CN104975271A - 进气装置以及半导体加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种进气装置以及半导体加工设备，其包括多路进气通道以及通过进气通道向反应腔室提供反应气体的进气管，多路进气通道位于反应腔室的一侧，且相对于反应腔室在水平方向上均匀排布；每路进气通道包括相互串接的进气口和出气口，进气口与进气管连接；出气口与反应腔室连接，并且出气口沿水平方向朝向反应腔室内喷出反应气体；根据各个出气口之间反应气体的流速差异，分别设置各个出气口的长度，以使自各个出气口喷出的反应气体同时到达反应腔室的工艺位置。本发明提供一种进气装置，其不仅可以使反应气体在反应腔室的工艺位置的分布趋于均匀，而且可以提高工艺效率。

Description

进气装置以及半导体加工设备

技术领域

本发明涉及半导体加工技术领域，具体地，涉及一种进气装置以及半导体加工设备。

背景技术

化学气相沉积外延生长的基本原理是将反应气体输送到反应腔室内，并通过加热等方式使反应气体在衬底表面发生化学反应，获得的生长原子淀积在衬底表面上，并生长形成单晶层薄膜。在进行化学气相沉积外延生长的过程中，通常借助气体输运和控制系统（包含管道、流量及阀门等）来保证及时准确地向反应腔室内输运反应气体。

为了满足生长薄膜所需的掺杂均匀、厚度均匀等的要求，提高薄膜的浓度和厚度均匀性，需要衬底表面附近存在均匀分布的气流场、温场和浓度场，这就要求在生长过程中，气体输运和控制系统能够保证反应气体被输运到衬底表面各个区域的反应物及掺杂物的速率相等，以及使气流场保持均匀平行层流状态，以避免气流场产生任何波动、湍流和对流涡旋。

目前，主流的外延生长设备的进气方式为水平进气。如图1所示，为现有的外延生长设备的结构简图。外延生长设备包括反应腔室10和进气装置13，其中，在反应腔室10内设置有石墨托盘11，用于承载被加工工件；进气装置13通过进气法兰12固定在反应腔室10的一侧，用于通过进气法兰12的内部通道向反应腔室10内水平通入反应气体。此外，在反应腔室10的与进气法兰12相对的另一侧设置有排气法兰14，用于排出反应腔室内的气体。在进行工艺的过程中，腔室内部的气流方向如图1所示的箭头方向，即：反应气体自进气装置13沿水平方向流入反应腔室10，并在经过石墨托盘11时与其上的被加工工件发生化学反应，反应后的气体随载气一起自排气法兰14排出反应腔室10。

下面对进气装置13进行详细描述。具体地，图2为现有的进气装置的装配图。图3为现有的进气装置的立体图。请一并参阅图1-3，进气装置13包括3路进气管（包括一路中央进气管151和两路边缘进气管152）、3个分流槽（包括一个中央分流槽171和两个边缘分流槽172）、28路进气通道和28个调节阀16。其中，中央进气管151设置在中央分流槽171的中心位置处，用于向中央分流槽171内通入反应气体；两路边缘进气管152对应地分别设置在两个边缘分流槽172的中心位置处，用于分别向两个边缘分流槽172内通入反应气体；3路进气管的流量可以借助MFC进行控制。进气通道用于将分流槽内的反应气体输送至反应腔室内，具体地，每路进气通道132具有进气口132和出气口133，其中，位于中部的16路进气通道的进气口132位于中央分流槽171内；位于边缘的6路进气通道的进气口132分别位于两个边缘分流槽172内；并且，28路进气通道的出气口133沿水平方向间隔设置，且每个出气口133水平设置，用以沿水平方向喷出反应气体。28个调节阀16用于对应地分别独立地调节28路进气通道的流量。

上述进气装置在实际应用中不可避免地存在以下问题，即：图4为每路进气通道的进气口的流速图。图5为反应腔室的流速分布图。由图4和图5可知，由于进气管设置在分流槽的中心位置处，这使得反应气体在进入分流槽内后会首先进入中间的进气口，且向边缘的进气口扩散的速度较慢，导致中间的进气口的流速高于边缘的进气口，并且由于中间的进气口的流量较大，还会导致反应气体自中间的出气口的喷射距离大于边缘的出气口，从而造成到达工艺位置的反应气体分布不均匀。该现象针对位于中部的16路进气通道尤为明显。

