CN111816586A - 一种用于半导体制造的气体混合设备及混合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于半导体制造的气体混合设备及混合方法，涉及半导体设备技术领域，能够降低多种气体在混合过程发生冷凝的几率，提高半导体制造工艺质量。该用于半导体制造的气体混合设备应用于半导体制造工艺，其包括气体混合容器以及设在气体混合容器上的第一加热装置。本发明提供的一种用于半导体制造的气体混合设备及混合方法用于半导体器件、半导体芯片制造。
Description
本发明要求于2020年5月18日提交国家知识产权局、申请号为202010421232.X、发明名称为“一种用于半导体制造的气体混合设备及混合方法”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本发明中。
技术领域
本发明涉及半导体设备，尤其涉及一种用于半导体制造的气体混合设备及混合方法。
背景技术
在半导体制造过程中，很多工艺环节需要向工艺腔中通入多种气体。例如，化学气相沉积制作薄膜时，向工艺腔中通入制作薄膜的多种反应气体。在将气体通入工艺腔之前，需要先将多种气体混合均匀。
但是，多种气体在混合时，容易发生冷凝现象，从而影响半导体制造工艺质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于半导体制造的气体混合设备及混合方法，以降低多种气体在混合过程发生冷凝的几率，提高半导体制造工艺质量。
为了实现上述目的，本发明提供一种用于半导体制造的气体混合设备。该用于半导体制造的气体混合设备包括气体混合容器以及设在所述气体混合容器上的第一加热装置。
与现有技术相比，本发明提供的用于半导体制造的气体混合设备，通过在气体混合容器上设置第一加热装置，使得气体混合容器中的混合气体能够从第一加热装置获得足够的热能，从而确保混合气体中的所有气体均为气态，降低混合气体发生冷凝的几率。由此可见，本发明提供的用于半导体制造的气体混合设备能够减少气体混合过程因冷凝产生的颗粒污染物，还能够避免混合气体输送通道因气体冷凝引发的堵塞问题，从而提高半导体制造工艺质量。
本发明还提供一种气体混合方法。所述气体混合方法包括：
获取气体混合容器的内部温度；
当所述气体混合容器的内部温度小于或等于第一沸点时，控制第一加热装置处在加热状态；其中，所述第一沸点为混合气体气化的最高温度；
当所述气体混合容器的内部温度大于第一沸点，控制所述第一加热装置处在停止加热状态。
与现有技术相比，本发明提供的气体混合方法的有益效果与上述技术方案所述用于半导体制造的气体混合设备的有益效果相同，在此不做赘述。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为现有技术气体混合容器示意图；
图2为现有技术安装加热套的气体混合容器示意图；
图3为本发明实施例具有第一加热装置的用于半导体制造的气体混合设备示意图；
图4为本发明实施例具有第一加热装置和第二加热装置的用于半导体制造的气体混合设备示意图。
图1-图4中，10-气体混合容器，20-气体输送通道，21-进气通道，22-出气通道，30-加热套，41-第一加热装置，42-第二加热装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在附图中示出本发明实施例的各种示意图，这些图并非按比例绘制。其中，为了清楚明白的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
以下，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
此外，本发明中，“上”、“下”等方位术语是相对于附图中的部件示意置放的方位来定义，应当能理解到，这些方向性术语是相对概念，它们用于相对的描述和澄清，其可以根据附图中部件所放置的方位变化而相应地发生变化。
在薄膜淀积、刻蚀等半导体制造工艺中，需要用到多种气体进行工艺加工。该多种气体通常可以分为两类，一类常温下即为气态，称为常温气体；另一类沸点高于常温，需要从外界获得能量汽化后呈现气态，称为汽化气体。这些工艺气体需要混合均匀后通入半导体制造工艺腔中。
如图1所示，多种气体通过气体输送通道20进入气体混合容器10，并在气体混合容器10中混合均匀。在气体混合过程中，由于各种气体沸点不同，因此，在气体输送和混合的过程中，会出现冷凝现象，从而产生液滴、颗粒污染物，堵塞气体输送通道。
