CN111725109B - 一种用于半导体的气体调节柜 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种用于半导体的气体调节柜，所述气体调节柜中设置有多条气体分支管路以及与各条气体分支管路相连的气体总管路，所述气体总管路中设置有混气阀和腔室进气阀，所述混气阀用于对所述气体总管路中的气体进行混气；所述腔室进气阀用于将混气后的气体输送至对晶圆进行工艺的腔室中；所述气体总管路上还设置有气体流量控制设备，所述气体流量控制设备位于所述混气阀与所述腔室进气阀之间，所述气体流量控制设备包括壳体、设置于所述壳体内部的活塞和气体质量流量传感器；且所述气体流量控制设备用于控制待输送至所述腔室中的混合气体的流量。通过本实施例，能够保证晶圆刻蚀形貌及晶圆表面质量，提高最终得到的器件的性能。

Description

一种用于半导体的气体调节柜

技术领域

本申请涉及半导体领域，尤其涉及一种用于半导体的气体调节柜。

背景技术

晶圆是制造半导体晶体管或集成电路的衬底。对晶圆进行加工时，晶圆刻蚀厂务气柜向气体调节柜输送多路气体，该气体的用量、成分以及每种成分的配比根据晶圆刻蚀需求决定。气体调节柜通过内置的各种调节阀门调节输送进来的各路气体的流量和/或压力，并通过内置的混气阀对调节后的各路气体进行混气。混气阀通过管路与气体调节柜内置的腔室进气阀连通，该腔室进气阀将混气后的气体输送进对晶圆进行工艺的腔室，以对晶圆进行加工。

然而，现有技术中经过混气阀混气后的气体会有一部分残留在混气阀与腔室进气阀之间的管路中，残留部分的气体计量不可控，使得最后参与晶圆刻蚀的气体计量与进入气体调节柜的原始气体计量值存在差异，导致进行晶圆刻蚀时气体用量及气体配比波动性太大，影响晶圆刻蚀均匀性及刻蚀速率，也难以获得理想的晶圆刻蚀形貌及晶圆表面质量，导致最终得到的器件的性能变差。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种用于半导体的气体调节柜，用以解决由于混气阀与腔室进气阀之间的管路中残留的气体计量不可控导致的进行晶圆刻蚀时气体用量及气体配比波动性太大，影响晶圆刻蚀均匀性及刻蚀速率的问题，保证晶圆刻蚀形貌及晶圆表面质量，提高最终得到的器件的性能。

为解决上述技术问题，本申请实施例是这样实现的：

本申请实施例提供一种用于半导体的气体调节柜，所述气体调节柜中设置有多条气体分支管路以及与各条气体分支管路相连的气体总管路，所述气体总管路中设置有混气阀和腔室进气阀，所述混气阀用于对所述气体总管路中的气体进行混气；所述腔室进气阀用于将混气后的气体输送至对晶圆进行工艺的腔室中；

所述气体总管路上还设置有气体流量控制设备，所述气体流量控制设备位于所述混气阀与所述腔室进气阀之间，所述气体流量控制设备包括壳体、设置于所述壳体内部的活塞和气体质量流量传感器；且所述气体流量控制设备用于控制待输送至所述腔室中的混合气体的流量。

本实施例中，通过在气体调节柜的混气阀和腔室进气阀之间设置气体流量控制设备，能够控制待输送至对晶圆进行工艺的腔室的混合气体的流量，从而解决由于混气阀与腔室进气阀之间的管路中残留的气体计量不可控导致的进行晶圆刻蚀时气体用量及气体配比波动性太大，影响晶圆刻蚀均匀性及刻蚀速率的问题，保证晶圆刻蚀形貌及晶圆表面质量，提高最终得到的器件的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一实施例提供的气体调节柜的结构示意图；

图2是本申请一实施例提供的气体流量控制设备的结构示意图；

图3是本申请一实施例提供的气体流量控制设备进气过程示意图；

图4是本申请一实施例提供的气体流量控制设备排气过程示意图。

附图标记：

气体调节柜200、气体分支管路201、气体分支管路202、气体分支管路203、气体分支管路204、气体分支管路205、气体分支管路206、气体分支管路207、气体总管路208；

气体流量控制设备100、壳体101、活塞102、活塞驱动器103、气体质量流量传感器104、温度传感器105、加热层106、吸气阀107、排气阀108、第一单向阀109、第二单向阀110、混气腔111。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

