TW202343634A - 基板處理裝置及腔室內襯 - Google Patents
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Abstract
本發明提供了一種基板處理裝置及腔室內襯，用於對基板進行工藝處理。所述基板處理裝置包括腔室，所述腔室包括相互套疊設置的腔室內襯和位於腔室內襯外部的腔室外殼，所述腔室內襯整體呈長方體結構，包括設有一上內襯開口的內襯上壁和腔室底壁，以及位於所述內襯上壁和內襯底壁之間的兩平行內襯側壁，工藝過程中，所述腔室內襯在基板上方形成一方體狀氣體分佈空間，所述方體狀氣體分佈空間的橫向寬度等於所述兩平行內襯側壁之間的距離且大於所述基板的直徑。使得靠近內襯側壁的工藝氣體沿著內襯側壁向下游傳輸，無需進行橫向擴散以實現工藝氣體的層流部分，進而提高基板不同徑向區域的處理均勻性。
Description
本發明涉及半導體基板處理設備技術領域，尤其涉及一種基板外延處理裝置及其腔室內襯。
目前常採用等離子刻蝕、物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition，簡稱PVD）、化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition，簡稱CVD）等工藝方式對半導體工藝件或基板進行微加工。微加工製造包含多種不同的工藝和步驟，其中，應用較為廣泛的為化學氣相沉積工藝，該工藝可以沉積多種材料，這種工藝一般在高真空的反應室內進行。
隨著半導體裝置特徵尺寸的日益縮小以及裝置集成度的日益提高，對化學氣相沉積的薄膜均勻性提出了越來越高的要求。化學氣相沉積裝置雖經多次更新換代，性能得到極大提升，但在薄膜沉積均勻性方面仍存在諸多不足，尤其是隨著基板尺寸日益增大，現有的氣相沉積方法和設備已難以滿足薄膜的均勻性要求。
在薄膜沉積過程中，多種工藝條件都會對基板表面薄膜沉積的均勻性造成影響，例如反應氣體流動的方向和分佈情況、基板的加熱溫度場情況、反應室內的壓力分佈情況等。若反應室內反應區域的工藝環境不完全一致，會使基板表面上沉積的薄膜產生厚度不均勻、組分不均勻、物理特性不均勻等不良現象，進而降低基板生產的良品率。因此，需要對現有的化學氣相沉積裝置進行改進以提高基板薄膜沉積的均勻性。此外對於矽或者矽鍺材料的外延生長工藝來說，由於這些外延材料通常是半導體裝置的底層，關鍵尺寸（Critical Dimension，CD）極小，通常只有幾個奈米，而且不能承受長時間高溫，否則會導致半導體裝置損壞，所以需要在極短時間內加熱基板到足夠進行矽材料外延生長的溫度，如600度~1200度。由於存在這種苛刻的升溫要求，所以矽外延工藝通常是用高功率加熱燈透過石英構成的透明反應腔體加熱位於反應腔中的基板。由於反應腔內氣壓遠低於石英反應腔外的大氣壓，為了保證反應腔體結構不因腔體內外巨大的壓力差而變形或者碎裂，需要提供一種氣流穩定且抗壓能力強的基板處理裝置。
為了解決上述技術問題，本發明提供一種基板處理裝置，用於對基板進行氣相外延工藝處理，所述基板處理裝置包括：
腔室，所述腔室包括相互套疊設置的腔室內襯和位於腔室內襯外部的腔室外殼，所述腔室內襯整體呈長方體結構，包括設有一上內襯開口的內襯上壁和一內襯底壁，以及位於所述內襯上壁和內襯底壁之間的兩平行內襯側壁；腔室內襯相對的兩側分別設置一進氣端和一出氣端，用於供應工藝氣體；
可透過熱輻射的上蓋，用於覆蓋所述上內襯開口，並與所述腔室圍成一處理空間；
基板承載裝置，位於所述處理空間內，並設置於所述上蓋下方，用於在工藝過程中承載基板；
所述基板上方形成一方體狀氣體分佈空間，所述方體狀氣體分佈空間具有沿著氣流方向的縱向方向、與所述氣流方向共面且垂直於所述氣流方向的橫向方向以及垂直於所述基板的高度方向，所述方體狀氣體分佈空間的高度小於等於所述基板所在的平面與所述內襯上壁所在的平面之間的距離，所述方體狀氣體分佈空間的橫向寬度等於所述兩平行內襯側壁之間的距離且大於所述基板的直徑。
可選的，所述進氣端包括一矩形進氣口，所述出氣端包括一矩形出氣口，所述矩形進氣口的橫向寬度小於等於所述兩平行內襯側壁之間的距離。
可選的，所述腔室內襯包括一內襯主體，所述內襯主體自所述進氣端至所述出氣端一體結構設置。
可選的，所述內襯底壁設置一下內襯開口，所述腔室外殼包括一外殼上壁和一外殼底壁，所述外殼上壁和外殼底壁分別設置與所述上內襯開口和下內襯開口對應的上外殼開口和下外殼開口。
可選的，所述基板處理裝置包括一下蓋，所述下蓋覆蓋所述下內襯開口和下外殼開口。
