CN117684262A - 气体注入装置和气相反应设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气体注入装置和气相反应设备，气体注入装置凸出部自所述盖体顶面一侧起贯穿所述盖体并远离所述盖体延伸，辅助气体输送通道自所述凸出部顶面起在所述凸出部内延伸并贯穿所述凸出部底面，辅助加热装置围设于所述凸出部的外侧壁并位于所述盖体底面所在的一侧；若干工艺气体输送通道，围绕所述凸出部顶部设于所述盖体，并贯穿所述盖体，使得辅助加热装置能够在反应腔体内由所述盖体、所述凸出部、所述承载装置和所述反应腔体侧壁围成的反应空间起到辅助加热作用，有利于大尺寸反应腔体内反应空间的温场均匀性。

Description

气体注入装置和气相反应设备

技术领域

本发明涉及半导体加工设备技术领域，特别涉及气体注入装置和气相反应设备。

背景技术

反应腔室是半导体器件制程中至关重要的腔室，其中气相反应装置的反应腔室是由气体带入反应物及建立流场的。例如，在晶圆上生长外延层就是通过在反应腔室中有气体带入反应物在晶圆表面外延生长特定的单晶薄膜。例如在导电型碳化硅衬底上生长碳化硅外延层得到的碳化硅同质外延片可进一步制成肖特基二极管、MOSFET、IGBT等功率器件。器件的设计对外延的质量性能要求高，同时外延的质量也受到衬底加工工艺的影响。

对于通过气相反应生长材料的反应腔室，其中反应腔室内温场的控制是影响气相反应的重要因素。为提高产能，通常在反应腔内平铺放置多片大尺寸衬底（例如8寸，12寸）同时进行沉积反应，因此要求反应腔室的体积足够大；反应腔室的体积越大，反应腔室内的温度越难达到热壁反应腔室的反应要求，因此会影响生长的外延层的均匀性和单晶薄膜的质量。由此造成外延生长的良率降低，生产效率降低。

发明内容

鉴于现有技术中气相反应装置存在的上述缺陷，本发明提供一种气体注入装置和包含该气体注入装置的气相反应设备，以解决上述一个或多个问题。

为了达到上述目的，本发明的一实施例提供一种气体注入装置，其包括：

盖体；

凸出部，位于所述盖体的中间区域，自所述盖体顶面一侧起贯穿所述盖体，并远离所述盖体底面一侧延伸；

辅助气体输送通道，自所述凸出部顶面一侧沿指向所述凸出部底面一侧的方向在所述凸出部内延伸，并贯穿所述凸出部底面；

辅助加热装置，围设于所述凸出部的外侧壁，位于所述盖体底面所在的一侧；

若干工艺气体输送通道，围绕所述凸出部顶部设于所述盖体，并贯穿所述盖体。

本发明的另一实施例提供一种气相反应设备，其包括反应腔体，所述反应腔体顶部设有所述气体注入装置，内部设有承载装置，所述气体注入装置的凸出部位于承载装置上方，所述盖体、所述凸出部、所述承载装置和所述反应腔体侧壁围成有反应空间。

本发明所述气体注入装置和所述气相反应设备的有益效果在于：凸出部自所述盖体顶面一侧起贯穿所述盖体并远离所述盖体延伸，辅助气体输送通道自所述凸出部顶面起在所述凸出部内延伸并贯穿所述凸出部底面，辅助加热装置围设于所述凸出部的外侧壁并位于所述盖体底面所在的一侧；若干工艺气体输送通道，围绕所述凸出部顶部设于所述盖体，并贯穿所述盖体，使得辅助加热装置能够在反应腔体内由所述盖体、所述凸出部、所述承载装置和所述反应腔体侧壁围成的反应空间起到辅助加热作用，有利于大尺寸反应腔体内反应空间的温场均匀性。

可选地，所述凸出部可拆卸地固定于所述盖体，以相对所述盖体静止或沿所述盖体轴向可升降调节。

可选地，所述气体注入装置还包括围设于所述辅助加热装置外侧且朝向所述凸出部底部延伸的内导流罩，所述内导流罩和所述凸出部围成的结构遮档所述辅助加热装置。

可选地，所述凸出部包括可拆卸地固定于所述盖体的顶部盖体和围设于所述顶部盖体底部的内隔热罩，所述辅助加热装置围设于所述内隔热罩侧壁，所述内导流罩和所述内隔热罩围成的结构遮挡所述辅助加热装置。

可选地，所述凸出部包括沿远离所述顶部盖体底部方向延伸的延伸部，所述辅助气体输送通道从所述延伸部顶部贯穿所述延伸部底部，所述延伸部内设有围绕所述辅助气体输送通道的冷却通道，所述辅助加热装置围绕所述延伸部。

可选地，所述气体注入装置还包括设于所述辅助气体输送通道出气端的喷嘴，所述喷嘴与所述辅助气体输送通道之间可拆卸连接，以使所述喷嘴与所述辅助进气输送通道之间相对固定，或者使所述喷嘴相对所述辅助气体输送通道可升降调节。