图1是本申请一实施例提供的气体调节柜的结构示意图，如图1，本申请一实施例提供了一种用于半导体的气体调节柜，该气体调节柜200中设置有多条气体分支管路，如图1中的201、202、203、204、205、206、207所示，以及，还设置有与各条气体分支管路相连的气体总管路，如图1中的208所示。

气体总管路208中设置有混气阀V5和腔室进气阀gas final V。混气阀V5用于对气体总管路208中的气体进行混气，腔室进气阀gas final V用于将混气后的气体输送至对晶圆进行工艺的腔室中。

气体总管路208上还设置有气体流量控制设备100，气体流量控制设备100位于混气阀V5与腔室进气阀gas final V之间。

图2是本申请一实施例提供的气体流量控制设备的结构示意图，如图2所示，气体流量控制设备100包括壳体101、设置于壳体101内部的活塞102和气体质量流量传感器104，气体流量控制设备100用于控制待输送至对晶圆进行工艺的腔室中的混合气体的流量。

本实施例中，通过在气体调节柜的混气阀和腔室进气阀之间设置气体流量控制设备，能够控制待输送至对晶圆进行工艺的腔室的混合气体的流量，从而解决由于混气阀与腔室进气阀之间的管路中残留的气体计量不可控导致的进行晶圆刻蚀时气体用量及气体配比波动性太大，影响晶圆刻蚀均匀性及刻蚀速率的问题，保证晶圆刻蚀形貌及晶圆表面质量，提高最终得到的器件的性能。

本实施例中，在气体调节柜200的气体分支管路中分别设置有质量流量控制阀，质量流量控制阀用于调控气体分支管路中的气体的质量流量。

具体地，如图1所示，气体分支管路201中设置有质量流量控制阀MFC01；气体分支管路202中设置有质量流量控制阀MFC02；气体分支管路203中设置有质量流量控制阀MFC03；气体分支管路204中设置有质量流量控制阀MFC04；气体分支管路205中设置有质量流量控制阀MFC05。质量流量控制阀用于调控气体分支管路中的气体的质量流量。图1中，V9为驱动阀，FR为限流垫片，用于阻挡气流中的颗粒，V10、V11、V12、V20、V21、V22、V30、V31、V32、V40、V41、V42、V50、V51、V52、V1、V2、V3、V4、V8均为气动隔膜阀。

参考图1和图2，本实施例中，对晶圆进行刻蚀时，晶圆刻蚀厂务气柜向气体调节柜200输送多路气体。气体调节柜200通过内置的各种调节阀门(如图1中的各个质量流量控制阀)调节输送进来的各路气体的流量和/或压力，并通过内置的混气阀V5对调节后的各路气体进行混气，混气后的气体通过上述的气体流量控制设备100被输送至气体调节柜200内置的腔室进气阀gas final V，该腔室进气阀gas final V将接收到的气体输送进对晶圆进行工艺的腔室中，对晶圆进行工艺的腔室即为用于晶圆刻蚀的腔室，以对晶圆进行刻蚀。

参考图2，壳体101具有进气端和排气端，进气端与上述混气阀连通，排气端与上述腔室进气阀连通，气体质量流量传感器104用于检测所述壳体内部的气体的质量流量。

活塞102用于在壳体101内部朝第一方向运动，以使经过混气阀混气后的气体经过进气端进入壳体内部。活塞102还用于在气体质量流量传感器检测到的质量流量不变后，在壳体101内部朝第二方向运动，以使壳体101内部的气体经过排气端和上述腔室进气阀进入对晶圆进行工艺的腔室中。

具体地，活塞102能够在壳体101内部进行往复运动，以在壳体101内部形成混气腔111。

图3是本申请一实施例提供的气体流量控制设备进气过程示意图，如图3所示，在壳体101的进气过程中，活塞102朝向第一方向运动，第一方向为使得混气腔111的内部体积增大的方向，以使经过混气阀混气后的气体通过进气端进入壳体101内部。如图3所示，在气体质量流量传感器104检测到的质量流量数据不变后，活塞102停止运动。

图4是本申请一实施例提供的气体流量控制设备排气过程示意图，如图4所示，在壳体101的排气过程中，活塞102朝向第二方向运动，第二方向为使得混气腔111的内部体积减小的方向，以使壳体101中的气体通过排气端和腔室进气阀进入对晶圆进行工艺的腔室中。

