CN115928048A - 半导体设备及其气体管路、工艺气体的加热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了半导体设备及其气体管路、工艺气体的加热方法，所述气体管路包括：由气体供应源到半导体处理设备的反应腔的方向上依次连接的第一区段、第二区段和第三区段，所述第二区段上设置有流量控制器件；所述第一区段与第三区段上分别设置有可独立控温的第一加热单元、第二加热单元，用于分别加热第一区段及第三区段，从而分区加热气体管路内工艺气体。本发明通过分区加热气体管路进而分区加热气体管路内的工艺气体，一方面可以提高工艺气体温度，以避免其凝结在气体管路中造成气体管路压力变化以及薄膜沉积质量低问题，另一方面可以避免流入到流量控制器件内的工艺气体的温度过高而损坏所述流量控制器件。

Description

半导体设备及其气体管路、工艺气体的加热方法

技术领域

本发明涉及半导体设备领域，尤其涉及一种本导体设备及其气体管路、工艺气体的加热方法。

背景技术

在半导体芯片生产过程中，需要进行大量的微观加工，其中常用的方式为采用气相沉积或等离子体处理工艺利用真空反应腔对半导体衬底进行处理加工。根据沉积过程是否含有化学反应，气相沉积可分为物理气相沉积(PhysicalVaporDeposition，简称PVD)和化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition，简称CVD)。其中，CVD目前是半导体工业中应用最为广泛的用来沉积多种材料的技术，包括大范围的绝缘材料、大多数金属材料和金属合金材料。化学气相沉积是指化学气体或蒸汽在衬底表面反应合成涂层或纳米材料的方法，通常来说其原理为将工艺气体通入到承载有衬底的反应腔中，然后通过加热将工艺气体沉积在衬底表面，从而在衬底表面生长出薄膜。

有些工艺气体，在进入反应腔之前是固体状态，需要加热将固体状态的工艺气体加热到一定温度，使工艺气体在进入反应腔之前气化成气体，然而气化成气体的工艺气体在进入工艺腔体之前要经过一段长距离的气体管路的输送，工艺气体在流过低温的气体管路时会凝结在气体管路内壁。还有些工艺气体，虽然它不是固体状态的，但是在经过低温的气体管路输送时，饱和蒸汽压下降，同样会导致工艺气体在气体管路凝结。然而这对反应腔的打击是毁灭性的，例如，沉积物会被气体吹进反应腔内部，影响薄膜的沉积质量，沉积物也会影响气体管路内的气压变化。因此，需要对气体管路进行加热。

这里的陈述仅提供与本发明有关的背景技术，而并不必然地构成现有技术。

发明内容

本发明提出了一种气体管路，将气体管路划分为多个区段，分别为由气体供应源到半导体处理设备的反应腔之间依次连接的第一区段、第二区段以及第三区段，第二区段上安装有工艺气体的流量控制器件，并在第一区段及第三区段上设置加热单元，采用分区加热的方式对气体管路进行加热，实现对工艺气体进行加热，防止其沉积到气体管路内壁，同时还可以防止工艺气体的温度过高损坏流量控制器件。

