CN114481311B - 一种半导体工艺设备的进气模块及半导体工艺设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体工艺设备的进气模块及半导体工艺设备，进气模块中设置有进气腔，进气腔的一端与进气管路连通，进气腔的另一端与半导体工艺设备的工艺腔室连通；进气腔内沿横向设置有多个进气隔块机构，多个进气隔块机构将进气腔分隔成多个子进气腔；进气隔块机构构包括两个移动块和驱动器，驱动器用于驱动移动块在进气腔内横向移动，以改变子进气腔的宽度和相邻两个子进气腔之间的间隔距离；该进气模块具有设置在进气腔内的多个进气隔块结构，利用每个进气隔块结构的两个移动块的移动，能够调节子进气腔的宽度及相邻两个子进气腔之间的间隔距离，进而更好地控制工艺气体在工艺腔室内的分布。

Description

一种半导体工艺设备的进气模块及半导体工艺设备

技术领域

本发明属于半导体工艺设备技术领域，更具体地，涉及一种半导体工艺设备的进气模块及半导体工艺设备。

背景技术

化学气相沉积外延生长是将反应气体输送到反应腔，通过加热等方式，使之反应，生长原子沉积在衬底上，长出单晶层。

半导体外延设备应用广泛，可用于IV族硅锗外延、II-VI族和III-V族化合物半导体外延。随着半导体工业技术的发展，要求外延设备不断提高产能、降低成本，追求更高的外延片指标。但在提高这些指标的同时，外延片的均匀性，包括厚度均匀性、电阻率均匀性、粗糙度均匀性、外观形貌均匀性等，必须同时保持并不断优化。

气体输运和控制系统是保证向工艺腔室及时和准确输运反应气体的系统。它主要有管道、流量计和各种阀门等组成。根据CVD技术的反应机理可知：必须使基板的反应物浓度和反应速度尽量均匀一致，要求基板附近存在均匀分布的气流场、温度场和浓度场。根据上述CVD生长薄膜所需要的掺杂均匀、厚度均匀等要求，要求在生长过程中输运到基板各个部位的反应物及掺杂物的速率都相等，气流场保持均匀平行层流，避免任何波动、湍流和对流涡旋，才能满足薄膜的厚度、电阻率均匀性的要求。

根据气流的方向，外延反应器主要分为两类：水平式反应器和垂直式反应器。垂直式反应器是气流垂直于基板表面。水平式反应器是反应气体平行于基板表面，反应气体从基板一侧流向另一侧。提高气体流场的均匀性可以采用的主要方法是：一是采用衬底托盘的旋转方式，二是采用气体通过管道均匀的结构通入反应室，使进气达到均匀一致。

气流通过管道均匀的结构通入反应室，使进气达到均匀一致的方法中，往往由于进排气口宽度的局限性，使得工艺气体流入腔室进气口后，气流发生一定宽度的横向流动，不同区域之间的工艺气体互相影响，进而影响晶圆外延层均匀性波动。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的不足，提供一种半导体工艺设备的进气模块及半导体工艺设备，该进气模块具有设置在进气腔内的多个进气隔块结构，利用每个进气隔块结构的两个移动块的移动，能够调节子进气腔的宽度和相邻两个子进气腔之间的间隔距离，进而更好地控制工艺气体在工艺腔室内的分布。

为了实现上述目的，本发明提供一种半导体工艺设备的进气模块，所述进气模块中设置有进气腔，所述进气腔的一端与进气管路连通，所述进气腔的另一端与所述半导体工艺设备的工艺腔室连通；

所述进气腔内沿横向设置有多个进气隔块机构，多个所述进气隔块机构将所述进气腔分隔成多个子进气腔；

所述进气隔块机构构包括两个移动块和驱动器，所述驱动器用于驱动所述移动块在所述进气腔内横向移动，以改变所述子进气腔的宽度和相邻两个所述子进气腔之间的间隔距离。

可选地，所述进气腔内设置有沿横向延伸的隔板，所述隔板沿纵向将所述进气腔分隔成分配腔和匀流腔，所述分配腔与所述进气管路连通，多个所述进气隔块机构设置在所述匀流腔中，将所述匀流腔分隔成多个所述子进气腔，所述隔板上对应于多个所述子进气腔开设有多个进气通孔，多个所述进气通孔将所述分配腔与多个所述子进气腔连通。

