旋转加热装置、气相沉积设备和方法与流程

1.本技术涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种旋转加热装置、气相沉积设备和方法。


背景技术：

2.在半导体领域中，通过化学气相沉积法沉积膜结构是一种常见的工艺。在气相沉积过程中，气体原料从进入反应腔室，由于反应腔室形状不规则，导致反应腔室内流场分布不均匀，比如越靠近气体入口的位置气体流速越快，从而可能导致腔室内温度不均匀。不均匀的温度场会导致成膜质量降低。


技术实现要素：

3.本技术的目的包括提供一种旋转加热装置、气相沉积设备和方法，其能够改善现有技术中因温度场不均导致的成膜质量差的问题。
4.本技术的实施例可以这样实现：
5.第一方面，本技术提供一种旋转加热装置，包括：
6.承载部，具有用于承载晶圆的承载面，承载部内设置有加热通道，加热通道具有入口和出口；
7.驱动机构，与承载部传动连接，用于驱动承载部旋转；
8.加热机构，与所述入口和所述出口形成环路，所述加热机构用于加热所述环路中的热媒并驱动所述热媒循环流动。
9.在可选的实施方式中，加热通道包括曲率半径不同的多个弧形通道，各个弧形通道的同心设置且曲率中心位于承载部的转动轴线上，各个弧形通道依次连通。
10.在可选的实施方式中，承载部为圆盘状，弧形通道的曲率中心位于承载部的中心，加热通道的入口和出口均位于承载部的中部。
11.在可选的实施方式中，包括加热器、输入管路、输出管路以及输送泵，输入管路的一端连接加热通道的入口，另一端连接加热器，输出管路的一端连接加热通道的出口，另一端连接加热器，加热器、输入管路、输出管路以及加热通道形成环路，加热器用于加热热媒，输送泵用于驱动环路中的热媒循环流动。
12.在可选的实施方式中，旋转加热装置还包括：
13.第一温度传感器，用于检测输入管路中的热媒的温度；
14.第二温度传感器，用于检测输出管路中的热媒的温度；
15.第三温度传感器，用于检测承载部的温度。
16.在可选的实施方式中，承载部的承载面上设置有真空吸附口。
17.第二方面，本技术提供一种气相沉积设备，包括反应腔室和前述实施方式中任一项的旋转加热装置，旋转加热装置的承载部设置于反应腔室内。
18.在可选的实施方式中，包括两个反应腔室和两个旋转加热装置，两个旋转加热装
置的承载部分别设置在两个反应腔室内。
19.在可选的实施方式中，反应腔室包括顶盖，顶盖在竖直方向上与承载部的承载面相对，顶盖内设置有顶盖加热组件。
20.在可选的实施方式中，顶盖中部开设有避让孔，顶盖加热组件包括内加热圈和外加热圈，内加热圈和外加热圈围绕于避让孔外侧且同心设置。
21.第三方面，本技术提供一种气相沉积方法，使用前述实施方式中任一项的气相沉积设备，气相沉积方法包括：
22.向反应腔室内输入气态原料；
23.控制驱动机构驱动承载有晶圆的承载部转动，并控制控制加热机构加热热媒以及驱动热媒循环流动，以使承载部的温度处于预设温度范围内。
24.在可选的实施方式中，预设温度范围为55～95℃。
25.在可选的实施方式中，控制驱动机构驱动承载部转动的步骤，包括：
26.控制驱动机构驱动承载部交替地以第一方向和第二方向转动，第一方向与第二方向相反。
27.本技术实施例的有益效果包括，例如：
28.本技术提供的旋转加热装置包括承载部、驱动机构以及加热机构。承载部具有用于承载晶圆的承载面，承载部内设置有加热通道，加热通道具有入口和出口。驱动机构与承载部传动连接，用于驱动承载部旋转。加热机构与入口和出口形成环路，加热机构用于加热环路中的热媒并驱动热媒循环流动。在本技术实施例中，承载盘可以在驱动机构的驱动下转动，在转动的过程中成膜，能够改善因反应腔室内温度场、流场不均导致的晶圆表面气体难以均匀分布的问题，从而改善成膜质量。另外，通过向承载部内注入热媒来控制承载部的温度，能够使承载部保持在合适的工艺温度，并且承载部温度均匀，有利于提高沉积质量。
29.本技术实施例提供的气相沉积设备包括上述的旋转加热装置，因此能够保证工艺的稳定性，具有较佳的沉积质量。本技术实施例提供的气相沉积方法，使用上述的气相沉积设备进行沉积，具有较佳的沉积效果。
附图说明
