CN117758360A - 晶圆承载装置和半导体工艺设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及半导体工艺技术领域，具体公开一种晶圆承载装置和半导体工艺设备，晶圆承载装置设置于半导体工艺设备的反应腔室内，且受所述半导体工艺设备的加热灯加热。所述晶圆承载装置具有用于承载晶圆的承载面，以及与所述承载面相背的背面，所述背面具有温度调节部，所述温度调节部设有环形凹槽和环形凸起，用于调节所述晶圆承载装置的受热温度，以调节所述晶圆的温度。该方案能够解决晶圆的受热均匀性较差的问题。

Description

晶圆承载装置和半导体工艺设备

技术领域

本申请属于半导体工艺技术领域，具体涉及一种晶圆承载装置和半导体工艺设备。

背景技术

化学气相沉积外延生长是将反应气体输送到反应腔室，通过加热等方式，以使反应气体在反应腔室内反应，生长原子沉积在晶圆上，从而长出单晶层。在外延生长过程中，需要一个封闭的反应腔室，用以约束反应气体，而反应腔室所需的热量通常通过两种方式提供：一种是灯管照射；另一种是电磁加热，其中，对于灯管照射的加热方式，加热灯位于反应腔室外侧，其发射出的红外光通过透明的腔室壁照射到晶圆以及晶圆承载装置上，以加热晶圆。目前的加热系统主要包括多个加热灯，反应腔室分为上区和下区，同时在径向上分为内区和外区，共分为上内区、上外区、下内区和下外区，每个区设置不同数量的加热灯，上区温场与下区温场共同作用，以对晶圆加热。

然而，反应腔室下部包含支撑件、旋转电机、升降电机等硬件，导致反应腔室下部体积较大，其需要较宽的加热系统进行加热；并且，下区的加热灯需要加热晶圆承载装置传导热量，因此需要更多的加热灯进行加热，但受反应腔室下部空间的限制，设置于下区的加热灯距离晶圆承载装置也更近。而反应腔室上部除加热灯外，其他硬件较少，以使上部温场直接加热晶圆，其加热效果更为显著，上部温场因加热效率过强而容易使晶圆产生较大的径向热应力从而导致晶圆碎裂，因此为了防止晶圆碎裂，上区加热灯距离反应腔室较远，且上区加热灯数量较少，宽度也较小。由此可知，目前的加热系统因受其硬件结构的难以调节性，导致上下区温场的加热环境差异较大，上区温场对应的极值点与下区温场对应的极值点不在同一个位置，进而造成晶圆的不同位置的温度存在差异，即晶圆的受热均匀性较差。当然，该问题同样存在于晶圆的其他加工工艺中。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种晶圆承载装置和半导体工艺设备，能够解决晶圆的受热均匀性较差的问题。

为了解决上述技术问题，本申请是这样实现的：

第一方面，本申请实施例提供了一种晶圆承载装置，设置于半导体工艺设备的反应腔室内，且受所述半导体工艺设备的加热灯加热，所述晶圆承载装置具有用于承载晶圆的承载面，以及与所述承载面相背的背面，所述背面具有温度调节部，所述温度调节部设有环形凹槽和环形凸起，用于调节所述晶圆承载装置的受热温度，以调节所述晶圆的温度。

第二方面，本申请还提供了一种半导体工艺设备，包括反应腔室、多个加热灯和晶圆承载装置，所述晶圆承载装置为上述的晶圆承载装置。

在本申请实施例中，晶圆承载装置朝向反应腔室的底壁的一面设有温度调节部，在工艺过程中，该温度调节部对辐射到晶圆承载装置上的热量进行调节，以使晶圆承载装置各区域的温度更加均匀，从而平衡晶圆的温度分布，进而提升晶圆受热的均匀性。因此，本申请实施例能够解决晶圆的受热均匀性较差的问题。