为了达到上述目的，本发明提出了一种气体管路，所述气体管路用于将工艺气体从气体供应源传输至半导体处理设备的反应腔内，所述气体管路包括：

第一区段、第二区段和第三区段，所述第一区段、第二区段和第三区段由气体供应源到半导体处理设备的反应腔的方向上依次连接；

其中，

所述第二区段上设置有流量控制器件；

所述第一区段与第三区段上分别设置有可独立控温的第一加热单元、第二加热单元，用于分别加热第一区段及第三区段，从而分区加热气体管路内工艺气体。

可选地，所述第一加热单元和第二加热单元分别为缠绕在所述第一区段和第三区段上的加热带，且第一加热单元的缠绕密度小于第二加热单元的缠绕密度。

可选地，所述加热带包括电阻丝。

可选地，所述第一区段具有第一加热温度，所述第一加热温度低于所述流量控制器件的安全温度。

可选地，所述流量控制器件的安全温度范围为50°-60°。

可选地，所述第一区段和第三区段不包括流量控制器件。

可选地，所述气体管路还包括：

加热电源，其用于为所述第一加热单元和第二加热单元提供加热功率；

第一温度控制装置，其与所述第一加热单元连接，用于控制第一加热单元的加热功率以控制第一区段内工艺气体的温度；

第二温度控制装置，其与所述第二加热单元连接，用于控制第二加热单元的加热功率以控制第三区段内工艺气体的温度。

可选地，所述气体管路还包括：第一温度传感器和第二温度传感器；其中，所述第一温度传感器设置于所述第一区段与所述第二区段之间，用于监测第一区段内工艺气体的温度；所述第二温度传感器设置于所述第三区段与所述反应腔之间，用于监测第三区段内工艺气体的温度。

可选地，所述第一加热单元的缠绕间隙内设置有热传导带，以提高第一区段的温度均匀性；和/或，所述第二加热单元的缠绕间隙内设置有热传导带，以提高第三区段的温度均匀性。

可选地，所述第一加热单元、热传导带的外表面包裹有保温层，所述第二加热单元、热传导带的外表面包裹有保温层，以防止第一加热单元和第二加热单元热量损失。

可选地，所述热传导带采用石墨烯或导热硅脂制成。

可选地，所述保温层采用耐火、隔热的材质制成。

可选地，所述保温层采用三元乙丙橡胶制成。

可选地，所述流量控制器件包括：气动阀、质量流量控制器、压力传感器至少一者。

基于同一发明构思，本发明还提出了一种半导体设备，包括：

反应腔；

至少一个气体供应源，其内储存有工艺气体；

至少一个如上所述的气体管路，其连接在所述反应腔及所述气体供应源之间，用于传输并加热所述工艺气体。

基于同一发明构思，本发明还提出了一种工艺气体的加热方法，包括以下步骤：

提供如上所述的气体管路；

分别向第一加热单元、第二加热单元提供加热功率；

当第一区段内的工艺气体的温度达到流量控制器件的安全温度时，稳定第一加热单元内的工艺气体的温度；

当第三区段内的工艺气体的温度达到预设温度时，稳定第三区段内的工艺气体的温度。

可选地，采用PID控制方法控制第一加热单元和第二加热单元的加热功率，以稳定第一加热单元内的工艺气体的温度和第二加热单元内的工艺气体的温度。

可选地，所述预设温度大于所述安全温度。

本发明具有以下优势：

1、本发明将气体管路划分为由气体供应源到反应腔依次连接的第一区段、第二区段和第三区段，并在第一区段和第三区段上设置可独立控制的第一加热单元和第二加热单元，通过分区加热气体管路进而分区加热气体管路内的工艺气体，一方面可以提高工艺气体温度，以避免其凝结在气体管路中造成气体管路压力变化以及薄膜沉积质量低问题，另一方面可以避免流入到流量控制器件内的温度过高而损坏所述流量控制器件。

2、本发明将第二加热单元在第三区段上的缠绕密度设置为低于第一加热单元在第一区段上的缠绕密度，同时设置热传导带，在增大第三区段内工艺气体温度的同时，提升第三区段内工艺气体温度的均匀性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的半导体设备的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的气体管路与气体供应源及反应腔的连接示意图。

图3为本发明实施例提供的气体管路的结构示意图。

图4为本发明实施例提供的第一加热单元或第二加热单元间设置热传导带的结构示意图。

图5为本发明实施例提供的第一区段或第三区段的横截面示意图。

图6为本发明实施例提供的工艺气体加热方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1所示，为本发明实施例提供的半导体设备的结构示意图。该半导体设备包括由侧壁、上穹顶101和下穹顶102密封连接组成的一个反应腔100。所述反应腔100的底部设置有用于承载衬底W的基座105，所述基座105连接到旋转支撑轴106，通过所述旋转支撑轴106旋转及上下移动，进而带动基座105、衬底W一体化的绕旋转支撑轴106的中心轴旋转或带动基座105上下移动提供更均匀的外延层。所述反应腔100的一端设置有进气口103，并在与所述进气口103相对的另一端设置有排气口104，外延生长过程中，工艺气体经由所述进气口103流入到所述反应腔100中，并在反应腔100顶部和底部的加热组件107101的热辐射下分解反应，在衬底W上生长出薄膜，反应副产物再经由排气口104从反应腔100抽出。