30.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
31.图1为本技术一种实施例中旋转加热装置的示意图；
32.图2为本技术实施例中承载部的示意图；
33.图3为本技术一种实施例中加热机构与承载部连接示意图；
34.图4为本技术一种实施例中气相沉积设备的示意图；
35.图5为本技术一种实施例中顶盖的示意图。
36.图标：010-气相沉积设备；100-旋转加热装置；110-承载部；111-加热通道；111a-入口；111b-出口；112-真空吸附口；113-第三温度传感器；120-驱动机构；121-主轴；130-加热机构；131-加热器；132-输入管路；1321-第一温度传感器；133-输出管路；1331-第二温度
传感器；134-流量阀；200-反应腔室；210-顶盖；211-避让孔；212-顶盖加热组件；2121-内加热圈；2122-外加热圈；213-喷淋头。
具体实施方式
37.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
38.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
39.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
40.在本技术的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
41.此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
42.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例中的特征可以相互结合。
43.图1为本技术一种实施例中旋转加热装置100的示意图。如图1所示，本技术实施例提供的旋转加热装置100包括承载部110、驱动机构120和加热机构130。其中，承载部110具有用于承载晶圆的承载面。驱动机构120与承载部110传动连接，用于驱动承载部110旋转。加热机构130用于对承载部110进行加热。在本技术实施例中，将晶圆放置于承载部110上进行化学气相沉积形成膜的过程中，通过驱动承载部110旋转，能够使得晶圆在所处的气流场、温度场存在不均的情况下，也可以将温度场、流场的不均对成膜均匀性的影响降低，换言之，使得成膜更加均匀。另外，通过转动，流动性膜层在离心力的作用下也会分布地更加均匀，有利于保证膜层厚度等参数处于合理范围内。另外，通过加热机构130对承载部110进行加热，能够控制承载部110的温度保持在合适的温度，进而保证合适的沉积工艺温度，有利于提高成膜质量。
44.图2为本技术实施例中承载部110的示意图。如图2所示，承载部110内设置有加热通道111，加热通道111具有入口111a和出口111b。加热通道111供热媒流动，通过向加热通道111内持续输入合适温度的热媒，从而能够令承载部110处于合适的温度。在本实施例中，热媒可以是水、油或者其他流体介质。
45.在本实施例中，承载部110为圆盘状，其转动轴线位于自身的几何中心。加热通道111的入口111a和出口111b均设置在承载部110的中部。加热通道111包括曲率半径不同的多个弧形通道，各个弧形通道依次连通。本实施例中，各个弧形通道的同心设置且曲率中心位于承载部110的转动轴线上，也即与承载部110同心。从图2可以看出，热媒从入口111a进
入后，会进入到最内侧的一个弧形通道内，然后通过一段直线通道进入到最外侧的弧形通道，然后从外至内的逐层地进入到内侧的各个弧形通道，最终从出口111b流出。入口111a和出口111b可以设置在承载部110上背离承载面的一侧。
46.可选的，各个弧形通道在其径向上的宽度为9～13mm，在承载部110轴向上的高度为6～9mm，如此使得加热通道111的腔体为扁腔。通过加强换热面积，有利于加强加热通道111内的热媒与承载部110之间的换热效率。
