一种用于卧式扩散炉的进气石英枪的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于卧式扩散炉的进气石英枪，用于工艺气体的注入，石英枪为中空的石英枪管，其开口端与扩散炉用于注入工艺气体的进气管采用具有镜面研磨配合面的球头和球碗配合方式机械密封连接，靠近封闭端环绕石英枪的侧壁设有1至若干组出气喷口，每组包括若干个喷口，工艺气体由进气管进入石英枪后，可在各喷口处被均匀分流呈辐射状喷出，并在排气口的抽吸导向作用下覆盖喷向其斜下方的全部硅片表面，可有效防止工艺气体泄漏，提高扩散工艺的均匀性，减小对工艺温度的波动影响，提高设备利用率。
【专利说明】一种用于卧式扩散炉的进气石英枪
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体设备领域，更具体地，涉及一种用于半导体卧式扩散炉工艺气体注入的进气石英枪。
【背景技术】
[0002]随着半导体集成电路制造工艺的发展，特征尺寸不断缩小，使芯片的集成度越来越高，对集成电路制造及工艺设备提出了更高的要求，最新的工艺发展越来越受到工艺设备的制约。
[0003]半导体扩散设备是集成电路制造的重要工艺设备，作为一种要求能长时间连续工作，且具有优异的控温精度及良好的可靠性、稳定性的自动化控制设备，应用于集成电路制造过程中的各种氧化、退火和薄膜生长等工艺。扩散设备的一种工艺结果，即半导体硅片表面扩散层的均匀性，是扩散设备的核心指标。
[0004]以卧式扩散炉设备来讲，为了保证上述工艺、材料性能的实现，扩散工艺对扩散炉设备的指标，如进气的水平气流均匀性控制、气流稳定性等，提出了更高的要求。
[0005]请参阅图1，图1是现有的半导体卧式扩散炉的气体传输系统工作状态示意图。如图1所示，现有的半导体卧式扩散炉的气体传输系统采用的是水平进气、下部排气的气体供给、排出方式。其中，工艺气体是从设于扩散炉的工艺管I内连接进气管2的石英枪3的端部喷口以水平方式注入，然后在工艺管I的排气口 5的抽吸导向作用下，吹向石英枪3的喷口端部斜下方并排垂直放置的一组硅片4表面(如图中箭头方向所指)，并在硅片4表面发生希望的反应或进行沉积。
[0006]上述现有的半导体卧式扩散炉的气体传输系统所采用的进气结构及方式存在明显的缺陷:由于注入工艺气体的喷口位于石英枪3的端部端面，且只有一个喷口，因此，从喷口注入的工艺气体的流量及流速相对较大，而气流形成的气柱也就较窄(请参考图中喷口处的弯曲箭头所形成的气柱范围效果)。这会造成注入的工艺气体难以较同时并均匀地吹向各个硅片4的表面，导致扩散的均匀性得不到有效保证。为了使注入的工艺气体能够尽可能地同时并均匀地吹到各个硅片表面，通常的做法是拉大石英枪3的喷口与硅片4之间的距离D1，以便形成较宽的气柱。但距离Dl的增大却会造成工艺气体在传输过程中的不可控因素的增加，且造成了对气流流量、压力等参数控制难度的增加，更容易造成工艺温度的波动。从实际的扩散结果来看，其效果并不理想。
[0007]此外，现有的进气管2与石英枪3之间是采用球碗与球头配合方式进行连接的。为了保证球碗与球头之间的密封，通常是采用在球碗与球头的配合面之间设置密封垫。由于密封垫一般由含氟橡胶材料制成，在使用一定周期后，会因发生腐蚀及受高温影响产生变形，导致密封失效，产生不均匀的工艺气流。因此，必须定期进行拆卸更换。这对生产效率将造成一定的影响，且石英枪极易脆断，在拆卸时极易造成球碗与球头配合部位的损坏，不但提高了设备维护成本，且对球碗与球头配合面处的密封垫的残留物还需要进行费时的清洗，对生产效率将进一步造成影响。