所述半导体设备还包括至少一个储存有工艺气体的气体供应源3，所述工艺气体经由气体管路200从所述气体供应源3传输至所述反应腔100的进气口103。所述气体管路200分别通过第一接口4和第二接口5固定连接在气体供应源3及所述反应腔100上。正如背景技术部分所述，工艺气体在流经低温的气体管路200时可能会发生凝结，进而影响气体管路200内的气压及薄膜的沉积质量。

鉴于此，如图2-3所示，本发明提出了一种能够加热工艺气体的气体管路200，使得工艺气体的温度能够满足反应腔100的预设温度，一方面可以避免工艺气体凝结在气体管路200内，另一方面可以辅助所述加热组件107，从而提高工艺气体在反应腔100内的热分解反应的速度。

所述气体管路200包括第一区段201、第二区段202和第三区段203，如图3中虚线部分所示，所述第一区段201、第二区段202和第三区段203由气体供应源3到半导体处理设备的反应腔100的方向上依次连接；其中，所述第二区段202上设置有流量控制器件205，用于控制工艺气体的流速及流量；所述第一区段201与第三区段203上分别设置有可独立控温的第一加热单元204、第二加热单元206，用于分别加热第一区段201及第三区段203，从而分区加热气体管路200内的工艺气体。本发明在气体管路200上设置加热单元，通过加热气体管路200进而加热其内的工艺气体，防止工艺气体的温度降低而凝结在气体管路200中，避免凝结的沉积物吹进反应腔100内部造成的薄膜沉积质量低问题。而且，本发明将气体管路200划分为三个区段，并仅在第一区段201和第三区段203上设置加热单元，通过第一区段201上的第一加热单元204对加热气体进行初步加热，流经第二区段202后，再通过第三区段203上的第二加热单元206对该加热气体进行再次加热，既可以保证工艺气体的温度能够达到预设温度，同时可以保护流量控制器件205，防止工艺气体的温度过高而损坏所述流量控制器件205。

当然，可选的，在第二区段202也可以设置加热单元，例如设置第三加热单元，所述第三加热单元设置在所述流量控制器件的底部，这样可以保证第二区段内工艺气体的温度。

所述流量控制器件205包括气动阀、质量流量控制器(MFC)、压力传感器(图中均未示出)中的一种或几种。所述气动阀用于控制工艺气体的通断；所述质量流量控制器用于控制工艺气体的质量及流量，以使反应腔100内的工艺气体具有相应的流量配比；所述压力传感器用于检测气体管路200中工艺气体的压力。这些器件均为温度敏感型器件，当温度变化或温度较高时，流量控制器的精确度及使用寿命均会受到影响。为了进一步保护流量控制器件205，提高流量器件的可靠性及使用寿命，所述第一区段201和第三区段203上不设置流量控制器件205，并将所述第一区段201内工艺气体能够达到的第一加热温度设置为低于所述流量控制器件205的安全温度。可选地，所述流量控制器件205的安全温度范围为50°-60°，根据流量控制器件的不同，其安全温度也不同，有些流量控制器件的安全温度高达70-100℃。