可選的，所述腔室內襯還包括一上內襯環和一下內襯環，所述上內襯環設置於所述上蓋的外圍與所述上內襯開口之間，用於避免所述腔室外殼與所述處理空間接觸，所述下內襯環設置於所述下蓋的外圍與所述下內襯開口之間，用於避免所述腔室外殼與所述處理空間接觸。
可選的，工藝過程中，所述內襯主體的兩平行內襯側壁引導所述方體狀氣體分佈空間兩側的工藝氣體直線傳輸。
可選的，所述上蓋包括向遠離所述處理空間的方向凸起的窗口區域和環繞所述窗口區域的外沿區域。
可選的，所述下蓋包括向遠離所述處理空間的方向凸起的中心區域，所述中心區域設有容納一驅動機構的容納開口，所述驅動機構用於驅動所述基板承載裝置升降和/或旋轉。
可選的，所述腔室內襯的內部靠近所述進氣端設置一氣流引導部，所述氣流引導部用於將工藝氣體水平引導至所述基板表面。
可選的，所述基板外圍環繞設置一預熱環，所述氣流引導部至少部分地設置於所述預熱環外圍。
可選的，所述氣流引導部包括一氣流引導面，所述氣流引導面與所述基板上表面位於相同的平面內。
可選的，所述氣流引導部將所述處理空間分隔為位於基板上方的反應空間和位於基板下方的操作空間。
可選的，所述腔室的前端連接一進氣法蘭，所述進氣法蘭內設置若干進氣通道和矩形進氣槽。
可選的，所述進氣法蘭還包括一氣體隔板，所述氣體隔板將矩形進氣槽分為位於氣體隔板上方的工藝氣體進入口和位於氣體隔板下方的操作口。
可選的，所述腔室內襯的內部設置一氣流引導部，所述氣流引導部與所述氣體隔板的上表面位於同一平面內。
可選的，所述兩平行內襯側壁之一設置一內襯傳片口用於進行基板傳輸，所述腔室外殼對應所述內襯傳片口的位置設置一外殼傳片口。
可選的，所述矩形出氣口與所述矩形進氣口具有相同或不同的形狀和/或尺寸。
可選的，所述腔室內襯為石英材質，所述腔室外殼為金屬材質。
可選的，所述腔室外殼的內表面與所述腔室內襯的外表面相互接觸或者設有一定間隙。
可選的，所述腔室外殼設有一吹掃氣體通道，吹掃氣體經吹掃氣體通道進入腔室外殼和腔室內襯之間進行吹掃。
可選的，工藝過程中所述處理空間內的壓力大於等於所述腔室外殼和腔室內襯之間吹掃氣體的壓力。
可選的，所述基板處理裝置包括熱交換系統，所述熱交換系統包括位於腔室外部的風冷系統和位於腔室外殼內部的流體冷卻系統。
進一步的，本發明還公開一種腔室內襯，用於基板處理裝置中為基板處理提供處理空間，該腔室內襯包括一整體呈方體結構的內襯主體，所述內襯主體包括設有一上內襯開口的內襯上壁和一內襯底壁，以及與所述內襯上壁和內襯底壁連接的兩平行內襯側壁；所述內襯主體相對的兩側設置一矩形進氣口和一矩形出氣口，所述內襯主體內部包括一方體狀空間，所述方體狀空間的橫向寬度等於所述兩平行內襯側壁之間的距離且大於所述基板的直徑。
可選的，所述矩形出氣口與所述矩形進氣口具有相同或不同的形狀和/或尺寸。
可選的，所述內襯主體自所述矩形進氣口至所述矩形出氣口一體設置。
可選的，所述腔室內襯還包括一上內襯環，所述上內襯環的外徑與所述上內襯開口的內徑相匹配。
可選的，所述腔室內襯還包括一下內襯環，所述下內襯環的外徑與所述下內襯開口的內徑相匹配。
可選的，所述腔室內襯的內部靠近所述矩形進氣口設置一氣流引導部，所述氣流引導部具有平行於所述上壁的氣流引導面。
可選的，所述內襯主體在所述矩形進氣口的外圍處設置安裝邊。
可選的，所述腔室內襯為石英材料。
本發明技術方案的優點包括：本發明將腔室設置為相互套疊設置的腔室內襯和位於腔室內襯外部的腔室外殼，金屬的腔室外殼可以有效提高腔室的機械強度，長方體狀的石英腔室內襯可以在基板上方提供一方體狀氣體分佈空間，通過設置腔室內襯的兩平行側壁之間的距離大於基板的直徑，確保了基板上方的方體狀氣體分佈空間的橫向寬度大於基板直徑，當工藝氣體進入處理空間後，無需進行橫向擴散，沿著進入的氣流方向向下游傳輸即可實現對基板的全面覆蓋，提高了基板不同徑向區域的薄膜生長均勻性。由於基板在工藝過程中按照一定速度進行旋轉，與圓筒狀的處理空間邊緣區域氣體容易在旋轉基板的帶動下發生大幅度擾動相比，該方體狀氣體分佈空間的設置可以降低基板旋轉時對邊緣區域氣流形成的擾動，本發明的技術方案可進一步提高氣體流動的穩定性，保證基板不同區域薄膜生長的均勻性。
除此之外，本發明在腔室內襯和腔室外殼的上壁設置對應的上蓋開口，將允許熱輻射透過的上蓋覆蓋該上蓋開口，該上蓋可以為具有一定拱起高度的穹頂形設計，利用金屬的腔室外殼實現對上蓋的承載，上蓋外沿通過夾緊環固定到腔室外殼上方，腔室外殼和夾緊環可以有效釋放上蓋承受的橫向壓力，進而使得上蓋的拱起高度較小，有助於保持處理空間內的層流氣體分佈，保證基板處理的均勻性。
