一种旋转装置及晶圆外延设备的制作方法

1.本实用新型涉及半导体生产辅助设备技术领域，具体涉及一种旋转装置及晶圆外延设备。


背景技术：

2.目前，第三代半导体材料如gan和sic在高频、高压、高功率等领域具有广泛的应用，不同于第一代半导体si，sic和gan的器件不能直接在衬底上制备，第三代半导体是在衬底上沉积出高质量的外延层才能用于后续的器件制作。利用cvd(chemical vapor deposition，化学气相沉积)的方式在sic和gan衬底上制备外延层是最常用的手段。在cvd外延过程中，由于反应源气体在不同的温度下会发生不同的反应，因此要求晶圆表面温度的均匀性较高以获得良好的外延层。根据经验，当进行外延沉积薄膜时晶圆旋转可以有效的提升晶圆表面温度的均匀性。现有技术中，多种外延设备中有采用机械传动或电机传动的方式使晶圆旋转，但采用机械传动或电机传动的方式价格相对较高，而且因高温容易出现故障。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本实用新型为了克服现有技术中的不足，提供一种用于cvd设备的旋转装置及晶圆外延设备。
4.本实用新型提供如下技术方案：一种旋转装置，包括：
5.壳体，所述壳体具有中空的容腔，且开设有与所述容腔相连通的反应气体入口和出气口；
6.发热层，所述发热层设置于所述容腔的底部，且开设有旋转动力气体入口；
7.旋转组件，所述旋转组件转动地设置于所述发热层上，从所述旋转动力气体入口进入的气流能够驱动所述旋转组件转动；
8.托盘，所述托盘设置于所述旋转组件上，用于放置晶圆。
9.在一种可能的实施方式中，所述旋转组件包括基座和多个叶片，所述基座转动地设置于所述发热层上，并沿周向设置有若干个环形凸面，多个所述叶片沿所述基座的环形凸面周向间隔设置，所述托盘设置于所述基座的顶部。
10.在一种可能的实施方式中，所述旋转组件还包括转轴，所述基座通过所述转轴与所述发热层转动连接。
11.在一种可能的实施方式中，所述旋转组件还包括支撑座，所述支撑座与所述基座连接，并位于所述基座的顶部，所述托盘设置于所述支撑座上。
12.在一种可能的实施方式中，所述发热层为层叠结构，包括第一发热层、第二发热层和辅助层；所述第一发热层位于所述壳体的容腔底部，所述第二发热层、所述辅助层和所述旋转组件分别位于所述第一发热层平面上，且所述第二发热层与所述辅助层分布于所述旋转组件的两侧。
13.在一种可能的实施方式中，所述第一发热层内置悬浮气体通道，所述悬浮气体通道位于所述基座下方，并在所述基座下方开设有悬浮气体出口，所述悬浮气体出口与所述悬浮气体通道相连通，所述悬浮动力气体出口位于所述基座的两侧并呈对称分布。
14.在一种可能的实施方式中，所述第二发热层设置于所述第一发热层上并位于靠近反应气体入口的一侧，所述第二发热层内置旋转气体通道，所述旋转气体通道的出口和所述旋转组件的所述叶片相对，从所述动力气体流通通道流出的气体可以驱动所述叶片的转动。
15.在一种可能的实施方式中，所述辅助层置于包括间隔设置的第一凸台和第二凸台，所述第一凸台面、所述第二凸台面与所述第二发热层表面处于同一平面且高于所述凹面；从所述悬浮气体通道进入的气流能够驱动所述旋转组件的浮动，从所述旋转气体通道进入的气流能够驱动所述旋转组件的转动。
16.在一种可能的实施方式中，所述托盘的顶面与所述第二发热层的顶面处于同一平面上，且所述托盘上设置有凹槽，晶圆位于所述凹槽内。
17.本实用新型还提供了一种晶圆外延设备，包括有如上述任一实施例中所述的旋转装置。
18.本实用新型的实施例具有如下优点：
19.本实用新型提出一种旋转装置，可以应用于cvd中用来制作外延层，旋转装置通过在壳体内设置容腔，在容腔的底部设置发热层，将旋转组件转动地设置在发热层上，同时在发热层上开设悬浮气体通道和旋转气体通道。当气体从悬浮气体通道进入时，可以实现旋转组件的悬浮，当气体从旋转气体通道进入时，旋转组价在气体的气吹作用下旋转，从而使托盘随之转动，实现对晶圆的转动。这样，在反应气体从反应气体入口进入到容腔内与晶圆反应时，由于晶圆在旋转组件的带动下一直转动，提高了晶圆表面温度分布的均匀性和反应气体在晶圆表面发生反应的一致性，通过用气体作为驱动动力，有效地利用反应气体，避免了用机械传动或电机传动带来的高温容易出现故障的问题，提高了旋转装置的可靠性。
20.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显和易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，做详细说明如下。
