CN218321631U - 一种炉管装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种炉管装置，包括：双层反应管，所述双层反应管设有内层反应管和罩于所述内层反应管外周上的外层反应管，所述内层反应管中用于放置垂直装载有多层产品的晶舟，所述外层反应管与所述内层反应管之间形成空腔，所述内层反应管的第一侧壁上纵向设有多个进气孔，所述内层反应管相对所述第一侧壁的第二侧壁上纵向设有多个出气孔，所述空腔包括相互隔离的第一空腔和第二空腔，所述第一空腔连通所述进气孔，所述第二空腔连通所述出气孔，所述第一空腔的底部上设有反应气体入口，所述外层反应管的顶部上设有连通所述第二空腔的排气口。本实用新型能有效解决因负载效应造成的产品上薄膜厚度不稳定的问题，并增加产率。

Description

一种炉管装置

技术领域

本实用新型涉及半导体集成电路技术领域，尤其涉及一种炉管装置。

背景技术

随着集成电路工艺的发展以及关键尺寸的不断缩小，薄膜制备技术在半导体工艺制造中受到越来越多的重视。半导体集成电路工艺生产中，利用炉管生长薄膜，需要较长的作业时间，因此一般会在一个批次中放置多个晶圆同时作业，以提高产率。这些批次都是使用相同的工艺条件。但是，由于炉管本身存在气体流量耗尽效应，这会导致同一批次中反应气体先经过的晶圆和反应气体后经过的晶圆上生长的薄膜厚度不同的问题发生。

请参阅图1，其显示现有的一种炉管HCD工艺使用的反应管结构。当前，用于沉积氮化硅薄膜的炉管HCD(六氯乙硅烷)工艺，采用的一般都是如图1所示的单层反应管10。该反应管10采用的是底部喷嘴13进气，顶部排气口11排气的工艺方式。晶舟装载有多层晶圆12，由反应管10下方进入反应管10中进行HCD工艺。图1中以箭头方式参考性示出了气流的方向。

上述炉管结构中，由于反应气体是由下方集中进入反应管，因而晶舟上位于下层的晶圆相对于上层晶圆将优先接触到反应气体，所以下层晶圆在获得的反应气体量和工艺时间上都多于上层晶圆。这必然造成下层晶圆上薄膜的厚度大于上层晶圆上薄膜的厚度的问题，且在同一晶圆上也会产生薄膜厚度不均匀的现象。

随着产品线宽的升级，晶圆上图形变得越来越复杂，相对应的工艺窗口也越来越小。使用上述的炉管设备，会由于同批次晶圆片数的多少以及产品图形的不同之间的差异，导致薄膜厚度不稳定的结果。

目前，业界解决上述问题的手段，大都是通过人工预判，提前调试相关参数，来维持工艺的稳定性。但这对人员经验的要求较高，且对产能的影响也很大。

因此，有必要提供一种新型的炉管装置，以解决现有技术中存在的上述由于反应气体自下向上传输以及产品图形复杂导致的负载效应，致使晶圆产品上薄膜厚度不稳定的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种炉管装置。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种炉管装置，包括：

双层反应管，所述双层反应管设有内层反应管和罩于所述内层反应管外周上的外层反应管，所述内层反应管中用于放置垂直装载有多层产品的晶舟，所述外层反应管与所述内层反应管之间形成空腔，所述内层反应管的第一侧壁上纵向设有多个进气孔，所述内层反应管相对所述第一侧壁的第二侧壁上纵向设有多个出气孔，所述空腔包括相互隔离的第一空腔和第二空腔，所述第一空腔连通所述进气孔，所述第二空腔连通所述出气孔，所述第一空腔的底部上设有反应气体入口，所述外层反应管的顶部上设有连通所述第二空腔的排气口。