如图2所示，现有技术一般会在汽化气体的气体输送通道20上安装加热套30，以避免汽化气体在输送过程中冷凝。但是，当汽化气体被输送到气体混合容器10中与常温气体混合后，由于相互之间的热传递，会导致汽化气体损失热能，继而使部分汽化气体冷凝，生成液滴、颗粒污染物。随着半导体制造工艺向着精细化发展，这些液滴、颗粒污染物对工艺质量的负面影响越来越大，严重影响产品质量。
为了解决混合气体在气体混合容器10内的冷凝问题，本发明实施例提供一种用于半导体制造的气体混合设备。该用于半导体制造的气体混合设备应用于半导体制造工艺，用以混合多种气体。
如图3所示，该用于半导体制造的气体混合设备包括气体混合容器10以及设在气体混合容器10上的第一加热装置41。
上述气体混合容器10的具体结构、形状多种多样。例如，该气体混合容器10可以是箱体结构，也可以是容纳室结构，还可以是罐体结构，且不仅限于此。
上述气体混合容器10的材质，一般根据具体的工艺需求和混合气体性质决定。例如，制作气体混合容器10的材料可以为轻质材料或耐腐蚀材料。
如图3所示，在实际应用中，气体混合容器10通常还设有多个气体输送通道20。该气体输送通道20包括进气通道21和出气通道22。该气体输送通道20可以是管道，也可以是腔道等。多种气体通过进气通道21被输送到气体混合容器10中混合均匀，在气体混合容器10中混合均匀的气体通过出气通道22输送到工艺腔中。
可以理解的是，上述工艺腔可以是进行薄膜淀积的工艺腔，也可以是进行刻蚀的工艺腔，还可以是进行半导体制造过程中其他工艺操作的工艺腔。当然，还可以是其他生产过程的工艺腔，工艺腔的具体用途，本发明实施例不做具体限定。
上述第一加热装置41用于对气体混合容器10进行加热，使得气体混合容器10的内部温度等于或高于混合气体中沸点最高气体的沸点。也就是说，气体混合容器10的内部温度始终等于或高于混合气体中所有气体的沸点，因此，混合气体可以从被加热的气体混合容器10处获取热能，以确保气体混合容器10内的混合气体均为气态，从而降低混合气体出现冷凝现象的几率，减少冷凝液滴和颗粒污染物，避免气体输送通道20堵塞，提高半导体工艺质量。
为了实现气体混合容器10的内部温度等于或高于混合气体中沸点最高气体的沸点的目的，可以限定第一加热装置41的温度控制范围为50℃～500℃。此时，第一加热装置41的温度控制范围较大，在对不同的混合气体进行加热时，可以设定较高的加热温度，使第一加热装置41与混合气体之间存在较大温差，使气体混合容器10内的混合气体能够快速升温，进一步降低冷凝现象产生的几率，提高半导体工艺质量。
当然，为了降低半导体制造过程中的热预算，减少热损耗，还可以限定第一加热装置41的温度控制范围为50℃～300℃，此时，不仅能实现对气体混合容器10内的混合气体加热的目的，还能够节省资源，降低成本。
示例性的，淀积二氧化硅薄膜所需的氮气(N2)、一氧化二氮(N2O)、硅烷(SiH4)、氩气(Ar)、氦气(He)、正硅酸乙酯(TEOS)和氧气(O2)、臭氧(O3)等工作气体通过多个气体输送通道20进入气体混合容器10中，并在气体混合容器10中混合均匀后被输送到工艺腔。
上述工作气体中，N2、O2、N2O、SiH4、Ar、He的沸点均在25℃以下，均为常温气体，常温下为气态。而TEOS的沸点为165.5℃，属于汽化气体，其在常温下为液态，为了确保TEOS为气态，输送TEOS的气体输送通道20上设有加热套30。并且，为了避免在气体混合容器10内TEOS与其他常温气体相遇后出现冷凝现象，气体混合容器10的内部温度必须等于或高于165.5℃。此时，利用第一加热装置41对气体混合容器10进行加热，使其内部温度等于或高于165.5℃。
在实际操作中，当工作气体中TEOS的沸点最高时，可以设置第一加热装置41的温度大于165.5℃即可。例如，可以设置第一加热装置41的温度为180℃、200℃、250℃。此时，若气体混合容器10的内部温度低于第一加热装置41设定的温度，则第一加热装置41向气体混合容器10传热，使气体混合容器100的内部温度等于或高于165.5℃。
由此可见，第一加热装置41通过高于混合气体中最高沸点的温度设置，可以保证气体混合容器10内的所有气体为气态，从而避免冷凝现象发生的几率，减少液滴和颗粒污染物的产生，避免气体输送通道堵塞，提高半导体制造工艺的质量。另外，当被加热的混合气体输送到工艺腔中淀积二氧化硅薄膜时，由于混合气体具有较多的热能，使得淀积薄膜的化学反应更容易进行，从而获得质量好的薄膜，且薄膜厚度分布更加均匀。
上述第一加热装置41的具体结构多种多样。示例性的，第一加热装置41可以为柔性或刚性的加热套，此时，第一加热装置41套在气体混合容器10上。第一加热装置41与气体混合容器10为可拆卸连接，便于拆卸、更换及维修，还可以与不同的气体混合容器10组合使用，无需更改现有的气体混合容器10的结构，与现有工艺兼容性高，从而大大降低设置第一加热装置41的成本，提高第一加热装置41的便利性。
