气相沉积炉配气系统的制作方法

本实用新型涉及气相沉积技术领域，尤其涉及一种气相沉积炉配气系统。

背景技术：

气相沉积法在今天的半导体行业、太阳能行业、LED行业、平板显示行业和光纤行业广泛使用，气相沉积法使用的是高纯电子原材料气体或蒸汽。为了得到半导体沉积界面陡峭的渐变界面，半导体设备在生长不同的晶体沉积层时，要求高纯电子原材料气体或蒸汽能够实现迅速且彻底地切换动作。

为了达到迅速切换目的，一般气相沉积炉配气系统均设计有反应管路(Run)以及排放管路(Vent)，例如金属有机物化学气相沉积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)配气系统，Run管路的一端接入载气，并在之后的Run管路中分别连接不同的工艺供气管路；在本实用新型中主要以三族III气体中的两种(TMGa和TMA1)作为工艺气体示意；本领域技术人员知晓，三族气体实际上可以是五种，并且共同参与工艺反应的还可以包括其他族的多种工艺气体(例如七种五族气体)，但对于气路配置而言各族皆同理，因此为描述方便、清晰，仅以三族气体的作为工艺气体的代表；那么，TMGa和TMA1的供气管路则分别连接在前述Run管路上，且Run管路的末端直接通入MOCVD炉。按上述同样方式设置Vent管路，只是Vent管路最终不通向MOCVD炉，而是排入了尾气处理设备。前文所述切换，即是指在工艺过程中根据工艺配方的设置，适时地切换每种工艺气体通入Run管路或Vent管路。以上述示例来说，初始阶段可能只需要TMGa参与反应，即初始是TMGa通入Run管路，TMA1通入Vent管路；在反应一段时间后，根据配方需要仅由TMA1参与反应，此时就需要将TMGa切入Vent管路，TMA1则切入Run管路。通过不同种类工艺气体的迅速切换，以此实现晶层生长过程中及时变换配方组合的目的。

但Run管路与Vent管路在切换过程中，由于气体变换迅速且较为频繁，因此较易造成通入MOCVD炉的反应气体产生波动、逆流现象，导致气相沉积炉内的晶体沉积层的质量得不到保证。现有的解决方式是在上述配气系统中设置多个质量流量控制器(MFC)，分别用于精确控制并调节Run管路和Vent管路各自的载气气体流量以及每种工艺气体的气体流量，以期使配气管路中的流量平衡。理论上，该方式可以根据技术人员的经验，提前计算Run管路和Vent管路的MFC数值，并依此调节各MFC的数值，最终实现通入MOCVD炉的反应气体的总流量相对稳定；但是经实际应用验证，在工艺气体切换时逆流现象仍会出现，也即是Run管路内仍会发生气体反流和震荡，导致气相沉积炉内的晶体沉积层的晶体质量仍然得不到有效且可靠的保证。从另一角度分析，由于各族气体分为若干种气体，且各种工艺气体的流体性质与载气的流体性质各有不同，在计算流量时需要考虑各种气体的粘度和温度等因素；而且有些工艺气体是混合的蒸汽，还有一些参杂气体也为混合形式，这些气体本身的混合浓度也会因其他因素发生变化；再加上，配方多种多样使得参与反应的气体组合也呈现针对不同时段和工艺需求的多样化。依上述方案为使气体切换时达到符合质量要求的稳定性，则需要预先计算复杂且繁多的MFC流量数值配比方案。

综上所述，现有的依靠流量控制的方案计算复杂度较高，因而很难精准调节MFC的流量，进而在实际操作中较难达到稳定配气的预期。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种气相沉积炉配气系统，解决现有的配气方案计算操作复杂、难以达到稳定配气预期的问题。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种气相沉积炉配气系统，包括同族工艺供气管路、通入气相沉积炉的反应管路以及通入尾气处理设备的排放管路；所述同族工艺供气管路包括第一工艺管路和第二工艺管路，所述第一工艺管路和所述第二工艺管路均分别通过第一阀门与所述反应管路和所述排放管路连通；在所述反应管路的载气入口、所述第一工艺管路以及所述第二工艺管路均设有第一质量流量控制器；所述系统还包括：