本發明採用自進氣端至出氣端一體製成的內襯主體結構，避免了多個零部件連接時可能造成的顆粒污染問題，通過在腔室內襯外部設置具有較高機械強度的金屬腔室外殼，可以將腔室內襯設計的厚度較小且避免在石英腔室內襯上設計加強筋結構，降低了石英腔室內襯的加工難度和製作成本。上內襯環和下內襯環的設計將金屬的腔室外殼與處理空間進行隔離，減少了金屬污染；在腔室內襯和腔室外殼之間供應吹掃氣體，通過內外兩層殼體的結構設計以及通過控制處理空間內的壓力大於等於吹掃氣體的壓力確保該吹掃氣體不會進入處理空間內部，從而減少了處理空間內的顆粒物。
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的圖式，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域具有通常知識者在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
本發明提供一種用於對基板進行氣相外延沉積的基板處理裝置及為基板處理提供處理空間的腔室內襯。本發明的基板處理裝置包括一腔室，所述腔室包括套疊設置的腔室內襯100和位於腔室內襯外部的腔室外殼200，腔室內襯100和腔室外殼200分別呈方體狀結構，拆卸安裝時，腔室內襯可以像抽屜一樣與腔室外殼分離，便於各自的更換和維護，本發明下文會經常出現“方體”的概念，本發明中的方體既包括長方體也包括正方體。
圖1A和圖1B示出腔室內襯的爆炸示意圖和組裝結構示意圖，圖2示出腔室外殼的結構示意圖，下文將根據圖式進行詳細描述。
在圖1A所示的腔室內襯的爆炸示意圖中，腔室內襯100包括一內襯主體110，上內襯環130和下內襯環150。內襯主體110為一長方體結構，包括相互平行的上壁101和底壁102，位於上壁101和底壁102之間的兩平行側壁103、104及進氣端和出氣端。進氣端設有矩形進氣口112及位於矩形進氣口112外圍的安裝邊113，矩形進氣口112包括相互垂直的第一邊112a和第二邊112b，第一邊112a與上壁101平行設置，第二邊112b與上壁101垂直設置，在一種實施例中出氣端設有與矩形進氣口112相同的矩形出氣口114，在另外的實施例中，出氣端設置的矩形出氣口114可以為其他形狀或與所述矩形進氣口112大小和/或尺寸不同的矩形出氣口。上述設置使得所述矩形腔室內部形成一大致為長方體狀處理空間，在另外的實施例中也可以為正方體狀處理空間。
請參考圖1B，為準確清楚地描述該處理空間，本發明定義沿著氣流的方向為處理空間的縱向方向，處理空間具有縱向長度L
1，在同一平面內垂直於氣流方向的為橫向方向，處理空間具有橫向寬度L
2，以及垂直於上壁的高度方向，處理空間具有高度H。在工藝過程中，基板上方形成一方體狀氣體分佈空間，該方體狀氣體分佈空間為所述處理空間的一部分，具有與所述處理空間相同的縱向方向、橫向方向和高度方向。所述方體狀氣體分佈空間的橫向寬度等於兩平行側壁103和側壁104之間的距離且大於基板的直徑，高度小於高度H，縱向長度小於等於縱向長度L
1。本實施例中方體狀氣體分佈空間為長方體狀氣體分佈空間。基板上方的方體狀氣體分佈空間的高度小於等於所述基板所在的平面與所述內襯上壁所在的平面之間的距離。
根據圖1A和圖1B所示，進氣端包括矩形進氣口112，矩形進氣口112具有沿處理空間的橫向方向設置的第一邊112a和沿處理空間的高度方向設置的第二邊112b，在本實施例中，為實現工藝氣體沿著縱向方向傳輸，減少在橫向上擴散，矩形進氣口112的橫向寬度等於兩平行設置的內襯側壁之間的距離，工藝氣體經矩形進氣口112進入處理空間後始終在基板表面維持長方體狀的氣流分佈。在另外的實施例中，由於矩形進氣口112距離基板邊緣尚有一定距離，可以設置矩形進氣口112的橫向寬度和/或高度略小於所述處理空間的橫向寬度和/或高度，此時，工藝氣體經矩形進氣口112到達基板邊緣之前有一定的時間進行擴散，至基板上方時達到穩定的長方體狀氣流分佈。本發明公開的處理空間的進氣橫向寬度L
2大於基板的直徑，確保了工藝氣體在基板上方能夠沿著方體狀氣體分佈空間內形成均勻的層流分佈，無需沿寬度方向擴散即可覆蓋基板的不同徑向位置，避免了現有技術中工藝氣體自較小尺寸的進氣口進入處理空間後在基板表面進行橫向方向擴散帶來的氣流不均勻。保證基板中心區域和邊緣區域的氣體分佈一致。
根據圖1A所示，內襯主體110的上壁101設置一上內襯開口117，底壁102設置一下內襯開口119，上內襯環130與所述上內襯開口117相匹配，下內襯環150與所述下內襯開口119相匹配。內襯主體110，上內襯環130和下內襯環150組裝後即得到圖1B所示的腔室內襯100結構示意圖。
