，避免内衬与托盘产生较大的间隙。
进一步，所述转动组件包括设置在所述升降杆和顶盘内的中空气道，所述托盘的底部设置有弧形的导气槽，所述托盘在升降杆引入的气体的驱动下转动。在进行CVD工艺时，转动的托盘能够使晶圆上形成更加均匀的沉淀层。
进一步，所述托盘的底部向下延伸设置有凸台，所述顶盘的边缘设置有与所述凸台相匹配的围挡，所述凸台位于所述围挡内。所述围挡能够避免托盘在旋转时脱离顶盘。
进一步，所述升降杆的底部还设置有观察窗，所述托盘底部正对中空气道的位置设置有直沟槽。
进一步，所述转动组件包括设置于升降杆下端的第一电机，所述第一电机的输出轴垂直于顶盘所在的平面且通过升降杆与顶盘紧固连接。
进一步，所述加热层的制作材料为石墨或碳化硅，所述石英壳体外绕设有用于提供加热能量的感应线圈。
进一步，所述升降杆包括靠近加热层的隔热段以及向外延伸的外伸段，所述外伸段的外端与石英壳体之间还设置有用于动态密封的波纹管。
进一步，所述石英壳体对应保温层底部的位置设置有托架。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例的爆炸图；
图3为本发明实施例的剖视图；
图4为本发明实施例中进气引导件的结构示意图；
图5为本发明实施例中托盘和顶盘的结构示意图；
图6为本发明实施例中加热层的一替换件；
图7为本发明实施例中加热层的另一替换件；
图8为本发明实施例2中转动组件的结构示意图。
附图标记：石英壳体100、感应线圈110、进气法兰120、混合气入口121、保护气入口122、尾端法兰130、保温层200、加热层300、进气端内衬310、排气端内衬320、进气引导件400、混合气通道410、通气小孔420、导流坡道430、托盘500、凸台510、导气槽511、直沟槽512、顶盘600、围挡610、隔热段620、外伸段630、波纹管640、中空气道650、升降机700、驱动杆710、安装平台711、齿条720、齿轮730、第一电机800、升降杆810。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
实施例1
如图1-5所示，本实施例提供一种碳化硅外延设备的CVD反应模块，CVD即为气相沉淀，该反应模块包括两端敞口的石英壳体100，石英壳体100的横截面为长圆孔形，所述石英壳体100两端的敞口处分别密封设置有进气法兰120和尾端法兰130，所述石英壳体100与进气法兰120和尾端法兰130围合成真空的腔室，所述腔室内设置有加热层300和包覆在加热层300外的保温层200，加热层300和保温层200的截面形状与石英壳体100的截面形状一致，即是加热层300的横截面也为长圆孔形，所述加热层300内设有中空的作业腔且两端敞口，所述作业腔的敞口与石英壳体100的敞口相对。长圆孔型加热层更趋近于晶圆截面的形状，较正圆形加热层和方形加热层在温度均匀性上相比更具优势。
为了更好的调整作业腔内的温度场，为加热层300准备有多个替换件，每个替换件内部顶面的弧度不同，多个替换件的顶面包含向下凸出和向内凹陷的情况，具体的，加热层可根据工艺结果的不同来调整晶圆的温度，若晶圆的中心膜厚比边缘膜厚相差较多，说明作业腔内的温度场不均匀，可通过替换具有不同弧度顶面的加热层来调整作业腔内的温度场，使得作业腔内的温度更加均匀，进而使得晶圆上形成膜的厚度更加均匀，所述进气法兰120与加热层300的敞口之间设置有进气引导件400，CVD反应用的混合气体由进气法兰120接入并沿着进气引导件400进入作业腔内，所述作业腔内还设置有用于盛放晶圆的托盘500，混合气在进入作业腔后在托盘500内的晶圆上形成目标沉淀层，尾端法兰130上还连接有排气管道，用于保证混合气能够在作业腔内持续流动。
加热层300内对应托盘500的周围还设置有内衬，用于接住落在晶圆外的混合气沉淀物，保持加热层300的洁净状态，所述进气引导件400位于所述内衬的内部，所述托盘500下方设置有用于支撑托盘500的顶盘600，所述顶盘600的底部向外延伸伸展有升降杆，所述升降杆依次穿过加热层300、保温层200和石英壳体100向外延伸，所述顶盘600和升降杆上还设置有驱动所述托盘500转动的转动组件，所述石英壳体100外还设置有驱动所述升降杆升降运动的升降组件。所述石英壳体100对应保温层200底部的位置设置有托架。保证保温层200和加热层300能够被固定在石英壳体100内。
