CN217266139U - 用于外延反应器的上壳体、外延反应器及晶圆生产设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于外延反应器的上壳体、外延反应器及晶圆生产设备，晶圆生产设备包括外延反应器，外延反应器包括上壳体，上壳体设有一侧表面为平面的隔板，隔板将外延反应器的容纳腔分隔为相邻设置承压腔和反应腔；沿壳体的径向方向，隔板位于承压腔一侧的表面距壳体内壁的距离不同，隔板位于反应腔一侧的表面距工件表面的距离相同，隔板在靠近自身的外周缘处设有连通承压腔和反应腔的通气孔；使得外延反应器的顶部既能承受外界负压环境的高压，还能使抽负压时承压腔内的气体能够顺利进入反应腔，从而使流经晶圆片表面的气体不受通气孔的影响而流速一致，提高了晶圆外延层厚度均匀性，进而能够提高半导体器件的耐压值和导通电阻的稳定性。

Description

用于外延反应器的上壳体、外延反应器及晶圆生产设备

技术领域

本实用新型涉及半导体生产技术领域，特别是涉及一种用于外延反应器的上壳体、外延反应器及晶圆生产设备。

背景技术

晶圆是指制作半导体器件所用的硅晶片，在晶圆生产过程中，为了提高晶圆的性能，通常采用各种不同类型的工艺处理以在晶圆的半成品上形成具有功能性的薄膜，在这些处理中有某些类型的沉积处理被称为减压外延。在减压外延工艺中，气体混合物通常会被引入一个包含工件的腔室，以平行于工件的表面的方式加以流动，且通过热分解而将来自气体的材料沉积在工件表面上，从而在工件表面上形成一种薄的、超纯的材料层。

当前，半导体功率器件正在向高耐压、高频率、大电流、低功耗的方向发展，器件的耐压值和导通电阻的稳定性与外延层厚度均匀性和电阻率均匀性与密切相关，所以对外延层的厚度、电阻率均匀性有着更为苛刻的要求，而外延层的厚度、电阻率均匀性与外延反应器的设计密切相关，因为气流特征会影响外延层薄膜的质量与均匀性，进而影响晶圆的效能。根据硅外延技术的反应机理可知：必须使外延反应器的衬底片温度均匀和流过晶圆各区域的反应气体浓度和流速尽量均匀一致，才能保证外延层的厚度和电阻率具有良好的均匀性。但现有的外延反应器通常不能保证气体进入腔室后在晶圆表面各区域的流速一致，而且气体易在高度变化比较大的区域出现紊流，从而导致不易控制晶圆的外延层厚度和电阻率的均匀性。

实用新型内容

基于此，有必要针对现有的外延反应器不易调节和控制晶圆的外延层厚度均匀性的问题，提供一种用于外延反应器的上壳体、外延反应器及晶圆生产设备，其中用于外延反应器的上壳体能够使气体在晶圆表面各区域的流速一致，从而能够较好控制外延层的厚度和电阻率均匀性。

根据本申请的一个方面，提供一种用于外延反应器的上壳体，包括：

外弧板；

隔板，沿所述外弧板的轴向与所述外弧板间隔设置，所述隔板远离所述外弧板的一侧为平面，用于在外延反应器中与工件外表面的距离保持一致；及

外环，固接于所述外弧板与所述隔板的外周缘，以同时环绕于所述外弧板和所述隔板，所述外弧板、所述隔板与所述外环共同围合成一承压腔，所述隔板开设有贯通的通气孔，所述通气孔连通所述承压腔。