[0008]上述这些问题将直接影响扩散工艺的均匀性、工艺的效果，并给生产效率和维护成本带来不利后果。因此，寻求一种更科学的工艺气体注入结构及方式，就成为当前业界的一个重要课题。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种用于卧式扩散炉的进气石英枪，用于工艺气体的注入，通过在靠近所述石英枪的封闭端环绕侧壁设置I至若干组出气喷口，每组包括若干个喷口，使工艺气体在进入所述石英枪后，可在各所述喷口处被均匀分流呈辐射状喷出，并在扩散炉工艺管排气口的抽吸导向作用下覆盖喷向所述石英枪斜下方的一组垂直放置的硅片表面，使各个硅片可以较同时并均匀地接触到工艺气体以发生反应，从而有效提高了扩散工艺的均匀性，减小了对工艺温度的波动影响。
[0010]为实现上述目的，本发明的技术方案如下:
[0011]一种用于卧式扩散炉的进气石英枪，水平设于半导体卧式扩散炉工艺管内一组并排垂直放置的硅片的斜上方，所述石英枪连接所述工艺管的进气管，用于工艺气体的注入，位于所述硅片下方设有所述工艺管的排气口，所述石英枪为一端封闭的中空石英枪管，其开口端与所述进气管水平同轴密封连通，靠近封闭端环绕所述石英枪的侧壁设有I至若干组出气喷口，每组包括若干个所述喷口 ；其中，工艺气体由所述进气管进入所述石英枪后，可在各所述喷口处被均匀分流呈辐射状喷出，并在所述排气口的抽吸导向作用下覆盖喷向其斜下方的全部所述硅片表面。
[0012]优选地，所述石英枪具有自所述开口端向所述封闭端等径的管径。
[0013]优选地，所述石英枪具有自所述开口端向所述封闭端逐渐平滑缩小的管径。
[0014]优选地，所述石英枪的中空横截面为圆形、椭圆形、矩形或正多边形中的任意一种形状。
[0015]优选地，靠近所述封闭端的所述石英枪的侧壁设有若干喷口，所述喷口的数量为4?8个，各所述喷口环绕所述石英枪的径向均匀分布，所述喷口的形状为圆形、椭圆形、矩形或正多边形中的任意一种。
[0016]优选地，各所述喷口的横截面积之和小于所述喷口处的所述石英枪的中空横截面积。
[0017]优选地，沿靠近所述封闭端的所述石英枪的侧壁轴向设置有I至若干组所述喷口，每组所述喷口的数量为4?8个，并环绕所述石英枪的径向均匀分布，所述喷口的形状为圆形、椭圆形、矩形或正多边形中的任意一种。
[0018]优选地，各组所述喷口在朝向所述石英枪的所述封闭端方向的轴向间距依次缩小。
[0019]优选地，各组所述喷口的横截面积之和小于最接近所述封闭端的一组所述喷口处的所述石英枪的中空横截面积。
[0020]优选地，所述石英枪与所述进气管之间采用球头和球碗配合方式密封及可拆卸连接，所述球头和球碗具有镜面研磨的配合面，可进行机械密封。
[0021]从上述技术方案可以看出，本发明通过在靠近所述石英枪的封闭端环绕侧壁均匀设置I至若干组出气喷口，每组包括若干个喷口，使工艺气体在进入所述石英枪后，可在各所述喷口处被均勻分流呈福射状喷出；在所述石英枪具有一组喷口时，将出气喷口的横截面积之和设计成小于喷口处的石英枪的横截面积，在所述石英枪具有多组喷口时，将各组喷口的横截面积之和设计成小于最接近石英枪封闭端的一组喷口处的石英枪的横截面积，保证了注入气体的压力不受损失；工艺气体可在扩散炉工艺管排气口的抽吸导向作用下，以形成相对现有技术更大的气柱范围喷向硅片表面，并可将各硅片进行全部覆盖，使各个硅片可以较同时并均匀地接触到工艺气体以发生反应，从而有效提高了扩散工艺的均匀性，减小了对工艺温度的波动影响；石英枪与进气管之间采用具有镜面研磨配合面的球头和球碗方式密封及可拆卸连接，实现直接进行机械密封，可有效防止工艺气体的泄漏，减少石英枪拆卸的频率，延长了石英枪的使用寿命。因此，本发明在提高了扩散工艺的均匀性，减小了对工艺温度的波动影响基础上，还同时提高了设备利用率，降低了维护成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是现有的半导体卧式扩散炉的气体传输系统工作状态示意图；
[0023]图2是本发明的进气石英枪在卧式扩散炉工艺管内的布置及工作状态示意图；
[0024]图3是本发明一实施例中的进气石英枪的结构示意图；
[0025]图4是本发明另一实施例中的进气石英枪的局部结构示意图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图，对本发明的【具体实施方式】作进一步的详细说明。
