CN117005030A - 半导体加工设备 - Google Patents

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CN117005030A CN202310769270.8A CN202310769270A CN117005030A CN 117005030 A CN117005030 A CN 117005030A CN 202310769270 A CN202310769270 A CN 202310769270A CN 117005030 A CN117005030 A CN 117005030A
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吴世民
李轩
董博宇
袁福顺
邓晓军
王石
王磊磊
李世凯
顾元钧
余峰
刘晶晶
田惺哲
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Beijing Naura Microelectronics Equipment Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种半导体加工设备，其第一工艺腔室的进气口在第二方向上的宽度小于共用进气座体的混气腔在第二方向上的宽度，第二工艺腔室的进气口在第二方向上的宽度等于共用进气座体的混气腔在第二方向上的宽度，半导体加工设备具有第一安装组合状态和第二安装组合状态；在第一安装组合状态时，共用进气座体沿垂直于第二方向的第一方向依次与第一匀流件和第一工艺腔室连通，第一匀流件连接于共用进气座体与第一工艺腔室之间；在第二安装组合状态时，共用进气座体沿第一方向依次与第二匀流件和第二工艺腔室连通，第二匀流件连接于共用进气座体与第二工艺腔室之间。本方案可以兼容不同尺寸的晶圆。

Description

半导体加工设备
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，具体地，涉及一种半导体加工设备。
背景技术
外延生长是指在单晶衬底上生长一层与衬底晶向相同的单晶层。相比于硅外延的生长环境，碳化硅外延的工艺环境温度更高，通常可以达到1500℃至1800℃，且生长周期更长。目前主要采用化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition，简称CVD)的方法进行碳化硅的外延层生长，具体化学反应是SiH4与C3H8(C2H4)在高温下(1600℃以上)发生裂解反应生成Si原子和C原子，然后在晶圆表面重新结合生成SiC。
现有技术中，外延生长设备的工艺腔室可分为单腔单片型(一个工艺腔室对一个晶圆进行加工)和单腔多片型(一个工艺腔室同时对多个晶圆进行加工)。对于单腔单片型工艺腔室，其一般进行诸如6寸或8寸等的中、大尺寸晶圆(例如碳化硅晶圆)的单片外延生长工艺；对于单腔多片型工艺腔室，一般进行6寸及以下中、小尺寸晶圆(例如碳化硅晶圆)的多片外延生长工艺。
但是，目前的外延生长设备不能兼容不同尺寸的晶圆，例如，无法兼容6寸晶圆、8寸晶圆和12寸晶圆。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种半导体加工设备，其可以兼容不同尺寸的晶圆。
为实现本发明的目的而提供一种半导体加工设备，包括：第一工艺腔室、第二工艺腔室、第一匀流件、第二匀流件和共用进气座体，其中，
所述共用进气座体具有混气腔，所述混气腔用于与至少一个进气管路连通；
所述第一工艺腔室的进气口在第二方向上的宽度小于所述共用进气座体的所述混气腔在所述第二方向上的宽度，所述第一工艺腔室内具有用于承载第一托盘的承载台；
所述第二工艺腔室的进气口在所述第二方向上的宽度等于所述共用进气座体的所述混气腔在所述第二方向上的宽度，所述第二工艺腔室内具有用于承载第二托盘的承载台；所述第一托盘的尺寸小于所述第二托盘的尺寸；
所述第一匀流件中沿所述第二方向依次设置有多个自所述共用进气座体向所述第一工艺腔室靠近的方向延伸的第一匀流通道，且每个所述第一匀流通道在所述第二方向上的宽度自所述共用进气座体向所述第一工艺腔室递减；
所述第二匀流件中沿所述第二方向依次设置有多个自所述共用进气座体向所述第一工艺腔室靠近的方向延伸的第二匀流通道，且各所述第二匀流通道在所述第二方向上的宽度处处相等；
所述半导体加工设备具有第一安装组合状态和第二安装组合状态；
在所述第一安装组合状态时，所述共用进气座体沿垂直于所述第二方向的第一方向依次与所述第一匀流件和所述第一工艺腔室连通，所述第一匀流件连接于所述共用进气座体与所述第一工艺腔室之间；
在所述第二安装组合状态时，所述共用进气座体沿所述第一方向依次与所述第二匀流件和所述第二工艺腔室连通，所述第二匀流件连接于所述共用进气座体与所述第二工艺腔室之间。
可选的，还包括共用腔体外壳；
在所述第一安装组合状态时，至少所述第一匀流件和所述第一工艺腔室设置于所述共用腔体外壳内；
在所述第二安装组合状态时，至少所述第二匀流件和所述第二工艺腔室设置于所述共用腔体外壳内。
可选的，所述第一工艺腔室包括第一隔热腔体、第一加热体、第二加热体、第一侧面挡条和第二侧面挡条，其中，所述第一加热体和第二加热体间隔设置在所述第一隔热腔体中，所述第一侧面挡条和所述第二侧面挡条沿所述第二方向相对设置于所述第一加热体和第二加热体之间，且所述第一加热体、所述第二加热体、所述第一侧面挡条和所述第二侧面挡条所限定的空间构成第一工艺空间，所述承载台位于所述第二加热体上且暴露在所述第一工艺空间中；
