CN112831771A - 一种化学气相沉积用的非金属反应腔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种化学气相沉积用的非金属反应腔，包括：中空的壳体，所述反应腔的主体形状为具有中心轴的镜向对称体；所述中空的壳体的两侧具有有进气口、排气口和/或操作口；所述中空的壳体的顶面和/或底面为向外凸起的拱形。

Description

一种化学气相沉积用的非金属反应腔

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域。具体而言，本发明涉及一种化学气相沉积用的非金属反应腔及其使用方法。

背景技术

现代半导体工厂的设备安放在高洁净度的超净厂房内。百级千级的超净厂房的建设和使用费用非常高昂。因此作为芯片工厂的用户，希望使用的芯片制造设备尽可能小的占地面积下获得尽可能大的产能。

美国专利5261960公开一种用于CVD系统的反应腔，如图1所示。反应腔具有矩形横截面。晶圆基座安装在矩形横截面区域中。

图2示出现有的反应腔的截面示意图。图3示出现有的反应腔的立体剖面示意图。基座201 和晶圆202从反应腔203的一侧放入其中。反应气体204从反应腔203的一侧放入其中。加热器 205放置在反应腔的外部。

在上述及其它各种现有化学气相沉积设备中，大量采用高纯石英(硅)管作为反应腔。需要将加工用的衬底、晶舟和各种传感器从石英管的一端放入，才能进行生产。当维修或者维护的时候，同样从石英管的一端将前述衬底、晶舟、基座各种传感器等拆卸。即，设备在石英管的一端，需要提供足够的净空间(不小于衬底、晶舟或者基座的大小)才能保证日常的正常运行。如果石英管为水平布置的时候，装入衬底、晶舟或者基座所需要的维护空间占据了更多的横向空间，从而使得此类化学气相沉积设备占据了更大的投影面积，从而大幅度提高芯片厂的建设和使用成本。

此外现代芯片制造设备大量使用了称为集簇式的多反应腔设计，石英管导致单个反应腔的占地面积加大，从而使得集蔟式的设计也体积庞大，甚至难以集成为多腔的集簇式设备。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，根据本发明的一个方面，提供一种化学气相沉积用的非金属反应腔，包括：

中空的壳体，所述反应腔的主体形状为具有中心轴的镜向对称体；

所述中空的壳体的两侧具有有进气口、排气口和/或操作口；

所述中空的壳体的顶面和/或底面为向外凸起的拱形。

在本发明的一个实施例中，所述中空的壳体的顶部或底部具有开口，所述反应腔还包括盖子，所述盖子覆盖所述开口，所述盖子的边缘与中空的壳体的开口边缘重叠，重叠的部分为密封面，在密封面之间设置密封圈，实现密封。

在本发明的一个实施例中，所述中空的壳体和盖子的材料是石英、硅或陶瓷。

在本发明的一个实施例中，所述反应腔的主体形状为立方体，所述反应腔沿水平方向放置，具有前、后、左、右四个侧面，所述反应腔的左右两侧设置有两个侧门、进气口、排气口和/或操作口。

在本发明的一个实施例中，反应腔的顶部拱形从前后两侧对称向上凸起，在前后两侧的中线处最高，作为顶部拱形的中心线，

反应腔的底部拱形从左右两侧对称向上凸起，在左右两侧的中线处最高，作为底部拱形的中心线，顶部拱形的中心线与底部拱形的中心线互相垂直。

在本发明的一个实施例中，反应腔的顶部拱形从前后两侧对称向上凸起，在前后两侧的中线处最高，作为顶部拱形的中心线，

反应腔的底部拱形从前后两侧对称向上凸起，在前后两侧的中线处最高，作为底部拱形的中心线，顶部拱形的中心线与底部拱形的中心线互相平行。

在本发明的一个实施例中，反应腔的顶部拱形从左右两侧对称向上凸起，在左右两侧的中线处最高，作为顶部拱形的中心线，

反应腔的底部拱形从左右两侧对称向上凸起，在左右两侧的中线处最高，作为底部拱形的中心线，顶部拱形的中心线与底部拱形的中心线互相平行。

在本发明的一个实施例中，反应腔的顶部拱形从左右两侧对称向上凸起，在左右两侧的中线处最高，作为顶部拱形的中心线，

反应腔的底部拱形从前后两侧对称向上凸起，在前后两侧的中线处最高，作为底部拱形的中心线，顶部拱形的中心线与底部拱形的中心线互相平行。

在本发明的一个实施例中，化学气相沉积用的非金属反应腔还包括：设置在反应腔的拱形顶面且与顶面中心线平行的线加热器和设置在反应腔的拱形底面且与底面中心线平行的线加热器。