在其中一个实施例中，沿所述外弧板的径向，且自所述外弧板的中心轴线朝远离所述外弧板的方向上，所述隔板与所述外弧板的距离逐渐减小。

在其中一个实施例中，所述隔板的厚度小于所述外弧板的厚度。

在其中一个实施例中，所述通气孔开设于靠近所述隔板外周缘的位置。

在其中一个实施例中，所述外弧板与所述隔板的材质均为透明石英材质。

根据本申请的另一方面，一种外延反应器，包括：

壳体，具有容纳腔，所述壳体内设有隔板，所述隔板将所述容纳腔分隔为沿所述壳体的轴向相邻设置的承压腔和反应腔，所述隔板靠近所述反应腔一侧的表面为平面；沿所述壳体的径向，且自所述壳体的中心轴线朝远离所述壳体的方向上，所述隔板位于所述承压腔一侧的表面与所述承压腔的内壁的距离逐渐减小；所述隔板上设有贯通的通气孔，所述通气孔连通所述承压腔和所述反应腔；所述壳体在沿其径向方向的相对两端开设有连通所述反应腔的进气口和排气口；

用于放置工件的基座，收容于所述反应腔内，所述基座能够可受控地绕自身轴线转动；及

加热模块，设于所述壳体外，用于对所述工件进行加热。

在其中一个实施例中，所述壳体包括：

上壳体组件；

下壳体组件，沿所述壳体的轴向与所述上壳体组件间隔设置；及

基础环，沿所述壳体的轴向两侧分别固接于所述上壳体组件的外周缘和所述下壳体组件的外周缘，所述进气口和所述排气口分别开设于所述基础环沿所述壳体的径向方向的相对两端；

所述基础环、所述上壳体组件及所述下壳体组件共同界定所述反应腔。

在其中一个实施例中，所述上壳体组件包括上壳体和上壳体内衬，所述上壳体内衬的外周缘固接于所述上壳体的内周缘；

所述上壳体包括外弧板、外环和所述隔板，所述外弧板连通沿所述壳体的轴向与所述隔板间隔设置；所述外环固接于所述外弧板和所述隔板的外周缘，以同时环绕于所述外弧板和所述隔板；所述外环、所述外弧板及所述隔板共同界定所述承压腔。

在其中一个实施例中，所述下壳体组件包括下壳体和下壳体内衬，所述下壳体内衬固接于所述下壳体，所述下壳体内衬环绕于所述下壳体靠近所述上壳体组件的一端；

所述下壳体内衬与所述上壳体内衬沿所述壳体的轴向间隔设置，以形成一环绕所述反应腔的环形通气槽，所述进气口与所述排气口分别位于所述通气槽的径向相对两端，所述反应腔通过所述通气槽与所述进气口，或通过所述通气槽与所述排气口连通外界环境。

根据本申请的又一方面，提供一种晶圆生产设备，包括如上所述的外延反应器。

上述用于外延反应器的上壳体，通过在该上壳体中设置一块与外弧板间隔设置的隔板，且隔板远离外弧板的一侧为平面，并将包含该隔板的上壳体安装于外延反应器中，或在外延反应器的壳体内直接设置一块上述隔板，使外延反应器内的容纳腔被分隔为沿壳体的轴向相邻设置的承压腔和反应腔；又通过将上述上壳体的外弧板的顶面，或上述外延反应器的壳体顶面设计为曲面，从而在沿壳体的径向方向上，隔板位于承压腔一侧的表面距壳体的内壁的距离不同，隔板位于反应腔的一侧到晶圆的距离在整个晶圆上都一致，同时隔板在靠近自身的外周缘处还开设有承压腔和反应腔的通气孔，使得外延反应器的顶部既能承受外界负压环境的高压，还能使抽负压时承压腔内的气体能够顺利进入反应腔，从而使流经晶圆片表面的气体不受通气孔的影响而流速一致，提高了晶圆外延层厚度均匀性，进而能够提高半导体器件的耐压值和导通电阻的稳定性。

附图说明

图1为本实用新型提供的第一实施例的外延反应器的正面剖视图；

图2为本实用新型提供的第一实施例的外延反应器的立体剖视图；

图3为本实用新型提供的改进后的第二实施例的外延反应器的正面剖视图；

图4为本实用新型提供的改进后的第二实施例的外延反应器的立体剖视图。

附图标记说明：

10、外延反应器；

100、壳体；101、容纳腔；1011、承压腔；1012、反应腔；102、通气槽；110、上壳体组件；111、上壳体；1111、外环；1112、外弧板；1113、隔板；1113a、通气孔；112、上壳体内衬；120、下壳体组件；121、下壳体；122、下壳体内衬；130、基础环；131、进气口；132、排气口；