所述第二工艺腔室包括第二隔热腔体、第三加热体、第四加热体、第三侧面挡条和第四侧面挡条，其中，所述第三加热体和第四加热体间隔设置在所述第二隔热腔体中，所述第三侧面挡条和所述第四侧面挡条沿所述第二方向相对设置于所述第三加热体和第四加热体之间，且所述第三加热体、所述第四加热体、所述第三侧面挡条和所述第四侧面挡条所限定的空间构成第二工艺空间，所述承载台位于所述第四加热体上且暴露在所述第二工艺空间中；
所述第一工艺空间在所述第二方向上的宽度小于所述第二工艺空间在所述第二方向上的宽度；
所述第一隔热腔体的外轮廓等于所述第二隔热腔体的外轮廓。
可选的，所述第一隔热腔体的厚度大于所述第二隔热腔体的厚度。
可选的，所述第一匀流件中设置有空腔，所述空腔中设置有沿所述第二方向间隔分布的多个隔板；多个所述隔板将所述空腔隔离成多个所述第一匀流通道；
所述隔板的延伸方向与所述第二方向相交且不垂直。
可选的，所述隔板的延伸方向与所述第二方向的夹角大于或等于75°，且小于90°。
可选的，所述第一匀流件在所述第一方向上的两端分别设置有第一法兰和第二法兰，其中，所述第一法兰与所述共用进气座体连接，所述第二法兰用于与所述第一工艺腔室连接；并且，所述第二法兰的导热系数低于所述第一法兰的导热系数。
可选的，所述半导体加工设备还包括：
设置于所述共用进气座体的背离所述进气管路一侧的射流件；所述射流件中设置有多个射流孔，每个所述射流孔的两端分别与所述混气腔和对应的所述第一匀流通道或所述第二匀流通道连通。
可选的，所述混气腔包括沿所述第二方向间隔设置的多个子混气腔，多个所述子混气腔包括中心子混气腔，以及对称分布在所述中心子混气腔两侧的多个所述边缘子混气腔，其中，所述中心子混气腔在所述第二方向上的宽度大于各所述边缘子混气腔在所述第二方向上的宽度。
可选的，所述边缘子混气腔为两个，且分布在所述中心子混气腔的两侧；
所述中心子混气腔所连通的所述进气管路的数量与各所述边缘子混气腔所连通的所述进气管路的数量的比例大于或等于2:1，且小于或等于5:1。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的半导体加工设备，其具有第一安装组合状态和第二安装组合状态；在第一安装组合状态时，共用进气座体、第一匀流件和第一工艺腔室沿第一方向依次连通，第一匀流件连接于共用进气座体与第一工艺腔室之间。由于共用进气座体的混气腔在第二方向上的宽度大于第一工艺腔室的工艺空间尺寸在第二方向上的宽度，在这种情况下，为了起到变径效果，以实现宽度不同的共用进气座体与第一工艺腔室之间的连通，第一匀流件在第二方向上的宽度自共用进气座体向第一工艺腔室递减。同时，由于每个第一匀流通道均为渐缩变径通道，其通气截面积自共用进气座体向第一工艺腔室不断减小，这使得流经的气体不断加速，进入第一工艺腔室的对应区域时，气体流速达到最大，气体流速的增加可以有效缩短反应时间，提高大大提高外延工艺的成膜速率，同时提高了成膜质量。在第二安装组合状态时，共用进气座体沿第一方向依次与第二匀流件和第二工艺腔室连通，第二匀流件连接于共用进气座体与第二工艺腔室之间。由于共用进气座体的混气腔在第二方向上的宽度等于第二工艺腔室的工艺空间尺寸在第二方向上的宽度，在这种情况下，通过使第二匀流件在第二方向上的宽度处处相等，可以实现宽度相同的共用进气座体与第二工艺腔室之间的连通。
由上可知，本发明提供的半导体加工设备可以在第一安装组合状态和第二安装组合状态之间切换，以在使用共用进气座体和第一匀流件向第一工艺腔室供气与使用共用进气座体和第二匀流件向第二工艺腔室供气之间切换，从而可以在利用第一工艺腔室加工指定尺寸(例如8寸)的晶圆，与利用第二工艺腔室加工另一指定尺寸的晶圆(例如6寸或12寸)之间切换。由此，本发明实施例提供的半导体加工设备可以兼容不同尺寸的晶圆，例如，6寸晶圆、8寸晶圆和12寸晶圆。
附图说明
图1为本发明实施例中的工艺腔室、第二匀流件与共用进气座体的俯视剖面图；
图2为安装有图5中的第一托盘的第一工艺腔室与第一匀流件的俯视剖面图；
图3为安装有图6中的第二托盘的第二工艺腔室与第二匀流件的俯视剖面图；
图4为安装有图7中的第三托盘的第二工艺腔室与第二匀流件的俯视剖面图；
图5为本发明实施例采用的第一托盘的俯视图；
图6为本发明实施例采用的第二托盘的俯视图；
图7为本发明实施例采用的第三托盘的俯视图；
图8A为本发明实施例采用的第一工艺腔室的剖面图；
图8B为本发明实施例采用的第一工艺腔室的局部剖面图；
图9为本发明实施例采用的四个隔热罩的结构图；
图10为本发明实施例采用的半圆形的石墨腔体的结构图。
图11为本发明实施例提供的半导体工艺设备的工艺腔室的剖面图；
图12为本发明实施例中工艺腔室、第一匀流件与共用进气座体的俯视剖面图；
图13A为本发明实施例采用的共用进气座体、射流板和进气管路的剖面图；
图13B为本发明实施例采用的共用进气座体、射流板和进气管路的结构图；
图14为采用等径通道的第二匀流件的外延生长设备的气流场分布图；
图15为采用渐缩变径通道的第一匀流件的外延生长设备的气流场分布图；
图16为采用等径通道的第二匀流件与采用渐缩变径通道的第一匀流件的成膜速率曲线的对比图；