控制器；

压差变送装置，所述压差变送装置跨接在所述反应管路和所述排放管路之间，用于监测并向所述控制器反馈所述反应管路和所述排放管路的压差信号；

压力调节装置，所述压力调节装置设置在所述排放管路的载气入口处；

所述控制器用于根据所述压差信号，控制所述压力调节装置调节所述排放管路内的气压，以使所述反应管路和所述排放管路的压力平衡。

可选地，所述控制器还分别与各所述第一阀门及各所述第一质量流量控制器连接。

可选地，所述系统还包括：同族补气管路，所述同族补气管路向所述反应管路和所述排放管路通入气体。

可选地，所述系统还包括载气供给装置，所述气体与所述反应管路和所述排放管路内的载气均来自所述载气供给装置。

可选地，所述同族补气管路包括：相应于所述第一工艺管路的第一补气管路，和相应于所述第二工艺管路的第二补气管路；

所述第一补气管路和所述第二补气管路均分别通过第二阀门与所述反应管路和所述排放管路连通。

可选地，在所述第一补气管路和所述第二补气管路设有第二质量流量控制器。

可选地，所述控制器还分别与各所述第二阀门及各所述第二质量流量控制器连接。

可选地，所述第一工艺管路的所述第一质量流量控制器与所述第一补气管路的所述第二质量流量控制器集于一体；

所述第二工艺管路的所述第一质量流量控制器与所述第二补气管路的所述第二质量流量控制器集于一体。

可选地，用于连通所述第一工艺管路与所述排放管路的第一阀门，和用于连通所述第一补气管路与所述反应管路的第二阀门，集成设置为第一两位四通换向阀；

用于连通所述第二工艺管路与所述排放管路的第一阀门，和用于连通所述第二补气管路与所述反应管路的第二阀门，集成设置为第二两位四通换向阀。

可选地，所述第一两位四通换向阀、用于连通所述第一工艺管路与所述反应管路的第一阀门以及用于连通所述第一补气管路与所述排放管路的第二阀门集成为第一阀组；

所述第二两位四通换向阀、用于连通所述第二工艺管路与所述反应管路的第一阀门以及用于连通所述第二补气管路与所述排放管路的第二阀门集成为第二阀组。

本实用新型针对现有配气系统单纯流量控制的缺陷，将排放管路引入压力控制，即在现有的全流量控制中综合了压力调控，以克服单独依靠流量控制依然会出现气体不平稳的现象；在实际操作中，本实用新型可以通过流量控制作为主要的调控手段，而压力调控则作为补充的辅助手段，当Run管路与Vent管路出现压力差时可由压力调节装置进行压力补偿(包括正、负补偿)，最终实现通入气相沉积炉的反应气体稳定平衡。在具体实施时还可以采用与工艺气体相对应的补气策略，从原理上更进一步主动避免Run管路与Vent管路切换时出现的波动，以此全面提升气体切换时的稳定性。

附图说明

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步描述，其中：

图1为本实用新型提供的气相沉积炉配气系统的实施例的示意图；

图2为本实用新型提供的气相沉积炉配气系统的另一实施例的示意图；

图3为本实用新型提供的气相沉积炉配气系统的较佳实施例的示意图。

附图标记说明：

1反应管路 2排放管路 3第一工艺管路 4第二工艺管路

5第一阀门 6第一质量流量控制器 11载气入口 7压差变送装置

8压力调节装置 21载气入口 31第一补气管路 41第二补气管路

51第二阀门 61第二质量流量控制器 501第一两位四通换向阀

502第二两位四通换向阀

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

本实用新型提供了一种气相沉积炉配气系统的实施例，如图1所示，包括同族工艺供气管路、通入气相沉积炉的反应管路1(Run管路)以及通入尾气处理设备的排放管路2(Vent管路)；所述同族工艺供气管路包括通入同族不同工艺气体的第一工艺管路3和第二工艺管路4，所述第一工艺管路3和所述第二工艺管路4均分别通过第一阀门5与所述反应管路1和所述排放管路2连通；在所述第一工艺管路3、所述第二工艺管路4以及所述反应管路1的载气入口11处设有第一质量流量控制器6，在第一工艺管路3和第二工艺管路4分别设置第一质量流量控制器6时，可以考虑将第一质量流量控制器6设置在上述两个工艺管路的入口处实现对后端流量的总体控制，也可以在该两个工艺管路各自的分支上分别设置第一质量流量控制器6以实现针对任一种工艺管路的独立且平衡的流量控制；此外，在所述反应管路1的载气入口11设置第一质量流量控制器6的目的是强调对后端管路的总体载气流量控制，这样，该管路后端引入的工艺管路分支不会对整体流量控制产生影响。需做说明的是，如前文提及的本申请为便于清晰地描述，将实际的管路进行简化示意，仅以同一族的两种工艺气体作为代表，但本领域技术人员应当知晓，在实际操作中可以按照本申请提供的构建方式，将本族的多种气体以及其他族的工艺气体进行效仿设计，具体可参考前文技术背景中所述的内容进行合理拓展。