在本发明的一个实施例中，化学气相沉积用的非金属反应腔还包括：设置在反应腔的拱形顶面且与顶面中心线平行的加强筋和设置在反应腔的拱形底面且与底面中心线平行的加强筋。

在本发明的一个实施例中，化学气相沉积用的非金属反应腔还包括：设置在反应腔的拱形顶面且与顶面中心线垂直的加强筋和设置在反应腔的拱形底面且与底面中心线垂直的加强筋。

附图说明

为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出根据现有技术的反应腔的截面示意图。

图2示出现有的反应腔的截面示意图。

图3示出现有的反应腔的立体剖面示意图。

图4A示出根据本发明的一个实施例的反应腔400的俯视图。

图4B示出根据本发明的一个实施例的反应腔400的侧视图。

图4C示出根据本发明的一个实施例的反应腔400沿B-B的截面图。

图5A示出根据本发明的另一个实施例的反应腔500的仰视图。

图5B示出根据本发明的一个实施例的反应腔500的侧视图。

图5C示出根据本发明的一个实施例的反应腔500沿B-B的截面图。

图6A示出根据本发明的一个实施例的具有冷却装置和突出耳部的反应腔600的俯视图。

图6B示出根据本发明的一个实施例的具有冷却装置和突出耳部的反应腔600的侧视图。

图6C示出根据本发明的一个实施例的具有冷却装置和突出耳部的反应腔600沿B-B的截面图。

图7A和图7B示出图6A至图6C中的冷却装置620和O型圈610的示意图。

图8示出根据本发明的一个实施例的反应腔800的立体分解示意图。

图9A示出根据本发明的一个实施例的具有弧形顶部和底部的反应腔900的俯视图。

图9B示出根据本发明的一个实施例的反应腔900的侧视图。

图9C示出根据本发明的一个实施例的反应腔900沿B-B的截面图。

图10A示出根据本发明的一个实施例的带有拱形和加强筋的反应腔的立体示意图。

图10B示出根据本发明的一个实施例的带有拱形和加强筋的反应腔的立体示意图。

图10C示出根据本发明的一个实施例的带有拱形和加强筋的反应腔的立体示意图。

图10D示出根据本发明的一个实施例的带有拱形和加强筋的反应腔的立体示意图。

图11示出基座未旋转和以30rpm转速旋转情况下单片的温度等温线示意。

图12A示出根据本发明的一个实施例的化学气相沉积系统的示意图。

图12B示出根据本发明的一个实施例的化学气相沉积系统的示意图。

图13示出根据本发明的一个实施例的反应腔内放置两个基座的截面示意图和俯视图。

图14示出了根据本发明的一个实施例的两个基座邻接处的局部示意图。

图15示出了根据本发明的另一个实施例的两个基座邻接处的局部示意图。

图16示出了根据本发明的又一个实施例的两个基座邻接处的局部示意图。

图17A示出根据本发明的一个实施例的在基座前端增加鳍片的俯视图。

图17B示出根据本发明的一个实施例的在基座前端增加鳍片的截面图。

图17C示出根据本发明的一个实施例的在基座前端增加鳍片的仰视图。

图18示出根据本发明的一个实施例的鳍片与基座组装的示意图。

图19示出根据本发明的另一个实施例的鳍片与基座组装的示意图。

图20示出根据本发明的一个实施例的在基座中心距最小化的基座俯视图、截面图、正视图和仰视图。

图21示出基座中心距最小化的基座连接部分的局部放大图。

图22示出根据本发明的一个实施例的相邻基座的连接为斜线的基座俯视图、截面图、正视图和仰视图。

图23示出根据本发明的一个实施例的反应腔2300的俯视图、截面图和立体图。

图24示出图23所示反应腔的一个变型的俯视图、截面图和立体图。

图25示出图23所示反应腔的另一个变型的俯视图、截面图和立体图。

图26示出图25所示反应腔的一个变型的俯视图、截面图和立体图。

图27A至图27D示出根据本发明的一个实施例的反应腔上加热器的布局示意图。

图28示出相邻基座的连接线为斜线的热电偶布局的示意图。

图29A示出根据本发明的一个实施例的基座外盒的俯视图。

图29B示出根据本发明的一个实施例的基座外盒的后视图。

图29C示出根据本发明的一个实施例的基座外盒的仰视图。

图29D示出凹槽和塞子2920的局部截面图。

图30A示出根据本发明的实施例是塞子的立体示意图。

图30B示出根据本发明的实施例是塞子的俯视图和正视图。

图30C示出根据本发明的实施例是塞子的仰视图。

图31A示出根据本发明的一个实施例的双基座的俯视图。

图31B示出根据本发明的一个实施例的双基座的立体示意图。

具体实施方式

在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

针对现有技术中反应腔占据面积过大的问题，本申请的一个实施例提出将水平石英管分解成为上下两个部分，两个部分直接通过密封圈密封。将基座、挡板以及各种传感器等从上方装入，即将原来所需要的水平方向维护空间改向反应腔的上方，从而节约了大量的占地面积。

然而，石英管反应腔通常使用在高温工艺中，常见反应温度在400-1650摄氏度，乃至更高。石英管本身的工作温度也常常高达700摄氏度，远远超过了半导体工业上使用的O型密封圈的工作温度。因此需要进一步提出可以使石英反应腔在高温下工作，而密封圈可以在合适的较低的温度区间下工作的方案。

图4A示出根据本发明的一个实施例的反应腔400的俯视图。图4B示出根据本发明的一个实施例的反应腔400的侧视图。图4C示出根据本发明的一个实施例的反应腔400沿B-B的截面图。

反应腔400为中空的壳体。例如，反应腔400形状为具有中心轴的镜向对称体，如空心圆柱体或者长方体。反应腔400形状也可以是非对称体，只要在其内部具有满足工作的空间即可作为本发明的反应腔。

在图4A至图4C所示的实施例中，反应腔400为中空的长方体，其截面形状为矩形。在其他实施例中，反应腔400的截面形状也可以是圆形或其他形状。本领域的技术人员应该理解，本发明对反应腔400的截面形状没有限制。

反应腔400外壳的材质可以是石英、硅、陶瓷等材料。

反应腔400的各个部件通过密封圈等实现气密，同外界环境隔离。

反应腔400沿水平方向放置。基座410和待处理晶片420沿水平方向放置在反应腔的密封空腔内。基座410的材料可以是石墨材料，但不限于此。密封空腔内具有挡板，延伸到基座，将内部分割成参加反应的上部和不参加反应的下部。