图17为本发明实施例采用的第一匀流件的剖面图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的半导体加工设备进行详细描述。
请一并参阅图1和图2，本发明实施例提供的半导体加工设备，其包括：第一工艺腔室1a、第二工艺腔室1b、第一匀流件4’、第二匀流件4和共用进气座体2，其中，该共用进气座体2可以与如图1所示的第二匀流件4连接，也可以与图2所示的第一匀流件4’连接。共用进气座体2具有混气腔，该混气腔用于与至少一个进气管路连通。该进气管路的出气方向与第一方向X平行。具体地，进气管路的进气端用于与气源(图中未示出)连通，出气端与混气腔连通，由气源提供的工艺气体经由进气管路流入相应的混气腔中。
第一工艺腔室1a的进气口在第二方向Y上的宽度小于共用进气座体2的混气腔在第二方向上的宽度，如图2所示，第一工艺腔室1a内具有用于承载第一托盘13a的承载台。如图5所示，第一托盘13a具有用于承载一个指定尺寸的晶圆(例如8寸晶圆)的第一承载位131，第一承载位131的中心与第一托盘13a的轴线重合。
第二工艺腔室1b的进气口在第二方向上的宽度等于共用进气座体2的混气腔在第二方向上的宽度，如图3所示，第二工艺腔室1b内具有用于承载第二托盘13b的承载台。如图6所示，第二托盘13b具有用于承载另一指定尺寸的晶圆(例如三个6寸晶圆)的第二承载位132，三个第二承载位132沿第二托盘13b的周向均匀分布。第一托盘13a的尺寸(即，外径)小于第二托盘13b的尺寸(即，外径)。
如图4所示，第二工艺腔室1b内的承载台还可以用于承载第三托盘13b’，该第三托盘13b’的尺寸(即，外径)与第二托盘13b的尺寸(即，外径)相同或者大致相同，如图7所示，第三托盘13b’具有用于承载一个另一指定尺寸的晶圆(例如12寸晶圆)的第三承载位133，第三承载位133的中心与第三托盘13b’的轴线重合。也就是说，第二工艺腔室1b内的承载台可以兼容载第二托盘13b和第三托盘13b’，从而可以实现第第二工艺腔室1b对两种不同尺寸的晶圆的兼容，例如对6寸晶圆和12寸晶圆的兼容。具体地，由于上述第二托盘13b和第三托盘13b’的外径相同或者大致相同，上述第二工艺腔室1b可以兼容第二托盘13b和第三托盘13b’，即，只需在第二托盘13b和第三托盘13b’之间更换即可实现两种不同尺寸晶圆的外延生长工艺之间的切换，例如实现第二工艺腔室1b进行3个6寸晶圆的外延生长工艺与1个12寸晶圆的外延生长工艺之间的切换。上述第二工艺腔室1b可以兼容第二托盘13b和第三托盘13b’，是指上述第二工艺腔室1b的工艺空间尺寸满足托盘所承载的晶圆所需的空间尺寸。
在此基础上，如图2所示，第一匀流件4’中沿第二方向Y依次设置有多个自共用进气座体向第一工艺腔室1a靠近的方向延伸的第一匀流通道41’，且每个第一匀流通道41’在第二方向Y上的宽度自共用进气座体向第一工艺腔室1a递减，也就是说，每个第一匀流通道41’均为渐缩变径通道。如图1所示，第二匀流件4中沿第二方向Y依次设置有多个自共用进气座体2向第一工艺腔室1a靠近的方向延伸的第二匀流通道41，且各第二匀流通道41在第二方向Y上的宽度处处相等，即每个第二匀流通道41均为等径通道。
半导体加工设备具有第一安装组合状态和第二安装组合状态；在第一安装组合状态时，如2所示，共用进气座体(例如图1中的共用进气座体2)、第一匀流件4’和第一工艺腔室1a沿第一方向Y依次连通，第一匀流件4’连接于共用进气座体与第一工艺腔室1a之间。由于共用进气座体在第二方向Y上的宽度大于第一工艺腔室1a的工艺空间尺寸在第二方向Y上的宽度，在这种情况下，为了起到变径效果，以实现宽度不同的共用进气座体与第一工艺腔室1a之间的连通，第一匀流件4’在第二方向Y上的宽度自共用进气座体向第一工艺腔室1a递减。同时，由于气体流速v＝Q/T，其中Q为进入匀流通道的气量，T为匀流通道在垂直于流速方向上的通气截面积。在气量Q不变的条件下，通气截面积T越小，气体流速v越大。基于此，由于每个第一匀流通道41’均为渐缩变径通道，其通气截面积自共用进气座体向第一工艺腔室1a不断减小，这使得流经的气体不断加速，进入第一工艺腔室1a的对应区域时，气体流速达到最大，气体流速的增加可以有效缩短反应时间，提高大大提高外延工艺的成膜速率，同时提高了成膜质量。
在第二安装组合状态时，如图1所示，共用进气座体2、第二匀流件4和第二工艺腔室1b沿第一方向X依次连通，第二匀流件4连接于共用进气座体2与第二工艺腔室1b之间。由于共用进气座体2在第二方向Y上的宽度等于第二工艺腔室1b的工艺空间尺寸在第二方向Y上的宽度，在这种情况下，通过使第二匀流件4在第二方向Y上的宽度处处相等，可以实现宽度相同的共用进气座体与第二工艺腔室1b之间的连通。
由上可知，半导体加工设备可以在第一安装组合状态和第二安装组合状态之间切换，以在使用共用进气座体2和第一匀流件4’向第一工艺腔室1a供气与使用共用进气座体2和第二匀流件4向第二工艺腔室1b之间切换，从而可以在利用第一工艺腔室加工指定尺寸(例如8寸)的晶圆，与利用第二工艺腔室加工另一指定尺寸的晶圆(例如6寸或12寸)之间切换。由此，本发明实施例提供的半导体加工设备可以兼容不同尺寸的晶圆，例如，6寸晶圆、8寸晶圆和12寸晶圆。