[0027]需要说明的是，在下述的【具体实施方式】中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
[0028]请参阅图2，图2是本发明的进气石英枪在卧式扩散炉工艺管内的布置及工作状态示意图。如图2所示，本发明的用于扩散炉的进气石英枪3，以与图1所示的现有技术相同的方式水平设置在半导体卧式扩散炉工艺管I内，并位于一组并排垂直放置在晶舟中的硅片4的斜上方。所述石英枪3为中空石英枪管，石英枪3的一端与所述工艺管I的进气管2水平连接并连通，用于工艺气体的注入。在放置硅片4的晶舟下方的工艺管I下管壁处设有排气口 5。与现有技术所不同的是，本发明的石英枪3为一端开口(图示石英枪3的左侧)、另一端封闭(图示石英枪3的右侧)的中空石英枪管，其开口端与所述进气管2水平同轴密封连通。靠近封闭端环绕所述石英枪3的侧壁设有I至若干组出气喷口，每组包括若干个所述喷口 6(图中仅示例性地标出I个喷口，请后续参考图3、图4)。
[0029]在本发明的一个具体实施例中，请参阅图3，图3是本发明一实施例中的进气石英枪的结构示意图。如图3所示，石英枪3为中空的石英枪管，其一端开口(图示石英枪的左侧)，另一端封闭(图示石英枪的右侧)形成封闭端7。所述石英枪3的开口端与所述扩散炉用于注入工艺气体的进气管2之间采用球头8与球碗9相配合的方式水平密封同轴连接并连通。所述石英枪3的管径沿轴向全长相等(即自开口端向封闭端7的整个管径为等径)。所述石英枪3的中空横截面可为圆形、椭圆形、矩形或正多边形中的任意一种形状。在本实施例中，所述石英枪3的中空横截面采用圆形(即圆管形石英枪)。
[0030]请继续参阅图3。在石英枪3靠近封闭端7的侧壁设有若干圆孔形出气喷口 6。所述喷口 6的数量可选的为4?8个，本实施例优选4个喷口 6。所述喷口 6环绕所述石英枪3的径向均匀分布，即如图所示的按垂直于管径方向、以石英枪3的轴心为对称中心对称分布在石英枪3的管壁上。由于工艺气体注入时，在石英枪3管内的压力分配存在损失,所以，设定各所述喷口 6的横截面积之和应小于所述喷口 6处的所述石英枪3的中空横截面积。即本实施例中的4个喷口 6的横截面积之和应小于经过4个喷口 6中心的剖面处的所述石英枪3的中空横截面积。如果无此要求，当工艺气体流至4个喷口 6处时，可能会由于压力分配造成的损失，使得从4个喷口 6喷出的工艺气体的压力明显减小，以致流量过于降低，难以保证工艺质量。所述喷口 6的形状可为圆形、椭圆形、矩形或正多边形中的任意一种，本实施例给出了一种圆形喷口 6的不例。
[0031]作为上述实施例的另一种实现方式，也可以在石英枪3的封闭端7的中心位置另开设I个喷口(图中未示出)，此喷口的孔面积可与侧面的一个喷口 6孔面积一致，也可以略小。这样，当工艺气体流至石英枪3的封闭端7时，不致因封闭端7被封闭而造成气流回流、进而导致4个侧面喷口 6喷出的气流出现不稳定现象。并且，部分工艺气体可从石英枪封闭端7增设的喷口喷出，可以起到配合4个侧面喷口 6喷射工艺气体的作用，使石英枪3斜下方放置的各硅片可以更均匀地接触到工艺气体。
[0032]作为上述实施例可选的另一种实现方式，以位于石英枪3侧壁设置的若干个喷口(例如上述实施例中的4个喷口)为一组，可以沿所述石英枪3的轴向设置若干组喷口，可选的喷口组数为I?4组，例如3组。每组所述喷口的数量相同，为4?8个，例如4个，并同样环绕所述石英枪3的径向均匀分布。优选的，各组所述喷口在朝向所述封闭端7方向的轴向间距依次缩小(图中未示出多组喷口的示例，请后续参考图4的另一实施例加以理解)。
