CN220233109U - 进气装置及半导体工艺设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种进气装置及半导体工艺设备，进气装置包括容器、进气管、导气管和浮子；容器内部盛装有能够蒸发形成气体的液体；进气管的流入端与气源连通、流出端伸入至容器内；导气管具有进气端和出气端，进气端与流出端连通，且进气端通过转动轴与进气管的流出端转动连接，出气端具有至少一个出气孔，出气端与浮子连接，浮子浮于液体的液面上，浮子能够随液体的液面的升降而升降，且浮子随液体的液面升降时，进气端相对于进气管绕转动轴转动，所有出气孔均位于液体的液面下方，且出气孔与液体的液面的距离保持不变。应用本实用新型可以确保经由同一热处理工艺每次制得的硅片形成的氧化膜的厚度均匀。

Description

进气装置及半导体工艺设备

技术领域

本实用新型涉及半导体制造领域，具体地，涉及一种进气装置及半导体工艺设备。

背景技术

半导体制造工艺中，采用立式炉对硅片进行热处理是一种普遍应用的方式。具体的，立式炉具有反应腔室，向反应腔室内通入氧气，硅片与氧气发生氧化反应而生成氧化膜。

为了促进氧化反应，相关技术的一种示例中，立式炉设有容器、进气管和出气管，容器内盛有液态二氯乙烯(C₂H₂Cl₂)，出气管的一端与容器连通、另一端与反应腔室连通，进气管的流出端伸入至液态二氯乙烯中，并向进气管的流入端通入携带气体，携带气体不溶于液态二氯乙烯。这样，携带气体经进气管流入至液态二氯乙烯，之后在液态二氯乙烯中形成气泡，气泡上升至液面上方后携带二氯乙烯经出气管流入反应腔室，二氯乙烯能够有助于提升氧化反应的效果。

但是，采用这种方式，经由同一工艺制备得到的硅片形成的氧化膜的厚度存在较大的差异。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种进气装置及半导体工艺设备。

为实现本实用新型的目的而提供一种进气装置，包括：容器、进气管、导气管和浮子；

容器内部盛装有能够蒸发形成气体的液体；

进气管的流入端与气源连通、流出端伸入至容器内；

导气管具有进气端和出气端，进气端与流出端连通，且进气端通过转动轴与进气管的流出端转动连接，出气端具有至少一个出气孔，出气端与浮子连接，浮子浮于液体的液面上，浮子能够随液体的液面的升降而升降，且浮子随液体的液面升降时，进气端相对于进气管绕转动轴转动，所有出气孔均位于液体的液面下方，且出气孔与液体的液面的距离保持不变。

如上所述的进气装置，其中，进气管的流出端伸入至液体中。

如上所述的进气装置，其中，进气管的流出端具有倾斜段，倾斜段由导气管的进气端伸入至导气管内；倾斜段具有第一端和第二端，第一端位于第二端的上游，倾斜段的第一端至第二端的延伸方向与竖直向上的方向之间的夹角为锐角。

