CN111850515A - 用于外延反应腔室的衬里装置及外延反应腔室 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于外延反应腔室的衬里装置及外延反应腔室，装置包括：下部衬环以及置于下部衬环上方且与下部衬环同轴设置的上部衬环；下部衬环的朝向上部衬环的一面设置有的导气槽和排气槽，导气槽和排气槽沿下部衬环的周向相对设置，且导气槽的导气方向与下部衬环的轴向成角度；上部衬环包括环本体和设置于环本体上的第一延伸部和第二延伸部，第一延伸部自环本体的外边缘朝向导气槽延伸，以与下部衬环配合形成进气部，第二延伸部自环本体的外边缘朝向排气槽延伸，以与下部衬环配合形成排气部。实现使进入到工艺腔室的气流场更加平顺、均匀，提高外延工艺效果。

Description

用于外延反应腔室的衬里装置及外延反应腔室
技术领域
本发明涉及半导体设备技术领域，更具体地，涉及一种用于外延反应腔室的衬里装置及外延反应腔室。
背景技术
在外延生长过程中，腔室气流场均匀性对外延层的各项指标都有很大的影响。
根据化学气相沉积(CVD)工艺技术的反应机理可知：必须使衬底表面附近存在均匀分布的气流场和浓度场才能获得优异的外延工艺结果。根据CVD生长薄膜所需要的掺杂均匀、厚度均匀等要求，要求在生长过程中只有输运到衬底表面各个部位的反应物及掺杂物的速率都相等，气流场保持均匀地平行层流，避免任何波动、湍流和对流涡旋，才能满足薄膜的厚度、电阻率均匀性的要求。
现有技术中，如图1和图2所示，由上部衬环101和下部衬环102共同围成的腔室内部空间的横截面为圆形。反应气体由下部衬环102上的进气端103进入，反应气体供应路径为呈递升的阶级形状，气流需要经过两次垂直的拐弯后，然后流过腔室再从排气端105排出。如图2所示，在下部衬环102的进气端103，导气槽104呈柱型，其壁表面为圆弧形，众多导气槽104沿下部衬环102的圆周排布，并且导气槽104的槽口指向下部衬环102的圆心，即气流均向下部衬环102的圆心汇聚。
该技术中存在以下缺点：
1、工艺气体进入到反应腔室中，需通过由上部衬环101和下部衬环102 进气端103形成的竖直间隙(参考图2)，但在工艺气体穿过两个衬里的竖直间隙时，会冲击到下部衬环102的表面上的圆形竖直导气槽104(参考图 1)的竖直壁面上。气流到达每个导气槽104后，会改变沿直线前进的路线，向每个导气槽104的圆弧形壁表面圆心汇合，然后还要竖直爬升才能到达硅片所在的水平面，气流在这一过程中变成紊流，不利于晶片表面气流场的控制。
2、参考图3，反应腔室106内部为横截面圆形，内部设有硅片107，下部衬环102上的导气槽104排布方向沿径向指向圆心，使工艺气体无法沿平行直线流过反应腔室106。因导气槽104沿径向指向圆心，气体在刚出导气槽进入工艺腔室107内部时，会有向中心聚拢的趋势，随后气体会散开，会碰到圆弧形腔室内壁并反弹回来，对气流场产生扰动(参考图3)，影响硅片107的表面工艺。尤其对于较大尺寸的硅片，气流场在晶片边缘处不均匀且难以调节。
因此需要提出一种用于外延反应腔室的衬里装置，能够使进入到工艺腔的气流场更加平顺均匀且在硅片边缘扰动小，以提高外延工艺效果。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于外延反应腔室的衬里装置及外延反应腔室，实现使进入到工艺腔的气流场更加平顺均匀且在硅片边缘扰动小，以提高外延工艺效果。
