CN117286570A - 一种外延设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外延设备，属于半导体设备技术领域。外延设备包括反应腔体、基座、顶针和驱动组件，基座和顶针均设于反应腔体内，顶针能够穿过基座，且顶针能够一端抵接于反应腔体的底部，另一端凸出于基座，晶圆能够取放于顶针以及承载于基座；驱动组件包括升降驱动件和旋转驱动件，升降驱动件通过石英轴驱动基座，使基座沿竖直方向移动，旋转驱动件通过石英轴驱动基座，使基座绕平行于竖直方向的中心线转动。本发明的外延设备简化了结构，解决了结构复杂、成本高、安装、调试以及维护等难度较大的问题，避免反应腔内产生颗粒污染晶圆，提高产品质量。

Description

一种外延设备

技术领域

本发明涉及半导体设备技术领域，尤其涉及一种外延设备。

背景技术

外延设备用于晶体的外延生长，其包括反应腔，晶体设于反应腔内与反应腔内的反应气体发生反应实现晶圆外延生长。根据工艺要求，反应腔内晶圆的支撑结构需要具备升降功能和旋转功能，其中，支撑结构升降功能用以实现晶圆取片，支撑结构旋转功能用以实现晶圆均匀的外延生长。

相关技术中，为实现上述两种功能，设计了相互独立的升降石英轴和旋转石英轴，以分别实现支撑结构的升降和旋转功能。然而，升降石英轴和旋转石英轴组合的结构，容易产生以下问题：升降石英轴和旋转石英轴结构紧凑，以避免对反应腔内的反应气体流场和温度场产生影响，然而安装、调试以及维护等难度较大，结构相对较多且复杂，成本费用较高；二者之间可能会干涉，容易产生刮擦，产生颗粒，污染反应腔内晶圆，影响产品质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种外延设备，解决了结构复杂、成本高、安装、调试以及维护等难度较大的问题，能够提高产品质量。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种外延设备，包括：

反应腔体；

基座和顶针，均设于所述反应腔体内，所述顶针能够穿过所述基座，且所述顶针能够一端抵接于所述反应腔体的底部，另一端凸出于所述基座，晶圆能够取放于所述顶针以及承载于所述基座；

驱动组件，包括升降驱动件和旋转驱动件，所述升降驱动件通过石英轴驱动所述基座，使所述基座沿竖直方向移动，所述旋转驱动件通过所述石英轴驱动所述基座，使所述基座绕平行于竖直方向的中心线转动。

在一些可能的实施方式中，所述反应腔体内设有垫块，所述顶针抵接于所述垫块。

在一些可能的实施方式中，所述顶针设于所述基座上，所述垫块和所述顶针分别设有多个，多个所述垫块和所述多个顶针分别间隔设置，所述外延设备还包括检测件，所述检测件用于检测所述基座的位置，所述检测件和所述驱动组件通讯连接，所述驱动组件驱动所述基座转动以使多个所述垫块和多个所述顶针一一对应。

在一些可能的实施方式中，所述垫块的周侧为平滑面。

在一些可能的实施方式中，还包括磁流体密封件和转接件，所述石英轴通过所述转接件转动连接于所述磁流体密封件，所述石英轴和所述基座连接，所述旋转驱动件与所述转接件驱动连接，所述升降驱动件与所述磁流体密封件驱动连接。

在一些可能的实施方式中，所述旋转驱动件通过传动机构驱动所述转接件转动。

在一些可能的实施方式中，还包括固定架和导向组件，所述磁流体密封件通过所述固定架连接于所述升降驱动件的输出端，所述升降驱动件驱动所述固定架沿所述导向组件移动。

在一些可能的实施方式中，还包括连接腔体和波纹管，所述波纹管密封连接所述连接腔体和所述磁流体密封件，所述连接腔体和所述反应腔体密封连接，所述石英轴穿设于所述波纹管和所述连接腔体。

