气体混合装置、半导体工艺的气体输运系统和半导体设备的制作方法

1.本实用新型涉及半导体工艺领域，更具体地，涉及一种气体混合装置、半导体工艺的气体输运系统和半导体设备。


背景技术：

2.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。在外延生长过程中，需要控制的主要参数有衬底温度、源气体流量、载运气体流量和掺杂气体流量等。源气体流量对生长速度，载运气体流量对外延层厚度的均匀性，掺杂气体流量对电阻率等，都分别有很大的影响。
3.气体输运和控制系统是保证向反应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：必须使基片的反应物浓度和速度尽量均匀一致。要求衬底表面附近存在均匀分布的气流场、温场和浓度场。根据上述cvd生长薄膜所需要的掺杂均匀、厚度均匀等要求，要求在生长过程中只有输运到衬底表面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。现有工艺过程中，通常需要向腔室中通入两种或者两种以上的混合气体，两种混合气体通过各自的管路通入共有的管路中进行混合，之后将混合后的气体通过进气模块的分流进入腔室，该方法获得的气体浓度变化较大，尤其是气体混合初期时会有一段高浓度气体，腔室需要先将该高浓度气体排出后再进行反应，影响效率；另外该方法只能满足低要求的工艺需求，对工艺稳定性要求较高的工艺则无法满足要求。
4.因此，期待一种气体混合装置，能够实现两种或多种气体的充分均匀混合，减小浓度波动，并使通入腔室的气流稳定。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是提出一种气体混合装置、半导体工艺的气体输运系统和半导体设备，能够实现两种或多种气体的充分均匀混合，减小浓度波动，并使通入腔室的气流稳定。
6.为实现上述目的，本实用新型提出了一种气体混合装置，包括：
7.混合本体，所述混合本体包括相对设置的进气端和出气端，所述混合本体内设有匀气腔；
8.至少两个进气口，设置于所述进气端，每个所述进气口通过各自的通道与所述匀气腔连通，其中所述通道的延伸方向偏离所述匀气腔的中轴线，以使从所述通道进入所述匀气腔内的气流形成旋转气流。
9.作为可选方案，各所述通道所在的直线与所述中轴线的垂直距离相等。
10.作为可选方案，所述混合本体的内壁横截面为圆形。
11.作为可选方案，所述气体混合装置包括两个相对设置的进气口，所述进气口的轴
向垂直于所述匀气腔的中轴线，所述通道一端连通于所述进气口，另一端沿所述匀气腔的切线延伸至所述匀气腔内，且所述两个通道相互平行。
12.作为可选方案，多个所述通道相对于所述匀气腔均匀分布。
13.作为可选方案，所述出气端设有挡板，所述挡板上设有多个通气孔。
14.本实用新型还提出了一种半导体工艺的气体输运系统，包括：
15.上述的气体混合装置；
16.至少两个气体管路，每个所述气体管路连通于所述气体混合装置的其中一个进气口；
17.所述气体混合装置的出气端用于与反应腔室的进气口连通。
18.可选方案中，所述气体输运系统还包括：
19.三通阀，所述三通阀包括第一端、第二端和第三端，所述第一端与所述气体混合装置的出气端连通，所述第二端用于与所述反应腔室的进气口连通；所述第三端连接有背压阀。
20.可选方案中，其特征在于，所述气体输运系统还包括：
21.气动阀和尾气处理器，所述气动阀连接于所述背压阀的后端，所述尾气处理器连接于所述气动阀。
22.本实用新型还提出了一种半导体设备，包括上述的气体输运系统，所述气体混合装置出气端与所述反应腔室连通。
23.本实用新型的有益效果在于：
24.气体混合装置的通道的延伸方向偏离匀气腔的中轴线，气体沿着匀气腔内壁进行旋转，通过旋转来实现气体旋转混流，气体边旋转边流向出气端，能够实现两种或多种气体的充分均匀混合，减小浓度波动，并使通入腔室的气流稳定。
25.通过气体混合装置的混合气体浓度是均匀的，可以直接通入反应腔室进行工艺，不用在反应腔室增加一步排空(vent)工序，增加产能；通过背压阀获得稳定的压力，使得流入反应腔室的气体的流量浓度一致保持稳定状态，提升产品工艺性能均匀性，提升产品性能。