反应腔400的两侧可以设置有两个侧门441和442、进气口、排气口(未示出)和/或操作口443等。入气侧的侧门同反应腔之间通常会设计专门的隔离阀，如插板阀，待晶片送入后关闭将反应腔400同外界隔离，443通常为该隔离阀的开口。生长用反应气体通过进气口进入沿水平方向流过衬底的表面。进气口的形状可以为平行于硅片的狭缝或长方形。狭缝内可以有更多形状复杂的开孔，以调节配气的流速分布等参数。两个侧门441和442通过密封圈与反应腔400的主壳体形成密封。晶片通过操作口443放入反应腔400，或者晶片通过操作口443从反应腔400取出。密封空腔内还设置有各种传感器、晶片旋转机构等部件，为了简化图示，图中未示出。在本发明的实施例中，反应腔400的一部分可以使用可伐合金。可伐合金可以与石英互熔焊接。

反应腔400的顶部具有可打开并密闭的上盖430。如图4C所示，反应腔400的顶部具有开口，上盖430覆盖在开口上，并且反应腔400的顶部开口边缘与上盖边缘重叠。换言之，上盖430 与反应腔400的顶部相交部分为一个连续的封闭环。密封圈431设置在开口边缘和上盖边缘的重叠位置上，从而当将上盖430覆盖在开口上时，实现气密。密封圈431可以是连续的封闭环上的O型密封圈或类似结构。加热器450设置在反应腔400的顶部和底部。加热器450可以是点、线、环形状的红外卤素加热灯、电阻加热器或者感应线圈。

在开口边缘和上盖边缘的重叠位置处，加工出完整的密封面和/或O型圈的槽，从而使得可以通过密封圈，即连续闭环的密封面上的O型圈，实现密封。在本发明的优选实施例中，密封面之间可以使用双密封圈，实现更好的密封或者防止高温下单一密封圈失效导致密封失效。

表1示出了几种常见的O型密封圈的参数。

从表1可以看出，常见的O型密封圈的最高温度通常在220摄氏度至320摄氏度之间。而高纯非金属(如高纯石英)反应腔通常使用在高温工艺中，常见反应温度在400-1650摄氏度，乃至更高。反应腔本身的工作温度也常常高达700-800摄氏度，远远超过了半导体工业上使用的O 型密封圈的工作温度。

在图4A至图4C所示的实施例中，待处理晶片所处区域为反应区，加热器450设置在附近，以便对反应区进行加热。为了避免O型密封圈的温度过高，将密封圈设置得尽量远离反应区。从图4A所示的俯视图可以看出，O型密封圈431沿反应腔的顶面边缘设置。

反应腔400外壳和上盖通过烧结成型或者热弯、热压、高温拉制，无法进行钣金，冲压，复杂形状的铸造等成型工艺，可以进行少量步骤简单的车削加工。其原始形状仅仅为平面板材、长方体、圆柱体、拉制的环、管，使用焊接、胶粘等方式将其拼接成型。

图5A示出根据本发明的另一个实施例的反应腔500的仰视图。图5B示出根据本发明的一个实施例的反应腔500的侧视图。图5C示出根据本发明的一个实施例的反应腔500沿B-B的截面图。

图5A至5C所示的反应腔500与图4A至4C所示的反应腔400类似，区别在于反应腔500 的开口位于底部。下盖510覆盖在开口上，并且反应腔500的底部开口边缘与下盖边缘重叠。下盖510在工作区域出向下凸起，而下盖边缘同时向外部和上部延伸，从而在下盖的边缘和中部形成阶梯，形成突出在外的耳部520。下盖510与反应腔400的底部相交部分为一个连续的封闭环。密封圈511设置在开口边缘和下盖边缘的重叠位置上，从而当将下盖510覆盖在开口上时，实现气密。

在上述实施例中，反应腔的顶面和底面基本是平面，由于反应腔通常工作在一定程度的真空状态下，为了增加反应腔外壳的强度，可以在反应腔的顶面和底面上形成加强筋或使顶面和底面凸起成为拱形，乃至拱形和加强筋结合。

在本发明的一些实施例中，为了进一步降低对密封圈的耐温要求，可以将密封圈的密封面向外扩展使其远离反应的高温区。形成突出在外的耳部，使得O型圈可以工作在适宜的温度之下。

在本发明的实施例中，可以对突出在外的耳部进一步通过水冷或者气冷进行冷却，如图6A 至图6C所示。图6A示出根据本发明的一个实施例的具有冷却装置和突出耳部的反应腔600的俯视图。图6B示出根据本发明的一个实施例的具有冷却装置和突出耳部的反应腔600的侧视图。图6C示出根据本发明的一个实施例的具有冷却装置和突出耳部的反应腔600沿B-B的截面图。从图6A至图6C可以看出，密封面向外扩展，形成突出耳部630，使得密封圈610远离高温区。在密封圈610的附近设置有冷却装置620、640和650。冷却装置620、640和650可以是冷却水板或冷却水套。例如，该密封面可以通过螺栓固定在含有水冷回路的金属上，协助散热。

图7A和图7B示出图6A至图6C中的冷却装置620和O型圈610的示意图。O型圈610 可以包括用于密封侧门的密封圈以及用于密封上盖的密封圈。

在本发明的其他实施例中，冷却装置620也可以是一个夹在上下密封面之间的具有上下两个密封面的金属冷却水套。金属冷却水套构成一个可以滑动的支撑面以吸收石英和金属的膨胀差。同时避免石英的热膨胀在高温下的软化变形导致前后两个支撑面的密封失效。或者该冷却水套同石英腔体不发生接触。