如上所述的进气装置，其中，进气管的流出端具有弯折段，弯折段与倾斜段的第一端连接。

如上所述的进气装置，其中，弯折段呈弧形，转动轴可转动地设置于弯折段朝向其圆心的一侧。

如上所述的进气装置，其中，浮子为空心浮球。

如上所述的进气装置，其中，空心浮球上设有连接部，连接部与导气管的出气端铰接。

如上所述的进气装置，其中，出气端具有多个出气孔时，导气管的出气端的管壁上设有贯穿其厚度的出气孔。

如上所述的进气装置，其中，进气管、导气管以及浮子是由耐腐蚀材料制成；或者，进气管及导气管的内表面具有耐腐蚀层、且浮子的外表面具有耐腐蚀层。

作为另一个技术方案，本实用新型实施例还提供一种半导体工艺设备，包括反应腔室、出气管和本实用新型实施例提供的进气装置，出气管的一端与进气装置的容器内部连通，出气管的另一端与反应腔室连通，以向反应腔体内通入气体。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型提供的进气装置及具备该进气装置的半导体工艺设备，通过构造导气管的进气端与进气管的流出端连通并转动连接，导气管的出气端与浮于液面的浮子连接，浮子能够随液体的液面的升降而升降，且浮子随液体的液面升降时，导气管上的出气孔与液面的距离保持不变，以使气泡从出气孔至液面的距离不随液面变化而变化，以利于确保气泡可携带的气体的气量基本维持不变，从而确保经由同一热处理工艺每次制得的硅片形成的氧化膜的厚度均匀。

附图说明

图1为相关技术中一种应用于半导体工艺设备的进气装置的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种半导体工艺设备的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的半导体工艺设备中一种进气装置与炉体配合的示意图；

图4为图3所示的一种进气装置的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的另一种进气装置的状态变化示意图。

附图标记说明：

100-半导体工艺设备；

110-存储腔室；

120-炉体；121-反应腔室；

130-装卸腔室；

140-晶舟；

150-抓取装置；

160-进气装置；161-容器；162-进气管；1621-倾斜段；1622-弯折段；163-连通管；164-导气管；1641-出气孔；165-浮子；166-转动轴；

170-出气管；

200-硅片。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图来对本实用新型提供的进气装置及半导体工艺设备进行详细描述。

图1为相关技术中一种应用于半导体工艺设备的进气装置的结构示意图。参照图1，相关技术的一种示例中，进气装置160a包括容器161a、进气管162a和出气管170a，容器161a内盛有液态二氯乙烯(C₂H₂Cl₂)，出气管170a的一端与容器161a连通、另一端与反应腔室连通，进气管162a的流出端伸入至液态二氯乙烯中，并向进气管162a的流入端通入携带气体，携带气体不溶于液态二氯乙烯。但是，采用具有该进气装置160a的半导体工艺设备对硅片进行热处理工艺，每次制备得到的硅片形成的氧化膜的厚度存在较大的差异。

通过多次实验，本申请的发明人发现造成这一问题的原因在于热处理工艺过程中，相关技术中的进气装置向反应腔室通入的气态二氯乙烯的气量不同。气态二氯乙烯的气量往往与通入容器的携带气体的气量及流动速率有关，而本申请的发明人发现在通入容器的携带气体的气量及流动速率不变的情况下，随着热处理工艺过程的进行，进气装置向反应腔室通入的气态二氯乙烯的气量仍会逐渐减少。最终，经过仔细研究发现，热处理工艺过程中，液态二氯乙烯不断被消耗，容器内的液态二氯乙烯的容量减少，液面降低，则携带气体进入液态二氯乙烯所形成的气泡浮出至液面所需的时间减少，导致浮出至液面的气泡所能够携带的二氯乙烯的含量减少。

本领域技术人员往往容易想到在容器中液态二氯乙烯的容量由初始值减少到预设值时，更换新的容器，以保证液态二氯乙烯的液面高度不会过低。然而，液态二氯乙烯的容量由初始值减少到预设值的过程中，液面逐渐降低，经同一工艺制备的硅片形成的氧化膜厚度也不一致。

为了解决上述问题，本申请实施例提供了一种进气装置及具备该进气装置的半导体工艺设备。

本申请实施例提供了一种半导体工艺设备100(参考图2所示)，包括但不限于立式炉设备、水平式热处理炉等半导体工艺设备100。图2为本申请实施例提供的一种半导体工艺设备100的结构示意图。为了方便理解，下面的实施例均以半导体工艺设备100为立式炉设备进行举例说明，例如图2所示。

