CN110777428B - 一种气体输运系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体输运系统，包括：工艺管路、排空管路和多条气源管路，其中，工艺管路连通于气源管路的出口与反应腔室的入口；排空管路连通于气源管路的出口与尾气处理装置的入口；每条气源管路能够独立的连通于工艺管路或排空管路，从而实现多条气源管路在同一时刻一部分连通于工艺管路，另一部分连通于排空管路。本发明的有益效果在于，当一路气体通入反应腔室时，另一路气体可以同时排空，缩短了两路气体切换过程中所需的时间，提高了设备利用率。

Description

一种气体输运系统

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，具体地，涉及一种气体输运系统。

背景技术

半导体外延设备是利用化学气相沉积原理生长单晶层的一种常见设备，可用于IV族硅锗外延、II-VI族和III-V族化合物半导体外延，其包括反应腔系统、控制系统、气体输运系统、加热系统、冷却系统和尾气处理系统等组成部分。

在外延生长过程中，需要控制的主要参数有衬底温度、源气体流量、载运气体流量和掺杂气体流量等。厚度、电阻率均匀性是薄膜制备中的重要指标。源气体流量对生长速度，载运气体流量对外延层厚度的均匀性，掺杂气体流量对电阻率等，都分别有很大的影响。

气体输运和控制系统是保证向反应腔室及时和准确输运反应气体的系统。它主要由管道、流量计和各种阀门等组成。其中气体输运的两条主管路，一条是通往反应腔室的工艺管路，另一条是通往尾气处理装置的排空管路，当需要一路气体通入反应腔室时，首先将气体通入尾气处理装置的管路中，待气流平稳后再切换至通往反应腔室的工艺管路中，不需要时再切换回尾气处理装置的排空管路中，由于当一路气体通往反应腔室时，其他路气体不能同时通入尾气处理装置的管路中，提前排空，当需要将其他路气体通入工艺腔室时，需要额外的排空时间，增加了工艺所需要的时间，设备利用率不高。排空管路工艺管路

因此，期待一种气体传输系统，可以实现当一部分气源管路的气体通入反应腔室时，另一部分气源管路的气体可以同时通入尾气处理装置进行排空，以缩短将气流调至平稳的等待时间，提高设备利用率。

发明内容

本发明的目的是提出一种气体输运管路，实现在工艺管路和排空管路切换时缩短将气流调至平稳的等待时间，提高设备的利用率。

为实现上述目的，本发明提出了一种气体输运管路，用于将气体输运至反应腔室，包括：工艺管路、排空管路和多条气源管路，所述工艺管路连通于所述气源管路的出口与反应腔室的入口；所述排空管路连通于所述气源管路的出口与尾气处理装置的入口；每条所述气源管路能够独立的连通于所述工艺管路或所述排空管路，从而实现多条气源管路在同一时刻一部分连通于所述工艺管路，另一部分连通于所述排空管路。

可选地，所述工艺管路上依次设有多个第一控制阀，每条所述气源管路通过相对应的一个所述第一控制阀与所述工艺管路连通；

所述排空管路上依次设有多个第二控制阀，每条所述气源管路通过相对应的一个所述第二控制阀与所述排空管路连通；

每个所述第二控制阀分别与一个所述第一控制阀连通；

对于任意一条气源管路，通过打开与其连通的所述第一控制阀且关闭对应的所述第二控制阀使所述气源管路与所述工艺管路连通，且通过关闭与其连通的所述第一控制阀且打开对应的所述第二控制阀使所述气源管路与所述排空管路连通。

可选地，所述第一控制阀为四通阀，所述第二控制阀为三通阀；

所述四通阀包括第一端口至第四端口，所述三通阀包括第五端口至第七端口，其中所述四通阀的第一端口与第二端口分别与所述工艺管路连接，第三端口与第四端口分别与所述气源管路的出口和所述三通阀的第七端口连接，且所述第一端口与第二端口连通以形成第一通路，所述第三端口与第四端口连通以形成第二通路，当所述四通阀打开时，所述第一通路与所述第二通路连通，当所述四通阀关闭时，所述第一通路与所述第二通路断开；