所述第一加热单元204和第二加热单元206分别为缠绕在第一区段201和第三区段203上的加热带。实际应用时，由于所述第三区段203内加热气体能够达到的第二加热温度(即预设温度)范围为70°-300°，第二加热温度所能达到的最大温度远远高于第一加热温度所能达到的最大温度，因此为了使得第三区段203内的工艺气体的温度能够达到预设温度，将所述第二加热单元206在第三区段203上的缠绕密度设置为大于第一加热单元204在第一区段201上的缠绕密度。所述缠绕密度即为气体管路200每单位长度上加热单元的缠绕圈数，在所述第三区段203的长度以及第二加热单元206的加热功率一定的情况下，所述第二加热单元206的缠绕密度越大，则所述第二加热单元206的长度越大，产生的能量密度也就越大，从而可以在合理的工作功率下更快的加热第三区段203及其内的加热气体，使得第三区段203内的工艺气体具有更高的温度。此外，增大所述第二加热单元206在所述第三区段203上的缠绕密度，还可以增大第二加热单元206与第三区段203的接触面积，进而提升第三区段203的温度区域性，提升第三区段203内工艺气体的温度均匀性。本实施例中，所述加热带为电阻丝，所述加热带还可以为多匝线圈。

为了进一步提高工艺气体的均匀性，在第二加热单元206的缠绕间隙间设置热传导带207，使得第三区段203的外表面均被覆盖，如图4所示。所述热传导带207采用具有良好热传导性能的石墨烯或导热硅脂制成，其吸收第二加热单元206的热量后升温，再以热传导的形式加热第三区段203，提升第三区段203的温度均匀性，进而提升第三区段203内工艺气体的温度均匀性。在其他一些实施例中，所述第二加热单元206紧密缠绕在第三区段203上，第二加热单元206不存在缠绕间隙，因而无需在第二加热单元206的缠绕间隙内设置热传导带207。同样的，所述第一加热带的缠绕间隙内也可以设置有热传导带207，以提高第一区段201内工艺气体的温度均匀性。

所述第二加热单元206及热传导带207的外表面包裹有保温层208，以及所述第一加热单元204和热传导带207外表面包裹有保温层208，如图5所示。所述保温层208采用耐火、隔热的材质制成，可以防止第二加热单元206的热量向外辐射造成的热量损失。可选地，所述保温层208采用三元乙丙橡胶制成。在其他一些实施例中，第三区段203外表面只缠绕有第二加热单元206，在第二加热单元206的外表面包裹保温层208。

所述气体管路200还包括：加热电源、第一温度传感器、第二温度传感器、第一温度控制装置以及第二温度控制装置(图中均未示出)。所述加热电源分别与所述第一加热单元204和第二加热单元206连接，用于为第一加热单元204和加热单元提供加热功率。具体地，所述第一加热单元204和第二加热单元206并联在所述加热电源的两端。所述第一温度传感器设置在所述第一区段201和第二区段202之间或连接处，用于实时监测第一区段201内工艺气体的温度，并反馈给所述第一温度控制装置。所述第二温度传感器设置在第三区段203与所述反应腔100之间或连接处，用于实时监测第三区段203内工艺气体的温度，并反馈给所述第二温度控制装置。所述第一温度控制装置与所述第一加热单元204连接，用于根据第一区段201内工艺气体的温度控制第一加热单元204的加热功率，进而控制第一区段201内工艺气体的温度，以确保第一工艺气体的第一加热温度小于所述流量控制器件205的安全温度。所述第二温度控制装置与所述第二加热单元206连接，用于根据第二区段202内工艺气体的温度控制第二加热单元206的加热功率，进而控制第二区段202内工艺气体的温度，以确保第二工艺气体的温度能够达到所述预设温度。可选的，第一温度控制装置和第二温度控制装置为共用一个温度控制装置。另外，将温度传感器设置在连接处可以准确地监控工艺气体温度，确保进入各个区域的工艺气体的温度。

本实施例中，采用第一温度控制装置和第二温度控制装置分别控制第一加热单元204和第二加热单元206的加热功率，从而可以实现第一加热单元204和第二加热单元206的独立控温功能。所述第一温度控制装置和第二温度控制装置采用PID控制技术分别控制第一加热单元204和第二加热单元206的加热功率。其他一些实施例中，分别向所述第一加热单元204和第二加热单元206提供相互独立的加热电源，包括第一加热电源和第二加热电源，通过控制第一加热电源和第二加热电源的输出功率，以控制第一加热单元204和第二加热单元206的加热功率，从而实现第一加热单元204和第二加热单元206的独立控温功能。