在一些可能的实施方式中，还包括设于所述反应腔体内的支架，所述石英轴与所述支架连接，所述基座支撑于所述支架。

在一些可能的实施方式中，所述反应腔体内设有保温件，所述顶针位于所述保温件的下方。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种外延设备，升降驱动组件驱动基座下降，使顶针一端抵接于反应腔体的底部，另一端凸出于基座，晶圆能够取放或承载于顶针；驱动组件驱动基座上升，使晶圆能够承载于基座。一方面，通过驱动基座下降的方式使得顶针承托晶圆，实现了取放晶圆的目的，使得晶圆的取放位置低于晶圆的反应位置，相较于晶圆的取放位置高于晶圆的反应位置，本方案降低了晶圆的取放位置，缩短了顶针的长度，由于在升降驱动件的驱动作用下使基座和顶针之间有相对移动，减小了基座和顶针之间的相对位移，从而减少了基座和顶针之间的相对磨损，避免由于磨损产生的杂质对反应腔内晶圆的外延质量产生影响，提高了晶圆外延质量。另一方面，驱动组件同时具备升降和转动基座的功能，相较于现有技术中分别设置升降石英轴和转动石英轴以分别驱动基座升降和转动，本方案通过设置一体化石英轴，简化了结构，降低了成本，且降低了安装、调试以及维护等难度，避免产生颗粒导致晶圆受到污染而影响产品质量。

附图说明

图1是本发明的具体实施方式提供的外延设备的示意图；

图2是本发明的具体实施方式提供的机械手将晶圆取放于反应腔体的示意图；

图3是本发明的具体实施方式提供的驱动组件的示意图；

图4是本发明的具体实施方式提供的外延设备的剖视图；

图5是图4的A处放大图。

图中：

1、反应腔体；110、进出口；2、保温件；3、基座；4、顶针；51、升降驱动件；52、旋转驱动件；6、磁流体密封件；61、大径部；62、小径部；7、转接件；71、筒状部；72、法兰盘；8、石英轴；9、传动机构；91、主动齿轮；92、从动齿轮；10、固定架；101、横板；1011、安装槽；1012、通孔；102、竖板；11、导向组件；111、导轨；112、滑块；12、连接腔体；13、波纹管；131、管本体；132、上端板；133、下端板；14、支架；15、垫块；16、固定板；17、上密封圈；18、下密封圈；19、密封转接块；191、端板部；192、连接筒部；20、连接块；21、晶圆；22、机械手。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案做进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅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例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1-图4所示，本实施例提供了一种外延设备，包括反应腔体1、基座3、顶针4和驱动组件。基座3和顶针4均设于反应腔体1内，顶针4能够穿过基座3，且顶针4能够一端抵接于反应腔体1的底部，另一端凸出于基座3，晶圆21能够取放于顶针4或者承载于基座3。驱动组件包括升降驱动件51和旋转驱动件52，升降驱动件51通过石英轴8驱动基座3，使基座3沿竖直方向移动，旋转驱动件52通过石英轴8驱动基座3，使基座3绕平行于竖直方向的中心线转动。升降驱动组件驱动基座3下降，使顶针4一端抵接于反应腔体1的底部，另一端凸出于基座3，晶圆21能够取放或承载于顶针4；驱动组件驱动基座3上升，使晶圆21能够承载于基座3。

示例性地，外延设备在使用时包括以下步骤：

将晶圆21放入反应腔体1阶段：升降驱动组件驱动基座3下降至晶圆21的取放位置，由于顶针4一端抵接于反应腔体1的底部，基座3和顶针4相对移动，从而使顶针4另一端凸出于基座3，机械手22将晶圆21通过进出口110送入反应腔体1并置于顶针4上，之后机械手22退出反应腔体1。升降驱动组件驱动基座3上升至晶圆21的反应位置，随着基座3升高，顶针4不凸出于基座3，晶圆21从顶针4落位于基座3。其中，顶针4可以是滑动连接于基座3。