可选地，每个所述子进气腔上的所述进气通孔的数量相同。

可选地，所述匀流腔内沿横向设置有滑轨，所述移动块上设置有与所述滑轨滑动配合的滑块。

可选地，所述驱动器包括驱动电机和双向伸缩杆，所述双向伸缩杆的两个伸缩端均连接有所述移动块，所述驱动电机用于驱动所述双向伸缩杆朝相反的方向伸缩，进而带动两个所述移动块朝相反的方向移动。

可选地，所述匀流腔内设置有相互平行的第一滑轨和第二滑轨，所述匀流腔的纵向深度为D1，所述第一滑轨与所述隔板之间的距离为D2，所述第一滑轨和所述第二滑轨的宽度均为D3，所述第一滑轨与所述第二滑轨之间的距离为D4，其中， 0.2D1<D2<0.3D1，0.08D1<D3<0.12D1，0.55D1<D4<0.7D1。

可选地，所述移动块的长度与所述匀流腔的纵向深度相同，所述驱动器驱动所述移动块移动时，所述移动块与所述双向伸缩杆的连接点与所述隔板之间的距离为D5，其中，0.4D1<D5<0.6D1。

可选地，相邻两组所述进气通孔之间的距离为d1，所述驱动器的两个所述移动块之间的最大距离为d2，其中，d1>d2。

本发明还提供一种半导体工艺设备，包括上述的进气模块。

可选地，还包括控制器，所述控制器用于根据晶圆外延层的厚度分布信息控制所述驱动器驱动所述移动块移动。

本发明提供一种半导体工艺设备的进气模块及半导体工艺设备，其有益效果在于：

1、该进气模块具有设置在进气腔内的多个进气隔块结构，利用每个进气隔块结构的两个移动块的移动，能够调节子进气腔的宽度及相邻两个子进气腔之间的间隔距离，进而更好地控制工艺气体在工艺腔室内的分布；

2、该进气模块通过多个进气隔块结构在进气腔内形成多个子进气腔，相比于现有技术中利用机械固定隔板来分隔形成多个进气入口来说，该进气模块的每个子进气腔的尺寸都可以进行调节，可调性高；

3、该进气模块能够通过调节各个子进气腔的尺寸及相邻两个子进气腔之间的距离，使气流在工艺腔室内的基板表面分布更加均匀，进而使基板的电阻率、厚度均匀性等性能指标可控。

本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了相关技术中的一种外延反应器的结构示意图。

图2示出了相关技术中的一种进气模块、针阀与工艺腔室的平面气流影响关系示意图。

图3示出了根据本发明的一个实施例的一种半导体工艺设备的进气模块的结构示意图。

图4示出了图3的B向剖视结构示意图。

图5示出了根据本发明的一个实施例的一种半导体工艺设备的进气模块的进气隔块结构示意图。

图6示出了图5的左视图。

图7示出了图5的俯视图。

图8示出了根据本发明的一个实施例的一种半导体工艺设备的进气模块、针阀与工艺腔室的平面气流影响关系示意图。

附图标记说明：

在图1和图2中：

101、工艺腔室；102、进气模块；103、排气模块；104、匀流板；105、子进气入口；106、第一进气管路；107、第二进气管路；108、第三进气管路；109、针阀；

在图3至图8中：

1、进气腔；2、进气通孔；3、工艺腔室；4、子进气腔；5、移动块；6、驱动器；7、进气口；8、隔板；9、分配腔；10、第一进气管路；11、第二进气管路；12、第三进气管路；13、滑轨；14、滑块；15、驱动电机；16、双向伸缩杆；17、第一滑轨；18、第二滑轨；19、控制器；20、针阀；21、第一进气区域；22、第二进气区域；23、第三进气区域。

实施方式

下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，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方式所限制。相反，提供这些实施方式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。

相关技术中，如图1所示，工艺腔室101前端装有进气模块102，后端装有排气模块103，进气模块102和工艺腔室101之间具有匀流板104；进气模块102由进气管路和进气入口组成，一个完整的进气入口被机械固定隔板分隔成8个子进气入口105，这8个子进气入口105又可以按照其与工艺腔室101的相对位置关系分为第一进气区域、第二进气区域和第三进气区域，第一进气区域为中间的两个子进气入口105，第二进气区域为第一进气区域两侧各一个子进气入口105，而剩下的四个子进气入口105为第三进气区域，上述三个进气区域分别由第一进气管路106、第二进气管路107和第三进气管路108供气，进气管路上设置有针阀109。在上述方案中，三个进气区域分别对各进气区域进入工艺腔室101内部的工艺气体流量比例进行分配，但该进气模块的不同进气区域宽度受机械结构的限制而固定，具体调节分配气流流量时，气路总进气量受工艺需求而固定，针阀109仅可调节气流比例，三路气体流量相互干涉，无法单独调节某路气体流量，且工艺气体进入进气模块后的压力和流速决定于气路前端总压力和气流比例。而由于实际第一、第二、第三这三个进气区域的流量比并不是1:1:1，各进气区域压力及流速无法调控以达到相对平衡，在这种情况下，工艺气流流出子进气入口105后，由于各进气区域压力和流速的不平衡，不同进气区域流出的气体在相邻两个进气区域的交界处发生紊流，导致气流场不稳定，进而导致晶圆外延层厚度均匀性波动。