47.可通过调整相邻两圈的弧形通道之间间距，使得承载部110中部和边缘温度趋于一致。比如，在热媒流动方向上处于上游的通道排布地比下游的通道稀疏，因为上游的热媒的温度会比下游的热媒更高。本实施例中，加热通道111包括在承载部110的径向上分布的五圈曲率半径不同的弧形通道。在可选的其他实施例中，弧形通道的圈数可以根据需要进行增减。可以理解，加热通道111在承载部110上分布越密，整个承载部110的温度越均匀。
48.在本实施例中，承载面上设置有真空吸附口112，承载部110可以通过真空吸附的方式固定晶圆。真空吸附口112设置在承载面中部区域。
49.在图1实施例中，驱动机构120与承载部110之间连接有主轴121，主轴121起到对承载部110的支撑作用。主轴121可以包括套筒以及设置在套筒内的转轴，转轴的一端与承载部110连接，另一端与驱动机构120传动连接。转轴可相对于套筒转动，以使套筒在承载部110和转轴转动的时候可以保持静止。驱动机构120可包括电机以及其他传动结构(比如齿轮、齿条、传动带、链条等)。
50.图3为本技术一种实施例中加热机构130与承载部110连接示意图。如图3所示，加热机构130包括加热器131、输入管路132、输出管路133以及输送泵(图中未示出)，输入管路132的一端连接加热通道111的入口111a，另一端连接加热器131，输出管路133的一端连接加热通道111的出口111b，另一端连接加热器131，加热器131、输入管路132，输出管路133以及加热通道111形成环路，加热器131用于加热热媒，输送泵用于驱动环路中的热媒循环流动。
51.本实施例中，输入管路132、输出管路133部分埋设于主轴121内。在可选的其他实施例中，整个加热机构130可以设置在主轴121上。
52.进一步的，旋转加热装置100还包括第一温度传感器1321、第二温度传感器1331和第三温度传感器113。其中，第一温度传感器1321用于检测输入管路132中的热媒的温度；第二温度传感器1331用于检测输出管路133中的热媒的温度；第三温度传感器113用于检测承载部110的温度。第一温度传感器1321能够检测将进入加热通道111的热媒温度；第二温度传感器1331能够检测离开加热通道111的热媒温度。在本实施例中，第三温度传感器113具体用于检测承载面，从而使得晶圆所处的环境温度能够得到监控。第一温度传感器1321和第二温度传感器1331反馈的信息(尤其是温差)能够方便技术人员了解承载部110与热媒之间的换热情况。三个温度传感器的数据还可以互相印证，使得当其中一个传感器发生异常情况时能够被及时排查出来。
53.进一步的，第三温度传感器113可以包括多个探测点，多个探测点离散地分布在承载面上，用于检测整个承载面的温度情况。
54.进一步的，输入管路132或者输出管路133上可以设置流量计和流量阀134，以对流量进行监控和调整。比如，在承载部110温度偏低的情况下，可控制热媒流量增大，来提升承
载部110的温度。
55.可选的，加热器131可以是热水机，包括水箱和设置在水箱内的加热件，水箱可以用于存储热媒，加热件可以用于加热水箱内的热媒。输送泵可以集成在热水机中，或者独立地设置在热水机外。
56.图4为本技术一种实施例中气相沉积设备010的示意图。如图4所示，本技术实施例提供的气相沉积设备010，包括反应腔室200和上述实施例的旋转加热装置100，旋转加热装置100的承载部110设置于反应腔室200内，主轴121从反应腔室200内伸出，与驱动机构120(未在图4中示出)相连。反应腔室200内用于进行化学气相沉积工艺。
57.本实施例的气相沉积设备010包括两个反应腔室200和两个旋转加热装置100，两个旋转加热装置100的承载部110分别设置在两个反应腔室200内。进一步的，两个旋转加热装置100共用一个加热器131，由主管路分出两个输入管路132(以及输出管路133)与两个承载部110相连。共用一个加热器131的好处在于使得两个承载部110的温度接近，有利于提高工艺一致性。而两个输入管路132的流量可以通过流量阀134单独控制，在承载部110温度略有偏差的情况下，可以通过调节流量来使两个承载部110的温度趋于一致。
