CN111850514B - 用于外延生长设备的进排气构件及外延生长设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于外延生长设备的进排气构件及外延生长设备，该进排气构件包括环形主体，沿环形主体的周向侧壁设置的进气通道和排气通道，进气通道和排气通道的对称面为同一平面，且环形主体的轴线位于对称面内；进气通道和排气通道设置于环形主体上，消除现有技术中分体式进排气口的装配间隙，减少腔室边缘区域的气体紊流，改善晶圆表面生长的外延层厚度均匀性；同时气体从进气通道至排气通道的流动方式，扩大气流的流动空间，减少边缘紊流区对晶圆上方气流场的影响，保证晶圆上方气体的均匀性。

Description

用于外延生长设备的进排气构件及外延生长设备
技术领域
本发明属于集成电路制造设备领域，更具体地，涉及一种用于外延生长设备的进排气构件及外延生长设备。
背景技术
硅外延设备是用来实现外延工艺的重要反应腔室，其所提供的气流场稳定性是影响外延工艺厚度的主要因素，因此保证反应腔室中气流场的均匀性是硅外延设备的重要因素。
通常使用的硅外延设备工艺腔室是由透明石英构成密封反应腔室，其中工艺气体从上下石英环构成的进气口水平流经预热环、托盘，到晶圆上沉积薄膜，在工艺反应中，反应剩余物会从上下石英环构成的排气口流进排气管路。由于进排气口宽度的局限性，使得工艺气体在流进晶圆边缘区时气流方向改变，导致晶圆边缘区上方的气流紊乱，从而影响晶圆边缘区生长的外延层厚度波动，因此通过优化排气口与腔室的匹配位置，减少气体紊流区域，有助于改善晶圆表面生长的外延层厚度均匀性。
现有技术中，反应腔为单片式圆形腔室，前端装有进气模块，后端装配排气模块，通过上下石英件构成的进气口使工艺气体水平流过旋转托盘上表面，经过高温反应后的工艺气体从排气口流出。图1a现有技术的上石英件的结构示意图，图1b现有技术的下石英件的结构示意图，如图1a和图1b所示，整个进排气口结构是由两个上下石英件组合安装，进气口5由上进气口1和下进气口3组成，排气口6由上排气口2和下排气口4组成；进气口5的总宽度和排气口6的总宽度相同。现有技术中为了加工方便，采用上下石英圆环件构成的进排气口，装配过程中由于上下石英件之间的间隙，导致腔室边缘的工艺气体流向发生改变，引起紊流，图2现有技术中气体流动示意图，如图2所示，在晶圆边缘形成紊流区7。从而影响在晶圆上方气体的均匀性，使得生产的外延层厚度不均匀；且由于反应后的高温气体在排气口流动路径长，导致排气口覆盖的涂层严重，影响石英件的使用寿命。
因此，需要提供一种能够改善晶圆表面生长的外延层厚度均匀性的进排气构件及外延生长设备。
发明内容
本发明的目的提供一种用于外延生长设备的进排气构件及外延生长设备，以减少气体紊流区域，改善晶圆表面生长外延层厚度的均匀性。
为了实现上述目的，根据本发明的一方面，提供一种用于外延生长设备的进排气构件，所述进排气构件包括环形主体，沿所述环形主体的周向侧壁设置的进气通道和排气通道，所述进气通道和所述排气通道的对称面为同一平面，且所述环形主体的轴线位于所述平面内。
优选地，所述进气通道包括沿所述环形主体平行且等距离设置的多个通孔。
优选地，所述进气通道的纵向截面为折线型，所述进气通道的进气口开设于所述环形主体的外周壁，所述进气通道的出气口开设于与所述进气通道的进气口相对应的所述环形主体的内周壁，且所述进气通道的进气口的轴线和所述进气通道的出气口的轴线均平行于所述环形主体的端面。
优选地，所述排气通道的轴线与所述环形主体的端面之间形成倾斜角，所述排气通道的进气口开设于所述环形主体的内周壁，所述排气通道的出气口开设于与所述排气通道的进气口相对应的所述环形主体的外周壁，且所述排气通道的进气口高于所述进气通道的出气口。