第一加热装置41也可以为电阻式加热线圈。此时，第一加热装置41可以内置于气体混合容器10的壳体内，也可以设置于气体混合容器10的内壁上，还可以设置于气体混合容器10的外壁上。当第一加热装置41设置于气体混合容器10的内壁或外壁时，第一加热装置41外设有起到保护作用的壳体。此时，第一加热装置41与气体混合容器10可以是一体式结构，也可以是可拆卸式连接。
电阻式加热线圈可以根据需要设置成不同的形状，其可以覆盖气体混合容器10的底部，也可以覆盖气体混合容器10的侧壁，当然也可以覆盖整个气体混合容器10。由此可见，可以通过电阻式加热线圈的合理覆盖，实现整个气体混合容器10均匀加热的效果。
当然，第一加热装置41也可以具有两个加热件(图中未示出)。例如，第一加热装置41包括第一加热件和第二加热件，第一加热件设在气体混合容器10的外壁，第二加热件设在气体混合容器10的内壁。第一加热件和第二加热件可以根据工艺需要进行设置，两者结构可以相同，也可以不同。此时，可以在气体混合容器10内外不同的位置，设置不同的加热方式，多种加热方式相配合，能够更加精确的控制气体混合容器10的内部温度。
例如，上述第一加热件为套在气体混合容器1外壁上的加热套，第二加热件为设置在气体混合容器10内壁的电阻式加热线圈，且电阻式加热线圈设有起到保护作用的壳体。
又例如，第一加热件和第二加热件均为电阻式加热线圈，该电阻式加热线圈设有起保护作用的壳体。
根据上述用于半导体制造的气体混合设备可知，本发明实施例提供的用于半导体制造的气体混合设备，通过在气体混合容器10上设置第一加热装置41，使得气体混合容器10中的混合气体能够从第一加热装置41获得足够的热能，从而确保混合气体中的所有气体均为气态，降低混合气体发生冷凝的几率。由此可见，本发明提供的用于半导体制造的气体混合设备能够减少气体混合过程因冷凝产生的颗粒污染物，还能够避免混合气体输送通道20因气体冷凝引发的堵塞问题，从而提高半导体制造工艺质量。
此外，第一加热装置41加热混合气体后，混合气体获得较多的热量。当混合气体被输送到工艺腔发生化学反应时，由于混合气体具有较多的热量，可以促进化学反应的顺利进行，提高工艺腔内的化学反应效率，从而提高工艺腔内所进行的工艺质量，降低气体消耗。
如图4所示，作为一种可能的另选实现方式，本发明实施例可以在每个气体输送通道20上进一步设置第二加热装置42，以对每个气体输送通道20进行加热。此时，第二加热装置42向每个气体输送通道20传热，使得每个气体输送通道20的内部温度等于或高于混合气体中沸点最高气体的沸点。也就是说，无论是常温气体，还是汽化气体，多个气体输送通道20内的每种气体的温度均温度等于或高于混合气体中沸点最高气体的沸点。
当这些气体在气体混合容器10中相遇时，由于每种气体的温度均温度等于或高于混合气体中沸点最高气体的沸点，因此，经过多种气体间的热传递，混合气体的温度依然等于或高于混合气体中沸点最高气体的沸点。可见，气体混合容器10内的温度，可以确保混合气体均为气态，从而大大降低混合气体出现冷凝现象的几率，减少冷凝液滴和颗粒污染物，避免气体输送通道20堵塞，提高半导体工艺质量。
为了便于对气体输送通道20进行加热，第二加热装置42可以为包裹在气体输送通道外周的加热套结构，以实现对气体输送通道快速、均匀加热。
鉴于每个第二加热装置42加热相对应的气体输送通道20，每个第二加热装置42单位时间内所加热的气体量较小，相应的，每个第二加热装置42需要提供的热量也较小。从降低热损耗，节约能源的原则考虑，可以限定第二加热装置42的温度控制范围为100℃～200℃。
例如，当多个气体输送通道20分别输送淀积二氧化硅薄膜所需的氮气、氧气、一氧化二氮、硅烷、氩气、氦气、正硅酸乙酯时，每个气体输送通道20上设置一个第二加热装置42，且每个第二加热装置42的温度设定为高于最高沸点165.5℃。具体的，每个第二加热装置42的温度可以设定为180℃，190℃，200℃。此时，氮气、氧气、一氧化二氮、硅烷、氩气、氦气、正硅酸乙酯在气体输送通道20中的温度均高于最高沸点165.5℃。当这些气体在气体混合容器10中相后，混合气体的温度依然等于或高于最高沸点165.5℃。可见，气体混合容器10的混合气体不会遇冷发生冷凝，从而减少冷凝液滴和颗粒污染物，避免气体输送通道20堵塞，提高半导体工艺质量。
本发明实施例还提供一种利用上述用于半导体制造的气体混合设备对气体进行混合的方法。该气体混合方法包括：