在一些实施例中，如图8A和图8B所示，第一工艺腔室1a包括第一隔热腔体、第一加热体81、第二加热体82、第一侧面挡条64和第二侧面挡条65，其中，第一加热体81和第二加热体82间隔设置在第一隔热腔体中，第一侧面挡条64和第二侧面挡条65沿第二方向相对设置于第一加热体81和第二加热体82之间，且第一加热体81、第二加热体82、第一侧面挡条64和第二侧面挡条65所限定的空间构成第一工艺空间F，承载台位于第二加热体82上且暴露在第一工艺空间F中。与第一工艺腔室1a相类似的，第二工艺腔室1b包括第二隔热腔体、第三加热体、第四加热体、第三侧面挡条和第四侧面挡条，其中，第三加热体和第四加热体间隔设置在第二隔热腔体中，第三侧面挡条和第四侧面挡条沿第二方向相对设置于第三加热体和第四加热体之间，且第三加热体、第四加热体、第三侧面挡条和第四侧面挡条所限定的空间构成第二工艺空间，承载台位于第四加热体上且暴露在第二工艺空间中。
在实际应用中，上述第一、第二、第三和第四侧面挡条一般由耐高温的绝缘材质形成，例如碳化硅。第一侧面挡条64和第二侧面挡条65在第二方向上的距离即为第一工艺空间F在第二方向上的宽度。第三侧面挡条和第四侧面挡条在第二方向上的距离即为第二工艺空间在第二方向上的宽度。工艺腔室还包括共用腔体外壳7，该共用腔体外壳7例如采用石英壳体，且包覆于第一隔热腔体(或第二隔热腔体)外周。另外，如图8A所示，在共用腔体外壳7的外围还设有冷却部件9，用于对共用腔体外壳7进行冷却。
在具体实施时，第一加热体81、第二加热体82、第三加热体以及第四加热体可以由适于通过电磁感应加热的材料形成，例如为石墨加热材料。而第一隔热腔体和第二隔热腔体可以由石墨保温毡形成，在此不做限定。
在一些实施例中，如图8B和图9所示，上述第一隔热腔体和第二隔热腔体的结构相似，例如均包括两个半圆形的隔热罩61、下游隔热罩63和上游隔热罩62。这四个隔热罩合围成一个圆周向封闭，长度方向带有开口621的空间，上述两个半圆形的隔热罩61分别将第一加热体81和第二加热体82(或者第三加热体和第四加热体)完全包覆。开口621即为工艺腔室的进气口，开口621沿第二方向的宽度一般等于或者略大于工艺空间F沿第二方向的宽度。
并且，上述第一工艺空间F小于第二工艺空间；第一隔热腔体的外轮廓等于第二隔热腔体的外轮廓。这样，上述共用腔体外壳7既可以包覆第一隔热腔体，也可以包覆第二隔热腔体，从而可以实现不改变不同工艺空间尺寸的工艺腔室的外部轮廓尺寸。而且，两种不同尺寸的工艺空间可以适用于不同外径的托盘，具体地，由于上述第二托盘13b和第三托盘13b’的外径相同或者大致相同，如图3和图4所示，上述第二工艺腔室1b可以兼容第二托盘13b和第三托盘13b’，即满足托盘所承载的晶圆所需的空间尺寸。
如果将上述第一托盘13a安装于上述第二工艺腔室1b中，虽然也可以兼容，但是由于第一托盘13a所承载的晶圆的尺寸(例如8寸晶圆)相对较小，第二托盘13b和第三托盘13b’所承载的晶圆的尺寸(例如三个6寸晶圆或12寸晶圆)相对较大，能够兼容第二托盘13b和第三托盘13b’的第二工艺腔室1b的第二工艺空间尺寸较大，这会导致工艺空间、工艺气体、热能利用率不高，从造成资源浪费。对此，通过使半导体加工设备在第一安装组合状态和第二安装组合状态之间切换，以在使用共用进气座体和第一匀流件4’向第一工艺腔室1a供气与使用共用进气座体2和第二匀流件4向第二工艺腔室1b供气之间切换，从而可以在利用第一工艺腔室1a加工一种尺寸的晶圆(例如8寸晶圆)，与利用第二工艺腔室1b加工另一种尺寸的晶圆(例如三个6寸晶圆或12寸晶圆)之间切换。这样，可以使用工艺空间尺寸相对较小的第一工艺腔室1a加工尺寸较小的晶圆(例如8寸晶圆)，以避免造成资源浪费。
实现上述第一工艺空间F小于第二工艺空间的方式有多种，例如，第一隔热腔体的厚度大于第二隔热腔体的厚度。通过增大第一隔热腔体的厚度，可以缩小第一隔热腔体的内轮廓尺寸，从而第一加热体81和第二加热体82的内轮廓尺寸也相应减小，从而可以缩小第一加热体81、第二加热体82、第一侧面挡条64和第二侧面挡条65所限定的第一工艺空间F的尺寸，同时通过增大第一隔热腔体的厚度(例如两个半圆形的隔热罩61的径向厚度)，可以使第一加热体81、第二加热体82的厚度保持不变，而只是相对距离发生变化，即，第一加热体81和第二加热体82的厚度分别与第三加热体和第四加热体的厚度相同，从而可以在使第一工艺空间F的尺寸减小的基础上，避免这些部件的成本增加。
在一些实施例中，在上述第一安装组合状态时，至少第一匀流件4’和第一工艺腔室1a设置于该共用腔体外壳7内；在第二安装组合状态时，至少第二匀流件4和第二工艺腔室1b设置于共用腔体外壳7内。
以第一托盘13a用于承载一个8寸晶圆为例，如图10所示，第一隔热腔体中的两个半圆形的隔热罩61拼接形成圆柱腔体，隔热罩61的外轮廓半径R1例如小于或等于260mm，内轮廓半径R2例如大于或等于180mm。两个隔热罩61的径向截面积E之和与圆柱腔体外壁限定的径向截面面积的比值(称为填充比)为35％-65％。通过采用上述结构，可以减小第一工艺空间F的尺寸，其在对尺寸较小的晶圆(例如8寸晶圆)进行外延生长工艺时，可以有效减小晶圆内温度差异，温差可降低10℃左右，从而可以有效避免晶圆在高温差下发生翘曲变形。
