CN216639641U - 气体混合装置和半导体工艺设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种气体混合装置和半导体工艺设备，应用于半导体工艺设备技术领域。具体的，其是在现有的用于进行低压化学气相沉积工艺的反应腔室的一侧添加一用于混合气体的预混罐，然后，将在预混罐中经过充分混合后的混合反应气体通过2条出气管路通入到所述低压化学气相沉积工艺的反应腔室中，从而实现了在反应前先均匀充分的混合了反应气体，并将现有的用于进行低压化学气相沉积工艺是4条出气管路减少为2条，进而在改善反应气体均匀性、减轻形成在晶圆表面上的膜层的片数效应的同时，降低了用于进行低压化学气相沉积工艺的反应设备的设备成本和维护难度。

Description

气体混合装置和半导体工艺设备

技术领域

本实用新型涉及半导体工艺设备技术领域，特别涉及一种气体混合装置和半导体工艺设备。

背景技术

化学气相沉积(CVD)是通过气体混合后发生化学反应以在硅片表面沉积膜层的工艺，通常，CVD反应系统利用不同的设计，以生成具有质量差异的膜。根据反应系统内反应腔室中压力的不同，CVD反应系统包括常压CVD(APCVD)反应系统和低压CVD(LPCVD)反应系统。

与APCVD相比，LPCVD反应系统具有更低的成本、更高的产量及更好的膜性能，继而得到更为广泛的应用。然而，随着LPCVD反应过程中气体的消耗，设备内部不同区域的气体流量不一致，会导致沉积均匀性变差，常见做法是调节各喷气口(injector)对应气体管路的流量。

图1为现有技术中的LPCVD炉管设备的进气方式。如图1所示，在现有技术中目前还是使用4个进气管路分别将各个类型的气体流经各个管路后通过不同的喷气口分布到晶圆表面。以炉管工艺磷掺杂多晶硅为例，反应气体为SiH4和PH3，其中1号管路对应的喷气口通入的是纯SiH4气体，从1号管路的底部进气，2号，3号，4号管路分别通入的是PH3气体，且分别从2号，3号，4号管路的底部，中间和顶部进气，反应过程中由于SiH4和PH3的消耗，需要调整4个喷气口对应的流量值，以得到最佳搭配。

然而，由于现有技术中的LPCVD炉管设备需要设置4个进气管路并且每个管路只能通入一种反应气体，因此，在反应过程中为了得到最佳的混合气体比例，需要多次多参数的调节，即，存在调节参数多和难度大的问题；并且，通入到反应腔中的反应气体的分布容易发生受产品种类，产品数量的影响，不够稳定(即loading effect，片数效应)以及随着产品上沉积膜层厚度的增加，膜厚及掺杂均匀性会逐渐变差的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种气体混合装置和半导体工艺设备，以解决现有技术中通入低压气相沉积反应腔室内的气体浓度不均一，引起晶圆表面形成的膜层发生片数效应和形成的膜层厚度不均匀的问题。

第一方面，为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种气体混合装置，具体的，所述气体混合装置可以包括：两条进气管路、两条出气管路以及连接在所述进气管路和所述出气管路之间的预混罐；所述预混罐包括第一腔体、设置在所述第一腔体内部的第二腔体以及连通所述第一腔体和所述第二腔体的连接管路，所述第一腔体的一侧面上开设有两个进气口，用于与所述两条进气管路一一对应连通，并将经过所述两条进气管路通入所述第一腔体的不同类型的反应气体进行混合，所述第一腔体的顶面上开设有一出气口，用于与所述连接管路的一端以及所述两条出气管路连通，并将所述第一腔体中的混合气体通过所述第二腔体和所述连接管路，输出至所述两条出气管路中，所述连接管路的另一端与所述第二腔体连通。