200、基座；210、基板；220、基座旋转轴；

300、加热模块；310、加热灯泡；320、红外高温计。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本实用新型一实施例提供了一种用于外延反应器的上壳体、外延反应器及晶圆生产设备，晶圆生产设备包括外延反应器，外延反应器又包括上壳体，其中晶圆生产设备用于生产晶圆，外延反应器用于在晶圆生产过程中对晶圆半成品(下文中简称工件)进行减压外延处理，通过将反应气体引入外延反应器中，从而在工件表面形成一层外延层，以提高工件的性能，上壳体用于使外延反应器具有封闭的容纳腔，从而使气体能够被引入该容纳腔中，通过热分解反应将来自气体的材料在工件表面上形成外延层。

下面以在晶圆生产过程中对晶圆进行减压外延工艺处理为例，对本申请中外延反应器的结构进行说明，本实施例仅用以作为范例说明，并不会限制本申请的技术范围。可以理解，在其它实施例中，本申请的外延反应器不限于用在晶圆生产设备中，还可以用在其它半导体器件的生产设备中，在此不作限定。

下面结合图1至图4，对外延反应器的结构进行说明。

如图1和图2所示，为晶圆生产设备(图中未示)中第一实施例的外延反应器10，包括壳体100、基座200和加热模块300。其中壳体100具有容纳腔101，用于通入反应气体，基座200收容于容纳腔101中，用于放置工件，基座200能够可受控地带动工件绕基座200自身轴线转动；加热模块300设于壳体100外，用于对壳体100进行加热，使通入壳体100内的反应气体发生化学分解反应，从而对工件进行减压外延处理，以在工件上形成一层外延层。

具体地，壳体100包括上壳体组件110、下壳体组件120和基础环130。其中上壳体组件110与下壳体组件120沿壳体100的轴向间隔设置，基础环130为由金属制成的具有一定厚度的环状结构，并且基础环130沿其厚度方向的一侧固接于上壳体组件110，另一侧固接于下壳体组件120的外周缘，以使基础环130同时环绕于上壳体组件110和下壳体组件120的外周缘，使得上壳体组件110、下壳体组件120和基础环130共同界定形成容纳腔101，基础环130沿壳体100径向方向的相对两端分别开设有进气口131和排气口132，反应气体能够通过进气口131被通入容纳腔101中，并沿如图1中所示的箭头方向平行于工件流动，工件和反应气体在加热模块300的加热下发生反应，使气体发生化学分解从而对工件进行减压外延处理，最后反应气体再经排气口132排出。

上壳体组件110包括上壳体111和上壳体内衬112，上壳体内衬112呈圆环状并由石英材质制成，上壳体内衬112固接于上壳体111的内周缘，以使上壳体111环绕包覆于上壳体内衬112。具体地，在一可选实施方式中，上壳体111包括外环1111和外弧板1112，外环1111优选由隔热石英材质制成，呈圆环状并固接于外弧板1112的外周缘，以环绕于外弧板1112，从而能够对外弧板1112起到隔热作用。外弧板1112为圆盘板状结构，沿其轴向方向的剖切面观察，外弧板1112的剖面呈沿径向方向对称的且朝上壳体111向外凸出的圆弧形。外弧板1112设计成上述结构的原因是由于外弧板1112沿厚度方向的一侧需连通外界环境，而在减压外延处理中，需在容纳腔101中施加10torr～650torr的负压进行工作，外部的大气压会给外弧板1112一个向下的压力，如果将外弧板1112设计为平板形的结构，则不能够承受这么大的压力，所以将外弧板1112设计为圆弧形的结构，能够有效地提高上壳体111的耐压性。在一实施方式中，外弧板1112的材质优选为透明石英材质，以能够被加热模块300发出的光照射透过使工件被加热。

