CN116024653A - 升降装置和外延反应设备 - Google Patents

Abstract

本公开涉及升降装置和外延反应设备，该升降装置包括：升降销，其包括上部部分和下部部分，其中，上部部分的直径大于下部部分的直径，并且上部部分穿过形成在基座中的第一通孔用以接合晶圆；支承部件，其设置有用于下部部分的插入的第二通孔，第二通孔的直径小于上部部分的直径，并且第二通孔与第一通孔在竖向方向上对应且第二通孔的直径与下部部分的直径匹配，以使得当下部部分插入到第二通孔中时升降销能够被保持在竖向方向上；以及驱动部件，其用于驱动支承部件在竖向方向上移动以带动升降销在竖向方向上升降。通过该升降装置和外延反应设备，能够将晶圆放置在基座的理想的中心位置，从而有助于改善外延层均一性以及晶圆表面平坦度。

Description

升降装置和外延反应设备

技术领域

本公开涉及半导体加工制造技术领域，具体地，涉及升降装置和包括该升降装置的外延反应设备。

背景技术

在外延反应工艺中，晶圆通常通过传送叶片从传输腔室传送进入工艺腔室以进行外延生长并在完成生长后通过传送叶片传送离开工艺腔室。在该过程中，升降装置会通过升降运动来使晶圆落位在外延反应设备的基座上以便进行反应以及在反应结束后使晶圆从基座离开。

目前，常用的升降装置包括升降销、支承臂和升降轴，其中，升降销延伸穿过基座中的通孔并且能够在由升降轴驱动升降的支承臂的支承作用下接合并承托晶圆进行升降运动，由此实现晶圆在基座上的落位及离开。

然而，常规地，升降销的下端面与支承臂的接触为点接触，在这种情况下，在支承臂支承升降销顶起晶圆并使晶圆落位到基座的过程中，升降销可能会因热应力、晶圆重力、外界震动等因素的影响而发生倾斜，并且升降销本身在长时间的升降移动过程中也可能会发生偏斜，由此导致晶圆无法被落位和放置到基座的理想的中心位置，而偏离理想位置则会影响晶圆的外延生长，使得外延层的均一性以及晶圆表面的平坦度不佳；另外，承托晶圆的过程中发生的升降销倾斜还可能导致晶圆震动和突降，从而容易在晶圆上造成划痕或产生颗粒；而且，升降销的倾斜还可能导致其与基座甚至与基座支承臂之间发生摩擦，从而产生颗粒物并可能因此污染晶圆，这些最终都会影响到晶圆的品质。

发明内容

本部分提供了本公开的总体概要，而不是对本公开的全部范围或所有特征的全面公开。

本公开的一个目的在于提供一种能够将晶圆放置在基座的理想的中心位置的升降装置。

本公开的另一目的在于提供一种能够避免在升降销的升降中产生颗粒污染的升降装置。

本公开的又一目的在于提供一种能够避免设计和构造用于升降销支承臂的旋转机构从而节省相应成本的升降装置。

为了实现上述目的中的一个或多个，根据本公开的一方面，提供了一种升降装置，其用于在外延反应设备中使晶圆相对于基座的用于承载晶圆的表面升降，其包括：

升降销，其包括上部部分和下部部分，其中，上部部分的直径大于下部部分的直径，并且上部部分穿过形成在基座中的第一通孔用以接合晶圆；

支承部件，其设置有用于下部部分的插入的第二通孔，第二通孔的直径小于上部部分的直径，并且第二通孔与第一通孔在竖向方向上对应且第二通孔的直径与下部部分的直径匹配，以使得当下部部分插入到第二通孔中时升降销能够被保持在竖向方向上；以及

