CN111569594A - 尾气处理装置及半导体设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种尾气处理装置及半导体设备，装置包括：位于反应腔室外部且与反应腔室连通的低压排气支路、常压排气支路和尾气处理单元；低压排气支路上设置有低压控制元件，且一端与反应腔室的尾气输出端连通，另一端连接至尾气处理单元，用于在低压工艺中将反应腔室内的工艺尾气排出至尾气处理单元，反应腔室内的气压维持在小于常压的第一预设气压；常压排气支路设置有常压控制元件，且一端与反应腔室的尾气输出端连通，另一端连接至尾气处理单元，用于在常压工艺中将反应腔室内的工艺尾气排出至尾气处理单元，使反应腔室内的气压维持在等于常压的第二预设气压。实现了低压排气和常压排气间的自由切换，扩展机台可做的工艺，并提高生产效率。

Description

尾气处理装置及半导体设备

技术领域

本发明涉及半导体设备技术领域，更具体地，涉及一种尾气处理装置及半导体设备。

背景技术

在半导体气相工艺设备中，硅片的制备工艺需要在工艺腔室内进行一系列的化学反应。硅片在工艺腔室内，根据要求的制程，向腔室内通入相应的特种气体作为反应气体，通过调整压力、温度、时间等不同的反应环境条件，使特种气体与硅片充分接触并发生化学反应，使硅片表面达到工艺需求。

常用的工艺腔室是一个受控的真空环境，在真空腔室后端设置主排气管路，工艺开始前，利用真空泵抽出反应腔室内气体，为硅片创造一个洁净的真空环境；工艺中，通入相应的特种气体后，反应腔室内的真空环境使特种气体的分子密度降低，增大分子碰撞的距离，加速反应过程，同时，已完成反应的工艺尾气，通过真空泵的作用，从工艺腔室中排出到厂务尾气处理单元。

随着半导体制程的不断完善和发展，硅片的反应条件往往需要在低压环境和常压环境之间切换，如果将硅片从低压环境的腔室中取出再放入另一个常压环境腔室中进行工艺过程，会增加设备成本及工艺时间。

因此需要提出一种尾气处理装置，能够实现低压排气模式和常压排气模式的自由切换，扩展半导体工艺腔室的可做工艺，并提高生产效率降低成本。

发明内容

本发明的目的是提出一种尾气处理装置及半导体设备，实现低压排气模式和常压排气模式的自由切换，扩展半导体工艺腔室的可做工艺，并提高生产效率降低成本。

第一方面，本发明提供了一种尾气处理装置，用于半导体反应腔室的尾气处理，包括：位于所述反应腔室外部且与所述反应腔室连通的低压排气支路、常压排气支路和尾气处理单元；

所述低压排气支路上设置有低压控制元件，且所述低压排气支路一端与所述反应腔室的尾气输出端连通，另一端连接至所述尾气处理单元，所述低压排气支路用于在低压工艺中通过所述低压控制元件将反应腔室内的工艺尾气排出至所述尾气处理单元，并使所述反应腔室内的气压维持在第一预设气压，所述第一预设气压小于常压；

所述常压排气支路设置有常压控制元件，且所述常压排气支路的一端与所述反应腔室的尾气输出端连通，另一端连接至所述尾气处理单元，所述常压排气支路用于在常压工艺中通过常压控制元件将反应腔室内的工艺尾气排出至所述尾气处理单元，并使所述反应腔室内的气压维持在第二预设气压，所述第二预设气压等于常压。

可选地，所述低压控制元件包括真空阀和真空泵，所述真空泵位于所述真空阀的下游并与所述尾气处理单元连通。

可选地，所述常压控制元件包括角阀和蝶阀，且所述蝶阀位于所述角阀和所述尾气处理单元之间。

可选地，还包括气体稀释支路，所述气体稀释支路的一端与所述反应腔室的尾气输出端连通，所述稀释支路的另一端与稀释气体供应端连接，所述气体稀释支路用于向所述反应腔室的尾气输出端的管路内输入稀释气体，以降低所述工艺尾气的浓度或调整所述反应腔室的工艺尾气的气体流量。

可选地，所述气体稀释支路的所述一端至所述另一端之间依次设有第一气动阀、流量控制器、调压阀和手阀。

可选地，还包括用于检测反应腔室内压力的第一气压检测计和第二气压检测计，所述第一气压检测计通过支管与所述反应腔室的尾气输出端连通，且所述支管上设有第二气动阀，所述第二气压检测计与所述支管连通。