图8示出根据本发明的一个实施例的反应腔800的立体分解示意图。如图8所示，反应腔 800包括主壳体810、外盒820、可旋转基座830、密封圈840和盖子850。在上文及下文中，外盒820和可旋转基座830通常合称为基座。

图9A示出根据本发明的一个实施例的具有弧形顶部和底部的反应腔900的俯视图。图9B 示出根据本发明的一个实施例的反应腔900的侧视图。图9C示出根据本发明的一个实施例的反应腔900沿B-B的截面图。

反应腔900为中空的壳体。例如，反应腔900形状为具有中心轴的镜向对称体，如空心圆柱体或者长方体。反应腔900形状也可以是非对称体，只要在其内部具有满足工作的空间即可作为本发明的反应腔。

反应腔900外壳的材质可以是石英、硅、陶瓷等材料。

反应腔900的各个部件通过密封圈等实现气密，同外界环境隔离。

如图9A所示的俯视图，反应腔900沿水平方向放置，具有前、后、左、右四个侧面。基座910和待处理晶片920沿水平方向放置在反应腔的密封空腔内。基座910的材料可以是石墨材料，但不限于此。密封空腔内具有挡板，延伸到基座，将内部分割成参加反应的上部和不参加反应的下部。

反应腔900的左右两侧可以设置有两个侧门941和942、进气口、排气口(未示出)和/或操作口943等。生长用反应气体通过进气口进入沿水平方向流过衬底的表面。两个侧门941和942 通过密封圈与反应腔900的主壳体形成密封。晶片通过操作口943放入反应腔900，或者晶片通过操作口943从反应腔900取出。密封空腔内还设置有各种传感器、晶片旋转机构等部件，为了简化图示，图中未示出。在本发明的实施例中，各部件之间的接头、弯管等可以使用可伐合金。可伐合金可以与石英互熔焊接。

反应腔900的顶部具有可打开并密闭的上盖930。如图4C所示，反应腔900的顶部具有开口，上盖930覆盖在开口上，并且反应腔900的顶部开口边缘与上盖边缘重叠。换言之，上盖930 与反应腔900的顶部相交部分为一个连续的封闭环。密封圈931设置在开口边缘和上盖边缘的重叠位置上，从而当将上盖930覆盖在开口上时，实现气密。密封圈931可以是连续的封闭环上的 O型密封圈或类似结构。加热器950设置在反应腔900的顶部和底部。加热器950可以是点、线、环形状的红外卤素加热灯、电阻加热器或者感应线圈

弧形的顶部或底部用于内部真空时候抵抗大气压力。反应腔900的顶部和底部的弧(拱) 形分别具有对称中心线，两个对称中心线互为正交。顶部和底部的线灯管同各自弧面的对称中心线平行，互为正交。顶部和底部的拱形的方向可以互换。具体来说，反应腔900的顶部弧形从前后两侧对称向上凸起，在前后两侧的中线处弧面最高，为弧面的对称中心线。反应腔900的底部弧形从左右两侧对称向下凸起，在左右两侧的中线处弧面最低，为弧面的对称中心线。

反应腔900顶部和底部拱形正交设计的优点在于有利于正交加热器的布置。在一些实施例中，加热器为线热源，如灯管。即，不用设计同拱形曲线一样形状的灯管，可以继续使用单一的线热源灯管。

另外，反应腔900的顶部拱形从前后两侧对称向上凸起，而反应气体沿从左向右的方向流动。如果反应腔900的顶部采用从左右两侧对称向上凸起，则拱形中间部分流速降低两边流速高，存在需要中间和两边补偿流速差的情况。

为了进一步增加反应腔的强度，可以在反应腔900顶部和底部拱形上设置加强筋。该加强筋的材料与反应腔壳体的材料相同，采用焊接的方式进行固定。加强筋可以同拱形的中心线平行或者正交。

图10A示出根据本发明的一个实施例的带有拱形和加强筋的反应腔的立体示意图。如图 10A所示，反应腔1000沿水平方向放置，具有前、后、左、右四个侧面。反应腔1000的顶部弧形从左右两侧对称向上凸起，在左右两侧的中线处弧面最高，为弧面的对称中心线，顶部加强筋 1010与顶部的弧面对称中心线垂直。反应腔1000的底部弧形从前后两侧开始对称向下凸起，在前后两侧的中线处弧面最低，为弧面的对称中心线，底部加强筋1020与底部的弧面对称中心线垂直。

图10B示出根据本发明的一个实施例的带有拱形和加强筋的反应腔的立体示意图。如图 10B所示，反应腔1000沿水平方向放置，具有前、后、左、右四个侧面。反应腔1000的顶部弧形从左右两侧对称向上凸起，在左右两侧的中线处弧面最高，为弧面的对称中心线，顶部加强筋 1010与顶部的弧面对称中心线平行。反应腔1000的底部弧形从前后两侧开始对称向下凸起，在前后两侧的中线处弧面最低，为弧面的对称中心线，底部加强筋1020与底部的弧面对称中心线平行。