附图说明

图1至图2为本申请实施例公开的晶圆承载装置处于不同视角下的结构示意图；

图3至图4为本申请实施例公开的晶圆承载装置处于不同视角下的结构示意图；

图5至图6为本申请实施例公开的装置本体处于不同视角下的结构示意图；

图7至图8为本申请实施例公开的环块处于不同视角下的结构示意图。

附图标记说明：

100-反应腔室、110-底壁、120-顶板；

200-加热灯；

300-晶圆承载装置、310-温度调节部、311-环形凹槽、312-环形凸起、320-装置本体、321-第一面、321a-中心区域、321b-边缘区域、322-环形容纳槽、322a-第一弧形侧壁、322b-第一侧壁、322c-第一底壁、323-第二面、324-凹槽、324a-第三底壁、324b-第四弧形侧壁、324c-第三侧壁、330-环块、331-第二弧形侧壁、332-第三弧形侧壁、333-第二侧壁、334-第二底壁、340-紧固件；

400-晶圆；

500-镀金反射屏。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本申请实施例提供的晶圆承载装置和半导体工艺设备进行详细地说明。

如图1至图8所示，本申请实施例提供了一种晶圆承载装置300，可选地，该晶圆承载装置300可以为托盘、静电卡盘等，这里不作具体限制。晶圆承载装置300设置于半导体工艺设备的反应腔室100内，且受半导体工艺设备的加热灯200加热，可选地，加热灯200的数量为多个；可选地，加热灯200可以为红外卤素灯，当然也可以为其它类型的加热灯，这里不作具体限制。可选地，该半导体工艺设备还包括镀金反射屏500，多个加热灯200和镀金反射屏500均设置于反应腔室100之外，多个加热灯200包括第一加热灯、第二加热灯、第三加热灯和第四加热灯，反应腔室100的上方设置的加热区域分为上内区和上外区，反应腔室100的下方设置的加热区域分为下内区和下外区，第一加热灯设置于上内区、第二加热灯设置于上外区，第三加热灯设置于下内区，第四加热灯设置于下外区，各区的加热灯200均绕晶圆承载装置300的中心呈环形分布，且设置于上区的加热灯200的数量大于设置于下区的加热灯200的数量。晶圆承载装置300具有用于承载晶圆400的承载面，以及与承载面相背的背面，背面具有温度调节部310，温度调节部310设有环形凹槽311和环形凸起312，用于调节晶圆承载装置300经多个加热灯200加热后的受热温度，以调节晶圆400的温度。上区的加热灯200发射的热量经上区的镀金反射屏500后透过反应腔室100直接照射到晶圆400的上表面，并对其进行加热；下区的加热灯200发射的热量透过反应腔室100加热晶圆承载装置300，晶圆承载装置300通过辐射或者热传导的方式将热量传递给晶圆400。可选地，反应腔室100的底壁110和顶板120可以均为透明结构；进一步可选地，该底壁110和顶板120均可以由石英制成，这里不作具体限制。

可选地，晶圆承载装置300为导热结构；进一步可选地，晶圆承载装置300可以由碳化硅包覆的石墨材料制成，当然也可以由其它具有导热性的材料制成，这里不作具体限制。

在本申请实施例中，晶圆承载装置300朝向反应腔室100的底壁110的一面设有温度调节部310(即承载装置的背面)，在工艺过程中，该温度调节部310对辐射到晶圆承载装置300上的热量进行调节，以使晶圆承载装置300各区域的温度更加均匀，从而平衡传递到晶圆400的温度分布，进而提升晶圆400的受热均匀性。因此，本申请实施例能够解决晶圆400的受热均匀性较差的问题。