附图说明
21.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，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实用新型的某些实施例，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。
22.图1示出了本实用新型的一些实施例提供的一种旋转装置的立体结构示意图；
23.图2示出了本实用新型的一些实施例提供的一种旋转装置的结构分解图；
24.图3示出了本实用新型的一些实施例提供的一种旋转装置的剖视图；
25.图4示出了图3中的a部放大结构示意图；
26.图5示出了图2中的b向视角的结构示意图；
27.图6示出了本实用新型的一些实施例提供的只带部分功能的旋转装置结构示意图；
28.图7示出了图6中b向视角的结构示意图；
29.图8示出了本实用新型的一些实施例提供的旋转装置的直齿叶片的b向视角结构示意图；
30.图9示出了本实用新型的一些实施例提供的旋转装置的斜齿叶片的b向视角结构示意图；
31.图10示出了本实用新型的一些实施例提供的旋转装置的圆弧形齿叶片的b向视角结构示意图；
32.图11示出了本实用新型的一些实施例提供的旋转装置的多环形基座的结构示意图。
33.主要元件符号说明：
34.1-壳体；20-发热层；201-第一发热层；202-第二发热层；203-辅助层；203a-第一凸台；203b-第二凸台；203c-凹面；30-旋转组件；301-转轴；302-基座；302a-第一锥面；302b-第二环面；303-叶片；304-支撑座；4-托盘；5-反应气体入口；6-出气口；7-旋转气体通道；8-悬浮气体通道；9-悬浮气体出口。
具体实施方式
35.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
36.需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
37.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
38.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
39.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在模板的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
40.如图1和图2所示，本实用新型的实施例提供了一种旋转装置，应用于cvd中用来在
晶圆表面制备外延层。
41.本实施例的旋转装置包括壳体1、发热层20、旋转组件30和托盘4。
42.所述壳体1具有中空的容腔，且开设有与所述容腔相连通的反应气体入口5和出气口6，反应气体可以从反应气体入口5进入到容腔内。
43.进一步的，反应气体入口5设置于所述壳体1的一端，便于参与反应的气体由所述反应气体入口5进入到所述壳体1的容腔中；出气口6位于所述壳体1的另一端，便于外延反应后的气体一起排出所述壳体1。
44.需要说明的是，所述壳体1的材料可以为绝热材料。
45.具体的，所述壳体1的材料为碳毡；碳毡的成分为聚丙烯腈基，用聚丙烯腈基制备而成的碳毡隔热性能好，稳定性高，可以减少反应过程中的热量损失，为外延反应提供相对恒定的温度环境。
46.所述发热层20为层叠结构，包括第一发热层201、第二发热层202和辅助层203；所述第一发热层201位于所述壳体1的容腔底部，所述第二发热层202、所述辅助层203和所述旋转组件30分别位于所述第一发热层201的平面上，且所述第二发热层202与所述辅助层203分布于所述旋转组件30的两侧；所述第一发热层201内置悬浮气体通道8，所述悬浮气体通道8位于所述基座302的下方，并在所述基座302下方开设有悬浮气体出口9，所述悬浮气体出口9与所述悬浮气体通道8相连通，所述悬浮气体出口9位于所述基座302的两侧并呈对称分布；所述第二发热层202叠于所述第一发热层201上方靠近反应气体入口5的一侧，所述第二发热层202内置旋转气体通道7，所述旋转气体通道7的出口和所述旋转组件30的所述叶片303相对，从所述旋转气体通道7流出的气体可以驱动所述叶片303的转动；所述辅助层203包括间隔设置的第一凸台203a、第二凸台203b和凹面203c，所述第一凸台面、所述第二凸台面与所述第二发热层202表面处于同一平面且高于所述凹面；从所述悬浮气体通道8进入的气流能够驱动所述旋转组件30的浮动，从所述旋转气体通道7进入的气流能够驱动所述旋转组件30的转动。