进一步地，所述第一空腔中设有封闭的混气室，所述混气室连通所述进气孔和所述反应气体入口。

进一步地，所述混气室为一个，并罩设于所述进气孔以外的所述内层反应管的第一侧壁上。

进一步地，高度对应的所述出气孔的数量与所述进气孔的数量相同或不同。

进一步地，所述出气孔与所述进气孔在所述内层反应管上的设置高度一一对应。

进一步地，所述出气孔与所述进气孔之间连线位于产品表面以上。

进一步地，各所述进气孔的面积相等。

进一步地，各所述出气孔的面积自上而下逐渐增大。

进一步地，所述进气孔沿纵向设置一至多列。

进一步地，所述进气孔沿纵向均匀排列成直列或曲折形列。

由上述技术方案可以看出，本实用新型通过将传统的单层反应管改进为双层反应管，利用在内层反应管的侧壁上沿纵向设置相对的多个进气孔和出气孔，可在内层反应管中形成反应气体的多层平流层，使位于不同层上的各个产品都能够基本同步并均匀地接触到反应气体，从而能有效解决现有技术中存在的由于反应气体自下向上传输以及产品图形复杂导致的负载效应，致使产品上薄膜厚度不稳定的问题，还由此增加了产率。并且，通过在外层反应管与内层反应管之间设置相互独立的第一空腔和第二空腔，并使进气孔和反应气体入口与第一空腔独立连通，以及使出气孔和排气口与第二空腔独立连通，从而可对气体进出进行分离控制，并实现反应气体的充分使用，同时可利用外层反应管保证装置的气密性。

附图说明

图1为现有的一种炉管HCD工艺使用的反应管结构示意图；

图2为本实用新型一较佳实施例的一种炉管装置的结构示意图；

图3-图4为本实用新型一较佳实施例的一种内层反应管的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式作进一步的详细说明。

请参阅图2，图2为本实用新型一较佳实施例的一种炉管装置的结构示意图。如图2所示，本实用新型一种炉管装置，为包括双层反应管20的立式炉管装置，可用于进行例如炉管HCD工艺等薄膜沉积工艺。

请参阅图2。双层反应管20采用上下套设的结构形式。其中，双层反应管20包括内层反应管22和罩设于内层反应管22外周上的外层反应管21。外层反应管21自上方套设在内层反应管22上，形成双层反应管20结构。

内层反应管22中用于放置晶舟；晶舟上可在垂直方向上装载多层产品24，例如多层的晶圆产品24。工艺时，晶舟装载产品24通过内层反应管22底部的工艺门口升入内层反应管22中，并在关闭工艺门后处于内层反应管22的密闭腔体中进行工艺。

外层反应管21与内层反应管22之间形成有空腔30。外层反应管21的底部上设有反应气体入口27；即反应气体入口27设置位于外层反应管21与内层反应管22之间的空腔30腔壁上。通过反应气体入口27可向空腔30中通入工艺用的反应气体(及其他工艺气体)，例如HCD工艺中用到的六氯乙硅烷和氨气等气体。因而，反应气体入口27可以根据气体种类多少设置多个，并通过独立管路连接至对应的反应气体源。

在一可选实施例中，反应气体入口27可设于外层反应管21底部的侧面上，并连通空腔30，如图2所示。

在其他可选实施例中，反应气体入口27也可设于外层反应管21与内层反应管22之间的空腔30底面上。

外层反应管21的顶部上设有连通空腔30的排气口23。工艺过程中产生的废气，可通过排气口23排出至炉管设备外部，并可加以回收、净化、再利用及环保排放。

请参阅图2。空腔30可包括两个独立设置的第一空腔28和第二空腔29，即第一空腔28与第二空腔29之间不相连通。其中，反应气体入口27可连接在第一空腔28的底部上；因而反应气体入口27通过第一空腔28的腔壁与第二空腔29之间形成隔离。

设于外层反应管21顶部上的排气口23与第二空腔29相连通，并与第一空腔28内部以及反应气体入口27之间形成隔离。

内层反应管22的第一侧壁26(图示为右侧侧壁)上沿纵向可依次设有多个进气孔25。由纵向排列的多个进气孔25形成一个进气孔列，或一列进气孔25。

在一较佳实施例中，各进气孔25可在内层反应管22的第一侧壁26上沿纵向均匀设置。

上述进气孔列中的进气孔25，全部都处于第一空腔28中，从而与第二空腔29之间形成隔离。这样，进气孔25与反应气体入口27之间通过第一空腔28就形成了连通。由反应气体入口27通入双层反应管20的反应气体，可以在通过第一空腔28的中转后，经进气孔列中的各个进气孔25，以相同或基本相同的流量，同时或基本同时地导入至内层反应管22中，提供进行沉积反应。