可选地，所述气体注入装置还包括围设于所述喷嘴侧壁的喷嘴隔热罩，所述喷嘴隔热罩位于所述延伸部下方。

可选地，所述内隔热罩和所述延伸部之间具有间距。

可选地，所述内隔热罩、所述喷嘴、所述延伸部和所述内导流罩围成有密闭空间，所述密闭空间内为真空或充有隔热介质。

可选地，所述内隔热罩、所述喷嘴隔热罩、所述延伸部和所述内导流罩围成有密闭空间，所述密闭空间内为真空或充有隔热介质。

可选地，所述辅助加热装置包括至少2个辅助发热体，所述至少2个辅助发热体沿所述凸出部的轴向顺次围设于所述凸出部外壁。

可选地，所述气体注入装置还包括辅助加热控制部，所述辅助加热控制部经所述凸出部顶部电接触各所述辅助发热体，并配置为控制各辅助发热体的发热功率相当，或者控制靠近所述盖体的至少一个辅助发热体的发热功率小于远离所述盖体的至少一个辅助发热体的发热功率。

可选地，所述工艺气体输送通道包括贯穿所述盖体的若干内层通道、若干中间通道和若干外层通道，所述若干内层通道围绕所述凸出部、所述若干中间通道围绕所述若干内层通道，所述若干外层通道围绕所述若干中间通道，所述内层通道和所述外层通道配置为供吹扫气体和/或载气流通，所述中间通道配置为供反应气体和/或反应气体和载气的混合气体流通，所述吹扫气体、所述反应气体以及所述载气的任意两者之间具有化学惰性。

可选地，所述气相反应设备还包括设于所述辅助气体输送通道出气端的喷嘴，所述喷嘴的出气端距离所述承载装置顶面的垂直距离为所述反应空间高度的1%~20%。

可选地，所述反应腔体侧壁围设有侧壁加热装置以向所述反应空间供热。

可选地，所述承载装置顶面位于所述反应空间内的区域设有至少一载片区，各所述载片区的边缘与所述辅助加热装置之间的最小径向距离，以及与所述侧壁加热装置之间的最小径向距离为所述载片区径向尺寸的5%~40%。

可选地，所述侧壁加热装置和/或所述辅助加热装置的外部围设有导流罩，所述导流罩与所述盖体和所述承载装置，和/或所述凸出部围成有所述反应空间。

可选地，所述辅助加热装置包括至少2个沿轴向顺次围设于所述凸出部外壁的辅助发热体，所述侧壁加热装置包括与各所述辅助发热体一一对应的侧壁发热体。

可选地，相邻所述辅助发热体之间的距离以及相邻所述侧壁发热体之间的距离均不超过所述反应空间高度的10%。

可选地，所述气相反应设备还包括旋转装置，所述旋转装置顶部转动连接所述承载装置，并与所述凸出部底部沿所述承载装置的轴向相对。

附图说明

图1显示为本发明实施例一提供的气体注入装置的结构示意图。

图2显示为图1中的盖体的俯视示意图。

图3显示为本发明实施例二提供的气体注入装置的结构示意图。

图4显示为图3中一辅助发热体的结构示意图。

图5本发明实施例三提供的气体注入装置的结构示意图。

图6本发明实施例四提供的气相反应设备的结构示意图。

图7为图6所示的承载装置的俯视图。

图8为图6所示的3个侧壁发热体所组成结构的剖视图。

图9为图6所示的承载装置、辅助加热装置以及侧壁加热装置所组成结构的俯视图。

图10为图6所示的底部加热装置、侧壁加热装置和辅助加热装置三者之间相互作用的温度梯度曲线的相互关系示意图。

图11为实施例四中第三侧壁发热体和第三辅助发热体的第一种相对位置关系的示意图。

图12为实施例四中第三侧壁发热体和第三辅助发热体的第二种相对位置关系的示意图。

图13为实施例四中第三侧壁发热体和第三辅助发热体的第三种相对位置关系的示意图。

实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

实施例一

本实施例提供第一种气体注入装置。

如图1所示，本实施例的气体注入装置包括盖体11、凸出部12、辅助气体输送通道14、辅助加热装置13以及工艺气体输送通道15。凸出部12位于所述盖体11的中间区域，自所述盖体11顶面一侧起贯穿所述盖体11，并远离所述盖体11顶面一侧延伸。辅助气体输送通道14自所述凸出部12顶面向凸出部底部一侧在所述凸出部12内延伸，并贯穿所述凸出部12底面。辅助加热装置13围设于所述凸出部12的外侧壁并位于所述盖体11底面所在的一侧。若干工艺气体输送通道15围绕所述凸出部12顶部设于所述盖体11并贯穿所述盖体11。

一些实施例中，参照图1和图2，凸出部12和盖体11之间可以是整体成型的一体式结构，也可以是各自独立的结构且凸出部12贯穿盖体11中部的中部通孔111后两者相互密封连接在一起。

一些实施例中，凸出部12可拆卸地固定于盖体11并相对盖体11静止。将凸出部12可拆卸地固定于盖体11，使得可根据使用情况灵活地将凸出部12拆除并进行维修或调整，同时增强了气体注入装置的普适性。具体地，凸出部12贯穿中部通孔111后，凸出部12的顶部与盖体11可拆卸地固定连接。

一些实施例中，凸出部12可拆卸地固定于盖体11，并能够根据使用需求相对盖体11进行升降调节。

一些实施例中，参照图1，凸出部12具有顶部盖体121以及自顶部盖体121的底部向下延伸的延伸部122，顶部盖体121和延伸部122可以组成一体式结构也可以是各自独立的结构并相互连接在一起。在一些实施例中，顶部盖体121可拆卸地固定至盖体11。在一些实施例中，顶部盖体121与盖体11之间螺纹配合以实现前述的可拆卸固定并能够根据使用需求相对盖体11进行升降调节。具体的，顶部盖体121外侧壁设置外螺纹，盖体11的中部通孔111内壁设置与该外螺纹相适配的内螺纹。