可选地，所述第二气压检测计的量程大于所述第一气压检测计的气的量程，且所述第一气压检测计的气压检测精度高于所述第二气压检测计的气压检测精度。

可选地，还包括泄压管路，用于当所述反应腔室内的气压大于预设值时将工艺尾气泄压排放至所述尾气处理单元；所述泄压管路的两端分别连通所述反应腔室的尾气输出端和所述尾气处理单元，所述泄压管路上设有第三气动阀和单向阀，且所述单向阀位于所述第三气动阀和所述尾气处理单元之间。

可选地，还包括尾气检测管路，用于在工艺结束后检测所述工艺尾气的浓度；所述尾气检测管路的两端分别与所述反应腔室的尾气输出端和所述尾气处理单元连通，所述尾气检测管路上设有第四气动阀和气体检测器，且所述气体检测器位于所述第四气动阀和所述尾气处理单元之间。

第二方面，本发明还提供一种半导体设备，包括反应腔室以及如第一方面任一项所述的尾气处理装置，所述尾气处理装置连接于所述反应腔室的尾气输出端，用于所述反应腔室的尾气处理。

本发明的有益效果在于：

通过设置与反应腔室连通的低压排气支路和常压排气支路，当反应腔室需要进行低压工艺时，可以通过低压控制元件控制低压排气支路开启，经尾气排放至尾气处理单元，实现反应腔室排气与进气之间的平衡，能够维持工艺腔室内低压工艺需要的真空低压环境，当反应腔室需要进行常压工艺时，可以通过常压控制元件控制常压排气支路进行尾气排放，将尾气排放至尾气处理单元，能够控制反应腔室内进气量和排气量的相对稳定，进而维持反应腔室内处于稳定的常压环境，满足常压工艺的工艺需求，通过低压排气支路和常压排气支路的切换，能够实现使得同一反应腔室在低压排气模式和常压排气模式间的自由切换，扩展单个反应腔室可做的工艺，并提高生产效率降低成本。

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示出了根据本发明的一个实施例的一种尾气处理装置示意图。

图2示出了根据本发明的另一个实施例的一种尾气处理装置的示意图。

附图标记说明：

1、反应腔室；2、低压排气支路；3、常压排气支路；4、真空阀；5、真空泵；6、角阀、7、蝶阀；8、第一气压检测计；9、第二气压检测计；10、第二气动阀；11、第三气动阀；12、单向阀；13、第四气动阀；14、气体检测器；15、尾气处理单元；16、第一气动阀；17、流量控制器；18、调压阀；19、手阀；20、稀释气体供应端。

具体实施方式

在现有低压半导体设备中，常用的反应腔室排气装置为利用真空泵抽出工艺腔室中的气体，实现反应腔室内的真空及排气，但是当遇到不需要真空环境下进行的工艺，例如采用特种气体为氢气的常压工艺，此种排气装置便不再适用，而是需要将硅片输送到其他设备的常压反应腔室中进行工艺，降低了设备的生产效率。

因此，本发明提了出一种尾气处理装置及半导体设备，可实现低压排气环境和常压排气环境间的自由切换，还能够实现在不同的工艺制程中，工艺尾气中特种气体的处理方式也能够根据不同的需求进行调整，以便更好的匹配该制程的工艺特性。

下面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。

实施例一

图1示出了根据本发明的一个实施例的一种尾气处理装置示意图。

参考图1，尾气处理装置，用于半导体反应腔室1的尾气处理，包括：位于反应腔室1外部且与反应腔室1连通的低压排气支路2、常压排气支路3和尾气处理单元；

低压排气支路2上设置有低压控制元件，且低压排气支路2一端与反应腔室1的尾气输出端连通，另一端连接至尾气处理单元，低压排气支路2用于在低压工艺中通过低压控制元件将反应腔室1内的工艺尾气排出至尾气处理单元，并使反应腔室1内的气压维持在第一预设气压，第一预设气压小于常压；

常压排气支路3设置有常压控制元件，且常压排气支路3的一端与反应腔室1的尾气输出端连通，另一端连接至尾气处理单元，常压排气支路3用于在常压工艺中通过常压控制元件将反应腔室1内的工艺尾气排出至尾气处理单元，并使反应腔室1内的气压维持在第二预设气压，第二预设气压等于常压。

