CN115233191A - 一种反应腔及镀膜设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体制造设备技术领域，具体涉及一种反应腔及镀膜设备。本发明提供的反应腔，包括本体、加热器、晶圆和承托机构，加热器、晶圆和承托机构均设于本体内；晶圆的边缘搭接在承托机构的承托部上，且承托部的下表面与加热器的上表面贴合，因此晶圆的边缘采用热传导的方式加热，而晶圆的中部区域的加热方式为加热器通过加热间隙进行热辐射，相比于现有的晶圆所有区域均是热辐射加热，本实施例中晶圆边缘由热辐射改为热传导的加热方式，热传导的传热效果更好，可以提高晶圆边缘区域的温度，进而缩小晶圆中心和边缘的温度差，提高晶圆的温度分布均匀性，提高晶圆沉积的质量，提高产能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造设备技术领域，具体涉及一种反应腔及镀膜设备。
背景技术
晶圆镀膜设备一般包括晶圆传送腔室和晶圆反应腔室。在半导体加工工艺中，待加工的晶圆首先被放置于传送腔室内，再利用传输机构将晶圆从传送腔室输送至反应腔室。处于反应腔室中的晶圆发生化学薄膜沉积反应，待晶圆在反应腔室中被镀膜之后，利用传输机构将晶圆输送至传送腔室，最后将镀膜后的晶圆从传送腔室中取出。
化学薄膜沉积反应，反应腔室内接近真空或填充惰性气氛，内部环境温度达到300℃左右或更高。然而现有的反应腔内晶圆的中间温度高、边缘温度低，晶圆表面温度不均匀，导致晶圆上膜的沉积速率不均匀，进而导致膜的不均匀性，可能会导致膜的应力不均匀，甚至会出现膜破损、脱落的问题。
发明内容
(一)本发明所要解决的技术问题是：现有的反应腔，晶圆中部和边缘温差较大，受热不均匀，导致镀膜不均匀，甚至出现膜破损、脱落的情况。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明一方面实施例提供了一种反应腔，包括：本体、加热器、晶圆和承托机构，所述本体内形成容纳腔，所述加热器、所述晶圆和所述承托机构均设于所述容纳腔内；
所述承托机构内部形成中空腔体，所述加热器设于所述中空腔体内，所述承托机构上端设有承托部，所述承托部的下表面与所述加热器的上表面相贴合，所述晶圆搭接于所述承托部上，所述晶圆的下表面和所述加热器的上表面之间形成加热间隙。
根据本发明的一个实施例，所述承托机构上设有定位件，所述加热器上设有配合部，所述定位件与所述配合部配合以限制所述加热器和所述承托机构发生沿径向的相对移动。
根据本发明的一个实施例，所述定位件包括设于所述承托部下表面的定位销，所述配合部包括设于所述加热器上表面的定位孔，所述定位销插入所述定位孔内。
根据本发明的一个实施例，所述承托机构呈筒状，所述承托部包括所述承托机构上端内壁的一圈凸起；
所述凸起的下表面与所述加热器的上表面相互贴合，所述定位销一体成型于所述凸起的下表面。
根据本发明的一个实施例，所述加热器呈柱状，所述加热器上表面中部形成有向上凸出的凸出部，所述凸出部插入所述凸起围成的空间内，所述凸出部的上表面与所述晶圆的下表面之间形成所述加热间隙。
根据本发明的一个实施例，所述凸出部的外侧形成一圈缺口，所述加热器上端对应所述缺口区域的上表面为安装面，所述凸起的下表面压合在所述安装面上，且所述定位孔开设于所述安装面上，所述定位孔的深度方向沿所述加热器的轴线方向延伸。
根据本发明的一个实施例，所述凸起的内壁面与所述凸出部的外壁面相贴合；和/或，
所述加热器的外壁面与所述承托机构的内壁面相贴合。
根据本发明的一个实施例，所述加热间隙的高度为0.5-1.5mm。
根据本发明的一个实施例，所述加热器的上表面上设有支撑柱，所述支撑柱的上端位于所述加热间隙内，且所述支撑柱的上端与所述晶圆的下表面间隔设置，所述支撑柱用于支撑所述晶圆。
本发明另一发明实施例提供了一种镀膜设备，包括上述任一实施例所述的反应腔。
