半导体设备及半导体工艺方法与流程

1.本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种半导体设备及半导体工艺方法。


背景技术：

2.气相沉积是一种在基板表面形成功能膜层的技术，它是利用物质在气相中产生的物理和/或化学反应而在基板表面沉积单层或多层的、单质或化合物的膜层、从而使产品表面获得所需的各种优异性能。气相沉积作为一种表面镀膜方法，其基本步骤是使需要镀的物料经气相化，输运，最后沉积，它的主要特点在于不管原来需镀物料是固体、液体或气体，在输运时都要转化成气相形态进行迁移，最终到达工件表面沉积凝聚。气相沉积过程中，反应室内的压力、晶片的温度、气体的流动速率、气体通过晶片的路程、气体的化学成份等因素都可能影响到最终成膜的均匀性。故为提高薄膜沉积均匀性，气相沉积过程中经常需要调整诸如晶圆、沉积源等结构的位置，故而气相沉积腔室内通常配置有传动机构。但是现有的反应腔室中的传动机构多为机械传动结构，机械传动结构会带来机械磨损和漏油的风险，进而给芯片制造带来颗粒和漏油污染的风险。


技术实现要素：

3.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种半导体设备及半导体工艺方法，用于解决现有技术中的诸如气相沉积腔室等反应腔室中的传动机构多为机械传动结构，机械传动结构会带来机械磨损和漏油的风险，进而给芯片制造带来颗粒和漏油污染的风险等问题。
4.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种半导体设备，所述半导体设备包括托盘、顶针及喷气装置；所述托盘上设置有若干个贯穿所述托盘的通孔，所述顶针一一对应设置在所述通孔内，且可在所述通孔内上下移动，所述喷气装置与气体源相连通，所述喷气装置包括若干个第一喷气管和若干个第二喷气管，若干个第一喷气管一一对应位于所述顶针的下方，若干个第二喷气管位于所述托盘的下方；工艺处理过程中，所述顶针与第一喷气管、所述托盘与第二喷气管均不相接触，通过改变所述第一喷气管内和第二喷气管内的气体流量，改变所述托盘及顶针的高度。
5.可选地，所述通孔为3个及以上，3个及以上通孔在所述托盘的同一圆周面上均匀间隔分布。
6.可选地，所述托盘包括碳化硅材料层和位于碳化硅层上方的呈二维结构的石墨烯材料层。
7.可选地，所述半导体设备包括反应腔体，所述托盘、顶针及喷气装置位于所述反应腔体内，所述反应腔体的排气口位于托盘的正下方。
8.可选地，所述半导体设备还包括上电线圈，所述上电线圈与所述托盘相邻，用于对所述托盘进行加热。
9.可选地，所述第二喷气管的直径大于所述第一喷气管的直径。
10.可选地，所述第二喷气管位于所述第一喷气管的外侧。
11.所述半导体设备还包括下电线圈，位于所述托盘的下方，所述下电线圈用于对所述喷气装置喷出的气体进行加热。
12.可选地，所述半导体设备包括气相沉积设备或刻蚀设备。
13.本发明还提供一种半导体工艺方法，所述半导体工艺方法依上述任一方案中所述的半导体设备进行，所述半导体工艺方法包括步骤：
14.增大所述第一喷气管的气体流量，使所述顶针高于所述托盘的表面，之后将待进行工艺处理的基板放置于所述顶针上；
15.调整所述第一喷气管和/或所述第二喷气管的气体流量，使所述托盘和所述顶针的上表面相平齐；
16.对所述基板进行工艺处理；
17.工艺处理结束后，降低所述第二喷气管的气体流量，使所述托盘和所述基板远离，之后将所述基板自顶针表面移除。
18.如上所述，本发明的半导体设备及半导体工艺方法，具有以下有益效果：本发明创造性地用气致悬浮结构代替传统的步进机械传动结构，在工艺过程中，根据工艺需要可以通过调节托举用气体的流量来改变反应腔体中托盘和顶针距离反应腔体顶部的距离，以及改变基板和托盘之间的距离，可以在提高工艺均匀性的同时有效避免机械传动方式下容易造成工艺污染等问题，有助于提高工艺良率。
附图说明
19.图1显示为本发明提供的半导体设备的示例性结构示意图。
20.图2显示为图1中的托盘的俯视结构示意图。
21.图3显示为图1中的第一喷气管和第二喷气管相对于托盘的位置关系示意图。
22.图4至图7显示为图1中的半导体设备处于不同工艺过程时的状态示意图。
23.元件标号说明
24.11
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托盘
