CN113186514B - 半导体热处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种半导体热处理设备，该半导体热处理设备包括管体、位于管体内的晶圆承载装置和注气管以及进气管，注气管位于管体的进气端且位于晶圆承载装置的下方，在沿管体的轴线的正投影方向上，注气管的投影位于管体的投影之内，且位于晶圆承载装置的投影之外；进气管的一端与供气源相连通，进气管的另一端与注气管相连通；注气管间隔开设有两个注气孔组，两个注气孔组之间具有间隔管段，进气管与间隔管段相连通；每个注气孔组均包括有多个注气孔，注气孔在注气管上间隔分布，且注气孔的轴向与气体在注气管内的流动方向所成角度逐渐增大或逐渐减小。上述方案能够解决半导体热处理设备内的气流分布不均匀的问题。

Description

半导体热处理设备

技术领域

本发明涉及半导体芯片制造技术领域，尤其涉及一种半导体热处理设备。

背景技术

半导体加工技术领域中，需要在晶圆的表面沉积一层薄膜，从而提升晶圆的性能。

相关技术中，如图1所示半导体热处理设备的注气组件包括进气管11和注气环管12，进气管11与注气环管12相连通。注气环管12环绕晶舟设置，注气环管12上开设有出气孔，进气管内的气体，通过出气孔进入半导体热处理设备内。

然而，靠近进气管一侧的出气孔处的气流较为充足，而远离进气管一侧的出气孔处的气流较为稀薄，气流的分布如图2所示。因此导致半导体热处理设备内的气流分布不均匀，造成晶圆的表面沉积的薄膜的均匀性较差。

发明内容

本发明公开一种半导体热处理设备，以解决半导体热处理设备内的气流分布不均匀的问题。

为了解决上述问题，本发明采用下述技术方案：

一种半导体热处理设备，包括：

管体；

位于所述管体内的晶圆承载装置和注气管；

所述注气管位于所述管体的进气端且位于所述晶圆承载装置的下方，在沿所述管体的轴线的正投影方向上，所述注气管的投影位于所述管体的投影之内，且位于所述晶圆承载装置的投影之外；

进气管，所述进气管的一端与供气源相连通，所述进气管的另一端与所述注气管相连通；

所述注气管间隔开设有两个注气孔组，两个所述注气孔组之间具有间隔管段，所述进气管与所述间隔管段相连通；

每个所述注气孔组均包括有多个注气孔，所述注气孔在所述注气管上间隔分布，且所述注气孔的轴向与气体在所述注气管内的流动方向所成角度逐渐增大或逐渐减小。

本发明采用的技术方案能够达到以下有益效果：

本发明公开的半导体热处理设备中，注气管开设有间隔设置的两个注气孔组，两个注气孔组之间的间隔管段压缩了注气管上开设的注气孔组的区域，使得注气孔组内的多个注气孔开设的位置相对集中，因此多个注气孔处的气流相对均匀。同时每个注气孔组中的多个注气孔的轴向与气体在注气管内的流动方向所成角度逐渐增大或减小，从而使得多个注气孔通入的气体能够迅速散开覆盖整个管体，从而使得管体内的气流分布更加均匀。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为现有技术中半导体热处理设备的结构示意图；

图2为现有技术中半导体热处理设备内气流的分布示意图；

图3～6为本发明实施例公开的半导体热处理设备的结构示意图；

图7为本发明实施例公开的半导体热处理设备的俯视图；

图8为本发明实施例公开的半导体热处理设备中的结构示注气管的结构示意图；

图9为本发明实施例公开的半导体热处理设备中的注气管的局部剖视图；

图10为本发明实施例公开的半导体热处理设备内气流分布示意图。

附图标记说明：

100-管体、110-外管、111-排气孔、120-内管、130-通气通道、

200-晶圆承载装置、

310-注气管、311-第一弧形段、312-第二弧形段、3121-第一管段、3122-缓冲管、3123-第二管段、313-第三弧形段、314-注气孔、315-缺口、320-进气管、

400-固定支架、410-环形固定部、420-支撑部；

500-加热装置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图，详细说明本发明各个实施例公开的技术方案。