进一步的，所述第一腔体的外壁上可拆卸的连接有一控温器，以用于控制流经所述第一腔体中的反应气体的温度。

进一步的，所述控温器可以为加热带。

进一步的，所述第一腔体可以为两个端面均呈半圆状的圆柱体，所述第二腔体可以为空腔半封闭球体。

进一步的，所述空腔半封闭球体在靠近所述进气管路的一侧具有一环状凹槽，且在与所述环状凹槽相对的另一侧具有一开口。

进一步的，所述开口在所述空腔半封闭球体的轴向截面上与所述空腔半封闭球体的球心连接所形成的圆心角的角度范围可以为45°～90°。

进一步的，所述进气管路穿过所述进气口伸入所述第二腔体的所述环状凹槽中，且所述进气管路伸入所述环状凹槽中的部分管路上还设置有一止逆阀，以防止位于所述环状凹槽中的混合气体回流到所述进气管路中。

第二方面，基于相同的构思，本实用新型还提供了一种半导体工艺设备，具体可以包括用于进行低压化学气相沉积反应的反应腔室，以及如上所述的气体混合装置。

进一步的，所述反应腔室可以包括沿垂直方向依次排布的多个承载台，以用于同时在多个晶圆的表面上进行低压化学气相沉积工艺。

进一步的，所述反应腔室的一侧面的顶端和底部均设置有一连接孔，所述连接孔与所述气体混合装置的两条出气管路一一对应连通。

与现有技术相比，本实用新型至少具有如下技术效果：

在本实用新型提供了一种气体混合装置和半导体工艺设备，其是在现有的用于进行低压化学气相沉积工艺的反应腔室的一侧添加一用于混合气体的预混罐，然后，将在预混罐中经过充分混合后的混合反应气体通过2条出气管路通入到所述低压化学气相沉积工艺的反应腔室中，从而实现了在反应前先均匀充分的混合了反应气体，并将现有的用于进行低压化学气相沉积工艺是4条出气管路减少为2条，进而在改善反应气体均匀性、减轻形成在晶圆表面上的膜层的片数效应的同时，降低了用于进行低压化学气相沉积工艺的反应设备的设备成本和维护难度。

附图说明

图1为现有技术中的用于进行低压化学气相沉积工艺的半导体工艺设备的平面结构示意图；

图2为本实用新型一实施例中提供的用于进行低压化学气相沉积工艺的半导体工艺设备的平面结构示意图；

图3a～图3c为本实用新型一实施例中提供的气体混合装置的平面结构沿各个方向的截面图；

图中，100-进气装置，200-反应腔室，10-气体混合装置；20-反应腔室，11-进气装置，12-预混罐，13-出气装置，14-控温器，21-承载台，121-第一腔体，122-第二腔体，123-连接管路，121.1/121.2-进气口，121.3-出气口，A-环状凹槽，B-开口，α-圆心角，111-止逆阀。

具体实施方式

承如背景技术所述，目前，LPCVD(低压气相沉积)是一种用来沉积多晶硅、无定形硅、氮化硅、氧化硅等各种薄膜的常用工艺，具有生产效率高，膜质稳定，膜厚易调节等优点。然而，随着反应过程中气体的消耗，设备内部不同区域的气体流量不一致，会导致沉积均匀性变差，常见做法是调节各喷气口(injector)对应气体管路的流量。

图1为现有技术中的LPCVD炉管设备的进气方式。如图1所示，在现有技术中LPCVD炉管设备包括进气装置100和反应腔室200，其中在现有技术中LPCVD炉管设备的目前进气装置100还是使用4个进气管路分别将各个类型的气体流经各个管路后通过不同的喷气口分布到晶圆表面。以炉管工艺磷掺杂多晶硅为例，反应气体为SiH4和PH3，其中1号管路对应的喷气口通入的是纯SiH4气体，从1号管路的底部进气，2号，3号，4号管路分别通入的是PH3气体，且分别从2号，3号，4号管路的底部，中间和顶部进气，反应过程中由于SiH4和PH3的消耗，需要调整4个喷气口对应的流量值，以得到最佳搭配。