为实现上述目的，本发明提出了一种用于外延反应腔室的衬里装置，包括：下部衬环以及置于所述下部衬环上方且与下部衬环同轴设置的上部衬环；
所述下部衬环的朝向所述上部衬环的一面设置有的导气槽和排气槽，所述导气槽和所述排气槽沿所述下部衬环的周向相对设置，且所述导气槽的导气方向与所述下部衬环的轴向成角度；
所述上部衬环包括环本体和设置于所述环本体上的第一延伸部和第二延伸部，所述第一延伸部自所述环本体的外边缘朝向所述导气槽延伸，以与所述下部衬环配合形成进气部，所述第二延伸部自所述环本体的外边缘朝向所述排气槽延伸，以与所述下部衬环配合形成排气部。
可选地，所述上部衬环还包括垂直于所述环本体设置的第一导流部和第二导流部，所述第一导流部和所述第二导流部均设置在所述进气部与所述排气部之间，且所述第一导流部的朝向所述衬里装置中心的表面与所述第二导流部的朝向所述衬里装置中心的表面均与所述环本体的直径方向平行。
可选地，所述导气槽为多个，且相邻所述导气槽之间设置有隔板，所述隔板的顶端设有用于支撑所述第一延伸部的切槽。
可选地，所述隔板的厚度范围为2mm至5mm。
可选地，所述导气槽的导气方向与所述下部衬环的的轴向所形成的角度为30度至60度。
可选地，多个所述导气槽的宽度不同。
可选地，所述导气槽的底部设有过渡弧面。
第二方面，本发明还提出一种外延反应腔室，包括从内到外依次设置的石墨托盘、预热环以及上述第一方面的衬里装置。
可选地，所述石墨托盘上设置有用于承载待加工工件的承载位，所述进气部的宽度大于所述承载位的直径。
可选地，还包括金属基座环，所述金属基座环设于所述下部衬环下方，所述下部衬环的底部边缘沿周向设有等间隔分布的多个支撑凸台，所述多个支撑凸台使所述金属基座环顶面与所述下部衬里底面之间形成用于通入吹扫气体的空隙，所述下部衬环的侧壁外表面沿周向设有环形凹槽，所述环形凹槽用于形成所述吹扫气体流通的吹扫通道。
本发明的有益效果在于：
下部衬环的导气槽和排气槽相对，上部衬环的第一延伸部和第二延伸部分别与导气槽和排气槽配合形成进气部和排气部，进气部和排气部可以使进入反应腔室的反应气体气流沿直线运动，气槽的导气方向与所述下部衬环的轴向成角度，即倾斜设置，可以使气流导气槽平顺地进入工艺腔，在进入反应腔室过程中不会产生絮流，能够使气流在硅片表面更加平稳，提高工艺效果。
进一步地，通过在上部衬环的内部沿进气部与排气部之间设置垂直于环本体且互相平行的第一导流部和第二导流部，能够限制气流只朝向排气部流动，避免了气流在下部衬环与上部衬环围成的空间内发生反射和扰动，可以保证整个待加工工件表面处于一个较为均匀的气流场中。
进一步地，进气部的宽度大于承载位的直径，能够使反应气体的气流场在工件表面的分布更加均匀，使工件的电阻率、厚度等性能指标均匀可控，进一步提高工艺效果。
本发明的装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了现有的一种反应腔室中的下部衬环结构示意图。
图2示出了现有的一种反应腔室中的工艺气体进气路径剖视图。
图3示出了现有的一种反应腔室中的气流场示意图。
图4示出了根据本发明的一个实施例的一种用于外延反应腔室的衬里装置的整体结构示意图。
图5示出了根据本发明的一个实施例的一种用于外延反应腔室的衬里装置中的下部衬环进气部一侧的正视图。
图6示出了根据本发明的一个实施例的一种用于外延反应腔室的衬里装置中的下部衬环的俯视图。
图7示出了图6中下部衬环沿A-A方向的剖视图。
图8示出了图7中下部衬环I处的导气槽细节放大图。
图9示出了图7中下部衬环II处的环形凹槽细节放大图。
