CN113652741B - 外延生长装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体外延生长技术领域，特别是涉及一种外延生长装置，该外延生长装置包括至少一个托盘、加热体和至少一组线圈组件；加热体内具有工作空间，托盘位于工作空间内，线圈组件沿加热体周向围设在加热体外；每组线圈组件具有一基点，每组线圈组件包括多个独立的子线圈，多个子线圈以基点为中心由内向外扩散排布；且两两相邻的两个子线圈中，其中一个子线圈包裹另外一个子线圈。本申请中每个独立的子线圈将托盘上的区域划分为多个独立加热的子区域，每个独立的子线圈对托盘上对应的子区域进行单独加热，从而实现托盘表面温度分区可控；即可调整托盘上对应的子区域的温度，降低各个子区域之间的温度差值，以提高托盘上生长的外延层的质量。

Description

外延生长装置

技术领域

本发明涉及半导体外延生长技术领域，尤其涉及一种外延生长装置。

背景技术

外延生长是半导体产业链条之中的重要一环，外延薄膜的质量直接制约着后续器件的性能，随着工业上对高质量半导体器件的需求越来越大，高效率高质量的外延设备得到了越来越多的关注。

外延生长主要是指在衬底上生长一层质量较高的薄膜，生长外延层有很多方法，但采用最多的是化学气相沉积法(CVD)，化学气相沉积法是指化学气体或蒸汽在基质表面反应合成涂层或纳米材料的方法；采用两种或两种以上的反应介质(反应介质通常为气态)导入到加热体的工作空间内，然后他们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积衬底表面上。托盘所在的工作空间的温度以及托盘表面的温度分布是影响沉积速率的重要因素之一，托盘表面各区域温度分布均匀性，将直接影响着外延薄膜的厚度均匀性和掺杂均匀性，从而影响外延薄膜的质量。

目前，加热体主要由可产生电磁感应的线圈进行感应加热，线圈围设在加热体周侧，使得加热体位于线圈的磁场内，通过电磁感应使加热体进行产生热量；然而线圈对加热体的感应加热存在不均匀的情况，导致加热体内的工作空间各个区域的温度不均匀，进而导致托盘表面各区域的温度分布不均匀，极大的影响外延薄膜的质量。

发明内容

有鉴于此，针对上述技术问题，有必要提供一种托盘表面上各个区域的温度分区可控的外延生长装置。

本发明提供的一种外延生长装置，包括至少一个托盘、加热体和至少一组线圈组件；所述加热体内具有工作空间，所述托盘位于所述工作空间内，所述线圈组件沿所述加热体周向围设在所述加热体外；其中，每组所述线圈组件具有一基点，每组所述线圈组件包括多个独立的子线圈，多个所述子线圈以所述基点为中心由内向外扩散排布；且两两相邻的两个所述子线圈中，其中一个子线圈包裹另外一个子线圈。

在其中一个实施例中，所述线圈组件设置的组数为多组，多组所述线圈组件沿所述加热体周向排布设置。

在其中一个实施例中，所述托盘上具有用于承托衬底的承托面；所述基点与所述托盘的中心位于同一直线，且所述基点和所述托盘中心的连线与所述托盘的承托面垂直。

在其中一个实施例中，每组所述线圈组件包括两个独立的第一子线圈和第二子线圈，所述第一子线圈设置的位置与托盘的中部区域对应，所述第二子线圈围设在所述第一子线圈外。

在其中一个实施例中，所述加热体内具有多个所述工作空间，所述托盘设置的数量为多个，每个所述工作空间对应一所述托盘，且每个所述托盘独立旋转。

在其中一个实施例中，多个所述托盘沿第一方向堆叠排布；其中，所述第一方向与所述加热体的轴线垂直。

在其中一个实施例中，所述加热体包括多个加热座，相邻的两个所述加热座之间围设形成所述工作空间；所述托盘设置于所述加热座上。

在其中一个实施例中，一组或多组沿所述加热体周向排布设置的所述线圈组件形成一组线圈模组；所述线圈模组设置的组数为多组，多组所述线圈模组沿所述加热体的轴线方向排布设置。