驱动部件，其用于驱动支承部件在竖向方向上移动以带动升降销在竖向方向上升降。

在上述升降装置中，下部部分的长度可以设置成使得当下部部分插入到第二通孔中时能够从第二通孔延伸出一定距离。

在上述升降装置中，升降销还可以包括设置在上部部分的上端的头部部分，头部部分构造成能够在升降销降下以使晶圆置于基座的表面上时悬挂在基座上。

在上述升降装置中，头部部分可以具有顶部呈圆弧形的伞状结构。

在上述升降装置中，头部部分的直径可以为4mm至12mm，并且厚度可以为1mm至3mm。

在上述升降装置中，上部部分的直径可以为3mm至10mm，并且下部部分的直径可以为2mm至3mm。

在上述升降装置中，上部部分的长度可以为80mm至120mm，并且下部部分的长度可以为10mm至80mm。

在上述升降装置中，支承部件可以为在周向方向上等间隔布置的至少三个支承部件，并且升降销可以为与所述三个支承部件对应布置的至少三个升降销。

根据本公开的另一方面，提供了一种外延反应设备，其包括：

基座，其包括用于承载晶圆的表面和形成在基座中的第一通孔；

基座支承构件，其用于支承基座并在外延反应时驱动基座旋转；以及

根据上述段落中的任一个所述的升降装置。

在上述外延反应设备中，基座支承构件可以包括用于支承基座的基座支承部件，基座支承部件设置在支承部件的上方并设置有用于允许升降销穿过的第三通孔。

根据本公开，通过将升降销设置为变径的并通过在支承部件中设置与基座中的通孔在竖向方向上对应且直径与升降销的要插入其中的部分的直径匹配的通孔，使得升降销能够由支承部件保持在竖向方向上，由此升降销能够带动晶圆始终在竖向方向上移动，从而使晶圆能够被准确地落位和放置到基座上的理想位置，有助于晶圆获得具有良好均一性的外延层，提升了晶圆表面的平坦度和良品率，同时也避免了因升降销倾斜而可能导致的其与基座甚至与基座支承臂之间的摩擦，从而避免了颗粒物的产生以及由此对晶圆的污染；而且升降销不会在支承臂上晃动而倾斜，避免了晶圆的震动和突降以及由此在晶圆上造成划痕或产生颗粒，从而能够最终提高晶圆的品质。另外，通过将支承臂中的孔设置为通孔，粉尘可以直接穿过通孔离开或被气流带走，不会积存在通孔中，由此避免了粉尘对晶圆可能造成的污染。而且，通过将升降销的下部部分的长度设置成使得当其插入到通孔中时能够从通孔延伸出一定距离，可以增强升降销的稳定性，从而防止升降销在升降过程中发生抖动，并由此消除因升降销抖动而对晶圆造成的不利影响。此外，通过在升降销的上端构造使其能够悬挂在基座上的头部部分，可以防止升降销因基座旋转而断裂，并且还无需设置用于使支承臂旋转的相应的旋转机构，从而省去了为设计和构造该旋转机构而会产生的高昂成本。

通过以下结合附图对本公开的示例性实施方式的详细说明，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点将更加清楚。