优选地，所述进气通道的出气口与所述排气通道的进气口位置相对应，且高度一致。
优选地，沿所述环形主体的内周壁设有承载圆环，所述承载圆环与所述环形主体同轴，且所述承载圆环位于所述进气通道的出气口和所述排气通道的进气口的下方，所述承载圆环用于承载预热环。
优选地，所述进气通道具有相互平行的第一侧壁和第二侧壁，所述排气通道具有相互平行的第三侧壁和第四侧壁，所述第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁均与所述对称面平行。
优选地，所述排气通道沿所述环形主体径向的宽度h2大于或等于所述进气通道沿所述环形主体径向的宽度h1。
优选地，所述倾斜角的角度范围为0°～60°。
根据本发明的另一方面，提供一种外延生长设备，包括反应腔室和所述的进排气构件，所述进排气构件水平设置于所述反应腔室内，所述进气构件的外周壁与所述反应腔室的内周壁连接，所述进气构件的上部设有上穹顶，所述进气构件的下部设有下穹顶，所述上穹顶、下穹顶与所述进排气构件形成密闭的腔室，所述反应腔室的一侧外周壁设有进气模块，另一侧外周壁设有排气模块，所述进气通道与进气模块连接，所述排气通道与所述排气模块连接。
本发明的有益效果在于：进气通道和排气通道设置于同一环形主体上，消除了现有技术中分体式进排气口的装配间隙，减少反应腔室边缘区域的气体紊流，改善晶圆表面生长外延层厚度的均匀性；同时气体从进气通道至排气通道的流动方式，扩大气流的流动空间，减少边缘紊流区对晶圆上方气流场的影响，保证晶圆上方气体的均匀性。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明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发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
图1a现有技术的上石英件的结构示意图。
图1b现有技术的下石英件的结构示意图。
图2现有技术中上下石英件之间气体流动示意图。
图3示出了根据本发明实施例的进排气构件的气体流动示意图。
图4示出了根据本发明实施例的进排气构件的主视图。
图5示出了根据本发明实施例的进排气构件的剖视图。
图6示出了根据本发明实施例的反应腔室的结构示意图。
附图标记说明：
1、上进气口；2、上排气口；3、下进气口；4、下排气口；5、进气口；6、排气口；7、紊流区；8、进气通道；9、排气通道；11、承载圆环；12、倾斜角；13、环形主体；14、晶圆；15、反应腔室；16、上穹顶；17、下穹顶；18、进气模块；19、排气模块；20、旋转轴；21、对称面。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明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发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
根据本发明实施例的一种用于外延生长设备的进排气构件，该进排气构件包括环形主体，沿环形主体的周向侧壁设置的进气通道和排气通道，进气通道和排气通道的对称面为同一平面，且环形主体的轴线位于该平面内。
本实施例的进排气构件的环形主体为同一整体结构，能够消除现有技术中分体式进排气构件的装配间隙，其装配间隙容易导致的腔室内的气体流向改变，本实施例的进排气构件能够改善反应腔室边缘区域的气体紊流情况，同时进气通道和排气通道的对称面为同一平面，且环形主体的轴线位于进气通道和排气通道的对称面内，保持气流从进气通道至排气通道的流的一致性，减少边缘紊流区对晶圆上方气流场的影响，保证晶圆上方气体的均匀性，从而改善晶圆表面生长的外延层厚度的均匀性。