图3为本申请实施例提供的半导体工艺设备100中一种进气装置160与炉体120配合的示意图。请结合图2和图3，半导体工艺设备100包括炉体120、存储腔室110、装卸腔室130、晶舟140、抓取装置150、进气装置160和出气管170，炉体120具有反应腔室121，反应腔室121位于装卸腔室130的上方，晶舟140可相对炉体120在第一位置和第二位置之间升降，抓取装置150能够抓取存储腔室110内的硅片200，进气装置160能够通过出气管170向炉体120的反应腔室121通入气体。

该半导体工艺设备100对硅片200进行热处理的过程为：晶舟140处于第一位置，此时的晶舟140位于装卸腔室130内，抓取装置150将存储腔室110内的硅片200抓取至晶舟140上，晶舟140上升至第二位置，此时的晶舟140位于反应腔室121内，进气装置160向炉体120的反应腔室121通入气体。氧化反应完成后，晶舟140下降至第一位置，抓取装置150再抓取晶舟140上经过热处理的硅片200并放置到存储腔室110内。图4为图3所示的一种进气装置160的结构示意图，图5为本申请实施例提供的另一种进气装置160的状态变化示意图。请参阅图3、图4和图5，本申请实施例提供的进气装置160包括容器161、进气管162、导气管164和浮子165。

容器161内部盛装有能够蒸发形成气体的液体。这里，液体蒸发所形成的气体可以理解为工艺气体，工艺气体参与热处理工艺过程，或者，液体蒸发所形成的气体也可以为辅助热处理工艺过程的气体。示例性地，液体蒸发所形成的气体为气态二氯乙烯，气态二氯乙烯可用于促进硅片发生氧化反应生成氧化膜，相应的，液体即为液态二氯乙烯。

容器161可以为瓶体、箱体等结构，容器161的顶部不具有敞口，以免液体的蒸发速度过快，进而可以降低液体的液面的下降速度，延长容器161的更换时间。容器161的截面形状不限于图4所示的圆角矩形，也可以为梯形等形状。

容器161还与出气管170的一端连通，出气管170的另一端与反应腔室121连通。其中，出气管170的一端不限于直接与容器161的内部连通，在可替换的其他实施例中，出气管170的一端还可通过连通管163与容器161的内部连通。

进气管162具有流入端和流出端，进气管162的流入端位于容器161外并用于与提供惰性气体的气源连通，流出端伸入至容器161内。需说明的是，惰性气体不溶于容器161内的液体，且惰性气体的密度小于液体的密度，这样，惰性气体流入液体内会形成气泡，气泡能够携带液体所蒸发形成的气体从液面浮出。惰性气体例如可以为氮气，也可以为氦气、氩气等其他符合条件的气体。氮气作为惰性气体时具有成本低的优点。

导气管164具有进气端和出气端。进气端与进气管162的流出端连通，且进气端通过转动轴166与进气管162的流出端转动连接。

出气端具有至少一个出气孔1641，出气端还与浮子165连接，浮子165浮于液体的液面上，浮子165能够随液体的液面的升降而升降，且浮子165随液体的液面升降时，进气端相对于进气管162绕转动轴166转动，所有出气孔1641均位于液体的液面下方，且出气孔1641与液体的液面的距离保持不变。

热处理工艺过程中，本实施例的进气装置160的一种示例性地工作过程为：气源提供的惰性气体从进气管162的流入端流入至进气管162的内部，之后从进气管162的流出端流出，再经由导气管164的进气端流入至导气管164内，沿导气管164流动至出气孔1641后从出气孔1641流出。惰性气体在沿进气管162和导气管164连通形成的流道流动的过程中进入液体内会形成气泡，气泡逐渐上浮，气泡上浮过程中，液体蒸发成的气体被气泡裹挟而随气泡浮出液面，再由出气管170的一端流至出气管170的另一端，进而向反应腔室121内输送惰性气体与液体蒸发形成的气体的混合气体。