[0033]请继续参阅图3。在本实施例中，作为一种可选的方式，所述石英枪3与所述进气管2之间采用球头8与球碗9相配合的方式水平密封同轴连接并连通。如图3所示，考虑到进气管2和石英枪3的材质通常都为石英材料，因此，采用球头8与球碗9相配合的连接方式进行石英枪3与进气管2之间的连接。即在进气管2的管口部设置一球碗9结构，并在石英枪3的开口端设有一球头8结构。在将石英枪3的开口端与进气管2的管口部对准连接时，相配合的球头8外侧面与球碗9内侧面即可同向相互贴紧，球头8大部分套入球碗9内。然后，用碗夹(图中未示出)夹住球碗9的两侧，碗夹并同时将球头8向球碗9内侧施力挤压，从而将球碗9与球头8进行固定，即可完成石英枪3与进气管2的连接。同时，在球碗9与球头8加工时，可对球碗9内侧面与球头8外侧面进行镜面研磨抛光，这样，在球碗9与球头8贴合配合时，球碗9的内侧面与球头8的外侧面之间即可利用研磨形成的镜面效果直接形成机械密封，再不用使用传统的含氟橡胶密封垫进行密封，可有效防止工艺气体从石英枪3与进气管2的连接部泄漏，减少石英枪3拆卸的频率，延长石英枪3的使用寿命。此外，还可对石英枪3的管壁进行加厚，以进一步提高石英枪3的使用寿命。
[0034]请回过头来再一次参阅图2。当将图3示例的石英枪3与进气管2采用球头8与球碗9相配合的方式连接并安装在图2所示的位置时，工艺气体由所述进气管2进入所述石英枪3后，可在各所述喷口 6处被均匀分流，呈辐射状喷出(近似花洒的喷射效果)，并在所述排气口 5的抽吸导向作用下，以形成覆盖全部所述硅片4的气柱形态喷向其斜下方放置的所述硅片4表面(如图中箭头所示)。从图2中可以看出，本实施例中形成的气柱水平面积远大于图1中现有技术的气柱面积(如图2中硅片4上方箭头所示形成的气柱范围)，起到使全部硅片4大致同时并均匀接触工艺气体进行均匀扩散反应的良好效果。同时，由于工艺气体被多个喷口 6所分流，不会形成过大的气流，因此，石英枪3的喷口 6可以设置离硅片4的距离较近，其距离D2明显小于图1中的距离D1。距离D2的缩短大为降低了工艺气体在传输过程中发生不可控因素的机率，且易于对气流流量、压力等参数的精准控制，减小了工艺温度的波动。同时，这也为今后设备硬件之间配合的进一步合理设计及节约空间储备了有利条件。
[0035]作为本发明的另一实施例，请参阅图4，图4是本发明另一实施例中的进气石英枪的局部结构示意图。如图4所示，与上述图3的实施例不同的是，石英枪3具有自开口端(图示的左侧)向封闭端7 (图示的右侧)逐渐平滑缩小的管径，形成图示的锥形管结构。在靠近锥形石英枪3的封闭端7的侧壁开有例如3组喷口 6，每组喷口 6的数量例如为4个。每组的喷口 6环绕所述石英枪3的径向均匀分布，各组所述喷口 6在朝向所述石英枪3的封闭端7方向的轴向间距依次缩小。即在本实施例中，位于图示左侧的一组喷口与中间的一组喷口的间距Hl大于位于图示中间的一组喷口与右侧的一组喷口的间距H2。在喷口组数增加时以此类推设置。
[0036]由于工艺气体的流体压力会在石英枪3的管内沿程损失，靠近石英枪3开口端喷口处的工艺气体压力和流量相对靠近封闭端7位置的喷口处为大。因此，将石英枪3的管径按逐渐减小设计，可以平衡掉压力沿程减小的损失。同时，各组的所有喷口 6的横截面积总和，要小于最靠近石英枪3封闭端7的一组喷口(即图示位于最右侧的一组喷口)经过其中心的剖面处的所述石英枪3的中空横截面积(即图示最右侧的一组喷口处的垂直中心线位置的石英枪3的中空横截面积)。
[0037]当将图4示例的石英枪3与进气管2采用球头8与球碗9相配合的方式连接并安装在图2所示的位置时，本实施例的上述设计形式，可使从各组喷口 6喷出的工艺气体的流量由图示的自左向右方向依次缩小，从各组喷口 6喷出的工艺气体形成的气柱范围也由图示的自左向右方向依次缩小，并形成层层包覆的形态，从而可起到叠加的气体喷出效果，所形成的气柱中的气体均匀性相对单组喷口也可得到进一步提高。这样,从各组喷口 6喷出的工艺气体在工艺管排气口 5的抽吸导向作用下，能够大致同时抵达各硅片4表面，并以形成相对现有技术或图3的实施例更大的气柱范围，将各硅片进行全部覆盖，从而增强了工艺气体的有效利用，提高了扩散工艺的均匀性。且气体以均匀发散的方式喷出，对工艺温度的影响也可减小到最低程度。本实施例的上述设计形式可以进一步提高注入气体的均匀性，实现在硅片上的均匀反应，提高反应效率，节约反应气体的消耗。