47.本实用新型提供的旋转装置，在使用时，气流从悬浮气体通道8流入，经所述悬浮气体出口9，以一定的速度吹在所述第二环面302b的表面上，所述第二环面302b的环形凸面与所述第一发热层形成相对封闭的空腔，随着源源不断的气流涌入，空腔的压强增加，所述旋转组件30在气流的托举下实现浮升；此时所述旋转气体通道7通入气流，吹在所述叶片303上，所述叶片303发生转动并带动所述旋转组件30转动，置于其上载有晶圆的托盘也随之转动从而实现晶圆的旋转。这样，在反应气体从反应气体入口5进入到所述壳体1的容腔内与晶圆反应时，晶圆的相对匀速的旋转提高了晶圆表面温度分布的均匀性和反应气体在晶圆表面发生反应的一致性。
48.在一些实施例中，所述旋转气体通道7和所述悬浮气体管道8的大小可根据驱动所述叶片303的气体流量的多少做相应的调节。
49.进一步的，所述叶片303的数量增加，所述旋转气体通道7和所述悬浮气体管道8相应加大；所述叶片303的数量减少，所述旋转气体通道7和所述悬浮气体管道8相应减小。
50.本实用新型一些实施例中，所述壳体1也可以被做成柱状中空结构，发热层20悬于柱形壳体1的中间位置。
51.所述发热层为层叠结构，包括第一发热层、第二发热层和辅助层；所述第一发热层
201位于所述壳体1的容腔底部，所述第二发热层202、所述辅助层203和所述旋转组件30分别位于所述第一发热层201的平面上，且所述第二发热层202与所述辅助层203分布于所述旋转组件30的两侧。
52.所述第一发热层201内置悬浮气体通道8，所述悬浮气体通道8位于所述基座302的下方，并在所述基座302下方开设有悬浮气体出口9，所述悬浮气体出口9与所述悬浮气体通道8相连通，所述悬浮气体出口9位于所述基座302的两侧并呈对称分布。
53.所述第二发热层202叠于所述第一发热层201上方靠近反应气体入口5的一侧，所述第二发热层202内置旋转气体通道7，所述旋转气体通道7的出口和所述旋转组件30的所述叶片303相对，从所述旋转气体通道7流出的气体可以驱动所述叶片303的转动。
54.可选的，所述第一发热层201与所述第二发热层202可制成一体，制成一体后的发热层更稳定，有助于旋转组件30的稳定旋转。
55.所述辅助层203包括间隔设置的第一凸台203a、第二凸台203b和凹面203c，所述第一凸台面、所述第二凸台面与所述第二发热层202表面处于同一平面且高于所述凹面；
56.所述辅助层203的设置可以为反应结束后气体的排出起导流的作用，也可以为机械手进入反应室取放托盘提供空间。
57.具体的，所述发热层20的材料可以是高温石墨，高温石墨可以为外延反应提供所需的高温条件，同时也是支撑放置所述旋转组件30的主体。
58.需要说明的是，高温石墨的成分为碳，而参与外延反应的气体为含有碳和硅的混合气体，用高温石墨制作发热层使外延反应不会混入不必要的杂质，为制作性能良好的外延层提供保障。
59.在一个可能的实施方式中，所述旋转组件30转动的设置于所述发热层20上，该旋转组件30包括转轴301、基座302、叶片303和支撑座304。
60.进一步的，所述旋转组件30位于所述发热层20上所述第一发热层201与所述第二发热层202的交界处，所述第二发热层202为了避让所述旋转组件30，向内凹进一个圆弧形的平台，以便于安装所述旋转组件30。
61.进一步的，所述第一发热层201居中设置一个圆形孔，用于安装所述转轴301；所述基座302通过所述转轴301与所述第一发热层201转动连接。
62.需要说明的是，所述转轴301、所述基座302、所述叶片303和所述支撑座304的材料可以为石墨，石墨良好的润滑性可以减小所述转轴301与所述第一发热层201或所述转轴301与所述基座302间的摩擦力。反应气体吹向所述叶片303，所述旋转组件30仅需克服所述转轴301与所述基座302或所述转轴301与所述第一发热层201之间的摩擦即可转动。
63.进一步的，所述基座302绕旋所述转轴301旋转的速度可以通过调节通入气体的流量来调节，旋转速度与动力气体的流量成正比。
64.具体的，所述叶片303形状为片状结构，多个所述叶片303沿所述第二环面302b周向间隔设置；所述叶片303的外缘所在圆弧直径与所述支撑座304直径大小相同；所述叶片303底部与所述第一发热层201之间具有一个较小的间隙，用于减少基座302与所述第一发热层201之间的摩擦。