在其中一个实施例中，沿所述加热体的轴线方向，所述加热体的两端分别开设有相对设置的进口和出口，所述进口用于向所述工作空间输入待反应的介质，所述出口用于从所述工作空间内输出反应后的介质。

在其中一个实施例中，所述外延生长装置还包括保温筒，所述加热体设置于所述保温筒内，所述线圈组件围设于所述保温筒外。

本发明提供的一种外延生长装置，相比于现有技术的有益效果如下：

本申请通过设置至少一组线圈组件，且每组线圈组件中包括多个独立的子线圈，多个子线圈以一基点为中心由内向外扩散排布，且两两相邻的两个子线圈中，其中一个子线圈包裹另外一个子线圈；以使得每个独立的子线圈将托盘上的区域划分为多个独立加热的子区域，每个独立的子线圈对托盘上对应的子区域进行单独加热，从而实现托盘表面温度分区可控；通过调节与托盘子区域对应的子线圈的输入功率，即可调整托盘上对应的子区域的温度，降低温度差值，以提高托盘上生长的外延层的质量。

附图说明

图1为本发明提供的一实施例中的外延生长装置的结构示意图。

图2为图1中外延生长装置的剖视图。

图3为图1中外延生长装置的剖视图。

图4为图1中外延生长装置的侧视图。

图5为本发明提供的另一实施例中的外延生长装置的结构示意图。

图6为本发明提供的另一实施例中的外延生长装置的剖视图。

图7为图6中的加热体的剖视图。

图中，100、外延生长装置；10、加热体；11、工作空间；12、进口；13、出口；14、加热座；141、第一加热座；142、第二加热座；143、第三加热座；15、支撑件；20、线圈组件；21、子线圈；211、第一子线圈；212、第二子线圈；22、基点；30、托盘；40、保温筒；41、筒体；42、端盖。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“装设于”另一个组件，它可以直接装设在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1-7，本发明提供一种外延生长装置100，包括至少一个托盘30、加热体10和至少一组线圈组件20；托盘30用于承载衬底(图中未示出)；加热体10内具有工作空间11，托盘30位于工作空间11内，线圈组件20沿加热体10的周向围设在加热体10外；其中，每组线圈组件20包括多个独立的子线圈21，多个子线圈21以一个基点22为中心由内向外扩散排布；且两两相邻的两个线圈中，其中一个子线圈21包裹另一个子线圈21。

可以理解的是，每组线圈组件20中包括多个独立的子线圈21，多个子线圈21以一基点22为中心由内向外扩散排布，以使得每个独立的子线圈21将托盘30上的区域划分为多个独立加热的子区域，每个独立的线圈对托盘30上对应的子区域进行单独加热，从而实现托盘30表面温度分区可控；通过调节与托盘30子区域对应的线圈的输入功率，即可调整托盘30上对应的子区域的温度，降低多各子区域之间的温度差值，以提高托盘30上生长的外延层的质量。

优选的，参阅图1-3，托盘30上具有用于承托衬底的承托面；子线圈21起始扩散的基点22与托盘30的中心位于同一直线，且基点22和托盘30中心的连线与托盘30的承托面垂直。确保线圈组件20中位于最内部的子线圈21与托盘30的中心区域对应，其余子线圈21由内至外分别与托盘30中心至托盘30边缘之间的子区域依次一一对应，从而多个子线圈21将托盘30上的区域分为多个子区域；通常托盘30中心与托盘30边缘的温度差异较大，通过不同的子线圈21由内至外分别对应的加热托盘30的中心至边缘之间的子区域；通过控制各个子线圈21的功率，得以对应的控制托盘30上各个子区域的温度，实现托盘30上各区域温度的精准调节。在其他实施例中，子线圈21起始扩散的基点22也不一定与托盘30的中心位于同一直线上，例如基点22与托盘30的中心错开设置。