图10C示出根据本发明的一个实施例的带有拱形和加强筋的反应腔的立体示意图。如图 10C所示，反应腔1000沿水平方向放置，具有前、后、左、右四个侧面。反应腔1000的顶部弧形从左右两侧对称向上凸起，在左右两侧的中线处弧面最高，为弧面的对称中心线，顶部加强筋 1010与顶部的弧面对称中心线平行。反应腔1000的底部弧形从左右两侧开始对称向下凸起，在左右两侧的中线处弧面最低，为弧面的对称中心线，底部加强筋1020与底部的弧面对称中心线平行。

图10D示出根据本发明的一个实施例的带有拱形和加强筋的反应腔的立体示意图。如图10D所示，反应腔1000沿水平方向放置，具有前、后、左、右四个侧面。反应腔1000的顶部弧形从前后两侧对称向上凸起，在前后两侧的中线处弧面最高，为弧面的中心线，顶部加强筋1010 与顶部的弧面对称中心线平行。反应腔1000的底部弧形从前后两侧开始对称向下凸起，在前后两侧的中线处弧面最低，为弧面的对称中心线，底部加强筋1020与底部的弧面对称中心线平行。

过大的加强筋使得设备更厚尺寸更大，同时依然比较脆弱。同时加强筋会遮挡红外辐射，使得加强筋过热。

通过对无拱形的反应腔、在顶部和/或底部带有拱形的反应腔、在顶部和/或底部带有拱形和加强筋的反应腔腔内为真空、腔外一个大气压的情况下进行应力和应变分析，发现在顶部和/或底部带有拱形的反应腔的应力和应变显著降低，但拱形使得腔的容积更大，会带了更大的质量和记忆效应。拱形和加强筋结合使得腔内的容积不增加太多但是依然足够强壮。同时含加强筋的全部体积增加不多。

初步的模拟表明：加强筋与处于拱形的横断面(即横断面为拱形)平行较加强筋同拱形的横断面正交时，有更好的支撑形变较小效果。

综合以上，通过本发明公开的实施例，可以获得腔内容量较小、腔外体积较小、石英的热容量较小、腔体内表面积较小、记忆效应较小、不会大幅度影响红外辐射(较多的石英以及加强筋同灯管正交遮断红外辐射都会影响反应腔的热动力学)，从而有较好综合性能的反应腔。

在图10D所示的实施例中，加强筋和拱形放在短边上，这样应力最小，使用的原材料最少。

利用本申请公开的上述反应腔进行处理时，首先将反应腔的两侧垂直密封面压紧实现密封。从上方或者下方打开，使上半部分同下半部分分离。将基座从开口处放入。基座的旋转提升机构从下方接入。基座的热电偶等从后方或者前方或者下方接入。在密封面上放置密封圈，将上半部分通过压力压紧在下半部分的密封面上实现密封。通过机械手或者其他装置放入衬底。水平通入反应气体，加温或者激发等离子。从而使得化学气相沉积薄膜生长过程开始。

在反应腔内对晶片进行处理的过程中，由于气流流并且不同区域存在温差，为了能够在晶片表面获得均匀一致的结构，通常通过基座旋转来带动晶片旋转。图11示出基座未旋转和以 30rpm转速旋转情况下单片的温度等高线。如图11所示，下方的箭头表示水平通入的反应气体的流动方向。基座旋转使得冷气流偏向一侧。本发明的一个实施例中，提出一种双基座设计，可以补偿这个气流的冷区，提高均一性。

晶片之外的基座和基座的外盒是一个同晶片温度接近的温度延申部分，可以减少晶片边缘的温度梯度。有利于晶片温度的均一性。因而较大的基座及基座外盒有利于晶片温度的均一性。

双基座使得双基座互相靠近处的延申部分接近无限大(即相邻的基座互为彼此的基座延申部分)，因此有利于改善温度均一性。

同时双基座相向旋转，使得左侧的基座的反应气体低温区移动至右侧，即靠近另一基座的一侧，同理，右侧的基座上的反应气体低温区同样移动到靠近另一基座的一侧。同类似的单基座反应腔相比，原单基座反应腔从低温一侧侧边逃逸的热量进一步加热双基座设计中相邻的基座上低温区的反应气体，从而使得低温区的实现互相补偿，改善了反应气体的温度均匀性，从而改善成膜的均一性。

此外，直线线性加热器(灯)也是温度中间高，两边低，其高温部分恰恰对应于双基座对转反应腔的低温区，恰好实现补偿改善反应腔内反应气体的温度均一性从而改善成膜的厚度均匀性。

本发明进一步在低温区设计了用于温度补偿的红外加热灯。包括1将线性红外灯在低温区的功率加密(同一根直线灯管的中间部分通过加大灯丝电阻加大功率)。更进一步在低温区设计点(球)红外热源对低温区进行局部加热，将低温区的反应气体温度进一步补偿。

由于多数的化学气相沉积用的反应气体很难被红外线直接加热，而是和高温的硅片和基座换热，一定基座的温度和面积限定了对气体的换热(加温)能力。对低温区的反应气体温度补偿需要提升基座的温度(按照热交换的规律，换热能力的提升取决于低温区相关换热面积的温升) 由于基座的温度存在各种其他的物理限制，导致单纯增加功率并不能很好地提升温度。因此增加换热面积成为更加合理的选择。本发明通过增加两个基座之间树立的鳍或凸起来增大换热面积。同时这样的鳍可以对反应气体进行整流，减少由于双基座对转造成的气流向内侧迎头相遇造成的涡流(涡流不利于化学气相沉积外延的生长)。

石英的工作温度需要低于700至800摄氏度。

反应腔被基座分为上腔体和下腔体。待处理晶片放置在基座上，处于上腔体中，反应气体从上腔体流过，在晶片表面形成沉积层。同时，不希望反应气体流入下腔体造成沉积。通常会向下腔体充入H2作为置换或者保护气体。本发明的实施例公开的双基座在膨胀后互相接触也可实现密闭，可以保护下腔体和TC热电偶。

