CN116497341A - 一种预热装置、外延生长设备和外延方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的预热装置用于安装晶圆并对工艺气流进行预热，该预热装置包括多个预热部，任意相邻两个预热部连接，以形成用于安装晶圆的环形预热安装台阶，且晶圆的一端与预热安装台阶的台阶面贴合。本发明提供的预热装置为分体式结构，避免了卡片现象的发生，同时方便了定时对预热装置表面杂质层的去除，解决了现有技术中预热装置随工艺次数的增加难以控制热场均匀性和工艺气流稳定性的问题，可以有效改善外延片的厚度均匀性和浓度均匀性，且具有结构简单、方便耐用、易清理打磨、节约成本等优点，增加了工艺稳定性。本发明还公开了一种外延生长设备和一种外延方法。

Description

一种预热装置、外延生长设备和外延方法
技术领域
本发明涉及半导体设备技术领域，更具体地说，涉及一种预热装置、外延生长设备和外延方法。
背景技术
在半导体设备技术领域中，外延生长需要精准控制很多工艺参数，才能制备出性能比较优良的器件，其中外延层的厚度均匀性是决定器件性能的关键参数之一。
外延生长设备的工艺腔室中设置有托盘和基座，晶圆放置在预热装置的内圈上，预热装置环绕在晶圆外，托盘用于承载晶圆和预热装置相对基座转动。在外延生长的工艺过程中，工艺气流经过预热装置达到晶圆表面，经并过一系列反应生长出所需的外延层。在这个过程中，预热装置起到给工艺气流提前加热并导向的作用，即预热装置在控制衬底表面的热场均匀性和工艺气流稳定性上起着决定性的作用。一般来说，热场均匀性和工艺气流稳定性的优劣又决定着外延层的厚度均匀性与浓度均匀性的优劣，因此预热装置的作用不容忽视。
由于工艺气流需要经过预热装置的外圈导向再达到内圈上的晶圆表面，导致在这个过程中反应气体同样会在预热装置的外圈表面生长出一层3C-SiC，一段时间后在预热装置的外圈和内圈的台阶内壁上也会长出一层3C-SiC，使得衬底表面的热场均匀性和工艺气流稳定性变得越来越差，而现有的预热装置易损坏，且不易于清理打磨，导致控制外延层的厚度均匀性和浓度均匀性的难度较高。
除此之外，随着工艺次数的增多，预热装置的外圈和内圈的台阶内壁长出的3C-SiC越来越厚，影响晶圆的取出，甚至损坏晶圆，使得只能更换新的预热装置，增加了外延成本
因此，如何改善外延层的厚度均匀性和浓度均匀性，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种预热装置，以改善外延层的厚度均匀性和浓度均匀性。
本发明的另一目的在于提供一种外延生长设备，该设备包括上述的预热装置。
本发明的又一目的在于提供一种外延方法，用于通过上述的预热装置进行外延生长。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种预热装置，用于安装晶圆并对工艺气流进行预热，包括多个预热部，且任意相邻两个所述预热部连接，并形成有用于安装所述晶圆的预热安装台阶。
可选地，在上述的预热装置中，所述预热部为两个，且分别为第一预热部和第二预热部；
所述第一预热部设置有第一预热台阶，所述第二预热部与所述第一预热部连接，且所述第二预热部设置有第二预热台阶，所述第一预热台阶与所述第二预热台阶形成所述预热安装台阶。
可选地，在上述的预热装置中，所述第一预热部设置有第一卡接部，所述第二预热部设置有第二卡接部，所述第一卡接部用于与所述第二卡接部嵌装配合，以实现所述第一预热部和所述第二预热部的连接。
可选地，在上述的预热装置中，所述第一卡接部包括第一嵌装块，所述第二卡接部包括用于供所述第一嵌装块嵌入的第一嵌装槽。
可选地，在上述的预热装置中，所述第一卡接部还包括第二嵌装槽，所述第二卡接部还包括用于嵌入所述第二嵌装槽的第二嵌装块。
可选地，在上述的预热装置中，所述第一预热台阶的侧壁为第一侧壁，所述第一预热台阶的底壁为第一底壁，所述第一侧壁与所述第一底壁之间的夹角为第一夹角；