附图说明

图1以示意图示出了外延反应设备的工艺腔室结构，其中，升降销的下端面被示出与支承臂点接触；

图2以曲线图示出了升降销处于竖向及倾斜时的外延层侧面厚度；

图3以示意图示出了根据本公开的实施方式的升降装置，其中，升降销被示出相对于基座表面上升以支承晶圆；

图4以示意图示出了根据本公开的实施方式的升降装置，其中，升降销被示出相对于基座表面下降以使晶圆落位于基座表面上；

图5以示意图示出了利用图1中的升降装置装载晶圆时晶圆装载位置的分布；以及

图6以示意图示出了利用根据本公开的实施方式的升降装置装载晶圆时晶圆装载位置的分布。

具体实施方式

下面参照附图、借助于示例性实施方式对本公开进行详细描述。要注意的是，对本公开的以下详细描述仅仅是出于说明目的，而绝不是对本公开的限制。

在例如外延反应炉的外延反应设备中，晶圆通过传送叶片从传输腔室传送进入工艺腔室以进行外延生长。

参照图1，外延反应设备的工艺腔室可以包括顶部钟罩101、底部钟罩102、加热装置103、基座104、基座支承构件、晶圆升降装置等。顶部钟罩101与底部钟罩102一起构成进行外延生长的密闭空间。加热装置103可以是灯模块，以用于使外延生长能够在一定温度下进行。基座104具有用于承载晶圆200的表面，以用于在其上对晶圆200进行外延生长。通常，基座支承构件可以包括基座升降轴201和连接至基座升降轴201的基座支承臂202，基座支承臂202连接至基座104以用于支承基座104，并且基座升降轴201用于通过基座支承臂202驱动基座104上下运动及旋转，以带动基座104上承载的晶圆200进行升降及旋转。基座支承臂202可以是三个基座支承臂并且这三个基座支承臂可以绕基座升降轴201呈120°分布。

在外延反应过程中，晶圆升降装置用于通过升降运动来使晶圆落位在外延反应设备的基座上以便进行外延反应以及在外延反应结束后使晶圆从基座离开。参照图1，晶圆升降装置可以包括升降销301、支承臂302和升降轴303。升降销301延伸穿过基座104中的通孔用以接合并承托晶圆200，支承臂302的一端连接至升降轴303并且用于通过支承臂302的另一端支承升降销301的下端面，升降轴303可以进行上下运动以驱动支承臂302进行升降运动，由此带动被支承在支承臂302的另一端上的升降销301升降，由此实现晶圆200在基座104上的落位及离开。

然而，如可以在图1中观察到的，升降销301的下端面与支承臂302的另一端的支承表面的接触为点接触，此时，对于升降销301而言，其上端穿过基座104中的通孔且其下端由支承臂302的端部的支承表面进行点接触式支承，在这种情况下，在支承臂302支承升降销301顶起晶圆200并使晶圆200落位到基座104的过程中，升降销301可能会因热应力、晶圆重力、外界震动等因素的影响而发生倾斜，从而导致晶圆200在通过升降进行的放置过程中在水平方向上移位，由此无法被准确放置到基座104的中心，偏离了理想位置。此外，升降销301本身在反复多次的升降移动过程中也可能会发生偏斜，这也会导致晶圆200的升降运动无法仅保持在竖向方向上，从而无法被落位和放置到基座104的理想的中心位置。

偏离理想的放置位置会影响晶圆的外延生长，使得外延层的均一性以及晶圆表面的平坦度不佳，最终影响晶圆品质。图2通过表征晶圆不同位置处的外延层厚度的曲线示意性地分别示出了升降销处于竖向方向时以及倾斜时的外延层侧面厚度。可以从图2中观察到，升降销倾斜导致在晶圆表面生长的外延层的厚度的最大值与最小值之间的差值变大，厚度均一性变差，同时外延层的厚度关于中心位置的对称性也变差，严重影响了晶圆的品质。

此外，承托晶圆的过程中发生的升降销倾斜还可能导致晶圆震动和突降，从而容易在晶圆上造成划痕或产生颗粒；而且，升降销的倾斜还可能导致其与基座甚至与基座支承臂之间发生摩擦，从而产生颗粒物并可能因此污染晶圆，这些最终都会影响到晶圆的品质。

为解决上述问题，根据本公开的实施方式，参照图3和图4，提供了一种升降装置1，其用于在外延反应设备中使晶圆200相对于基座104的用于承载晶圆200的表面104a升降，该升降装置1包括：

升降销11，其包括上部部分111和下部部分112，其中，上部部分111的直径大于下部部分112的直径，并且上部部分111穿过形成在基座104中的第一通孔104b用以接合晶圆200；

支承部件12，其设置有用于下部部分112的插入的第二通孔12a，第二通孔12a的直径小于上部部分111的直径，并且第二通孔12a与第一通孔104b在竖向方向上对应且第二通孔12a的直径与下部部分112的直径匹配，以使得当下部部分112插入到第二通孔12a中时升降销11能够被保持在竖向方向上；以及