本发明将气体管路200划分为由气体供应源3到反应腔100依次连接的第一区段201、第二区段202和第三区段203，并在第一区段201和第三区段203上设置可独立控制的第一加热单元204和第二加热单元206，通过分区加热气体管路200进而分区加热气体管路200内的工艺气体，一方面可以提高工艺气体温度，以避免其凝结在气体管路200中造成气体管路200压力变化以及薄膜沉积质量低问题，另一方面可以避免流入到流量控制器件205内的温度过高而损坏所述流量控制器件205。而且，本发明将第二加热单元206在第三区段203上的缠绕密度设置为低于第一加热单元204在第一区段201上的缠绕密度，在增大第三区段203内工艺气体温度的同时，提升第三区段203内工艺气体温度的均匀性。此外，本发明在第一加热单元204和第二加热单元206的缠绕间隙内设置热传导带207，可以进一步提升气体管路200内工艺气体的温度均匀性，确保工艺气体在进入反应腔100前能够达到预设温度。

基于同一发明构思，如图6所示，本发明还提出了一种工艺气体的加热方法，包括以下步骤：

S1、提供如上所述的能够加热工艺气体的气体管路200；

具体地，气体管路200分别通过第一接口4和第二接口5固定连接在气体供应源3及所述反应腔100上。

S2、分别向第一加热单元204、第二加热单元206提供加热功率；

具体地，当通入工艺气体时，加热电源分别向第一加热单元204、第二加热单元206提供加热功率，所述第一加热单元204和第二加热单元206产生热量，进而加热和控制第一区段201和第二区段202内工艺气体的温度。

S3、当第一区段201内的工艺气体的温度达到流量控制器件205的安全温度时，稳定第一加热单元204内的工艺气体的温度；

当第三区段203内的工艺气体的温度达到预设温度时，稳定第三区段203内的工艺气体的温度。

具体地，第一温度传感器实时监测第一区段201内的工艺气体的温度，当第一区段201内的工艺气体的温度达到流量控制器件205的安全温度时，第一温度控制装置控制第一加热单元204的加热功率，以稳定第一加热单元204内的工艺气体的温度，使其温度保持为所述流量控制器件205的安全温度，或使其温度保持为略低于所述流量控制器件205的安全温度。

第二温度传感器实时监测第三区段203内的工艺气体的温度，当第三区段203内的工艺气体的温度达到预设温度时，所述预设温度大于所述流量控制器件205的安全温度，第二温度控制装置控制第二加热单元206的加热功率，以稳定第二加热单元206内的工艺气体的温度，使其温度保持为所述预设温度。

进一步地，所述第一温度传感器和第二温度传感器均采用PID控制方法以控制第一加热单元204和第二加热单元206的加热功率。

在其他一些实施例中，所述第一加热单元204和第二加热单元206采用相互独立的加热电源，分别为第一加热电源和第二加热电源。当第一区段201内的工艺气体的温度达到流量控制器件205的安全温度时，通过控制第一加热电源的输出功率以控制第一加热单元204的加热功率，使其温度保持为所述流量控制器件205的安全温度，或使其温度保持为略低于所述流量控制器件205的安全温度。当第三区段203内的工艺气体的温度达到预设温度时，通过控制第二加热电源的输出功率以控制第二加热单元206的加热功率，使其温度保持为所述预设温度。

本发明通过第一加热单元204和第二加热单元206分区加热气体管路200中的工艺气体，并通过控制第一加热单元204加热功率，使得气体管路200中第一区段201内工艺气体的温度等于或略低于流量控制器件205的安全温度，防止第一区段201内工艺气体的温度过高而损坏第二区段202中的流量控制器件205，同时通过控制第二加热单元206的加热功率，使得第三区段203内工艺气体的温度达到预设值，一方面可以避免工艺气体凝结在气体管路200内而造成的体管路压力变化以及薄膜沉积质量低问题，另一方面可以辅助反应腔100内的加热组件107，以提高工艺气体在反应腔100内的热分解反应的速度。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (18)