图12A示出根据本发明的一个实施例的化学气相沉积系统的示意图。如图12A所示，化学气相沉积系统包括反应腔1210、工艺控制器1220、人机界面1230、电源1240、旋转升降机构 1250、气体源1260、机械手1270。

反应腔1210可以采用上述实施例中所描述的反应腔或其结合。反应腔内放置两个基座。

图12B示出根据本发明的一个实施例的化学气相沉积系统的示意图。图12B所示系统与图 12A所示系统类似，区别仅在于多个反应腔1210被集成在一起，由一个工艺控制器1220进行控制，并在人机界面1230上进行显示和操作。

图13示出根据本发明的一个实施例的反应腔内放置两个基座的截面示意图和俯视图。如图 13所示，反应腔1301内设置两个基座1302，晶片1303设置在基座1302上，基座1302与旋转杆1307连接，在旋转杆的带动下进行旋转和升降。基座1302的非旋转部分为外盒，作为减少温度梯度的延申段。外盒分成上部基座1306和下部基座1305，温度控制装置1304设置在上部基座 1306和下部基座1305形成的空间中容纳在里面免受工艺和腐蚀气体的侵蚀。

从图13所示的俯视图可以看出，两个基座相邻。为了尽可能减少上部反应气体进入下腔室，两个基座应该尽可能的彼此靠近，使得两者之间的间隙1308最小化。在工作过程中，气流从两个基座的前方进入，左侧基座顺时针旋转，右侧基座逆时针旋转。即，在气流入口，两个基座的旋转部分相向旋转，在两个基座的旋转部分最接近位置处基座的运动方向与气流方向相同。图14 示出了根据本发明的一个实施例的两个基座邻接处的局部示意图。由于反应腔工作在高温下，因此需要考虑到热膨胀等因素，设置两个基座之间的间隙1308的大小，避免热膨胀条件下两个基座彼此挤压产生损坏。

图15示出了根据本发明的另一个实施例的两个基座邻接处的局部示意图。如图15所示，第一基座1510与第二基座1520的相邻面为斜面，即，第一基座1510与第二基座1520的相邻面与顶面不垂直，在常温下，两个斜面互相平行并且具有特定间隙1530，在高温下，由于热膨胀的作用，间隙变小，甚至两个斜面相互接触；当温度进一步升高，且基座进一步膨胀时，两个斜面可以彼此滑动，从而避免热膨胀条件下两个基座彼此挤压产生损坏。

图16示出了根据本发明的又一个实施例的两个基座邻接处的局部示意图。如图16所示，第一基座1610的边缘1611具有从上表面向下的阶梯，即，第一基座1610的边缘1611的上表面高度低于主体部分1612的上表面的高度。第二基座1620的边缘1621具有从下表面向上的阶梯，即，第二基座1620的边缘1621的下表面高度高于主体部分1622的下表面的高度。换言之，第一基座1610的边缘1611和第二基座1620的边缘1621的厚度比各自的主体部分的厚度薄。第一基座1610的边缘1611和第二基座1620的边缘1621仅部分重叠，使得第一基座1610的边缘1621 的最外侧与第二基座1620的主体部分1622具有第一间隙1613，第二基座1620的边缘1621的最外侧与第一基座1610的主体部分1612具有第二间隙1623。在常温下，第二基座1620的边缘1621 部分层叠在第一基座1610的边缘1611上，第一间隙1613和第二间隙1623为设定值，在高温下，由于热膨胀的作用，第一基座和第二基座相互靠近，边缘1611和1621滑动，第一间隙1613和第二间隙1623变小，从而避免热膨胀条件下两个基座彼此挤压产生损坏。

为了提高进入气体的温度，可以在两个基座中间增加垂直的一个或者多个薄片鳍片。图17A 示出根据本发明的一个实施例的在基座前端增加鳍片的俯视图。图17B示出根据本发明的一个实施例的在基座前端增加鳍片的截面图。图17C示出根据本发明的一个实施例的在基座前端增加鳍片的仰视图。在基座最先与反应气体接触的前端的中间位置增加鳍片1710，增大对气流的热传导面积从而补偿中间部分由于对向衬底自转带动气流造成的温度差，同时鳍片还用于隔离对向旋转造成的对冲气流可能造成的涡流。

在本发明的其他实施例中，可以对鳍片进行升降，非化学气相沉积时候，使鳍片下降；进行沉积和清洗时候，使鳍片上升。

图18示出根据本发明的一个实施例的鳍片与基座组装的示意图。如图18所示，鳍片1810 底部包括与鳍片1810垂直的底板1811，底板1811搭接在两侧的基座1820和1830上。底板1811 下面具有下鳍片1814。下鳍片1814穿过基座1820和1830之间的间隙。下鳍片1814的厚度小于基座1820和1830之间的间隙的宽度；底板1811的宽度大于基座1820和1830之间的间隙的宽度，从而在将下鳍片1814插入间隙时，底板1811分别与基座1820和1830的边缘接触，支撑鳍片1810处于基座上方。还可以在基座1820和1830的边缘设置容纳底板1811的槽，槽的宽度大于底板1811，在底板1811安装在槽内后，底板1811与槽之间具有空隙1812和1813。