参照图1和图2，辅助加热装置13设置在延伸部122的外侧壁上。辅助加热装置13沿延伸部122的周向设置。辅助加热装置13可以设置在延伸部122的整个外侧壁上，也可以沿延伸部的轴向设置在延伸部122的部分外侧壁上。若干工艺气体输送通道15围绕顶部盖体121设置。

再次参照图1所示的气体注入装置，其还具有围于所述辅助加热装置13外且朝向所述凸出部12底部延伸的内导流罩16，所述内导流罩16和所述凸出部12围成的结构遮档所述辅助加热装置13。通过设置内导流罩16可以避免工艺气体，特别是腐蚀性工艺气体对辅助加热装置13的影响。

一些实施例中，内导流罩16可以自顶部盖体121底面起沿轴向延伸直至遮蔽辅助加热装置13为止。或者根据辅助加热装置13的具体设置，使得内导流罩16能够遮挡辅助加热装置13即可。

一些实施例中，内导流罩16如图1所示设于顶部盖体121底部，延伸至延伸部122底部后与延伸部122底部相接或相接触以保护辅助加热装置13。该种设置可避免内导流罩16和顶部盖体121所围成的包围区域10内可能存在的颗粒等杂质在反应场景下落到载片装置上对成膜质量造成不利影响，同时对辅助加热装置13底部也起到了保护作用以避免工艺气体特别是腐蚀性工艺气体的不良影响。

一些实施例中，延伸部122的组成材料为耐温材料。例如可以是石墨毡。

一些实施例中，内导流罩16的组成材料为导热材料以在遮蔽辅助加热装置13的同时有利于热量传导。

辅助加热装置13的加热方式可根据工艺需求灵活选择和调整。一些实施例中，辅助加热装置13的加热方式为电阻加热方式，具体可以为石墨筒。

一些实施例中，辅助加热控制部经所述凸出部12的顶部电接触辅助加热装置13以提供加热电流，从而实现辅助加热装置13的发热。

在气相反应期间若干工艺气体输送通道15向反应腔室21输送第一气体，该第一气体为反应源气体和载气，用于反应生成目标产物。示例性地，对于III-V族MOCVD而言，第一气体为III族金属有机源气体、V族氢化物源气体和载气。

可选实施例中，该工艺气体输送通道15可以是缝隙状通道，该缝隙状通道沿同一方向延伸，例如沿平行于盖体11的径向方向延伸。上述缝隙状通道可以分为多组，每一组用于输送相同或不同的气体。例如，分别输送III族金属有机源气体和载气输送、输送V族氢化物源气体和载气，从而提供III族金属有机源气体和V族氢化物源气体在待处理基片上发生反应生成III-V族化合物；还可以包括输送不含反应气体且不与反应气体反应的载气（或吹扫气体）的气体输送通道。

在本实施例的可选实施例中，如图2所示，工艺气体输送通道15为孔型结构，例如可以是圆形孔、椭圆形孔、菱形孔等类似孔结构。这些孔可排布为同心圆环区域，或是条状间隔分布区域，或是几组孔交错分布，或是若干扇形区域等。本实施例中，设置为如图2所示的圆形孔，多组圆形孔在盖体11中呈放射状间隔分布，优选地，多组圆形孔以相同的间隔角度间隔设置，更加优选地，以与反应腔室的承载装置中衬底置放的间隔角度相同的间隔角度均匀间隔地分布。每一组圆形孔包括多个圆形孔，多个圆形孔沿盖体11的径向间隔分布，优选地，同样为均匀间隔分布。由于承载装置在反应期间旋转，因此承载装置上的每一个衬底均能均匀成膜。多组圆形孔中圆形孔的数量可以相同也可以不同，优选地，多组圆形孔中圆形孔的数量相同。同样地，多个圆形孔可以输送不同的气体，例如，分别输送III族金属有机源气体和载气输送、输送V族氢化物源气体和载气，从而提供III族金属有机源气体和V族氢化物源气体在待处理基片上发生反应生成III-V族化合物；还可以包括输送不含反应气体且不与反应气体反应的载气（或吹扫气体）的圆形孔。

在本实施例中，如图1和图2所示，定义靠近顶部盖体121并围绕中间通孔111的若干工艺气体输送通道为内层通道151，最远离顶部盖体121的若干工艺气体输送通道为外层通道152，位于内层通道151和外层通道152之间若干工艺气体输送通道为中间通道（图中未标示）。其中内层通道151和外层通道152用于输送不含反应气体且不与反应气体反应的清洁气体，即吹扫气体；中间通道用于输送源气，例如MOCVD工艺中的III族金属有机源气体和载气输送、V族氢化物源气体和载气。

可以理解的是，本领域技术人员可以根据实际的工艺需求自行调整孔分布的形状、位置关系等，在此不作限定。

在本实施例的另一可选实施例中，工艺气体输送通道15还可以是缝隙状通道和孔型结构的组合，其中缝隙通道和孔型结构的分布、形状及位置关系，同样可以根据实际的工艺需要进行调整。