在本發明中，腔室內襯100內部設置一氣流引導部116，氣流引導部116大致為一設有圓形開口且四邊圍成一矩形的平板結構，包括一與所述上壁101和底壁102平行的氣流引導面116a。氣流引導部116自矩形進氣口112延伸至出氣端，中間區域設有開口116b用於暴露位於處理空間內的基板。氣流引導部116的兩側邊與內襯主體的側壁103和側壁104相接觸，以實現對氣體的水平引導。氣流引導部116將處理空間分隔為位於氣流引導面116a和基板上方的反應空間，及位於基板下方的操作空間，以實現對不同處理步驟中基板的處理。在另外的實施例中，氣流引導面靠近進氣端的區域具有與基板共面的氣流引導面，在靠近出氣端的區域也可以具有不共面的氣流引導面。
圖2示出腔室外殼200的結構示意圖，如圖2所示，腔室外殼200的形狀與腔室內襯100的形狀相匹配，腔室內襯100和腔室外殼200套疊設置構成一腔室，所述腔室外殼200也包括一長方體狀主體結構，包括相互平行的外殼上壁201和外殼底壁202，外殼上壁201在對應上內襯開口117的位置設置上外殼開口217，外殼底壁202在對應下內襯開口119的位置設置下外殼開口219。上內襯開口117和上外殼開口217構成上蓋開口，下內襯開口119和下外殼開口219構成下蓋開口，在一種實施方式中，上蓋開口和下蓋開口為圓形，上蓋開口和下蓋開口上下對應，其直徑可以相同也可以為不同，在一種實施例中，上蓋開口和下蓋開口的直徑大於等於基板的直徑。
所述腔室外殼200還包括進氣端和出氣端，進氣端和出氣端分別設有與腔室內襯100的矩形進氣口和出氣口相匹配的矩形進氣開口212和出氣開口214，此外，腔室外殼200在進氣開口212外圍設有一圈限位槽213，當腔室內襯100安裝於腔室外殼200內部時，限位槽213可以容納腔室內襯的安裝邊113，確保腔室內襯100和腔室外殼200不會發生相互滑動。
由於本發明的基板處理裝置在工作過程中會產生較高熱量，為實現對腔室的溫度控制，腔室外殼200內部可以設置冷卻系統，由於腔室外殼200通常為金屬材質，可以方便地在其中加工流體媒介通道，通過控制流體的流速和種類實現對腔室的快速冷卻。
圖3示出一進氣裝置結構示意圖，進氣裝置包括進氣法蘭300，進氣法蘭內設置若干進氣通道332和矩形進氣槽310，進氣通道332在矩形進氣槽310的上方設置為一列或多列，進氣通道332連接外部的工藝氣體源，不同列的進氣通道可以輸送相同的工藝氣體，也可以輸送不同的工藝氣體。本實施例中矩形進氣槽310為沿著圖1B所示的處理空間的橫向方向連貫設置，在另外的實施例中，矩形進氣槽310內部也可以設置為若干分區，以實現對基板不同徑向區域的氣流調節。進氣法蘭300還包括一氣體隔板316，該氣體隔板將矩形進氣槽310分為位於氣體隔板316上方的工藝氣體進入口312和位於氣體隔板下方的操作口314，在本實施例中操作口314設置於氣體隔板361下方，用於傳輸基板。在另外的實施例中基板傳輸口也可以位於腔室的側壁103或104。進氣法蘭300設置在腔室內襯100和腔室外殼組成的腔室的前端，矩形進氣槽310與腔室的矩形進氣口112對應設置，在一種實施例中，氣體隔板316的上表面與腔室內襯100內部的氣流引導部116的氣流引導面116a位於相同的平面內，如圖3所示，工藝氣體進入口312為沿橫向方向連貫設置的矩形開口，進氣通道332內的工藝氣體以一定流速撞擊氣體隔板316後在工藝氣體進入口312內橫向擴散，然後經腔室的矩形進氣口112進入反應空間，經氣流引導部116的引導水平流至基板表面。
在另外的實施例中，氣流引導部116和氣體隔板316也可以位於不同的平面內，工藝氣體經過不共面的氣流引導部引導至基板表面，以適應不同反應腔的結構設計。
圖4示出一上蓋的結構示意圖，上蓋400包括允許熱輻射通過的窗口區域410和環繞窗口區域的外沿區域420。上蓋400置於腔室上方，用於對上內襯開口117和上外殼開口217進行覆蓋。在一種實施例中，上蓋的窗口區域為透明的石英材料，外沿區域也為石英材料，外沿區域可以是透明也可以是不透明的石英材料。在本發明中，上蓋400的窗口區域410為一穹頂狀結構，該穹頂狀窗口區域410沿著遠離處理空間的方向拱起一定高度，該穹頂設計可以使得上蓋400承受較大的壓力差，保證上蓋400安裝到上蓋開口後，處理空間抽真空的工藝條件下不至於發生破裂，同時，穹頂形的上蓋400可以適當降低上蓋400的厚度，提高熱輻射透過率。