具体在本实施例中，将现有的Vent管路中的质量流量控制器替换为压力调节装置，并在Run管路和Vent管路之间设置压差变送装置，将压力控制引入其中，即将流量和压力控制共同作用于配气系统中，以完善现有的配气系统的不足。需指出的是，目前广泛应用的配气系统是在最初不包括Vent管路的基础上进一步改进而来，虽然其能够从一定程度上解决流量不稳的问题，但本实用新型的设计初衷是基于通过长期实践经验发现该现有的流量控制配气系统仍不能较好地达到预期的晶层质量，于是进一步对该问题进行探索，提出了上述更为完善的解决方案。

参考图1所示，压差变送装置7可以跨接在Run管路和Vent管路之间，其作用是实时监测Run管路和Vent管路的压差信号，并将该压差信号反馈至用于控制整个配气系统的控制器(图中未示出)；而压力调节装置8则设置在Vent管路的载气入口21处，前述控制器用于根据前述压差信号，控制该压力调节装置8调节Vent管路内的气压，以使Run管路和Vent管路的压力达到实时平衡状态，即二者一旦产生压力波动即作出调整。压力调节装置8可在实际中选用诸如自动调压阀等现有设备，其原理是被动控制后端压力；压差变送装置7可选用常规的压差传感器，利用其内的电子线路检测由压力变化引起的电信号变换，并转换输出一个相对应压力的标准测量信号至控制器；关于控制器，即本系统的控制核心机构，一般其设有气路控制程序，通常的硬件实施手段为工控现场常用的下位机，如现场PLC、多功能仪表等，当然还可以将其与整个气相沉积电控系统进行合并实施，对此本实用新型不予限定；但可以补充的是，在本实用新型的其他实施例中，该控制器还可以分别与前述部分或每个第一阀门5及前述部分或每个第一质量流量控制器6电信号连接，用于综合控制流量、压力以及阀门启闭等动作。

关于前述压力调节装置8还可以进一步说明，从理论上在上述两路管路中出现压力差后，压力调节装置8即能够马上做出响应，启动自动调节功能，使Vent管路和Run管路立刻被调控为相同气压；但是压力调节装置8的调节作用是发生在出现压力差后，因而考虑到信号传输、动作执行以及压差变送装置7的测量精度和反映时间，可能在实际操作中出现大约0.1秒以内的延迟，也即是从实际应用角度，Vent管路和Run管路在切换的短暂瞬时仍有可能出现轻微的压力震荡。不过，本领域技术人员能够理解的是，在实际沉积工艺中，0.1秒以内的波动完全是可以接受的。

本实用新型为了进一步提升通入到气相沉积炉内的反应气体稳定性及切换过程换算的便捷性，做出如下改进:单独为同族工艺气体配备补气管路，即上述系统中还可以包括同族补气管路，该同族补气管路向Vent管路和Run管路通入与Vent管路和Run管路内相同的载气气体，具体来说即本系统中还可以包括载气供给装置(图中未示出)，补气所用气体与Run管路和Vent管路内的载气均来自该载气供给装置，例如氢气或氮气气罐，当然也可以是其他不参与反应的惰性气体，其主要作用是在本族工艺气体在Run管路和Vent管路切换时实现总气体流量压力稳定；本领域技术人员可以理解的是，为了达到补气平衡的作用，在实际操作中可将设于Run管路的载气入口11处的第一质量流量控制器6设定为固定流量值，以保证总载气流量不变化。

