CN112687596A - 晶舟、工艺腔室及半导体工艺设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种晶舟、工艺腔室及半导体工艺设备，该晶舟包括支撑架，支撑架具有多个间隔设置的放片位，晶舟还包括导气通道，导气通道具有至少一个进气口和多个出气口，进气口与气源连通，每个放片位至少对应一个出气口，出气口的出气方向朝向与之对应的放片位的中心区域。应用本发明可以提高wafer片内均匀性及晶舟的利用率。

Description

晶舟、工艺腔室及半导体工艺设备

技术领域

本发明涉及半导体工艺技术领域，具体地，涉及一种晶舟、工艺腔室及半导体工艺设备。

背景技术

随着集成电路制造技术的不断进步，对特征尺寸的需求不断缩小，对集成电路制造领域的设备各项性能、工艺指标提出了更加严格的要求。其中，随着器件线宽尺寸的不断缩小，为了保证更好地产品一致性和良率，对成膜的结果尤其是均匀性提出了更高的要求。特别是立式炉设备单次同时处理大量产品晶片(如，直径12寸，晶片数100～125pcs)，在满足片内厚度均匀性的同时，需要同时保证纵向所有产品晶片(wafer)的片间厚度的均匀性，以满足同一批次处理产品的一致性。

现有技术中，通常将多个晶片间隔叠置于晶舟中，再将盛有晶片的晶舟放置在工艺腔室中进行工艺。但是，采用现有的晶舟和工艺腔室，经常出现wafer片内均匀性差的问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种晶舟、工艺腔室及半导体工艺设备，以提高wafer片内均匀性。

为实现本发明的目的，第一方面提供一种晶舟，包括支撑架，所述支撑架具有多个间隔设置的放片位，所述晶舟还包括导气通道，所述导气通道具有至少一个进气口和多个出气口，所述进气口与气源连通，每个所述放片位至少对应一个所述出气口，所述出气口的出气方向朝向与之对应的所述放片位的中心区域。

可选地，所述导气通道包括主导气道和与所述主导气道连通的多个支导气道，所述主导气道的入口用作所述导气通道的进气口；每个所述放片位至少对应一个所述支导气道，每个所述支导气道均包括至少一个所述出气口。

可选地，所述支导气道上的所述出气口的口径，沿远离所述主导气道的入口方向依次增大。

可选地，所述支撑架包括多个支撑件和用于连接相邻两个所述支撑件的连接件，多个所述支撑件间隔设置，每个所述支撑件具有多个沿所述支撑件的高度方向间隔设置的所述放片位。

可选地，还包括导气组件，所述导气组件包括主导气件和与所述主导气件连接的多个支导气件，所述主导气件内设置所述主导气道，每个所述支导气件内设置所述支导气道；

所述主导气件沿所述支撑件的高度方向设置，多个所述支导气件沿所述支撑件的高度方向间隔设置，且每个所述支导气件均沿所述放片位的周向设置。

可选地，每个所述支导气件均固定在所述支撑件上，且位于多个所述支撑件和所述连接件围合成的内部空间，用于承载所述晶片。

可选地，所述支导气件靠近所述放片位的中心的面为弧面，且在所述弧面上沿所述支导气件的周向间隔设置多个所述出气口。

为实现本发明的目的，第二方面提供一种工艺腔室，包括腔室主体和设置在所述腔室主体内的晶舟，所述晶舟为第一方面所述的晶舟。

可选地，所述晶舟的导气通道为两个，所述腔室主体的底部设有两个进气通道；

所述工艺腔室内还设有两个进气导管，两个所述进气导管分别与两个所述进气通道连通，并分别与两个所述导气通道的进气口连通。

可选地，还包括保温桶，所述保温桶设置在所述腔室主体内，并位于所述晶舟的下方，所述进气导管穿过所述保温桶与所述导气通道的所述进气口连通。

为实现本发明的目的，第三方面提供一种半导体工艺设备，包括工艺腔室，所述工艺腔室为第二方面所述的工艺腔室。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的晶舟，不仅具有承载晶片的支撑架，还设置有导气通道，该导气通道包括主导气道和与主导气道连通的多个支导气道，且支导气道的出气口的出气方向朝向放片位的中心区域，可以将工艺气体输送至晶片的中心区域，以有效增加晶片中心区域的进气量，使工艺气体在晶片表面的各个区域的分布更加均匀，从而提高晶片的片内均匀性。