25.111
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通孔
26.12
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顶针
27.13
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第一喷气管
28.14
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第二喷气管
29.15
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反应腔体
30.151
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排气口
31.16
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上电线圈
32.17
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下电线圈
33.18
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喷淋头
34.19
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基板
具体实施方式
35.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书
所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
36.为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
37.在本技术的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
38.需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。为使图示尽量简洁，各附图中并未对所有的结构全部标示。
39.在诸如气相沉积等半导体制程工艺中，为了提高工艺均匀性，经常需要调整晶圆等结构的位置，故而在半导体设备中通常设置有多种类型的传动机构。但是现有的传动机构多为机械传动，机械传动结构会带来机械磨损和漏油的风险，进而给芯片制造带来颗粒和漏油污染的风险等问题。对此，本技术的发明人在长期工作中，经大量研究而提出了一种改善方案。
40.具体地，如图1所示，本发明提供一种半导体设备。所述半导体设备包括托盘11、顶针12及喷气装置；所述托盘11上设置有若干个贯穿所述托盘11的通孔111，所述顶针12一一对应设置在所述通孔111内(即顶针12数量与通孔111数量一致)，且可在所述通孔111内上下移动，所述喷气装置与气体源(未示出)相连通，所述喷气装置包括若干个(优选为多个)第一喷气管13和若干个(同样优选为多个)第二喷气管14，若干个第一喷气管13一一对应位于所述顶针12的下方，也即若干个第一喷气管13一一对应位于通孔111的下方，若干个第二喷气管14位于所述托盘11的下方(未与通孔111对应)；工艺处理过程中，所述顶针12与第一喷气管14、所述托盘11与第二喷气管14均不相接触，通过改变所述第一喷气管13内和第二喷气管14内的气体流量，改变所述托盘11及顶针12的高度，而待进行工艺处理的基板19放置于顶针12上，由此可改变基板19相对于托盘11的距离。具体地，当第一喷气管13内向上的喷气流量大到足够托举起顶针12时，顶针12向上以使其上表面高于托盘11的上表面，此时位于顶针12上的基板19亦脱离托盘11表面，而当第一喷气管13内的喷气流量下降时，顶针12下落至上表面与托盘11上表面相平齐的位置和/或增大第二喷气管14内的气体流量以使托盘11上升，由此使顶针12和托盘11的上表面相平齐而使基板19位于托盘11表面；第二喷气管14持续喷出气流以使托盘11悬浮，当需要调整托盘11的高度(比如需要改变托盘11相对于沉积源，如改变托盘11与图1中的喷淋头18的距离；若设备为磁控溅射设备，则反应腔体15顶部设置有靶材，此时调节托盘11的高度就是调节靶基距，可以有效改善薄膜沉积均