圖5示出一下蓋的結構示意圖，下蓋500包括一中心區域510和環繞中心區域510的下蓋外沿區域520。下蓋500的中心區域510處還設置一容納開口525，用於容納支撐基板升降的驅動機構。在外延生長處理設備中，下蓋500的中心區域510通常也需要透過熱輻射，因此本發明中中心區域510也為透明的石英材料，下蓋外沿區域520可以為透明也可以為不透明的石英材料。與上蓋同理，在本發明中，下蓋500的窗口中心區域510也為一穹頂狀結構，該穹頂狀窗口中心區域510同樣沿著遠離處理空間的方向拱起一定高度，該穹頂設計可以使得上蓋承受較大的壓力差，保證下蓋500安裝到下蓋開口後，處理空間抽真空的工藝條件下不至於發生破裂，同時，穹頂形的下蓋500可以適當降低下蓋500的厚度，提高熱輻射透過率。
圖6A示出腔室內襯100、腔室外殼200、進氣法蘭300以及上蓋400和下蓋500（圖中未示出）組裝後形成的腔室的立體結構示意圖，圖6B示出上述部件組裝後腔室的俯視圖，由圖6A和6B可知，本發明的半導體處理腔室的主體為一長方體結構，腔室內部形成一縱長形的長方體處理空間，以實現工藝氣體的層流分佈。在圖6B所示的示意圖中，虛線箭頭表示工藝氣體流動示意圖，可以看出本發明的基板處理裝置內，工藝氣體可以沿著平行設置的內襯側壁103和104以及腔室內襯上壁101和基板所在的平面圍成的方體狀氣體分佈空間水平傳輸，實現理想的層流分佈環境。本發明的腔室內襯100採用自進氣端到出氣端一體結構設置的石英內襯主體，並在腔室內襯100外表面設置與之形狀匹配的金屬腔室外殼200，金屬製成的腔室外殼200可以很好的承受外界大氣壓力，具有很高的機械強度，石英製成的腔室內襯可以避免工藝氣體與金屬發生反應，產生不必要的金屬污染，保證基板工藝處理的穩定進行。
如圖6B所示，腔室的進氣端與基板邊緣預熱環的距離M小於腔室的出氣端與基板邊緣預熱環的距離N，因此，出氣端氣體出口的形狀對形成長方體狀的氣體分佈空間影響較小，為了腔室設置的考慮，出氣端的氣體出口可以設置為矩形，也可以設置為其他形狀。
本發明示出的基板處理裝置主要用於對基板進行外延氣相沉積工藝，例如在基板表面進行矽或者矽鍺材料的外延生長，由於這些外延材料通常是半導體裝置的底層，關鍵尺寸（CD）極小，通常只有幾個奈米，而且不能承受長時間高溫，否則會導致半導體裝置損壞，所以需要在極短時間內加熱基板到足夠進行矽或鍺材料外延生長的溫度。對於該類工藝，目前業界通常採用紅外輻射的加熱方式，通過透明的腔室外殼將位於真空環境下的基板暴露於紅外輻射源之下。石英是一種滿足透光且適於大規模工業生產的腔室外殼材料，其具有耐高溫且光透過性強的優點，然而，由於腔室內的處理空間要接近真空環境，腔室內外的壓力差過大，為了保證石英外壁的機械強度，需要將石英外壁設置較大厚度或設置加強筋結構，較大的厚度或者額外設置加強筋結構會對石英的透光性造成影響，導致出現熱輻射透過率低或熱輻射透過不均勻的問題。
本發明公開了一種矩形腔室加穹頂形上蓋、下蓋的結構設置，內外兩層設置的矩形腔室提供一大致為長方體的處理空間，通過將腔室內襯主體110設置兩平行的側壁103和104，保證在基板上方形成具有一定高度的方體狀氣體分佈空間且該方體狀氣體分佈空間的橫向寬度大於基板的直徑，以便在基板表面提供層流分佈的工藝氣體，避免工藝氣體在基板上方流動時兩側區域發生橫向擴散，提高基板不同徑向區域的薄膜生長均勻性。由於基板在工藝過程中按照一定速度進行旋轉，該方體狀氣體分佈空間的設置可以降低基板旋轉時對邊緣區域氣流形成的擾動，與圓筒狀的處理空間邊緣區域氣體容易在旋轉基板的帶動下發生大幅度擾動相比，本發明的技術方案可進一步提高氣體流動的穩定性，保證基板不同區域薄膜生長的均勻性。具有一定高度的拱形上蓋可以有效降低上蓋的厚度，提高紅外輻射的透過率。同時，拱形上蓋400設置於腔室上方，通過上蓋400的外沿區域420與腔室外殼200固定，使得上蓋400的承壓效果較好，可以降低上蓋400拱起的高度。
圖7示出沿圖6B的A-A方向的剖面示意圖，下文將根據圖7所示的反應腔結構對本發明的工作原理進行詳細介紹。
在圖7所示的示意圖中，腔室的上蓋開口被上蓋400覆蓋，上蓋400的外沿區域420與上蓋開口之間設置上內襯環130；腔室下蓋開口被下蓋500覆蓋，下蓋外沿區域520與下蓋開口之間設置下內襯環150，上內襯環130和下內襯環150均為石英材質，用於將金屬的腔室外殼200與處理空間進行隔離，避免金屬腔室外殼200與工藝氣體發生反應，產生金屬污染。本發明中上蓋外沿區域420通過一上夾緊環242實現與腔室外殼200上壁的連接固定，下蓋外沿區域520通過一下夾緊環252實現與腔室外殼200底壁的連接固定，上夾緊環242和下夾緊環252可以釋放上蓋400和下蓋500的部分橫向壓力，保證上蓋400和下蓋500在承受較高內外壓力差時不發生破碎。同時，為確保處理空間內的壓力可控，上蓋400和下蓋500在與腔室安裝時，安裝的接觸面可以根據需要設置密封圈結構，此處不再贅述。
