CN217438338U - 工艺腔室及半导体工艺设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种工艺腔室及半导体工艺设备，工艺腔室包括腔体、基座、预热环和旋转机构，其中：基座和预热环均设于腔体的内腔中，预热环沿基座的周向环绕设置，且二者之间设有避让间隙；基座和预热环将内腔分隔为工艺腔和底部腔，避让间隙连通工艺腔和底部腔；旋转机构设于底部腔内，旋转机构包括主轴、供气支臂和支撑支臂，支撑支臂的一端与主轴相连，另一端与基座相连，支撑支臂用于支撑基座及带动基座旋转；供气支臂的一端与主轴相连，另一端设有供气口，供气口靠近避让间隙，且与避让间隙相对设置，供气口用于输送吹扫气体，以减少工艺腔室在进行工艺时由工艺腔进入到底部腔中的工艺气体。上述方案能够防止工艺气体在基座底面形成涂层。

Description

工艺腔室及半导体工艺设备

技术领域

本申请涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种工艺腔室及半导体工艺设备。

背景技术

在半导体的硅外延生长工艺中，需要加热工艺腔室内的工艺气体而进行反应，并使生长原子沉积晶圆上，以长出单晶层。如图1所示，硅外延生长设备包括基座20以及环绕基座20设置的预热环30，为了避免基座20在旋转时与预热环30产生磕碰，二者之间留有避让间隙40。在工艺过程中，工艺气体会通过避让间隙40进入到腔体10的底部腔11，降温冷凝后在基座20底面形成涂层，由此会导致下测温器50难以准确检测基座20的温度。

在相关技术中，通过向底部腔11内输送吹扫气体，以阻止工艺气体由避让间隙40进入底部腔11。但是，吹扫气体在扩散至避让间隙40处时，其速率已大幅下降，从而难以在避让间隙40处对工艺气体进行有效封堵。

实用新型内容

本申请公开一种工艺腔室及半导体工艺设备，以防止工艺气体在基座底面形成涂层。

为了解决上述技术问题，本申请采用下述技术方案：

第一方面，本申请提供一种工艺腔室，应用于半导体工艺设备中，所述工艺腔室包括腔体、基座、预热环和旋转机构，其中：

所述基座用于承载晶圆，所述基座和所述预热环均设于所述腔体的内腔中，所述预热环沿所述基座的周向环绕设置，且二者之间设有避让间隙；所述基座和所述预热环将所述内腔分隔为工艺腔和底部腔，所述避让间隙连通所述工艺腔和所述底部腔；

所述旋转机构设于所述底部腔内，所述旋转机构包括主轴、供气支臂和支撑支臂，所述支撑支臂的一端与所述主轴相连，另一端与所述基座相连，所述支撑支臂用于支撑所述基座及带动所述基座旋转；所述供气支臂的一端与所述主轴相连，另一端设有供气口，所述供气口靠近所述避让间隙，且与所述避让间隙相对设置，所述供气口用于输送吹扫气体，以减少所述工艺腔室在进行工艺时由所述工艺腔进入到所述底部腔中的工艺气体。

第二方面，本申请还提供一种半导体工艺设备，其包括本申请第一方面所述的工艺腔室。

本申请采用的技术方案能够达到以下有益效果：

在本申请公开的工艺腔室及半导体工艺设备中，通过将旋转机构中供气支臂的供气口靠近避让间隙设置，且与避让间隙相对设置，这样使得供气口能够就近向避让间隙输送吹扫气体，以确保避让间隙处的吹扫气体具备较高的速率；同时，由于供气口会随旋转机构进行旋转，如此可使供气口在圆周方向上输出环形气流，从而对整个避让间隙进行吹扫。

如此情况下，环形分布的吹扫气体均以较高的速率对避让间隙处的工艺气体进行封堵，也即吹扫气体在避让间隙处形成气密封效果，无疑可有效防止工艺气体进入底部腔形成涂层。相较于相关技术，本申请的工艺腔室明显更有利于准确检测基座的温度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为相关技术公开的工艺腔室的结构示意图；