然而，由于现有技术中的LPCVD炉管设备需要设置4个进气管路并且每个管路只能通入一种反应气体，因此，在反应过程中为了得到最佳的混合气体比例，需要多次多参数的调节，即，存在调节参数多和难度大的问题；并且，通入到反应腔中的反应气体的分布容易发生受产品种类，产品数量的影响，不够稳定(即loadingeffect，片数效应)以及随着产品上沉积膜层厚度的增加，膜厚及掺杂均匀性会逐渐变差的问题。基于此，本实用新型研究人员发明：既然在对晶圆进行LPCVD反应时，先将各个类型的反应气体通过不同的进气管路通入到反应腔室内，然后使各类反应其中在反应腔室内边反应边混合，会导致如上所述的现有技术存在的问题，那么，是否可以在对晶圆进行LPCVD反应之前，提前将各种不不同类型的反应气体进行混合，然后在将混合后的混合其他通入到LPCVD设备的反应腔室内，这样就可避免现有技术存在的如上问题。

为此，本实用新型提供了一种气体混合装置和半导体工艺设备，其是在现有的用于进行低压化学气相沉积工艺的反应腔室的一侧添加一用于混合气体的预混罐，然后，将在预混罐中经过充分混合后的混合反应气体通过2条出气管路通入到所述低压化学气相沉积工艺的反应腔室中，从而实现了在反应前先均匀充分的混合了反应气体，并将现有的用于进行低压化学气相沉积工艺是4条出气管路减少为2条，进而在改善反应气体均匀性、减轻形成在晶圆表面上的膜层的片数效应的同时，降低了用于进行低压化学气相沉积工艺的反应设备的设备成本和维护难度。

以下将对本实用新型的一种新型的半导体工艺设备作进一步的详细描述。下面将参照附图2和图3a～图3c对本实用新型进行更详细的描述，其中表示了本实用新型的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本实用新型而仍然实现本实用新型的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本实用新型的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

请参考图2，其中，图2为本实用新型一实施例中提供的用于进行低压化学气相沉积工艺(LPCVD)的半导体工艺设备的平面结构示意图。如图2所示，本实用新型提供的所述半导体工艺设备可以包括气体混合装置10和反应腔室20。

其中，所述气体混合装置10用于在进行LPCVD反应之前，对多种类型的反应气体进行混合，然后将混合反应气体通入用于进行LPCVD反应的反应腔室20。所述气体混合装置10可以包括进气装置11、预混罐12和出气装置13。所述进气装置11包括进气管路1和进气管路2(两条进气管路)，所述出气装置13包括出气管路3和出气管路4(两条出气管路)。所述反应腔室20包括沿垂直方向依次排布的多个承载台21，以用于同时在多个晶圆的表面上进行低压化学气相沉积工艺。所述反应腔室20的一侧面的顶端和底部均设置有一连接孔(未图示)，所述连接孔与所述气体混合装置10的两条出气管路3、4一一对应连通。

由于在附图2中只是简单的描述了本实用新型提供的气体混合装置10的结构，为了更加清楚的介绍本实用新型提供的气体混合装置10的具体结构，下面将通过局部放大所述气体混合装置10的方式，单独介绍气体混合装置10。

请参考图3a～图3c，图3a～图3c为本实用新型一实施例中提供的气体混合装置10的平面结构沿各个方向的截面图。其中，图3a为所述气体混合装置10沿垂直方向的截面图，类似于主视图，图3b为图3a中的第二腔体122的局部放大图，图3c为所述气体混合装置10沿垂直方向的截面图，类似于左视图。

如图3a和图3b所示，本实用新型提供的所述气体混合装置10可以包括进气装置11、出气装置13以及连接在所述进气装置11和所述出气装置13之间的预混罐12。所述进气装置11包括进气管路1和进气管路2(两条进气管路)，所述出气装置13包括出气管路3和出气管路4(两条出气管路)。因此，也可以说成所述预混罐12连接在所述进气管路1、2和所述出气管路3、4之间，对此本实用新型不做具体限定。其中，所述进气管路1、所述进气管路2、所述出气管路3和所述出气管路4的形状可以为圆柱状。