腔室內襯100內部圍成的處理空間被氣流引導部116分隔為上方的反應空間162和下方的操作空間164，一基板承載裝置620置於腔室的處理空間內，基板承載裝置620下方設置一驅動機構610， 驅動機構610可驅動基板承載裝置620上下移動或旋轉運動，實現基板W在反應空間的工藝位置和操作空間的裝卸位置的切換。其中驅動機構610的至少部分區域位於下蓋的容納開口525內，基板承載裝置620的邊緣區域設置一預熱環630，預熱環630可實現對流經工藝氣體的提前加熱，使得工藝氣體在到達基板邊緣區域時即達到工藝需要的溫度，直接在基板W表面進行外延工藝處理。
在工藝開始前，基板承載裝置620降至操作空間164處，基板自操作口314傳入後置於基板承載裝置620上方，驅動機構610驅動基板承載裝置及基板上升至工藝位置，即圖中所示位置。在工藝位置下，基板上表面位於反應空間162內，腔室上方的加熱組件710和下方的加熱組件720工作，其釋放的紅外輻射透過上蓋400的窗口區域410和下蓋500的中心區域510對基板W及其外圍的預熱環630進行加熱。 同時，工藝氣體經進氣通道332進入進氣法蘭300，進氣法蘭300的進氣通道332與工藝氣體進入口312垂直設置，工藝氣體以一定流速自進氣通道332的出口流至工藝氣體進入口312，在氣體隔板316的阻擋下氣流由垂直方向調整為水平方向並在調整過程中實現氣體的擴散混合。氣體隔板316與腔室內襯100內的氣流引導部116具有相同高度表的上面並與基板W上表面共面，氣流引導部116引導工藝氣體在處理空間內水平傳輸，工藝氣體經過預熱環630的預熱，至基板W區域時即可開始進行外延工藝處理，驅動機構610驅動基板承載裝置620旋轉，以實現對不同區域的基板W進行均勻地外延生長。反應完成的工藝氣體經矩形出氣口114流出處理空間。
本實施例中氣流引導部116自矩形進氣口112水平延伸至矩形出氣口114，在另外的實施例中，靠近矩形出氣口114的氣流引導部116與靠近矩形進氣口112的氣流引導部116位於不同的平面內，以適應不同的反應腔設計。
上述實施例中，上蓋400上方和下蓋500下方分別設置加熱組件710、720，此時，上蓋400窗口區域410和和下蓋500的中心區域均為透明的石英材料，在其他實施例中，也可以不設置透明下蓋，僅靠上蓋400透過的紅外輻射對基板W進行照射產生沉積反應。
上述實施例中基板傳輸口設置於進氣法蘭的氣體隔板316下方，在另外的實施例中，基板傳輸口也可以設置於腔室的側壁，如圖1A中的側壁103或側壁104，此時，基板傳輸口包括位於所述內襯側壁的內襯傳片口和位於所述腔室外殼的外殼傳片口。此時操作口314可用於輸送摻雜氣體或者其他工藝需要的氣體。
本發明提供的基板處理裝置能夠在基板上方形成橫向寬度大於基板直徑的方體狀氣體分佈空間，可以有效避免工藝氣體發生橫向擴散，確保流經基板中心區域和邊緣區域的氣流均勻穩定，進而在基板表面的中心區域和邊緣區域進行均勻氣相沉積；採用一體製成的內襯主體結構，避免了多個零部件連接時可能造成的顆粒污染問題。在腔室內襯外部設置金屬的腔室外殼，可以有效提高腔室的抗壓能力，將透過熱輻射的上蓋和下蓋固定至金屬外殼上，可以有效釋放上蓋和下蓋承受的壓力，進而使得上蓋和下蓋的拱起高度較小，有助於保持處理空間內的層流氣體分佈，保證基板處理的均勻性。上內襯環和下內襯環的設計將金屬的腔室外殼與處理空間進行隔離，減少了金屬污染。
本發明提供的腔室結構，腔室內襯的外表面和腔室外殼的內表面可以接觸，也可以設置一定間隙。然而，無論二者是否接觸，由於腔室內襯和腔室外殼都為硬材質，二者之間都可以實現氣體擴散。本發明在腔室外殼設置吹掃氣體通道入口232和吹掃氣體通道出口234，吹掃氣體經吹掃氣體通道入口232進入腔室內襯的外表面和腔室外殼的內表面之間，通過控制吹掃氣體的壓力可以實現對腔室內襯的外表面和腔室外殼的內表面之間的顆粒污染物的清潔。在一種實施例中，通過控制處理空間內的壓力大於腔室內襯的外表面和腔室外殼的內表面之間的吹掃氣體的壓力，可以有效防止吹掃氣體進入處理空間，降低顆粒污染物污染基板。本發明的吹掃氣體在腔室內襯和腔室外殼之間流動，無需進入處理空間，與需要在操作空間內通入吹掃氣體的方案相比，本發明可以大大降低顆粒污染物對處理過程中和處理結束後的基板的污染。