虽然可以利用28个调节阀16单独调节28路进气通道的流量，以补偿各路进气通道的进气口的流速差异，但是，这种调节方式不仅工作量大且复杂，而且由于每路进气通道的进气口的关闭均会对反应腔室的气流均匀性产生整体影响，工艺变量过多，因而不利于工艺的稳定控制，且调节的有效性及效率不高，很难满足连续的生产要求。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种进气装置以及半导体加工设备，其可以使反应气体同时到达工艺位置，从而可以使反应气体在反应腔室的工艺位置的分布趋于均匀。

为实现本发明的目的而提供一种进气装置，其包括多路进气通道以及通过所述进气通道向反应腔室提供反应气体的进气管，所述多路进气通道位于所述反应腔室的一侧，且相对于所述反应腔室在水平方向上均匀排布；每路进气通道包括相互串接的进气口和出气口，所述进气口与所述进气管连接；所述出气口与所述反应腔室连接，并且所述出气口沿水平方向朝向所述反应腔室内喷出反应气体，根据各个出气口之间反应气体的流速差异，分别设置各个出气口的长度，以使自各个出气口喷出的反应气体同时到达所述反应腔室的工艺位置。

其中，各个出气口的进气端与所述反应腔室之间的水平间距相等；并且在所有出气口中，最中央的出气口的长度最小；最边缘的出气口的长度最大；其余出气口的长度自最中央的出气口向最边缘的出气口按预设规则依次增大。

优选的，所述预设规则被设置为：所有出气口的出气端在水平面上的投影之间的连线形状包括折线、拱形线或者波浪线。

其中，各个出气口的进气端与所述反应腔室之间的水平间距相等；并且所述多路进气通道被依次划分为多组通道组，在同一通道组的所有出气口中，最中央的出气口的长度最小；最边缘的出气口的长度最大；其余出气口的长度自最中央的出气口向最边缘的出气口按预设规则依次增大。

优选的，所述预设规则被设置为：各个出气口的出气端在水平面上的投影之间的连线形状包括折线、拱形线或者波浪线。

其中，所述通道组包括一组中央通道组，以及位于该中央通道组两侧的两组边缘通道组，其中所述中央通道组的位置与所述工艺位置的中心区域相对应；所述两组边缘通道组的位置分别与所述工艺位置的两个边缘区域相对应。

优选的，所述进气装置还包括分流槽，所述分流槽的数量与所述通道组的数量相对应，在同一通道组中，各个进气口的进气端和与该通道组相对应的分流槽相连通；所述进气管包括一个中央进气管和两个边缘进气管，其中所述中央进气管和与所述中央通道组相对应的分流槽连接；所述两个边缘进气管对应地分别和与所述两组边缘通道组相对应的两个分流槽连接。

优选的，所述进气装置还包括装置本体和柱状管件，在所述装置本体内设置有相互串接的第一通道和第二通道；所述柱状管件的数量与所述进气通道的数量相对应；并且，所述柱状管件水平设置，且所述柱状管件的远离所述反应腔室的一端一一对应地与所述第二通道串接；所述进气口即为所述第一通道；所述出气口由所述第二通道和所述柱状管件串接形成。

优选的，所述进气装置还包括装置本体，在所述装置本体内设置有相互串接的第一通道和第二通道；所述进气口即为所述第一通道；所述出气口即为所述第二通道。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种半导体加工设备，其包括反应腔室以及用于向所述反应腔室提供反应气体的进气装置，所述进气装置采用了本发明提供的上述进气装置。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的进气装置，其通过根据各个出气口之间反应气体的流速差异，分别设置各个出气口的长度，即，使自各个出气口喷出的反应气体流动至反应腔室的工艺位置的路程不同，可以补偿自各个出气口喷出的反应气体到达反应腔室的工艺位置的时间，即，使反应气体同时到达工艺位置，从而可以使反应气体在反应腔室的工艺位置的分布趋于均匀。此外，本发明提供的进气装置无需利用调节阀单独调节各路进气通道的流量，而仅依靠自身结构即可实现使反应气体在反应腔室的工艺位置的分布趋于均匀，从而可以提高调节的有效性及效率，进而可以提高工艺效率。

本发明提供的半导体加工设备，其通过采用本发明提供的进气装置，不仅可以使反应气体在反应腔室的工艺位置的分布趋于均匀，而且可以提高工艺效率。

附图说明

图1为现有的外延生长设备的结构简图；

图2为现有的进气装置的装配图；

图3为现有的进气装置的立体图；

图4为每路进气通道的进气口的流速图；

图5为反应腔室的流速分布图；

图6A为本发明第一实施例提供的进气装置的主视图；

图6B为沿图6A中I-I线的剖视图；

图6C为沿图6A中II-II线的剖视图；

图7A为本发明第一实施例提供的另一种进气装置的剖视图；

图7B为本发明第一实施例提供的又一种进气装置的剖视图；

图8为本发明第二实施例提供的进气装置俯视图；以及

图9为本发明第二实施例提供的进气装置的侧视图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的进气装置以及半导体加工设备进行详细描述。