本发明的有益效果：本发明提供的反应腔，包括本体、加热器、晶圆和承托机构，加热器、晶圆和承托机构均设于本体内；晶圆的边缘搭接在承托机构的承托部上，且承托部的下表面与加热器的上表面贴合，因此晶圆的边缘采用热传导的方式加热，而晶圆的中部区域的加热方式为加热器通过加热间隙进行热辐射，相比于现有的晶圆所有区域均是热辐射加热，本实施例中晶圆边缘由热辐射改为热传导的加热方式，热传导的传热效果更好，可以提高晶圆边缘区域的温度，进而缩小晶圆中心和边缘的温度差，提高晶圆的温度分布均匀性，提高晶圆沉积的质量，提高产能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明一个实施例提供的反应腔的示意图；
图2为本发明一个实施例提供的压力小于30torr时热传递效果与压力之间的关系图。
图标：1-晶圆；2-承托机构；21-承托部；211-定位销；3-加热器；31-凸出部；32-支撑柱；33-加热间隙。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明一方面实施例提供了一种反应腔，包括：本体、加热器3、晶圆1和承托机构2，所述本体内形成容纳腔，所述加热器3、所述晶圆1和所述承托机构2均设于所述容纳腔内；所述承托机构2内部形成中空腔体，所述加热器3设于所述中空腔体内，所述承托机构2上端设有承托部21，所述承托部21的下表面与所述加热器3的上表面相贴合，所述晶圆1的边缘搭接于所述承托部21上，所述晶圆1的下表面和所述加热器3的上表面之间形成加热间隙33。
申请人研究发现，一些技术中镀膜设备的反应腔包括加热器3和承托机构2，但是为了避免加热器3和承托机构2之间发生相对移动，进而导致晶圆1出现窜动的情况，在承托机构2和加热器3之间通过定位销211定位并连接，其中定位销211一部分插入承托机构2内，另一部分插入到加热器3内，在承托机构2和加热器3之间具有一定的间隙，同时晶圆1的中部和加热器3之间也具有一定的间隙，因此加热器3通过热辐射的方式对晶圆1的中部和边缘进行加热，存在晶圆1中部温度和边缘温度温差较大，晶圆1表面温度不均匀的问题，导致晶圆1上膜的沉积速率不均匀，进而导致膜的不均匀性，可能会导致膜的应力不均匀，甚至会出现膜破损、脱落的情况。
本申请中承托机构2上与晶圆1边缘进行搭接的承托部21和加热器3之间是贴合的，因此晶圆1边缘的加热方式由热辐射改为热传导，加热器3的热量通过承托部21传递给晶圆1边缘区域，而晶圆1内的中部区域仍然是热辐射的加热方式，承托机构2为导热材料制成的(例如陶瓷)，因此热传导的热量传递效率更高，可以提高晶圆1边缘区域的温度，进而缩小晶圆1中心和边缘的温度差，提高晶圆1的温度分布均匀性，提高晶圆1沉积的质量，提高产能。
根据本发明的一个实施例，如图1所示，所述承托机构2上设有定位件，所述加热器3上设有配合部，所述定位件与所述配合部配合以限制所述加热器3和所述承托机构2发生沿径向的相对移动。本申请通过承托机构2上的定位件和加热器3上的配合部进行配合来限制承托机构2相对于加热器3沿承托机构2的径向移动，当晶圆1水平放置时，也即是限制承托机构2在水平面内移动，进而能够避免搭接于承托机构2上侧的晶圆1在水平面内晃动，以保证晶圆1镀膜的稳定性。
如图1所示，所述定位件包括设于所述承托部21下表面的定位销211，所述配合部包括设于所述加热器3上表面的定位孔，所述定位销211插入所述定位孔内；定位销211和定位孔的定位方式更加便捷，只需要将定位销211对准定位孔插入，就能够实现对于承托机构2的限位，其中所述定位销211的延伸方向与承托机构2的轴向相同，也即是定位销211是竖直设置的，对应的所述定位孔也为竖直设置的。