需指出的是，根据导气管164的设置方式的不同，气泡的形成时间也不同。

一种情形中，惰性气体从出气孔1641流出后才进入液体内形成气泡，此时，气泡浮出液面的时间和出气孔1641与液面的距离有关。

另一种情形中，惰性气体在从进气管162的流出端流至导气管164内时便汇入液体内形成气泡，此时，气泡浮出液面的时间为气泡沿导气管164浮出至出气孔1641的时间与从出气孔1641浮出至液面的时间之和。而导气管164的结构和长度固定，气泡沿导气管164浮出至出气孔1641的距离、时间固定。因此，该情形中造成气泡浮出液面的时间变化的因素为出气孔1641与液面的距离。

总的来说，气泡浮出液面的时间取决于出气孔1641与液面的距离。

本实施例的进气装置160通过上述设置，随着热处理工艺过程的进行，部分液体蒸发，容器161中的液体的容量减少，液面下降，基于浮子165可始终在液面上浮起的特性，导气管164与浮子165相连的出气端能够依赖于浮子165的浮力而随液面升降，导气管164的进气端绕转动轴166沿顺时针方向转动，使得出气孔1641保持在液面的下方、且与液体的液面的距离不随液面升降而发生变化。也就是说，热处理工艺过程中，即使液体蒸发，液面下降，由于出气孔1641与液面的距离不变，因此气泡从出气孔1641上浮至液面的距离不变，则气泡从出气孔1641浮出液面所需的时长不变。如此，气泡可携带的气体的气量基本维持不变，进而使通入反应腔室121的气体的气量保持一致，从而确保经由同一工艺每次制得的硅片形成的氧化膜的厚度均匀，以解决经由同一工艺制备得到的硅片形成的氧化膜的厚度存在较大的差异的技术问题。

值得说明的是，本领域的技术人员通常容易想到在监测到液体的液面下降时，通过加大输入进气管162的惰性气体的气量或者提高惰性气体的流动速率，使得惰性气体在液体内产生的气泡数量增多，进而控制被气泡携带的气体的气量维持稳定。

而本实施例是通过对进气装置160的机械结构做出简单改进来解决技术问题，这样，一是可以避免进气装置160及具备该进气装置160的半导体工艺设备100的控制操作的复杂程度增加，二是惰性气体的气量未得到大幅提升，以免向反应腔室121输送过多的惰性气体而对硅片后续的其他工艺过程造成干扰。

出气孔1641与液体的液面的距离保持不变应作广义理解，例如可以理解为所有出气孔1641与液体的液面的距离保持不变，或者还可以理解为至少一个出气孔1641与液体的液面的距离保持不变。应理解的是，图1所示的相关技术的示例中，液面下降，所有气泡浮至液面的时间均会减少，则所有气泡可携带的气体的气量均减少。而本实施例这样设置，即使在仅其中一个出气孔1641与液体的液面的距离保持不变的技术方案中，从该出气孔1641流出的气泡浮至液面的时间可以不变，则相较于图1的示例，技术问题能够得到改善。

导气管164的中部具有沿延伸方向贯穿其的贯通通道，其中，贯通通道的出口即可视作为一个出气孔1641。

在导气管164的出气端具有多个出气孔1641时，其中一个出气孔1641为贯通通道的出口，其余出气孔1641可以设置在导气管164的出气端的管壁上并贯穿导气管164的厚度。由于导气管164的出气端与浮子165连接，设于导气管164的管壁上的出气孔1641与液面的距离小，浮子165随液面升降时，这些出气孔1641与液面之间的距离基本不发生变化，进而可保证液面升降时这些出气孔1641与液面的距离不变。通过设计导气管164具有多个出气孔1641，有利于提高惰性气体从出气孔1641的出气速率，从而有利于加大注入液体的惰性气体的气量。

本实施例中，需要合理的设计导气管164的管壁上的出气孔1641的位置，使得导气管164的出气端与浮子165随液面升降时，设于导气管164的管壁上的出气孔1641与液面的距离能够保持不变。当导气管164的管壁上设有贯穿其厚度的多个出气孔1641时，这多个出气孔1641可以环绕导气管164的延伸轴线间隔设置。