具体地，通过设置低压排气支路2和常压排气支路3，当反应腔室需要进行低压工艺时，可以通过低压排气支路2实现反应腔室排气与进气之间的平衡，能够维持工艺腔室内低压工艺需要的真空低压环境，当反应腔室需要进行常压工艺时，可以通过常压排气支路3控制反应腔室内进气量和排气量的相对稳定，进而维持反应腔室内处于稳定的常压环境，满足常压工艺的工艺需求，通过低压排气支路2和常压排气支路3的切换，能够实现使得同一反应腔室在低压排气模式和常压排气模式间的自由切换，扩展单个反应腔室可做的工艺。本实施例中的尾气处理单元15为厂务尾气处理系统。

本实施例中，低压控制元件包括真空阀4和真空泵，真空泵位于真空阀4的下游并与尾气处理单元连通。真空泵5位于真空阀4的下游并与尾气处理单元15连通。常压控制元件包括角阀6和蝶阀7，且蝶阀7位于角阀6和尾气处理单元之间。本实施例中的真空阀4、真空泵5、角阀6和蝶阀7均为电控类型。

优选地，还包括用于检测反应腔室1内压力的第一气压检测计8和第二气压检测计9，第一气压检测计8通过支管与反应腔室1的尾气输出端连通，且支管上设有第二气动阀10，第二气压检测计9与支管连通。其中，第二气压检测计9的量程大于第一气压检测计8的气的量程，且第一气压检测计8的气压检测精度高于第二气压检测计9的气压检测精度。

具体地，第一气压检测计8和第二气压检测计9分别用于检测不同大小的腔室压力，当腔室压力较大时，使用第二气压检测计9进行检测，当腔室压力减小到一定值时，控制单元控制第二气动阀10打开，并使用第一气压检测计8进行压力检测，此时控制单元以第一气压检测计8的检测信号为参考进行控制，能够保证反应腔室1压力测量的精确度。

在一个具体应用场景中，在低压工艺阶段，真空泵5开启，将工艺腔室内的气体通过低压排气支路2抽出，通过角阀6和蝶阀7将尾气排入尾气处理单元15。通过第一气压检测计8或第二气压检测计9测定工艺腔室内的实时压力，真空阀4根据腔室压力反馈的信息控制开度大小，以实现排气与进气之间的平衡，维持工艺腔室内的需求压力。

具体实施过程中，当进行低压工艺时，角阀6保持关闭状态，真空泵5开启工作，真空阀4打开，工艺尾气经真空阀4及真空泵5排入尾气处理单元15。此时，真空阀4根据工艺所需压力及压力检测单元测得的实时压力对比调整阀的开度，实现压力的控制。工艺制程中，为保证工艺效果，需控制反应腔室1内压力稳定，即维持进气量和排气量的相对稳定。当进气量增加时，反应腔室1压力升高，压力检测单元及时将检测到的腔室压力反馈给控制单元，控制单元控制增加真空阀4的开度，以增大排气量。当压力重新维持工艺所需压力时，保持开度不变。

当进行常压工艺时，真空泵5及真空阀4关闭，角阀6打开，工艺尾气经角阀6和蝶阀7排入尾气处理单元15中。此时，蝶阀7根据工艺所需压力及第一气压检测计8或第二气压检测计9测得的实时压力对比调整阀的开度，实现压力的控制。工艺制程中，为保证工艺效果，需控制反应腔室1内压力稳定，即维持进气量和排气量的相对稳定。当进气量增加时，反应腔室1压力升高，第一气压检测计8或第二气压检测计9及时将检测到的腔室压力反馈给控制单元，控制单元控制增加蝶阀7的开度，以增大排气量。当压力重新维持工艺所需压力时，保持开度不变。

通过上述方式能够实现同一反应腔室1通过真空阀4和角阀6的切换，实现低压排气和常压排气间的自由切换，扩展机台可做的工艺，也可提高生产效率。

在一个示例中，还包括泄压管路，用于当反应腔室1内的气压大于预设值时将工艺尾气泄压排放至尾气处理单元；泄压管路的两端分别连通反应腔室1的尾气输出端和尾气处理单元，泄压管路上设有第三气动阀11和单向阀12，且单向阀12位于第三气动阀11和尾气处理单元之间。

具体地，为避免反应腔室1内压力过高影响工艺制程，可以设置泄压支路，泄压支路上设置第三气动阀11和单向阀12，第三气动阀11与控制单元电连接，当第一气压检测计或第二气压检测计检测到压力过高(超过预设值)时，控制单元控制第三气动阀11打开，工艺尾气可以从该支路的单向阀12进行卸压排气至尾气处理单元15。