在其中一个实施例中，参阅图1-3，每组线圈组件20包括两个独立的第一子线圈211和第二子线圈212，第一子线圈211设置的位置与托盘30的中部区域对应，第二子线圈212围设在第一子线圈211外。如此设置，通过改变第一子线圈211与第二子线圈212的功率，能够对应的加热托盘30的中部区域以及除中部区域以外的区域，从而降低中部区域与其他区域的温差。当然在其他实施例中，每组线圈组件20中包括的子线圈21的数量不局限于以上所述的，可根据托盘30上各个子区域之间温度调节的精度来决定子线圈21设置的数量，托盘30上划分的子区域数量越多，对应的设置的子线圈21的数量越多。

在本申请中，线圈组件20设置的数量至少为一组。

当线圈组件20设置的数量为一组时，线圈组件20中的子线圈21沿加热体10的周向围设于加热体10外，确保加热体10外均布设有子线圈21；并且线圈组件20内的独立的子线圈21以一个基点22呈螺旋扩散。

当线圈组件20设置的数量为两组时，参阅图1-3，两组线圈组件20沿加热体10的周向排布，使得两组线圈组件20分别围设包裹在加热体10外，确保加热体10外的各个区域均对应有子线圈21，从而加热体10的各个区域均能够位于子线圈21的磁场内。

当线圈组件20设置的数量为两组以上时，同上所述，多组子线圈组件20沿加热体10的周向排布围设在加热体10外，以包裹加热体10。

另外，在上述实施例的基础上，当线圈组件20设置的组数为多组，多组线圈组件20还可以沿加热体10的轴线方向排布设置。如此，多组线圈组件20进一步的将托盘30沿加热体10的轴线方向划分为多个子区域。结合上述实施例，多组线圈组件20从托盘30的中心由内向外划分为多个子区域，同时从加热体10的轴线方向将托盘30划分为多个子区域，如此，托盘30划分成的子区域的数量增多，通过改变对应区域处的线圈组件20的功率，能够更进一步的精确控制各个子区域的温度，从而均衡托盘30上各区域的温度。

进一步的，参阅图1-4，沿加热体10的轴线方向，加热体10的两端分别开设有相对设置的进口12和出口13，进口12用于向工作空间11输入反应介质，出口13用于从工作空间11内输出反应介质。如此设置，反应介质沿加热体10的轴线方向输入以及输出工作空间11，且反应介质的流动的方向与多组线圈组件20排布的方向一致。即多组线圈组件20沿反应介质流动的方向排布。需要说明的是，通常反应介质为两种或两种以上的混合气体，混合气体沿加热体10的轴线方向从加热体10的一端流进并从另一端流出，在混合气体流动的过程中，混合气体会吸收并带走一定的热量，从而在混合气体初始通入的区域，混合气体吸热导致该区域的温度降低；混合气体流动将热量传递至加热体10的另一端时，混合气体输出的位置温度增高，由此，进一步增大混合气体输入位置处的区域与输出位置处的区域的温差，导致托盘30上温度分布不均匀，影响外延层的生长质量。本申请通过沿反应介质流动的方向，排布设置多组线圈组件20，每组线圈组件20之间独立对加热体10上的对应区域进行加热，例如在混合气体输入端处，增大此处的线圈组件20的加热功率，并且在混合气体输出端处，降低对应处的线圈组件20的加热功率，从而均衡混合气体输入端处和输出端处的温差。

另外，参阅图5，一组或多组沿加热体10周向排布设置的线圈组件20形成一组线圈模组；在本实施例中，线圈模组设置的组数为多组，多组线圈模组沿加热体10的轴线方向排布设置，例如图5中，设置两组线圈模组，每组线圈模组包括两组线圈组件20，从而共设置四组线圈组件20，四组线圈组件20分别标记为线圈组件20A、线圈组件20B、线圈组件20C、线圈组件20D；其中两组线圈模组分别将托盘30分成两个区域，而每组从线圈模组中的两组线圈组件又将对应的区域分为中心区域和边缘区域，通过分别调节四组线圈组件的功率，达到调节托盘上边缘区域以及中心区域的温度差值。当然，在其他实施；例中，线圈模组设置的组数不局限于以上所述或图中所示。