所述第一夹角为锐角，且所述晶圆与所述第一侧壁抵接，并与所述第一底壁贴合。
可选地，在上述的预热装置中，所述第二预热台阶的侧壁为第二侧壁，所述第二预热台阶的底壁为第二底壁，所述第二侧壁与所述第二底壁之间的夹角为第二夹角；
所述第二夹角为锐角，且所述晶圆与所述第二侧壁抵接，并与所述第二底壁贴合。
可选地，在上述的预热装置中，所述第一夹角和/或所述第二夹角为30°～60°。
可选地，在上述的预热装置中，所述第一预热部开设有第一限位槽，所述第二预热部开设有第二限位槽，所述第一限位槽和所述第二限位槽形成供所述晶圆的端部嵌入的限位环槽，且所述限位环槽的一端侧壁为所述预热安装台阶的台阶面。
可选地，在上述的预热装置中，所述第一预热部设置有用于定位的第一定位凸起；和/或，
所述第二预热部设置有用于定位的第二定位凸起。
一种外延生长设备，包括上述的预热装置。
一种外延方法，包括步骤：
外延生长，将所述晶圆安装至如权利要求1～8任意一项所述的预热装置的预热安装台阶上，并进行外延生长；
杂质层去除，将各个所述预热部拆分后，分别去除表面的杂质层。
本发明提供的预热装置用于安装晶圆并对工艺气流进行预热，该预热装置包括多个预热部，任意相邻两个预热部连接，以形成用于安装晶圆的环形预热安装台阶，且晶圆的一端与预热安装台阶的台阶面贴合。在进行工艺时，将晶圆放置在托盘上，再将各个预热部放置于晶圆的四周，并分别连接，即可使晶圆卡紧在预热安装台阶内，即可启动托盘转动，进行外延生长。在外延生长完毕后，可以将各个预热部拆除，从而将晶圆取下，避免“卡片”现象的发生，而粘附于各个预热部的杂质层可以通过物理或化学手段清除掉，以方便后续使用。
相较于现有技术，本发明提供的预热装置为分体式结构，避免了卡片现象的发生，同时方便了定时对预热装置表面杂质层的去除，解决了现有技术中预热装置随工艺次数的增加难以控制热场均匀性和工艺气流稳定性的问题，可以有效改善外延片的厚度均匀性和浓度均匀性，且具有结构简单、方便耐用、易清理打磨、节约成本等优点，增加了工艺稳定性。
本发明提供的外延生长设备包括上述的预热装置，所以同样具有上述优点，在此不再赘述。
本发明实施例公开的外延方法包括步骤外延生长和步骤打磨。步骤外延生长具体为将晶圆安装在上述的预热装置的预热安装台阶上，并进行外延生长。步骤杂质层去除具体为将各个预热部拆分后，同时将外延生长完毕的晶圆取下，即可分别去除各个预热部表面的杂质层。通过去除预热部表面沉积的3C-SiC层，保证了预热装置的表面平整度并实现对衬底表面的热场均匀性和工艺气流稳定性的控制，从而改善外延片的厚度均匀性和浓度均匀性，并降低了更换预热装置的外延成本。相较于现有技术，本发明提供的外延方法方便了晶圆的取出，和对预热装置的有效清理，可保证外延层的厚度均匀性和浓度均匀性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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他的附图。
图1为本发明实施例公开的预热装置的剖视图；
图2为本发明实施例公开的预热装置的俯视图；
图3为第二预热部于图2中A处的局部剖面图；
图4为本发明实施例公开的预热装置的爆炸图。
其中，100为预热装置，101为底部通孔；
110为第一预热部，111为第一侧壁，112为第一底壁，113为第一卡接部，114为第一定位凸起；
120为第二预热部，121为第二侧壁，122为第二底壁，123为第二卡接部，124为第二定位凸起；
200为晶圆。
具体实施方式
本发明的核心在于公开一种预热装置，以改善外延层的厚度均匀性和浓度均匀性。
本发明的另一核心在于公开一种外延生长设备，该设备包括上述的预热装置。
本发明的又一核心在于公开一种外延方法，用于通过上述的预热装置进行外延生长。