所述三通阀的第五端口和第六端口分别与所述排空管路连接，所述第七端口与所述四通阀的第四端口连接，且所述第五端口与所述第六端口连通以形成第三通路，当所述三通阀打开时，所述第七端口与所述第三通路连通，当所述三通阀关闭时，所述第七端口与所述第三通路断开。

对于任意一条气源管路，通过打开与其连通的所述四通阀且关闭对应的所述三通阀使所述气源管路与所述工艺管路连通，且通过关闭与其连通的所述四通阀且打开对应的所述三通阀使所述气源管路与所述排空管路连通。

可选地，所述第二控制阀为四通阀，所述第一控制阀为三通阀；

所述四通阀包括第八端口至第十一端口，所述三通阀包括第十二端口至第十四端口，其中所述四通阀的第八端口与第九端口分别与所述排空管路连接，第十端口与第十一端口分别与所述气源管路的出口和所述三通阀的第十四端口连接，且所述第八端口与第九端口连通以形成第四通路，所述第十端口与第十一端口连通以形成第五通路，当所述四通阀打开时，所述第四通路与所述第五通路连通，当所述四通阀关闭时，所述第四通路与所述第五通路断开；

所述三通阀的第十二端口和第十三端口分别与所述工艺管路连接，所述第十四端口与所述四通阀的第十一端口连接，且所述第十二端口与所述第十三端口连通以形成第六通路，当所述三通阀打开时，所述第十四端口与所述第六通路连通，当所述三通阀关闭时，所述第十四端口与所述第六通路断开。

对于任意一条气源管路，通过打开与其连通的所述三通阀且关闭对应的所述四通阀使所述气源管路与所述工艺管路连通，且通过关闭与其连通的所述三通阀且打开对应的所述四通阀使所述气源管路与所述排空管路连通。

可选地，还包括载气管路，所述载气管路的进气口连通于载气源，所述载气管路的出口分别连通于所述工艺管路和所述排空管路。

可选地，每条所述气源管路的进气口连通于一种工艺气体源。

可选地，还包括气动阀，设置于每条所述气源管路的进气口端，所述气动阀包括气动隔膜阀。

可选地，还包括质量流量控制器，设置于每条所述气源管路的出气口端。

可选地，所述工艺管路与所述反应腔室连接的一端设有第一压力表；所述排空管路与所述尾气处理装置连接的一端设有第二压力表。

可选地，所述排空管路上设有背压阀，所述背压阀设于所述第二压力表与所述尾气处理装置之间。

本发明的有益效果在于：

当需要切换不同路气体进入反应腔室时，可以实现一部分气源气体通入反应腔室，同时另一部分气源气体通入尾气处理装置进行排空操作，两个管路同时进行不同的操作，缩短了气体切换过程中的等待时间，提高了设备的利用率。

本发明的装置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

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，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了现有技术中一种气体输运系统的示意图；

图2示出了根据本发明一实施例的一种气体输运系统的示意图；

图3示出了四通阀工作原理图；

图4示出了三通阀工作原理图；

图5示出了根据本发明另一实施例的一种气体输运系统的示意图。

附图标记说明：

A-工艺气体输入管路；B-工艺气体输入管路；1-1-阀门；2-1-阀门；3-1-阀门；4-1-阀门；C-共用管路；D-工艺管路；E-排空管路。

1-四通阀；2-四通阀；3-三通阀；4-三通阀；5-质量流量控制器；6-质量流量控制器；7-质量流控制器；8-质量流量控制器；9-气动隔膜阀；10-气动隔膜阀；11-气动隔膜阀；12-第一压力表；13-第二压力表；14-背压阀；AA-气源管路；BB-气源管路；CC-载气管路；P1-端口；P2-端口；P3-端口；P4-端口；M1-端口；M2-端口；M3-端口。

具体实施方式

图1为现有技术中一种气体输运系统，包括两条工艺气体输运管路，虚线框中所示，工艺气体输入管路A和工艺气体输入管路B分别通过阀门1-1和阀门2-1与共用管路C连通，共用管路C末端通过阀门3-1分成通往尾气处理装置的排空管路E和通往反应腔的工艺管路D。