请参阅图11，本发明实施例的半导体工艺设备例如为外延生长设备，其工艺腔室1的进气口11和出气口12例如在平行于水平面的第一方向X上相对设置，工艺腔室1中设置有用于承载至少一个晶圆14的托盘13，从进气口11流入工艺腔室1的工艺气体，沿上述第一方向X流动，并在经过托盘表面时，与晶圆表面反应形成外延层，工艺腔室1中的气体会经由出气口12排出。
具体地，为了能够对工艺腔室1的气体分布实现分区控制，即对流入不同分区的气体种类、气体流量、流速等进行单独控制，以满足工艺腔室1内部气流场均一性的要求，工艺腔室1在第二方向Y上划分有多个不同区域，该第二方向Y平行于水平面，且垂直于第一方向X。例如，如图12所示，工艺腔室1在第二方向Y上划分有五个区域，即，1个中心区域C1，2个中间区域C2和2个边缘区域C3，其中，2个中间区域C2分别位于该中心区域C1两侧，且相对于工艺腔室1平行于第一方向X的中心轴线对称分布；2个边缘区域C3分别位于2个中间区域C2远离彼此的一侧，且相对于工艺腔室1平行于第一方向X的中心轴线对称分布，当然，在实际应用中，根据具体需要，工艺腔室1在第二方向Y上还可以划分不同数量的区域，本发明实施例对此没有特别的限制。例如，如图1所示，工艺腔室1a在第二方向Y上也可以划分有三个区域，分别为中心区域C1和分别位于该中心区域C1两侧的两个边缘区域C2，可选的，两个边缘区域C2可以相对于工艺腔室1平行于第一方向X的中心轴线对称分布。容易理解的是，工艺腔室在第二方向Y上划分的多个区域均为虚拟划分的区域，工艺腔室中的工艺空间在实际上为一连续完整的区域。
在一些实施例中，如图12所示，中心区域C1在第二方向Y上的宽度大于两侧的各边缘区域C2和各边缘区域C3在第二方向Y上的宽度，在这种情况下，工艺腔室1中的托盘13表面，其中间区域位于工艺腔室1的上述中心区域C1中，而托盘13表面在第二方向Y上的两侧边缘区域分别位于工艺腔室1的两个上述边缘区域C2和两个边缘区域C3中。通过分别独立地调节工艺腔室1的中心区域C1和两侧边缘区域C2和边缘区域C3的气体种类(例如反应气体、掺杂气体等)、气体流量、流速等参数，可以使托盘表面的中间区域和两侧边缘区域之间的气体分布趋于均匀，从而可以提高外延层膜厚均匀性。
在此基础上，多个第一匀流通道41’用于与工艺腔室1在第二方向Y上划分的多个不同区域对应连通，以工艺腔室1划分有五个区域为例，第一匀流通道41’为五个，且与工艺腔室1划分的五个区域一一对应地连通。
如图12所示，共用进气座体2具有混气腔，该混气腔用于与至少一个进气管路连通。该混气腔可以是一个，且与多个第一匀流通道41’连通。或者，如图12和图13A所示，混气腔也可以包括沿第二方向Y依次设置的多个子混气腔21，以及射流板3。子混气腔21用于与至少一个进气管路5连通，该进气管路5的出气方向与第一方向X平行。具体地，进气管路5的进气端用于与气源(图中未示出)连通，出气端与子混气腔21连通，由气源提供的工艺气体经由进气管路5流入相应的子混气腔21中。每个子混气腔21可以与一个或多个进气管路5连通，在实际应用中，可以根据各子混气腔21所需的进气量来设置与该子混气腔21连通的进气管路5的数量。另外，对于在第二方向Y上的宽度较大的子混气腔21，优选设置多个进气管路5，有助于提高气流场分布均匀性，但是，进气管路5的数量也不宜过多，否则会导致工艺调节参数中的变量较多，增加工艺调试难度，调节精度降低。
如图13A所示，以子混气腔21在第二方向Y上的数量为三个为例，三个子混气腔21分别为中心子混气腔，以及对称分布在该中心子混气腔两侧的两个边缘子混气腔，其中，中心子混气腔与工艺腔室1的中心区域对应，两个边缘子混气腔分别与工艺腔室1的两个边缘区域对应。当然，在实际应用中，根据工艺腔室1在第二方向Y上所划分的区域的数量不同，子混气腔21的数量还可以为其他数量，本发明实施例对此没有特别的限制。
在一些实施例中，如图13A所示，每个子混气腔21在第二方向Y上的宽度处处相等，并且中心子混气腔在第二方向Y上的宽度等于工艺腔室1的中心区域在第二方向Y上的宽度；各边缘子混气腔在第二方向Y上的宽度等于对应的边缘区域在第二方向Y上的宽度。这样，工艺腔室1的中心区域在第二方向Y上的宽度大于各边缘区域C2在第二方向Y上的宽度的情况下，对应地，中心子混气腔在第二方向Y上的宽度大于各边缘子混气腔在第二方向Y上的宽度。这样，在工艺腔室1的中心区域在第二方向Y上的宽度大于两侧的各边缘区域的情况下，由于中心区域在第二方向Y上所占比例较大，为了满足工艺腔室1的中心区域的进气量需求，提高该区域的气体分布均匀性，可选的，中心子混气腔所连通的进气管路5的数量多于各边缘子混气腔所连通的进气管路5的数量。进一步优选的，为了进一步提高该区域的气体分布均匀性，与中心子混气腔连通的多个进气管路5在第二方向Y上相对于中心子混气腔均匀分布。进一步优选的，如图13A所示，各边缘子混气腔所连通的进气管路5为1个，这样设置是因为通入边缘子混气腔的气体通常用作调节边缘区域膜厚的调节气体或掺杂气体，对其进气量的需求较小，且单路进气管路不容易出现气体掺杂不均匀的情况。为了同时达到上述效果，中心子混气腔所连通的进气管路5的数量与各边缘子混气腔所连通的进气管路的数量的比例大于或等于2:1，且小于或等于5:1，优选为3:1。