辅助气体输送通道14优选为孔型通道，例如截面形状为圆形的圆形孔，截面形状为椭圆的椭圆形孔、截面形状为菱形的菱形孔等类似孔型通道，本实施例中以辅助气体输送通道14为圆形孔为例。该辅助气体输送通道14贯穿顶部盖体121延伸直至贯穿延伸部122。该辅助气体输送通道14用于提供补充气体，例如可以视反应腔室内的气体反应情况通过该辅助气体输送通道14向反应腔室输送源气和/或载气和/或特殊气，补充的源气和/或载气和/或特殊气从辅助气体输送通道14的底部喷出，并沿承载装置的径向流动扩散至各衬底表面以调制承载装置上各衬底成膜性能的一致性。

如图1所示，为了增加辅助气体输送通道14输入的气体的可控性，可选地，在辅助气体输送通道14的末端安装有喷嘴17，使喷嘴12位于延伸部122下方。

一些实施例中，喷嘴17可拆卸地固定于辅助进气输送通道14末端使得两者之间相对固定。

一些实施例中，喷嘴17可拆卸固定于辅助进气输送通道14末端使喷嘴17相对辅助进气输送通道14进行升降调节。具体的，喷嘴17与辅助进气输送通道14之间通过螺纹连接配合以进行升降调节。

实施例二

本实施例提供第二种气体注入装置。与实施例一的气体注入装置的区别在于：辅助加热装置13分区围设于延伸部122。

参照图1和图3，辅助加热装置13包括沿延伸部122轴向顺次围设于延伸部122的第一辅助发热体131、第二辅助发热体132和第三辅助发热体133。相邻内加热装置之间具有间距。

一些实施例种，辅助发热体的数量至少为2，具体数目和相邻辅助发热体之间间距可根据工艺需求进行灵活调整。

当反应腔室高度较高，设置一体化的辅助加热装置13从工艺上来讲成本高加工困难，特别是普适性差无法再适配其他腔室高度。在一些应用场景下，为减少或避免工艺气体喷出后在盖体11下方附近就发生预反应，需要控制盖体11下方附近的气体温度较低，而为确保衬底附近的成膜反应顺利进行，气体在衬底附近加热至成膜工艺温度。因此将辅助加热装置13分区设置。

对于有腔室高度适配要求的应用场景而言，将辅助加热装置13分成各相互独立的内加热装置可根据工艺腔室高度要求选择合适的内加热装置件数进行灵活适配。

对于有抑制预反应需求的应用场景而言，可通过辅助加热控制部控制靠近盖体11的至少一个内加热装置的加热功率小于靠近衬底的至少一个内加热装置的加热功率。例如图3所示的三个辅助发热体中，可以控制第一辅助发热体131的加热功率小于第二辅助发热体132，并使第二辅助发热体132和第三辅助发热体133的加热功率相当。也可以根据反应需求控制第一辅助发热体131的加热功率小于第二辅助发热体132，且第二辅助发热体132的加热功率小于第三辅助发热体133。

参照图1、图3和图4，以第一辅助发热体131为例，其具有发热本体1311以及分别电接触发热本体1311内壁的输入导线1312和输出导线1313以构成电流通路，具体通路实现方式为本领域常规技术手段。发热本体1311沿周向设于延伸部122外侧壁，输入导线1312和输出导线1313可以从延伸部122内延伸至顶部盖体121，并从顶部盖体121伸出。

一些实施例中，输入导线1312和输出导线1313均设置发热本体1311外壁，输入导线1312和输出导线1313包围区域10中延伸至顶部盖体121，并从顶部盖体121伸出。

实施例三

本实施例提供了第三种气体注入装置。

由于通过喷嘴17喷出的气体沿径向扩散到各衬底表面所起到的调制作用不能影响工艺气体提供的气体流场对成膜均匀性的积极效果。喷嘴17距离承载装置之间的距离比较短，气体从喷嘴17喷出以及向两侧流动扩散形成的层流厚度薄，很容易被承载装置下方的加热器加热到工艺所需温度。因此需要减少或阻止辅助加热装置13向辅助气体输送通道14内传递热量。

参照图1和图5，所述凸出部12还包括围设于顶部盖体121底部的内隔热罩123，所述辅助加热装置13围设于所述内隔热罩123远离延伸部122一侧的侧壁，所述内导流罩16和所述内隔热罩123围成的结构遮挡所述辅助加热装置13。

一些实施例中，内隔热罩123固定于顶部盖体121底部。一些实施例中，内隔热罩123可拆卸固定于顶部盖体121底部。

一些实施例中，内隔热罩123由保温隔热材料组成。具体的可以是石墨毡。一些具体的实施例中，可以是一层石墨毡，也可以是多层石墨毡顺次延伸部122的周向层设而成。

在一些应用场景下，调节在气体进入辅助气体输送通道14前的温度，加上内隔热罩123的辅助隔热作用，能使该气体在衬底附近被加热到工艺温度。

在一些应用场景下，当工艺温度很高使得辅助加热装置13向辅助气体输送通道14的传热无法忽略，气体进入辅助气体输送通道14后沿轴向传输的过程中不可避免要被加热，从喷嘴17喷出后进一步被衬底下方的加热器加热，使得该气体温度容易明显超过工艺温度，如参与扩散至各衬底表面以调制各衬底成膜性能容易产生不良影响，因此需要设置冷却通道来进一步减小或阻止辅助加热装置13向辅助气体输送通道14的传热影响。

在本实施例的可选实施例中，如图1和图5所示，在辅助气体输送通道14和辅助加热装置13之间还设置有冷却通道1221，减少或阻止辅助加热装置13的热量向辅助气体输送通道14的传递。