根据本发明的一个实施例，如图1所示，所述承托机构2呈筒状，所述承托部21包括所述承托机构2上端内壁的一圈凸起；所述凸起的下表面与所述加热器3的上表面相互贴合，所述定位销211一体成型于所述凸起的下表面。所述定位销211与所述承托部21一体成型，且定位销211能够完全插入到定位孔内，因此承托部21与加热器3之间直接接触，并没有间隙，加热器3的热量能够通过承托部21传递给晶圆1的边缘，因此能够提高晶圆1边缘的温度，进而缩小晶圆1边缘和中部的温差，提高晶圆1的温度分布的均匀性，提高晶圆1沉积的质量，提高产能。可选的，本实施例中，所述加热器3为铝材，承托部21由陶瓷材料制成，定位销211的径向尺寸和高度尺寸小于加热器3的定位孔的尺寸，因为当反应腔内加热到330℃时两种材料的膨胀系数相差很大，所以定位孔和定位销211的尺寸需要留有余量，防止热变形导致不必要的变形或损伤。优选的，本实施例中，所述承托部21与所述承托机构2也为一体成型机构，一体式的承托机构2的结构强度更好。
需要说明的是，在本实施例中，所述定位销211与所述承托部21也可以为分体式结构，即定位销211通过其他方式与承托部21连接固定，例如通过插接、卡接等方式，其同样能够实现本实施例中，通过定位销211和定位孔配合对承托机构2进行定位的目的。所述承托部21和所述承托机构2也可以为分体式结构，所述承托机构2和所述加热器3也不局限于上述材料。
根据本发明的一个实施例，所述加热器3呈柱状，所述加热器3上表面中部形成有向上凸出的凸出部31，所述凸出部31插入所述凸起围成的空间内，所述凸出部31的上表面与所述晶圆1的下表面之间形成所述加热间隙33；柱状的加热器3位于筒状的承托机构2内，优选的，本实施例中，所述加热器3呈圆柱状，所述承托机构2呈圆筒状，所述凸起呈圆环状，所述凸出部31和所述加热器3整体呈“阶梯轴”状，其中所述凸出部31插入到凸起围成的空间内，凸起的上端面与所述晶圆1的下表面之间形成所述加热间隙33，所述加热间隙33的高度小于所述承托部21的高度。本实施中凸出部31插入到凸起内，同时加热器3本身位于承托机构2内，因此承托机构2本身能够对加热器3进行限位；同时还可以实现所述加热器3和所述晶圆1的中部为热辐射的加热方式，加热器3与晶圆1的边缘为热传导的加热方式，进而缩小晶圆1中部和边缘的温差。当然，在本实施例中，所述加热器3的上端也可以不设置凸出部31，此时加热间隙33的高度即为承托部21的厚度，其同样能够实现本申请中通过改变晶圆1边缘的加热方式，来缩小晶圆1中部和边缘温差的目的。
其中，本申请上述实施例中，所述承托机构2为其他筒状结构，所述加热器3为其他柱状结构，例如所述承托机构2也为方筒状，所述加热器3呈方柱状，其同样能够实现本发明的设计思想，应属于本发明的保护范围。
如图1所示，所述凸出部31的外侧形成一圈缺口，所述加热器3上端对应所述缺口区域的上表面为安装面，所述凸起的下表面压合在所述安装面上，且所述定位孔开设于所述安装面上，所述定位孔的深度方向沿所述加热器3的轴线方向延伸(也即是沿着竖直方向)。
根据本发明的一个实施例，所述凸起的内壁面与所述凸出部31的外壁面相贴合，这样凸起能够与凸出部31之间进行限位，进一步保证承托机构2不会与加热器3之间出现相对移动。
根据本发明的一个实施例，所述加热器3的外壁面与所述承托机构2的内壁面相贴合，本实施例中通过承托机构2内壁与加热器3外壁的贴合，来限制承托机构2与加热器3在水平面内移动，进一步提高对于承托机构2的限位效果。
根据本发明的一个实施例，所述加热器3的外壁面与所述承托机构2的内壁面相贴合，所述凸起的内壁面与所述凸出部31的外壁面相贴合，本实施例中，通凸起和凸出部31，以及所述加热器3的外壁面与所述承托机构2的内壁面的双重限位，再配合定位销211和定位孔综合作用，可以保证承托机构2的限位效果，进而提高晶圆1镀膜的稳定性和质量。
