一种用于半导体工艺腔室的加热装置和半导体设备的制作方法

1.本发明涉及半导体设备领域，更具体地，涉及一种用于半导体工艺腔室的加热装置和半导体设备。


背景技术：

2.化学气相沉积外延生长是将反应气体输送到反应腔，通过加热等方式，使之反应，生长原子沉积在衬底上，长出单晶层。加热系统在硅外延设备中起着极为重要的作用，加热系统主要由红外卤素加热灯和反射屏组成，加热灯发射的红外线通过反射屏的反射作用，照射石墨托盘，对托盘上的晶圆加热，以生长一层外延层。
3.参考图1，现有加热系统中，上反射屏1整体为一个圆环型结构，上反射屏1分为倾斜区10和平坦区11，其中平坦区11反射灯管光到外延层的外区31(外区31为外延层距离外延层中心较远的区域)，倾斜区10反射灯管光到外延层的内区30(内区30为外延层靠近外延层中心的区域)。上反射屏1通过固定螺钉固定到外罩3上，上反射屏1的下方为加热灯4，加热灯4水平设置。此种上反射屏1通过固定螺钉安装之后位置固定，一旦加热灯4功率固定后，无法对外延层的各个区域的温度进一步调节，使外延层各区域温度不均或对不同区域设定不同的温度，导致一些特定电阻率需求的外延片无法制作。而且，上反射屏的倾斜区10有一定的夹角，在使用的过程中倾斜区10的夹角处为温度集中区域，易发生损坏。
4.因此，如何提高温场的温度可调性，调节外延层不同区域的温度，从而实现不同电阻率需求的外延片的制作，是目前研究的课题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提出一种用于半导体工艺腔室的加热装置和半导体设备，能够提高温场的温度均匀性。
6.为了实现上述目的，本发明提供了一种用于半导体工艺腔室的加热装置，所述所述加热装置包括：
7.反射屏，所述反射屏用于设置于所述工艺腔室的上方，所述反射屏具有保温性；
8.加热元件，所述加热元件安装在所述反射屏靠近所述工艺腔室的一侧；
9.旋转机构，所述旋转机构与所述反射屏连接，且所述旋转机构能够带动所述反射屏在水平面内转动。
10.可选方案中，所述反射屏为圆桶状，下端开口，所述反射屏沿其轴向方向设置于所述工艺腔室的上方，所述加热元件安装在所述反射屏的内顶壁上。
11.可选方案中，所述反射屏的纵向剖面为上窄下宽的梯形，所述梯形的底角小于60度。
12.可选方案中，所述加热元件包括多个加热灯管，多个所述加热灯管均竖向安装在所述反射屏的顶壁上，且以同轴环形分层排布。
13.可选方案中，所述加热灯管为点光源，所述加热灯管的发光部背离所述反射屏的
顶壁设置，用于向所述晶圆定向发射光源。
14.可选方案中，所述反射屏的内壁均为平坦面，且所述反射屏的内壁设有金属涂层。
15.可选方案中，所述反射屏的内顶壁的涂层的反射率小于所述反射屏的内侧壁的涂层的反射率。
16.可选方案中，所述旋转机构包括：电机、齿形带和齿轮柱，其中，所述齿轮柱的下端与所述反射屏的顶部固定，所述齿形带的两端分别和所述电机的驱动端和所述齿轮柱的上端啮合。
17.可选方案中，所述加热装置包括外罩，所述外罩将所述反射屏罩设在内，所述电机和所述齿形带均设置于所述外罩的顶部，所述齿轮柱穿过所述外罩的顶部，并通过轴承与所述外罩的顶壁转动连接。
18.本发明还提供了一种半导体设备，包括半导体工艺腔室和上述任一项所述的半导体工艺腔室的加热装置，所述加热装置设置于所述半导体工艺腔室上方。
19.可选方案中，所述半导体工艺腔室内设有基座，所述基座上设有用于支撑所述晶圆的承载面；
20.所述反射屏在所述承载面上的投影覆盖所述承载面。
21.本发明的有益效果在于：
22.加热元件安装在反射屏上，通过旋转机构使反射屏在水平面内转动，防止某一个加热元件只照射晶圆的某一固定位置，反射屏具有保温性，提高了温场的温度可调性；调节晶圆不同区域的温度，从而能够使温场的温度更均匀，实现对外延层中不同杂质浓度的控制，从而实现不同电阻率均匀性需求的外延片。
23.进一步地，反射屏的作用为保温，相对于现有技术的反射屏用于反光相比，本发明的反射屏内部涂层工艺(如反射率、粗糙度等)要求比现有技术低，可以降低反射屏的制造成本。
24.进一步地，加热元件直接对工艺腔室进行加热，热场主要依靠加热源自身，通过调整加热源自身性能，即可实现温度调节，反射屏用于保温，相对于现有技术无需设计如图2所示的平坦区和倾斜区，本发明的反射屏的内壁均为平坦面，结构简单，不存在温度集中区域，可延长反射屏的使用寿命。
25.本发明具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
26.通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。
27.图1示出了一实例中一种加热装置的剖视图。
28.图2示出了一实例中一种上反射屏的结构示意图。
29.图3示出了根据本发明一实施例的加热装置的结构示意图。
30.图4示出了根据本发明一实施例的加热灯管相对于反射屏的位置示意图。
31.标号说明