65.在本实用新型的一些实施例中，可选的，所述第二环面302b上连接有十八片所述叶片303，该十八片叶片303沿第二环面302b的周向等间距设置。当然，叶片303的数量也可
以为十二个、十四个和十六个等具体实施数量可以根据通入气体流量的需要进行计算设计。具体的，气体沿旋转气体通道7流入时，所述叶片303的数量n和通入气体与叶片303的夹角θ对所述旋转组件30的旋转速度有一定影响，与旋转气体通道7的位置也存在一定的关系。
66.进一步的，外延反应中为了获得表面较为均匀的外延层，要求所述旋转组件30在旋转360/n角度的时间趋于一致，以获得整体较为均匀的旋转速度。
67.可选的，所述旋转组件30也可以做成只旋转不悬浮的组件，如图6所示，此时仅需在所述第二发热层202开设旋转气体通道7；所述基座302的形状及所述叶片303的形状和数量也做相应的调整，如图7所示。
68.在一些实施例中，所述叶片303也可做成如图7至9所示的齿状，图7为直齿状叶片，此形状的叶片强度增加；图8和图9为斜齿叶片及圆弧形齿面叶片，此两种形状的叶片更有利于气流推动所述旋转组件30的旋转。
69.在另一些实施例中，所述第二环面也可以做成多环形的槽或凸台，如图10所示，其放置的平面即所述第一发热层201做对应加工，可以防止某个位置贴合度不够影响转动。
70.在另一些实施例中，所述第二环面302b与所述叶片303的连接方式可以采用卡接。
71.需要说明的是，所述转轴301、所述第一锥面302a、所述第二环面302b、所述叶片303和所述支撑座304的材料均为石墨，本实施例中，所述第一锥面302a、第二环面302b、所述叶片303和所述支撑座304设置为一体成型制成，三者一体成型制成，降低了三者之间发生断裂的概率，提高了三者之间的连接强度，另外，三者一体成型连接，容易生产制造，提供了生产效率，降低了生产成本，进而提高了产品的市场竞争力。
72.所述托盘4设置于所述支撑座304的顶部，与所述支撑座304直径大小相同。
73.进一步的，所述托盘4设置有凹槽。
74.进一步的，所述凹槽形状以能容纳用于外延反应的晶圆为合适的形状。
75.在一些实施例中，也可将所述托盘4与支撑座304合并为一体，顶部做凹槽用于放置晶圆。在所述第一锥面302a、第二环面302b、所述叶片303、所述支撑座304和所述托盘4做成一体的情况下，反应结束后，机械手需要将此部件整体从所述转轴301上实现取放。
76.本实用新型的实施例还提供了一种晶圆外延设备，包括有如上述任一实施例中所述的旋转装置。
77.在一些实施例中，所述叶片303与所述基座302的连接方式还可以采用卡接，以方便工艺时间比较久后进行分块更换，延长装置的使用寿命。
78.本实施例提供的晶圆外延设备，具有上述任一实施例中所述的旋转装置，因此具有上述任一实施例中所述旋转装置的全部有益效果，在此就不一一赘述。
79.综上所述，本实施例提供的旋转装置，使用时，气体从悬浮气体管道8流入，经所述悬浮气体出口9，以一定的速度吹在所述第二环面302b的表面上，所述第二环面302b的环形面与所述第一发热层形成相对封闭容腔，随着源源不断的气流的涌入，容腔的压强增加，所述旋转组件30在气流的托举下实现浮升；与此同时气体从所述旋转气体通道7流入，吹在所述叶片303上，对所述叶片303施加一定的力，在绕所述第一锥面302a的旋转中心形成的力矩的作用下，所述旋转组件30转动，所述旋转组件30在转动的同时，气体始终对不同的叶片施加有力，所述旋转组件30能够保持连续的旋转；所述旋转组件30的转动带动所述托盘4进
行旋转；在所述旋转组件30转速稳定以后，经过充分混合的参与反应的反应气体从外延设备所述的反应气体入口5流入，在晶圆表面发生化学气相沉积反应；由于晶圆始终处于旋转的状态，晶圆表面发生反应的概率更为接近，有利于形成厚度和掺杂浓度更为均匀的外延层；由于所述旋转组件30始终处于悬浮状态，仅需少量的气体即可实现所述旋转组件30及晶圆托盘的旋转，减少了驱动旋转的气体从所述旋转组件30间隙中流出对参加反应的反应气体的干扰，且由于通入气体较少，当通入的气体为氢气时对所述旋转气体通道7的刻蚀作用减弱，因刻蚀后剥离产生的细小粉尘也随之减少，从工艺和环境上保证了晶圆沉积膜厚的均匀性和掺杂浓度的均匀性。
80.在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。
81.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。
82.以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。