作为优选方案，进气通道包括沿环形主体平行且等距离设置的多个通孔。
作为一个示例，多个通孔等距离平行排列，形成进气通道，工艺气体通过平行且等距离设置的多个通孔进入反应腔室，保证反应腔室的进气均匀性，从而改善晶圆表面生长的外延层厚度的均匀性。
作为优选方案，进气通道的纵向截面为折线型，进气通道的进气口开设于环形主体的外周壁，进气通道的出气口开设于与进气通道的进气口相对应的环形主体的内周壁，且进气通道的进气口的轴线和进气通道的出气口的轴线均平行于环形主体的端面。
折线型的进气通道能够提高反应气体混合的均匀性，改善工艺的一致性。进气通道的进气口和进气通道的出气口的位置水平相对，可以保证进入反应腔室内工艺气体沿水平方向流动，加快反应后的高温气体快速流过反应腔室，提高工艺气体的流动速率，改善晶圆表面生长的外延层厚度的均匀性。
作为一个示例，折线型的进气通道包含至少两个直角弯折，以便促进工艺气体在进气通道内均匀混合。
作为优选方案，排气通道的轴线与环形主体的端面之间形成倾斜角，排气通道的进气口开设于环形主体的内周壁，排气通道的出气口开设于与排气通道的进气口相对应的环形主体的外周壁，且排气通道的进气口高于进气通道的出气口。
排气通道的轴线与环形主体的端面之间形成倾斜角，便于反应后的高温气体能够快速排出反应腔室，减少反应气体与排气通道的接触时间，从而改善排气通道的进气口容易生长并覆盖外延层的问题，排气通道的进气口高于排气通道的出气口，即排气通道的两端不在一个平面，避免排出的尾气反灌到腔室。
作为优选方案，进气通道的出气口与排气通道的进气口位置相对应，且高度一致，促使反应腔室内的反应气体沿晶圆上方水平流动，改善晶圆表面生长的外延层厚度的均匀性。
作为优选方案，沿环形主体的内周壁设有承载圆环，承载圆环与环形主体同轴，且承载圆环位于进气通道的出气口和排气通道的进气口的下方，承载圆环用于承载预热环。
在承载圆环上放置预热环，预热环用于对流过晶圆表面的工艺气体进行加热，承载圆环位于进气通道的出气口和排气通道的进气口的下方，从而对进入反应腔室内的工艺气体进行加热，加热后的工艺气体沿晶圆表面水平流过，改善晶圆表面生长的外延层厚度的均匀性。
作为优选方案，进气通道具有相互平行的第一侧壁和第二侧壁，排气通道具有相互平行的第三侧壁和第四侧壁，第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁均与进气通道和排气通道的对称面平行，使流进和流出反应腔室的气体沿同一方向流动，保证反应腔室内的气流流向的一致性，使反应后的高温气体快速流出反应腔室，减少排气通道与高温反应后的工艺气体的接触时间，避免由于反应后的高温气体在排气通道停留时间过长而导致在排气口生长覆盖外延层，提高进排气构件的使用寿命。
作为优选方案，排气通道沿环形主体径向的宽度h2大于或等于进气通道沿环形主体径向的宽度h1。
具体地，进气通道的总宽不小于排气通道的总宽度，从而扩大气体在腔室内的流动空间，使得边缘区域的紊流气体远离晶圆上表面，保证晶圆上表面的气体均匀性，使得晶圆表面生长的外延层厚度具有较好的均匀性。
作为优选方案，倾斜角的角度范围为0°～60°，能够促进反应后的高温气体迅速排出反应腔室，并且避免产生尾气反灌到反应腔室。
根据本发明提供一种外延生长设备，包括反应腔室和进排气构件，进排气构件水平设置于反应腔室内，进排气构件的外周壁与反应腔室的内周壁连接，进排气构件的上部设有上穹顶，进气构件的下部设有下穹顶，上穹顶、下穹顶与进排气构件形成密闭的腔室，反应腔室的一侧外周壁设有进气模块，另一侧外周壁设有排气模块，进气通道与进气模块连接，排气通道与排气模块连接。