在半导体技术领域，沉积设备的气体输运管路中，将通往反应腔室的管路称为工艺管路，反应腔室是对目标晶圆进行沉积等工艺操作的腔室。将通往尾气处理装置的管路称为排空管路，工艺气体在通往工艺管路之前需要先通入排空管路进行排空，使气流混合均匀且流量稳定，达到通入工艺腔室的标准后再通过管路切换将工艺气体切换至工艺管路。

如当需要通过工艺气体输入管路B向工艺腔室通入工艺气体时，首先打开阀门2-1和阀门3-1，气体通入排空管路E排空一段时间之后，关闭阀门3-1，打开阀门4-1，气体从排空管路E切换至工艺管路D中。向需要通过工艺气体输入管路A向工艺腔室通入工艺气体时亦同理。两条工艺气体管路不能一条通入排空管路E另一条同时通入工艺管路D，气体管路切换时需要等待在排空管路E将气流调至均匀的时间，设备的利用率受限。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种气体输运系统，本发明提供的气体输运系统可以实现当一路或多路气体通入反应腔室时，另一路或多路气体可以同时通入尾气处理装置，缩短了气体切换过程中的等待时间，提高了设备的利用率。

以下将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，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。

根据本发明的一种气体输运系统，用于将气体输运至反应腔室，包括：工艺管路、排空管路和多条气源管路，工艺管路连通于气源管路的出口与反应腔室的入口；排空管路连通于气源管路的出口与尾气处理装置的入口；每条气源管路能够独立的连通于工艺管路或排空管路，从而实现多条气源管路在同一时刻一部分连通于工艺管路，另一部分连通于排空管路。

具体地，本发明一实施例提供了一种气体输运系统，本实例以两条气源管路为例，说明工艺气体的输运切换过程。在其他实例中，气源管路可以为多条，按照本实例的连接方式增加相应的部件即可。工艺管路与反应腔室连通，其上设有第一控制阀，一路气源管路的出口通过与之连通的第一控制阀连通于工艺管路，另一路气源管路的出口通过另一第一控制阀连通于工艺管路。排空管路连通于尾气处理装置，排空管路上设有两个第二控制阀，分别与其中一个第一控制阀连通。

当需要将一路气源管路的气体通入工艺管路时，打开与之连通的第一控制阀，关闭与之连接的第二控制阀；当需要将另一路气源管路的气体通入工艺管路时，打开与之连通的第一控制阀，关闭与之连接的第二控制阀；当需要同时将两路气源管路的气体通入工艺管路时，同时打开两个第一控制阀，关闭两个第二控制阀；当需要将其中一路气源管路的气体通入排空管路时，关闭与之连通的第一控制阀，打开与之连接的第二控制阀；当需要同时将两路气源管路的气体通入排空管路时，同时关闭两个第一控制阀，打开两个第二控制阀；当需要将其中一路气源管路的气体通入工艺管路，同时将另一路气源管路的气体通入排空管路时，选择需要将气体通入工艺管路的气源管路连通于第一控制阀，关闭与之连接的第二控制阀，选择需要将气体通入排空管路的气源管路连通于第二控制阀，关闭与之连接的第一控制阀。

本实施例通过控制工艺管路和排空管路上的第一控制阀和第二控制阀的开启和关闭，实现多种工作模式的切换，即可实现单路气体通入工艺管路或排空管路，也可实现多路气体同时通气工艺管路或排空管路，还可以实现一部分管路的气体通入工艺管路的同时，另一部分气体通入排空管路。不同气源管路之间相互独立，可以灵活控制各气源管路的工作模式，缩短了气体切换过程中的等待时间，提高了设备的利用率。

在一个实例中，第一控制阀为四通阀，第二控制阀为三通阀；具体地，参考图3，四通阀的工作原理为，当四通阀关闭时，端口P1与端口P2连通，端口P3与端口P4连通，但这两路并不连通；当四通阀打开时，端口P1、端口P2、端口P3、端口P4均连通。参考图4，三通阀的工作原理为，当三通阀关闭时，端口M1与端口M2连通，端口M3路不通；当三通阀打开时，端口M1、端口M2、端口M3均连通。