如图2所示，示意性地描述了现有的进气模块、针阀109与工艺腔室101的平面气流的影响关系，第一进气管路106中的工艺气体从第一进气区域的两个子进气入口105进入工艺腔室101；第二进气管路107中的工艺气体被进气模块分成两路，这两路工艺气体从第二进气区域的两个子进气入口105进入工艺腔室101；第三进气管路108中的工艺气体被进气模块分成四路，这四路工艺气体从第三进气区域的四个子进气入口105进入工艺腔室101。在这种进气模块设计下，各子进气入口105位置完全固定，而由于各进气区域压力、流量比例并非完全一致，各子进气入口105压力、流速无法靠针阀109调节至相对平衡位置。因此，在气流流出子进气入口105后，相邻的子进气入口105的气体流速压力差异导致压力偏高的气流向压力相对偏低的位置流动从而产生紊流，在均匀性调节中该问题难以避免，调节针阀109甚至会增大相对压差导致更大范围的紊流区，从而难以继续提升厚度均匀性。

如图3至图8所示，本发明提供一种半导体工艺设备的进气模块，进气模块中设置有进气腔1，进气腔1的一端与进气管路连通，进气腔1的另一端与半导体工艺设备的工艺腔室3连通；

进气腔1内沿横向设置有多个进气隔块机构，多个进气隔块机构将进气腔1分隔成多个子进气腔4；

进气隔块机构构包括两个移动块5和驱动器6，驱动器6用于驱动移动块5在进气腔1内横向移动，以改变子进气腔4的宽度和相邻两个子进气腔4之间的间隔距离。

具体的，进气腔1内由多个进气隔块结构分隔成多个子进气腔4，多个子进气腔4作为能够与工艺腔室3连接的子进气入口；相比于现有技术中利用机械固定隔板来将进气入口分隔成多个子进气入口来说，该进气模块的每个进气隔块结构具有两个可移动的移动块5，通过驱动器6驱动两个移动块5相向或反向移动，既能够调节各个子进气腔4的宽度，进而调节各个子进气腔4中流出的工艺气体的气压，又能够调节相邻两个子进气腔4之间的间隔距离，进而避免相邻两个子进气腔4流出的工艺气体之间的紊流；这样的调节使得气流在工艺腔室3内的基板表面分布更加均匀，进而使基板的电阻率、厚度均匀性等性能指标可控，并且有利于快速找到工艺窗口，减少硬件变动造成的成本增加。

可选地，进气腔1内设置有沿横向延伸的隔板8，隔板8沿纵向将进气腔1分隔成分配腔9和匀流腔，分配腔9与进气管路连通，多个进气隔块机构设置在匀流腔中，将匀流腔分隔成多个子进气腔4，隔板8上对应于多个子进气腔4开设有多个进气通孔2，多个进气通孔2将分配腔9与多个子进气腔4连通。

具体的，分配腔9的槽底和/或槽壁上可以开设进气口7，进气口7与进气管路连接；优选的，在本实施例中，进气管路包括第一进气管路10、第二进气管路11和第三进气管路12，进气管路输送的工艺气体先进入分配腔9进行初步气体分配，再通过进气通孔2进入匀流腔内。

在本实施例中，进气腔的另一端侧壁上开设有多组出气通孔，多组出气通孔与多个子进气腔一一对应，每个子进气腔均通过一组出气通孔与工艺腔室连通。

可选地，每个子进气腔4上的进气通孔2的数量相同。

具体的，每个子进气腔4上的进气通孔2的数量相同，使得每个子进气腔4内所分配到的工艺气体的量相同，进而在利用进气隔块结构调节子进气腔4的大小的时候，就可以相对其他的子进气腔4来改变被调节的子进气腔4中流出的工艺气体的气压。

可选地，匀流腔内沿横向设置有滑轨13，移动块5上设置有与滑轨13滑动配合的滑块14。

具体的，通过滑轨13与滑块14的配合，对移动块5的移动起到导向作用，能够更好地保持移动块5相对于匀流腔的腔壁的垂直度，保证分隔效果，也能使得移动块5的移动调节更为顺畅。