在一种可能的实施方式中，进气管162的流出端位于液体的液面上方，即进气管162的流出端不伸入至液体内。本实施例中，导气管164的进气端对应的也可以位于液体的液面上。

在图4和图5所示的另一种可能的实施方式中，进气管162的流出端位于液体的液面下方，即进气管162的流出端伸入至液体内。本实施例中，整个导气管164均可位于液体中。本实施例的进气装置160的工作过程为：惰性气体从进气管162的流出端流出至导气管164内时，便流入液体中而产生气泡，气泡沿导气管164流动至出气孔1641，从出气孔1641流出后浮出到液面。

如此设置，本实施例中气泡的流动路径更长，气泡浮出液面的过程，蒸发得到的气体的气量增多，进而有利于提升气泡能够携带的气体的气量，从而有利于确保进气装置160能够向反应腔室121输送充足的气体。

请继续参阅图4，在一些实施例中，进气管162的流出端还可具有倾斜段1621，倾斜段1621由导气管164的进气端伸入至导气管164的内部。通过设计进气管162的倾斜段1621伸入导气管164内，以将尽可能多的惰性气体输入至导气管164内。

并且，倾斜段1621具有第一端和第二端，沿携带气体的流动方向，第一端是指位于上游的一端，第二端是指位于下游的一端，倾斜段1621的第一端至第二端的延伸方向与竖直向上的方向之间的夹角α为锐角。也就是说，倾斜段1621的第一端至第二端是倾斜向上延伸的。

在进气管162的流出端位于液体的液面下方、导气管164位于液体中的实施方案中，液体的液面位于转动轴166的上方时，导气管164的进气端至出气端是倾斜向上延伸的。这样，在倾斜段1621伸入导气管164的基础上，使得倾斜段1621和导气管164均倾斜向上延伸，倾斜段1621能够与倾斜的导气管164相适应，降低导气管164转动时与进气管162的流出端发生干涉的可能性。

进一步可选的实施例中，进气管162的流出端还具有弯折段1622，弯折段1622与倾斜段1621的第一端连接。其中，弯折段1622可以呈直角状。或者，弯折段1622可以呈图4所示的弧形，如此，与直角状的弯折段1622相比，弯折段1622存在应力集中的可能性低，且惰性气体能够更顺畅的流入倾斜段1621。

根据图4所示的示例，当弯折段1622呈弧形时，转动轴166可转动地设置于弯折段1622朝向其圆心的一侧。如此设计，液体的液面下降时，导气管164的进气端绕转动轴166转动，则倾斜段1621逐渐伸入至导气管164内更远离进气端的位置，降低经进气管162的流出端流出的惰性气体从贯通通道的入口溢出至液体中，使得尽可能多的惰性气体能够沿导气管164流动，即确保尽可能多的惰性气体浮出液面的距离不变。

上述实施例中的浮子165具有多种可能的实现方式。在一些实施方式中，浮子165可以由重量较轻的材料制成，例如浮子165为橡胶材质制成的橡胶浮子165。作为一种可替换的实施例，浮子165可以设计为空心结构。具体的，浮子165可以为图4和图5所示的空心浮球，也可以为空心圆柱、空心长方体等其他结构。浮子165设为空心浮球的益处在于：相比于实心结构的浮子165，空心浮球的材质可以不局限于重量较轻的材料，也可以由其他材料制成，例如在能够蒸发成气体的液体(如二氯乙烯)具有强腐蚀性时，空心浮球可以由氧化铜、石英等耐腐蚀材料制成，则空心浮球具有较强的耐腐蚀能力，以利于延长进气装置160的有效使用时长。