图6A为本发明第一实施例提供的进气装置的主视图。图6B为沿图6A中I-I线的剖视图。图6C为沿图6A中II-II线的剖视图。请一并参阅图6A-6C，进气装置包括多路进气通道、装置本体20、分流槽21、以及通过该进气通道向反应腔室提供反应气体的进气管22。

其中，为了能够按比例分配反应气体分别对应于反应腔室的中心区域和边缘区域的流量，进气管22包括一个中央进气管22A和两个边缘进气管22B和22C，用于分别独立地向反应腔室中工艺位置的中心区域和边缘区域提供反应气体。所谓反应腔室的工艺位置，是指预设的反应腔室内对被加工工件进行工艺的位置，换言之，是进入反应腔室的反应气体与被加工工件表面发生反应的位置。

而且，多路进气通道位于反应腔室的一侧，且相对于该反应腔室在水平方向上均匀排布；并且，多路进气通道依次被划分为三组通道组，即：如图6C所示，中央通道组A（含16路进气通道），以及位于该中央通道组A两侧的两组边缘通道组B和C（分别含6路进气通道），其中，中央通道组A的位置与反应腔室的工艺位置的中心区域相对应，用以将来自中央进气管22A的反应气体输送至工艺位置的中心区域；两组边缘通道组B和C的位置分别与反应腔室的工艺位置的两个边缘区域相对应，用以将分别来自两个边缘进气管22B和22C的反应气体输送至工艺位置的边缘区域。

分流槽21的数量与通道组的数量相对应，即，分流槽21的数量为三个，分别为：中央分流槽21A，以及位于该中央分流槽21A两侧的边缘分流槽21B和21C。并且，同一通道组中的各路进气通道与同一分流槽相连通，具体地，如图6C所示，中央通道组A中的16路进气通道均与中央分流槽21A相连通；边缘通道组B（或C）中的6路进气通道均与边缘分流槽21B（或21C）相连通。中央进气管22A与中央分流槽21A连接；两个边缘进气管22B和22C对应地分别与边缘分流槽21B和21C连接。这样，来自中央进气管22A的反应气体首先流入中央分流槽21A，并向中央分流槽21A的四周扩散，以分流进入16路进气通道内。与之相类似的，来自边缘进气管22B（或22C）的反应气体首先流入边缘分流槽21B（或21C），并向边缘分流槽21B（或21C）的四周扩散，以分流进入6路进气通道内。

下面进一步对进气通道的结构进行详细描述。具体地，每路进气通道包括相互串接的进气口和出气口，在本实施例中，进气口和出气口即为设置在装置本体20内的第一通道201和第二通道202，第一通道201的出气端（图6B中第一通道201的下端）和第二通道202的进气端（图6B中第二通道202的左端）相互串接。其中，作为进气口的第一通道201的进气端通过分流槽21与进气管22连接，该第一通道201竖直设置，并且第一通道201的进气端（图6B中第一通道201的上端）和其所在通道组相对应的分流槽21相连通（分流槽21也设置在装置本体20上，且位于第一通道201的上方）。

作为出气口的第二通道202与反应腔室连接，并且该第二通道202水平设置，以能够沿水平方向朝向反应腔室内喷出反应气体。各个第二通道202的长度（是指第二通道202在反应气体流动方向上的长度）根据各个第二通道202之间反应气体的流速差异分别进行设置，即，使自各个第二通道202喷出的反应气体流动至反应腔室的工艺位置的路程不同。这可以补偿自各个第二通道202喷出的反应气体到达反应腔室的工艺位置的时间，即，使反应气体同时到达工艺位置，从而可以使反应气体在反应腔室的工艺位置的分布趋于均匀。

另外，本发明提供的进气装置通过采用上述结构，可以无需利用调节阀单独调节各路进气通道的流量，而仅依靠自身结构即可实现使反应气体在反应腔室的工艺位置的分布趋于均匀，从而可以提高调节的有效性及效率，进而可以提高工艺效率。