下区的加热系统较宽，并且加热灯200的数量较多，加热灯200与晶圆承载装置300之间的距离较小，因此下区温场会形成极大值点，并且该极大值点更靠近晶圆承载装置300的边缘。而上区的加热系统较窄，并且加热灯200的数量较少，加热灯200与晶圆承载装置300之间的距离较大，因此下区温场会形成极小值点，并且该极小值点更靠近晶圆承载装置300的中心，因此可以使针对极大值点进行调节的结构比针对极小值点进行调节的结构更靠近晶圆承载装置300的边缘。基于此，一种可选的实施例中，环形凹槽311设置于温度调节部310朝向反应腔室100的底壁110的一面，环形凹槽311与环形凸起312相连，环形凹槽311位于晶圆承载装置300的中心与环形凸起312之间。下区的加热灯200形成的温场热量通过增加该区域的晶圆承载装置300的厚度，即设置环形凸起312以吸收更多的热量，从而降低穿过晶圆承载装置300传递到晶圆400的热量，以针对极大值点进行调节；上区的加热灯200形成的温场热量通过减小该区域的晶圆承载装置300的厚度，即设置环形凹槽311以减少热量吸收，从而增加穿过晶圆承载装置300传递到晶圆400的热量，进而均衡传递到晶圆400各区域的热量分布，以针对极小值点进行调节。该实施例同时设置环形凹槽311和环形凸起312，相比于单独设置环形凹槽311或环形凸起312，可以更精准地调节传递到晶圆承载装置300上的热量，进而提升传递到晶圆400上的温度分布均匀性。同时，环形凹槽311与环形凸起312相连，可以使得对晶圆400温度的调节更连续，以进一步提升晶圆上的温度分布均匀性。

下区的极大值点周围的温场以及上区的极小值点周围的温场均连续变化，如果环形凹槽311的深度和环形凸起312的高度可以不变，此时温度调节部310对辐射至晶圆承载装置300各区域的温度调节变化幅度较大，不能较好地适配温场连续变化的情况，导致温度调节部310的调节性能较差。故，进一步可选的实施例中，在晶圆承载装置的中心向晶圆承载装置的边缘延伸的方向上，环形凹槽311的深度和环形凸起312的高度均连续变化，从而减小温度调节部310对辐射至晶圆承载装置300各区域的温度调节变化幅度，以更好地适配温场连续变化的情况，进而提高晶圆400的均匀性。

另一种可选的实施例中，晶圆承载装置300包括装置本体320和环块330，温度调节部310的至少一部分设于环块330，环块330与装置本体320可以一体式设置，此时晶圆承载装置300为一体式结构，在进行不同的工艺过程中，当调节上下区的加热灯200的功率后，上下区温场的极值点位也会发生变化，此时该晶圆承载装置300传导至晶圆400的热量与晶圆400工艺过程中所需的热量可能不适配。故，可选地，环块330与装置本体320可拆卸相连，此种情况下，可以针对不同的工艺，更换不同类型的环块330，以使晶圆承载装置300传导至晶圆400的热量与晶圆400工艺过程中所需的热量更加适配，从而提升晶圆承载装置300的温度调节性能。

可选地，环块330整体为温度调节部310，此时需要在环块330朝向反应腔室100的底壁110的一面设有环形凹槽311和环形凸起312，由于环块330的尺寸有限，其制作难度较大。另一种可选的实施例中，装置本体320朝向反应腔室100的底壁110的一面为第一面321，第一面321设有环形容纳槽322，环块330可拆卸地设置于环形容纳槽322。环块330与环形容纳槽322的部分内壁配合形成环形凸起312和环形凹槽311，即利用装置本体320自身的结构与环块330配合形成温度调节部310，不仅可以简化环块330的结构，降低其制作难度，而且可以节省成本。

可选地，装置本体320背离反应腔室100的底壁110的一面为第二面323(即承载面)，晶圆400设置于第二面323，以便于支撑晶圆400并进行工艺，第二面323设有凹槽324，该凹槽324具有依次相连的第三底壁324a、第四弧形侧壁324b和第三侧壁324c，凹槽324的设置可以减小晶圆400与第二面323的接触面积，以便于晶圆承载装置300上的热量均匀地传递至晶圆400。