托盘500能够在升降杆的驱动下升降，在需要取晶圆时，可将托盘500升至预定的传片位置，外部的机械手能够更方便的接住托盘500，托盘500在顶盘600下降后与顶盘600实现分离，机械手将托盘500及晶圆由尾端法兰130取出，放置晶圆也是一样，尾端法兰130设置有用于取放晶圆的取放口，取放口上设置有可封闭的开关件。有了升降托盘500的功能，工艺参数多了位置的选择，可根据内衬表面长时间副产物的累计厚度推算，在内衬的厚度增加至托盘500无法正常进行CVD工艺时，将托盘500位置略微升高，使得托盘500超出内村表面副产物的高度，从而保证能够继续进行CVD工艺，最终达到延长内衬使用寿命的目的。
为了使进入作业腔内的混合气能够更加的均匀，在进气法兰120上设置有一组混合气入口121以及一组保护气入口122，所述进气引导件400对应进气法兰120设置有混合气通道410和保护气通道。吹入作业腔的保护气能够避免反应源过早的沉淀在内衬的入口处。
所述混合气通道410通过隔板分隔为与混合气入口121数量一致的独立通道，所述混合气通道410的上方设置有导流坡道430，所述导流坡道430朝所述托盘500的方向倾斜。独立通道使得进入作业腔的混合气体能够更加均匀，保证CVD工艺的效果更好。保护气通道包括多个通气小孔420，所述通气小孔420环绕所述进气引导件400的边缘设置。
为了更加方便的更换内衬，将内衬设置为对接在一起的进气端内衬310和排气端内衬320，所述进气端内衬310和排气端内衬320紧贴加热层300的内壁，所述进气端内衬310和排气端内衬320的对接位置为托盘500的中心线，所述进气端内衬310和排气端内衬320对应托盘500的位置均设置有圆弧缺口。对接在一起的进气端内衬310和排气端内衬320更加容易从加热层300内取下进行更换，设置的圆弧缺口在对接后正好围合托盘500，避免内衬与托盘500产生较大的间隙。
更进一步的，转动组件包括设置在所述升降杆和顶盘600内的中空气道650，所述托盘500的底部设置有弧形的导气槽511，所述托盘500在升降杆引入的气体的驱动下转动。在进行CVD工艺时，转动的托盘500能够使晶圆上形成更加均匀的沉淀层。所述升降杆包括靠近加热层300的隔热段620以及向外延伸的外伸段630，所述外伸段630的外端与石英壳体100之间还设置有用于动态密封的波纹管640。
更进一步的，所述托盘500的底部向下延伸设置有凸台510，所述顶盘600的边缘设置有与所述凸台510相匹配的围挡610，所述凸台510位于所述围挡610内。所述围挡610能够避免托盘500在旋转时脱离顶盘600。
更进一步的，所述升降杆的底部还设置有观察窗，所述托盘500底部正对中空气道650的位置设置有直沟槽512。在升降杆的观察窗处设置光学检测装置，光学检测装置通过观察窗对直沟槽512的识别能够确定托盘500的转动速度，光学检测装置还能够检测托盘500的温度，方便为后面的工艺调整提供参数。
更进一步的，所述加热层300的制作材料为石墨或碳化硅，保温层200采用碳毡材料制成。所述石英壳体100外绕设有用于提供加热能量的感应线圈110。感应线圈110通电后能够产生磁场，置于磁场中的加热层300会因涡流效应产热升温。
所述升降组件包括升降机700，所述升降机700内活动设置有竖直的驱动杆710，所述驱动杆710伸出升降机700的部分与升降杆紧固连接，所述升降机700内设置有第二电机，所述第二电机水平布置，第二电机的输出轴通过齿轮齿条与驱动杆710传动连接，齿条720沿驱动杆710的长度方向布置，齿轮730与齿条720啮合且与第二电机的输出轴同轴紧固连接。
实施例2