在一些实施例中，第一匀流件4’与工艺腔室1的进气口连接；工艺腔室1的进气口在第二方向Y上的宽度小于上述混气腔(多个子混气腔21)在第二方向Y上的宽度。在这种情况下，为了起到变径效果，以实现宽度不同的子混气腔21与工艺腔室1之间的连通，第一匀流件4’在第二方向Y上的宽度自进气座体2向工艺腔室1递减。同时，每个第一匀流通道41’自共用进气座体2向工艺腔室1靠近的方向延伸，每个第一匀流通道41’的延伸轴线可以与第一方向X平行，也可以呈夹角，且每个第一匀流通道41’在第二方向Y上的宽度自共用进气座体2向工艺腔室1递减。也就是说，每个第一匀流通道41’均为渐缩变径通道。
通过将混气腔、射流板3以及匀流件4结合使用，可以实现晶圆表面工艺气体流速差较小，尤其针对在垂直于进气方向上的尺寸较大(例如200mm以上)的工艺腔室，本申请可以解决现有技术中工艺气体从分流腔在垂直于进气方向上不同位置流出的初速度差异较大的问题，从而可以提高工艺气体进入工艺腔室中，并到达晶圆表面的时间一致性，进而可以提高晶圆表面形成的外延层膜厚的分布均匀性。
具体来说，由于气体在管路中流动时，靠近管路中央的位置会产生剧烈扰动，导致流速分布不均，且不稳定，而气体只有在靠近管壁处才能够维持层流状态，且流速分布均匀稳定，基于此，借助多个射流孔31构成的多孔结构，可以使流经射流板3的大部分气体靠近管壁(即，射流孔孔壁)流动，形成稳定层流，再结合使用混气腔对流入的各路工艺气体进行均匀混合，可以使工艺气体在混气腔中的压力稳定之后再从各射流孔31流出。工艺气体在混气腔中被混匀，并达到压力稳定时，混气腔的压力与工艺腔室1的压力之间的压差达到稳定，依据伯努利原理，工艺气体的动能等于混气腔与工艺腔室1之间的压降势能差与射流孔31流阻的差值，在各射流孔流阻大致相同的条件下，从各射流孔31流出的气体动能接近，即工艺气体经由各个射流孔31流出时的流速稳定，且初速度接近，如图15中的A2区域所示，工艺气体经由各个射流孔31流出时的流速更稳定，且流速更接近。因此，本发明实施例通过将射流孔31与混气腔结合使用，可以使工艺气体在经由各个射流孔31流出时的流速稳定，且初速度接近，由于从各射流孔31进入工艺腔室1中，并到达晶圆表面的路径基本一致，工艺气体进入工艺腔室1中，并到达晶圆表面的时间也基本一致，从而可以提高晶圆表面形成的外延层膜厚的分布均匀性。对于碳化硅外延领域，工艺气体进入工艺腔室1中，并到达晶圆表面的时间一致性，与外延层的缺陷指标强相关，因此，本发明实施例提供的进气装置尤其可以满足碳化硅外延领域对上述时间一致性的要求。
另外，本申请通过将第一匀流件4’设计成每个第一匀流通道41’在第二方向上的宽度自共用进气座体2向工艺腔室1递减的结构，即，每个第一匀流通道41’均为渐缩变径通道，可以适配于工艺腔室1的进气口宽度小于共用进气座体2的宽度的情况。
进一步地，在本申请中，由于气体流速v＝Q/T，其中Q为进入匀流通道的气量，T为匀流通道在垂直于流速方向上的通气截面积。在气量Q不变的条件下，通气截面积T越小，气体流速v越大。基于此，由于每个第一匀流通道41’均为渐缩变径通道，其通气截面积自共用进气座体2向工艺腔室1不断减小，这使得流经的气体不断加速，进入工艺腔室1的对应区域时，气体流速达到最大，气体流速的增加可以有效缩短反应时间，提高大大提高外延工艺的成膜速率，同时提高了成膜质量。
图14为采用等径通道的第二匀流件4进入工艺腔室的气体流速分布图，图15为采用渐缩变径通道的第一匀流件4’进入工艺腔室的气体流速分布图。对比图14和图15可知，采用渐缩变径通道的第一匀流件4’时，进入工艺腔室1的气体流速较高，且各区域之间的气体流速差异较小，气流场更加稳定。另外，如图16所示，纵坐标为成膜速率，横坐标为晶圆在其直径方向上的不同位置；实线为采用渐缩变径通道的第一匀流件4’对应的成膜速率曲线，虚线为采用等径通道的第二匀流件4对应的成膜速率曲线。通过对比可知，采用等径通道的匀流件对应的成膜速率较低，未超过61um/h，片内膜厚均匀性为3.36％，而采用渐缩变径通道的匀流件4对应的成膜速率较高，达到63.5um/h以上，片内膜厚均匀性达到0.2％。
实现上述功能的第一匀流件4’可以有多种结构，例如，如图17所示，第一匀流件4’中设置有空腔，该空腔中设置有沿第二方向Y间隔分布的多个隔板42；多个隔板42将空腔隔离成多个匀流通道41；隔板42的延伸方向与第二方向Y相交且不垂直。在这种情况下，通过设置各隔板42的延伸方向，即可形成上述渐缩变径通道。
可选的，隔板42的延伸方向与第二方向Y的夹角a大于或等于75°，且小于90°。通过使该夹角a小于90°，可以形成上述渐缩变径通道，同时，通过使该夹角a大于或等于75°，可以避免因该夹角a过小而使沿第一方向X流动的气流，其在第二方向Y上的侧向分量过大，造成通道下游边缘处形成局部涡流，进而导致工艺腔室1中的气流场不均匀。
在一些可选的实施例中，第一匀流件4’在第一方向X上的两端分别设置有第一法兰43和第二法兰44，其中，第一法兰43与共用进气座体2连接，第二法兰44用于与工艺腔室1连接；并且，第二法兰44的导热系数低于第一法兰43的导热系数。由于第二法兰44更靠近工艺腔室1所在的高温区域，其较低的导热系数可以避免匀流通道中的工艺气体被加热而提前反应形成颗粒，造成工艺气体浪费与腔室颗粒超标。优选的，第一法兰43的材质包括透明石英；第二法兰44的材质包括非透明石英。
可选的，可选的，第二匀流件4在第一方向X上的两端分别设置有第三法兰和第四法兰，第三法兰和第四法兰分别与第一法兰43和第二法兰44的结构和功能相类似，而只是尺寸不同，其中，第三法兰与共用进气座体2连接，第四法兰用于与工艺腔室1连接；并且，第四法兰的导热系数低于第三法兰的导热系数。由于第三法兰更靠近工艺腔室1所在的高温区域，其较低的导热系数可以避免匀流通道中的工艺气体被加热而提前反应形成颗粒，造成工艺气体浪费与腔室颗粒超标。优选的，第三法兰的材质包括透明石英；第三法兰的材质包括非透明石英。