以下，参照附图对实施例进行说明。此外，下面所示的实施例不对权利要求所记载的发明内容起任何限定作用。另外，下面实施例所表示的构成的全部内容不限于作为权利要求所记载的发明的解决方案所必需的。
结合图1，本发明实施例公开的预热装置100用于安装晶圆200并对工艺气流进行预热，该预热装置100包括多个预热部，任意相邻两个预热部连接，以形成用于安装晶圆200的环形预热安装台阶，且晶圆200的一端与预热安装台阶的台阶面贴合。
在进行工艺时，将晶圆200放置在托盘上，再将各个预热部放置于晶圆200的四周，并分别连接，即可使晶圆200卡紧在预热安装台阶内，再启动托盘转动，即可进行外延生长。在外延生长完毕后，可以将各个预热部拆除，从而将晶圆200取下，避免“卡片”现象的发生，而粘附于各个预热部的杂质层可以通过物理或化学手段清除掉，以方便后续使用。
相较于现有技术，本发明实施例公开的预热装置为分体式结构，避免了卡片现象的发生，同时方便了定时对预热装置100表面杂质层的去除，解决了现有技术中预热装置随工艺次数的增加难以控制热场均匀性和工艺气流稳定性的问题，可以有效改善外延片的厚度均匀性和浓度均匀性，且具有结构简单、方便耐用、易清理打磨、节约成本等优点，增加了工艺稳定性。
其中，预热部可以为2个、3个等，为了避免由于预热部的数量过多，导致的拆装繁琐、制造困难等问题，在本发明公开的一具体的实施例中，如图1所示，预热部为两个，且分别为第一预热部110和第二预热部120。其中，第一预热部110设置有第一预热台阶，第二预热部120与第一预热部110连接，且第二预热部120设置有第二预热台阶，第一预热台阶与第二预热台阶形成预热安装台阶。
如图2所示，预热装置为环形结构，在进行外延生长时，工艺气流经由预热装置100的预热后流经晶圆200的表面，最后经过预热装置100流出。
为了实现第一预热部110和第二预热部120的连接，结合图3和图4，第一预热部110设置有第一卡接部113，第二预热部120设置有第二卡接部123，第一卡接部113可与第二卡接部123嵌装配合，以实现第一预热部110和第二预热部120的连接。
如图4所示，第一卡接部113和第二卡接部123分别设置于第一预热部110和第二预热部120用于连接的端面上。
在一具体的实施例中，如图2所示，第一卡接部113包括第一嵌装块，第二卡接部123包括第一嵌装槽，通过将第一嵌装块嵌入第一嵌装槽内，进而可实现第一预热部110和第二预热部120的连接。
进一步地，为了提高连接的可靠性，第一卡接部113还包括第二嵌装槽，第二卡接部123还包括用于嵌入第二嵌装槽的第二嵌装块。第一嵌装块和第二嵌装槽分别设置于第一预热部110的两端，第二嵌装块和第一嵌装槽分别设置于第二预热部120的两端，以使第一预热部110和第二预热部120连接为环状(内圈为不规则环状，以与晶圆200的主定位边配合进行定位)。
本领域技术人员可以理解的是，第一卡接部113和第二卡接部123还可替换为两个对应的台阶结构，通过两个台阶结构的搭接，也可实现第一预热部110和第二预热部120的连接。第一预热部110和第二预热部120还可以采用胶水粘接、销连接、键连接、螺栓连接等多种方式连接，只需保证在旋转过程中第一预热部110和第二预热部120不会发生分离即可。
定义第一预热台阶的侧壁为第一侧壁111，第一预热台阶的底壁为第一底壁112。第二预热台阶的侧壁为第二侧壁121，第二预热台阶的底壁为第二底壁122。
由于现有的预热装置100用于安装晶圆200的安装台阶的台阶侧壁和台阶底壁呈90°的夹角，在托盘带动预热装置100和晶圆200转动的过程中，晶圆200可能由安装台阶上飞出，出现“飞片”现象。为了避免“飞片”现象的发生，在本发明公开的一具体的实施例中，第一侧壁111与第一底壁112之间的夹角为第一夹角，第一夹角为锐角，使得晶圆200与第一底壁112贴合，并与第一侧壁111抵接。
