化学气相沉积设备的进气结构、进气方法及设备
技术领域
本发明属于半导体制造技术领域，具体涉及一种化学气相沉积设备的进气结构、进气方法及应用化学气相沉积设备的进气结构的化学气相沉积设备。
背景技术
化学气相沉积外延生长是将反应气体输送到反应腔室，通过加热等方式，使生长原子沉积在衬底上，长出单晶层。气相外延生长过程示意图如图1。
TCS(SiHCl3)作为一种硅外延所需的工艺气体，以液态的形式存放在鼓泡器中，通过氢气携带的方式将其携带进入反应腔室进行化学反应。氢气所携带的TCS的质量，会影响单晶的生长速率和厚度均匀性。
图2为相关技术中一种常见的TCS进气结构的示意图。如图2所示，在硅外延工艺中，控制器6通过控制管路中的质量流量控制器3来控制管路中的TCS的流量，以控制进入到反应腔室5中的TCS的进气量，进而控制单晶生长速率。
但在使用上述进气结构的过程中，仍会出现不同时刻制备的硅片的生长速率有差异，甚至同一硅片不同位置的厚度也不一样，从而导致硅片的厚度一致性较差，产品质量下降。
综上，如何提出一种提高硅片的厚度一致性的进气结构，成为本领域亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种化学气相沉积设备的进气结构、进气方法及应用化学气相沉积设备的进气结构的化学气相沉积设备，其能够提高硅片的厚度一致性。
作为本发明的一方面，本发明提供了一种化学气相沉积设备的进气结构，包括进气管路，所述进气管路用于将包括源气体和载气的工艺气体输送至所述化学气相沉积设备的反应腔室中，所述进气结构还包括浓度检测单元、流量调节单元和控制单元；其中，
所述浓度检测单元设置在所述进气管路上，用于检测所述进气管路中所述源气体的当前浓度值，并发送至所述控制单元；
所述流量调节单元用于调节所述工艺气体的当前流量值；
所述控制单元用于根据所述源气体的当前浓度值和所述源气体的目标浓度控制所述流量调节单元调节所述工艺气体的流量值，以调节所述反应腔室中的所述源气体的质量，使之等于目标质量。
可选地，所述流量调节单元包括第一质量流量控制器，所述第一质量流量控制器设置在所述进气管路上。
可选地，所述进气结构还包括鼓泡器和载气管路，其中，
所述鼓泡器用于存储液态的所述源气体，所述鼓泡器的出气端与所述进气管路的进气端连接；
所述载气管路的出气端与所述鼓泡器的进气端连接，用以将所述载气输送至所述鼓泡器中。
可选地，所述流量控制单元包括第二质量流量控制器，所述第二质量流量控制器设置在所述载气管路上。
作为本发明的第二方面，本发明提供了一种进气方法，其采用本发明提供的化学气相沉积设备的进气结构将包括源气体和载气的工艺气体输送至所述化学气相沉积设备的反应腔室中，所述进气方法包括以下步骤：
S1、利用所述浓度检测单元检测所述进气管路中所述源气体的当前浓度值；
S2、利用所述控制单元根据所述源气体的当前浓度值、所述源气体的预设的目标浓度值和所述工艺气体的当前流量值计算得到所述工艺气体的目标流量值；
S3、利用所述控制单元控制所述流量调节单元调节所述工艺气体的当前流量值，以调节所述反应腔室中的所述源气体的质量，使之等于目标质量。
可选地，当化学气相沉积设备的进气结构还包括第二质量流量控制器，所述第二质量流量控制器设置在所述载气管路上时，将工艺气体输送至所述化学气相沉积设备的反应腔室中；
在所述步骤S3中，利用所述控制单元控制所述第二质量流量控制器调节所述载气的当前流量值。
可选地，在所述步骤S2中，具体包括：
S21、判断所述源气体的当前浓度值是否等于预设的所述目标浓度值，若等于，则维持所述工艺气体的当流量值，若不相等，则进入所述步骤S3。
可选地，在所述步骤S2中，在步骤S21之前，还包括：
S20、判断所述源气体的当前浓度值是否在第一浓度值与第二浓度值的区间范围内，若不在，则停止进气；若在，则进行所述步骤S21；