如图13B所示，射流板3中沿第二方向Y依次设置有多组射流孔组，例如图13B示出的中心射流组31a和位于其两侧的两个边缘射流组31b，多个子混气腔21、多组射流孔组与多个第一匀流通道41’(或者多个第二匀流通道4)三者一一对应，且每组射流孔组均包括多个射流孔31，每个射流孔31的两端分别与对应的子混气腔21和对应的第一匀流通道41’(或者多个第二匀流通道4)连通。由各进气管路5流出的工艺气体首先进入与该进气管路5连通的子混气腔21，子混气腔21会对流入的各路工艺气体进行均匀混合，待工艺气体在子混气腔21中的压力稳定之后，再从与该子混气腔21连通的各个射流孔31流出，进入对应的第一匀流通道41’(或者多个第二匀流通道4)，然后再经由第一匀流通道41’(或者多个第二匀流通道4)流入工艺腔室1中的对应区域。
由于气体在管路中流动时，靠近管路中央的位置会产生剧烈扰动，导致流速分布不均，且不稳定，而气体只有在靠近管壁处才能够维持层流状态，且流速分布均匀稳定，基于此，借助多个射流孔31构成的多孔结构，可以使流经射流板3的大部分气体靠近管壁(即，射流孔孔壁)流动，形成稳定层流，再结合使用子混气腔21对流入的各路工艺气体进行均匀混合，可以使工艺气体在子混气腔21中的压力稳定之后再从各射流孔31流出。工艺气体在子混气腔21中被混匀，并达到压力稳定时，子混气腔21的压力与工艺腔室1的压力之间的压差达到稳定，依据伯努利原理，工艺气体的动能等于子混气腔21与工艺腔室1之间的压降势能差与射流孔31流阻的差值，在各射流孔流阻大致相同的条件下，从各射流孔31流出的气体动能接近，即工艺气体经由各个射流孔31流出时的流速稳定，且初速度接近，如图15中的A2区域所示，相比于图14中的A1区域，工艺气体经由各个射流孔31流出时的流速更稳定，且流速更接近。因此，本发明实施例通过将射流孔31与子混气腔21结合使用，可以使工艺气体在经由各个射流孔31流出时的流速稳定，且初速度接近，由于从各射流孔31进入工艺腔室1中，并到达晶圆表面的路径基本一致，工艺气体进入工艺腔室1中，并到达晶圆表面的时间也基本一致，从而可以提高晶圆表面形成的外延层膜厚的分布均匀性。对于碳化硅外延领域，工艺气体进入工艺腔室1中，并到达晶圆表面的时间一致性，与外延层的缺陷指标强相关，因此，本发明实施例提供的进气装置尤其可以满足碳化硅外延领域对上述时间一致性的要求。
在一些可选的实施例中，射流孔31的轴向深度与孔径的比值(以下称为深宽比)满足使从各射流孔31流出的气体流速接近相等。具体地，由于气体只有在靠近管壁处才能够维持层流状态，且流速分布均匀稳定，通过采用较大深宽比的射流孔31，可以最大程度地使气体靠近孔壁。例如，射流孔31的轴向深度与孔径的比值大于或等于2，该比值范围可以使工艺气体在经由各个射流孔31流出时的流速稳定，且初速度接近。优选的，为了使工艺气体在经由各个射流孔31流出时的流速稳定，且初速度接近，多个射流孔31还可以构成的微孔结构，例如，各射流孔31的孔径小于或等于5mm。
在一些可选的实施例中，共用进气座体2中沿第一方向X依次设置有多组混气腔组，每组混气腔组包括混气腔，每个混气腔均可以包括沿第二方向Y依次设置的多个子混气腔21；任意相邻两组混气腔组的混气腔中的各子混气腔21一一对应地通过至少一个进气孔相互连通；位于第一方向X最上游的混气腔组中的混气腔中的各子混气腔21均与至少一个进气管路5连通，位于第一方向X最下游的混气腔组中的混气腔中的子混气腔21与对应的射流孔组中的各射流孔31连通。借助沿第一方向X依次设置有多组混气腔组，可以将工艺气体逐层进行混合，从而可以对各路工艺气体进行充分混合，使工艺气体充分扩散，进而可以进一步提高工艺气体的分布均匀性，进而可以提高工艺稳定性。
第一匀流件4’(或者第二匀流件4)连接于射流板3与工艺腔室1之间，其内部的第一匀流通道41’(或者第二匀流件41)用于对流经的工艺气体起到匀流作用，同时第一匀流件4’(或者第二匀流件4)还可以对流经的工艺气体起到预热作用。另外，对于外延生长设备，其工艺腔室1的工艺温度通常较高(例如在1600℃以上)，在这种情况下，采用金属材料制作的共用进气座体2、射流板3不能直接与工艺腔室1连接，借助第一匀流件4’(或者第二匀流件4)可以起到隔热作用，使共用进气座体2、射流板3远离工艺腔室1。第一匀流件4’(或者第二匀流件4)的材质例如为石英。
第一匀流件4’中的每个第一匀流通道41’在第二方向上的宽度自进气座体2向工艺腔室1递减，即，每个第一匀流通道41’均为渐缩变径通道。在进入第一匀流通道41’的气量不变的条件下，通气截面积越小，气体流速越大，基于此，由于每个第一匀流通道41’均为渐缩变径通道，其通气截面积自共用进气座体2向工艺腔室1不断减小，这使得流经的气体不断加速，进入工艺腔室1的对应区域时，气体流速达到最大，气体流速的增加可以有效缩短反应时间，提高大大提高外延工艺的成膜速率，同时提高了成膜质量。同时，通过将上述第一匀流通道41’与共用进气座体2结合使用，共用进气座体2中的混气腔可以对流入的各路工艺气体进行均匀混合，可以使工艺气体在混气腔中的压力稳定之后再流入第一匀流件4’中，从而可以提高工艺气体进入工艺腔室1中，并到达晶圆表面的时间一致性，从而可以提高晶圆表面形成的外延层膜厚的分布均匀性。