在一个示例中，还包括尾气检测支路，用于在工艺结束后检测工艺尾气中反应气体的浓度；尾气检测支路的两端分别与反应腔室的尾气输出端和尾气处理单元15连通，尾气检测支路上设有第四气动阀13和气体检测器14，且气体检测器14位于第四气动阀13和尾气处理单元15之间。

具体地，第四气动阀13与控制单元电连接，当工艺结束后，可以打开第四气动阀13，通过气体检测器14能够检测排气管路中是否还有残余的反应气体(即特种气体)。

实施例2

参考图2，在本发明的另一个实施例中，在实施例一的基础上，在还包括气体稀释支路，气体稀释支路的一端与反应腔室的尾气输出端连通，稀释支路的另一端与稀释气体供应端20连接，气体稀释支路用于向反应腔室的尾气输出端的管路内输入稀释气体，以降低工艺尾气中反应气体的浓度，或用于输入稀释气体以调整工艺腔室中工艺尾气的气体流量，进而控制工艺腔室内的气压。

优选地，气体稀释支路的一端至另一端之间依次设有第一气动阀16、流量控制器17、调压阀18和手阀19。

具体地，在工艺尾气中会存在反应后残留的特种气体，在现有技术中，工艺尾气经排气管路、真空泵5后，需经气体洗涤器处理后才能汇入厂务排气处理单元进行再处理。本实施例中，通过在排气管路中设置气体稀释支路，将安全的稀释气体汇入尾气中，使特种气体浓度降到一定范围后再排出，对尾气处理的要求便大大降低，甚至可直接汇入厂务排气处理单元进行处理。其中，稀释气体是配置含特定浓度的某种物质的气体时，用作充稀作用的一种高纯度气体。稀释气体不能含有使被稀释气体随时间发生变化的成分，也不能含有影响仪器测定的成分。稀释气体一般多使用高纯氮气或清洁空气的不活泼气体。稀释气体可根据工艺尾气中的特气不同选择性价比的气体产品。

在一个具体应用实例中，以特种气体是氢气为例，稀释气体是氮气。

将调压阀18和流量控制器17调整到设定值，排气时，打开手阀19和第一气动阀16，稀释气体氮气汇入排气管路中，降低氢气浓度。如氢气流量为1L/min时，通入稀释N2流量为100L/min，氢气浓度为1％。当氢气浓度降至1％时，已远低于其爆炸极限范围，通常认为属于安全范围，此时，可汇入厂务排气系统进行处理，节约设备成本的同时也提升了设备的安全可靠性。当反应气体具有腐蚀性时，腐蚀性气体浓度减小，能进一步减缓侵蚀速率，延长元器件寿命，降低更换频率。

由于真空阀4开度在30％-80％范围内控制精度高，在低压工艺中，当工艺制程中工艺气体量特别小时，为维持反应腔室1内的压力，真空阀4会逐渐减小开度，真空阀4开度过小会导致控制精度降低，从而影响最终工艺结果。因此，当反应气体(特种气体)输入流量特别小时，气体稀释支路还可以用于精准控制压力。

具体地，由于反应腔室1内压力的平衡通过进气量、排气量的平衡实现。因此当工艺需要进气量很小时，真空阀4的开度就需要调节到很小，比如真空阀4开度只有10％时，控制精度会降低。这种情况下，要维持压力控制精度，保持开度在30％～80％范围内，则可以在排气处增加气量，以补偿大开度所需的排气量。具体实施过程中，使真空泵5的抽力保持不变，并保持真空阀4的开度在高精度控制范围内不变，打开第一气动阀16，通过改变汇入稀释气体的流量控制反应腔室1的排气速率，进而实现腔室内的压力精确控制。本实施例中的第一气动阀16、流量控制器17和调压阀18均可以采用手动设置的方式或通过控制单元自动控制的方式实现。

需要说明的是，上述实施例中的真空阀4、真空泵、角阀6、、蝶阀7、第一气压检测计8、第二气压检测计9、第二气动阀10、第三气动阀11、单向阀12、第四气动阀13、气体检测器14、尾气处理单元、第一气动阀16、流量控制器17、调压阀18等均与控制单元连接，控制单元可以为PLC控制器或计算机等，本领域技术人员可以根据上述具体实施方式对控制单元进行相关功能的程序设计且容易实现，此处不再赘述。同时上述实施例中的流量控制器17、调压阀18、以及气体检测器14均为现有技术，本领域人员可以根据实际设计需求具体选择，此处不再赘述。