在圖7所述的基板處理裝置中，還包括一熱交換系統（圖未繪示），該熱交換系統包括冷卻氣體系統和位於金屬外殼內部的流體冷卻系統，二者共同作用使得基板處理裝置的溫度可控。
本發明公開的半導體處理腔不僅適用於執行化學氣相沉積工藝，在其他對氣流分佈要求嚴格的半導體處理工藝中同樣適用，此處不再贅述。
儘管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域具有通常知識者閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的申請專利範圍來限定。
100:腔室內襯
110:內襯主體
112:矩形進氣口
112a:第一邊
112b:第二邊
113:安裝邊
114:矩形出氣口
H:高度
L
1:縱向長度
L
2:橫向寬度
130:上內襯環
150:下內襯環
101:上壁
102:底壁
103,104:側壁
116:氣流引導部
116a:氣流引導面
116b:開口
117:上內襯開口
119:下內襯開口
162:反應空間
164:操作空間
200:腔室外殼
201:外殼上壁
202:外殼底壁
217:上外殼開口
219:下外殼開口
212:進氣開口
213:限位槽
214:出氣開口
232:吹掃氣體通道入口
234:吹掃氣體通道出口
242:上夾緊環
252:下夾緊環
300:進氣法蘭
312:工藝氣體進入口
314:操作口
316:氣體隔板
332:進氣通道
310:矩形進氣槽
400:上蓋
410:窗口區域
420:外沿區域
500:下蓋
510:中心區域
520:下蓋外沿區域
525:容納開口
M,N:距離
610:驅動機構
620:基板承載裝置
630:預熱環
W:基板
710,720:加熱組件
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的圖式作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的圖式僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域具有通常知識者來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些圖式獲得其他的圖式。
圖1A為本發明腔室內襯的爆炸示意圖；
圖1B為本發明腔室內襯組裝結構示意圖；
圖2為腔室外殼結構示意圖；
圖3為進氣裝置結構示意圖；
圖4為上蓋結構示意圖；
圖5為下蓋結構示意圖；
圖6A為腔室裝配立體結構示意圖；
圖6B為圖6A的俯視圖；
圖7為沿圖6B的A-A截面示意圖。
100:腔室內襯
110:內襯主體
112:矩形進氣口
112a:第一邊
112b:第二邊
113:安裝邊
114:矩形出氣口
116:氣流引導部
H:高度
L1:縱向長度
L2:橫向寬度
Claims (32)
- 一種基板處理裝置，用於對基板進行氣相外延工藝處理，包括： 腔室，所述腔室包括相互套疊設置的腔室內襯和位於所述腔室內襯外部的腔室外殼，所述腔室內襯整體呈方體結構，包括設有一上內襯開口的內襯上壁和一內襯底壁，以及位於所述內襯上壁和所述內襯底壁之間的兩個相互平行的內襯側壁；所述腔室內襯相對的兩側分別設置一進氣端和一出氣端，用於供應工藝氣體； 可透過熱輻射的上蓋，用於覆蓋所述上內襯開口，並與所述腔室圍成一處理空間； 基板承載裝置，位於所述處理空間內，並設置於所述上蓋下方，用於在工藝過程中承載所述基板； 所述基板上方形成一方體狀氣體分佈空間，所述方體狀氣體分佈空間具有沿著氣流方向的縱向方向、與所述氣流方向共面且垂直於所述氣流方向的橫向方向以及垂直於所述基板的高度方向，所述方體狀氣體分佈空間的橫向寬度等於所述兩平行內襯側壁之間的距離且大於所述基板的直徑。
- 如請求項1所述的基板處理裝置，其中，所述進氣端包括一矩形進氣口，所述出氣端包括一矩形出氣口，所述矩形進氣口的橫向寬度小於等於所述兩平行內襯側壁之間的距離。
- 如請求項1所述的基板處理裝置，其中，所述腔室內襯包括一內襯主體，所述內襯主體自所述進氣端至所述出氣端一體結構設置。
- 如請求項1所述的基板處理裝置，其中，所述內襯底壁設置一下內襯開口，所述腔室外殼包括一外殼上壁和一外殼底壁，所述外殼上壁和外殼底壁分別設置與所述上內襯開口和所述下內襯開口對應的上外殼開口和下外殼開口。
- 如請求項4所述的基板處理裝置，其中，所述基板處理裝置包括一下蓋，所述下蓋覆蓋所述下內襯開口和所述下外殼開口。