所述预混罐12具体可以包括第一腔体121、设置在所述第一腔体121内部的第二腔体122以及连通所述第一腔体121和所述第二腔体122的连接管路123，所述第一腔体121的一侧面上开设有两个进气口121.1、121.2，用于与所述两条进气管路1、2一一对应连通，并将经过所述两条进气管路1、2通入所述第一腔体121的不同类型的反应气体进行混合，所述第一腔体121的顶面上开设有一出气口121.3，用于与所述连接管路123的一端以及所述两条出气管路3、4连通，并将所述第一腔体121中的混合气体通过所述第二腔体122和所述连接管路123，输出至所述出气管路3和所述出气管路4中，所述连接管路123的另一端与所述第二腔体122连通。

其中，所述第一腔体121可以为两个端面均呈半圆状的圆柱体，所述第二腔体122可以为空腔半封闭球体。并且，所述空腔半封闭球体在靠近所述进气管路1、2的一侧具有一环状凹槽A，且在与所述环状凹槽A相对的另一侧具有一开口B。所述开口B在所述空腔半封闭球体的轴向截面上与所述空腔半封闭球体的球心连接所形成的圆心角α的角度范围为45°～90°。示例性的，所述圆心角α的角度优选为60°。

进一步的，所述进气管路1、进气管路2分别穿过所述进气口121.1、进气口121.2伸入所述第二腔体122的所述环状凹槽A中，且所述进气管路1、2伸入所述环状凹槽A中的部分管路上还设置有一止逆阀111，以防止位于所述环状凹槽A中的混合气体回流到所述进气管路1和进气管路2中。

在本实施例中，所述预混罐12是用于将通过所述进气管路1和进气管路2分别通入的两种不同类型的反应气体进行混合的，然后将混合后的混合反应气体通过所述出气管路3和所述出气管路4输出至所述反应腔室20中。因此，为了充分混合所述不同类型的反应气体，本实用新型设计了一款由两个中空的腔体套接组成的预混罐12。示例性的，所述第一腔体121可以是一个椭圆形或圆形等各种形状，然后，在其内部设计一个第二腔体122，而该第二腔体122不是像所述第一腔体121的外形完整连接的封闭腔体，其是一个左边有一个环状凹槽A，右边有一个开口B的空腔半封闭球体。也就是说，第二腔体122的左边的环状凹槽A的边界是该第二腔体122的左边界，然后，上面和下面的两个半圆使其其他两个边界，而其右边是个开口，没有边界。因此，所述第二腔体122的环状凹槽A围成的凹陷区也是所述第一腔体121的一部分。

然后，设计所述进气管路1和所述进气管路2通过两个进气口121.1、121.2伸入到所述第二腔体122的环状凹槽A内(也可以理解为是所述凹陷区)，而该环状凹槽A左窄右宽的结构为反应气体提供了充分的混合区域，并加强了气体的湍流；由于所述第二腔体122的右部开设有开口B和气体的气压问题，导致在环状凹槽A(内陷区)中充分混合后的气体只能在环状凹槽A混合后再绕出，流入第一腔体121的其他部分，最后从第二腔体122的右侧开口B进入第二腔体122，这将增加了混合反应气体的运动路程，进一步加强混合效果。通过上述描述可知，所述反应气体的混合，以及反应气体混合后的混合反应气体的部分流动是在所述第一腔体121内。

此外，如图3c所示，在本实用新型提供的所述气体混合装置10中，其所述第一腔体121的外壁上可拆卸的连接有一控温器14，以用于控制流经所述第一腔体121中的反应气体的温度。示例性的，所述控温器14可以为加热带。

在本实施例中，由于所述第一腔体121为两个端面均呈半圆状的圆柱体，因此，设置在所述第一腔体121外壁上的加热带14可以是沿着第一腔体121的圆柱体的外侧环绕一周设置。

由于加热带14使预混灌12内的气体处于相对较高的温度而又不至于发生化学反应，从而增加了气体分子的微观运动速率，有利于气体宏观上快速混合；而止逆阀111可以有效防止混合反应气体回流到进气管路1和进气管路2。