附图说明

图1为采用目前的晶舟得到的wafer片内厚度分布示意图；

图2为目前晶舟内不同位置的wafer片内气体浓度与工艺后wafer的成膜厚度；

图3为本发明实施例提供的晶舟的俯视结构示意图；

图4为图3中A-A处的剖视结构示意图；

图5为图4中B处的局部放大结构示意图。

图6为采用本发明实施例提供的晶舟得到的wafer片内厚度分布示意图；

图7为本发明实施例提供的晶舟内不同位置的wafer片内气体浓度与工艺后wafer的成膜厚度；

图8为本发明实施例提供的工艺腔室的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的保温桶的俯视结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明，本发明的实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。此外，如果已知技术的详细描述对于示出的本发明的特征是不必要的，则将其省略。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”和“该”也可包括复数形式。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

下面结合附图以具体的实施例对本发明的技术方案以及本发明的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。

本实施例对晶舟的结构进行研究分析，发现：采用目前的晶舟进行工艺时，工艺气体通常仅沿wafer两侧的空间纵向流动，而无wafer水平方向的气体导入配置，导致进入wafer中心区域水平方向的气体不足，从而使得wafer片内均匀性较差，如图1所示，图1为采用目前的晶舟得到的wafer片内厚度分布示意图，图中箭头所示为气体流动方向。且由于现有晶舟无水平调节功能的结构限制，很难通过参数优化对上述wafer片内均匀性较差的现象进行改善。同时，纵向区域只能通过炉体在纵向的不同温区调节，调整能力有限，使得晶舟内沿纵向不同wafer位置处的气体浓度与工艺后wafer成膜厚度均沿着气体流动方向逐渐降低，如图2所示，图2为目前晶舟内不同位置的wafer片内气体浓度与工艺后wafer的成膜厚度。所以，在工艺规格愈加严格的条件下需要依据工艺要求严格程度选择气流分布更均匀、成膜效果较好的纵向区域来放置产品片，其他区域以挡片填充，如此，极大地缩小了腔室内部有效成膜区域，从而导致机台的产能和设备利用率大幅度降低。

鉴于上述问题，本实施例提供一种晶舟，该晶舟100配设有沿晶片200径向的气体导入结构，可以将工艺气体输送至晶片200的中心区域，以提高晶片200的片内均匀性。

如图3和图4所示，本实施例提供的晶舟100包括支撑架和导气通道，其中，支撑架具有多个间隔设置的放片位，该放片位用于承载晶片。导气通道可以具有至少一个进气口211和多个出气口23，进气口211与气源连通，每个放片位至少对应一个出气口23，出气口23的出气方向朝向与之对应的放片位的中心区域。其中，放片位可以理解为用于放置晶片200的位置，放片位的中心区域可以理解为多个放片位组成的整体的中心区域。

本实施例提供的晶舟100，不仅具有承载晶片的支撑架，还设置有导气通道，该导气通道的出气口23的出气方向朝向放片位的中心区域，可以将工艺气体输送至晶片的中心区域，以有效增加晶片中心区域的进气量，使工艺气体在晶片表面的各个区域的分布更加均匀，从而提高晶片的片内均匀性，如图6所示。

于本实施例一具体实施方式中，导气通道可以包括主导气道21和与主导气道21连通的多个支导气道22，主导气道21的入口用作导气通道的进气口211，主导气道21用于向支导气道22输送工艺气体。每个放片位至少对应一个支导气道22，每个支导气道22均包括至少一个上述出气口23。如此，通过主导气道21向支导气道22输送的工艺气体，可以从各出气口23喷出，并朝向与之对应的各放片位的中心区域运动，以实现增加晶片中心区域进气量的目的。

需要说明的是，上述导气通道的结构只是本实施例的一种较佳的实施方式，本实施例并不以此为限，例如，导气通道也可以仅包括一条沿晶舟高度方向设置的导气道，并对应每个放片位开设至少一个朝向放片位中心区域的出气口。