又例如设置三组线圈模组，三组线圈模组分别标记为线圈模组S1、线圈模组S2、线圈模组S3，当托盘30旋转时，线圈模组S2对应加热托盘30中心区域的温度，线圈组模组S1以及线圈模组S3对应加热托盘30边缘的区域，通过分别控制各个线圈组件20的功率，达到分别控制调节托盘30中心与边缘区域的温度，从而降低托盘30中心与边缘区域的温度差，提高外延层生长质量。

传统的外延生长装置大多只有单个工作空间，导致外延生长装置内的热量利用效率低，当该工作空间内只设置一个托盘用于生产时，生产效率极低；为提高产量，通常采用的方法是在工作空间内安装多个托盘，然而，在一个工作空间内的其各个区域的温度存在不均衡的情况，故而导致多个托盘的温度不均衡，而温度是影响沉积速率的重要因素之一。并且，目前多个托盘通常沿线圈组件的延伸的方向堆叠设置。申请人通过研究发现，多个托盘沿加热体的轴向堆叠设置，而线圈组件沿加热体的轴向延伸布设，线圈组件内的磁场强弱不同，尤其是加热体两端对应的磁场易受环境影响，从而导致位于加热体两端的托盘的温度与加热体中部的托盘温度存在差异；如此，若工作空间沿着加热体的轴线方向堆叠，则多个托盘所在的磁场不同，导致多个托盘表面的温度存在较大差异。

在本申请的一个实施例中，加热体10内具有多个工作空间11，托盘30设置的数量为多个，每个工作空间11对应一托盘30，且每个托盘30能够独立的相对于加热体10旋转；本申请通过在一个外延生长装置100内设置多个托盘30以生产外延层产品，经一次生产流程可同时生成多个外延层，提高工作效率，有效提高产量。更重要的是，本申请中的每个托盘30独立控制转动，以使得每个托盘30的转速均符合标准，且每个托盘30配备一独立的工作空间11，从而可对应的调控托盘30所在的工作空间11的环境，确保多个托盘30温度均匀，转速可调节至一致，从而使得多个托盘30上生成厚度均匀以及生成物掺杂均匀的高质量外延层，本发明提供的外延生长装置100在提高产量的同时，还能够确保同一批次的产品质量一致且产品具有优良的质量。

优选的，多个托盘30沿第一方向堆叠排布，其中，第一方向与加热体10的轴线垂直。以使得多个托盘30位于同一磁场区域，从而多个托盘30上对应区域的温度均衡。换言之，每组线圈组件20同时对多个托盘30上相对应的子区域进行加热，从而降低多个托盘30之间温差，确保多个托盘30上对应的子区域的温度均衡，进而降低同批次产品的差异。当然，在其他实施例中，多个工作空间11以及多个托盘30的排布的方式不局限于以上所述，例如多个工件空间以及对应的多个托盘30排布于同一水平面上。

在本申请中，加热体10可以是一体式的结构，也可以是分体式的结构，例如，参阅图6和图7，加热体10包括多个加热座14，相邻的两个加热座14之间围设形成工作空间11；托盘30设置于加热座14上。换言之，相邻两个工作空间11共用一加热座14，能够更充分的利用相邻两个工作空间11之间共用的子加热座14的热量，提高热能利用率，降低生产成本。

具体参阅图6和图7，加热座14设置的数量为三个，将三个加热座14标示为第一加热座141、第二加热座142、第三加热座143，从而第一加热座141与第二加热座142之间围设成一个工作空间11，第二加热座142与第三加热座143之间围设形成另一个工作空间11，两个相邻的工作空间11共用两者之间的子加热座14，例如共用第二加热座142，提高热能利用率。当然在其他实施例中，加热座14设置的数量不局限于以上所述或图中所示，例如还可以设置三个以上的加热座14。

沿第一方向，位于底部以及顶部的加热座14的形状相同，该两个加热座14关于加热体10的轴线呈轴对称设置，使得加热体10整体上下近似对称分布，以减小多个托盘30之间的温度差异。具体的，参阅图6和图7，第一加热座141与第三加热座143的形状相似，例如第一加热座141与第三加热座143均为月牙形状，而第二加热座142为平板结构，当然在其他的实施例中，第一加热座141与第三加热座143的形状不局限于以上所述。