其中，所述第一浓度为源气体的浓度下限值，且所述第一浓度值小于所述目标浓度值，所述第二浓度值为源气体的浓度上限值，且所述第二浓度值大于所述目标浓度值。
可选地，在所述步骤S3之后，还包括：
S4、判断工艺是否结束，若结束，则停止进气，若未结束，则返回所述步骤S1。
本发明提供的化学气沉积设备的进气结构和进气方法的技术方案中，利用浓度检测单元检测进气管路上源气体的当前浓度值，并利用控制单元根据源气体的当前浓度值和源气体的目标浓度值控制流量调节单元调节工艺气体的流量值，可以调节反应腔室中的源气体的质量，以使工艺气体中源气体的质量等于目标质量。这样，可以实现在不同时刻制备衬底时反应腔室中的源气体的质量一致，从而保证反应腔室中硅片生长速率的一致性，提高硅片的厚度一致性，进而提高产品良率。
本发明提供的化学气相沉积设备，其通过采用本发明提供的上述进气机构，可以实现在不同时刻制备衬底时反应腔室中的源气体的质量一致，从而保证反应腔室中硅片生长速率的一致性，提高硅片的厚度一致性，进而提高产品良率。
附图说明
图1为气相外延生长的示意图；
图2为相关技术中一种常见的TCS进气结构的示意图；
图3为本发明第一实施例提供的化学气相沉积设备的进气结构的结构示意图；
图4为本发明第二实施例提供的化学气相沉积设备的进气结构的结构示意图；
图5为本发明第三实施例提供的进气方法的流程框图；
图6为本发明第四实施例提供的进气方法的流程框图。
其中：
10-进气管路；21、22-气动阀；23-手动阀；31-第一质量流量控制器；32-第二质量流量控制器；50-反应腔室；60-控制单元；70-浓度检测单元；80-载气管路；90-鼓泡器。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的化学气相沉积设备的进气结构、进气方法及化学气相沉积设备进行详细描述。
如图3所示，本发明第一实施例提供了一种化学气相沉积设备的进气结构。该进气结构包括进气管路10，进气管路10用于将工艺气体输送至化学气相沉积设备的反应腔室50中。
在本实施例中，工艺气体包括源气体和载气，为二者的混合气体。源气体为在反应腔室中发生化学反应的气体，载气为携带着源气体进入反应腔室，但不进行化学反应的气体。
可选地，源气体包括SiHCl3。
可选地，载气包括H2。
下面将以源气体为SiHCl3，载气为H2为例，对进气结构的具体实施方式进行详细说明。
相关技术中，只监控进气管路中工艺气体的流量，往往会出现在同一批次硅片制作中，虽然进气管路中的工艺气体流量是一致的，但工艺气体进入反应腔室中的源气体的实际进气量仍然会发生变化的情况，进而导致硅片之间的生长速率有差异。实际上，只有保证源气体进入反应腔室50中的质量保持不变，才能真正达到生长速率保持一致的目的。基于此，本实施例提供的进气结构，其可以通过检测进气管路10中的源气体的浓度来调节工艺气体的流量，以保证源气体进入反应腔室50中的质量保持不变。
具体地，进气结构还包括浓度检测单元70、流量调节单元和控制单元60。其中，浓度检测单元70设置在进气管路10上，用于检测进气管路10中源气体的当前浓度值，并将源气体的当前浓度值发送至控制单元60；以源气体为TCS(SiHCl3)且载气为H2为例，浓度检测单元70检测SiHCl3的当前浓度值，所谓浓度值，是指在一定体积中所含SiHCl3的质量数。
流量调节单元用于调节工艺气体的当前流量值；在本实施例中，流量调节单元包括第一质量流量控制器31，第一质量流量控制器31设置在进气管路10上，用于检测并调节源气体与载气的混合气体，也即工艺气体的当前流量值。当源气体为TCS(SiHCl3)且载气为H2时，第一质量流量控制器31调节的是源气体TCS与载气H2的混合气体的当前流量值，而不是单独调节源气体TCS或载气H2的流量，这样不会改变工艺气体中源气体TCS与载气H2的混合比例，满足工艺要求。