类似地，下壳体组件120包括下壳体121和下壳体内衬122，下壳体121呈圆锥状的环形结构，下壳体内衬122也呈圆环状并由石英材质制成，下壳体内衬122固接于下壳体121靠近上壳体111的一端，使得下壳体内衬122环绕于下壳体121靠近上壳体组件110的一端。同样下壳体121的材质也优选为透明石英材质，以能够被加热模块300发出的光照射透过。

如此，下壳体内衬122与上壳体内衬112沿壳体100的轴向间隔设置，以形成一环绕容纳腔101的环形通气槽102，进气口131和排气口132分别位于通气槽102的径向相对两端，容纳腔101通过通气槽102和进气口131，或通过通气槽102和排气口132连通外界环境。通过上述设计，能够使上石英内衬和下石英内衬将工件与基础环130隔开，从而能够有效地降低生长在工件表面的外延层沾上基础环130上的金属。

在一些实施例中，基座200包括基板210和基座旋转轴220(图2未示出)，基座旋转轴220可转动地安装于壳体100的容纳腔101中，基板210沿厚度方向的一侧固定安装在基座旋转轴220上，基板210远离基座旋转轴220的另一侧用于放置工件，同时基板210与基座旋转轴220同轴，基座旋转轴220能够可受控地被驱动绕自身轴线方向转动，从而带动工件一同转动。

在一些实施例中，请继续参阅图1，加热模块300包括若干环绕于壳体100四周的加热灯泡310和置于壳体100顶部的红外高温计320，加热灯泡310用于对壳体100以及置于壳体100内部的工件进行加热，以使反应气体能够发生化学分解反应而在工件上生长出外延层；红外高温计320用于实时测量加热温度，以实现精准控温。在一较佳实施方式中，沿壳体100轴向方向，加热灯泡310上下分布的数量相同，以能够对壳体100进行均匀加热。如此，反应气体从进气口131进入壳体100的容纳腔101，并以平行于工件的路径从排气口132排出，加热灯泡310发出热光对壳体100进行热辐射，热光透过上壳体111及下壳体121使放置于壳体100容纳腔101的工件也能得到加热，当加热到一定温度时，反应气体便在工件表面所形成的一层外延层，同时工件在基座200的带动下转动，使工件表面的温度场更加均匀。

但正如背景技术所述，半导体功率器件当前正在向高耐压、高频率、大电流、低功耗的方向发展，由于外延层厚度均匀性和电阻率均匀性与半导体功率器件的耐压值和导通电阻的稳定性密切相关，所以对外延层的厚度、电阻率均匀性有着更为苛刻的要求。

如上所述，由于外弧板1112需设计为圆弧形的结构，才能有效地提高上壳体111的耐压性，但发明人在研究中发现，这样的设计虽然能有效提高上壳体111的耐压性，但发现了导致外延层的厚度均匀性不好调节和控制的问题。也就是说，为提高耐压性而涉及外弧板1112的圆弧形的结构对外延层的厚度均匀性造成了不利因素，困扰了设计者。

根据硅外延反应原理可知，在硅源浓度和温度恒定的条件下，气体流速是影响膜厚分布的主要因素。发明人发现，之所以外延层的厚度均匀性不好，是由于工件表面各区域距外弧板1112的距离不一致，这样就会导致反应气体在进入容纳腔101后在工件表面各区域的流速不一致，而且反应气体易在工件与外弧板1112距离变化较大的区域出现紊流，从而导致外延层的厚度均匀性不好调节和控制，进而会影响半导体功率器件的性能。

针对此问题，发明人进行了深入的研究，为了解决上述问题，从而使外延反应器10既能承受外界环境的压力，又能较好地控制外延层的厚度均匀性，发明人对外延反应器10的壳体100结构进行了改进。具体来说，发明人对上壳体111的结构进行了改进，如图3和图4(图4未示出基座旋转轴220)所示，为外延反应器10的第二实施例。