可选地，驱动器6包括驱动电机15和双向伸缩杆16，双向伸缩杆16的两个伸缩端均连接有移动块5，驱动电机15用于驱动双向伸缩杆16朝相反的方向伸缩，进而带动两个移动块5朝相反的方向移动。

具体的，采用驱动电机15驱动双向伸缩杆16的形式来同时驱动双向伸缩杆16两端上的移动块5相向或反向移动，进而在调节子进气腔4的宽度的同时调节相邻两个子进气腔4之间的间隔距离；至于驱动电机15与双向伸缩杆16的安装形式及具体驱动形式，本申请不作具体限定；在一个示例中，双向伸缩杆16包括伸缩杆壳体、转动连接在伸缩杆壳体上的带有内螺纹的圆筒和两个带有外螺纹的杆，杆螺纹连接在圆筒内并与移动块连接，圆筒的一端设置有第一锥齿轮，驱动电机的输出端上设置有与第一锥齿轮配合的第二锥齿轮；通过第二锥齿轮与第一锥齿轮的配合即可带动圆筒转动，进而使得杆伸缩移动，带动移动块5移动。

可选地，匀流腔内设置有相互平行的第一滑轨17和第二滑轨18，匀流腔的纵向深度为D1，第一滑轨17与隔板8之间的距离为D2，第一滑轨17和第二滑轨18的宽度均为D3，第一滑轨17与第二滑轨18之间的距离为D4，其中， 0.2D1<D2<0.3D1，0.08D1<D3<0.12D1，0.55D1<D4<0.7D1。

具体的，滑轨13可以为矩形凹槽，那么滑块14即为矩形凸起，两条滑轨13的设计能够进一步提升对移动块5的导向效果，并且使得移动块5在被驱动器6驱动时具有更好的受力情况；尺寸的限定能够使得滑轨13与滑块14的位置尽量处于移动块5的中部，提高移动块5移动时的稳定性。

可选地，移动块5的长度与匀流腔的纵向深度相同，驱动器6驱动移动块5移动时，移动块5与双向伸缩杆16的连接点与隔板8之间的距离为D5，其中， 0.4D1<D5<0.6D1。

具体的，驱动器6驱动移动块5移动时，移动块5的受力点为双向伸缩杆16与移动块5的连接位置的中心，D5的尺寸限定使得驱动器6驱动移动块5移动时移动块5的受力点尽可能处于移动块5的中部，并且处于两个滑块14之间；这样，在移动块5受力时两个滑块14上不会产生过大的转矩，有利于移动块5的顺畅滑动。

可选地，相邻两组进气通孔2之间的距离为d1，驱动器的两个移动块5之间的最大距离为d2，其中，d1>d2。

在本实施例中，多个进气通孔2在匀流腔横向上均布在匀流腔的一侧，这样可以根据实际需要布置进气隔块结构的位置，无论进气隔块结构设置在哪两个相邻的进气通孔2之间，都可以使用相同的进气隔块结构。

具体的，两个移动块5相互远离侧的距离要小于相邻两个进气通孔2之间的距离，避免移动块5遮挡进气通孔2。

进一步的，两个移动块5相互远离侧的最小距离为d3，满足d1>d2>d3，移动块5的宽度为d4，满足d3=0.15d2=3d4。

本发明还提供一种半导体工艺设备，包括上述的进气模块。

具体的，本发明提供的半导体工艺设备的进气模块使用时，应用在半导体工艺设备上；在本实施例中，该半导体工艺设备具有工艺腔室3，上述的半导体工艺设备的进气模块通过其外壳内的分配腔9与进气管路连通，进气隔块结构有7个，7个进气隔块结构将进气腔1分隔成8个子进气腔4，8个子进气腔4又分为第一进气区域21、第二进气区域22和第三进气区域23三个进气区域，第一进气区域21为中间的两个子进气腔4，第二进气区域22为第一进气区域21两侧各一个子进气腔4，而剩下的四个子子进气腔4为第三进气区域23，上述三个进气区域分别由第一进气管路10、第二进气管路11和第三进气管路12供气，进气管路上设置有针阀20，8个子进气腔4与工艺腔室3连通。

进一步的，进气管路的前端使用针阀20调控三个进气区域流量比例后，通过进气隔块结构能够调整子进气腔4的宽度，进而能够调整不同进气区域中工艺气体流出该进气模块的气体压力与流速，使各个进气区域流出的工艺气体压力均衡，减少不同子进气腔4间的紊流，稳定气流场，进而优化晶圆外延层厚度均匀性。