一些实施例中，该冷却通道1221位于辅助气体输送通道14和内隔热罩123之间。

一些实施例中，该冷却通道1221可以设置在延伸部122内。

由于越靠近衬底区域的温度越高，当支撑冷却通道1221的延伸部122和/或喷嘴17的耐热性不足，还可以在延伸部122下方围绕喷嘴17设置由耐高温材料形成的喷嘴隔热罩124，以此保护延伸部122和/或喷嘴17，并能够进一步调节自喷嘴17喷出的气体的出口温度。

一些实施例中，参照图5，内隔热罩123和延伸部122之间具有间距以减少或阻止热量传递。

一些实施例中，如5所示，所述内隔热罩123、所述喷嘴隔热罩124、所述延伸部122和所述内导流罩16围成有密闭空间19。密闭空间19内为真空或充有隔热介质，进一步加强对辅助加热装置13的隔热作用。一些具体的实施例中，隔热介质可以是空气。

一些实施例中，内隔热罩123、喷嘴17、延伸部122和内导流罩16围成有密闭空间19，在这种情况下不设置 喷嘴隔热罩124，内导流罩16延伸并包围喷嘴17（相当于喷嘴17从内导流罩16底板贯穿伸出），且内导流罩16和喷嘴17之间密封连接。

参照图1和图5，辅助气体输送通道14顶部还连通有辅助供气通道18。

实施例四

本实施例提供了一种气相反应装置，该气相反应装置具有反应腔室，反应腔室顶部设置有盖体，内部设置有承载部，并且盖体和承载部相对设置。承载部用于承载待处理基片，可以是承载装置，也可以是其他本领域技术人员所公知的结构。气相反应装置例如可以是气相沉积装置，具体地，可以是化学气相沉积（Chemical VaporDeposition，CVD）装置或物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）装置。其中的化学气相沉积装置可以是等离子体增强化学气相沉积（Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD）装置、金属有机化合物化学气相沉积（Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）装置等。本实施例以MOCVD装置为例进行说明。应该理解的是该装置仅仅是示例性的，本发明并不限于这一种装置。

如图6所示的气相反应装置具有一顶部开口的反应腔室21，反应腔室21的横截面一般为圆形或者类圆形结构，或者可以是矩形结构及其他本领域技术人员所公知的结构，在此不作赘述。盖体11与承载装置25相对设置，且盖体11位于上部、承载装置25位于下部。

参照图5和图6所示，本实施例的气相反应装置设置有侧壁加热装置22、辅助加热装置13和底部加热装置26，以及用于承载待处理基片（例如晶圆）的承载装置25。侧壁加热装置22设置在反应腔室21的内侧壁处，并且沿反应腔室21的周向设置。辅助加热装置13设置在反应腔室21的中间区域，辅助加热装置13同样沿反应腔室21的周向设置。底部加热装置26设置于承载装置25下方。侧壁加热装置22、辅助加热装置13、盖体11以及承载装置25所围成的空间为反应腔室21内的反应空间20。

再次参照图5和图6，反应腔室21内还设置有外导流罩231，外导流罩231与盖体11、承载装置25以及内导流罩16围成反应空间20。具体地，外导流罩231在反应腔室21内部靠近侧壁加热装置22设置。

为了使得该侧壁加热装置22辐射的热量尽可能多地辐射至反应腔室21内从而减少或避免热量向反应腔室21外的辐射损失，本实施例的反应腔室21可设置有隔热部件并使该隔热部件位于反应腔室21外壁与侧壁加热装置22之间。该隔热部件一方面起到减小或阻止侧壁加热装置22辐射的热量向反应腔室21外辐射造成的热量损失，有利于反应腔室21内反应空间的加热效果。参照图6，反应腔室21侧壁内设置隔热层24，侧壁加热装置22设置于反应腔室21内侧壁表面，并使隔热层24位于侧壁加热装置22和反应腔室21外侧壁之间。

一些实施例中，该隔热层24由保温隔热材料组成。一些具体的实施例中，该隔热层24可以是一层石墨毡，也可以是多层石墨毡顺次绕反应腔室21的周向层设而成。

一些实施例中，该隔热层24也可以是沿反应腔室21周向开设于反应腔室21侧壁内，且内部真空的腔室结构。

如图6和图7所示，承载装置25上具有若干个载片区251，载片区251用于放置待处理的基片，例如晶圆。载片区251围绕承载装置25的中间区域布置使各载片区251暴露在反应空间20的环境中。

在反应腔室21的俯视方向上，延伸部122对应于承载装置25的中间区域，即延伸部122的正下方的承载装置25区域并不分布前述载片区251，延伸部122不会正对载片区251。

承载装置25上的载片区251的个数以及排布可根据工艺需求进行灵活调整，以满足各载片区251暴露在反应空间的环境中为必要。一些实施例中，承载装置25上的各载片区251绕承载装置25的中间区域呈环形阵列分布。承载装置25可以是圆盘，其上分布的各载片区251的尺寸可以相同，也可不同，也可不完全相同。例如，各载片区251用于承载8英寸晶圆或者用于承载12英寸晶圆，或者部分载片区251用于承载8英寸晶圆，其他载片区251用于承载12英寸晶圆 。

同样参照图1和图6，可选实施例中，盖体11的外围部分与承载装置25的载片区251相对应，具体的，各工艺气体供气通道29一一对应连通各工艺气体输送通道15，各工艺气体输送通道15连通反应空间20，并为各载片区251提供工艺气流。