相应地，内层反应管22相对第一侧壁26的第二侧壁31(图示为左侧侧壁)上沿纵向依次设有多个出气孔32。由纵向排列的多个出气孔32形成一个出气孔列，或一列出气孔32。

上述出气孔列中的出气孔32，全部都处于第二空腔29中，从而与第一空腔28以及反应气体入口27之间形成隔离。这样，出气孔32与排气口23之间通过第二空腔29就形成了连通。同时，出气孔32与进气孔25之间通过内层反应管22的内部形成了单向连通。由进气孔25导入至内层反应管22中的反应气体，在提供进行沉积反应后，形成的废气(包括副产物)，可以经出气孔列中的各个出气孔32，以相同或基本相同的流量，同时或基本同时地被抽离内层反应管22进入第二空腔29中，再通过排气口23进一步排出至炉管设备外部。

图2中以箭头方式参考性示出了气流的方向。

可以看出，本实用新型通过双层反应管20的结构设计，并通过在内层反应管22侧壁上以相对方式设置多个进气孔25和出气孔32，利用气压控制，可在内层反应管22中形成反应气体的多层平流层，使位于上下不同层上的各个产品24都能够基本同步并均匀地接触到反应气体，从而能有效解决现有技术中存在的由于反应气体自下向上传输以及产品24图形复杂导致的负载效应，致使产品24上薄膜厚度不稳定的问题。

利用排气口23与反应气体入口27之间的抽吸配合，可以控制反应气体在内层反应管22中的工艺停留时间，从而能够有效控制每层产品24上的薄膜沉积速率及沉积厚度。

此外，还能利用气流的扰动作用，对颗粒进行吹扫，可有效避免颗粒落在产品24上造成缺陷。

由于无需考虑负载效应，因而可以适当增加晶舟上的产品24层数，并可不再采用填充光片，由此增加了产率。

并且，通过在外层反应管21与内层反应管22之间设置相互独立的第一空腔28和第二空腔29，并使进气孔25和反应气体入口27与第一空腔28独立连通，以及使出气孔32和排气口23与第二空腔29独立连通，不但可对气体进出进行分离控制，还可对气流方向加以引导，提高了气流排出的效率，有利于反应管的洁净度保持周期，并可实现反应气体的充分使用。同时，还可利用外层反应管21保证装置的气密性。

请参阅图2。在一较佳实施例中，第一空腔28中可设置封闭的混气室28’；混气室28’连通进气孔25和反应气体入口27。利用混气室28’，可以对由反应气体入口27进入的反应气体进行预混，以利于将反应气体同步导向各进气孔25，实现反应气体通过各进气孔25同步导入至内层反应管22中的各层产品24上，以进一步提高反应的均匀性。

进一步地，混气室28’可为一个，并可通过混气室28’的室壁罩设于各进气孔25以外的内层反应管22的第一侧壁26上，将各进气孔25封闭于混气室28’中。

在其他可选实施例中，混气室28’也可采用多个。

在一较佳实施例中，可使得混气室28’的室壁与第一空腔28的腔壁重合，即使得混气室28’与第一空腔28合而为一。

在其他可选实施例中，还可在第二空腔29中进一步设置第三空腔，并使得第三空腔的腔壁罩设于各出气孔32以外的内层反应管22的第二侧壁31上，将各出气孔32封闭于第三空腔中。同时，可将第三空腔的上部导向至与排气口23相连通。这样，利用具有相对较小容积的第三空腔，可以将由各出气孔32抽出的废气更迅速地排向排气口23，从而提高排气效率。

在一可选实施例中，出气孔32的数量可与进气孔25的数量相同，例如图3中示例性显示出气孔32与进气孔25的数量分别为10个。

在另一可选实施例中，出气孔32的数量可与进气孔25的数量不同，例如图4中示例性显示出气孔32的数量为10个，进气孔25的数量为14个。

在一可选实施例中，出气孔32与进气孔25在内层反应管22上的设置高度可一一对应，如图2所示。

进一步地，可通过调节出气孔32和进气孔25与对应层的产品24之间的相对高度，使得出气孔32与进气孔25之间连线位于对应层产品24表面以上的高度上，以更有效地向对应层产品24提供充裕的反应气体，并可避免因气流撞击产品24侧部，而在每层气流平流层之间产生干涉。