作为一个示例，该反应腔室的上穹顶、下穹顶与中间的进排气构件形成密闭的腔室，腔室中设置有基座，基座下部设有旋转轴。在硅外延工艺过程中，晶圆被放置在基座上，承载圆环上承载预热环，反应气体从进排气构件的进气通道被通入至上穹顶与基座之间，预热环对反应气体进行加热，以使腔室内达到工艺所需温度，从而在晶圆表面生长外延层，反应后的气体从进排气构件的排气通道排出。该外延生长设备能够减少反应腔室边缘区域的气体紊流情况，扩大气流的流动空间，使流经晶圆上方气体的更加均匀，改善晶圆表面生长的外延层厚度均匀性，从而保证工艺的一致性。
实施例1
图3示出了根据本发明实施例的进排气构件的气体流动示意图，图4示出了根据本发明实施例的进排气构件的主视图，图5示出了根据本发明实施例的进排气构件的剖视图。
如图3至图5所示，本实施的一种用于外延生长设备的进排气构件，该进排气构件包括环形主体13，沿环形主体13的周向侧壁设置的进气通道8和排气通道9，进气通道8和排气通道9的对称面21为同一平面，且环形主体13的轴线位于该平面内。
进气通道8的纵向截面为折线型，进气通道8的进气口开设于环形主体13的外周壁，进气通道8的出气口开设于与进气通道8的进气口相对应的环形主体13的内周壁，且进气通道8的进气口的轴线和进气通道8的出气口的轴线均平行于环形主体13的端面。如图5所示，折线型的进气通道8包含两个直角，使得进入反应腔室的工艺气体混合均匀并且可以保证水平方向进气。
排气通道9的轴线与环形主体13的端面之间形成倾斜角12，倾斜角12的角度范围为0°～60°。排气通道9的进气口开设于环形主体13的内周壁，排气通道9的出气口开设于与排气通道9的进气口相对应的环形主体13的外周壁，且排气通道9的进气口高于进气通道9的出气口。
进气通道8的出气口与排气通道9的进气口位置相对应，且高度一致。
沿环形主体13的内周壁设有承载圆环11，承载圆环11与环形主体13同轴，且承载圆环11位于进气通道8的出气口和排气通道9的进气口的下方，承载圆环11用于承载预热环。进气通道8具有相互平行的第一侧壁和第二侧壁，排气通道9具有相互平行的第三侧壁和第四侧壁，第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁均与对称面21平行，促进反应腔室内气流流向的一致性，减少边缘紊流区对晶圆上方气流场的影响。
排气通道9的宽度h2大于或等于进气通道8的宽度h1。排排气通道9沿环形主体13径向的宽度h2不小于晶圆直径d，即40mm≤(h2-d)≤180mm；进气通道8沿环形主体13径向的宽度h1不小于晶圆直径d，即h1-d≥40mm，使进入反应腔室的工艺气体均匀流过晶圆表面，提高外延生长的均匀性。
本实施例的进排气构件将进气通道和排气通道设置于一个整体的圆环主体上，消除现有技术中分体式构件由于装配间隙而导致在腔室内的边缘区气体紊流，本实施例的反应腔室边缘的工艺气流均匀，紊流区域远离晶圆边缘，如图3所示；扩大气流的流动空间，减少边缘紊流区对晶圆上方气流场的影响，保证晶圆上方气体的均匀性，改善晶圆表面生长的外延层厚度的均匀性。
实施例2
图6示出了根据本发明实施例的反应腔室的结构示意图。
如图6所示，本实施的一种用于外延生长设备的进排气构件，外延生长设备，包括反应腔室15和实施例1所述的进排气构件，进排气构件水平设置于反应腔室15内，进排气构件的外周壁与反应腔室15的内周壁连接，进排气构件的上部设有上穹顶16，下部设有下穹顶17，上穹顶、下穹顶与进排气构件形成密闭的腔室，反应腔室15的一侧外周壁设有进气模块18，另一侧外周壁设有排气模块19，进气通道8与进气模块18连接，排气通道9与排气模块19连接。
本实施例反应腔室的上穹顶16、下穹顶17与中间的进排气构件形成密闭的腔室，腔室中设置有基座，基座下部设有旋转轴20。在硅外延工艺过程中，晶圆14被放置在基座上，承载圆环11上承载预热环，反应气体从进排气构件的进气通道8被通入至上穹顶16与基座之间，预热环对反应气体进行加热，以使腔室内达到工艺所需温度，从而在晶圆14表面生长外延层，反应后的气体从进排气构件的排气通道9排出。