匀性)时，调整第二喷气管14的流量即可。本发明创造性地用气致悬浮结构(非接触式)代替传统的步进机械传动结构，在工艺过程中，根据工艺需要可以通过调节托举用气体的流量来改变反应腔体15中托盘11及顶针12距离反应腔体15顶部的距离，由此可改变基板19和托盘11之间的距离，可以在提高工艺均匀性的同时有效避免机械传动方式下容易造成工艺污染等问题，有助于提高工艺良率。
41.作为示例，所述基板19包括但不限于晶圆，比如还可以是太阳能电池片、液晶玻璃基板等，当基板19为晶圆时，托盘11相应地为圆形盘，且托盘11的表面积优选略大于基板19的表面积，以避免沉积过程中，基板19的边缘悬空而导致晶圆的背面污染。所述通孔111优选为3个及以上，3个及以上通孔111在所述托盘11的同一圆周面上均匀间隔分布，相应地顶针12亦为3个及以上，这样有助于提高晶圆的平稳度和受力均匀性，避免晶圆局部受力过大而导致应力集中。比如通孔111为3个时，3个通孔111位于一等边三角形的三个顶点上(参考图2所示)，而为4个时，4个通孔111位于一正方形的四个顶点上。当然，通孔111的分布并不仅限于此，还可以呈六角分布，或者在托盘11的圆心位置还可以设置通孔111，对此不做严格限制。通孔111优选为圆柱形孔，而顶针12为圆柱形结构，以降低顶针12升降时的摩擦阻力。所述顶针12的顶面可以为圆形面，以提高顶针12和晶圆的接触面积，避免晶圆受力过于集中，而通孔111的顶面可以为圆形凹面，使得顶针12下降到最底部的时候，顶针12的顶面完全落在通孔111的圆形凹面内而使顶针12的上表面和托盘11的上表面完全平齐。在一较优的示例中，所述第二喷气管14位于所述第一喷气管13的外侧，两者与托盘11的相对位置可以参考图3所示。当然，第一喷气管13和第二喷气管14的相对位置还可以有其他设置，对此不做严格限制。但第二喷气管14位于第一喷气管13的外侧，可以提高晶圆升降过程中的平稳度。且在一示例中，第二喷气管14的直径大于第一喷气管13的直径，以确保第二喷气管14能够产生足够的托举力以支撑托盘11，第二喷气管14和第一喷气管13的数量可以相同或不同，但第二喷气管14同样优选为3个以上，且优选在同一圆周面上均匀间隔分布(但优选与第一喷气管13不在同一圆周面上且与第一喷气管13不在同一径向上)。
42.所述第一喷气管13和第二喷气管14可以连接至相同或不同的气体源(优选连接至相同的气体源，可以简化设备结构)，各喷气管和气体源相连通的管路上可分别设置有流量控制阀，所述气体源包括但不限于氮气源和/或氩气源或其他惰性气体源。
43.在一示例中，所述托盘11包括碳化硅材料层和位于碳化硅层上方的呈二维结构的石墨烯材料层，这样的结构有助于提高托盘11的受热均匀性和提高传热效率。当然，在其他示例中，所述托盘11也可以为单一材料层，比如单层的碳化硅材料层，单层的石墨层或单层的陶瓷层，也可为两层以上材料组成，也不局限于以上两种材料，比如可以包括硫化钼层、蓝宝石层等，对此不做严格限制。所述顶针12的材质可以与托盘11材质相同或不同，比如可以为碳化硅、陶瓷等，对此不做严格限制。
44.所述半导体设备通常包括一反应腔体15，所述托盘11、顶针12及喷气装置位于所述反应腔体15内，所述反应腔体15的排气口151位于托盘11的正下方，有助于反应腔体15中气体的均匀分布。当然，排气口151的设置还可以有其他选择，比如位于托盘11下方的反应腔体15的侧壁上，对此不做严格限制。所述反应腔体15的内壁可设置有挡板(未示出)，以保护反应腔体15在工艺过程中不被污染。根据工艺类型的不同，所述半导体设备还可以包括其他结构。比如，若所述半导体设备为化学气相沉积设备，则所述反应腔室的顶部(位于托
盘11正上方)可以设置喷淋头18(showerhead，又可称之为花洒，本说明书附图以化学气相沉积设备为例)，反应气体可以通过该喷淋头18进入反应腔体15内。若该半导体设备为物理气相沉积设备，则反应腔体15顶部可以设置靶材和永磁装置，此外还可以进一步设置射频装置等其他结构。当然，所述半导体设备并不限于气相沉积设备，还可以为刻蚀设备，对此不做一一展开。
45.作为示例，所述半导体设备还包括上电线圈16，所述上电线圈16与所述托盘11相邻，用于对所述托盘11进行加热。所述上电线圈16优选但不限于位于反应腔体15外，以提高加热均匀性。
46.作为示例，所述半导体设备还包括下电线圈17，位于所述托盘11的下方，所述下电线圈17用于对所述喷气装置喷出的气体进行加热，以更有效地优化调节托盘11的温度。所述下电线圈17同样优选但不限于设置于反应腔体15外。上电线圈16和下电线圈17可为单圈或多圈电阻线，绕设在反应腔体15的外壁上。