可选的实施例中，第一面321包括中心区域321a和边缘区域321b，环形容纳槽322设置于中心区域321a和边缘区域321b之间，环形容纳槽322具有第一弧形侧壁322a，第一弧形侧壁322a与中心区域321a相连，环块330具有依次相连的第二弧形侧壁331和第三弧形侧壁332，第三弧形侧壁332通过第二弧形侧壁331与第一弧形侧壁322a相连，第二弧形侧壁331的一部分与第一弧形侧壁322a形成环形凹槽311，第二弧形侧壁331的另一部分与第三弧形侧壁332形成环形凸起312，第三弧形侧壁332与边缘区域321b相连。本实施例中的环形凹槽311和环形凸起312均由弧形面形成，并平滑过渡到晶圆承载装置300的中心区域321a和边缘区域321b，相比于锥形面等并非平滑过渡的面，此种结构有利于进一步提高温度调节部310的调节精准性。

进一步可选的实施例中，环形容纳槽322的侧壁可以为相对于竖直方向倾斜设置的结构，或者，环形容纳槽322还具有垂直相连的第一侧壁322b和第一底壁322c，环块330还具有垂直相连的第二侧壁333和第二底壁334，第一侧壁322b与第二侧壁333贴合设置，第一底壁322c与第二底壁334贴合设置，从而对环块330进行限位，避免环块330发生移动，以提升环块330的位置精度，从而改善温度调节效果；另外，采用此种形状的环形容纳槽322和环块330进行贴合设置，有利于环块330的安装。

环块330可以仅具有一种设计尺寸，再一种可选的实施例中，环块330的尺寸可调。当进行不同工艺时，加热灯200的功率需要进行调节，进而导致温场的极大值点和极小值点中的至少一者的位置发生变化，故此时可以根据所要进行的工艺调节环块330的尺寸，这里的尺寸具体可以包括环形凹槽311的深度、内径、外径等，环形凸起312的高度、内径和外径等，以便于提升环块330的温度调节精准性。可选地，可以设计多种尺寸不同的环块330，通过将不同的环块330安装于装置本体，从而调节晶圆承载装置300的温度调节效果。

又一种可选的实施例中，晶圆承载装置300还包括多个紧固件340，环块330通过多个紧固件340与装置本体320相连，多个紧固件340沿装置本体320的周向间隔设置，装置本体320朝向晶圆400的一面可以设有多个紧固孔，各紧固孔沿竖直方向延伸，此时多个紧固件340的一端一一对应地穿过多个紧固孔，以使环块330与装置本体320相连，但是多个紧固件340的另一端容易与晶圆400接触，甚至损坏晶圆400。基于此，可选地，装置本体320的外周面设有多个紧固孔，紧固孔沿装置本体320的径向延伸，多个紧固件340一一对应地穿设于多个紧固孔，以使环块330与装置本体320相连，避免各紧固件340与晶圆400接触，从而保护晶圆400。

可选地，紧固件340可以为导热结构，以便于晶圆承载装置300上的热量传递；进一步可选地，紧固件340可以由碳化硅或玻璃碳制成，当然也可以由其它导热材料制成，这里不作具体限制。

一种可选的实施例中，环形凸起312的最大高度H2小于或等于环形凹槽311的最大深度H1，或者，环形凸起312的最大高度H2大于环形凹槽311的最大深度H1。后一实施例中，由于设置于下区的加热灯200的数量大于设置于上区的加热灯200的数量，故传递至晶圆承载装置300的下区温场热量大于传递至晶圆承载装置300的上区温场热量，而本实施例通过将调节下区温场热量的环形凸起312的最大高度设置为大于调节上区温场热量的环形凹槽311的最大深度，以进一步平衡晶圆承载装置300传递至晶圆400的温度分布，从而提升晶圆400的受热均匀性。