32.1-上反射屏；3-外罩；4-加热灯；10-倾斜区；11-平坦区；30-内区；31-外区；20-工艺腔室；21-反射屏；22-加热元件；23-电机；24-齿形带；25-齿轮柱；26-外罩；27-轴承；28-螺钉；201-晶圆；202-托盘；203-基座；220-内区；221-外区。
具体实施方式
33.下面将更详细地描述本发明。虽然本发明提供了优选的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
34.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。
35.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
36.本发明一实施例提供了一种用于半导体工艺腔室的加热装置，请参照图3，该加热装置包括：
37.反射屏21，所述反射屏21用于设置在所述工艺腔室20的上方，反射屏21具有保温性；
38.加热元件22，安装在所述反射屏21靠近所述工艺腔室20的一侧；
39.旋转机构，旋转机构与所述反射屏21连接，且旋转机构能够带动反射屏21水平面内转动。
40.具体地，本实施例中，加热装置外部可设置外罩26，外罩26将反射屏21罩设在内，外罩26位于工艺腔室20的上方。外罩26的设置可进一步提高加热效率，且有利于对反射屏21的保护。反射屏21的内壁设有金属涂层，该涂层具有保温和反射光线的效果，一方面防止加热元件22的热量损失，一方面能够将加热元件22发出的光反射到工艺腔室20。本发明的反射屏21用于保温相对于现有技术的反射屏用于反光相比，本发明的反射屏21内部涂层工艺(如涂层的材质、反射率、粗糙度等)要求比现有技术低，可以降低反射屏的制造成本。本实施例加热元件直接对工艺腔室进行加热，热场主要依靠加热源自身，通过调整加热源自身性能，即可实现温度调节，反射屏21用于保温，相对于现有技术无需设计如图2所示的平坦区11和倾斜区10，本发明的反射屏21的内壁均为平坦面，结构简单，不存在温度集中区域，可延长反射屏21的使用寿命。可选方案中，反射屏21的材料为铝镀金。工艺腔室20用于进行半导体工艺，如沉积、退火、外延工艺。工艺腔室20中设置有基座203，基座203上设有托盘202，晶圆201设置在托盘202上。加热装置用于对工艺腔室20进行加热，以使晶圆201达到工艺所需的温度。
41.本实施例中，旋转机构包括：电机23、齿形带24、齿轮柱25，其中，齿轮柱25的下端与圆桶状反射屏21的顶部固定，齿形带24的两端分别和电机23的驱动端和齿轮柱25的上端啮合。电机23带动齿形带24运动，进而带动齿轮柱25转动，实现反射屏21的旋转。齿轮柱25
的下端与圆桶状反射屏的中心处固定连接，使反射屏21绕其轴线旋转。本实施例中，齿轮柱25穿过外罩26的顶壁，并通过轴承27与外罩26的顶壁连接。电机23和齿形带24均设置于在外罩26的顶部，齿轮柱25穿过外罩26的顶部，并通过轴承与外罩26的顶壁转动连接。可以将电机23与上位机相连，通过软件设置电机23的转速。旋转机构还可以其他的形式，如反射屏21顶壁上设置于一柱体，柱体与一运动部件固定连接，运动部件绕柱体做圆周运动，进而带动反射屏转动。
42.本实施例中，反射屏21为圆桶状，下端开口，沿其轴向方向设置于工艺腔室20的上方，所述加热元件22安装在所述反射屏21的内顶壁上。
43.本实施例中，加热元件为柱形加热灯管，如图3所示，加热灯管竖向安装在反射屏21的顶壁上，且以同轴环形分层排布。具体为，加热灯管的灯座通过螺钉28安装在反射屏21的顶壁上。加热灯管为点光源，可灵活设置加热灯管的布局，加热灯管的发光部背离反射屏21的顶壁设置，用于向晶圆201定向发射光源。
44.参考图4，图4示出了加热灯管相对于反射屏的位置示意。加热灯管共有12个，均匀分布在反射屏21的顶壁上，其中内区220分布4个加热灯管，外区221分布8个加热灯管，其中外区221加热灯管呈圆周分布，外区加热灯管围成的圆周的直径与所照射的晶圆直径相当，利用加热灯管直接实现对晶圆内外区域温度的控制，不采用反射屏倾斜面反射光线至晶圆内区，此种方案中不依赖反射屏的结构对光线方向的改变，晶圆内外区均采用加热灯管直接照射，保证晶圆内外区温场的均匀性，反射屏主要起到保温作用。
45.本实施例中，反射屏21的纵向剖面为上窄下宽的梯形，梯形的底角(图3中的∠a)小于60度。在实际测试中，晶圆边缘与空气接触面积大，会导致边缘温度低于中心温度，通过利用该剖面为梯形的结构，可反射部分光源，对晶圆边缘温度进行补充，提高温度的均匀性。进一步地，反射屏21的内顶壁的反射率低于侧壁的反射率，进一步保证温场的均匀性。
46.本发明一实施例还提供了一种半导体设备，如外延设备。该设备包括：半导体工艺腔室和上述的加热装置，加热装置设置于半导体工艺腔室上方。半导体工艺腔室内设有基座203，基座203上设有用于支撑所述晶圆的承载面；反射屏21在承载面上的投影覆盖承载面，以保障热场覆盖整个晶圆。
47.以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。