请参考图2，为便于理解气体的输运过程，以气源管路AA通入三氯氢硅气体，气源管路BB通入磷烷气体为例，阐述各种工作模式下，四通阀1、四通阀2和三通阀3、三通阀4的工作状态。需要说明的是，以下阐述的基础为：四通阀的端口P1和端口P2形成的通路与工艺管路D连通，端口P3与气源管路的出口端连接，端口P4连接于三通阀的端口M3，三通阀的端口M1和端口M2形成的通路与排空管路E连通。

当需要向反应腔室通入三氯氢硅气体时，首先关闭四通阀1，打开三通阀3，从气源管路AA通入的三氯氢硅气体从四通阀1的端口P3进入，端口P4流出，由于当四通阀1关闭时，端口P3与端口P1、端口P2不连通，因此三氯氢硅气体不会通入工艺管路D，从端口P4流出的三氯氢硅气体经三通阀3的端口M3通入，三通阀3处于开启状态时，端口M3与端口MI、端口M2连通，因此三氯氢硅气体进入排空管路E，将三氯氢硅通入排空管路E排空一段时间，待三氯氢硅气流稳定后，再打开四通阀1，关闭三通阀3，气体不能进入排空管路E，打开四通阀1后，端口P3与端口P1、端口P2连通，三氯氢硅气体通入工艺管路D。同理，当需要向反应腔室通入磷烷时，关闭四通阀2，打开三通阀4，待磷烷气流稳定后，再打开四通阀2，关闭三通阀4。

当需要同时将三氯氢硅和磷烷通入反应腔室时，首先，关闭四通阀1，打开三通阀3，关闭四通阀2，打开三通阀4，具体为，关闭四通阀1时，三氯氢硅气体通过四通阀1的端口P3进入，端口P4流出，通入三通阀3的端口M3，端口M3连通与端口M1、端口M2，因此三氯氢硅气体通入排空管路E。磷烷气体通过四通阀2的端口P3进入，端口P4流出，通入三通阀4的端口M3，端口M3连通与端口M1、端口M2，因此磷烷气体通入排空管路E，三氯氢硅和磷烷同时进入排空管路E排空一段时间，待三氯氢硅和磷烷气流稳定后，再打开四通阀1、四通阀2，关闭三通阀3、三通阀4。具体为，当三通阀3关闭时，三通阀3的端口M3不与端口M1、端口M2连通，三氯氢硅气体无法进入排空管路E，当四通阀1打开后，四通阀1的端口P3与端口P1、端口P2连通，三氯氢硅气体进入工艺管路D；当关闭三通阀4时，三通阀4的端口M3不与端口M1、端口M2连通，磷烷气体无法进入排空管路E，当四通阀2打开时，四通阀2的端口P3与端口P1、端口P2连通，磷烷气体进入工艺管路D；三氯氢硅和磷烷同时通过工艺管路D进入反应腔室。需要说明的是，每条气源管路的长短及位于工艺管路D上的多个四通阀之间存在的距离都会使不同气源之间需要排空的时间不一致。另外不同气源本身的性质使其需要排空的时间也不同。因此本实例中所提及的“同时”打开或“同时”关闭阀门，并不意味着同一时间执行操作，而是意在表明两个气源管路的气体可以并行操作，互不影响。因此，在实际的操作过程中，两种工艺气体通入气源管路的时间，不同阀门的开启和关闭时间都是可以灵活调整的。