可选地，环形凸起312的最大高度H2为4～6mm，从而更进一步精确调节下区温场热量，需要说明的是，这里的环形凸起312的最大高度H2可以根据实际需要进行选择，这里不作具体限制。可选地，环形凹槽311的最大深度H1为3～4mm，从而更进一步精确调节上区温场热量，需要说明的是，这里的环形凹槽311的最大深度H1可以根据实际需要进行选择，这里不作具体限制。

另一种可选的实施例中，环形凹槽311的外径与环形凹槽311的内径之间的差值D2大于或等于环形凸起312的外径与环形凸起312的内径之间的差值D1，或者，环形凹槽311的外径与环形凹槽311的内径之间的差值D2小于环形凸起312的外径与环形凸起312的内径之间的差值D1，即环形凹槽311的宽度小于环形凸起312的宽度。后一实施例中，由于设置于下区的加热灯200的数量大于设置于上区的加热灯200的数量，故传递至晶圆承载装置300的下区温场热量大于传递至晶圆承载装置300的上区温场热量，而本实施例通过将调节下区温场热量的环形凸起312的宽度设置为大于调节上区温场热量的环形凹槽311的宽度，以进一步平衡晶圆承载装置300传递至晶圆400的温度分布，从而提升晶圆400的受热均匀性。

可选地，环形凹槽311的外径与环形凹槽311的内径之间的差值D2为20～40mm，从而更进一步精确调节上区温场热量，需要说明的是，这里的环形凹槽311的宽度可以根据实际需要进行选择，这里不作具体限制。环形凸起312的外径与环形凸起312的内径之间的差值D1为30～50mm，从而更进一步精确调节下区温场热量，需要说明的是，这里的环形凸起312的宽度可以根据实际需要进行选择，这里不作具体限制。

再一种可选的实施例中，环形凹槽311的最低点与晶圆承载装置300的中心之间的距离R1为90～110mm，此时该环形凹槽311与设置于上区的加热灯200散发的热量叠加后形成的温场热量的极小值点相对应，从而精确调节晶圆400与该环形凹槽311相对的区域的温度分布，以均衡晶圆400的温度分布。可选地，环形凸起312的最高点与晶圆承载装置300的中心之间的距离R2为100～150mm，此时该环形凸起312与设置于下区的加热灯200散发的热量叠加后形成的温场热量的极大值点相对应，从而精确调节晶圆400与该环形凸起312相对的区域的温度分布，以均衡晶圆400的温度分布。进一步可选地，环形凸起312的最高点与晶圆承载装置300的中心之间的距离R2为110～130mm，以进一步优化晶圆400的温度分布。

可选地，环形凸起312与晶圆承载装置300的中心之间的最大距离R3可以为290mm，即环形凸起312的外径为290mm，以精确吸收下区温场产生的过多热量，从而平衡传递至晶圆400的热量，均衡晶圆400的温度分布。

基于本申请实施例公开的晶圆承载装置，本申请实施例还公开了一种半导体工艺设备，包括反应腔室100、多个加热灯200和晶圆承载装置300，所述晶圆承载装置300为以上任意实施例所述的晶圆承载装置300。

上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。

Claims (14)

1.一种晶圆承载装置，设置于半导体工艺设备的反应腔室(100)内，且受所述半导体工艺设备的加热灯(200)加热，其特征在于，所述晶圆承载装置具有用于承载晶圆(400)的承载面，以及与所述承载面相背的背面，所述背面具有温度调节部(310)，所述温度调节部(310)设有环形凹槽(311)和环形凸起(312)，用于调节所述晶圆承载装置的受热温度，以调节所述晶圆(400)的温度。

2.根据权利要求1所述的晶圆承载装置，其特征在于，所述环形凹槽(311)与所述环形凸起(312)相连，所述环形凹槽(311)位于所述晶圆承载装置的中心与所述环形凸起(312)之间。

3.根据权利要求1所述的晶圆承载装置，其特征在于，在所述晶圆承载装置的中心向所述晶圆承载装置的边缘延伸的方向上，所述环形凹槽(311)的深度和所述环形凸起(312)的高度均连续变化。