如图3～图10所示，本发明实施例公开一种半导体热处理设备，所公开的半导体热处理设备包括管体100、晶圆承载装置200、注气管310和进气管。

管体100为半导体热处理设备的其他组成部件提供安装基础，且管体100为晶圆的加工提供反应场所。晶圆承载装置200用于承载晶圆。可选地，晶圆承载装置200可以为托盘，也可以为晶舟，当然还可以为其他承载部件，本文不作限制。晶圆承载装置200和注气管310均位于管体100内。注气管310用于为管体100内注入气体。注气管310位于管体100的进气端，晶圆承载装置200可以通过进气端安装于管体100内。此时，由于晶圆承载装置200位于管体100内，因此注气管310位于晶圆承载装置200的下方。在沿管体100的轴线的正投影方向上，注气管310的投影位于管体100的投影之内，且位于晶圆承载装置200的投影之外。也就是说，晶圆承载装置200的中心到其外侧壁的距离小于晶圆承载装置200的中心到注气管310的距离，晶圆承载装置200的中心到管体100内侧壁的距离大于晶圆承载装置200的中心到注气管310的距离。注气管310间隔开设有两个注气孔组，注气孔组为管体100内注气，因此注气孔组朝向管体100内。

进气管320用于将气体注入注气管310内。进气管320的一端与供气源相连通，进气管320的另一端与注气管310相连通。进气管320与两个注气孔组之间的间隔管段相连通，也就是说，进气管320位于两个注气孔组之间。此时，每个注气孔组与进气管320和注气管310的连接处的距离相差不大。

可选地，注气管310可以为半环形结构，两个注气孔组之间的间隔管段所对应的弧度大于等于60°，小于等于120°。也就是说，两个注气孔组中的端部的两个注气孔314之间的夹角大于等于60°，小于等于120°。当然，间隔管段还可以为其他角度，本文不作限制。

每个注气孔组均包括有多个注气孔314，注气孔314在注气管310上间隔分布，且注气孔314的轴向与气体在注气管310内的流动方向所成角度逐渐增大或逐渐减小。也就是说，注气孔314沿管内的流动方向倾斜角度逐渐增大或减小。此时气体的流动方向即为注气管的轴线方向。需要注意的是，其增大或减小的角度，是指同一个方向上，同侧的角度。例如，注气孔314的轴向与气体在注气管310内的流动方向所成角度逐渐增大，而注气孔314的轴向与气体在注气管310内的流动方向所成的角度的对应的补角逐渐减小。

具体的操作过程中，如图3、4和7所示，气体通过进气管320注入注气管310，再由注气管310开设的注气孔314进入管体100内。由于管体100内处于低压状态，气体在上升的过程中会沿水平方向扩散，也就是在晶圆的表面扩散，能够在晶圆上沉积一层薄膜，从而完成晶圆加工。

本申请公开的实施例中，注气管310开设有间隔设置的两个注气孔组，两个注气孔组之间的间隔管段压缩了注气管310上开设的注气孔组的区域，使得注气孔组内的多个注气孔314开设的位置相对集中，因此多个注气孔314处的气流相对均匀。同时注气孔314的轴向与气体在注气管310内的流动方向所成角度逐渐增大或减小，从而使得多个注气孔314通入的气体能够迅速散开覆盖整个管体，使得管体100内的气流分布更加均匀。

本实施例中，多个注气孔314的倾斜角度沿气体的流动方向逐渐增大或减小，从而使得每个注气孔组扩散的气流在管体100内以扇形结构进行扩散，注气管310的两侧注气孔314同时注气，能够形成倒圆台结构的气流场，因此使得晶圆周围的气体浓度较为均等，从而能够提高晶圆表面沉积的薄膜的厚度均匀性，优化晶圆表面成膜气体的分布状态，从而提高半导体热处理设备的工艺性能。

可选地，注气孔314的形状可以是矩形、椭圆形或者窄的缝隙等结构，当然还可以为其他结构本文不作限制。每个注气孔组的倾斜角度可以根据实际情况进行选择，对此本文不作限制。

可选地，进气管320与注气管310可以为一体式结构件，从而提高进气管320与注气管310连接处的密封性能。

上述实施例中，注气管310可以为环形结构，环形结构的注气管310在安装与拆卸的过程中容易造成注气管310与半导体热处理设备的其他结构发生干涉，进而增大了注气管的安装和拆卸难度。

基于此，在另一种可选的实施例中，注气管310可以为半环形结构。此方案中，注气管310可以为半环形结构，注气管310在其周向上具有一个弧形的缺口315，该缺口315增大了注气管310横向可动范围，当注气管310安装或者拆卸时，可进行横向的插拔，进而使得注气管310安装和拆卸难度较小。