实施例三

本发明的实施例还提供一种半导体设备，包括反应腔室1以及上述的尾气处理装置，尾气处理装置连接于反应腔室1的尾气输出端，用于反应腔室1的尾气处理。

综上，本发明的方案能够实现：

1、同一反应腔室1通过真空阀4和角阀6的切换，实现低压排气和常压排气间的自由切换，扩展机台可做的工艺，也可提高生产效率；

2、根据特种气体安全浓度限值，通过控制稀释气体的流量大小，将特气浓度降至安全范围后再排至尾气处理装置，提高设备安全性能，降低成本；

3、低压排气支路2中真空阀4可以通过压力反馈信号调整开度大小，以调整通过的气流量达到控制反应腔室1内压力的目的。当真空泵5抽力一定，保持真空阀4开度不变，可以通过在排气管路中通入稀释气体，柔性调整工艺腔室的排气量，实现反应腔室1内更稳定的的压力控制。

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 (10)

1.一种尾气处理装置，用于半导体反应腔室的尾气处理，包括：位于所述反应腔室外部且与所述反应腔室连通的低压排气支路、常压排气支路和尾气处理单元；

所述低压排气支路上设置有低压控制元件，且所述低压排气支路一端与所述反应腔室的尾气输出端连通，另一端连接至所述尾气处理单元，所述低压排气支路用于在低压工艺中通过所述低压控制元件将反应腔室内的工艺尾气排出至所述尾气处理单元，并使所述反应腔室内的气压维持在第一预设气压，所述第一预设气压小于常压；

所述常压排气支路设置有常压控制元件，且所述常压排气支路的一端与所述反应腔室的尾气输出端连通，另一端连接至所述尾气处理单元，所述常压排气支路用于在常压工艺中通过常压控制元件将反应腔室内的工艺尾气排出至所述尾气处理单元，并使所述反应腔室内的气压维持在第二预设气压，所述第二预设气压等于常压。

2.根据权利要求1所述的尾气处理装置，其特征在于，所述低压控制元件包括真空阀和真空泵，所述真空泵位于所述真空阀的下游并与所述尾气处理单元连通。

3.根据权利要求1所述的尾气处理装置，其特征在于，所述常压控制元件包括角阀和蝶阀，且所述蝶阀位于所述角阀和所述尾气处理单元之间。

4.根据权利要求1-3任一项所述的尾气处理装置，其特征在于，还包括气体稀释支路，所述气体稀释支路的一端与所述反应腔室的尾气输出端连通，所述稀释支路的另一端与稀释气体供应端连接，所述气体稀释支路用于向所述反应腔室的尾气输出端的管路内输入稀释气体，以降低所述工艺尾气的浓度或调整所述反应腔室的工艺尾气的气体流量。

5.根据权利要求4所述的尾气处理装置，其特征在于，所述气体稀释支路的所述一端至所述另一端之间依次设有第一气动阀、流量控制器、调压阀和手阀。

6.根据权利要求1所述的尾气处理装置，其特征在于，还包括用于检测反应腔室内压力的第一气压检测计和第二气压检测计，所述第一气压检测计通过支管与所述反应腔室的尾气输出端连通，且所述支管上设有第二气动阀，所述第二气压检测计与所述支管连通。

7.根据权利要求6所述的尾气处理装置，其特征在于，所述第二气压检测计的量程大于所述第一气压检测计的气的量程，且所述第一气压检测计的气压检测精度高于所述第二气压检测计的气压检测精度。

8.根据权利要求1所述的尾气处理装置，其特征在于，还包括泄压管路，用于当所述反应腔室内的气压大于预设值时将工艺尾气泄压排放至所述尾气处理单元；所述泄压管路的两端分别连通所述反应腔室的尾气输出端和所述尾气处理单元，所述泄压管路上设有第三气动阀和单向阀，且所述单向阀位于所述第三气动阀和所述尾气处理单元之间。

9.根据权利要求1所述的尾气处理装置，其特征在于，还包括尾气检测管路，用于在工艺结束后检测所述工艺尾气的浓度；所述尾气检测管路的两端分别与所述反应腔室的尾气输出端和所述尾气处理单元连通，所述尾气检测管路上设有第四气动阀和气体检测器，且所述气体检测器位于所述第四气动阀和所述尾气处理单元之间。

10.一种半导体设备，其特征在于，包括反应腔室以及如权利要求1-9任一项所述的尾气处理装置，所述尾气处理装置连接于所述反应腔室的尾气输出端，用于所述反应腔室的尾气处理。

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