58.图5为本技术一种实施例中顶盖210的示意图。如图4和图5所示，本实施例中的反应腔室200包括顶盖210，顶盖210在竖直方向上与承载部110的承载面相对，气态原料(比如氨气)从顶盖210处进入反应腔室200内，参与化学气相沉积。本实施例中，顶盖210内设置有顶盖加热组件212，顶盖加热组件212用于辅助调整反应腔室200内的温度，从而为沉积工艺创造良好的条件。
59.在本实施例中，顶盖210中部开设有避让孔211，避让孔211用于辅助供气的相关部件，比如本实施例中的喷淋头213。顶盖加热组件212包括内加热圈2121和外加热圈2122，内加热圈2121和外加热圈2122围绕于避让孔211外侧且同心设置，通过电阻加热原理进行加热。当因环境因素造成温度偏低时，可以启动顶盖加热组件212进行热量补充。当两个反应腔室200内存在温度差异时，也可以通过顶盖加热组件212以及加热机构130来进行调节，保证两个反应腔室200保持较高的工艺一致性。可选的，内加热圈2121的功率为1～2kw，外加热圈2122的功率为1.5～3kw。
60.本技术实施例还提供一种气相沉积方法，使用上述实施例提供的气相沉积设备010。该气相沉积方法包括：
61.向反应腔室200内输入气态原料；控制驱动机构120驱动承载有晶圆的承载部110转动，并控制加热机构130加热热媒以及驱动热媒循环流动，以使承载部110的温度处于预设温度范围内。
62.本技术实施例中，向反应腔室200内输入的气态原料为参与化学气相沉积的工艺气体，比如氨气。以本技术实施例提供的气相沉积设备010为例，可控制驱动机构120驱动承载部110的匀速旋转。由于转速过快会导致流动性膜层离心扩散，造成膜层中间薄，四周厚；转速太慢将导致气流无法均匀分散到晶圆上的所有位置，所以为提高膜层的均匀性，将转速设定为1～24r/min。
63.可选的，控制驱动机构120驱动承载部110交替地以第一方向和第二方向转动，第一方向与第二方向相反。在一个具体实施例中，承载部110顺时针转动30s，再逆时针转动30s，如此交替进行。通过往复转动，能够减少因单向转动的惯性力导致的膜层分布不均的
问题。在一个具体的实施例中，两个反应腔室200以相同的工艺参数同步进行沉积，当其中一个承载部110以第一方向转动时，另一个承载部110以第二方向转动。使得两个腔室的工艺能够趋于一致，成膜质量稳定。
64.可选的，控制承载部110所处的预设温度范围为55～95℃。当通过第三温度传感器113检测到承载部110温度低于预设温度时，可控制流量阀134提高流量，和/或，控制顶盖加热组件212进行辅助加热，来使承载部110温度提升。当通过第三温度传感器113检测到承载部110温度过高时，应停用顶盖加热组件212，并通过调小热媒流量，使得承载部110温度降低。当两个承载部110温度存在差异时，也可以通过控制热媒流量或者顶盖加热组件212来进行平衡。可以理解，关于温度的调节可以通过控制器自动化实现，从而节省人力成本。
65.在可选的其他实施例中，也可以对加热器131(比如热水机)内热媒温度t、输入管路132中热媒温度t1、输出管路133中热媒温度t2以及承载部110温度t3进行数据统计，建立温度数据库。加热器131内热媒温度t设定后，软件自动读取t1、t2和t3，从而寻找出t与t1、t2、t3参数间的pid整定关系，进而通过调节加热器131内热媒温度t来保证承载部110温度t3满足工艺要求。
66.综上所述，本技术提供的旋转加热装置100包括承载部110、驱动机构120以及加热机构130。承载部110具有用于承载晶圆的承载面，承载部110内设置有加热通道111，加热通道111具有入口111a和出口111b。驱动机构120与承载部110传动连接，用于驱动承载部110旋转。加热机构130与入口111a和出口111b形成环路，加热机构130用于加热环路中的热媒并驱动环路中的热媒循环流动。在本技术实施例中，承载盘可以在驱动机构120的驱动下转动，在转动的过程中成膜，能够改善因反应腔室200内温度场、流场不均导致的晶圆表面气体难以均匀分布的问题，从而改善成膜质量。另外，通过向承载部110内注入热媒来控制承载部110的温度，能够使承载部110保持在合适的工艺温度，并且承载部110温度均匀，有利于提高沉积质量。