请参阅图3-图4，其显示相对图2水平转动一个锐角后的视图状态。在一较佳实施例中，各进气孔25的面积可相等，以使得在内层反应管22纵向的各个位置上的进气量都保持一致。

在一较佳实施例中，各出气孔32的面积可自上而下逐渐增大，以使得在内层反应管22纵向的各个位置上都实现等量气体的均匀向上方的排出。这些设计的主要目的，都是为了保证纵向上每个位置的气体总量保持一致，不会出现因为产品24形貌以及数量不同导致的不同位置的气体总量发生变化的现象。

在一可选实施例中，进气孔25和出气孔32的孔型可以是圆形气孔，三角形、矩形等多边形气孔，或具有曲折轮廓的异型气孔等。

在其他可选实施例中，进气孔25在垂直方向上可设置一至多列，即设置一至多个进气孔列，或一至多列进气孔25。例如，进气孔25在垂直方向上可设置成双列，即可设置两个进气孔列，或两列进气孔25。

在一可选实施例中，出气孔32在垂直方向上也可设置一至多列，即设置一至多个出气孔列，或一至多列出气孔32。

在一可选实施例中，出气孔32与进气孔25在内层反应管22上的设置高度可不相对应，如图4所示。

在一可选实施例中，进气孔25沿纵向可均匀排列成直列形式，如图3所示。

在其他可选实施例中，进气孔25沿纵向可均匀排列成曲折形列形式，例如S形的曲折形列形式，如图4所示。

综上，本实用新型通过将传统的单层反应管改进为双层反应管20，利用在内层反应管22的侧壁上沿纵向设置相对的多个进气孔25和出气孔32，可在内层反应管22中形成反应气体的多层平流层，使位于不同层上的各个产品24都能够基本同步并均匀地接触到反应气体，从而能有效解决现有技术中存在的由于反应气体自下向上传输以及产品24图形复杂导致的负载效应，致使产品24上薄膜厚度不稳定的问题，还由此增加了产率。并且，通过在外层反应管21与内层反应管22之间设置相互独立的第一空腔28和第二空腔29，并使进气孔25和反应气体入口27与第一空腔28独立连通，以及使出气孔32和排气口23与第二空腔29独立连通，从而可对气体进出进行分离控制，并实现反应气体的充分使用，同时可利用外层反应管21保证装置的整体气密性。

虽然在上文中详细说明了本实用新型的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中的本实用新型的范围和精神之内。而且，在此说明的本实用新型可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。

Claims (10)

1.一种炉管装置，其特征在于，包括：

双层反应管，所述双层反应管设有内层反应管和罩于所述内层反应管外周上的外层反应管，所述内层反应管中用于放置垂直装载有多层产品的晶舟，所述外层反应管与所述内层反应管之间形成空腔，所述内层反应管的第一侧壁上纵向设有多个进气孔，所述内层反应管相对所述第一侧壁的第二侧壁上纵向设有多个出气孔，所述空腔包括相互隔离的第一空腔和第二空腔，所述第一空腔连通所述进气孔，所述第二空腔连通所述出气孔，所述第一空腔的底部上设有反应气体入口，所述外层反应管的顶部上设有连通所述第二空腔的排气口。

2.根据权利要求1所述的炉管装置，其特征在于，所述第一空腔中设有封闭的混气室，所述混气室连通所述进气孔和所述反应气体入口。

3.根据权利要求2所述的炉管装置，其特征在于，所述混气室为一个，并罩设于所述进气孔以外的所述内层反应管的第一侧壁上。

4.根据权利要求1所述的炉管装置，其特征在于，所述出气孔的数量与所述进气孔的数量相同或不同。

5.根据权利要求1所述的炉管装置，其特征在于，所述出气孔与所述进气孔在所述内层反应管上的设置高度一一对应。

6.根据权利要求5所述的炉管装置，其特征在于，高度对应的所述出气孔与所述进气孔之间连线位于产品表面以上。

7.根据权利要求1所述的炉管装置，其特征在于，各所述进气孔的面积相等。

8.根据权利要求1所述的炉管装置，其特征在于，各所述出气孔的面积自上而下逐渐增大。

9.根据权利要求1所述的炉管装置，其特征在于，所述进气孔沿纵向设置一至多列。

10.根据权利要求1所述的炉管装置，其特征在于，所述进气孔沿纵向均匀排列成直列或曲折形列。

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