本实施例中，气体调节柜200还包括数据处理装置(图中未示出)。如图2所示，气体流量控制设备100还包括与数据处理装置连接的活塞驱动器103，活塞驱动器103用于在数据处理装置的调控下，驱动活塞102自初始位置朝第一方向或第二方向运动。

本实施例中，在气体流量控制设备100内部，活塞102具有密封性能，可以通过数据处理装置如机台通过活塞驱动器103控制活塞102运动，进行吸气排气容积调节以及提高吸气排气效率。

一种壳体101进气过程为：数据处理装置根据混气阀混气后的气体的体积，计算得到气体等效体积，根据该气体等效体积计算活塞102的运动行程，根据该运动行程，控制活塞驱动器103工作，从而控制活塞102运动，使得混气后的气体全部进入壳体101。其中，活塞102的运动行程为活塞102的运动起始位置与运动终止位置之间的距离差值。

另一种壳体101进气过程为：数据处理装置不需要预先计算混气后的气体的等效体积，数据处理装置可以控制活塞102按照预定运动速率运动，从而控制混气阀混气后的气体按照预定进气速率进入壳体101。气体质量流量传感器104可以如图2所示，设置在活塞102的上表面，在进气过程中，气体质量流量传感器104将检测到的质量流量数据传输给数据处理装置。当气体质量流量传感器104检测到的质量流量数据不变时，数据处理装置确定混气后的气体全部进入壳体101，控制活塞驱动器103驱动活塞102停止运动，此时，气体调节柜200的各路气体管路中没有残留气体。

当然，上述两种进气过程也可以相结合，即数据处理装置一边控制活塞102按照预定行程运动，一边通过气体质量流量传感器104检测质量流量数据，当活塞102停止运动后，或者，检测到的质量流量数据不变后，确定壳体101进气完成。进气过程需要保证混气后的气体均被吸收至壳体101中，从而使得最后参与刻蚀的气体与各气体分支管路MFC计量值相同，保证混气后的气体均参与晶圆刻蚀。

一种壳体101的排气过程为：数据处理装置根据混气阀混气后的气体的体积，计算得到气体等效体积，根据该气体等效体积计算活塞102的运动行程，根据该运动行程，控制活塞驱动器103工作，从而控制活塞102运动，使得混气后的气体全部排放进入对晶圆进行工艺的腔室。其中，活塞102的运动行程为活塞102的运动起始位置与运动终止位置之间的距离差值。

另一种壳体101的排气过程为：数据处理装置不需要预先计算混气后的气体的等效体积，数据处理装置控制活塞102按照预定运动速率运动，从而控制壳体101内部的气体通过排气端和腔室进气阀进入对晶圆进行工艺的腔室中。在排气过程中，气体质量流量传感器104将检测到的质量流量数据传输给数据处理装置。当气体质量流量传感器104检测到的质量流量数据不变时，数据处理装置确定壳体101内部的气体全部进入腔室中，控制活塞驱动器103驱动活塞102停止运动。

当然，上述两种排气过程也可以相结合，即数据处理装置一边控制活塞102按照预定行程运动，一边通过气体质量流量传感器104检测质量流量数据，当活塞102停止运动后，或者，检测到的质量流量数据不变后，确定壳体101排气完成。排气过程需要保证壳体101内部的气体均被排放至对晶圆进行工艺的腔室，从而使得最后参与刻蚀的气体与各气体分支管路MFC计量值相同，保证混气后的气体均参与晶圆刻蚀。

本实施例中，气体调节柜200还包括数据处理装置(图中未示出)。如图2所示，气体流量控制设备100还包括与数据处理装置连接的温度传感器105，温度传感器105位于壳体101内部，用于检测壳体101内的气体的温度，并将检测结果传输至数据处理装置。

数据处理装置用于将温度传感器105检测到的气体的温度数据与气体质量流量传感器104检测到的气体的质量流量数据相结合，以判断进入壳体101内部的气体的等效体积与经过混气阀V5混气后的气体的等效体积是否相等。

具体地，如图2所示，温度传感器105也可以设置于活塞102的上表面。在壳体101进气过程中，数据处理装置可以控制活塞102运动，以使得壳体101进气。温度传感器105可以将检测到的温度数据发送至数据处理装置，数据处理装置根据该温度数据和上述的质量流量数据，计算进入壳体101的气体的等效体积，并判断该等效体积是否等于经过混气阀混气后的气体的等效体积，从而确定壳体101是否进气完成。