工艺阶段：旋转驱动组件驱动位于晶圆21的反应位置的基座3转动，具体地，驱动基座3以及基座3上的晶圆21按指定转速进行平稳转动，完成晶圆21工艺反应，旋转驱动组件停止驱动基座3转动。

将晶圆21从反应腔体1取出阶段：升降驱动组件驱动基座3下降至晶圆21的取放位置，顶针4凸出于基座3，再次将基座3上的晶圆21顶起，机械手22通过进出口110进入反应腔体1内，并将晶圆21从反应腔体1的顶针4上取下，之后机械手22带晶圆21从进出口110退出反应腔体1。

一方面，通过驱动基座3下降的方式使得顶针4承托晶圆21，实现了取放晶圆21的目的，使得晶圆21的取放位置低于晶圆21的反应位置，相较于晶圆21的取放位置高于晶圆21的反应位置，本方案降低了晶圆21的取放位置，缩短了顶针4的长度，由于在升降驱动件51的驱动作用下使基座3和顶针4之间有相对移动，减小了基座3和顶针4之间的相对位移，从而减少了基座3和顶针4之间的相对磨损，避免由于磨损产生的杂质对反应腔内晶圆21的外延质量产生影响，提高了晶圆21外延质量。另一方面，驱动组件同时具备升降和转动基座3的功能，相较于现有技术中分别设置升降石英轴和转动石英轴以分别驱动基座3升降和转动，本方案通过设置一体化石英轴8，简化了结构，降低了成本，且降低了安装、调试以及维护等难度，避免产生颗粒导致晶圆21受到污染而影响产品质量。

可选地，如图3-图5所示，外延设备还包括磁流体密封件6和转接件7，石英轴8通过转接件7转动连接于磁流体密封件6，石英轴8和基座3连接，旋转驱动件52与转接件7驱动连接，石英轴8通过密封圈固定于转接件7，转接件7与磁流体密封件6转动连接，实现了石英轴8在转动时的动密封，升降驱动件51与磁流体密封件6驱动连接，实现了石英轴8的升降。简化了密封和固定结构，减少了真空泄漏的可能性；减少了下部流场的干扰，有利于外延工艺质量的提高；且避免了旋转轴和石英轴8旋转干涉问题，提供反应腔内的洁净度。

可选地，旋转驱动件52为如伺服电机等高精度电机，实现角度的精确控制。旋转驱动件52通过传动机构9驱动转接件7转动，传动机构9可以为齿轮传动机构、带传动机构或链传动机构等，不作限定。示例性地，以齿轮传动机构为例进行示例性说明，齿轮传动机构包括主动齿轮91和从动齿轮92，从动齿轮92固定于转接件7的外周，主动齿轮91连接于旋转驱动件52的输出端，主动齿轮91和从动齿轮92啮合连接，旋转驱动件52驱动主动齿轮91转动，从而通过从动齿轮92和转接件7带动石英轴8转动。本方案中，转接件7包括筒状部71和连接于筒状部71一端的法兰盘72，筒状部71连接于石英轴8和磁流体密封件6之间，法兰盘72设于转磁流体密封件6的一端的外部，主动齿轮91套设在筒状部71上且通过螺丝等紧固件连接于法兰盘72，从而实现了转接件7和主动齿轮91连接。

可选地，如图3-图5所示，升降驱动件51为电机与丝杆螺母副的组合结构等，其中电机可以是伺服电机等高精度电机，从而实现了高度的精确控制。其他实施例中，升降驱动件51也可以是直线模组或者气缸，不作限定。外延设备还包括固定架10和导向组件11，磁流体密封件6通过固定架10连接于升降驱动件51的输出端，升降驱动件51驱动固定架10沿导向组件11移动，通过设置导向组件11，提高了移动精度。导向组件11包括导轨111和滑动连接于导轨111的滑块112，升降驱动件51和导轨111固定于固定板16上，升降驱动件51的输出端和固定架10均连接滑块112，升降驱动件51驱动固定架10以及与固定架10连接的磁流体密封件6、石英轴8等通过滑块112沿导轨111移动。升降驱动件51的输出端通过连接块20连接于滑块112。