控制单元60用于根据上述源气体的当前浓度值控制流量调节单元70调节工艺气体的流量值，以调节反应腔室50中的源气体的质量，使之等于目标质量。
作为一种获得目标浓度值的具体方式，假设与目标质量相对应的源气体的目标浓度值为C2，浓度检测单元70检测到的源气体的当前浓度值为C1，第一质量流量控制器31检测到的工艺气体的当前流量值为F1，调节后的工艺气体的流量值为F2。首先，计算当源气体的浓度为C1时，源气体的的体积V1，V1＝F1*C1，当源气体的浓度变为C2时，经过第一质量流量控制器31的流量系数为m，m＝((Cp载气)*C2+(Cp源气体)*(1-C2))/((Cp载气)*C1+(Cp源气体)*(1-C1))；计算源气体的浓度为C2时，源气体的实际流量值为aF，aF＝F1*m，源气体的实际体积为V2，V2＝C2*aF＝C2*F1*m；调节后的工艺气体的流量值F2的获取公式为：F2＝((V2-V1)/C2+F1*m)/m；其中，Cp载气以及Cp源气体分别为载气以及源气体的定压摩尔热容，为常数，例如以载气为H2，源气体为TCS(SiHCl3)为例，CpH2为28.83J/molk，CpTCS为75.42J/molk。
控制单元可以根据上述公式计算获得调节后的工艺气体的流量值F2，并进一步计算获得工艺气体的流量调整量(即，流量值FI和F2的差值)，然后将该流量调整量输出至流量调节单元。
本发明实施例提供的进气结构，其通过利用浓度检测单元检测进气管路上源气体的当前浓度值，并利用控制单元根据该当前浓度值和目标浓度值控制流量调节单元调节工艺气体的流量值，可以调节反应腔室中的源气体的质量，以使源气体的质量等于目标质量。这样，可以实现在不同时刻制备衬底时反应腔室中的源气体的质量一致，从而保证反应腔室中硅片生长速率的一致性，提高硅片的厚度一致性，进而提高产品良率。
借由本发明提供的进气结构，即便鼓泡器内的工艺气体存量发生变化，或者进气管路10中的温度变化，只是进气管路10内源气体的当前浓度值发生波动，本发明也可以通过对进气管路10中的源气体的当前浓度值进行监控，使得进入反应腔室50的源气体的质量等于目标质量，从而提高硅片的厚度一致性，进而提高产品良率。
在一些实施例中，进气结构还包括鼓泡器90和载气管路80。其中，鼓泡器90用于存储液态的源气体，鼓泡器90的出气端与10进气管路的进气端连接；载气管路80的出气端与鼓泡器90的进气端连接，用以将载气输送至鼓泡器90中。
在一些实施例中，进气结构还包括气动阀。气动阀设置在进气管路10上，用于控制进气管路10中工艺气体的通断。
可选地，气动阀的数量为多个。如图3所示，气动阀21和气动阀32分别设置在第一质量流量控制器31的上游和下游，通过设置多个气动阀，可以有效防止工艺气体的泄漏。
在一些实施例中，进气结构还包括手动阀。如图3所示，手动阀23设置在进气管路10上。通过设置多个阀门，从而增加密封工艺气体的可靠性，避免工艺气体泄露。
如图4所示，本发明第二实施例提供一种化学气相沉积设备的进气结构，其与上述第一实施例相比，其区别在于流量控制单元的设置位置和调节对象的不同。下面仅对与第一实施例的区别进行详细论述。
在本实施例中，流量控制单元包括第二质量流量控制器32，第二质量流量控制器32设置在载气管路80上，用于检测并调节载气的当前流量值。
此时，第二质量流量控制器32仅调节的是载气的当前流量值，而非源气体与载气的混合气体的当前流量值。需要说明的是，当气体环境(例如气体温度、压强等等)不发生改变时，载气携带源气体的能力是固定的，在这种情况下，可通过改变输送载气的流量，使得源气体的浓度维持在目标浓度，从而使得输送至反应腔室中的源气体的质量相同。