进一步地，支导气道22上的出气口23的直径，沿远离主导气道21的进气口211方向(沿纵向从下往上)依次增大。例如，出气口23的半径可以为几毫米，沿纵向从上往下共五个出气口23的半径分别为R5、R4、R3、R2、R1，则五个出气口23的半径可以优选为R5＝1.8mm；R4＝1.6mm；R3＝1.4mm；R2＝1.2mm；R1＝1mm，如此，可依次增大晶舟100顶部区域的进气能力，达到最优的晶片200纵向片间厚度均匀性效果，从而避免晶片200的厚度在纵向温区之间呈现逐渐减薄的斜率分布(如图2所示)，使得所有晶片200的厚度在纵向温区之间呈现一致的直线分布(如图7所示)。

如图4所示，支撑架可以包括三个支撑件11和用于连接相邻两个支撑件11的连接件，三个支撑件11相互间隔设置，每个支撑件11具有多个沿支撑件11的高度方向间隔设置的放片位。导气通道可设置在支撑件11上，且位于放片位的外侧，以避免与放片位发生干扰，影响晶片的放置。

其中，支撑件11可以是实心或空心的柱状体结构，三个支撑件11可均竖直设置(当晶舟100竖直放置时)，并呈三角形等距间隔，以围合成晶片的放片区域(在放片区域形成放片位)，且采用三个支撑件11相互连接，结构更加稳定。如图4所示，该支撑架还可以包括用作上述连接件的顶板12和底板13及用作支撑架的整体支撑的底座14，其中，顶板12和底板13可相对设置，并分别位于支撑件11的顶部和底部，可分别在边缘与支撑件11焊接相连，底座14可以设置多个，可分别焊接于底板13的下面，用于支撑上面的支撑件11、底板13、顶板12、上述导气通道及晶片。另外，可在支撑件11靠近放片区域的一侧设置凹槽或向放片区域凸出的凸块，用作上述放片位，以支撑晶片。

于本实施例一具体实施方式，如图3和图4所示，该晶舟100还可以包括导气组件，导气组件可设置在支撑件11上，导气通道可设置在导气组件上，如此，单独设置导气组件，将导气通道设置在导气组件上，可以便于安装和维修，也便于调整导气口的位置，可使得工艺气体在晶舟100及晶片200表面的分布更加均匀。进一步地，导气组件可以包括两组，且两组导气组件可沿放片位的周向均匀间隔设置，可相对放片位的轴线对称，以能够将支导气道22的出气口23设置在晶片的相对的两个方向，则工艺气体可以从相对的两个方向向晶片的中心区域流动，可以进一步增加晶片中心区域的工艺气体的流量，从而进一步增强晶片表面的气体均匀性。

于本实施例另一具体实施方式，如图3和图4所示，导气组件可以包括主导气件和与主导气件连接的多个支导气件，主导气件可沿支撑件11的高度方向设置，多个支导气件可沿支撑件11的高度方向间隔设置，且每个支导气件可均沿放片位的周向设置。可在主导气件内设置主导气道21，在每个支导气件内设置支导气道22。

如图3和图4所示，可在包括三个支撑件11的支撑架上设置两组导气组件，该两组导气组件可分别固定在两个支撑件11上，且可相对另一支撑件11(没有固定导气组件的支撑件11)对称设置。每组导气组件可均包括一个上述的主导气件和与该主导气件连接的多个支导气件，多个支导气件可沿主导气件的高度方向间隔设置，且主导气件可固定在底板13上，支导气件可固定在支撑件11上，且可位于多个支撑件11和连接件围合成的内部空间，用于承载晶片，即可避免在支撑件11上开设放置晶片的凹槽，从而可提升支撑件11的机械强度。具体地，主导气件和多个支导气件可均为空心结构，以在其内部形成导气道。另外，也可以在支撑件11靠近放片区域的一侧设置柱状凸起(可以但不限于为圆柱状)，以固定和支撑支导气件(未固定支导气件的支撑件11上的柱状凸起可以直接支撑晶片)。