当需要将三氯氢硅通入工艺管路D，将磷烷通入排空管路E同步操作时，只需打开四通阀1，关闭三通阀3，三氯氢硅气体通过气源管路AA进入工艺管路D；同时关闭四通阀2，打开三通阀4，磷烷气体通过气源输入管路BB进入排空管路E。具体地，打开四通阀1，四通阀1的端口P3与端口P1、端口P2连通，三氯氢硅气体进入工艺管路D，关闭三通阀3，三通阀3的端口M3不与端口M1、端口M2连通，三氯氢硅气体无法进入排空管路E；关闭四通阀2，磷烷气体通过四通阀2的端口P3进入，端口P4流出，端口P1、端口P2与端口P3、端口P4不连通，磷烷气体不能通入工艺管路D，磷烷气体通过四通阀1的端口P4通入三通阀3的端口M3，端口M3连通与端口M1、端口M2，因此磷烷气体通入排空管路E。需要说明的是，此处描述三氯氢硅通入工艺管路D前并没有描述先进入排空管路E排空的过程，可以理解为三氯氢硅在此步骤之前，已排空结束，气流均匀性已满足要求，另外更重要的是本切换方式意在说明两条气源管路可以同时分别通入不同的管路(一路通入工艺管路D和另一路通入排空管路E)。

在其他实施例中，对于多路气体，只需打开或关闭相对应的三通阀和四通阀，即可实现多条管路气体同时通入排空管路E；同时通入工艺管路D；一部分通入排空管路E的同时另一部分通入工艺管路D。

在另一个实例中，第二控制阀为四通阀，第一控制阀为三通阀，参考图5，对于任意一条气源管路，通过打开与其连通的三通阀且关闭对应的四通阀使气源管路与工艺管路连通，且通过关闭与其连通的三通阀且打开对应的四通阀使气源管路与排空管路连通。切换控制原理同上一实施例，此处不再赘述。

在一个实例中，还包括载气管路CC，载气管路CC的进气口连通于载气源，载气管路CC设有两个出口，分别连通于工艺管路D和排空管路E。气源管路AA和气源管路BB的进气口以及载气管路CC的进气口还分别设有气动隔膜阀9和气动隔膜阀10以及气动隔膜阀11，且气源管路AA和气源管路BB的出口分别设有质量流量控制器5和质量流量控制器6，载气管路CC设有两个出口，分别设有质量流量控制器7和质量流量控制器8。气动阀隔膜阀用于控制气体的流通，质量流量控制器用于控制气体的流量，在其他实例中可以选用其他可以控制气体流通和气动阀和控制气体流量的控制器。

在本实例中，工艺管路D与反应腔室连接的一端还设有第一压力表12；排空管路E与尾气处理装置连接的一端设有第二压力表13，在排空管路E上的第二压力表13与尾气处理装置之间设有背压阀14。第一压力表12和第二压力表13分别用于检测工艺管路D和排空管路E的压力，理想情况为工艺管路D和排空管路E压力应保持一致，但当工艺气体从排空管路E切换到工艺管路D时，工艺管路D因为气体的通入使管道压强增加，相应的排空管路E管路的压强降低。因此在排空管路E上设置背压阀14，以调节排空管路E的压力，使工艺管路D和排空管路E压力保持一致。

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。

Claims (9)

1.一种气体输运系统，用于将气体输运至反应腔室，包括一条工艺管路、一条排空管路和多条气源管路，其特征在于，所述多条气源管路的出口均通过所述工艺管路与反应腔室的入口连通；所述多条气源管路的出口还均通过所述排空管路与尾气处理装置的入口连通；每条所述气源管路能够独立的连通于所述工艺管路或所述排空管路，从而实现多条气源管路在同一时刻一部分连通于所述工艺管路，另一部分连通于所述排空管路；

所述工艺管路上依次设有多个第一控制阀，每条所述气源管路通过相对应的一个所述第一控制阀与所述工艺管路连通；

所述排空管路上依次设有多个第二控制阀，每条所述气源管路通过相对应的一个所述第二控制阀与所述排空管路连通；每个所述第二控制阀分别与一个所述第一控制阀连通；

所述第一控制阀和所述第二控制阀中的一者为三通阀，另一者为四通阀；每条所述气源管路均经所述四通阀与所述三通阀连通，且所述四通阀和所述三通阀处于开启或者关闭时，所述工艺管路和所述排空管路均处于连通状态；