优选的，如图1所示，所述承托部21的周向上均布有多个定位销211，对应的所述环形缺口对应的安装面上设有多个定位孔，通过设置多组定位销211和多组定位孔能够对承托机构2进行更好地限位。优选的，本实施例中，多个定位孔在周向上间隔并均匀分布；优选的，本实施例中所述定位孔设有三个，对应的所述定位销211也设有三个。可以理解的，在本实施例中，定位销211的数量也可以是四个、五个、六个等，其同样能够实现本申请通过定位销211和定位孔对承托机构2进行定位的目的。
根据本发明的一个实施例，如图1所示，所述加热器3的上表面上设有支撑柱32，所述支撑柱32的上端位于所述加热间隙33内，且所述支撑柱32的上端与所述晶圆1的下表面间隔设置，所述支撑柱32用于支撑所述晶圆1；由于晶圆1在镀膜过程中，中部区域可能受热下沉，此时通过设置支撑柱32对晶圆1进行支撑；优选的，本实施例中，所述加热器3的中部设有多个支撑柱32，通过多个支撑柱32对晶圆1支撑，晶圆1受力更均匀。本实施例中，所述支撑柱32为陶瓷柱。
参考图2所示，申请人研究发现小于30torr时，热辐射的传热速率与压力成正比，因此本实施例中，将加热器3与晶圆1中部的距离调大，也即是调大加热间隙33，调大加热间隙33会减少晶圆1中心区域气体的传递，这个区域的压力就小，因为传热速率与压力成正比关系，所以传热速率就会降低，这样就会提升晶圆1温度分布的均匀性。优选的，本实施例中，所述加热间隙33为C，当C＝0.5-1.5mm时，晶圆1中心和边缘的温差最小，晶圆1的温度分布均匀性最好。
现有的反应腔中，加热器3上表面与晶圆1下表面之间的距离为0.13mm，由于间隙较小，压力比较大，因此热传递效率加高，导致晶圆1中心的温度较高，本申请通过增大加热器3上端凸出部31的长度或减小部的高度，来减小加热间隙33的高度。现有的凸出部31的长度为E＝3.24，承托部21的高度D＝3.24，加热间隙33的尺寸C＝0.13，承托部21的下表面和安装面的上表面之间的距离A＝0.13；如果要调整加热间隙33的尺寸C到达1.0mm，则需要增高E的长度，或缩短D的高度，例如D＝4.11mm，或E＝2.11，此时加热间隙33等于1mm，加热间隙33的增大减小了加热间隙33的气压，进而能够降低传热效率，从而缩小晶圆1中心与边缘的温差。
本发明还提供了一种镀膜设备，包括传送腔和上述任一实施例提供的反应腔，由于本实施例提供的反应腔，晶圆1表面温度均匀性更好，因此镀膜质量更好。
下面结合附图来说明本发明提供的反应腔的工作原理。
反应腔内设置圆筒状的承托机构2，在承托机构2的上端内壁上形成一圈圆环状的承托部21，承托部21的表面一体成型有定位销211，在承托机构2内设有加热器3，加热器3呈圆柱状，且加热器3的内壁面和承托机构2的外壁面相互贴合，能够限制承托机构2移动，同时在加热器3上设有凸出部31，凸出部31的外侧形成有安装面，在安装面上设有定位孔，通过定位销211和定位孔的配合能够限制承托机构2移动，并且凸出部31和承托部21的内壁和外壁相贴合，能够进一步限制承托机构2移动。其中晶圆1的边缘搭接在承托部21上，凸出部31的上表面和晶圆1的下表面之间形成加热间隙33，加热间隙33的高度为0.5-1.5mm，通过提高加热间隙33能够降低加热间隙33内的压力，进而减少热量传递，减少晶圆1中间区域的温度，同时晶圆1边缘是通过加热器3直接热传导传递热量，因此能够提高晶圆1边缘的温度，进而使得晶圆1中部和边缘的温差缩小，能够提高晶圆1的温度分布均匀性，提高晶圆1沉积的质量，提高产能。另外加热器3由铝材制成，而承托机构2由陶瓷材料制成，一体成型的定位销211也是由陶瓷材料制成的，而二者的膨胀系数不同，因此定位销211和定位孔采用间隙配合，预留一定的膨胀余量，防止定位销211因热变形导致不必要的变形或损伤。另外，由于晶圆1中部是悬空的，因此受热后可能会出现晶圆1中部下沉的情况，因此在凸出部31上设置多个支撑柱32，当晶圆1受热下沉后，与支撑柱32接触，通过支撑柱32对晶圆1进行支撑，本实施例中，所述支撑柱32是由陶瓷材料制成的。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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。此外，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。