- 如請求項4所述的基板處理裝置，其中，所述腔室內襯還包括一上內襯環和一下內襯環，所述上內襯環設置於所述上蓋的外圍與所述上內襯開口之間，用於避免所述腔室外殼與所述處理空間接觸，所述下內襯環設置於所述下蓋的外圍與所述下內襯開口之間，用於避免所述腔室外殼與所述處理空間接觸。
- 如請求項1所述的基板處理裝置，其中，工藝過程中，所述內襯主體的所述兩平行內襯側壁引導所述方體狀氣體分佈空間兩側的工藝氣體直線傳輸。
- 如請求項1所述的基板處理裝置，其中，所述上蓋包括向遠離所述處理空間的方向凸起的窗口區域和環繞所述窗口區域的外沿區域。
- 如請求項5所述的基板處理裝置，其中，所述下蓋包括向遠離所述處理空間的方向凸起的中心區域，所述中心區域設有容納一驅動機構的一容納開口，所述驅動機構用於驅動所述基板承載裝置升降和/或旋轉。
- 如請求項1所述的基板處理裝置，其中，所述腔室內襯的內部靠近所述進氣端設置一氣流引導部，所述氣流引導部用於將工藝氣體水平引導至所述基板表面。
- 如請求項10所述的基板處理裝置，其中，所述基板外圍環繞設置一預熱環，所述氣流引導部至少部分地設置於所述預熱環外圍。
- 如請求項10所述的基板處理裝置，其中，所述氣流引導部包括一氣流引導面，所述氣流引導面與所述基板上表面位於相同的平面內。
- 如請求項10所述的基板處理裝置，其中，所述氣流引導部將所述處理空間分隔為位於基板上方的反應空間和位於基板下方的操作空間。
- 如請求項10所述的基板處理裝置，其中，所述腔室的前端連接一進氣法蘭，所述進氣法蘭內設置若干進氣通道和矩形進氣槽。
- 如請求項14所述的基板處理裝置，其中，所述進氣法蘭還包括一氣體隔板，所述氣體隔板將所述矩形進氣槽分為位於所述氣體隔板上方的工藝氣體進入口和位於所述氣體隔板下方的操作口。
- 如請求項15所述的基板處理裝置，其中，所述腔室內襯的內部設置一氣流引導部，所述氣流引導部與所述氣體隔板的上表面位於同一平面內。
- 如請求項1所述的基板處理裝置，其中，所述兩平行內襯側壁之一設置一內襯傳片口用於進行基板傳輸，所述腔室外殼對應所述內襯傳片口的位置設置一外殼傳片口。
- 如請求項2所述的基板處理裝置，其中，所述矩形出氣口與所述矩形進氣口具有相同或不同的形狀和/或尺寸。
- 如請求項1所述的基板處理裝置，其中，所述腔室內襯為石英材質，所述腔室外殼為金屬材質。
- 如請求項1所述的基板處理裝置，其中，所述腔室外殼的內表面與所述腔室內襯的外表面相互接觸或者設有一定間隙。
- 如請求項20所述的基板處理裝置，其中，所述腔室外殼設有一吹掃氣體通道，吹掃氣體經所述吹掃氣體通道進入所述腔室外殼和所述腔室內襯之間進行吹掃。
- 如請求項21所述的基板處理裝置，其中，工藝過程中所述處理空間內的壓力大於等於所述腔室外殼和所述腔室內襯之間吹掃氣體的壓力。
- 如請求項1所述的基板處理裝置，其中，所述基板處理裝置包括熱交換系統，所述熱交換系統包括位於所述腔室外部的風冷系統和位於所述腔室外殼內部的流體冷卻系統。
- 如請求項1所述的基板處理裝置，其中，所述方體狀氣體分佈空間的高度小於等於所述基板所在的平面與所述內襯上壁所在的平面之間的距離。
- 一種腔室內襯，用於基板處理裝置中為基板處理提供處理空間，包括： 整體呈方體結構的一內襯主體，所述內襯主體包括設有一上內襯開口的一內襯上壁和一內襯底壁，以及與所述內襯上壁和所述內襯底壁連接的兩平行內襯側壁；所述內襯主體相對的兩側設置一矩形進氣口和一矩形出氣口，所述內襯主體內部包括一方體狀空間，所述方體狀空間的橫向寬度等於所述兩平行內襯側壁之間的距離且大於所述基板的直徑。
- 如請求項25所述的腔室內襯，其中，所述矩形出氣口與所述矩形進氣口具有相同或不同的形狀和/或尺寸。
- 如請求項25所述的腔室內襯，其中，所述內襯主體自所述矩形進氣口至所述矩形出氣口一體設置。
- 如請求項25所述的腔室內襯，其中，所述腔室內襯還包括一上內襯環，所述上內襯環的外徑與所述上內襯開口的內徑相匹配。
- 如請求項25所述的腔室內襯，其中，所述腔室內襯還包括一下內襯環，所述下內襯環的外徑與所述下內襯開口的內徑相匹配。
- 如請求項25所述的腔室內襯，其中，所述腔室內襯的內部靠近所述矩形進氣口設置一氣流引導部，所述氣流引導部具有平行於所述上壁的氣流引導面。
- 如請求項25所述的腔室內襯，其中，所述內襯主體在所述矩形進氣口的外圍處設置安裝邊。
- 如請求項25至31任一項所述的腔室內襯，其中，所述腔室內襯為石英材料。
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