通过设置温度传感器105，能够将气体的温度数据与质量流量数据相结合，从而达到准确计算进入壳体101内部的气体的等效体积与经过混气阀混气后的气体的等效体积是否相等的效果，从而准确控制壳体101的进气过程，保证混气后的气体均被吸收至壳体101中。

如图2所示，本实施例中，气体流量控制设备100还包括加热层106，加热层106设置于壳体101的外表面。加热层106用于加热壳体101内部的气体，以使壳体101内部的气体的温度与对晶圆进行工艺的腔室内的温度之间的温度差小于等于预设阈值。

具体地，加热层106可以由数据处理装置控制，预设温度阈值可以为0，也即，数据处理装置控制加热层106对壳体101内部的气体进行加热，从而保证壳体101内部的气体的温度与对晶圆进行工艺的腔室内的温度相等。在气体流量控制设备100工作过程中，加热层106可以在数据处理装置的控制下持续加热。

通过设置加热层106，一方面能够充分利用气体分子布朗运动，使气体充分扩散，实现均匀配比。另一方面能够使得壳体101内部的气体达到腔室环境状态，使得气体在参与刻蚀时，已经完成了环境优化及适应，对工艺效果有很大的促进作用。

如图2所示，本实施例中，气体流量控制设备100还包括吸气阀107，吸气阀107设置于壳体101的进气端，吸气阀107用于将经过混气阀混气后的气体吸收至壳体101中。

如图2所示，本实施例中，气体流量控制设备100还包括排气阀108，排气阀108设置于壳体101的排气端，排气阀108用于将壳体101中的气体通过腔室进气阀排放至对晶圆进行工艺的腔室中。

具体地，壳体101的进气端设置有吸气阀107，用以在壳体101正压状态下密封，负压状态下进行迅速补气。壳体101的排气端设置有排气阀108，用以在壳体101负压状态下密封，正压状态下进行迅速排气。

壳体101进气时，数据处理装置将吸气阀107打开，壳体101排气时，数据处理装置将排气阀108打开。通常情况下，可以设定排气阀108的排气速率大于吸气阀107的吸气速率，从而排气时形成气体溅射状态，能够使得气体在对晶圆进行工艺的腔室的内部均匀分布扩散。通过设置吸气阀107和排气阀108，能够提高壳体101的吸气和排气效率。

如图2所示，本实施例中，气体流量控制设备100还包括第一单向阀109，第一单向阀109设置于混气阀与吸气阀107之间。第一单向阀109用于防止经过混气阀混气后的气体通过吸气阀107进入壳体101的过程中发生回流倒灌。

如图2所示，本实施例中，气体流量控制设备100还包括第二单向阀110，第二单向阀110设置于排气阀108与腔室进气阀之间。第二单向阀110用于防止壳体101中的气体通过排气阀108和腔室进气阀进入对晶圆进行工艺的腔室的过程中发生回流倒灌。

通过设置第一单向阀109和第二单向阀110，能够有效防止气体回流倒灌的情况发生。

综上，通过本实施例中的气体流量控制设备，能够解决晶圆刻蚀时气体用量及气体配比波动性问题，能够更加精确控制刻蚀均匀性及刻蚀速率，有利于获得理想的刻蚀形貌及晶圆表面质量，从而使终端器件性能得到很好保证。

上述实施例中的气体流量控制设备的工作过程具体为：在进气过程中，数据处理装置控制活塞驱动器驱动活塞朝向第一方向运动；获取气体质量流量传感器在活塞朝向第一方向运动过程中检测到的气体的第一质量流量数据，在第一质量流量数据不变后，控制活塞驱动器停止驱动活塞运动；在排气过程中，控制活塞驱动器驱动活塞朝向第二方向运动，以使设备内的气体全部进入对晶圆进行工艺的腔室中。

上述控制活塞驱动器驱动活塞朝向第一方向运动，包括：获取经过混气阀混气后的气体的等效体积，根据该等效体积确定活塞的运动行程，该运动行程为活塞朝向第一方向运动的运动行程，根据该运动行程控制活塞驱动器驱动活塞朝向第一方向运动。