在另一种可选的实施例中，半环形结构可以包括依次相连通的第一弧形段311、第二弧形段312和第三弧形段313。其中一个注气孔组可以开设于第一弧形段311，另一个注气孔组可以开设于第三弧形段313。进气管320与第二弧形段312相连通，也就是说，第二弧形段312就是上文中提到的用于间隔两个注气孔组的间隔。

此方案中，由于进气管320与第二弧形段312相连通，两个注气孔组分别位于第二弧形段312的两端，因此工艺气体可以先在第二弧形段312内混合，再传输至第一弧形段311和第二弧形段312，从而延长了气体的传输路径，进而使得工艺气体能够在第二弧形段312内充分混合，以提高管体100内晶圆的沉积速率，进而提高晶圆的生产效率。

进一步地，半环形结构的弧度可以大于等于240°，小于等于300°。此时缺口315处的尺寸较大，进一步增大了注气管310的横向可动范围。优选地，半环形结构的弧度可以为240°，此时弧形的缺口315的弧度为120°。

在另一种可选地实施例中，半环形结构、晶圆承载装置200以及管体100三者可以同轴设置，从而能够进一步提高管体100内气体的均匀性。

在另一种可选的实施例中，第一弧形段311和第三弧形段313的弧度均可以大于等于60°，小于等于120度，第二弧形段的弧度为大于等于60°，小于等于120度。

此方案中，第一弧形段311和第三弧形段313的弧度均可以大于等于60°，小于等于120度，也就是说，注气孔组分布在60°至120°范围内，此时每个注气孔组内的多个注气孔314分布紧凑，进而使得每个注气孔314的气体的流量基本相同，进而提高了管体100内的气体的均匀性。

进一步地，第一弧形段311和第三弧形段313的弧度可以为60°，第二弧形段312的弧度可以为120°。此时，每个注气孔组分布在60°范围内，此时每个注气孔组内的多个注气孔314分布更加紧凑。第二弧形段312的弧度为120°，第二弧形段312将第一弧形段311和第三弧形段313在注气管310的延伸方向等分，从而使得第一弧形段311和第三弧形段313分别能够覆盖管体100内180°的范围，进一步提高了管体100内气体的均匀性。

为了进一步提高管体100内气体的均匀性，在另一种可选的实施例中，进气管320与第二弧形段312的连接处可以靠近第二弧形段312的中心位置。也就是说，进气管320和第二弧形段312的连接处与第一弧形段311的中心的距离，与进气管320和第二弧形段312的连接处与第三弧形段313的中点的距离相同，此时，气流由进气管320与第二弧形段312的连接处流向第一弧形段311的路径长度，与气流由进气管320与第二弧形段312的连接处流向第三弧形段313的路径长度相同，因此第一弧形段311上的注气孔314的流量与第三弧形段313上的注气孔314的流量基本相同，从而进一步提高了管体100内气流的均匀性。

在另一种可选的实施例中，第二弧形段312可以包括依次相连的第一管段3121、缓冲管3122和第二管段3123，第一弧形段311和缓冲管3122可以通过第一管段3121相连通，第三弧形段313和缓冲管3122可以通过第二管段3123相连通，缓冲管3122可以与进气管320相连通，第一管段3121的横截面面积和第二管段3123的横截面面积可以均小于缓冲管3122的横截面面积。也就是说，缓冲管3122的内径大于第一管段3121和第二管段3123的内径。上述的第一管段3121、第二管段3123和缓冲管3122段的横截面是指垂直于注气管310的轴线方向的截面。

此方案中，缓冲管3122的内径大于第一管段3121和第二管段3123的内径，从而能够延长气体在缓冲管3122内的停留时间，进而使得气体能够在缓冲管3122内充分混合，进一步提高管体100内晶圆的沉积速率。

可选地，进气管320可以包括第一进气管和第二进气管，第一进气管和第二进气管均可以与缓冲管3122相连通，此时，缓冲管3122的中心位于第一进气管和第二进气管之间，且缓冲管3122的中心和第一进气管的中心距离与缓冲管3122的中心和第二进气管的中心距离相同。此时，第一进气管和第二进气管的气体在缓冲管3122内混合后，再传递至第一弧形段311和第三弧形段313。上述的第一管段3121、缓冲管3122和第二管段3123可以为一体式结构，也可以采用焊接的方式连接。

