一种基于MEMS的气体控制模块及其应用于的半导体设备的制作方法

本发明总的来说涉及半导体设备。具体而言，本发明涉及一种基于mems的气体控制模块、构造方法及其应用于的半导体设备。

背景技术：

1、真空连接径向密封(vcr，vacuum coupling radius seal)接头是一种金属面密封接头(metal gasket face seal fitting)，目前被广泛应用于半导体设备中。图1示出了现有技术中一个vcr接头的结构示意图。如图1所示，vcr接头的密封元件采用金属垫片，通过内、外螺纹互锁来压迫金属垫片，使垫片产生一定的变形，从而达到密封的效果。

2、由于每两个元件之间都需要使用一对vcr接头，vcr接头会占据阀门等元件之间大量的横向空间，随着半导体设备的大型化和多腔化，vcr接头逐渐无法满足半导体设备的小型化需求。

3、对于气体控制装置可以使用表面贴装(surface mount)的气体分配模块技术或者模块化(modular)技术，其中气体在块(block)内水平方向流动，阀门、过滤器等气体控制元件表面贴装在块(block)上构成水平密封面。密封类型包括w形密封(w-seal)和c形密封(c-seal)。w形密封和c形密封具有1.125和1.5inch两种不同的规格，宽度分别为28.5和39mm。

4、气体面板(gas panel或者gas box)是半导体设备中的关键组件，它主要用于控制气体压力，将源气体的压力降低到理想规格，以确保气体按照正确的流量和压力输送。气体面板通常包括多条气体输送装置(gas stick)，在一条气体输送装置中，质量流量控制计(mfc)前手动阀、气动阀、过滤器、压力显示器、调压阀、三通等部件通常需要占据7到8个底座，长度大约为28.5×7至39×8即200mm-320mm，质量流量计的长度大约为90-110mm。图2示出了现有技术中一个气体面板的结构示意图。如图2所示，该气体面板设有9条气体输送装置，并且设有3个空位为三通阀等横向连接，9条气体输送装置的盘面长度约为400mm-500mm，宽度为480-680mm。该气体面板难以满足复杂的多种气体混气和/或混气后进行比例分配的需求，为实现该需求需要设置最多三重mfc以及更多的三通阀、四通阀以实现复杂的吹扫，此时气柜的长度通常需要进一步增加300mm。如果使用更小的仅有毫米见方的微机电系统(mems)微阀门制造的mfc来代替目前的大型mfc，则可以大大减少气体面板(gas panel或者gas box)；与此同时继续使用传统的基于模块化气体系统(igs)和vcr形式的连接方式以及传统的igs/vcr连接的机械式三通阀、四通阀会成为气体面板集成的瓶颈(体积巨大使得气体面板无法容纳更多气路，精度不高机械阀门死区容量大产生大量的滞留气体residential gas)。因此需要进一步开发基于mems技术的三通阀、四通阀以及混气和/或混气后进行比例分配，以进一步降低气体面板(gas panel或者gas box)以及提升气体面板(gas panel或者gas box)的气体控制精度。

技术实现思路

1、为至少部分解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种基于mems的气体控制模块，包括：第一衬底和第二衬底，其中在第一衬底以及第二衬底之间形成中间腔体，

2、第一衬底包括多个第一通道，所述第一通道的第一端设有第一微阀门阵列，第一通道的第二端与中间腔体相连，

3、第二衬底包括多个第二通道，所述第二通道的第一端与中间腔体相连并设有第二微阀门阵列，所述第二通道的第二端为出口，使得中间腔体内的气体通过所述第二微阀门阵列和第二通道流出。