综上所述，在本实用新型提供的气体混合装置和半导体工艺设备中，其是在现有的用于进行低压化学气相沉积工艺的反应腔室的一侧添加一用于混合气体的预混罐，然后，将在预混罐中经过充分混合后的混合反应气体通过2条出气管路通入到所述低压化学气相沉积工艺的反应腔室中，从而实现了在反应前先均匀充分的混合了反应气体，并将现有的用于进行低压化学气相沉积工艺是4条出气管路减少为2条，进而在改善反应气体均匀性、减轻形成在晶圆表面上的膜层的片数效应的同时，降低了用于进行低压化学气相沉积工艺的反应设备的设备成本和维护难度。

需要说明的是，虽然本实用新型已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本实用新型。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本实用新型技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围。

还应当理解的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。

此外还应该认识到，此处描述的术语仅仅用来描述特定实施例，而不是用来限制本实用新型的范围。必须注意的是，此处的以及所附权利要求中使用的单数形式“一个”和“一种”包括复数基准，除非上下文明确表示相反意思。例如，对“一个步骤”或“一个装置”的引述意味着对一个或多个步骤或装置的引述，并且可能包括次级步骤以及次级装置。应该以最广义的含义来理解使用的所有连词。以及，词语“或”应该被理解为具有逻辑“或”的定义，而不是逻辑“异或”的定义，除非上下文明确表示相反意思。此外，本实用新型实施例中的方法和/或设备的实现可包括手动、自动或组合地执行所选任务。

Claims (10)

1.一种气体混合装置，其特征在于，包括两条进气管路、两条出气管路以及连接在所述进气管路和所述出气管路之间的预混罐；所述预混罐包括第一腔体、设置在所述第一腔体内部的第二腔体以及连通所述第一腔体和所述第二腔体的连接管路，所述第一腔体的一侧面上开设有两个进气口，用于与所述两条进气管路一一对应连通，并将经过所述两条进气管路通入所述第一腔体的不同类型的反应气体进行混合，所述第一腔体的顶面上开设有一出气口，用于与所述连接管路的一端以及所述两条出气管路连通，并将所述第一腔体中的混合气体通过所述第二腔体和所述连接管路，输出至所述两条出气管路中，所述连接管路的另一端与所述第二腔体连通。

2.如权利要求1所述的气体混合装置，其特征在于，所述第一腔体的外壁上可拆卸的连接有一控温器，以用于控制流经所述第一腔体中的反应气体的温度。

3.如权利要求2所述的气体混合装置，其特征在于，所述控温器为加热带。

4.如权利要求1所述的气体混合装置，其特征在于，所述第一腔体为两个端面均呈半圆状的圆柱体，所述第二腔体为空腔半封闭球体。

5.如权利要求4所述的气体混合装置，其特征在于，所述空腔半封闭球体在靠近所述进气管路的一侧具有一环状凹槽，且在与所述环状凹槽相对的另一侧具有一开口。

6.如权利要求5所述的气体混合装置，其特征在于，所述开口在所述空腔半封闭球体的轴向截面上与所述空腔半封闭球体的球心连接所形成的圆心角的角度范围为45°～90°。

7.如权利要求5所述的气体混合装置，其特征在于，所述进气管路穿过所述进气口伸入所述第二腔体的所述环状凹槽中，且所述进气管路伸入所述环状凹槽中的部分管路上还设置有一止逆阀，以防止位于所述环状凹槽中的混合气体回流到所述进气管路中。

8.一种半导体工艺设备，其特征在于，包括用于进行低压化学气相沉积反应的反应腔室，以及如权利要求1～7任一项所述的气体混合装置。

9.如权利要求8所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述反应腔室包括沿垂直方向依次排布的多个承载台，以用于同时在多个晶圆的表面上进行低压化学气相沉积工艺。

10.如权利要求9所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述反应腔室的一侧面的顶端和底部均设置有一连接孔，所述连接孔与所述气体混合装置的两条出气管路一一对应连通。

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