一些实施例中，自工艺气体输送通道15喷出的气体形成的气流方向与反应腔腔室的轴向线平行，即工艺气体输送通道15为垂直气流通道，形成的气流方向垂直朝向承载装置25。

参照图5和图6，喷嘴17的口径大小、形状、以及其末端面距离石墨盘上表面（即设置载片区251的一侧的表面）的垂直距离h可灵活调整，以适应不同工艺对补充气体类型以及扩散情况的要求，原则上以喷嘴17与石墨盘顶面不接触即可。

气体自喷嘴17喷出后，由于承载装置25的阻挡会向承载装置25两侧扩散，该种扩散从中心起在沿径向的一定距离内会呈现明显的气体浓度梯度变化，越靠近中心浓度梯度变化越明显。各衬底表面成膜性能在气体流场影响方面主要由工艺气体提供的垂直气流在衬底表面形成的气体流场主导。通过喷嘴17喷出的气体沿径向扩散到各衬底表面所起到的调制作用不能影响工艺气体提供的气体流场对成膜均匀性的积极效果。可见有必要根据工艺需求调整喷嘴17的末端面距离石墨盘上表面的垂直距离h在合理的范围内。

参照图6，一些实施例中，喷嘴17的末端面距离承载装置25上表面的垂直距离h占反应空间20高度H的1%~20%。可选地为1%~15%。

在一些可选实施例中，H和h的关系为：反应空间20高度H为500 mm时，h为8 mm ~75mm。

参照图9和图10，当反应空间20的径向范围较大（例如载片区251放置晶圆尺寸大，或者沿径向放置多晶圆以提高产能），侧壁加热装置22对反应空间20的加热形成第一温度梯度曲线，辅助加热装置13对反应空间20的加热形成第二温度梯度曲线，两个温度梯度曲线均会呈现朝向反应空间20中部下降的趋势（图10所示的为温度梯度曲线的大致趋势示意图），在一些实施例验证中发现，当不启动底部加热装置26，载片区251尺寸为直径12英寸的情况下，将侧壁加热装置22和辅助加热装置13的加热功率均调整为目标温度为1650摄氏度，实际测得在反应空间20中部（图示两条温度梯度曲线交汇处附近）的温度只有900~1000摄氏度而无法再继续升高。因此底部加热装置26不仅起到加热载片区251所承载晶圆作用，还要能够向反应空间20中部补偿热量，使得反应空间20内的温度梯度变化趋于向图10所示的理想温度梯度曲线靠拢从而有利于反应空间20内的温场均匀性，否则对反应空间内气体会过加热，对于预反应较严重的工艺条件而言不利，工艺气体到达晶圆前预反应就会提前发生。由此可见，合理调整载片区251与辅助加热装置13以及侧壁加热装置22之间的径向距离非常重要。

首先要考虑的是底部加热装置26对载片区251的加热效果要使得所承载的晶圆达到合适的工艺温度才能保证成膜质量，如果上述最小径向距离过小，底部加热装置26对靠近侧壁加热装置22附近的温场以及靠近辅助加热装置13附近的温场补偿作用会过于突出，使得反应空间20温场出现显著的两边高中间低趋势，不利于载片区所承载晶圆上的成膜质量。如果上述最小径向距离过大，底部加热装置26对反应空间20中部的温场调制作用所能够起效的空间有限，使得反应空间20的温场分布更不均匀，同样不利于载片区所承载晶圆上的成膜质量。因此，各所述载片区的边缘与所述辅助加热装置之间的最小径向距离，以及与所述侧壁加热装置之间的最小径向距离为所述载片区径向尺寸的5%~40%。具体选择的百分比可根据载片区径向尺寸、工艺温度需求、成膜工艺要求等进行灵活调整。在一些实施例中，各所述载片区的边缘与所述辅助加热装置之间的最小径向距离，以及与所述侧壁加热装置之间的最小径向距离为所述载片区径向尺寸的9%~35%。

一些具体的实施例中，参照图9，以一个载片区251为例，载片区251为圆形区，载片区251边缘距离辅助加热装置13的最小径向距离为L1，载片区251边缘距离辅助加热装置22侧壁的最小径向距离为L2，载片区251径向尺寸为L3，即其直径。在一些实施例中，当载片区251为非圆区域（例如椭圆等），L3为平均等效直径。

一些实施例中，侧壁加热装置22包括与辅助加热装置13的各辅助发热体一一对应的侧壁发热体。参照图3和图6，侧壁加热装置22包括沿反应腔室21的轴向顺次设于反应腔室21侧壁的第一侧壁发热体221、第二侧壁发热体222以及第三侧壁发热体223。第一侧壁发热体221、第二侧壁发热体222以及第三侧壁发热体223沿反应腔室21轴向分别与第一辅助发热体131、第二辅助发热体132和第三辅助发热体133相对设置。

一些实施例中，各侧壁发热体221的具体结构请参见前述对第一辅助发热体131的结构描述。参照图6和图8，第一侧壁发热体221的第一侧壁发热本体2211、第二侧壁发热体222的第二侧壁发热本体2221和第三侧壁发热体223的第三侧壁发热本体2231自上至下顺次沿反应腔室21的周向围设于反应腔室21内侧壁。各侧壁发热本体的输入导线和输出导线（图中未标示）可以自反应腔室21侧壁引入和引出，也可以根据布线需求从盖体11边部引入或引出，具体的布线方式以不影响各侧壁发热体的加热效果以及反应腔室21的密闭性为必要。