图19示出根据本发明的另一个实施例的鳍片与基座组装的示意图。如图19所示，鳍片1910 底部成楔形，插入基座1920和基座1930之间的间隙，基座1920和基座1930与鳍片1910接触的边缘具有楔形匹配的斜面。即，鳍片1910的底部包括两个斜面1911和1912，基座1920的边缘为斜面1921，基座1930的边缘为斜面1931。基座1920和基座1930之间具有间隙。当将鳍片 1910插入基座1920和基座1930之间的间隙时，斜面1911与斜面1921平行且接触，斜面1912 与斜面1931平行且接触，从而支撑鳍片1910处于基座上方。

图20示出根据本发明的一个实施例的在基座中心距最小化的基座俯视图、截面图、正视图和仰视图。考虑热膨胀因素，两个基座之间需要具有一定间隙。而且，热电偶设置在两个基座下方也需要占据一定空间。在这种情况下，为了使基座中心距最小化，需要综合考虑相邻基座的连接结构和热电偶等控制装置的布置。图21示出基座中心距最小化的基座连接部分的局部放大图。如图21所示，左侧基座2110的边缘向外凸出、右侧基座2120边缘为具有与左侧凸出对应的槽，热电偶2130设置在槽的下方。左侧基座2110的边缘部分层叠在右侧基座的槽内，左侧基座2110 的最外侧与右侧基座的主体部分具有一定间隙2140。

图22示出根据本发明的一个实施例的相邻基座的连接为斜线的基座俯视图、截面图、正视图和仰视图。在该实施例中，两个基座邻接处可以采用图14至图16所示的结构。两个基座的顶面轮廓为直角梯形，两个基座在直角梯形的斜边处相邻，通过斜角滑动对冲热膨胀。

上述实施例中反应腔为空心的长方体，其上盖的密封圈处于外围的低温区，同中心的高温石英存在温度梯度。在本发明的一些实施例之后弄，至少将上盖部分侧边和/或反应腔壳体的部分平面设置为椭圆乃至圆形结构有助于吸收温度梯度造成的应力。

图23示出根据本发明的一个实施例的反应腔2300的俯视图、截面图和立体图。如图23所示，反应腔2300的上盖2310的前后两个平行边2311和2312向外突出形成弧形。密封圈2320 沿上盖2310的外边缘设置，因此具有相应的弧形。反应腔2300的主壳体2330仍然为中空的长方体，中空的壳体的开口边缘向壳体外部扩展，形成与上盖2310边缘相匹配的密封面。

图24示出图23所示反应腔的一个变型的俯视图、截面图和立体图。图24所示反应腔与图23所示反应腔的区别在于：气体入口一侧壳体的截面形状不同。为了避免反应气体进入下腔体，图23所示的反应腔气体入口一侧壳体底部与基座顶部齐平，在入口区域与基座相邻处，具有垂直侧壁，使得壳体底部呈阶梯下降，在基座下方形成下腔体。图24所示反应腔入口侧截面与后部截面形状完全相同，为了避免反应气体进入下腔体，在入口至基座的区段增加挡块或L形挡板 2410。

在本发明的上述其他实施例以及后续描述的实施例中，反应腔的入口可以任意选择使用图 23所示结构或图24所示结构。

图25示出图23所示反应腔的另一个变型的俯视图、截面图和立体图。图25所示反应腔与图23所示反应腔的区别在于：图25中壳体的侧壁随上盖的侧面向外突出形成弧面。

图26示出图25所示反应腔的一个变型的俯视图、截面图和立体图。图26所示反应腔与图 25所示反应腔的区别在于：上盖2610的全部侧边由平滑曲线构成。

图27A至图27D示出根据本发明的一个实施例的反应腔上加热器的布局示意图。如图27A 所示，加热器2710均匀分布在上盖的顶部。加热器2710可以是灯、线圈或类似结构。如图27B 所示，加热器2710在顶盖的中心部分密度更大。如图27C所示，在气体入口上方，在顶盖上额外增加U型加热器2711。如图27D所示，在气体入口上方，在顶盖上额外增加点光源2712。在本发明的上述或其他实施例中，线加热器2710的功率分布上可以是均匀的，也可以是非均匀的，线加热器2710的某一段的温度可以明显高于其他部分的温度。

对于反应腔内的温度控制策略，在本发明的实施例中，使用单根内侧TC热电偶，由于基座为两个，仅仅能获得一个基座的温度。在本发明的另一个实施例中，使用两个TC热电偶分别控制左右两个基座，并且判断温差。在双基座很靠近的情况下，双TC略微退后。在图22所示相邻基座的连接线为斜线的情况下使用前后双结两个测温点或者两根TC热电偶。图28示出相邻基座的连接线为斜线的热电偶布局的示意图。如图28所示第一热电偶TC1测量左侧基座前部的温度，第二热电偶TC2测右侧基座后部的温度。

对于热电偶TC的安装方式，上述实施例中通过将基座的外盒分成上部基座和下部基座，利用上部基座和下部基座形成密封空间放置热电偶。在本发明的其他实施例中，可以使用其他的外盒结构来密封热电偶。图29A示出根据本发明的一个实施例的基座外盒的俯视图。图29B示出根据本发明的一个实施例的基座外盒的后视图。图29C示出根据本发明的一个实施例的基座外盒的仰视图。