由于进气管22设置在分流槽21的靠近中心的位置处，这使得反应气体在进入分流槽21内后会首先进入中间的进气口，并向边缘的进气口扩散的速度较慢，导致中间进气口的反应气体的流速高于边缘进气口的反应气体的流速，并且中间进气口的反应气体的流量也高于边缘进气口的反应气体的流量，从而造成自中间出气口喷出的反应气体先于自边缘出气口喷出的反应气体到达工艺位置，且流量也较大，进而造成反应气体在反应腔室的工艺位置的分布不均匀。在这种情况下，可以采用下述方式设置各个第二通道202的长度。

具体地，各个第二通道202的进气端与反应腔室之间的水平间距相等，即，各个第二通道202的进气端相互平齐，如图6C所示。并且，在同一通道组的所有第二通道202中，最中央的第二通道202的长度最小；最边缘的第二通道202的长度最大；其余第二通道202的长度自最中央的第二通道202向最边缘的第二通道202按预设规则依次增大。

例如，在中央进气组A的所有第二通道202中，最中央的两个第二通道202的长度最小；两侧最边缘的第二通道202的长度最大；其余第二通道202的长度自最中央的第二通道202向最边缘的出气口按线性函数的关系依次增大，即，各个第二通道202的出气端在水平面上的投影之间的连线形状为折线，如图6C所示。

又如，在边缘进气组B（或C）的所有第二通道202中，最中央的两个第二通道202的长度最小；两侧最边缘的第二通道202的长度最大；其余第二通道202的长度自最中央的第二通道202向最边缘的出气口按线性函数的关系依次增大，即，各个第二通道202的出气端在水平面上的投影之间的连线形状为折线，如图6C所示。

当然，在实际应用中，各个出气口的出气端在水平面上的投影之间的连线形状还可以根据具体情况采用拱形线或者波浪线等的其他任意线条，例如，图7A中线条形状为拱形线；又如，图7B中线条形状为梯形状折线。

需要说明的是，在本实施例中，各个第二通道202的进气端相互平齐，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，也可以使各个出气口（第二通道）的出气端相互平齐，即，与反应腔室之间的水平间距相等，而各个出气口的进气端不平齐，即，各个出气口的进气端在水平面上的投影之间的连线形状为折线、拱形线或者波浪线等的其他任意线条；或者，还可以使各个出气口的进气端不平齐，各个出气口的出气端也不平齐，即，各个出气口的进气端和出气端各自在水平面上的投影之间的连线形状为折线、拱形线或者波浪线等的其他任意线条，但是在这种情况下，应使自各个出气口喷出的反应气体流动至反应腔室的工艺位置的路程不同，以使反应气体同时到达工艺位置。

还需要说明的是，在本实施例中，多路进气通道依次被划分为三组通道组，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，多路进气通道根据具体情况还可以不分组，或者被划分为两组或者四组以上。

针对不分组的情况，可以采用下述方式设置各个出气口的长度。具体地，各个出气口的进气端与反应腔室之间的水平间距相等；并且在所有出气口中，最中央的出气口的长度最大；最边缘的出气口的长度最小；其余出气口的长度自最中央的出气口向最边缘的出气口按预设规则依次增大。该预设规则同样可以被设置为：所有出气口的出气端在水平面上的投影之间的连线形状包括折线、拱形线或者波浪线。

图8为本发明第二实施例提供的进气装置俯视图。图9为本发明第二实施例提供的进气装置的侧视图。请一并参阅图8和图9，本实施例提供的进气装置与上述第一实施例相比，同样包括多路进气通道、装置本体20、分流槽21、以及通过该进气通道向反应腔室提供反应气体的进气管22。由于多路进气通道、装置本体20、分流槽21和进气管22的结构和功能在上述第一实施例中已有了详细的描述，在此不再赘述。

下面仅针对本实施例与上述第一实施例之间的不同点进行详细描述。具体地，本实施例提供的进气装置还包括数量与进气通道的数量相对应的柱状管件23，该柱状管件23水平设置，且柱状管件23的远离反应腔室的一端（图9中柱状管件23的左端）一一对应地与第二通道202串接。在这种情况下，进气口即为第一通道201；出气口由第二通道202和柱状管件23串接形成，也就是说，出气口的总长度为第二通道202和柱状管件23的长度之和。在进行工艺的过程中，来自进气管22的反应气体依次流经分流槽21、第一通道201、第二通道202和柱状管件23之后，进入反应腔室内。