一些实施例中，参照图3和图6，相邻辅助发热体之间，以及相邻侧壁发热体之间均具有间距。

参照图10可知，无论是辅助发热体还是侧壁发热体，单个发热体对反应空间20的加热效果反映在其温场上都是从发热体朝向反应空间20中部呈下降趋势，因此相邻发热体之间的距离不宜过大，否则沿同一轴向相邻的发热体之间间距所对应的反应空间温场会出现显著的不均匀性，更重要的是在反应空间内如存在这种冷热不均的相邻温场，间距之间很容易沉积颗粒从而不利于成膜质量。以相邻的第一侧壁发热体221和第二侧壁发热体222之间为例，如果相邻的第一侧壁发热体221和第二侧壁发热体222之间间距过大，相较于径向对应的第一侧壁发热体221和第一辅助发热体131之间的反应空间温场而言，相邻的第一侧壁发热体221和第二侧壁发热体222之间间距所对应的反应空间部分的温场会有显著的下降趋势。因此，有必要控制相邻辅助发热体之间，以及相邻侧壁发热体之间的间距在合理范围。

一些实施例中，相邻所述辅助发热体之间的距离以及相邻所述侧壁发热体之间的距离大于0，且均不超过所述反应空间高度的10%。

一些实施例中，沿反应腔室21径向相对应的侧壁发热体和辅助发热体之间的温场均匀性对工艺气体加热效果也有影响。因此，需要合理设计沿反应腔室21径向相对应的侧壁发热体和辅助发热体之间的相对位置。

一些实施例中，所述侧壁发热体与其沿径向对应的辅助发热体之间的相互位置关系可根据工艺需求进行灵活调整，以沿反应腔室21径向相对的第三侧壁发热体223和第三辅助发热体133为例。

一些实施例中，参照图11，第三侧壁发热体223设于反应腔室21侧壁，其顶面高度与第三辅助发热体133顶面高度相当，其底面高度与第三辅助发热体133底面高度相当，使得第三侧壁发热体223沿径向（即水平方向）朝向第三辅助发热体133所在的延伸部122外侧壁正投影所形成的侧壁投影与第三辅助发热体133沿径向（即水平方向）朝向延伸部122外侧壁正投影所形成的辅助投影重合。

一些实施例中，参照图12，第三侧壁发热体223顶面高度高于第三辅助发热体133顶面高度，且其底面高度与第三辅助发热体133底面高度相当，使得第三侧壁发热体223沿径向（即水平方向）朝向第三辅助发热体133所在的延伸部122外侧壁正投影所形成的侧壁投影面积大于第三辅助发热体133沿径向（即水平方向）朝向延伸部122外侧壁正投影所形成的辅助投影面积。

一些实施例中，当第三侧壁发热体223顶面高度与第三辅助发热体133顶面高度相当，且其底面高度低于第三辅助发热体133底面高度，第三侧壁发热体223沿径向（即水平方向）朝向第三辅助发热体133所在的延伸部122外侧壁正投影所形成的侧壁投影面积大于第三辅助发热体133沿径向（即水平方向）朝向延伸部122外侧壁正投影所形成的辅助投影面积。

一些实施例中，第三侧壁发热体223顶面高度高于第三辅助发热体133顶面高度，且其底面高度低于第三辅助发热体133底面高度，第三侧壁发热体223沿径向（即水平方向）朝向第三辅助发热体133所在的延伸部122外侧壁正投影所形成的侧壁投影面积大于第三辅助发热体133沿径向（即水平方向）朝向延伸部122外侧壁正投影所形成的辅助投影面积。

如图6所示，承载装置25的下方设置有旋转装置27，该旋转装置27包括驱动部272和旋转轴271，旋转轴271连接承载装置25和驱动部272，驱动部272通过旋转轴271带动承载装置25绕旋转轴271的旋转轴线旋转。盖体11与承载装置25相对设置。

另外，如上所述，承载装置25在反应期间由旋转装置27带动旋转，旋转装置27通常设置在承载装置25底部的中部，旋转轴271的顶部与承载装置25底部之间依靠摩擦传动实现带动承载装置25旋转。摩擦会产生热量，特别对于高速旋转的应用场景而言，这种热量对转轴寿命的影响很大，因此，对于该种中心驱动旋转而言，常规做法是对旋转轴271加冷却措施（例如缠水冷管之类）来保护旋转轴271。然而，冷却措施对承载装置25温场会造成影响从而不利于成膜尤其是外延成膜的质量。本实施例将辅助加热装置13与旋转装置27相对设置，辅助加热装置13的设置可以补偿旋转装置27带来的承载装置25的热量损失，提高外延膜的生成良率。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (21)

1.一种气体注入装置，其特征在于，包括：

盖体；

凸出部，位于所述盖体的中间区域，自所述盖体顶面一侧起贯穿所述盖体，并远离所述盖体底面一侧延伸；

辅助气体输送通道，自所述凸出部顶面一侧沿指向所述凸出部底面一侧的方向在所述凸出部内延伸，并贯穿所述凸出部底面；

辅助加热装置，围设于所述凸出部的外侧壁，位于所述盖体底面所在的一侧；

若干工艺气体输送通道，围绕所述凸出部顶部设于所述盖体，并贯穿所述盖体。

2.根据权利要求1所述的气体注入装置，其特征在于，所述凸出部可拆卸地固定于所述盖体，以相对所述盖体静止或沿所述盖体轴向可升降调节。

3.根据权利要求1所述的气体注入装置，其特征在于，还包括围设于所述辅助加热装置外侧且朝向所述凸出部底部延伸的内导流罩，所述内导流罩和所述凸出部围成的结构遮档所述辅助加热装置。