[0038]本实施例的石英枪的其他方面及与工艺管之间的连接及密封形式可采用与前述图3的实施例相同的方式，故不再展开说明。
[0039]从上述图3、图4所示例的本发明的实现方式可以看出，本发明通过在靠近所述石英枪的封闭端环绕侧壁均匀设置I至若干组出气喷口，每组包括若干个喷口，使工艺气体在进入所述石英枪后，可在各所述喷口处被均匀分流呈辐射状喷出；在所述石英枪具有一组喷口时，将出气喷口的横截面积之和设计成小于喷口处的石英枪的横截面积，在所述石英枪具有多组喷口时，将各组喷口的横截面积之和设计成小于最接近石英枪封闭端的一组喷口处的石英枪的横截面积，保证了注入气体的压力不受损失；工艺气体可在扩散炉工艺管排气口的抽吸导向作用下，以形成相对现有技术更大的气柱范围喷向硅片表面，并可将各硅片进行全部覆盖，使各个硅片可以较同时并均匀地接触到工艺气体以发生反应，从而有效提高了扩散工艺的均匀性，减小了对工艺温度的波动影响；石英枪与进气管之间采用具有镜面研磨配合面的球头和球碗方式密封及可拆卸连接，实现直接进行机械密封，可有效防止工艺气体的泄漏，减少石英枪拆卸的频率，延长了石英枪的使用寿命。因此，本发明在提高了扩散工艺的均匀性，减小了对工艺温度的波动影响基础上，还同时提高了设备利用率，降低了维护成本。
[0040]以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种用于卧式扩散炉的进气石英枪，水平设于半导体卧式扩散炉工艺管内一组并排垂直放置的硅片的斜上方，所述石英枪连接所述工艺管的进气管，用于工艺气体的注入，位于所述硅片下方设有所述工艺管的排气口，其特征在于，所述石英枪为一端封闭的中空石英枪管，其开口端与所述进气管水平同轴密封连通，靠近封闭端环绕所述石英枪的侧壁设有I至若干组出气喷口，每组包括若干个所述喷口 ；其中，工艺气体由所述进气管进入所述石英枪后，可在各所述喷口处被均匀分流呈辐射状喷出，并在所述排气口的抽吸导向作用下覆盖喷向其斜下方的全部所述硅片表面。
2.根据权利要求1所述的进气石英枪，其特征在于，所述石英枪具有自所述开口端向所述封闭端等径的管径。
3.根据权利要求1所述的进气石英枪，其特征在于，所述石英枪具有自所述开口端向所述封闭端逐渐平滑缩小的管径。
4.根据权利要求1?3任意一项所述的进气石英枪，其特征在于，所述石英枪的中空横截面为圆形、椭圆形、矩形或正多边形中的任意一种形状。
5.根据权利要求1?3任意一项所述的进气石英枪，其特征在于，靠近所述封闭端的所述石英枪的侧壁设有若干喷口，所述喷口的数量为4?8个,各所述喷口环绕所述石英枪的径向均匀分布，所述喷口的形状为圆形、椭圆形、矩形或正多边形中的任意一种。
6.根据权利要求5所述的进气石英枪，其特征在于，各所述喷口的横截面积之和小于所述喷口处的所述石英枪的中空横截面积。
7.根据权利要求1?3任意一项所述的进气石英枪，其特征在于，沿靠近所述封闭端的所述石英枪的侧壁轴向设置有I至若干组所述喷口，每组所述喷口的数量为4?8个，并环绕所述石英枪的径向均匀分布，所述喷口的形状为圆形、椭圆形、矩形或正多边形中的任意一种。
8.根据权利要求7所述的进气石英枪，其特征在于，各组所述喷口在朝向所述石英枪的所述封闭端方向的轴向间距依次缩小。
9.根据权利要求8所述的进气石英枪，其特征在于，各组所述喷口的横截面积之和小于最接近所述封闭端的一组所述喷口处的所述石英枪的中空横截面积。
10.根据权利要求1所述的进气石英枪，其特征在于，所述石英枪与所述进气管之间采用球头和球碗配合方式密封及可拆卸连接，所述球头和球碗具有镜面研磨的配合面，可进行机械密封。
【文档编号】H01L21/67GK104409392SQ201410643612
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月6日 优先权日:2014年11月6日
【发明者】郝晓明, 桂晓波 申请人:北京七星华创电子股份有限公司