1.一种用于半导体处理设备的气体管路，所述气体管路用于将工艺气体从气体供应源传输至半导体处理设备的反应腔内，其特征在于，所述气体管路包括：

第一区段、第二区段和第三区段，所述第一区段、第二区段和第三区段由气体供应源到半导体处理设备的反应腔的方向上依次连接；

其中，

所述第二区段上设置有流量控制器件；

所述第一区段与第三区段上分别设置有可独立控温的第一加热单元、第二加热单元，用于分别加热第一区段及第三区段，从而分区加热气体管路内工艺气体。

2.如权利要求1所述的气体管路，其特征在于，所述第一加热单元和第二加热单元分别为缠绕在所述第一区段和第三区段上的加热带，且第一加热单元的缠绕密度小于第二加热单元的缠绕密度。

3.如权利要求2所述的气体管路，其特征在于，所述加热带包括电阻丝。

4.如权利要求1所述的气体管路，其特征在于，所述第一区段具有第一加热温度，所述第一加热温度低于所述流量控制器件的安全温度。

5.如权利要求4所述的气体管路，其特征在于，所述流量控制器件的安全温度范围为50°-60°。

6.如权利要求1所述的气体管路，其特征在于，所述第一区段和第三区段不包括流量控制器件。

7.如权利要求1所述的气体管路，其特征在于，还包括：

加热电源，其用于为所述第一加热单元和第二加热单元提供加热功率；

第一温度控制装置，其与所述第一加热单元连接，用于控制第一加热单元的加热功率以控制第一区段内工艺气体的温度；

第二温度控制装置，其与所述第二加热单元连接，用于控制第二加热单元的加热功率以控制第三区段内工艺气体的温度。

8.如权利要求7所述的气体管路，其特征在于，还包括：第一温度传感器和第二温度传感器；其中，所述第一温度传感器设置于所述第一区段与所述第二区段之间，用于监测第一区段内工艺气体的温度；所述第二温度传感器设置于所述第三区段与所述反应腔之间，用于监测第三区段内工艺气体的温度。

9.如权利要求2所述的气体管路，其特征在于，所述第一加热单元的缠绕间隙内设置有热传导带，以提高第一区段的温度均匀性；和/或，所述第二加热单元的缠绕间隙内设置有热传导带，以提高第三区段的温度均匀性。

10.如权利要求9所述的气体管路，其特征在于，所述第一加热单元、热传导带的外表面包裹有保温层，所述第二加热单元、热传导带的外表面包裹有保温层，以防止第一加热单元和第二加热单元热量损失。

11.如权利要求10所述的气体管路，其特征在于，所述热传导带采用石墨烯或导热硅脂制成。

12.如权利要求10所述的气体管路，其特征在于，所述保温层采用耐火、隔热的材质制成。

13.如权利要求12所述的气体管路，其特征在于，所述保温层采用三元乙丙橡胶制成。

14.如权利要求1所述的气体管路，其特征在于，所述流量控制器件包括：气动阀、质量流量控制器、压力传感器至少一者。

15.一种半导体设备，其特征在于，包括：

反应腔；

至少一个气体供应源，其内储存有工艺气体；

至少一个如权利要求1-14任意一项所述的气体管路，其连接在所述反应腔及所述气体供应源之间，用于传输并加热所述工艺气体。

16.一种工艺气体的加热方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供如权利要求1-14任意一项所述的气体管路；

分别向第一加热单元、第二加热单元提供加热功率；

当第一区段内的工艺气体的温度达到流量控制器件的安全温度时，稳定第一加热单元内的工艺气体的温度；

当第三区段内的工艺气体的温度达到预设温度时，稳定第三区段内的工艺气体的温度。

17.如权利要求16所述的工艺气体的加热方法，其特征在于，采用PID控制方法控制第一加热单元和第二加热单元的加热功率，以稳定第一加热单元内的工艺气体的温度和第二加热单元内的工艺气体的温度。

18.如权利要求16所述的工艺气体的加热方法，其特征在于，所述预设温度大于所述安全温度。

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