如图29B和29C所示，基座背面有凸起2910，凸起里面开槽，槽2911可以容纳至少2根 TC热电偶。将槽里嵌入TC然后将一个或者多个塞子2920塞住槽，保护TC热电偶。TC热电偶外面可以设置有石英保护套。塞子2920可以是石墨塞子。塞子2920背向TC热电偶的一面，有三个以上的凹点(槽)，和石英支撑件的凸点(块)契合，作为一个支撑结构落在一个至少三点的石英支座上，塞子支撑起基座外盒和TC。图29D示出凹槽和塞子2920的局部截面图。将一个或者多个塞子塞住槽，保护TC热电偶。TC热电偶外面有石英保护套。在图29A至29D所示的实施例中，基座背面的凸起2910及其内部的凹槽沿基座内圆形边缘设置，并将TC热电偶的引线向外引出，从而使得TC热电偶能尽可能地靠近旋转基座上的晶片。

图30A示出根据本发明的实施例的塞子的立体示意图。图30B示出根据本发明的实施例是塞子的俯视图和正视图。图30C示出根据本发明的实施例是塞子的仰视图。塞子可以是石墨塞子。

塞子3000的截面为T形，插入槽内的顶部3010截面小于留在槽外的底部3020。塞子3000 的整体形状与外盒凹槽形状匹配。如图30A和图30B所示，塞子3000的顶部与基座背面的凹槽共形，塞子的底部覆盖凹槽的顶部。

如图30C所示，塞子背向TC的一面，有三个以上的凹点或槽3030，和石英支撑件的凸点或凸块契合，作为一个支撑结构落在一个至少三点的石英支座上，塞子支撑起基座外盒和TC。塞子同石墨基座之间可以为非紧配合。

图31A示出根据本发明的一个实施例的双基座的俯视图。图31B示出根据本发明的一个实施例的双基座的立体示意图。如图31A和图31B所示，每个基座的可旋转基座上具有三个晶片区。图31A和31B所示的基座可以应用到本发明的上述实施例中。

本领域的技术人员应该理解，在本发明的其他实施例中，塞子和凹槽的形状不限于上述实施例所示的形状。本领域的技术人员可以根据实际的工艺要求，设置基座背面有凸起及其内部凹槽的位置和尺寸，例如，凸起为折线，而非弧形，只要能够将TC热电偶设置在特定位置并将其引线引出，即可落入本发明的保护范围。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (11)

1.一种化学气相沉积用的非金属反应腔，包括：

中空的壳体，所述反应腔的主体形状为具有中心轴的镜向对称体；

所述中空的壳体的两侧具有有进气口、排气口和/或操作口；

所述中空的壳体的顶面和/或底面为向外凸起的拱形。

2.如权利要求1所述的化学气相沉积用的非金属反应腔，其特征在于，所述中空的壳体的顶部或底部具有开口，所述反应腔还包括盖子，所述盖子覆盖所述开口，所述盖子的边缘与中空的壳体的开口边缘重叠，重叠的部分为密封面，在密封面之间设置密封圈，实现密封。

3.如权利要求2所述的化学气相沉积用的非金属反应腔，其特征在于，所述中空的壳体和盖子的材料是石英、硅或陶瓷。

4.如权利要求1所述的化学气相沉积用的非金属反应腔，其特征在于，所述反应腔的主体形状为立方体，所述反应腔沿水平方向放置，具有前、后、左、右四个侧面，所述反应腔的左右两侧设置有两个侧门、进气口、排气口和/或操作口。

5.如权利要求4所述的化学气相沉积用的非金属反应腔，其特征在于，反应腔的顶部拱形从前后两侧对称向上凸起，在前后两侧的中线处最高，作为顶部拱形的中心线，

反应腔的底部拱形从左右两侧对称向上凸起，在左右两侧的中线处最高，作为底部拱形的中心线，顶部拱形的中心线与底部拱形的中心线互相垂直。

6.如权利要求4所述的化学气相沉积用的非金属反应腔，其特征在于，反应腔的顶部拱形从前后两侧对称向上凸起，在前后两侧的中线处最高，作为顶部拱形的中心线，

反应腔的底部拱形从前后两侧对称向上凸起，在前后两侧的中线处最高，作为底部拱形的中心线，顶部拱形的中心线与底部拱形的中心线互相平行。

7.如权利要求4所述的化学气相沉积用的非金属反应腔，其特征在于，反应腔的顶部拱形从左右两侧对称向上凸起，在左右两侧的中线处最高，作为顶部拱形的中心线，

反应腔的底部拱形从左右两侧对称向上凸起，在左右两侧的中线处最高，作为底部拱形的中心线，顶部拱形的中心线与底部拱形的中心线互相平行。

8.如权利要求4所述的化学气相沉积用的非金属反应腔，其特征在于，反应腔的顶部拱形从左右两侧对称向上凸起，在左右两侧的中线处最高，作为顶部拱形的中心线，

反应腔的底部拱形从前后两侧对称向上凸起，在前后两侧的中线处最高，作为底部拱形的中心线，顶部拱形的中心线与底部拱形的中心线互相平行。

9.如权利要求5至8中的任一项所述的化学气相沉积用的非金属反应腔，其特征在于，还包括：设置在反应腔的拱形顶面且与顶面中心线平行的线加热器和设置在反应腔的拱形底面且与底面中心线平行的线加热器。

10.如权利要求5至8中的任一项所述的化学气相沉积用的非金属反应腔，其特征在于，还包括：设置在反应腔的拱形顶面且与顶面中心线平行的加强筋和设置在反应腔的拱形底面且与底面中心线平行的加强筋。

11.如权利要求5至8中的任一项所述的化学气相沉积用的非金属反应腔，其特征在于，还包括：设置在反应腔的拱形顶面且与顶面中心线垂直的加强筋和设置在反应腔的拱形底面且与底面中心线垂直的加强筋。

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