图2为本申请实施例公开的工艺腔室的部分结构示意图；

图3为本申请实施例公开的基座与预热环的配合关系示意图；

图4为本申请实施例公开的旋转机构的俯视图；

图5为本申请实施例公开的一种基座的轴测图；

图6为本申请实施例公开的另一种基座的仰视图。

附图标记说明：

10-腔体、11-底部腔、20-基座、30-预热环、40-避让间隙、50-下测温器、

100-基座、110-本体、111-透气孔、112-安装孔、120-叶片、

200-预热环、

300-旋转机构、310-主轴、311-主流道、320-供气支臂、321-支流道、322-供气口、330-支撑支臂、331-连接销、332-定向孔、

400-流量检测装置、500-控制阀、600-过滤器、700-进气管路、

W-晶圆、G-避让间隙。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅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，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各个实施例公开的技术方案。

为了解决相关技术的工艺腔室中，工艺气体由避让间隙进入底部腔而在基座底面形成涂层，导致下测温器难以准确检测基座的温度的技术问题，本申请实施例提供了一种工艺腔室，应用于半导体工艺设备中。

请参见图2～图6，本申请实施例所公开的工艺腔室包括腔体、基座100、预热环200和旋转机构300，其中：

腔体是工艺腔室的基础构件，其为其他的构件提供了安装基础，也起到一定的保护作用。具体地，基座100、预热环200和旋转机构300均设于腔体的内腔中。

基座100用于放置待处理的晶圆W，以承载晶圆W。基座100上可设置容置槽，以提升晶圆W的放置可靠性。基座100通常为石墨基座，本申请实施例未限制基座100的具体材质，只要能够满足半导体工艺处理环境即可。

预热环200沿基座100的周向环绕设置。应理解的是，工艺气体由腔体的侧面进入工艺腔室内，工艺气体朝向中部扩散的过程，会在晶圆W所在区域内造成温度不均匀问题，从而导致工艺质量变差。针对该问题，预热环200可以起到对由工艺腔室的边缘区域向中部区域扩散的工艺气体进行预先加热的作用，从而使得晶圆W所在区域的工艺气体的温度趋于一致，以保持温度均匀性。

基座100和预热环200将内腔分隔为工艺腔和底部腔，工艺腔为工艺气体的反应提供工艺空间，底部腔用于容纳旋转机构300、排气机构等。

同时，二者之间设有避让间隙G；旋转机构300设于底部腔内，旋转机构300与基座100相连，并带动基座100旋转。应理解的是，旋转机构300用于带动基座100和晶圆W一起匀速旋转，以确保晶圆W在圆周方向上的受热均匀性，从而提升工艺质量。但是，基座100在旋转过程中会产生包括径向方向上的跳动，基座100与预热环200容易产生干涉、磕碰，这样会导致二者的损伤。针对该问题，避让间隙G能够确保基座100与预热环200间隔设置，从而避免二者出现磕碰损伤，具体可参见图3。

在本申请实施例中，旋转机构300包括主轴310、供气支臂320和支撑支臂330，支撑支臂330的一端与主轴310相连，另一端与基座100相连，支撑支臂330用于支撑基座100及带动基座100旋转；供气支臂320的一端与主轴310相连，另一端设有供气口322，供气口322靠近避让间隙G，且与避让间隙G相对设置，供气口322用于向避让间隙G输送吹扫气体，以减少工艺腔室在进行工艺时，由工艺腔进入到底部腔中的工艺气体。

在此种结构布局下，旋转机构300通过支撑支臂330对基座100起到支撑作用，并与基座100构建组配关系，如此，在旋转机构300旋转时，则基座100会随之转动。

旋转机构300的供气口322的输出方向与避让间隙G相对，吹扫气体能够直接输送至避让间隙G处。正是由于供气口322与避让间隙G靠近设置，这样使得旋转机构300可就近向避让间隙G输送吹扫气体，以确保吹扫气体输送至避让间隙G处时依然具备较高的速率。同时，由于供气口322会随旋转机构300进行旋转，如此可使供气口322在圆周方向上输出环形气流，从而对整个避让间隙G进行吹扫。

如此情况下，环形分布的吹扫气体均以较高的速率对避让间隙G处的工艺气体进行封堵，也即吹扫气体在避让间隙G处形成气密封效果，无疑可有效防止工艺气体进入底部腔形成涂层。相较于相关技术，本申请实施例的工艺腔室明显更有利于下测温器准确检测基座100的温度，从而达到间接测量到晶圆W的实时温度的目的。