4.根据权利要求1所述的晶圆承载装置，其特征在于，所述晶圆承载装置包括装置本体(320)和环块(330)，所述温度调节部(310)的至少一部分设于所述环块(330)，所述环块(330)与所述装置本体(320)可拆卸相连。

5.根据权利要求4所述的晶圆承载装置，其特征在于，所述装置本体(320)朝向所述反应腔室(100)的底壁(110)的一面为第一面(321)，所述第一面(321)设有环形容纳槽(322)，所述环块(330)可拆卸地设置于所述环形容纳槽(322)，所述环块(330)与所述环形容纳槽(322)的部分内壁配合形成所述环形凸起(312)和所述环形凹槽(311)。

6.根据权利要求5所述的晶圆承载装置，其特征在于，所述第一面(321)包括中心区域(321a)和边缘区域(321b)，所述环形容纳槽(322)设置于所述中心区域(321a)和所述边缘区域(321b)之间，所述环形容纳槽(322)具有第一弧形侧壁(322a)，所述第一弧形侧壁(322a)与所述中心区域(321a)相连，所述环块(330)具有依次相连的第二弧形侧壁(331)和第三弧形侧壁(332)，所述第三弧形侧壁(332)通过所述第二弧形侧壁(331)与所述第一弧形侧壁相连，所述第二弧形侧壁(331)的一部分与所述第一弧形侧壁(322a)形成所述环形凹槽(311)，所述第二弧形侧壁(331)的另一部分与所述第三弧形侧壁(332)形成所述环形凸起(312)，所述第三弧形侧壁(332)与所述边缘区域(321b)相连。

7.根据权利要求6所述的晶圆承载装置，其特征在于，所述环形容纳槽(322)还具有垂直相连的第一侧壁(322b)和第一底壁(322c)，所述环块(330)还具有垂直相连的第二侧壁(333)和第二底壁(334)，所述第一侧壁(322b)与所述第二侧壁(333)贴合设置，所述第一底壁(322c)与所述第二底壁(334)贴合设置。

8.根据权利要求4所述的晶圆承载装置，其特征在于，所述晶圆承载装置还包括多个紧固件(340)，所述环块(330)通过所述多个紧固件(340)与所述装置本体(320)相连，所述多个紧固件(340)沿所述装置本体(320)的周向间隔设置，所述装置本体(320)的外周面设有多个紧固孔，所述紧固孔沿所述装置本体(320)的径向延伸，所述多个紧固件(340)一一对应地穿设于所述多个紧固孔。

9.根据权利要求1所述的晶圆承载装置，其特征在于，所述环形凸起(312)的最大高度H2大于所述环形凹槽(311)的最大深度H1。

10.根据权利要求9所述的晶圆承载装置，其特征在于，所述环形凸起(312)的最大高度H2为4～6mm；所述环形凹槽(311)的最大深度H1为3～4mm。

11.根据权利要求1所述的晶圆承载装置，其特征在于，所述环形凹槽(311)的外径与所述环形凹槽(311)的内径之间的差值D2小于所述环形凸起(312)的外径与所述环形凸起(312)的内径之间的差值D1。

12.根据权利要求11所述的晶圆承载装置，其特征在于，所述环形凹槽(311)的外径与所述环形凹槽(311)的内径之间的差值D2为20～40mm；所述环形凸起(312)的外径与所述环形凸起(312)的内径之间的差值D1为30～50mm。

13.根据权利要求1所述的晶圆承载装置，其特征在于，所述环形凹槽(311)的最低点与所述晶圆承载装置的中心之间的距离R1为90～110mm；所述环形凸起(312)的最高点与所述晶圆承载装置的中心之间的距离R2为100～150mm。

14.一种半导体工艺设备，其特征在于，包括反应腔室(100)、多个加热灯(200)和晶圆承载装置(300)，所述晶圆承载装置(300)为权利要求1-13中任一项所述的晶圆承载装置。