综上所述，本发明实施例提供的半导体加工设备，其可以提高工艺气体进入工艺腔室中，并到达晶圆表面的时间一致性，从而可以提高晶圆表面形成的外延层膜厚的分布均匀性，同时可以多种不同尺寸的晶圆，例如兼容6寸晶圆、8寸晶圆和12寸晶圆。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种半导体加工设备，其特征在于，包括：第一工艺腔室、第二工艺腔室、第一匀流件、第二匀流件和共用进气座体，其中，
所述共用进气座体具有混气腔，所述混气腔用于与至少一个进气管路连通；
所述第一工艺腔室的进气口在第二方向上的宽度小于所述共用进气座体的所述混气腔在所述第二方向上的宽度，所述第一工艺腔室内具有用于承载第一托盘的承载台；
所述第二工艺腔室的进气口在所述第二方向上的宽度等于所述共用进气座体的所述混气腔在所述第二方向上的宽度，所述第二工艺腔室内具有用于承载第二托盘的承载台；所述第一托盘的尺寸小于所述第二托盘的尺寸；
所述第一匀流件中沿所述第二方向依次设置有多个自所述共用进气座体向所述第一工艺腔室靠近的方向延伸的第一匀流通道，且每个所述第一匀流通道在所述第二方向上的宽度自所述共用进气座体向所述第一工艺腔室递减；
所述第二匀流件中沿所述第二方向依次设置有多个自所述共用进气座体向所述第一工艺腔室靠近的方向延伸的第二匀流通道，且各所述第二匀流通道在所述第二方向上的宽度处处相等；
所述半导体加工设备具有第一安装组合状态和第二安装组合状态；
在所述第一安装组合状态时，所述共用进气座体沿垂直于所述第二方向的第一方向依次与所述第一匀流件和所述第一工艺腔室连通，所述第一匀流件连接于所述共用进气座体与所述第一工艺腔室之间；
在所述第二安装组合状态时，所述共用进气座体沿所述第一方向依次与所述第二匀流件和所述第二工艺腔室连通，所述第二匀流件连接于所述共用进气座体与所述第二工艺腔室之间。
2.根据权利要求1所述的半导体加工设备，其特征在于，还包括共用腔体外壳；
在所述第一安装组合状态时，至少所述第一匀流件和所述第一工艺腔室设置于所述共用腔体外壳内；
在所述第二安装组合状态时，至少所述第二匀流件和所述第二工艺腔室设置于所述共用腔体外壳内。
3.根据权利要求2所述的半导体加工设备，其特征在于，所述第一工艺腔室包括第一隔热腔体、第一加热体、第二加热体、第一侧面挡条和第二侧面挡条，其中，所述第一加热体和第二加热体间隔设置在所述第一隔热腔体中，所述第一侧面挡条和所述第二侧面挡条沿所述第二方向相对设置于所述第一加热体和第二加热体之间，且所述第一加热体、所述第二加热体、所述第一侧面挡条和所述第二侧面挡条所限定的空间构成第一工艺空间，所述承载台位于所述第二加热体上且暴露在所述第一工艺空间中；
所述第二工艺腔室包括第二隔热腔体、第三加热体、第四加热体、第三侧面挡条和第四侧面挡条，其中，所述第三加热体和第四加热体间隔设置在所述第二隔热腔体中，所述第三侧面挡条和所述第四侧面挡条沿所述第二方向相对设置于所述第三加热体和第四加热体之间，且所述第三加热体、所述第四加热体、所述第三侧面挡条和所述第四侧面挡条所限定的空间构成第二工艺空间，所述承载台位于所述第四加热体上且暴露在所述第二工艺空间中；
所述第一工艺空间在所述第二方向上的宽度小于所述第二工艺空间在所述第二方向上的宽度；
所述第一隔热腔体的外轮廓等于所述第二隔热腔体的外轮廓。
4.根据权利要求3所述的半导体加工设备，其特征在于，所述第一隔热腔体的厚度大于所述第二隔热腔体的厚度。
5.根据权利要求1所述的半导体加工设备，其特征在于，所述第一匀流件中设置有空腔，所述空腔中设置有沿所述第二方向间隔分布的多个隔板；多个所述隔板将所述空腔隔离成多个所述第一匀流通道；
所述隔板的延伸方向与所述第二方向相交且不垂直。
6.根据权利要求5所述的半导体加工设备，其特征在于，所述隔板的延伸方向与所述第二方向的夹角大于或等于75°，且小于90°。
7.根据权利要求5所述的半导体加工设备，其特征在于，所述第一匀流件在所述第一方向上的两端分别设置有第一法兰和第二法兰，其中，所述第一法兰与所述共用进气座体连接，所述第二法兰用于与所述第一工艺腔室连接；并且，所述第二法兰的导热系数低于所述第一法兰的导热系数。
8.根据权利要求1所述的半导体加工设备，其特征在于，所述半导体加工设备还包括：
设置于所述共用进气座体的背离所述进气管路一侧的射流件；所述射流件中设置有多个射流孔，每个所述射流孔的两端分别与所述混气腔和对应的所述第一匀流通道或所述第二匀流通道连通。
9.根据权利要求1所述的半导体加工设备，其特征在于，所述混气腔包括沿所述第二方向间隔设置的多个子混气腔，多个所述子混气腔包括中心子混气腔，以及对称分布在所述中心子混气腔两侧的多个所述边缘子混气腔，其中，所述中心子混气腔在所述第二方向上的宽度大于各所述边缘子混气腔在所述第二方向上的宽度。
10.根据权利要求9所述的半导体加工设备，其特征在于，所述边缘子混气腔为两个，且分布在所述中心子混气腔的两侧；
所述中心子混气腔所连通的所述进气管路的数量与各所述边缘子混气腔所连通的所述进气管路的数量的比例大于或等于2:1，且小于或等于5:1。
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