在本申请实施例中，未限制吹扫气体的具体类型，其可以为氮气，也可以为惰性气体的至少一种。

在本申请实施例中，还可通过设定底部腔的压力高于工艺腔的压力的方式，从而通过控制工艺腔室内的压力与吹扫气体的配合，进一步减少工艺腔室在进行工艺时，由工艺腔进入到底部腔中的工艺气体。

可选地，下测温器为红外测温器。旋转机构包括驱动装置，驱动装置与主轴310相连，并用于驱动主轴310旋转，从而带动支撑支臂330和基座100旋转。驱动装置为旋转机构300的动力源构件，其可选为各种型号的转动电机，当然也可以为诸如齿轮齿条组件等其他的驱动机构。

在可选的方案中，如图2所示，主轴310内设有主流道311，供气支臂320内设有支流道321，主流道311与支流道321连通。

在此种结构布局下，供气口322设于供气支臂320背离主轴310的一端，供气口322与支流道321连通。主轴310可与气源相连，以向主流道311中输送吹扫气体，然后吹扫气体即可输送至支流道321中，并最终经由供气口322朝向避让间隙G输送吹扫气体。

进一步地，供气支臂320可为多个。如此情况下，主轴310与供气支臂320为一对多的布局形式，这样可避免多个供气支臂320均与气源相连的情况，而只需要一个主轴连接气源即可，从而简化了结构，节约了成本。同时，此种结构布局具有多个供气口322，这样能够提升吹扫气体在避让间隙G处的输出效率，从而提升环形分布的吹扫气体的均匀性。

当然，本申请实施例未限制旋转机构300的具体结构布局，供气支臂320的数量为一个、两个、三个等均可。

在本申请实施例中，未限制旋转机构300与基座100的具体支撑配合关系，举例来说，旋转机构300可仅包括位于其中轴线上的一个支撑支臂330，该支撑支臂330直接与基座100的底部中心相连，其通过转动而带动基座100旋转。

在另外的实施方式中，旋转机构300可以包括与主轴310相连的至少三个支撑支臂330，支撑支臂330背离主轴310的一端与基座100的底部边缘相连。如此设置下，支撑支臂330对基座100形成至少三点支撑的效果，这样无疑能够提升对基座100的支撑稳定性。同时，支撑支臂330是与基座100的底部的边缘相连，这样也能够有效防止基座100在旋转时产生跳动。

本申请实施例未限制支撑支臂330的具体数量，其可选为三个、四个、五个等数量。当然，支撑支臂330越多，则旋转机构300对基座100的支撑效果越好，且基座100的旋转稳定性也能够得到优化。

在可选的方案中，如图4所示，供气支臂320和支撑支臂330的数量均为多个，且均以主轴310为中心呈放射状排布；供气支臂320和支撑支臂330交替且均匀间隔布置。

在此种结构布局下，供气支臂320和支撑支臂330整体在主轴310的周向上均匀间隔排布，这样使得旋转机构300自身具备较优的平衡性，能够避免基座100偏斜。同时，此种布局下的供气支臂320相互之间也是在主轴310的周向上均匀排布，由此能够提升吹扫气体形成环形气流的分布均匀性；此种结构布局下的支撑支臂330相互之间也是在主轴310的周向上均匀排布，由此能够进一步地提升旋转机构300对基座100的支撑均匀性，以提升基座100的安装稳定性。

如图4所示，供气支臂320和支撑支臂330均为三个，在其他的实施方式中，它们也可以均为四个或五个等其他数量，并交替且均匀布置。

在供气支臂320和支撑支臂330均为三个的实施方式中，供气支臂320和支撑支臂330之间的夹角为60°。

进一步地，如图2和图5所示，支撑支臂330背离主轴310的端部可设有连接销331，基座100的底部可设有安装孔112，连接销331一一对应地组配于安装孔112，从而实现旋转机构300与基座100的可靠配合。

在可选的方案中，如图2和图4所示，工艺腔室还可以包括多个用于顶升晶圆W的顶针，至少部分支撑支臂330设有定向孔332，每个顶针均对应穿设于一个定向孔332。

应理解的是，工艺腔室还可以包括顶针机构，顶针机构包括顶针支架和多个顶针，多个顶针均可伸缩地设于顶针支架上，以顶升晶圆W。同时，基座100上应设有与顶针对应的避让孔，以使顶针能够穿过基座100而顶升晶圆W。