上述实施例中的注气管310和进气管320可以为一体式结构，当然还可以采用焊接等方式连接，本文不作限制。

在另一种可选的实施例中，注气孔组边缘位置的注气孔314的轴线与气体在注气管310内的流动方向所成夹角可以大于等于15°，小于等于45°。注气孔组边缘位置的注气孔314指的是沿注气管310的轴线分布的最外侧的注气孔314，也就是第一弧形段311和第二弧形段312端部的注气孔314。

此方案中，最外侧的注气孔314的角度较小，因此流出的气体在碰到管体100的内壁后不至于越过晶圆承载装置200最下侧的晶圆，从而使得晶圆承载装置200的每层晶圆均能够与气体接触，从而提高了晶圆的加工质量。

上述实施例中，最外侧的注气孔314的范围可以根据计算得到。具体地，晶圆承载装置200的半径可以为R1。管体100的半径可以为R2，此时的管体100的半径对应的是下文中的内管120的半径。注气孔314的中心到管体100的截面中心的距离为R，R＝(R1+R2)/2，如图6所示H为注气管310的上表面到管体100的进气端所在平面之间的距离，如图9所示θ为注气孔314的角度，也就是注气孔314的轴线与气体在注气管310内的流动方向所成的夹角。θ的正切值tanθ＝H/R＝2h/(R₁+R₂)，因此最外侧注气孔314的角度可以根据晶圆承载装置200的半径、管体100的半径和注气管310的位置确定。

进一步地，注气孔组内的中心位置可以至少有一个注气孔314的轴线与气体在注气管310内的流动方向相垂直。此时，注气孔组中的至少一个注气孔314能够沿竖直方向进气，进而使得晶圆周围的气流浓度较为均等。

可选地，每个注气孔组内的注气孔314的数量可以为五个，当然，每个注气孔组内的注气孔314的数量还可以为其他数量，本文不作限制。

上述实施例中，管体100内可以设置固定件，固定件用于固定注气管310，然而固定件设置在管内难度较大，同时固定件容易与管体100内其他部件发生干涉，进而降低了半导体热处理设备的可靠性。

在另一种可选的实施例中，本申请公开的半导体热处理设备还可以包括固定支架400，固定支架400可以包括环形固定部410和支撑部420，环形固定部410可以环绕管体100设置。支撑部420的一端与环形固定部410相连接，支撑部420的另一端伸入管体100内，且用于支撑与注气管310。

此方案中，环形固定部410用于将固定支架400固定在管体100的外侧壁上，支撑部420的一端与环形固定部410相连接，另一端伸入管体100内用于固定注气管310，从而使得管体100内无需安装固定件固定注气管310。此时固定支架400安装在管体100的外部，因此安装难度较小。另外，固定支架400仅用于支撑注气管310的支撑部420的一端伸入管体100内，因此固定支架400位于管体100内部分的体积较小，从而使得固定支架400不容易与管体100内的其他部件发生干涉，进而提高了半导体热处理设备的可靠性。

可选地，环形固定部410与管体的外侧壁通过粘接、铆接和螺纹等方式连接，当然还可以采用其他方式本文不作限制。当上文中的管体100包括下文中的内管120和外管110时，环形固定部410可以套设于外管110的外侧壁上。

在另一种可选的实施例中，管体100可以包括内管120和外管110，外管110可以套设于内管120之外，晶圆承载装置200和注气管310均可以位于内管120中。内管120与外管110之间可以形成通气通道130，通气通道130与内管120可以相连通，外管110的侧壁可以开设有排气孔111，排气孔111与通气通道130相连通。此时，管体100的进气端为内管120的进气端。

此时，气体由内管120的进气端向上流动，内管120的顶端未封闭，此时内管120为两端开口的结构。外管110的一端开口，另一端封闭。内管120的出气端与外管110的封闭端对设置。内管120中的气体通过内管120的出气端能够流入到内管120与外管110之间形成的通气通道130中，然后在通过外管110上的排气口排出，从而使得气体循环流动，进而保持内管120中的压强稳定，进而提高了晶圆表面的沉积效率。

可选地，上文中的环形固定部410可以套设与外管110的外侧壁上，进气管320可以穿过环形固定部410。本申请公开的热处理设备还包括排气管，排气管的一端穿过环形固定部410，且与排气孔111相连通。