4.根据权利要求3所述的气体注入装置，其特征在于，所述凸出部包括可拆卸地固定于所述盖体的顶部盖体和围设于所述顶部盖体底部的内隔热罩，所述辅助加热装置围设于所述内隔热罩侧壁，所述内导流罩和所述内隔热罩围成的结构遮挡所述辅助加热装置。

5.根据权利要求1所述的气体注入装置，其特征在于，所述凸出部包括沿远离所述顶部盖体底部方向延伸的延伸部，所述辅助气体输送通道从所述延伸部顶部贯穿所述延伸部底部，所述延伸部内设有围绕所述辅助气体输送通道的冷却通道，所述辅助加热装置围绕所述延伸部。

6.根据权利要求5所述的气体注入装置，其特征在于，还包括设于所述辅助气体输送通道出气端的喷嘴，所述喷嘴与所述辅助气体输送通道之间可拆卸连接，以使所述喷嘴与所述辅助进气输送通道之间相对固定，或者使所述喷嘴相对所述辅助气体输送通道可升降调节。

7.根据权利要求6所述的气体注入装置，其特征在于，还包括围设于所述喷嘴侧壁的喷嘴隔热罩，所述喷嘴隔热罩位于所述延伸部下方。

8.根据权利要求5所述的气体注入装置，其特征在于，所述内隔热罩和所述延伸部之间具有间距。

9.根据权利要求6所述的气体注入装置，其特征在于，所述内隔热罩、所述喷嘴、所述延伸部和所述内导流罩围成有密闭空间，所述密闭空间内为真空或充有隔热介质。

10.根据权利要求7所述的气体注入装置，其特征在于，所述内隔热罩、所述喷嘴隔热罩、所述延伸部和所述内导流罩围成有密闭空间，所述密闭空间内为真空或充有隔热介质。

11.根据权利要求1所述的气体注入装置，其特征在于，所述辅助加热装置包括至少2个辅助发热体，所述至少2个辅助发热体沿所述凸出部的轴向顺次围设于所述凸出部外壁。

12.根据权利要求11所述的气体注入装置，其特征在于，还包括辅助加热控制部，所述辅助加热控制部经所述凸出部顶部电接触各所述辅助发热体，并配置为控制各辅助发热体的发热功率相当，或者控制靠近所述盖体的至少一个辅助发热体的发热功率小于远离所述盖体的至少一个辅助发热体的发热功率。

13.根据权利要求1所述的气体注入装置，其特征在于，所述工艺气体输送通道包括贯穿所述盖体的若干内层通道、若干中间通道和若干外层通道，所述若干内层通道围绕所述凸出部、所述若干中间通道围绕所述若干内层通道，所述若干外层通道围绕所述若干中间通道，所述内层通道和所述外层通道配置为供吹扫气体和/或载气流通，所述中间通道配置为供反应气体和/或反应气体和载气的混合气体流通，所述吹扫气体、所述反应气体以及所述载气的任意两者之间具有化学惰性。

14.一种气相反应设备，其特征在于，包括反应腔体，所述反应腔体顶部设有气体注入装置，内部设有承载装置；

所述气体注入装置包括：

盖体；

凸出部，位于承载装置上方，并且所述凸出部自所述盖体顶面一侧起贯穿所述盖体，并远离所述盖体底面一侧延伸；

辅助气体输送通道，自所述凸出部顶面一侧朝指向所述凸出部底面一侧方向在所述凸出部内延伸，并贯穿所述凸出部底面；

辅助加热装置，围设于所述凸出部的外侧壁，位于所述盖体底面所在的一侧；

若干工艺气体输送通道，围绕所述凸出部顶部设于所述盖体，并贯穿所述盖体；

所述盖体、所述凸出部、所述承载装置和所述反应腔体侧壁围成有反应空间。

15.根据权利要求14所述的气相反应设备，其特征在于，还包括设于所述辅助气体输送通道出气端的喷嘴，所述喷嘴的出气端距离所述承载装置顶面的垂直距离为所述反应空间高度的1%-~20%。

16.根据权利要求14所述的气相反应设备，其特征在于，所述反应腔体侧壁围设有侧壁加热装置以向所述反应空间供热。

17.根据权利要求14所述的气相反应设备，其特征在于，所述承载装置顶面位于所述反应空间内的区域设有至少一个载片区，各所述载片区的边缘与所述辅助加热装置之间的最小径向距离，以及各所述载片区的边缘与所述侧壁加热装置之间的最小径向距离为所述载片区径向尺寸的5%~40%。

18.根据权利要求16所述的气相反应设备，所述侧壁加热装置和/或所述辅助加热装置的外部围设有导流罩，所述导流罩与所述盖体和所述承载装置，和/或所述凸出部围成有所述反应空间。

19.根据权利要求16所述的气相反应设备，其特征在于，所述辅助加热装置包括至少2个沿轴向顺次围设于所述凸出部外壁的辅助发热体，所述侧壁加热装置包括与各所述辅助发热体一一对应的侧壁发热体。

20.根据权利要求19所述的气相反应设备，其特征在于，相邻所述辅助发热体之间的距离以及相邻所述侧壁发热体之间的距离均不超过所述反应空间高度的10%。

21.根据权利要求14所述的气相反应设备，其特征在于，还包括旋转装置，所述旋转装置顶部转动连接所述承载装置，并与所述凸出部底部沿所述承载装置的轴向相对。