在本实施例中，各个第二通道202的长度相同，且各个第二通道202的进气端相平齐，各个第二通道202的出气端也相平齐；而各个柱状管件23的进气端相平齐，各个柱状管件23的出气端在水平面上的投影之间的连线形状包括折线、拱形线或者波浪线。在这种情况下，可以根据各个第二通道202之间反应气体的流速差异设置各个柱状管件23的长度，此时各个出气口的总长度不同，即，第二通道202和柱状管件23的长度之和不同，这同样可以使自各个第二通道202喷出的反应气体流动至反应腔室的工艺位置的路程不同，从而可以补偿自各个第二通道202喷出的反应气体到达反应腔室的工艺位置的时间，即，使反应气体同时到达工艺位置，进而可以使反应气体在反应腔室的工艺位置的分布趋于均匀。

作为另一个技术方案，本发明实施例还提供一种半导体加工设备，其包括反应腔室以及用于向该反应腔室提供反应气体的进气装置，其中，进气装置采用了本发明上述各个实施例提供的进气装置。

本发明实施例提供的半导体加工设备，其通过采用本发明上述各个实施例提供的进气装置，不仅可以使反应气体在反应腔室的工艺位置的分布趋于均匀，而且可以提高工艺效率。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种进气装置，其包括多路进气通道以及通过所述进气通道向反应腔室提供反应气体的进气管，所述多路进气通道位于所述反应腔室的一侧，且相对于所述反应腔室在水平方向上均匀排布；每路进气通道包括相互串接的进气口和出气口，所述进气口与所述进气管连接；所述出气口与所述反应腔室连接，并且所述出气口沿水平方向朝向所述反应腔室内喷出反应气体，其特征在于，

根据各个出气口之间反应气体的流速差异，分别设置各个出气口的长度，以使自各个出气口喷出的反应气体同时到达所述反应腔室的工艺位置。

2.根据权利要求1所述的进气装置，其特征在于，各个出气口的进气端与所述反应腔室之间的水平间距相等；并且

在所有出气口中，最中央的出气口的长度最小；最边缘的出气口的长度最大；其余出气口的长度自最中央的出气口向最边缘的出气口按预设规则依次增大。

3.根据权利要求2所述的进气装置，其特征在于，所述预设规则被设置为：所有出气口的出气端在水平面上的投影之间的连线形状包括折线、拱形线或者波浪线。

4.根据权利要求1所述的进气装置，其特征在于，各个出气口的进气端与所述反应腔室之间的水平间距相等；并且

所述多路进气通道被依次划分为多组通道组，在同一通道组的所有出气口中，最中央的出气口的长度最小；最边缘的出气口的长度最大；其余出气口的长度自最中央的出气口向最边缘的出气口按预设规则依次增大。

5.根据权利要求4所述的进气装置，其特征在于，所述预设规则被设置为：各个出气口的出气端在水平面上的投影之间的连线形状包括折线、拱形线或者波浪线。

6.根据权利要求4所述的进气装置，其特征在于，所述通道组包括一组中央通道组，以及位于该中央通道组两侧的两组边缘通道组，其中

所述中央通道组的位置与所述工艺位置的中心区域相对应；

所述两组边缘通道组的位置分别与所述工艺位置的两个边缘区域相对应。

7.根据权利要求6所述的进气装置，其特征在于，所述进气装置还包括分流槽，所述分流槽的数量与所述通道组的数量相对应，在同一通道组中，各个进气口的进气端和与该通道组相对应的分流槽相连通；

所述进气管包括一个中央进气管和两个边缘进气管，其中

所述中央进气管和与所述中央通道组相对应的分流槽连接；

所述两个边缘进气管对应地分别和与所述两组边缘通道组相对应的两个分流槽连接。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的进气装置，其特征在于，所述进气装置还包括装置本体和柱状管件，

在所述装置本体内设置有相互串接的第一通道和第二通道；所述柱状管件的数量与所述进气通道的数量相对应；并且，所述柱状管件水平设置，且所述柱状管件的远离所述反应腔室的一端一一对应地与所述第二通道串接；

所述进气口即为所述第一通道；

所述出气口由所述第二通道和所述柱状管件串接形成。

9.根据权利要求1-7任意一项所述的进气装置，其特征在于，所述进气装置还包括装置本体，

在所述装置本体内设置有相互串接的第一通道和第二通道；

所述进气口即为所述第一通道；

所述出气口即为所述第二通道。

10.一种半导体加工设备，其包括反应腔室以及用于向所述反应腔室提供反应气体的进气装置，其特征在于，所述进气装置采用了权利要求1-9任意一项所述的进气装置。