如图1所示，晶圆200与第一侧壁111之间留有空隙，倾斜的第一侧壁111可对晶圆200进行限位，避免“飞片”现象。在安装晶圆200时，可以先将晶圆200放在第一底壁112或第二底壁122中的一个上，再将安装另一个，从而完成预热装置100的安装。
进一步地，第二夹角也为锐角，且晶圆200与第二底壁122贴合，并与第二侧壁121抵接，如图1所示，晶圆200的两端均被限位，避免了晶圆200出现“飞片”现象。
其中，第一夹角和第二夹角的取值可相同或不同，只需小于90°即可，例如为30°～60°。在一具体的实施例中，第一夹角和第二夹角均为45°。且第一侧壁111和第二侧壁121形成锥形结构，晶圆200的一端与第一底壁112和第二底壁122贴合，另一端与锥形结构的圆锥面抵接，锥形结构的最小直径小于晶圆200的直径，以使得晶圆200限位于锥形结构和台阶面之间。
由于第一侧壁111和第二侧壁121对晶圆200的限位作用会导致晶圆200位于端部的部分外延生长效果较差，对于该部分可以通过后续的切边工艺进行处理(例如切除晶圆200外圈2mm的部分)。
结合图1，第一底壁112和第二底壁122共同形成预热安装孔的台阶面，第一底壁112和第二底壁122之间留有底部通孔101，底部通孔101的孔径小于晶圆200的直径，以使得第一底壁112和第二底壁122可承托住晶圆200，避免晶圆200掉落，而托盘可经由底部通孔101托举晶圆200，并带动晶圆200转动。
需要说明的是，第一底壁112和第二底壁122可处于同一平面或不同平面，为了保证晶圆200的外延生长效果，第一底壁112和第二底壁122处于同一平面，以使得晶圆200可水平放置，第一预热部110和第二预热部120的上表面(图1所出示的方向)也处于同一平面，以使得工艺气流可均匀通过晶圆200的上表面(图1所出示的方向)。
在本发明公开的一具体的实施例中，第一预热部110开设有第一限位槽，第二预热部120开设有第二限位槽，第一限位槽和第二限位槽形成限位环槽。通过将晶圆200的端部嵌入的限位环槽内，使得晶圆200被限位环槽限位，避免“飞片”。
为了方便预热装置100随动托盘，以使晶圆200和预热装置100可随托盘同步旋转，第一预热部110设置有用于定位的第一定位凸起114，第二预热部120设置有用于定位的第二定位凸起124。
对应地，在托盘上设置有供第一定位凸起114和第二定位凸起124嵌入的定位槽，定位槽可与第一定位凸起114和第二定位凸起124相配合，使预热装置100相对托盘定位。
本发明实施例公开的外延生长设备包括上述的预热装置100，所以同样具有上述优点，在此不再赘述。
本发明实施例公开的外延方法包括步骤外延生长和步骤打磨。
S1、外延生长；
将晶圆200安装在上述的预热装置100的预热安装台阶上，并进行外延生长。具体地，将各个预热部和晶圆200在托盘上安装好，即可通入工艺气流，进入外延生长作业。
S2、杂质层去除；
将各个预热部拆分后，同时将外延生长完毕的晶圆200取下，即可分别去除各个预热部表面的杂质层。
其中，可采用多种物理或化学手段对预热部表面沉积的3C-SiC层进行去除，例如采用清理打磨去除，进而保证了预热装置100的表面平整度并实现对衬底表面的热场均匀性和工艺气流稳定性的控制，从而改善外延片的厚度均匀性和浓度均匀性，并降低了更换预热装置100的外延成本。预热装置100的杂质去除间隔时间可由实际情况进行确定。
相较于现有技术，本发明实施例公开的外延方法方便了晶圆200的取出，和对预热装置100的有效清理，可保证外延层的厚度均匀性和浓度均匀性。