图10示出了根据本发明的一个实施例的一种用于外延反应腔室的衬里装置中的上部衬环的俯视图。
图11示出了图10中上部衬环沿A-A方向的剖视图。
图12示出了根据本发明的一个实施例的一种外延反应腔室的内部结构示意图。
图13示出了图12中外延反应腔室沿A-A方向的剖视图。
图14示出了图13中外延反应腔室的进气部IV处的细节放大图。
图15示出了根据本发明的一个实施例的一种外延反应腔室中下部衬环与金属基座环的示意图。
图16示出图15中III处的支撑凸台细节放大图。
具体实施方式
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例，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例所限制。相反，提供这些实施例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4示出了根据本发明的一个实施例的一种用于外延反应腔室的衬里装置的整体结构示意图。
如图4所示，一种用于外延反应腔室的衬里装置，包括：上部衬环1 和下部衬环2，上部衬环1置于下部衬环2上方且与下部衬环2同轴设置；
结合图5至图8所示，下部衬环2的朝向上部衬环1的一面设置有的导气槽5和排气槽6，导气槽5和排气槽6沿下部衬环的周向相对设置，且导气槽5的导气方向与下部衬环2的轴向成角度；
如图11所示，上部衬环1包括环本体和设置于环本体上的第一延伸部 14和第二延伸部15，第一延伸部14自环本体的外边缘朝向导气槽5延伸，以与下部衬环2配合形成进气部4，第二延伸部15自环本体的外边缘朝向排气槽6延伸，以与下部衬环2配合形成排气部3。
具体地，上部衬环1的第一延伸部14和第二延伸部15分别与导气槽5 和排气槽6配合形成进气部4和排气部3，进气部4和排气部3相对设置可以使进入反应腔室的反应气体气流沿直线运动，导气槽5的导气方向与下部衬环的轴向成角度(参考图7和图8)，即导气槽5倾斜设置，可以使气流沿导气槽平顺地进入工艺腔，在进入反应腔室过程中不会产生紊流，有效控制气流场，提高工艺效果。
进一步地，下部衬环2和上部衬环1均为石英材质，能够围成一个用于水平放置待加工工件(例如硅片)的石英腔室空间。其中，上部衬环1 边缘对应下部衬环导气槽5和排气槽6的区域，都有向下延伸出来的突边，即第一延伸部14和第二延伸部15。结合图4和图8以及图11，上部衬环1 放置在下部衬环2的顶部，上部衬环1边缘的第一延伸部14扣在下部衬环 2多个隔板7顶部的切槽8上，上部衬环1对应排气槽6边缘的第二延伸部 15扣在下部衬环2排气槽6上，并与排气槽6顶面形成用于气体流出的空隙(即排气部3)。上部衬环1边缘的其他区域同样能够与上部衬环1边缘配合，使上部衬环1与下部衬环2相互扣在一起，形成气流进入外延反应腔室的进气部4和排气部3。
本实施例中，如图10所示，上部衬环1还包括垂直于环本体设置的第一导流部16和第二导流部17，第一导流部16和第二导流部17均设置在进气部4与排气部3之间，且第一导流部16的朝向衬里装置中心的表面与第二导流部17的朝向衬里装置中心的表面均与环本体的直径方向(即图10 中A-A剖线)平行。
具体地，参考图10，通过在上部衬环1的内部沿进气部4与排气部3 之间设置垂直于环本体且互相平行的第一导流部16和第二导流部17，能够限制气流只能沿与第一导流部16和第二导流部17的平直壁面平行的方向流过反应腔室，并只朝向排气部3流动，避免了气流在下部衬环2与上部衬环1围成的空间内发生反射和扰动，可以保证整个待加工工件表面处于一个较为均匀的气流场中，保证了气流场的均匀分布和可控性。