26.本实用新型的方法具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本实用新型的特定原理。
附图说明
27.通过结合附图对本实用新型示例性实施例进行更详细的描述，本实用新型的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。
28.图1示出了根据本实用新型一实施例的一种气体混合装置的横向剖面的结构示意图。
29.图2示出了根据本实用新型一实施例的一种气体混合装置的纵向剖面的结构示意图。
30.图3示出了根据本实用新型一实施例的一种半导体工艺的气体输运系统的结构示意图。
31.图4示出了根据本实用新型一实施例的一种半导体设备腔室结构的示意图。
32.图5a示出了根据本实用新型一实施例的一种半导体设备腔室结构前端的进气结构的后视图。
33.图5b示出了根据本实用新型一实施例的一种半导体设备腔室结构前端的进气结构的前视图。
34.附图标记
[0035]1‑
气体混合装置；2
‑
反应腔室；3
‑
背压阀；4
‑
气动阀；5
‑
尾气处理器；6
‑
压力表；10
‑
匀气腔；11
‑
第一进气口；12
‑
第二进气口；13
‑
出气端；14
‑
通道；101
‑
第一气体管路；102
‑
第二气体管路；100
‑
手阀；110
‑
第一气动阀、120
‑
过滤器；130
‑
调节阀；140
‑
第二气动阀；150
‑
质量流量控制器；21
‑
进气结构；22
‑
排气装置；23
‑
托盘；201
‑
第一进气管路；202
‑
第二进气管路。
具体实施方式
[0036]
下面将更详细地描述本实用新型。虽然本实用新型提供了优选的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本实用新型更加透彻和完整，并且能够将本实用新型的范围完整地传达给本领域的技术人员。
[0037]
本实用新型一实施例提供了一种气体混合装置，图1示出了本实施例中气体混合装置的横向剖面的结构示意图，图2示出了气体混合装置的纵向剖面的结构示意图，请参考图1和图2，该气体混合装置包括：
[0038]
混合本体，所述混合本体包括相对设置的进气端和出气端13，混合本体内设有匀气腔10；
[0039]
至少两个进气口(图中示出了两个进气口，第一进气口11和第二进气口12)，设置于所述进气端，每个所述进气口通过各自的通道14与所述匀气腔10连通，其中所述通道14的延伸方向偏离所述匀气腔10的中轴线，以使从通道14进入匀气腔10内的气流形成旋转气流。
[0040]
具体地，本实施例中，气体混合装置的上端为进气端，下端为出气端13，进气端设有两个进气口，两个进气口相对设置，其他实施例中可以设置2个以上的进气口。多个进气口可以位于同一水平面内，也可以上下设置。进气口与匀气腔10通过各自的通道14实现气体的连通，可选方案中，通道14为直线型，通道14的截面可以是圆形或者长条形。其中通道14的延伸方向，即通道14与匀气腔10内壁的通道口的进气方向偏离匀气腔10的中轴线，即从通道口进入匀气腔10的气体以偏离匀气腔中轴线的角度进入，以使气体能够沿着匀气腔10内壁旋转。本实施例中，两种气体沿着同一方向旋转(均为顺时针)，在其他实施例中，两种或者多种气体也可以沿不同方向旋转。本实施例中，两个通道并不相对，即两个通道延长后并不重合为一条直线。
[0041]
本实施例中，气体混合装置的通道14的延伸方向偏离匀气腔10的中轴线，气体沿着匀气腔内壁进行旋转，通过旋转来实现气体旋转混流，气体边旋转边流向出气端，能够实现两种或多种气体的充分均匀混合，出口端未产生高浓度气体，减小浓度波动，并使通入腔室的气流稳定。
[0042]
在一个实施例中，各通道14所在的直线与所述中轴线的垂直距离相等。即各通道与中轴线的偏离程度一致。可以理解垂直距离越大，偏离程度越大，可选方案中，垂直距离大于匀气腔半径的一半。
[0043]