47.为使本发明的技术方案和优点更加突出，下面结合附图对本发明的半导体设备的使用方法做一示例性说明，本示例以化学气相沉积工艺为例。
48.在进行气相沉积工艺前，需先将基板19放置于托盘11上，第二喷气管14维持一初始流量以使托盘11处于初始高度。放置基板19时，增大第一喷气管13内的喷气流量(此过程中第二喷气管14持续向上喷气还可以起到在反应腔体15内形成良好的惰性气体氛围，避免晶圆污染的作用)以使顶针12向上移动而使顶针12上表面高出托盘11上表面，因而此时可以利用机械手臂等夹持结构将基板19放置于顶针12上，可参考图4所示。
49.基板19放置好后，可增大第二喷气管14的喷气流量以使托盘11逐步上升至与顶针12的上表面相平齐而到达预设的工艺高度。当然，若托盘11的初始高度就是工艺高度，此过程中也可以通过逐步减小第一喷气管13内的喷气流量以使顶针12平稳下降直至与托盘11上表面平齐。待基板19与托盘11贴置后，开启喷淋头18以向反应腔体15内喷洒反应气体，开始气相沉积工艺。此过程中，可开启上电线圈16和/或下电线圈17，以对反应腔体15内的惰性气体进行加热，由此对基板19进行加热(加热过程也可以在基板19完全放置在托盘11表面后启动)，可参考图5所示。
50.气相沉积工艺过程结束后，可降低第二喷气管14内的气体流量，使托盘11逐步下降而使托盘11和基板19远离，然后将基板19自顶针12表面移除，可参考图6所示。
51.在设备处于闲置时，可降低第一喷气管13内的气体流量而使托盘11和顶针12两者的上表面相平齐，该过程可参考图7所示。而需要将设备关机时，可先将托盘和顶针自腔体内移出，之后关闭气体源。
52.采用本发明的半导体设备，整个工艺过程中可完全依靠气体致动方式改变托盘、基板和喷淋头(也可以为靶材)三者的相对距离，可以在提高工艺均匀性(如改善薄膜沉积均匀性)的同时确保整个过程不会产生颗粒污染，且可以有效减少传动过程中对基板的损伤。
53.本发明还提供一种半导体工艺方法，所述半导体工艺方法依上述任一方案中所述的半导体设备进行，故前述对所述半导体设备的介绍可全文引用至此，出于简洁的目的不赘述。所述半导体工艺方法包括步骤：增大所述第一喷气管13的气体流量，使所述顶针12高于所述托盘11的表面，之后将待进行工艺处理的基板19放置于顶针12上；调整所述第一喷
气管13和/或所述第二喷气管14的气体流量，使所述托盘11和所述顶针12的上表面相平齐；对所述基板19进行工艺处理；工艺处理结束后，降低所述第二喷气管14的气体流量，使所述托盘111和所述基板19远离，之后将所述基板19自所述顶针12表面移除。所述半导体工艺方法包括但不限于物理气相沉积工艺、化学气相沉积工艺和刻蚀工艺中的一种。比如若所述半导体工艺方法为化学气相沉积工艺，则在需要调节基板与喷淋头的距离时，可以通过改变第一喷气管和第二喷气管内的气体流量即可。对所述半导体工艺方法的更详细的介绍亦可参考前述内容，此处不再赘述。
54.由于采用前述的半导体设备，使得本发明提供的半导体工艺方法相较于现有技术，可以显著减少污染，提高工艺良率。
55.综上所述，本发明提供一种半导体设备及半导体工艺方法。所述半导体设备包括托盘、顶针及喷气装置；所述托盘上设置有若干个贯穿所述托盘的通孔，所述顶针一一对应设置在所述通孔内，且可在所述通孔内上下移动，所述喷气装置与气体源相连通，所述喷气装置包括若干个第一喷气管和若干个第二喷气管，若干个第一喷气管一一对应位于所述顶针的下方，若干个第二喷气管位于所述托盘的下方；工艺处理过程中，所述顶针与第一喷气管、所述托盘与第二喷气管均不相接触，通过改变所述第一喷气管内和第二喷气管内的气体流量，由此改变所述托盘及顶针的高度。本发明创造性地用气致悬浮结构代替传统的步进机械传动结构，在工艺过程中，根据工艺需要可以通过调节托举用气体的流量来改变反应腔体中托盘和顶针距离反应腔体顶部的距离，因而可以改变基板和托盘之间的距离，可以在提高工艺均匀性的同时有效避免机械传动方式下容易造成工艺污染等问题，有助于提高工艺良率。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
56.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。