加热体10还包括支撑件15，支撑件15设置于两相邻的加热座14之间，形成工作空间11的侧壁，具体的，第一加热座141与第二加热座142之间设置有支撑件15，支撑件15形成工作空间11的侧壁。

外延生长装置100还包括保温筒40，加热体10设置于保温筒40内，线圈组件20围设于保温筒40外。从而保温筒40能够保温多个工作空间11，避免热量流失。

具体的，参阅图2，保温筒40包括筒体41以及两端盖，两端盖分别盖设于筒体41的两端，其中两个端盖和筒体41均采用保温材质制成。对应的，进口12与出口13分别对应的开设于两端盖上。

进一步，参阅图5，每个工作空间11配备一进口12和出口13，以确保待反应的介质从进口12沿着加热体10轴向进入工作空间11内，反应完成后的戒指沿着加热体10轴向顺畅的流向出口13，避免反应介质受阻产生扰流等，避免影响外延层的均匀生长。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上实施方式的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施方式中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上实施方式所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种外延生长装置，其特征在于，包括至少一个托盘(30)、加热体(10)和至少一组线圈组件(20)；所述加热体(10)内具有工作空间(11)，所述托盘(30)位于所述工作空间(11)内，所述线圈组件(20)沿所述加热体(10)周向围设在所述加热体(10)外；所述托盘(30)设置的数量为多个，多个所述托盘(30)沿第一方向堆叠排布；其中，所述第一方向与所述加热体(10)的轴线垂直；

其中，每组所述线圈组件(20)具有一基点(22)，每组所述线圈组件(20)包括多个独立的子线圈(21)，多个所述子线圈(21)以所述基点(22)为中心由内向外扩散排布；且两两相邻的两个所述子线圈(21)中，其中一个子线圈(21)包裹另外一个子线圈(21)。

2.根据权利要求1所述外延生长装置，其特征在于，所述线圈组件(20)设置的组数为多组，多组所述线圈组件(20)沿所述加热体(10)周向排布设置。

3.根据权利要求1或2所述外延生长装置，其特征在于，所述托盘(30)上具有用于承托衬底的承托面；

所述基点(22)与所述托盘(30)的中心位于同一直线，且所述基点(22)和所述托盘(30)中心的连线与所述承托面垂直。

4.根据权利要求1所述外延生长装置，其特征在于，每组所述线圈组件(20)包括两个独立的第一子线圈(211)和第二子线圈(212)，所述第一子线圈(211)设置的位置与托盘(30)的中部区域对应，所述第二子线圈(212)围设在所述第一子线圈(211)外。

5.根据权利要求1所述外延生长装置，其特征在于，所述加热体(10)内具有多个所述工作空间(11)，每个所述工作空间(11)对应配备一所述托盘(30)。

6.根据权利要求1所述外延生长装置，其特征在于，每个所述托盘(30)独立旋转。

7.根据权利要求1所述外延生长装置，其特征在于，所述加热体(10)包括多个加热座(14)，相邻的两个所述加热座(14)之间围设形成所述工作空间(11)；所述托盘(30)设置于所述加热座(14)上。

8.根据权利要求1或2所述外延生长装置，其特征在于，一组或多组沿所述加热体(10)周向排布设置的所述线圈组件(20)形成一组线圈模组；所述线圈模组设置的组数为多组，多组所述线圈模组沿所述加热体(10)的轴线方向排布设置。

9.根据权利要求8所述外延生长装置，其特征在于，沿所述加热体(10)的轴线方向，所述加热体(10)的两端分别开设有相对设置的进口(12)和出口(13)，所述进口(12)用于向所述工作空间(11)输入待反应的介质，所述出口(13)用于从所述工作空间(11)内输出反应后的介质。

10.根据权利要求1所述外延生长装置，其特征在于，所述外延生长装置还包括保温筒(40)，所述加热体(10)设置于所述保温筒(40)内，所述线圈组件(20)围设于所述保温筒(40)外。

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