需要说明的是，上述支撑件11和导气通道的设置只是本实施例的一种具体实施方式，本实施例并不以此为限，例如，也可以直接在支撑架中设置导气通道，即可以设置空心的支撑件11，可以在支撑件11的内部开设纵向的主导气道21和多个横向的支导气道22，支导气道22的数量可以与放片位的数量对应(可能不是所有的放片位都使用，所以也可以少于放片位的数量)。另外，本实施例也不限定支撑件11和导气组件的具体材质和数量，例如，导气组件也可以是一组，则该导气组件可设置有环形件或弧形件，以能够在其内部设置一个或多个弧形的支导气道22，继而能够在支导气道22上沿周向设置多个出气口23。导气组件还可以是三组或更多组，只要多组导气组件沿放片位的周向设置，支导气道22上的出气口23的出气方向从不同的方向向晶片的中心区域输送气体即可。

于本实施例另一具体实施方式，如图3和图5所示，支导气件靠近放片位的中心的面为弧面，以与晶片200的圆周相对应，使工艺气体从支导气道22的出气口23到达晶片200中心的距离一致(包括大概一致)，以进一步增强工艺气体在晶片200表面的均匀性，且可以在弧面上沿支导气件的周向间隔设置多个出气口23，通过增加出气口23的数量，以进一步增加晶片200表面的工艺气体的流量，且可以环绕晶片200从不同的位置沿晶片200的径向输送工艺气体，以进一步增强晶片200表面的气体均匀性。其中，支导气件可以为1/4圆环结构，可以放片位的轴线对称设置两个，每个支导气件上可沿晶片200圆周方向均匀布设10个出气口23。如图3所示，1/4圆环结构的支导气件的内径Rn可以小于晶片200的半径R₀，支导气件的外径Rm可以大于晶片200的半径R₀，以使支导气件能够对晶片200进行支撑。例如，在晶舟100用于盛放半径R₀为300nm的晶片200时，1/4圆环结构的支导气件的内径Rn可以小于300nm，外径Rm可以大于300nm，Rm可优选为302mm，Rn可优选为298mm。

需要说明的是，上述支导气件和出气口23的设置只是本实施例的一种具体实施方式，本实施例并不以此为限，例如，支导气件靠近放片位的面也可以是平面，也可以设置多个平面等，出气口23可以是多个，也可以是一个，只要能在晶片200的径向输送工艺气体即可。

基于上述晶舟100实施例相同的构思，如图7所示，本实施例还提供一种工艺腔室，该工艺腔室可以包括腔室主体300和设置在腔室主体300内的晶舟100，晶舟100可以为上述任意一实施方式的晶舟100。

本实施例提供的工艺腔室，包括上述实施例的晶舟100，至少可以实现上述晶舟100的有益效果，在此不再赘述。

于本实施例一具体实施方式，晶舟100可以包括的导气通道为两个，腔室主体300的底部可以设有两个进气通道301；工艺腔室内还设有两个进气导管302，两个进气导管302分别与两个进气通道301连通，并分别与两个导气通道的进气口211连通。如此，在腔室主体300的底部两侧设置进气通道301，从两侧同时导入工艺气体，分别输送至两个导气通道中，工艺气体在导气通道中向上流动，然后从出气口23沿晶片200的径向向晶片200的中心区域喷出，从而有效增加晶片200中心区域的进气量，优化晶片200厚度的片内均匀性。具体地，当工艺气体只有一种或两种的情况下，可以选择从两侧的主导气道21分别进入晶舟100(如果是两种气体，则可以从两侧各通入一种气体)，然后工艺气体从支导气道22喷出后在晶片200表面进行混合反应；如果不需同时通入工艺气体，则可根据各工艺气体的使用顺序选择同时从同一侧的主导气道21依次通入各工艺气体。

其中，主导气道21的直径可以大于进气导管302的内径，以便于工艺气体从进气导管302扩散至导气通道。例如，进气导管302的半径(内径)Rx可以为几毫米，优选为2.5mm，以提高进气能力和预热效果。相应地，导气通道的半径也可以为几毫米，优选为3.5mm。

需要说明的是，本实施例并不以此为限，腔室主体300也可以设置一个进气通道301，可通过管道将气体分别输送至两个导气通道。进气通道301的位置也可以不限于在腔室主体300的底部，只要能将工艺腔室外的工艺气体输送至晶舟100即可。