以上已经描述了本发明的实施例，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实施例。在不偏离所说明的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。

Claims (9)

1.一种用于外延生长设备的进排气构件，其特征在于，所述进排气构件包括环形主体（13），沿所述环形主体（13）的周向侧壁设置的进气通道（8）和排气通道（9），所述进气通道（8）和所述排气通道（9）的对称面（21 ）为同一平面，且所述环形主体（13）的轴线位于所述平面内，所述环形主体（13）为整体结构件，能够消除分体式进排气构件的装配间隙，减少反应腔室边缘区域的气体紊流，所述进气通道（8）的出气口与所述排气通道（9）的进气口位置相对应，且高度一致。
2.根据权利要求1所述的用于外延生长设备的进排气构件，其特征在于，所述进气通道（8）包括沿所述环形主体（13）平行且等距离设置的多个通孔。
3.根据权利要求1所述的用于外延生长设备的进排气构件，其特征在于，所述进气通道（8）的纵向截面为折线型，所述进气通道（8）的进气口开设于所述环形主体（13）的外周壁，所述进气通道（8）的出气口开设于与所述进气通道（8）的进气口相对应的所述环形主体（13）的内周壁，且所述进气通道（8）的进气口的轴线和所述进气通道（8）的出气口的轴线均平行于所述环形主体（13）的端面。
4.根据权利要求3所述的用于外延生长设备的进排气构件，其特征在于，所述排气通道（9）的轴线与所述环形主体（13）的端面之间形成倾斜角（12），所述排气通道（9）的进气口开设于所述环形主体（13）的内周壁，所述排气通道（9）的出气口开设于与所述排气通道（9）的进气口相对应的所述环形主体（13）的外周壁，且所述排气通道（9）的进气口高于所述进气通道（9）的出气口。
5.根据权利要求4所述的用于外延生长设备的进排气构件，其特征在于，沿所述环形主体（13）的内周壁设有承载圆环（11），所述承载圆环（11）与所述环形主体（13）同轴，且所述承载圆环（11）位于所述进气通道（8）的出气口和所述排气通道（9）的进气口的下方，所述承载圆环（11）用于承载预热环。
6.根据权利要求1所述的用于外延生长设备的进排气构件，其特征在于，所述进气通道（8）具有相互平行的第一侧壁和第二侧壁，所述排气通道（9）具有相互平行的第三侧壁和第四侧壁，所述第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁均与所述对称面（21）平行。
7.根据权利要求1所述的用于外延生长设备的进排气构件，其特征在于，所述排气通道（9）沿所述环形主体（13）径向的宽度h2大于或等于所述进气通道（8）沿所述环形主体（13）径向的宽度h1。
8.根据权利要求4所述的用于外延生长设备的进排气构件，其特征在于，所述倾斜角（12）的角度范围为0°~60°。
9.一种外延生长设备，包括反应腔室（15）和根据权利要求1-8中任意一项所述的进排气构件，所述进排气构件水平设置于所述反应腔室（15）内，所述进排气构件的外周壁与所述反应腔室（15）的内周壁连接，所述进排气构件的上部设有上穹顶（16），下部设有下穹顶（17），所述上穹顶、下穹顶与所述进排气构件形成密闭的腔室，所述反应腔室（15）的一侧外周壁设有进气模块（18），另一侧外周壁设有排气模块（19），所述进气通道（8）与进气模块（18）连接，所述排气通道（9）与所述排气模块（19）连接。
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