4、在本发明一个实施例中规定，多个第一微阀门阵列被配置为对多种反应气体进行质量流量控制；和\或

5、多个第二微阀门阵列被配置为对混合后的反应气体进行质量流量控制或者通量控制。

6、在本发明一个实施例中规定，所述质量流量控制原理为热式或者压力式。

7、在本发明一个实施例中规定，所述基于mems的气体控制模块还包括：

8、外壳，所述外壳包围第一衬底以及第二衬底或设置在第一衬底以及第二衬底之间；和/或

9、截止阀，其布置在所述第一通道和\或所述第二通道的下方。

10、在本发明一个实施例中规定，其中吹扫气体从所述第一通道流入气体控制模块，并且吹扫气体从第一通道或者第二通道流出气体控制模块。

11、在本发明一个实施例中规定，所述第一微阀门阵列以及第二微阀门阵列包括隔膜阀或者悬臂梁隔膜阀。

12、在本发明一个实施例中规定，所述基于mems的气体控制模块还包括：

13、控制系统，其被配置为控制所述第一微阀门阵列以及第二微阀门阵列的开启和关闭。

14、在本发明一个实施例中规定，所述基于mems的气体控制模块还包括：

15、气体搅拌装置，其布置在所述中间腔体内，所述气体搅拌装置被配置为加速多种反应气体的混合。

16、在本发明一个实施例中规定，第一衬底和\或第二衬底由多个晶圆键合形成。

17、在本发明一个实施例中规定，mems阀门以及基于mems键合或者封装构成的体积更小的混气或者比例分配腔体，其特征尺寸为5mm一10微米。

18、在本发明一个实施例中规定，基于mems的气体控制模块的控制精度提高1至12个数量级。

19、在本发明一个实施例中规定，还包括被动混合单元和/或主动混合单元，设置在基于mems的气体控制模块的内部和/或周围，

20、被动混合单元是设置在通道或中间腔体内的楔形入口、z型通道、三维蛇形通道结构、镶嵌结构、扭曲通道、化学表面；

21、主动混合单元是设置在通道或中间腔体内或外部的声波发生装置、压力扰动施加装置、磁场发生装置、电场发生装置、加热器。

22、在本发明一个实施例中规定，基于mems的气体控制模块还包括设置在基于mems的气体控制模块内部的压力和温度传感器。

23、在本发明一个实施例中规定，所述压力和温度传感器测量的参数至少包括阀门上游压力，衬底间的压力和温度以及阀门下游压力。

24、本发明还提出一种半导体设备，包括：

25、多条进气管路，其与多个气体控制模块连接；

26、多个气体控制模块，其是所述基于mems的气体控制模块，其中多种反应气体通过进气管路流入所述气体控制模块中进行混合；以及

27、反应腔体，其与所述气体控制模块连接，其中混合后的反应气体从气体控制模块进入反应腔体在待加工衬底上进行反应。

28、在本发明一个实施例中规定，所述半导体设备还包括：

29、进气模块，其中多条进气管路经过所述进气模块与多个气体控制模块连接；以及

30、出气模块，其中吹扫气体自多个气体控制模块流出后流向所述出气模块。

31、本发明至少具有如下有益效果：本发明提出一种基于mems的气体控制模块、构造方法及其应用于的半导体设备，其中利用mems和半导体封装技术对气体面板的结构进行优化，能够获得尺寸更小的气体面板，进而对反应腔体进行更大数量的多路气流分区控制。

32、同时由于使用了精度更高的mems阀门和基于mems键合或者封装构成的体积更小的混气或者比例分配腔体，其特征尺寸为5mm-10微米，气体控制精度也得以提高1-12个数量级。在本发明中，“特征尺寸”可理解为“特征长度”，如对于某个物体，特征长度通常是指该物体长度中有代表意义的长度。例如，如果基于mems的气体控制模块的关键部件的三维结构大致为球形，则特征尺寸指的是该球形的半径或直径；或者如果基于mems的气体控制模块的关键部件的三维结构大致为长方体，则特征尺寸指的是该长方体的长、宽或高。现有技术的气体面板的关键部件的特征尺寸是1.125inch，而基于mems的气体控制模块的特征尺寸是5mm-10微米。气流质量流量的单位为sccm或slm，特征尺寸下降1个数量级意味着控制精度提高3个数量级，100微米级别的mems可以提供至多12个数量级的精度提升。即，当现有技术的控制精度为1sccm时，特征尺寸下降1个数量级，控制精度为1/103sccm。