参考图6和图8，本实施例中，下部衬环2的导气槽5为多个，且相邻的导气槽5之间具有隔板7，隔板7的顶端设有用于支撑第一延伸部的切槽 8。
具体地，导气槽5的个数为多个，相邻导气槽5之间通过隔板7隔开，隔板为石英材质，多个隔板7互相平行，且每个隔板7垂直于下部衬环2 的本体并平行于下部衬环的直径方向(即图6中的A-A方向)，能够保证从每个导气槽5流出的气流都可以沿直线吹向排气槽6，多个导气槽5之间的气流基本不会产生互相干扰的絮流。优选地，隔板7的厚度为2mm至5mm。
进一步地，导气槽5的个数应大于3个，从图5和图6中可以看出，本实施例中多个导气槽5的排布方式，可以看出位于中间的导气槽5吹出的气流所流经的长度最长，因此可以将位于中间的导气槽5的宽度设置的最宽，向两侧分布的导气槽5可以逐渐变窄，以此能够均衡整个被加工的工件表面不同区域的气流流量。以此能够保证流经工件整个表面的气流量均匀分布，即能够使工件表面每处的气流量都基本相等，以此提高工艺效果。
在其他实施例中，多个导气槽5的宽度也可以设置为相等，此种情况可以设置从中间向两侧分布的导气槽5的高度逐渐递减，可以达到相同的效果。
参考图7和图8，本实施例中，导气槽5的导气方向(即导气槽5的槽壁面)与下部衬环的的轴向所形成的角度为30度至60度。且导气槽5的底部设有过渡弧面。
具体地，导气槽5主体为斜面，斜面与下部衬环2的轴向形成的夹角α优选为30度至60度。同时，导气槽5底部设有过渡弧面10，优选圆弧面，圆弧面在竖直方向剖面的半径优选为5mm至20mm。通过设置过渡弧面10以及倾斜的导气槽5，能够使工艺气体接触到导气槽5后，能够缓冲工艺气体的气流，气流可以沿导气槽5平顺地进入工艺腔，同时气流也不会冲击导气槽的槽壁，能够延长下部衬环的使用寿命。
图12示出了根据本发明的一个实施例的一种外延反应腔室的内部结构示意图。图13示出了图12中外延反应腔室沿A-A方向的剖视图。
如图12和图13所示，一种外延反应腔室，包括从内到外依次设置的石墨托盘12、预热环11以及上述实施例的外延衬里装置。
具体地，参考图12，本实施例的外延反应腔室包含了下部衬环2、上部衬环1、预热环11、石墨托盘12，其中，石墨托盘12上设置有用于承载待加工工件的承载位13，进气部4和排气部3的宽度大于承载位13的直径。上部衬环1与下部衬环2相互扣在一起，能够在两端形成气流进入和排出外延工艺腔室的通道。
如图14所示，工艺气体通过下部衬环2的导气槽5与上部衬环1的第一延伸部14形成的气流通道，然后平行且均匀地流过工件表面。
具体实施过程中，进气部4(多个导气槽5和多个隔板7的总宽度)和排气部3(或排气槽6)的宽度应大于承载位的直径，即大于工件(如硅片) 的直径，以保证流入的反应气体可覆盖整个工件表面，本实施例中，进气部4和排气部3的宽度相同，且比承载位13的直径大20mm至80mm。
结合图15、图16以及图9，本实施例中，还包括金属基座环18，金属基座环18设于下部衬环2下方，下部衬环2的底部边缘沿周向设有等间隔分布的多个支撑凸台19，多个支撑凸台19使金属基座环18顶面与下部衬环2底面之间形成用于通入吹扫气体的空隙，下部衬环2侧壁外表面沿周向设有环形凹槽9，环形凹槽形成用于吹扫气体流通的吹扫通道。