需要说明的是，在实际应用中，可以如第一实施例中所述那样单独设置第一质量流量控制器31，或者如第二实施例中所述那样单独设置第二质量流量控制器32，也可以同时设置第一质量流量控制器31和第二质量流量控制器32。当同时设置第一质量流量控制器31和第二质量流量控制器32时，可以只调节第一质量流量控制器31和第二质量流量控制器32中的一者，也可以同时调节第一质量流量控制器31和第二质量流量控制器32。
本发明第三实施例提供了一种进气方法。采用本发明第一方面提供的化学气相沉积设备的进气结构，将工艺气体输送至化学气相沉积设备的反应腔室中。具体地，如图5所示，进气方法包括以下步骤：
S1、利用浓度检测单元检测进气管路中源气体的当前浓度值。
S2、利用控制单元根据源气体的当前浓度值、预设的目标浓度值和当前流量值计算得到工艺气体的目标流量值。
S3、利用控制单元控制流量调节单元调节工艺气体的流量值，以调节反应腔室中的源气体的质量，使之等于目标质量。
本发明提供的进气方法，通过调整进气管路中工艺气体(包括载气和源气体)的流量值，使得反应腔室中源气体的质量等于目标质量，从而保证反应腔室中硅片生长速率的一致性，提高硅片的厚度一致性，进而提高产品良率。
进一步地，在步骤S1中，浓度检测单元用于检测源气体的当前浓度值。具体地，源气体的当前浓度值是指在一定体积中所含源气体的质量数。
进一步地，当采用具有第二质量流量控制器的进气结构将工艺气体输送至所述化学气相沉积设备的反应腔室中时，在步骤S3中，利用控制单元控制第二质量流量控制器调节载气的流量值。
如图6所示，在一些实施例中，在步骤S2中，具体包括：
S21、判断源气体的当前浓度值是否等于目标流量值，若等于，则进入步骤S22，若不等于，则进入步骤S3。
S22、维持工艺气体的流量值。
其中，“等于目标流量值”是指，完全等于目标流量值，或者与目标流量值的偏差。
在一些实施例中，在步骤S2中，在步骤S21之前，还包括：
S20、判断源气体的当前浓度值是否在第一浓度值与第二浓度值的区间范围内，若不在，则进入步骤S5；若在，则进行步骤S21。
S5、停止进气。
其中，第一浓度值为源气体的浓度下限值，且第一浓度值小于目标浓度值，第二浓度值为源气体的浓度上限值，且第二浓度值大于目标浓度值。
通过步骤S20，当源气体的当前浓度值不在第一浓度值与第二浓度值的区间范围之内时，判定系统可能出现故障，则停止进气，并发出提示，以使使用者能够根据提示，排查鼓泡器或者进气管路的故障。
在一些实施例中，在步骤S3之后，步骤S5之前，还包括：
S4、判断工艺是否结束，若结束，则进入步骤S5，若未结束，则返回步骤S1。
在一些实施例中，在工艺开始之前，也即在步骤S1之前，包括：
S0、接收第一浓度值、第二浓度值和当前流量值中的至少一者。
其中，第一浓度值、第二浓度值和当前流量值中均为使用者设定的。
其中，由于工艺参数发生改变，或源气体和载气中的至少一者发生改变，导致第一浓度值、第二浓度值和当前流量值中的至少一者发生改变，因此，使用者要根据实际工艺进行调整。当然，在实际应用中，当第一浓度值、第二浓度值和当前流量值均未发生改变时，也可以省略该步骤。
作为本发明的第三方面，本发明提供了一种外延生长设备，其包括进气结构和反应腔室，其中，外延生长设备的进气结构采用本发明第一方面提供的外延生长设备的进气结构，用于将工艺气体输送至所述反应腔室。
通过使用本发明提供的外延生长设备的进气结构，通过调整进气管路中工艺气体的当前流量值，使得反应腔室中源气体的质量等于目标质量，从而保证反应腔室中硅片生长速率的一致性，提高硅片的厚度一致性，进而提高产品良率。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明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发明的保护范围。