参考图1，本实施例中，两个进气口相对设置，两个进气口的轴向均垂直于匀气腔10的中轴线(图中示出了第一进气口11和第二进气口12的进气方向，均为横向，匀气腔10的中轴线方向为竖向)，两个通道14均一端连通于进气口，另一端沿匀气腔10的切线延伸至匀气腔10内，且两个通道相互平行。
[0044]
继续参考图1，由于两个进气口相对设置，两个通道14与两个进气口所在的轴线的偏离角度相同，图中的偏离角度a和偏离角度b的角度相同。在偏离角度相同的情况下更有利于气体的均匀混合。另外，当进气端具有多个通道时，可选方案中，多个所述通道14相对于所述进气端均匀分布。这种设置方式利于气体的均匀混合。在一个实施例中，匀气腔10的内壁横截面为圆形，弧形的内壁面，有利于气体的旋转混合，当然，匀气腔10的内壁横截面也可以是椭圆形或多边形。
[0045]
在一个实施例中，出气端13设有挡板，所述挡板上设有多个通气孔。可选方案中，通气孔均匀分布。在出气端13，通过若干通气孔来实现气体的再次匀流，实现多种气体的充分混合。
[0046]
本实用新型还提供了一种半导体工艺的气体输运系统，图3示出了本实施例的气体输运系统的结构图，请参考图3，该气体输运系统包括：
[0047]
上述的气体混合装置1；
[0048]
至少两个气体管路，每个所述气体管路连通于所述气体混合装置1的其中一个进气口；
[0049]
所述气体混合装置1的出气端与所述反应腔室2的进气口连通。
[0050]
具体地，本实施例中，有两个气体管路，分别为第一气体管路101和第二气体管路102，两个气体管路分别连通于所述气体混合装置1的其中一个进气口(本实施例中，气体混合装置1设有两个进气口)。
[0051]
本实施例第一气体管路101和第二气体管路102结构相同。以第一气体管路101为例，第一气体管路101包括从气源口依次连接的手阀100、第一气动阀110、过滤器120，调压阀130、第二气动阀140、质量流量控制器150，通过调压阀130来控制质量流量控制器150前端压力，使质量流量控制器150获得稳定的流量，质量流量控制器150的出口连接于气体混合装置1的其中一个进气口。
[0052]
本实施例中，气体输运系统还包括三通阀，所述三通阀包括第一端、第二端和第三端，所述第一端与所述气体混合装置1的出气端连通，所述第二端用于与所述反应腔室2的进气口连通；所述第三端连接有背压阀3。背压阀3是一种调节管路压力的器件，通过该背压阀3来稳定气体混合装置1后端、反应腔室2前端的压力，在压力稳定的情况下可获得流量稳定、浓度稳定的混合气体，直接通入反应腔室进行工艺。在一个实施例中，在三通阀和背压阀3之间还连接有压力表6，压力表6用于检测管道的压力。
[0053]
在一个实施例中，气体输运系统还包括：气动阀4和尾气处理器5，所述气动阀4连接于所述背压阀3的后端，所述尾气处理器5连接于所述气动阀4。气动阀4和尾气处理器用于调节管道的压力，多余的气体用尾气处理器排除，使管道压力处于稳定。
[0054]
通过气体混合装置的混合气体浓度是均匀的，可以直接通入反应腔室进行工艺，不用在反应腔室增加一步排空(vent)工序，增加产能；通过背压阀获得稳定的压力，使得流入反应腔室的气体的流量浓度一致保持稳定状态，提升产品工艺性能均匀性，提升产品性能。
[0055]
本实用新型一实施例还提出了一种半导体设备，包括上述的气体输运系统。如薄膜沉积设备。参考图4，本实施例的半导体设备的反应腔室2前端设置进气结构21，后端装配有排气装置22，反应腔室2内设有托盘23，托盘23用于承载待加工件，图中箭头方向为气流方向。图5a为进气结构的后视图，图5b为进气结构的前视图，工艺气体由主路分为两路分别由第一进气管路201，第二进气管路202进入进气结构中，第一进气管路201中的工艺气体从进气口b区进入工艺腔室；第二进气管路202中的工艺气体分成两路。这两路工艺气体分别从进气口a区和c区进入工艺腔室。第一进气管路201、第二进气管路202上分别装有气体流量调节阀，从而能控制各管路气体流量大小。
[0056]
以上已经描述了本实用新型的各实施例，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。