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”、“连通”、“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；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连通，也可以通过中间媒介间接连通，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。此外，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。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种反应腔，其特征在于，包括：本体、加热器(3)、晶圆(1)和承托机构(2)，所述本体内形成容纳腔，所述加热器(3)、所述晶圆(1)和所述承托机构(2)均设于所述容纳腔内；
所述承托机构(2)内部形成中空腔体，所述加热器(3)设于所述中空腔体内，所述承托机构(2)上端设有承托部(21)，所述承托部(21)的下表面与所述加热器(3)的上表面相贴合；
所述晶圆(1)搭接于所述承托部(21)上，所述晶圆(1)的下表面和所述加热器(3)的上表面之间形成加热间隙(33)。
2.根据权利要求1所述的反应腔，其特征在于，所述承托机构(2)上设有定位件，所述加热器(3)上设有配合部，所述定位件与所述配合部配合以限制所述加热器(3)和所述承托机构(2)发生沿径向的相对移动。
3.根据权利要求2所述的反应腔，其特征在于，所述定位件包括设于所述承托部(21)下表面的定位销(211)，所述配合部包括设于所述加热器(3)上表面的定位孔，所述定位销(211)插入所述定位孔内。
4.根据权利要求3所述的反应腔，其特征在于，所述承托机构(2)呈筒状，所述承托部(21)包括所述承托机构(2)上端内壁的一圈凸起；
所述凸起的下表面与所述加热器(3)的上表面相互贴合，所述定位销(211)一体成型于所述凸起的下表面。
5.根据权利要求4所述的反应腔，其特征在于，所述加热器(3)呈柱状，所述加热器(3)上表面中部形成有向上凸出的凸出部(31)，所述凸出部(31)插入所述凸起围成的空间内，所述凸出部(31)的上表面与所述晶圆(1)的下表面之间形成所述加热间隙(33)。
6.根据权利要求5所述的反应腔，其特征在于，所述凸出部(31)的外侧形成一圈缺口，所述加热器(3)上端对应所述缺口区域的上表面为安装面，所述凸起的下表面压合在所述安装面上，且所述定位孔开设于所述安装面上，所述定位孔的深度方向沿所述加热器(3)的轴线方向延伸。
7.根据权利要求6所述的反应腔，其特征在于，所述凸起的内壁面与所述凸出部(31)的外壁面相贴合；和/或，
所述加热器(3)的外壁面与所述承托机构(2)的内壁面相贴合。
8.根据权利要求1至7任一项所述的反应腔，其特征在于，所述加热间隙(33)的高度为0.5-1.5mm。
9.根据权利要求1至7任一项所述的反应腔，其特征在于，所述加热器(3)的上表面上设有支撑柱(32)，所述支撑柱(32)的上端位于所述加热间隙(33)内，且所述支撑柱(32)的上端与所述晶圆(1)的下表面间隔设置，所述支撑柱(32)用于支撑所述晶圆(1)。
10.一种镀膜设备，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的反应腔。
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