对于任意一条气源管路，通过打开与其连通的所述第一控制阀且关闭对应的所述第二控制阀使所述气源管路与所述工艺管路连通，且通过关闭与其连通的所述第一控制阀且打开对应的所述第二控制阀使所述气源管路与所述排空管路连通；

通过控制不同所述气源管路对应的所述第一控制阀和所述第二控制阀的开启和关闭，以切换不同工作模式，所述不同工作模式包括：单路所述气源管路通入所述工艺管路或所述排空管路、多路所述气源管路同时通入所述工艺管路或所述排空管路，以及一部分所述气源管路的气体通入所述工艺管路的同时，另一部分所述气源管路通入排空管路。

2.根据权利要求1所述的气体输运系统，其特征在于，所述第一控制阀为四通阀，所述第二控制阀为三通阀；

所述四通阀包括第一端口至第四端口，所述三通阀包括第五端口至第七端口，其中所述四通阀的第一端口与第二端口分别与所述工艺管路连接，第三端口与第四端口分别与所述气源管路的出口和所述三通阀的第七端口连接，且所述第一端口与第二端口连通以形成第一通路，所述第三端口与第四端口连通以形成第二通路，当所述四通阀打开时，所述第一通路与所述第二通路连通，当所述四通阀关闭时，所述第一通路与所述第二通路断开；

所述三通阀的第五端口和第六端口分别与所述排空管路连接，所述第七端口与所述四通阀的第四端口连接，且所述第五端口与所述第六端口连通以形成第三通路，当所述三通阀打开时，所述第七端口与所述第三通路连通，当所述三通阀关闭时，所述第七端口与所述第三通路断开；

对于任意一条气源管路，通过打开与其连通的所述四通阀且关闭对应的所述三通阀使所述气源管路与所述工艺管路连通，且通过关闭与其连通的所述四通阀且打开对应的所述三通阀使所述气源管路与所述排空管路连通。

3.根据权利要求1所述的气体输运系统，其特征在于，所述第二控制阀为四通阀，所述第一控制阀为三通阀；

所述四通阀包括第八端口至第十一端口，所述三通阀包括第十二端口至第十四端口，其中所述四通阀的第八端口与第九端口分别与所述排空管路连接，第十端口与第十一端口分别与所述气源管路的出口和所述三通阀的第十四端口连接，且所述第八端口与第九端口连通以形成第四通路，所述第十端口与第十一端口连通以形成第五通路，当所述四通阀打开时，所述第四通路与所述第五通路连通，当所述四通阀关闭时，所述第四通路与所述第五通路断开；

所述三通阀的第十二端口和第十三端口分别与所述工艺管路连接，所述第十四端口与所述四通阀的第十一端口连接，且所述第十二端口与所述第十三端口连通以形成第六通路，当所述三通阀打开时，所述第十四端口与所述第六通路连通，当所述三通阀关闭时，所述第十四端口与所述第六通路断开；

对于任意一条气源管路，通过打开与其连通的所述三通阀且关闭对应的所述四通阀使所述气源管路与所述工艺管路连通，且通过关闭与其连通的所述三通阀且打开对应的所述四通阀使所述气源管路与所述排空管路连通。

4.根据权利要求1所述的气体输运系统，其特征在于，还包括载气管路，所述载气管路的进气口连通于载气源，所述载气管路的出口分别连通于所述工艺管路和所述排空管路。

5.根据权利要求1所述的气体输运系统，其特征在于，每条所述气源管路的进气口连通于一种工艺气体源。

6.根据权利要求1所述的气体输运系统，其特征在于，还包括气动阀，设置于每条所述气源管路的进气口端，所述气动阀包括气动隔膜阀。

7.根据权利要求1所述的气体输运系统，其特征在于，还包括质量流量控制器，设置于每条所述气源管路的出气口端。

8.根据权利要求1所述的气体输运系统，其特征在于，所述工艺管路与所述反应腔室连接的一端设有第一压力表；所述排空管路与所述尾气处理装置连接的一端设有第二压力表。

9.根据权利要求8所述的气体输运系统，其特征在于，所述排空管路上设有背压阀，所述背压阀设于所述第二压力表与所述尾气处理装置之间。

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