在该实施例中，发明人在上壳体111中增加了一块沿厚度方向的两侧均为平面的隔板1113，使上壳体111包括外环1111、外弧板1112及隔板1113。隔板1113呈圆盘状的薄板结构，沿壳体100的轴向(即外弧板1112的轴向)与外弧板1112间隔设置，并且隔板1113和外弧板1112的外周缘均固接于外环1111，优选地通过焊接的方式与外环1111连接，使得外环1111同时环绕于外弧板1112和隔板1113。如此，隔板1113便将容纳腔101分隔为沿壳体100的轴向上下相邻设置的承压腔1011和反应腔1012，其中上壳体组件110、基础环130和下壳体组件120共同界定形成了反应腔1012，具体为隔板1113、上壳体内衬112、基础环130、下壳体内衬122和下壳体121共同界定形成反应腔1012；在上壳体111内部形成了承压腔1011，具体为上壳体111的外弧板1112、外环1111和隔板1113共同界定形成承压腔1011。沿壳体100的径向(即外弧板1112的径向)，且自壳体100的中心轴线(即外弧板1112的中心轴线)朝远离壳体100的方向上，隔板1113位于承压腔1011一侧(即隔板1113靠近外弧板1112的一侧)的表面与承压腔1011的内壁的距离(即隔板1113与外弧板1112的距离)逐渐减小，隔板1113位于反应腔1012的一侧(即隔板1113远离外弧板1112的一侧)与工件外表面的距离能够保持一致。

在一较佳实施方式中，隔板1113上设有贯穿沿厚度方向相对两侧的通气孔1113a，以连通承压腔1011和反应腔1012。具体设置时，通气孔1113a的位置尽可能地靠近隔板1113自身的外周缘处，如此工件在隔板1113上的投影区域能够尽可能的大且不覆盖通气孔1113a，并且使流过工件表面的气流不受通气孔1113a的影响。这样在隔板1113的尺寸为相同规格的情况下，上述第二实施例所提供的外延反应器10能够适应更大尺寸的工件的减压外延处理。

通气孔1113a优选地具有两个，沿隔板1113的径向关于隔板1113的中心轴线对称分布，这样就使容纳腔101在抽负压时，承压腔1011的气体不但能够顺利进入反应腔1012，还能尽量保证承压腔1011内的压力与反应腔1012内的压力一致。

进一步地，在其它一些较佳实施方式中，为了最大程度地减小上壳体111对加热模块300加热辐射能量的阻挡作用，外弧板1112和隔板1113的材质均优选为透明石英材质。因隔板1113无需承受压力，隔板1113的厚度可小于外弧板1112，例如外弧板1112的厚度可设计为3.7mm，隔板1113的厚度可设计为1mm～2mm；隔板1113的通气孔1113a形状也可以根据需要在规定的要求内灵活配置，并不限于图中的形状。

如此，通过在上壳体111中增加沿厚度方向两侧的表面均为平面的隔板1113，隔板1113将容纳腔101分隔为承压腔1011和反应腔1012，并在隔板1113上开设通气孔1113a。在由壳体100的中心轴线指向壳体100的外周缘的方向上，隔板1113位于承压腔1011一侧的表面距外弧板1112的距离逐渐减小，而隔板1113位于反应腔1012的一侧到工件的距离一致。反应腔1012通过通气槽102与进气口131，或通过通气槽102与排气口132连通外界环境，使得外延反应器10的上壳体111既能承受外界负压环境的高压，还能使抽负压时承压腔1011内的气体能够顺利进入反应腔1012。反应气体由进气口131进入反应腔1012后，在流经工件表面时不受通气孔1113a的影响而流速一致，提高了外延层厚度均匀性，进而能够提高半导体器件的耐压值和导通电阻的稳定性。