可选地，固定架10的截面呈L型，包括横板101和竖板102，横板101开设有安装槽1011和通孔1012，磁流体密封件6包括大径部61和小径部62，小径部62穿设于通孔1012，大径部61底部抵接在安装槽1011的槽底，大径部61和安装槽1011的槽底通过螺丝等紧固件连接。

如图5所示，外延设备还包括连接腔体12和波纹管13，波纹管13密封连接连接腔体12和磁流体密封件6，连接腔体12和反应腔体1密封连接，石英轴8穿设于波纹管13和连接腔体12，升降驱动件51驱动石英轴8移动时波纹管13能够随之伸缩，保证了反应腔体1的密封性，进一步简化了密封和固定结构，减少了真空泄漏的可能性，提高反应腔体1内部洁净度，从而保证了晶圆21外延质量。

可选地，如图5所示，波纹管13包括管本体131和连接于管本体131两端的上端板132和下端板133，下端板133和磁流体密封件6端部通过紧固件等连接，且二者之间设有下密封圈18，实现波纹管13和磁流体密封件6之间的密封性。密封转接块19包括端板部191和连接筒部192，上端板132与端板部191通过紧固件连接，且二者之间设有上密封圈17，实现了密封转接块19和波纹管13的密封连接。连接腔体12穿设于连接筒部192，二者之间通过密封圈密封连接，实现了连接腔体12和密封转接块19的密封连接，从而实现了波纹管13和连接腔体12通过密封转接块19密封连接。连接腔体12和反应腔体1通过焊接实现了密封连接，从而实现了反应腔体1、连接腔体12、波纹管13、磁流体密封件6、转接件7以及石英轴8之间的密封连接。相较于现有技术中，升降石英轴和旋转石英轴均要处于真空或特气环境，分别通过密封结构实现升降石英轴和旋转石英轴的密封，造成升降石英轴和旋转石英轴的固定和密封结构复杂，本方案密封结构简单，可靠性好。

如图2所示，由于基座3尺寸较大，其直接连接于石英轴8时会导致安装不稳，外延设备还包括设于反应腔体1内的支架14，石英轴8与支架14连接，基座3支撑于支架14，通过支架14支撑基座3，能够保证基座3的稳定性。示例性地，支架14为三脚架，其中间位置与石英轴8插接或者通过紧固件等进行固定连接，保证支架14和石英轴8的连接可靠性。可选地，支架14为石英支架14，基座3为石墨基座，石英结构相较于石墨结构硬度高，方便安装，另外，石墨材质相较于石英材质导热性好，有利于晶圆21受热。

反应腔体1的设有垫块15，顶针4抵接于垫块15，垫块15的顶部平面度要求较高，以保证顶针4顶起高度的一致性。顶针4设于基座3上，垫块15和顶针4分别设有多个，多个垫块15和多个顶针4分别间隔设置，外延设备还包括检测件（图中未示出），检测件用于检测基座3的位置，检测件和驱动组件通讯连接，驱动组件驱动基座3转动以使多个垫块15和多个顶针4一一对应，保证顶针4始终能够抵接在垫块15上。通过设置多个顶针4，保证晶圆21稳定承载于多个顶针4上。可选地，检测件为角度传感器，角度传感器与其中一个顶针4具有对应关系，角度传感器固定在石英轴8伸出于转接件7的一端，用于检测石英轴8的转动角度，从而检测基座3以及顶针4的转动角度，示例性地，设有三个顶针4，三个顶针4呈120°夹角设置，当角度传感器检测石英轴8转动角度为120°的整数倍时则发送信号，旋转驱动件52停止驱动基座3转动，之后升降驱动件51能够驱动基座3向下移动，保证顶针4能够抵接在垫块15上，提高了配合准确性。