具体地，参考图9和图15，在下部衬环2的外壁上沿周向设有环形凹槽9(环绕一周的凹槽)形成的气体吹扫通道，吹扫通道的作用是利用吹扫气体隔绝工艺气体接触下部衬环2下方外侧的金属基座环3，减少对金属基座环3的腐蚀。
参考图15和图16，在下部衬环2的外侧壁底部，有均布的支撑凸台 19。支撑凸台19将下部衬环2垫起，使下部衬环2底部与金属基座环3顶部之间形成缝隙，使吹扫气体可以从该缝隙中排出到下部衬环2的下方，然后通过设置于下部衬环2侧壁上靠近排气部3的若干小孔，从排气部3 排出。
综上，本发明的用于外延反应腔室的衬里装置，通过下部衬环2倾斜设置的导气槽5以及上部衬环1内部的第一导流部16、第二导流部17能够使进入到工艺腔室内的气流场更加平顺均匀，气流近似直线运动，避免在工件边缘扰动，实现对工件的电阻率、厚度、均匀性等性能指标的有效控制，有效提高工艺效果。
以上已经描述了本发明的各实施例，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。

Claims (10)

1.一种用于外延反应腔室的衬里装置，其特征在于，包括：下部衬环以及置于所述下部衬环上方且与所述下部衬环同轴设置的上部衬环；
所述下部衬环的朝向所述上部衬环的一面设置有的导气槽和排气槽，所述导气槽和所述排气槽沿所述下部衬环的周向相对设置，且所述导气槽的导气方向与所述下部衬环的轴向成角度；
所述上部衬环包括环本体和设置于所述环本体上的第一延伸部和第二延伸部，所述第一延伸部自所述环本体的外边缘朝向所述导气槽延伸，以与所述下部衬环配合形成进气部，所述第二延伸部自所述环本体的外边缘朝向所述排气槽延伸，以与所述下部衬环配合形成排气部。
2.根据权利要求1所述的用于外延反应腔室的衬里装置，其特征在于，所述上部衬环还包括垂直于所述环本体设置的第一导流部和第二导流部，所述第一导流部和所述第二导流部均设置在所述进气部与所述排气部之间，且所述第一导流部的朝向所述衬里装置中心的表面与所述第二导流部的朝向所述衬里装置中心的表面均与所述环本体的直径方向平行。
3.根据权利要求1所述的用于外延反应腔室的衬里装置，其特征在于，所述导气槽为多个，且相邻所述导气槽之间设置有隔板，所述隔板的顶端设有用于支撑所述第一延伸部的切槽。
4.根据权利要求3所述的用于外延反应腔室的衬里装置，其特征在于，所述隔板的厚度范围为2mm至5mm。
5.根据权利要求1所述的用于外延反应腔室的衬里装置，其特征在于，所述导气槽的导气方向与所述下部衬环的的轴向所形成的角度为30度至60度。
6.根据权利要求3所述的用于外延反应腔室的衬里装置，其特征在于，多个所述导气槽的宽度不同。
7.根据权利要求1所述的用于外延反应腔室的衬里装置，其特征在于，所述导气槽的底部设有过渡弧面。
8.一种外延反应腔室，其特征在于，包括从内到外依次设置的石墨托盘、预热环以及如权利要求1至8任意一项所述的用于外延反应腔室的衬里装置。
9.根据权利要求8所述的外延反应腔室，其特征在于，所述石墨托盘上设置有用于承载待加工工件的承载位，所述进气部的宽度大于所述承载位的直径。
10.根据权利要求9所述的外延反应腔室，其特征在于，还包括金属基座环，所述金属基座环设于所述下部衬环下方，所述下部衬环的底部边缘沿周向设有等间隔分布的多个支撑凸台，所述多个支撑凸台使所述金属基座环顶面与所述下部衬里底面之间形成用于通入吹扫气体的空隙，所述下部衬环的侧壁外表面沿周向设有环形凹槽，所述环形凹槽用于形成所述吹扫气体流通的吹扫通道。
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