驱动部件13，其用于驱动支承部件12在竖向方向上移动以带动升降销11在竖向方向上升降。

具体而言，如图3中所示，升降销11的上部部分111和下部部分112具有不同的直径，且上部部分111的直径大于下部部分112的直径，以此方式，在上部部分111与下部部分112之间或者说在上部部分111与下部部分112的交界处形成台阶形的限位部。在这种情况下，通过在支承部件12中形成直径小于升降销11的上部部分111的直径的第二通孔12a，支承部件12可以通过支承该台阶形的限位部来支承整个升降销11。

升降销11可以通过其上部部分111来穿过基座104中的第一通孔104b，由此可以接合并承托晶圆200，便于在需要时将晶圆200从传送叶片上顶起并承托晶圆200以将其放置到基座104上以及将晶圆200从基座104上顶起并承托晶圆200以将其放置到传送叶片上。

支承部件12在图3中被示例性地示出为支承臂，支承臂12的一端连接至驱动部件13，并且第二通孔12a设置在支承臂12的另一端上。

驱动部件13在图3中被示例性地示出为升降轴13，升降轴13本身可以沿竖向方向上下运动，由于支承臂12的一端与升降轴13连接，因此随着升降轴13的上下运动，支承臂12可以被带动在竖向方向上进行升降运动。

根据本公开的实施方式，第二通孔12a与第一通孔104b在竖向方向上对应，也就是说，第二通孔12a的中心与第一通孔104b的中心在竖向方向上是重合的，而且第二通孔12a的直径与升降销11的下部部分112的直径匹配，也就是说，升降销11的下部部分112的直径仅会略微小于第二通孔12a的直径，使得下部部分112能够插入到第二通孔12a中并且使得下部部分112与第二通孔12a之间的在与竖向方向垂直的水平面上的间隙尽可能地小，理想地，不存在间隙。可以理解的是，这种对应和匹配会使得当下部部分112插入到第二通孔12a中时，升降销11会通过第一通孔104b和第二通孔12a的限制和引导而被保持在竖向方向上。

通过上述构造，升降销11能够在升降运动中始终保持处于竖向方向，由此能够带动晶圆始终在竖向方向上移动，从而使晶圆能够被准确地落位和放置到基座上的理想位置，有助于晶圆获得具有良好均一性的外延层，提升了晶圆表面的平坦度和良品率，同时也避免了因升降销倾斜而可能导致的其与基座甚至与基座支承臂之间的摩擦，从而避免了颗粒物的产生以及由此对晶圆的污染；而且通过上述构造，升降销11的下端能够被固定，由此升降销不会在支承臂上晃动而倾斜，避免了晶圆的震动和突降以及由此在晶圆上造成划痕或产生颗粒，从而能够最终提高晶圆的品质。

参照图5和图6，通常，当晶圆坐落数值XY处于0.5mm以内时，会被认为晶圆已位于基座104的中心即位于理想位置，在这种情况下，晶圆经过外延生长后形成的外延层的厚度的均一性较好。图5示出了例如图1中的常规升降装置装载晶圆时晶圆装载位置的分布，可以看出，因升降销抖动问题，晶圆坐落数值离散性较大，从而影响了晶圆外延层厚度的均一性。图6示出了采用本公开的升降装置时获得的模拟数值分布，相比之下，晶圆坐落在基座上的XY数值稳定性变好，从而改善了晶圆外延层厚度的均一性。

此外，由于第二通孔12a为贯穿支承部件12的贯穿孔，粉尘例如在外延反应中产生的颗粒物以及因升降销11在升降运动中与其他部件的摩擦而产生的颗粒物会直接穿过第二通孔12a离开或被气流带走，不会积存在第二通孔12a中，由此避免了粉尘对晶圆可能造成的污染。

而且，升降销11是插入到第二通孔12a中的，即升降销11与第二通孔12a以及因此与支承部件12为插入式连接，因此既能够实现对升降销11的固定，又能够方便升降销11与支承部件12的装配及拆卸，有利于设备的安装和日常维护。