于本实施例另一具体实施方式，该工艺腔室还可以包括保温桶400，保温桶400可以设置在腔室主体300内，并位于晶舟100的下方，保温桶400的顶壁和底壁上均设置有通过孔401，如图9所示，进气导管302穿过通过孔401与导气通道的进气口211连通，如此，使进气导管302由保温桶400内部通过，同时由于不必留出一侧进气导管302位置可相应增大保温桶400内保温片的尺寸(例如，对于承载半径为300nm晶片200的晶舟100，保温片的半径为可以为360mm)，保温桶400可对工艺气体进行预热，即可将传统保温桶400改进为兼具进气导管302通过与预热功能，并同时能够增强保温能力与保温效果。其中，通过孔401的孔径可稍大于进气导管302的外径，例如，通过孔401的半径Rt可以为进气导管302半径Rx+1，优选地，Rx＝2.5mm，Rt为3.5mm。

如图8所示，该工艺腔室内还可以设置外护管500(如石英管)，该外护管500可以罩扣在晶舟100外，工艺气体从主导气道21的顶部出来后，可以沿晶舟100与外护管500之间的间隙向下运动，直至从工艺腔室的排气管道排出。另外，还可以在腔室主体300的顶部设置保温层，以提高工艺腔室的保温效果。

基于上述晶舟100实施例相同的构思，本实施例还提供一种半导体工艺设备，包括上述实施例提供的工艺腔室。

本实施例提供的半导体工艺设备，包括具有上述晶舟100的工艺腔室，至少能够实现上述晶舟100的有益效果，在此不再赘述。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种晶舟，包括支撑架，所述支撑架具有多个间隔设置的放片位，其特征在于，所述晶舟还包括导气通道，所述导气通道具有至少一个进气口和多个出气口，所述进气口与气源连通，每个所述放片位至少对应一个所述出气口，所述出气口的出气方向朝向与之对应的所述放片位的中心区域。

2.根据权利要求1所述的晶舟，其特征在于，所述导气通道包括主导气道和与所述主导气道连通的多个支导气道，所述主导气道的入口用作所述导气通道的进气口；每个所述放片位至少对应一个所述支导气道，每个所述支导气道均包括至少一个所述出气口。

3.根据权利要求1所述的晶舟，其特征在于，所述支导气道上的所述出气口的口径，沿远离所述主导气道的入口方向依次增大。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的晶舟，其特征在于，所述支撑架包括多个支撑件和用于连接相邻两个所述支撑件的连接件，多个所述支撑件间隔设置，每个所述支撑件具有多个沿所述支撑件的高度方向间隔设置的所述放片位。

5.根据权利要求4所述的晶舟，其特征在于，还包括导气组件，所述导气组件包括主导气件和与所述主导气件连接的多个支导气件，所述主导气件内设置所述主导气道，每个所述支导气件内设置所述支导气道；

所述主导气件沿所述支撑件的高度方向设置，多个所述支导气件沿所述支撑件的高度方向间隔设置，且每个所述支导气件均沿所述放片位的周向设置。

6.根据权利要求5所述的晶舟，其特征在于，每个所述支导气件均固定在所述支撑件上，且位于多个所述支撑件和所述连接件围合成的内部空间，用于承载所述晶片。

7.根据权利要求6所述的晶舟，其特征在于，所述支导气件靠近所述放片位的中心的面为弧面，且在所述弧面上沿所述支导气件的周向间隔设置多个所述出气口。

8.一种工艺腔室，包括腔室主体和设置在所述腔室主体内的晶舟，其特征在于，所述晶舟为权利要求1-7任意一项所述的晶舟。

9.根据权利要求8所述的工艺腔室，其特征在于，所述晶舟的导气通道为两个，所述腔室主体的底部设有两个进气通道；

所述工艺腔室内还设有两个进气导管，两个所述进气导管分别与两个所述进气通道连通，并分别与两个所述导气通道的进气口连通。

10.根据权利要求9所述的工艺腔室，其特征在于，还包括保温桶，所述保温桶设置在所述腔室主体内，并位于所述晶舟的下方，所述进气导管穿过所述保温桶与所述导气通道的所述进气口连通。

11.一种半导体工艺设备，包括工艺腔室，其特征在于，所述工艺腔室为权利要求8-10任意一项所述的工艺腔室。

Images