正是由于此种结构布局的支撑支臂330具有定向孔332，则支撑支臂330可通过定向孔332与顶针的配合带动顶针旋转，而确保顶针始终与基座100上的避让孔相对应，从而使得顶针能够顺利顶升晶圆W。

由于在不同的处理工艺中，通入至工艺腔室内的工艺气体的流量不同，这样会导致工艺腔与底部腔的气压存在差异，而造成吹扫气体在避让间隙G处对工艺气体的封堵效果波动。基于此，在可选的方案中，如图2所示，工艺腔室还可以包括与主轴310连通的进气管路700，进气管路700上设有流量检测装置400和控制阀500，流量检测装置400用于控制通入主流道311的吹扫气体的流量，控制阀500用于控制进气管路700的通断。

应理解的是，流量检测装置400能够检测吹扫气体的输送流量并实现对吹扫气体的流量调控，而控制阀500可调控进气管路700开启或完全断开。在此种结构布局下，可通过对工艺腔室内通入的工艺气体的流量分析，从而通过流量检测装置400和控制阀500调节通入至避让间隙G处的吹扫气体的流量，以与工艺气体的流量相匹配，从而确保工艺腔和底部腔的气压相匹配，避免工艺气体进入底部腔以及吹扫气体进入工艺腔室。

可选地，流量检测装置400可选为流量计；控制阀500可选为手动阀或电磁阀。

进一步地，如图2所示，工艺腔室还可以包括过滤器600，过滤器600设于进气管路700上，以过滤掉吹扫气体中的杂质，提升其洁净度。

在可选的方案中，如图5和图6所示，基座100可以包括本体110和设于本体110的底面的多个叶片120，叶片120随基座100旋转，以扰动本体110下侧的工艺气体。

应理解的是，如此设置下，当旋转机构300带动基座100旋转时，叶片120也会随之旋转，即便是有工艺气体从避让间隙G中进入到底部腔，旋转的叶片120会与基座100的本体110下侧的工艺气体产生面接触并推动工艺气体运动，此扰动作用会破坏或延缓工艺气体的冷凝过程。可见，此种结构布局的基座100可起到防止工艺气体冷凝的作用，从而进一步地避免在基座100底部形成涂层。

进一步地，叶片120的一端设于本体110的中心，叶片120的另一端朝向本体110的边缘的方向延伸，多个叶片120均匀间隔布置。如此设置下，叶片120由本体110的中心延伸至本体110的边缘，如此可增大叶片120的尺寸，从而在叶片120对工艺气体进行扰动时增大其与工艺气体的接触面积，由此提升了扰动效率。进一步地，叶片120的另一端可以朝向第一方向弯曲，第一方向与基座100的旋转方向相一致。应理解的是，如此设置下，叶片120与基座100的旋转方向相同朝向的一侧具有凹部，也即叶片120与基座100的旋转方向相反朝向的一侧具有凸部。此种结构布局使叶片120延伸至本体110边缘的一端弯曲，叶片120的边缘因弯曲形态而可将工艺气体约束在叶片120的扰动范围内，且叶片120形成的凹部可汇聚更多的工艺气体，以对更大体量的工艺气体进行扰动，从而提升了扰动效率、提升了扰动效果。

本申请实施例未限制叶片120的具体弯曲形状，如图5和图6所示，叶片120均为弧形弯曲形态，当然，其也可以为诸如折弯形态等其他的弯曲结构。

在叶片120为弧形弯曲形态的实施方式中，如图6所示，叶片120具有一个整体弧段。如图5所示，叶片120具有连续的两个弧段，其中位于外侧的弧段需朝向第一方向弯曲，以将工艺气体约束在叶片120的扰动范围内；并且，位于外侧的弧段的曲率可小于位于内侧的弧段的曲率，如此可使得位于外侧的弧段形成的凹部的容置空间大于位于内侧的弧段形成的凹部的容置空间，从而可确保在基座100旋转时，叶片120可扰动更多的工艺气体。进一步地，如图3、图5和图6所示，在，基座100包括本体110和设于本体110底面的多个叶片120的实施方式中，本体110上可以设有多个贯通的透气孔111。