针对上述补气策略，可参考图2所示实施例(图2中省略气相沉积炉和尾气处理设备的示意)，前述同族补气管路具体包括相应于第一工艺管路3的第一补气管路31，和相应于第二工艺管路4的第二补气管路41，并且第一补气管路31和第二补气管路41均分别通过各自的第二阀门51与Run管路和Vent管路连通。为便于精确控制阀门启闭，可以参照前述实施例，在第一补气管路31和第二补气管路41分别设置第二质量流量控制器61。且还可以考虑将补气相关的阀门和质量流量控制器皆与前述控制器相连，形成整体控制系统。

对于图2实施例的工作原理，需说明的是，本实用新型提出的本族补气策略是与本族的工艺气体相辅相成的对应补气策略，即在第一工艺管路3与Run管路连通时，第一补气管路31则与Vent管路连通；第二工艺管路4与Run管路连通时，第二补气管路则41与Vent管路连通。如前文提及的，本实用新型的目的是提供方案实施思路和参考，因而仅以某族两种工艺气体作为实施例说明切换过程，实际操作中，第一工艺管路3与第二工艺管路4可以同时通入Run管路或Vent管路，也可以其中之一通入Run管路，而另一种通入Vent管路；据此，相应于二者的补气管路也会做出相匹配的切换动作。因为存在上述绑定关系(独立的补气管路与每种工艺供气一一相应)，因而能够在确保Run管路与Vent管路切换时管道内气体稳定，并且还能够简化换算过程。例如为第一工艺管路3的第一质量流量控制器6设定工艺流量后，第一补气管路31的第二质量流量控制器61就会自动根据一个具有对应该设定值的流量值对管路进行补气，再配合前述压力控制方式，这样，无需为Run管路与Vent管路切换设计庞大且复杂的换算过程。可以说，本实施例是从原理上主动避免Run管路与Vent管路切换时出现波动，从而能够全面提升气体切换时的稳定性，进而确保晶层质量稳定。

在确保上述实施例及优选方式实现稳定反应气体的前提下，本实用新型进一步提出对配气系统的整体空间进行合理改进，即通过相关设备的合并还可以减少系统的所占空间的体积并减少相应的线缆成本。如图3所示的较佳实施例，可以将前述第一工艺管路3的第一质量流量控制器6与第一补气管路31的第二质量流量控制器61集于一体(第二工艺管路及第二补气管路同理，不与赘述)，但两个质量流量控制器仍各自独立工作，图3中以虚线示出集成结构。

还可以，将连通前述第一工艺管路3与Vent管路的第一阀门5，与连通第一补气管路31与Run管路的第二阀门51，集成设置为第一两位四通换向阀501；将连通第二工艺管路4与Vent管路的第一阀门5，与连通第二补气管路41与Run管路的第二阀门51，集成设置为第二两位四通换向阀502。需对此解释的是，上述实施方式即是为同族中每一种工艺气体增设一个两位四通换向阀以取代原两路阀门，并且未被替换的两路阀门：用于连通第一工艺管路3与Run管路的第一阀门5以及用于连通第一补气管路31与Vent管路的第二阀门51则成为第一种工艺气体及其补气的共用阀门，在第一两位四通换向阀501动作后，第一种工艺气体和补气可互换使用第一阀门5及第二阀门51；第二工艺气体及其补气原理相同，不再赘述。

从而与图2实施例相比，图3的较佳实施例减少了1/2的管路和阀门的使用量，其产生的有益效果不仅是节约空间和成本，在减少阀门之间的连接管路和接头的同时还能够减少阀门泄露的风险概率，也能够减少阀门之间的死区体积，确保气体切换后基本没有原气体残留，从而进一步提升反应气体的控制精度。

在上述实施方式基础上，本领域技术人员还可以进一步对结构精简化的本实用新型作出拓展，例如将前述第一两位四通换向阀501和其他两路阀门(用于连通第一工艺管路3与Run管路的第一阀门5以及用于连通第一补气管路31与Vent管路的第二阀门51)集成为第一阀组；同理地，将第二种工艺气体的相关阀门集成为第二阀组。即将相关阀门的阀体再做集成化，而阀组内各阀门的气缸仍保持控制独立性。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本实用新型的构造、特征及作用效果，但以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，需要言明的是，上述实施例及其优选方式所涉及的技术特征，本领域技术人员可以在不脱离、不改变本实用新型的设计思路以及技术效果的前提下，合理地组合搭配成多种等效方案；因此，本实用新型不以图面所示限定实施范围，凡是依照本实用新型的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本实用新型的保护范围内。