可以设想的是，第二通孔12a可以通过根据现有的升降销直接在支承臂12上打孔而形成，制作简单、成本小。

根据本公开的实施方式，上部部分111的直径可以为3mm至10mm，并且下部部分112的直径可以为2mm至3mm。

在本公开的实施方式中，下部部分112的长度可以设置成使得当下部部分112插入到第二通孔12a中时能够从第二通孔12a延伸出一定距离。

通过这种方式，一方面，可以确保下部部分112在整个第二通孔12a的长度上延伸，增加了对下部部分112的保持长度，有助于提高保持的稳定性；另一方面，可以增加升降销11的整体重量，以通过重量的增加来提高升降销在竖向方向上的稳定性，从而防止升降销在升降过程中发生抖动，并由此消除因升降销抖动而对晶圆造成的不利影响，例如晶圆在放置过程中移位以及在晶圆上造成划痕等。

当需要使晶圆200置于基座104的表面104a上以进行外延反应时，支承臂12在驱动轴13的驱动下沿竖向方向下降，以带动支承在支承臂12上的升降销11沿竖向方向下降，从而使由升降销11承托的晶圆200下降并被置于基座104的表面104a上。

在进行外延反应时，基座升降轴201会驱动连接至基座升降轴201的基座支承臂202旋转，以带动连接至基座支承臂202的基座104旋转，从而带动放置在基座104上的晶圆200旋转。

可以理解的是，在该过程中，由于升降销11的上部部分111的上端仍处于基座104中或例如更具体地处于基座104的第一通孔104b中，当基座104旋转时，升降销11会被基座104带动一起旋转。然而，由于升降销11的下部部分112此时仍插入在支承臂12的第二通孔12a中，为避免升降销11因上述旋转而被损坏，可以设置相应的旋转机构来使支承臂12进行同步旋转。

在本公开的实施方式中，如图3和图4中所示，升降销11还可以包括设置在上部部分111的上端的头部部分113，头部部分113构造成能够在升降销11降下以使晶圆200置于基座104的表面104a上时悬挂在基座104上。

通过这种构造，升降销11可以仅通过头部部分113而保持在基座104中而不用去通过支承臂12对升降销11的限位部的支承来实现，由此，支承臂12可以在升降销11通过头部部分113悬挂在基座104上时继续沿竖向方向向下移动并最终使得升降销11的下部部分112离开第二通孔12a，即，使得支承臂12与升降销11的下部部分112脱离。在这种情况下，当基座104旋转时，升降销11会随着基座104一起旋转而不会发生断裂损坏的问题，而且，由于支承臂12已经与升降销11的下部部分112脱离，也无需再设置相应的旋转机构来使支承臂12进行同步旋转，这样可以省去为设计和构造该旋转机构而会产生的高昂成本。

根据本公开的实施方式，上部部分111的长度可以为80mm至120mm，并且下部部分112的长度可以为10mm至80mm。

需要注意的是，通过如上所述设定上部部分111和下部部分112的长度，可以使升降销11获得更好的稳定性，另外也避免了因升降销11过短导致不能在支承臂12中卡位或因升降销11过长导致在旋转过程中与升降轴13发生冲突，从而导致断裂。

在本公开的实施方式中，头部部分113可以具有顶部呈圆弧形的伞状结构。

顶部呈圆弧形的伞状结构不仅可以使升降销11挂持在基座104上，还可以通过圆弧形的顶部设计减小升降销11与晶圆200的接触面积，由此减小升降销11对晶圆200造成污染的可能性。

根据本公开的实施方式，头部部分113的直径可以为4mm至12mm，并且厚度可以为1mm至3mm。

可以设想的是，为使晶圆200在升降销11悬挂于基座104上时完全被放置到基座104的表面104a上，可以在基座104的表面104a的与第一通孔104b对应的位置处设置凹槽，如图4中所示。该凹槽构造成可以接纳升降销11的头部部分113并且使得当升降销11悬挂于基座104上其头部部分113不超出基座104的表面104a。