应理解的是，晶圆W在工艺处理过程中受热会析出杂质气体，这些杂质气体可通过透气孔111进入到底部腔，从而提升晶圆W的质量。同时，透气孔111使得晶圆W的底面与底部腔连通，这样可避免缠身气垫效应，从而防止晶圆W产生偏移、提升了晶圆W的放置稳定性。

进一步地，透气孔111可以基于本体110的中心呈放射状布置，且透气孔111围绕本体110的中心沿周向均匀间隔布置。

在此种结构布局下，透气孔111在本体110上沿周向均匀布置，如此可使得晶圆W产生的杂质气体均匀地通入至底部腔，从而避免存在杂质气体较高的区域而冷凝为涂层。同时，本体110底面的叶片120可对这些杂质气体进行扰动，以破坏或延缓杂质气体的冷凝过程。

基于前述的工艺腔室，本申请实施例还提供一种半导体工艺腔室，其包括前述任一方案中的工艺腔室，这样就使该半导体工艺设备具有了前述任一方案的有益效果，在此不再赘述。

本申请实施例未限制该半导体工艺设备的具体类型，其可选为硅外延生长设备，具体可以为化学气相沉积外延生长设备，或者，该半导体工艺设备还可选为诸如刻蚀设备等其他的半导体设备。

本申请上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (11)

1.一种工艺腔室，应用于半导体工艺设备中，其特征在于，所述工艺腔室包括腔体、基座、预热环和旋转机构，其中：

所述基座用于承载晶圆，所述基座和所述预热环均设于所述腔体的内腔中，所述预热环沿所述基座的周向环绕设置，且二者之间设有避让间隙；所述基座和所述预热环将所述内腔分隔为工艺腔和底部腔，所述避让间隙连通所述工艺腔和所述底部腔；

所述旋转机构设于所述底部腔内，所述旋转机构包括主轴、供气支臂和支撑支臂，所述支撑支臂的一端与所述主轴相连，另一端与所述基座相连，所述支撑支臂用于支撑所述基座及带动所述基座旋转；所述供气支臂的一端与所述主轴相连，另一端设有供气口，所述供气口靠近所述避让间隙，且与所述避让间隙相对设置，所述供气口用于输送吹扫气体，以减少所述工艺腔室在进行工艺时由所述工艺腔进入到所述底部腔中的工艺气体。

2.根据权利要求1所述的工艺腔室，其特征在于，所述主轴内设有主流道，所述供气支臂内设有支流道，所述主流道与所述支流道连通。

3.根据权利要求1所述的工艺腔室，其特征在于，所述供气支臂和所述支撑支臂的数量均为多个，且均以主轴为中心呈放射状排布；所述供气支臂与所述支撑支臂交替且均匀间隔布置。

4.根据权利要求1所述的工艺腔室，其特征在于，所述工艺腔室还包括多个用于顶升所述晶圆的顶针，至少部分所述支撑支臂设有定向孔，每个所述顶针均对应穿设于一个所述定向孔。

5.根据权利要求2所述的工艺腔室，其特征在于，所述工艺腔室还包括与所述主轴连通的进气管路，所述进气管路上设有流量检测装置和控制阀，所述流量检测装置用于控制通入所述主流道的所述吹扫气体的流量，所述控制阀用于控制所述进气管路的通断。

6.根据权利要求1所述的工艺腔室，其特征在于，所述基座包括本体和设于所述本体的底面的多个叶片，所述叶片随所述基座旋转，以扰动所述本体下侧的工艺气体。

7.根据权利要求6所述的工艺腔室，其特征在于，多个所述叶片的一端设于所述本体的底面的中心，所述叶片的另一端朝向所述本体的边缘的方向延伸，多个所述叶片均匀间隔布置。

8.根据权利要求7所述的工艺腔室，其特征在于，所述叶片的另一端朝向第一方向弯曲，所述第一方向与所述基座的旋转方向相一致。

9.根据权利要求6所述的工艺腔室，其特征在于，所述本体上设有多个贯通的透气孔。

10.根据权利要求9所述的工艺腔室，其特征在于，所述透气孔基于所述本体的中心呈放射状布置，且所述透气孔围绕所述本体的中心沿周向均匀间隔布置。

11.一种半导体工艺设备，其特征在于，包括如权利要求1-10任意一项所述的工艺腔室。

Images