在本发明公开的一具体的实施例中，当需要进行工艺时，首先将晶圆200放置在托盘上，再将已拆分的预热装置100卡接在晶圆200的外周，此时即可操作外延炉开始工艺。通过机械手将托盘放入反应腔内，并使设备升温至工艺温度，控制工艺温度在1500℃～1700℃，反应腔室压力在100mbar左右。在升温过程中，旋转气体以一定流量到达旋转托盘的底部，通过旋转托盘的转动带动托盘和晶圆200开始转动；当晶圆200在相应的工艺条件下生长结束后，外延炉通过机械手将托盘和晶圆200从反应腔室中取出，在经过降温吹扫后，通过拆分预热装置100即可便捷且完整的取出晶圆200。经过表面杂质层去除的预热装置100可投入下一次使用。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有设定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。本申请中所涉及的申请范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述申请构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (12)

1.一种预热装置，用于安装晶圆(200)并对工艺气流进行预热，其特征在于，包括多个预热部，且任意相邻两个所述预热部连接，并形成有用于安装所述晶圆(200)的预热安装台阶。
2.如权利要求1所述的预热装置，其特征在于，所述预热部为两个，且分别为第一预热部(110)和第二预热部(120)；
所述第一预热部(110)设置有第一预热台阶，所述第二预热部(120)与所述第一预热部(110)连接，且所述第二预热部(120)设置有第二预热台阶，所述第一预热台阶与所述第二预热台阶形成所述预热安装台阶。
3.如权利要求2所述的预热装置，其特征在于，所述第一预热部(110)设置有第一卡接部(113)，所述第二预热部(120)设置有第二卡接部(123)，所述第一卡接部(113)用于与所述第二卡接部(123)嵌装配合，以实现所述第一预热部(110)和所述第二预热部(120)的连接。
4.如权利要求3所述的预热装置，其特征在于，所述第一卡接部(113)包括第一嵌装块，所述第二卡接部(123)包括用于供所述第一嵌装块嵌入的第一嵌装槽。
5.如权利要求4所述的预热装置，其特征在于，所述第一卡接部(113)还包括第二嵌装槽，所述第二卡接部(123)还包括用于嵌入所述第二嵌装槽的第二嵌装块。
6.如权利要求2所述的预热装置，其特征在于，所述第一预热台阶的侧壁为第一侧壁(111)，所述第一预热台阶的底壁为第一底壁(112)，所述第一侧壁(111)与所述第一底壁(112)之间的夹角为第一夹角；
所述第一夹角为锐角，且所述晶圆(200)与所述第一侧壁(111)抵接，并与所述第一底壁(112)贴合。
7.如权利要求6所述的预热装置，其特征在于，所述第二预热台阶的侧壁为第二侧壁(121)，所述第二预热台阶的底壁为第二底壁(122)，所述第二侧壁(121)与所述第二底壁(122)之间的夹角为第二夹角；
所述第二夹角为锐角，且所述晶圆(200)与所述第二侧壁(121)抵接，并与所述第二底壁(122)贴合。
8.如权利要求7所述的预热装置，其特征在于，所述第一夹角和/或所述第二夹角为30°～60°。
9.如权利要求2所述的预热装置，其特征在于，所述第一预热部(110)开设有第一限位槽，所述第二预热部(120)开设有第二限位槽，所述第一限位槽和所述第二限位槽形成供所述晶圆(200)的端部嵌入的限位环槽，且所述限位环槽的一端侧壁为所述预热安装台阶的台阶面。
10.如权利要求2所述的预热装置，其特征在于，所述第一预热部(110)设置有用于定位的第一定位凸起(114)；和/或，
所述第二预热部(120)设置有用于定位的第二定位凸起(124)。
11.一种外延生长设备，其特征在于，包括如权利要求1～10任意一项所述的预热装置(100)。
12.一种外延方法，其特征在于，包括步骤：
外延生长，将所述晶圆(200)安装至如权利要求1～11任意一项所述的预热装置(100)的预热安装台阶上，并进行外延生长；
杂质层去除，将各个所述预热部拆分后，分别去除表面的杂质层。
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