此外，可以设想的是，支承部件12可以为在周向方向上等间隔布置的至少三个支承部件，并且升降销11可以为与所述三个支承部件对应布置的至少三个升降销。

例如，当设置有三个支承部件例如支承臂时，这三个支承臂可以在周向方向上每间隔120°进行分布，并且对应地设置有三个升降销，可以理解的是，这三个升降销同样也在周向方向上每间隔120°进行分布。

通过均匀分布的多个支承部件和相应多个升降销，可以实现对晶圆的更稳定地支承。

根据本公开的另一方面，还提供了一种外延反应设备，其包括：

基座104，其包括用于承载晶圆200的表面104a和形成在基座104中的第一通孔104b；

基座支承构件，其用于支承基座104并在外延反应时驱动基座104旋转；以及

升降装置1。

根据本公开的实施方式，基座支承构件可以包括用于支承基座104的基座支承部件例如基座支承臂202，基座支承部件设置在支承部件12的上方并设置有用于允许升降销11穿过的第三通孔202a，如图4中所示。

通过这种构造，当支承部件12向下移动脱离升降销11的下部部分112并且基座104带动升降销11进行旋转时，由于升降销11此时可以通过穿过基座支承臂202的第三通孔202a而受到限制，因此可以使升降销11在旋转中保持相对稳定，降低了其在旋转中发生倾斜而与其他部件例如基座升降轴碰撞从而被损坏的风险。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种升降装置，其用于在外延反应设备中使晶圆相对于基座的用于承载所述晶圆的表面升降，其特征在于，包括：

升降销，其包括上部部分和下部部分，其中，所述上部部分的直径大于所述下部部分的直径，并且所述上部部分穿过形成在所述基座中的第一通孔用以接合所述晶圆；

支承部件，其设置有用于所述下部部分的插入的第二通孔，所述第二通孔的直径小于所述上部部分的直径，并且所述第二通孔与所述第一通孔在竖向方向上对应且所述第二通孔的直径与所述下部部分的直径匹配，以使得当所述下部部分插入到所述第二通孔中时所述升降销能够被保持在竖向方向上；以及

驱动部件，其用于驱动所述支承部件在竖向方向上移动以带动所述升降销在竖向方向上升降。

2.根据权利要求1所述的升降装置，其特征在于，所述下部部分的长度设置成使得当所述下部部分插入到所述第二通孔中时能够从所述第二通孔延伸出一定距离。

3.根据权利要求1或2所述的升降装置，其特征在于，所述升降销还包括设置在所述上部部分的上端的头部部分，所述头部部分构造成能够在所述升降销降下以使所述晶圆置于所述基座的所述表面上时悬挂在所述基座上。

4.根据权利要求3所述的升降装置，其特征在于，所述头部部分具有顶部呈圆弧形的伞状结构。

5.根据权利要求4所述的升降装置，其特征在于，所述头部部分的直径为4mm至12mm，并且厚度为1mm至3mm。

6.根据权利要求1或2所述的升降装置，其特征在于，所述上部部分的直径为3mm至10mm，并且所述下部部分的直径为2mm至3mm。

7.根据权利要求1或2所述的升降装置，其特征在于，所述上部部分的长度为80mm至120mm，并且所述下部部分的长度为10mm至80mm。

8.根据权利要求1或2所述的升降装置，其特征在于，所述支承部件为在周向方向上等间隔布置的至少三个支承部件，并且所述升降销为与所述三个支承部件对应布置的至少三个升降销。

9.一种外延反应设备，其特征在于，包括：

基座，其包括用于承载晶圆的表面和形成在所述基座中的第一通孔；

基座支承构件，其用于支承所述基座并在外延反应时驱动所述基座旋转；以及

根据权利要求1至8中的任一项所述的升降装置。

10.根据权利要求9所述的外延反应设备，其特征在于，所述基座支承构件包括用于支承所述基座的基座支承部件，所述基座支承部件设置在所述支承部件的上方并设置有用于允许所述升降销穿过的第三通孔。

Images