获取气体混合容器10的内部温度；
当气体混合容器10的内部温度小于或等于第一沸点时，控制第一加热装置41处在加热状态，其中，第一沸点为混合气体中沸点最高气体的沸点；
当气体混合容器10的内部温度大于第一沸点时，控制第一加热装置41处在停止加热状态。
上述气体混合方法，通过对气体混合容器10的内部温度进行检测，根据气体混合容器10的内部温度控制第一加热装置41处于加热状态或停止加热状态，从而实现对第一加热装置41的自动化控制，节省人力的同时，可以节约资源。
进一步地，还可以在上述用于半导体制造的气体混合设备中设置第二加热装置42，对气体进行混合，具体方法如下：
获取每个气体输送通道20的内部温度；
当气体输送通道20的内部温度小于或等于第一沸点时，控制气体输送通道20对应的第二加热装置42处在加热状态；其中，第一沸点为混合气体中沸点最高气体的沸点。
当气体输送通道20的内部温度大于第一沸点时，控制气体输送通道20对应的第二加热装置42在停止加热状态。
当然，第一加热装置41的自动化控制程序，还可以与第二加热装置42的自动化控制程序相关联，使得两者仅有一个处于加热状态，或两者都处于加热状态。
应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该本发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如相应的权利要求书所反映的那样，其发明点在于可以用少于某个公开的单个实施例的所有特征的特征来解决相应的技术间题。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。本发明可以借助于包括有不同计算步骤的算法来实现，实施例中列举的简单的算法不应被视为对本发明所要求权利的限制。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式或对具体实施方式的说明，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (11)
1.一种用于半导体制造的气体混合设备，其特征在于，包括气体混合容器以及设在所述气体混合容器上的第一加热装置。
2.根据权利要求1所述的用于半导体制造的气体混合设备，其特征在于，所述第一加热装置设在所述气体混合容器的外壁，或者，
所述第一加热装置设在所述气体混合容器的内壁。
3.根据权利要求1所述的用于半导体制造的气体混合设备，其特征在于，所述第一加热装置包括第一加热件和第二加热件，所述第一加热件设在所述气体混合容器的外壁，所述第二加热件设在所述气体混合容器的内壁。
4.根据权利要求1所述的用于半导体制造的气体混合设备，其特征在于，所述气体混合容器的内部温度等于或高于混合气体中沸点最高气体的沸点。
5.根据权利要求1所述的用于半导体制造的气体混合设备，其特征在于，所述第一加热装置的温度控制范围为50℃～500℃。
6.根据权利要求1所述的用于半导体制造的气体混合设备，其特征在于，所述第一加热装置的温度控制范围为50℃～300℃。
7.根据权利要求1～6任一项所述的用于半导体制造的气体混合设备，其特征在于，
所述用于半导体制造的气体混合设备还包括至少一个第二加热装置和多个气体输送通道；所述多个气体输送通道分别与所述气体混合容器连通，每个所述第二加热装置用于对相应的所述气体输送通道加热。
8.根据权利要求7所述的用于半导体制造的气体混合设备，其特征在于，每个所述气体输送通道的内部温度等于或高于混合气体中沸点最高气体的沸点。
9.根据权利要求7所述的用于半导体制造的气体混合设备，其特征在于，所述第二加热装置的温度控制范围为100℃～200℃。
10.一种气体混合方法，其特征在于，所述气体混合方法包括：
获取气体混合容器的内部温度；
当所述气体混合容器的内部温度小于或等于第一沸点时，控制第一加热装置处在加热状态；其中，所述第一沸点为混合气体中沸点最高气体的沸点；
当所述气体混合容器的内部温度大于所述第一沸点时，控制所述第一加热装置处在停止加热状态。
11.根据权利要求10所述的气体混合方法，所述气体混合方法还包括：
获取与气体混合容器连通的每个气体输送通道的内部温度；
当所述气体输送通道的内部温度小于或等于第一沸点时，控制所述气体输送通道对应的所述第二加热装置处在加热状态，其中，所述第一沸点为混合气体中沸点最高气体的沸点；
当所述气体输送通道的内部温度大于所述第一沸点时，控制所述气体输送通道对应的所述第二加热装置在停止加热状态。
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