上述实施例中，管体100内可以设置有加热装置，加热装置可以设置于注气管310与晶圆承载装置200的底端之间。此时加热装置能够对晶圆承载装置200进行加热，从而满足半导体热处理设备的工艺条件。

本发明上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。

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

Claims (10)

1.一种半导体热处理设备，其特征在于，包括：

管体（100）；

位于所述管体（100）内的晶圆承载装置（200）和注气管（310）；

所述注气管（310）位于所述管体（100）的进气端且位于所述晶圆承载装置（200）的下方，在沿所述管体（100 ）的轴线的正投影方向上，所述注气管（310）的投影位于所述管体（100）的投影之内，且位于所述晶圆承载装置（200）的投影之外；

进气管（320），所述进气管（320）的一端与供气源相连通，所述进气管的另一端与所述注气管（310）相连通；

所述注气管（310）间隔开设有两个注气孔组，两个所述注气孔组之间具有间隔管段，所述进气管（320）与所述间隔管段相连通，所述间隔管段压缩了所述注气管（310）上开设的所述注气孔组的区域，使得所述注气孔组内的多个注气孔开设的位置相对集中；

每个所述注气孔组均包括有多个注气孔（314），所述注气孔（314）在所述注气管（310）上间隔分布，且所述注气孔（314）的轴向与气体在所述注气管（310）内的流动方向所成角度逐渐增大或逐渐减小。

2.根据权利要求1所述的半导体热处理设备，其特征在于，所述注气管（310）为半环形结构，所述半环形结构包括依次相连通的第一弧形段（311）、第二弧形段（312）和第三弧形段（313），所述间隔管段为所述第二弧形段（312），其中一个所述注气孔组开设于所述第一弧形段（311），另一个所述注气孔组开设于所述第三弧形段（313）；所述进气管（320）与所述第二弧形段（312）相连通。

3.根据权利要求2所述的半导体热处理设备，其特征在于，所述半环形结构的弧度大于等于240°，小于等于300°。

4.根据权利要求3所述的半导体热处理设备，其特征在于，所述第一弧形段（311）和所述第三弧形段（313）的弧度均为大于等于60°，小于等于120度，所述第二弧形段（312）的弧度为大于等于60°，小于等于120度。

5.根据权利要求2所述的半导体热处理设备，其特征在于，所述进气管（320）与所述第二弧形段（312）的连接处靠近所述第二弧形段（312）的中心位置。

6.根据权利要求2所述的半导体热处理设备，其特征在于，所述第二弧形段（312）包括依次相连的第一管段（3121）、缓冲管（3122）和第二管段（3123），所述第一弧形段（311）和所述缓冲管（3122）通过所述第一管段（3121）相连通，所述第三弧形段（313）和所述缓冲管 通过所述第二管段（3123）相连通，所述缓冲管（3122）与所述进气管（320）相连通，所述第一管段（3121）的横截面面积和所述第二管段（3123）的横截面 面积均小于所述缓冲管（3122）的横截面 面积。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的半导体热处理设备，其特征在于，所述注气孔组边缘位置的所述注气孔（314）的轴线与所述气体在所述注气管（310）内的流动方向所成夹角大于等于15°，小于等于45°。

8.根据权利要求7所述的半导体热处理设备，其特征在于，所述注气孔组内的中心位置至少有一个所述注气孔（314）的轴线与所述气体在所述注气管（310）内的流动方向相垂直。

9.根据权利要求1所述的半导体热处理设备，其特征在于，所述半导体热处理设备还包括固定支架（400），所述固定支架（400）包括环形固定部（410）和支撑部（420），所述环形固定部（410）环绕所述管体（100）设置，所述支撑部（420）的一端与所述环形固定部（410）相连接，所述支撑部（420）的另一端伸入所述管体（100）内，用于支撑所述注气管（310）。

10.根据权利要求1所述的半导体热处理设备，其特征在于，所述管体（100）包括内管（120）和外管（110），所述外管（110）套设于所述内管（120）之外，所述晶圆承载装置（200）和所述注气管均位于所述内管（120）中，所述内管（120）与所述外管（110）之间形成通气通道（130），所述通气通道（130）与所述内管（120）相连通，所述外管（110）的侧壁开设有排气孔（111），所述排气孔（111）与所述通气通道（130）相连通。

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