需要说明的是，只需保证隔板1113靠近反应腔1012的一侧表面为平面即可，对于隔板1113靠近承压腔1011的一侧表面也可不是平面，例如可以是弧面或锥面，此时仍可以实现反应气体流经工件表面时流速一致的效果，但当隔板1113沿厚度方向的两侧表面均为平面时，本申请提供的外延反应器10能够达到最佳的技术效果，使得经过减压外延反应后覆盖到工件表面上的外延层厚度更为均匀。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种用于外延反应器的上壳体，其特征在于，包括：

外弧板；

隔板，沿所述外弧板的轴向与所述外弧板间隔设置，所述隔板远离所述外弧板的一侧为平面，用于在外延反应器中与工件外表面的距离保持一致；及

外环，固接于所述外弧板与所述隔板的外周缘，以同时环绕于所述外弧板和所述隔板，所述外弧板、所述隔板与所述外环共同围合成一承压腔，所述隔板开设有贯通的通气孔，所述通气孔连通所述承压腔。

2.根据权利要求1所述的上壳体，其特征在于，沿所述外弧板的径向，且自所述外弧板的中心轴线朝远离所述外弧板的方向上，所述隔板与所述外弧板的距离逐渐减小。

3.根据权利要求1所述的上壳体，其特征在于，所述隔板的厚度小于所述外弧板的厚度。

4.根据权利要求1所述的上壳体，其特征在于，所述通气孔开设于靠近所述隔板外周缘的位置。

5.根据权利要求1所述的上壳体，其特征在于，所述外弧板与所述隔板的材质均为透明石英材质。

6.一种外延反应器，其特征在于，包括：

壳体，具有容纳腔，所述壳体内设有隔板，所述隔板用于将所述容纳腔分隔为沿所述壳体的轴向相邻设置的承压腔和反应腔，所述隔板靠近所述反应腔一侧的表面为平面；沿所述壳体的径向，且自所述壳体的中心轴线朝远离所述壳体的方向上，所述隔板位于所述承压腔一侧的表面与所述承压腔的内壁的距离逐渐减小；所述隔板上设有贯通的通气孔，所述通气孔连通所述承压腔和所述反应腔；所述壳体在沿其径向方向的相对两端开设有连通所述反应腔的进气口和排气口；

用于放置工件的基座，收容于所述反应腔内，所述基座能够可受控地绕自身轴线转动；及

加热模块，设于所述壳体外，用于对所述工件进行加热。

7.根据权利要求6所述的外延反应器，其特征在于，所述壳体包括：

上壳体组件；

下壳体组件，沿所述壳体的轴向与所述上壳体组件间隔设置；及

基础环，沿所述壳体的轴向两侧分别固接于所述上壳体组件的外周缘和所述下壳体组件的外周缘，所述进气口和所述排气口分别开设于所述基础环沿所述壳体的径向方向的相对两端；

所述基础环、所述上壳体组件及所述下壳体组件共同界定所述反应腔。

8.根据权利要求7所述的外延反应器，其特征在于，所述上壳体组件包括上壳体和上壳体内衬，所述上壳体内衬的外周缘固接于所述上壳体的内周缘；

所述上壳体包括外弧板、外环和所述隔板，所述外弧板连通沿所述壳体的轴向与所述隔板间隔设置；所述外环固接于所述外弧板和所述隔板的外周缘，以同时环绕于所述外弧板和所述隔板；所述外环、所述外弧板及所述隔板共同界定所述承压腔。

9.根据权利要求8所述的外延反应器，其特征在于，所述下壳体组件包括下壳体和下壳体内衬，所述下壳体内衬固接于所述下壳体，所述下壳体内衬环绕于所述下壳体靠近所述上壳体组件的一端；

所述下壳体内衬与所述上壳体内衬沿所述壳体的轴向间隔设置，以形成一环绕所述反应腔的环形通气槽，所述进气口与所述排气口分别位于所述通气槽的径向相对两端，所述反应腔通过所述通气槽与所述进气口，或通过所述通气槽与所述排气口连通外界环境。

10.一种晶圆生产设备，其特征在于，包括如权利要求6至9中任一权利要求所述的外延反应器。

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