在浮子165为空心浮球的实施方案中，空心浮球与导气管164的出气端可以通过焊接、可拆卸连接等方式进行连接。在一个具体的示例中，空心浮球上设有连接部，空心浮球具体可以通过连接部与导气管164的出气端铰接。相较于空心浮球与导气管164的出气端通过焊接相连，本实施例中空心浮球与导气管164的出气端的连接处不会形成焊料，有利于避免空心浮球因焊料过重而出现难以浮起的现象，确保进气装置160能够解决技术问题。

在上述任一实施例中，进气管162、导气管164以及浮子165可以是由耐腐蚀材料制成，或者，进气管162以及导气管164的内表面具有耐腐蚀材料制成的耐腐蚀层、且浮子165的外表面具有耐腐蚀层。本实施例尤其适用于液体具有强腐蚀性的方案，如液体为二氯乙烯，这样，进气管162、导气管164以及浮子165均具有较高的耐腐蚀性，以利于延长进气装置160的有效使用时长，降低维护频率。本实施例中，耐腐蚀材料具体可以为氧化铜，也可以为聚四氟乙烯(PTFE)或者石英。选择石英作为耐腐蚀材料来制成进气管162、容器161、导气管164及浮子165时，或者，耐腐蚀层由石英制成时，可以有效降低进气装置160与液体发生化学反应而析出有机物质的可能性，以免析出的有机物质对硅片后续的其他工艺过程造成干扰。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种进气装置，应用于半导体工艺设备，其特征在于，包括：容器、进气管、导气管和浮子；

所述容器内部盛装有能够蒸发形成气体的液体；

所述进气管的流入端与气源连通、流出端伸入至所述容器内；

所述导气管具有进气端和出气端，所述进气端与所述流出端连通，且所述进气端通过转动轴与所述进气管的流出端转动连接，所述出气端具有至少一个出气孔，所述出气端与所述浮子连接，所述浮子浮于所述液体的液面上，所述浮子能够随所述液体的液面的升降而升降，且所述浮子随所述液体的液面升降时，所述进气端相对于所述进气管绕所述转动轴转动，所有所述出气孔均位于所述液体的液面下方，且所述出气孔与所述液体的液面的距离保持不变。

2.根据权利要求1所述的进气装置，其特征在于，所述进气管的流出端伸入至所述液体中。

3.根据权利要求1所述的进气装置，其特征在于，所述进气管的流出端具有倾斜段，所述倾斜段由所述导气管的进气端伸入至所述导气管内；

所述倾斜段具有第一端和第二端，所述第一端位于所述第二端的上游，所述倾斜段的所述第一端至所述第二端的延伸方向与竖直向上的方向之间的夹角为锐角。

4.根据权利要求3所述的进气装置，其特征在于，所述进气管的流出端具有弯折段，所述弯折段与所述倾斜段的所述第一端连接。

5.根据权利要求4所述的进气装置，其特征在于，所述弯折段呈弧形，所述转动轴可转动地设置于所述弯折段朝向其圆心的一侧。

6.根据权利要求1至5任一项所述的进气装置，其特征在于，所述浮子为空心浮球。

7.根据权利要求6所述的进气装置，其特征在于，所述空心浮球上设有连接部，所述连接部与所述导气管的出气端铰接。

8.根据权利要求1至5任一项所述的进气装置，其特征在于，所述出气端具有多个出气孔时，所述导气管的出气端的管壁上设有贯穿其厚度的所述出气孔。

9.根据权利要求1至5任一项所述的进气装置，其特征在于，所述进气管、所述导气管以及所述浮子是由耐腐蚀材料制成；或者，所述进气管及所述导气管的内表面具有耐腐蚀层、且所述浮子的外表面具有耐腐蚀层。

10.一种半导体工艺设备，其特征在于，包括：

反应腔室；

如权利要求1至9任一项所述的进气装置；以及

出气管，所述出气管的一端与所述进气装置的容器内部连通，所述出气管的另一端与所述反应腔室连通，以向所述反应腔室内通入气体。