本实施例的主要结构同实施例1，与实施例1不同的是，本实施例对转动组件提出了新的实施方式，具体是，所述转动组件包括设置于升降杆810下端的第一电机800，所述第一电机800固定设置于升降机700的驱动杆710上，所述驱动杆710上设置有用于安装第一电机800的安装平台711，所述第一电机800的输出轴垂直于顶盘所在的平面且通过升降杆810与顶盘600紧固连接。通过第一电机800的转动速度即可得到托盘的转动速度。
在本申请的描述中，需要理解的是，本申请中的术语仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、系统和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (12)

1.一种碳化硅外延设备的CVD反应模块，其特征在于，包括两端敞口的石英壳体，所述石英壳体两端的敞口处分别密封设置有进气法兰和尾端法兰，所述石英壳体与进气法兰和尾端法兰围合成真空的腔室，所述腔室内设置有加热层和包覆在加热层外的保温层，所述加热层的横截面为长圆孔形，所述加热层内设有中空的作业腔且两端敞口，所述作业腔的敞口与石英壳体的敞口相对，所述加热层具有多个替换件，每个替换件内部顶面的弧度不同，所述进气法兰与加热层的敞口之间设置有进气引导件，所述作业腔内还设置有用于盛放晶圆的托盘，所述加热层内对应托盘的周围还设置有内衬，所述进气引导件位于所述内衬的内部，所述托盘下方设置有用于支撑托盘的顶盘，所述顶盘的底部向外延伸伸展有升降杆，所述升降杆依次穿过加热层、保温层和石英壳体向外延伸，所述顶盘和升降杆上还设置有驱动所述托盘转动的转动组件，所述石英壳体外还设置有驱动所述升降杆升降运动的升降组件。
2.根据权利要求1所述的一种碳化硅外延设备的CVD反应模块，其特征在于，所述进气法兰上设置有一组混合气入口以及一组保护气入口，所述进气引导件对应进气法兰设置有混合气通道和保护气通道。
3.根据权利要求2所述的一种碳化硅外延设备的CVD反应模块，其特征在于，所述混合气通道通过隔板分隔为与混合气入口数量一致的独立通道，所述混合气通道的上方设置有导流坡道，所述导流坡道朝所述托盘的方向倾斜。
4.根据权利要求2或3所述的一种碳化硅外延设备的CVD反应模块，其特征在于，所述保护气通道包括多个通气小孔，所述通气小孔环绕所述进气引导件的边缘设置。
5.根据权利要求1所述的一种碳化硅外延设备的CVD反应模块，其特征在于，所述内衬包括对接在一起的进气端内衬和排气端内衬，所述进气端内衬和排气端内衬紧贴加热层的内壁，所述进气端内衬和排气端内衬的对接位置为托盘的中心线，所述进气端内衬和排气端内衬对应托盘的位置均设置有圆弧缺口。
6.根据权利要求1所述的一种碳化硅外延设备的CVD反应模块，其特征在于，所述转动组件包括设置在所述升降杆和顶盘内的中空气道，所述托盘的底部设置有弧形的导气槽，所述托盘在升降杆引入的气体的驱动下转动。
7.根据权利要求6所述的一种碳化硅外延设备的CVD反应模块，其特征在于，所述托盘的底部向下延伸设置有凸台，所述顶盘的边缘设置有与所述凸台相匹配的围挡，所述凸台位于所述围挡内。
8.根据权利要求6所述的一种碳化硅外延设备的CVD反应模块，其特征在于，所述升降杆的底部还设置有观察窗，所述托盘底部正对中空气道的位置设置有直沟槽。
9.根据权利要求1所述的一种碳化硅外延设备的CVD反应模块，其特征在于，所述转动组件包括设置于升降杆下端的第一电机，所述第一电机的输出轴垂直于顶盘所在的平面且通过升降杆与顶盘紧固连接。
10.根据权利要求1所述的一种碳化硅外延设备的CVD反应模块，其特征在于，所述加热层的制作材料为石墨或碳化硅，所述石英壳体外绕设有用于提供加热能量的感应线圈。
11.根据权利要求1、6或8所述的一种碳化硅外延设备的CVD反应模块，其特征在于，所述升降杆包括靠近加热层的隔热段以及向外延伸的外伸段，所述外伸段的外端与石英壳体之间还设置有用于动态密封的波纹管。
12.根据权利要求1所述的一种碳化硅外延设备的CVD反应模块，其特征在于，所述石英壳体对应保温层底部的位置设置有托架。
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