垫块15的周侧为平滑面，例如垫块15的横截面呈圆形或椭圆形或任意曲线形状，避免对反应腔体1内部反应气体流场产生影响，提高了晶圆21外延反应质量。

可选地，基座3开设有沉头孔，顶针4包括端帽和针体，端帽用于承载晶圆21，针体用于抵接垫块15，利用端帽和顶针4的重力作用，防止顶针4和基座3滑脱，可选地，顶针4和沉头孔滑动连接。

可选地，反应腔体1内设有保温件2，顶针4位于保温件2的下方，在保温件2的下方进行取放晶圆21。进一步地，保温件2为保温环，保温环能够环设于基座3的外周，保温环支撑于反应腔体1内，保证基座3上晶圆21的受热均匀，提高外延反应质量，可选地，保温环通过石英架支撑于反应腔体1内，石英架可以是支撑在反应腔体1的顶部、底部或者中部，保温环承载于石英架上。可选地，升降驱动件51能够驱动位于基座3上的晶圆21顶面与保温环的顶面齐平，保证保温环对晶圆21的加热效果。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种外延设备，其特征在于，包括：

反应腔体(1)；

基座(3)和顶针(4)，均设于所述反应腔体(1)内，所述顶针(4)能够穿过所述基座(3)，且所述顶针(4)能够一端抵接于所述反应腔体(1)的底部，另一端凸出于所述基座(3)，晶圆(21)能够取放于所述顶针(4)以及承载于所述基座(3)；

驱动组件，包括升降驱动件(51)和旋转驱动件(52)，所述升降驱动件(51)通过石英轴(8)驱动所述基座(3)，使所述基座(3)沿竖直方向移动，所述旋转驱动件(52)通过所述石英轴(8)驱动所述基座(3)，使所述基座(3)绕平行于竖直方向的中心线转动。

2.根据权利要求1所述的外延设备，其特征在于，所述反应腔体(1)内设有垫块(15)，所述顶针(4)抵接于所述垫块(15)。

3.根据权利要求2所述的外延设备，其特征在于，所述顶针(4)设于所述基座(3)上，所述垫块(15)和所述顶针(4)分别设有多个，多个所述垫块(15)和多个所述顶针(4)分别间隔设置，所述外延设备还包括检测件，所述检测件用于检测所述基座(3)的位置，所述检测件和所述驱动组件通讯连接，所述驱动组件驱动所述基座(3)转动以使多个所述垫块(15)和多个所述顶针(4)一一对应。

4.根据权利要求2所述的外延设备，其特征在于，所述垫块(15)的周侧为平滑面。

5.根据权利要求1所述的外延设备，其特征在于，还包括磁流体密封件(6)和转接件(7)，所述石英轴(8)通过所述转接件(7)转动连接于所述磁流体密封件(6)，所述石英轴(8)和所述基座(3)连接，所述旋转驱动件(52)与所述转接件(7)驱动连接，所述升降驱动件(51)与所述磁流体密封件(6)驱动连接。

6.根据权利要求5所述的外延设备，其特征在于，所述旋转驱动件(52)通过传动机构(9)驱动所述转接件(7)转动。

7.根据权利要求5所述的外延设备，其特征在于，还包括固定架(10)和导向组件(11)，所述磁流体密封件(6)通过所述固定架(10)连接于所述升降驱动件(51)的输出端，所述升降驱动件(51)驱动所述固定架(10)沿所述导向组件(11)移动。

8.根据权利要求5所述的外延设备，其特征在于，还包括连接腔体(12)和波纹管(13)，所述波纹管(13)密封连接所述连接腔体(12)和所述磁流体密封件(6)，所述连接腔体(12)和所述反应腔体(1)密封连接，所述石英轴(8)穿设于所述波纹管(13)和所述连接腔体(12)。

9.根据权利要求5所述的外延设备，其特征在于，还包括设于所述反应腔体(1)内的支架(14)，所述石英轴(8)与所述支架(14)连接，所述基座(3)支撑于所述支架(14)。

10.根据权利要求1-9任一项所述的外延设备，其特征在于，所述反应腔体(1)内设有保温件(2)，所述顶针(4)位于所述保温件(2)的下方。