67.本技术实施例提供的气相沉积设备010包括上述的旋转加热装置100，因此能够保证工艺的稳定性，具有较佳的沉积质量。本技术实施例提供的气相沉积方法，使用上述的气相沉积设备010进行沉积，具有较佳的沉积效果。
68.以上，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种旋转加热装置，其特征在于，包括：承载部，具有用于承载晶圆的承载面，所述承载部内设置有加热通道，所述加热通道具有入口和出口；驱动机构，与所述承载部传动连接，用于驱动所述承载部旋转；加热机构，与所述入口和所述出口形成环路，所述加热机构用于加热所述环路中的热媒并驱动所述热媒循环流动。2.根据权利要求1所述的旋转加热装置，其特征在于，所述加热通道包括曲率半径不同的多个弧形通道，各个所述弧形通道的同心设置且曲率中心位于所述承载部的转动轴线上，各个所述弧形通道依次连通。3.根据权利要求2所述的旋转加热装置，其特征在于，所述承载部为圆盘状，所述弧形通道的曲率中心位于所述承载部的中心，所述加热通道的入口和出口均位于所述承载部的中部。4.根据权利要求1所述的旋转加热装置，其特征在于，包括加热器、输入管路、输出管路以及输送泵，所述输入管路的一端连接所述加热通道的入口，另一端连接所述加热器，所述输出管路的一端连接所述加热通道的出口，另一端连接所述加热器，所述加热器、所述输入管路、所述输出管路以及所述加热通道形成所述环路，所述加热器用于加热所述热媒，所述输送泵用于驱动所述环路中的热媒循环流动。5.根据权利要求4所述的旋转加热装置，其特征在于，所述旋转加热装置还包括：第一温度传感器，用于检测所述输入管路中的所述热媒的温度；第二温度传感器，用于检测所述输出管路中的所述热媒的温度；第三温度传感器，用于检测所述承载部的温度。6.根据权利要求1所述的旋转加热装置，其特征在于，所述承载部的所述承载面上设置有真空吸附口。7.一种气相沉积设备，其特征在于，包括反应腔室和权利要求1-5中任一项所述的旋转加热装置，所述旋转加热装置的所述承载部设置于所述反应腔室内。8.根据权利要求7所述的气相沉积设备，其特征在于，包括两个所述反应腔室和两个所述旋转加热装置，两个所述旋转加热装置的所述承载部分别设置在两个所述反应腔室内。9.根据权利要求7所述的气相沉积设备，其特征在于，所述反应腔室包括顶盖，所述顶盖在竖直方向上与所述承载部的承载面相对，所述顶盖内设置有顶盖加热组件。10.根据权利要求9所述的气相沉积设备，其特征在于，所述顶盖中部开设有避让孔，所述顶盖加热组件包括内加热圈和外加热圈，所述内加热圈和所述外加热圈围绕于所述避让孔外侧且同心设置。11.一种气相沉积方法，其特征在于，使用权利要求7-10中任一项所述的气相沉积设备，所述气相沉积方法包括：向所述反应腔室内输入气态原料；控制所述驱动机构驱动承载有晶圆的所述承载部转动，并控制所述加热机构加热所述热媒以及驱动所述热媒循环流动，以使所述承载部的温度处于预设温度范围内。12.根据权利要求11所述的气相沉积方法，其特征在于，所述预设温度范围为55～95℃。
13.根据权利要求11所述的气相沉积方法，其特征在于，控制所述驱动机构驱动所述承载部转动的步骤，包括：控制所述驱动机构驱动所述承载部交替地以第一方向和第二方向转动，所述第一方向与所述第二方向相反。

技术总结
本申请公开了一种旋转加热装置、气相沉积设备和方法，涉及半导体技术领域。旋转加热装置包括承载部、驱动机构以及加热机构。承载部具有用于承载晶圆的承载面，承载部内设置有加热通道，加热通道具有入口和出口。驱动机构与承载部传动连接，用于驱动承载部旋转。加热机构用于向加热通道输送热媒。由于承载盘可以在驱动机构的驱动下转动，在转动的过程中成膜，能够改善因反应腔室内温度场、流场不均导致的晶圆表面气体难以均匀分布的问题，从而改善成膜质量。另外，通过向承载部内注入热媒来控制承载部的温度，能够使承载部保持在合适的工艺温度，并且承载部温度均匀，有利于提高沉积质量。量。量。


技术研发人员：张佳琦 尹艳超 张艳娟 谭华强 吴凤丽
受保护的技术使用者：拓荆科技(上海)有限公司
技术研发日：2023.07.04
技术公布日：2023/10/6