上述控制活塞驱动器驱动活塞朝向第二方向运动，包括：根据预设的气体压力值，计算活塞朝向第二方向运动的运动速率，以使壳体中的气体通过排气端流向腔室进气阀时的气体压力值等于预设的气体压力值，根据该运动速率，控制活塞驱动器驱动活塞朝向第二方向运动。

综上，已经对本主题的特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作可以按照不同的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序，以实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理可以是有利的。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本申请中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。所以描述的比较简单，相关之处参见设备实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种用于半导体的气体调节柜，所述气体调节柜中设置有多条气体分支管路以及与各条气体分支管路相连的气体总管路，所述气体总管路中设置有混气阀和腔室进气阀，所述混气阀用于对所述气体总管路中的气体进行混气；所述腔室进气阀用于将混气后的气体输送至对晶圆进行工艺的腔室中；其特征在于，

所述气体总管路上还设置有气体流量控制设备，所述气体流量控制设备位于所述混气阀与所述腔室进气阀之间，所述气体流量控制设备包括壳体、设置于所述壳体内部的活塞和气体质量流量传感器；且所述气体流量控制设备用于控制待输送至所述腔室中的混合气体的流量；

所述气体调节柜还包括数据处理装置，且所述气体流量控制设备还包括与所述数据处理装置连接的温度传感器，所述温度传感器位于所述壳体内部，用于检测所述壳体内的气体的温度，并将检测结果传输至所述数据处理装置；

所述数据处理装置用于将所述温度传感器检测到的气体的温度数据与所述气体质量流量传感器检测到的气体的质量流量数据相结合，以判断进入所述壳体内部的气体的等效体积与经过所述混气阀混气后的气体的等效体积是否相等。

2.根据权利要求1所述的气体调节柜，其特征在于，所述壳体具有进气端和排气端，所述进气端与所述混气阀连通，所述排气端与所述腔室进气阀连通；所述气体质量流量传感器用于检测所述壳体内部的气体的质量流量；

所述活塞用于在所述壳体内部朝第一方向运动，以使经过所述混气阀混气后的气体经过所述进气端进入所述壳体内部；

所述活塞还用于在所述气体质量流量传感器检测到的质量流量不变后，在所述壳体内部朝第二方向运动，以使所述壳体内部的气体经过所述排气端和所述腔室进气阀进入对晶圆进行工艺的腔室中。

3.根据权利要求1所述的气体调节柜，其特征在于，所述气体流量控制设备还包括加热层，所述加热层设置于所述壳体的外表面，用于加热所述壳体内部的气体。

4.根据权利要求2所述的气体调节柜，其特征在于，所述气体调节柜还包括数据处理装置，且所述气体流量控制设备还包括与所述数据处理装置连接的活塞驱动器，所述活塞驱动器用于在所述数据处理装置的调控下，驱动所述活塞自初始位置朝所述第一方向或所述第二方向运动。

5.根据权利要求1-4任一项所述的气体调节柜，其特征在于，所述气体流量控制设备还包括吸气阀，所述吸气阀设置于所述壳体的进气端，所述吸气阀用于将经过所述混气阀混气后的气体吸收至所述壳体中。

6.根据权利要求5所述的气体调节柜，其特征在于，所述气体流量控制设备还包括第一单向阀，所述第一单向阀设置于所述混气阀与所述吸气阀之间；

所述第一单向阀用于防止经过所述混气阀混气后的气体通过所述吸气阀进入所述壳体的过程中发生回流倒灌。

7.根据权利要求1-4任一项所述的气体调节柜，其特征在于，所述气体流量控制设备还包括排气阀，所述排气阀设置于所述壳体的排气端，所述排气阀用于将所述壳体中的气体通过所述腔室进气阀排放至对晶圆进行工艺的腔室中。

8.根据权利要求7所述的气体调节柜，其特征在于，所述气体流量控制设备还包括第二单向阀；所述第二单向阀设置于所述排气阀与所述腔室进气阀之间；

所述第二单向阀用于防止所述壳体中的气体通过所述排气阀和所述腔室进气阀进入对晶圆进行工艺的腔室的过程中发生回流倒灌。

9.根据权利要求1-4任一项所述的气体调节柜，其特征在于，所述气体分支管路中分别设置有质量流量控制阀，所述质量流量控制阀用于调控所述气体分支管路中的气体的质量流量。