可选地，还包括控制器19，控制器19用于根据晶圆外延层的厚度分布信息控制驱动器6驱动移动块5移动。

具体的，晶圆外延层的厚度分布信息包括晶圆外延层的厚度分布曲线，根据该曲线能够分析出在多个子进气腔4均布时所生产的晶圆外延层的厚度分布状态，晶圆外延层的厚度偏厚的地方工艺气体的气流更为集中，此时需要增大此处的进气隔块结构中两个移动块5的隔离宽度d2；晶圆外延层的膜厚偏薄的地方气流更为稀薄，此时需要减小此处的进气隔块结构中两个移动块5的隔离宽度d2，经数次调试进气隔块结构后便可获得最优移动块5位置，保证晶圆外延层的厚度的均匀性。

在具体使用中，首次使用时保证各子进气腔4的横向宽度一致，取得晶圆外延层的厚度分布信息（如晶圆外延层的厚度分布曲线）后，使用控制器19调控驱动器6，从而调节移动块5，进而调节子进气腔4的宽度和相邻两个子进气腔4之间的距离；通常来说，晶圆外延层的厚度偏厚的位置气流更为集中，此时需要增大此处的进气隔块结构中两个移动块5的隔离宽度d2；晶圆外延层的膜厚偏薄的地方气流更为稀薄，此时需要减小此处的进气隔块结构中两个移动块5的隔离宽度d2，经数次调试进气隔块结构后便可获得最优移动块5位置，保证晶圆外延层的厚度的均匀性。

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)

1.一种半导体工艺设备的进气模块，其特征在于，所述进气模块中设置有进气腔，所述进气腔的一端与进气管路连通，所述进气腔的另一端与所述半导体工艺设备的工艺腔室连通；

所述进气腔内沿横向设置有多个进气隔块机构，多个所述进气隔块机构将所述进气腔分隔成多个子进气腔；

所述进气隔块机构构包括两个移动块和驱动器，所述驱动器用于驱动所述移动块在所述进气腔内横向移动，以改变所述子进气腔的宽度和相邻两个所述子进气腔之间的间隔距离。

2.根据权利要求1所述的进气模块，其特征在于，所述进气腔内设置有沿横向延伸的隔板，所述隔板沿纵向将所述进气腔分隔成分配腔和匀流腔，所述分配腔与所述进气管路连通，多个所述进气隔块机构设置在所述匀流腔中，将所述匀流腔分隔成多个所述子进气腔，所述隔板上对应于多个所述子进气腔开设有多个进气通孔，多个所述进气通孔将所述分配腔与多个所述子进气腔连通。

3.根据权利要求2所述的进气模块，其特征在于，每个所述子进气腔上的所述进气通孔的数量相同。

4.根据权利要求3所述的进气模块，其特征在于，所述匀流腔内沿横向设置有滑轨，所述移动块上设置有与所述滑轨滑动配合的滑块。

5.根据权利要求4所述的进气模块，其特征在于，所述驱动器包括驱动电机和双向伸缩杆，所述双向伸缩杆的两个伸缩端均连接有所述移动块，所述驱动电机用于驱动所述双向伸缩杆朝相反的方向伸缩，进而带动两个所述移动块朝相反的方向移动。

6.根据权利要求5所述的进气模块，其特征在于，所述匀流腔内设置有相互平行的第一滑轨和第二滑轨，所述匀流腔的纵向深度为D1，所述第一滑轨与所述隔板之间的距离为D2，所述第一滑轨和所述第二滑轨的宽度均为D3，所述第一滑轨与所述第二滑轨之间的距离为D4，其中，0.2D1<D2<0.3D1，0.08D1<D3<0.12D1，0.55D1<D4<0.7D1。

7.根据权利要求6所述的进气模块，其特征在于，所述移动块的长度与所述匀流腔的纵向深度相同，所述驱动器驱动所述移动块移动时，所述移动块与所述双向伸缩杆的连接点与所述隔板之间的距离为D5，其中，0.4D1<D5<0.6D1。

8.根据权利要求5所述的进气模块，其特征在于，相邻两组所述进气通孔之间的距离为d1，所述驱动器的两个所述移动块之间的最大距离为d2，其中，d1>d2。

9.一种半导体工艺设备，其特征在于，包括根据权利要求1-8任一项所述的进气模块。

10.根据权利要求9所述的半导体工艺设备，其特征在于，还包括控制器，所述控制器用于根据晶圆外延层的厚度分布信息控制所述驱动器驱动所述移动块移动。

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