CN103184428A

CN103184428A - 一种适用于等离子体加强化学气相沉积工艺设备的一体化真空腔体结构

Info

Publication number: CN103184428A
Application number: CN2012100509154A
Authority: CN
Inventors: 季安; 赖守亮
Original assignee: Beijing Punasen Electronic Science And Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Punasen Electronic Science And Technology Co Ltd
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2013-07-03

Abstract

本发明提供一种适用于等离子体加强化学气相沉积工艺设备的一体化真空腔体，其中的下电极和下部腔体是同一种材料、一体构成的一体化真空下腔体构件。本发明提供的适用于等离子体加强化学气相沉积工艺设备的一体化真空腔体，由于下部腔体和下电极为同样材料的一体化构件，能够解决热膨胀导致的密封问题，并且可以使得设备的结构简单，制造方便，降低成本。

Description

一种适用于等离子体加强化学气相沉积工艺设备的一体化真空腔体结构

技术领域

本发明涉及一种等离子体化学气相沉积工艺设备，尤其涉及该设备中的真空腔体结构。

背景技术

自从半导体芯片制造技术从上世纪70年代发展起来以后，等离子体工艺技术，包括等离子体薄膜沉积技术，得到了很大发展和应用。在等离子体薄膜沉积技术中，又包括物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)技术；而在化学气相沉积技术中，等离子体加强化学气相沉积(PECVD)技术的应用最为广泛。今天，PECVD设备和工艺被大量地应用于半导体芯片、LED芯片、太阳能电池片以及其他专门用途的电子器件的制造工艺上。

PECVD工艺，是在真空条件下借助射频能量所产生的电磁反应，将反应气体电离，产生等离子体。存在于等离子体中的有活性反应原子或分子，以及电子和离子。由于等离子体中的电子温度很高，可以达到几万度，因此等离子体虽然气体温度很低，活性反应原子或分子却可以在只有几百摄氏度(比如100-400℃)的基体表面发生化学反应，生成所需要的薄膜。如果不是由于等离子体的这一特殊性质，化学反应可能要在非常高的温度(比如5000-10000℃)条件下才能发生。由等离子体加强化学气相沉积(PECVD)工艺生成的薄膜材料，往往直接关系到芯片的制造工艺流程以及芯片的最终功能。比如，利用PECVD工艺生成的氮化硅(SiNx)薄膜，在大规模集成电路芯片上，可用来作密封层，因为它具有极佳的防潮、防盐或其它化学物质腐蚀的性质；在LED芯片和太阳能电池片上，它又可以作为光学膜来使用，因为它具有适宜的光学性质。

图1描绘的是通常的PECVD工艺腔室的机电配置，其中包括：工艺腔室上部腔体1a和下部腔体1c，其间设置腔体O-形密封圈1b，还包括同射频电源连接在一起的电极，其由设置在该上部腔体内的上电极1k和设置在该下部腔体内的下电极1i组成，下电极在电性上是接地的；在上腔体上设有工艺气体导入装置，工艺气体通过设置在上部腔体上的工艺气体导入口1m导入工艺腔室而进入上下电极之间，在上下电极之间设置气体喷淋头1j；在下部腔体上安装冷却装置，通常为冷却水管1e；在下电极上设置加热器1g。在下腔体1c和下电极1i之间还要设置密封垫圈1f和连接螺钉1h，将下腔体1c和下电极1i密封地固接在一起；在下腔体1c上还设有抽真空口。使用时，在下电极1i上放置基片1t。PECVD工艺腔室还包括图1中未显示出来的机电配置，例如还有真空泵、真空压力计、真空阀门、气柜、电源柜、射频源及自动匹配器，以及其它的控制器件等等。上述各种配置和器件，共同实现在工艺腔室内产生真空和等离子体的功能。从图1可以清楚地看到，下电极1i是单独加工制造出来，安装在下腔体1c上的。

PECVD的工艺过程，一般是在工艺腔室的真空度达到一定的要求后，引入工艺气体，然后启动与上电极1k连接在一起的大功率射频源和射频匹配器，将工艺气体电离，产生等离子体，并开始在基片1t上生长所需要的薄膜，直到薄膜的厚度达到工艺要求。上电极1k在工作状态时，具有几十到几百伏的负电势；而下电极1i则在电性上一直处于接地状态，不带任何电势。对基片1t的加热，是通过安装在下电极1i上的加热器1g来完成的。一般来说，加热器1g不安装在真空腔室内，加热器1g产生的热量，通过热传导的方式，经过下电极1i的顶端材料层，传递给置于下电极1i上的基片1t，将其加热。

本发明所关注的，就是这个下电极1i。下电极1i的主要功能包括：1，承载基片；2，为基片1t提供加热，比如沉积最为通用的氧化硅(SiO2)和氮化硅(Si3N4)膜，基片1t表面需要被加热到300-400摄氏度，并且具备适宜的导热性能；3，能有效地提供真空密封，并且在等离子体的化学条件下具有抗腐蚀的性能。

在PECVD技术发展之初，下电极的直径较小，即多在10英寸以下。直到今天，仍然有一部分技术单位还在使用小尺寸下电极的PECVD设备。在下电极尺寸较小的条件下，人们多采用一种被称为“蒙乃尔合金”的材料加工制造下电极。这种合金材料主要含镍(可达到60％以上)、铜(可达到20％以上)、铁、铝、钛和其他少量金属元素。蒙乃尔合金具有优良的抗腐蚀性能，尤其是对F-基、O-基和Cl-基等各种等离子体。除了具有同不锈钢材料相当的机械性能外，蒙乃尔合金还具有适宜PECVD工艺的热性能，包括较低的热膨胀系数和导热率。下表列举比较几种通用材料的热膨胀系数和导热率。

表1，几种通用材料的热膨胀系数和导热率材料

	蒙乃尔合金	304不锈钢	316不锈钢	金属Al
					热膨胀系数(20℃)(x10-6/℃)	13.9	17.3	16.0	23.1
导热率(20℃)(w/m-K)	21.8	16.2	16.3	237

当人们在选择适宜于用来制造PECVD下电极的材料时，除了要考虑到上述的材料机械性能和抗腐蚀性能外，材料的热性能也许是最重要的要素，这主要是基于以下两个原因：

1，在下电极的构造中需要冷却装置。如前所述，PECVD下电极的顶端在工艺条件下需要加热到300-400℃左右的温度。在热传导的条件下，下电极的底端也会被加热。可是如图1所示，在下电极1i的底端与下腔体1c的连接处，为了实现对真空腔室的有效密封，需要使用橡胶材质的O-形密封圈1f。如果此处的局部温度过高，那么该O-形密封圈就可能会被灼烧损坏，导致真空密封失效。除此之外，为了设备使用过程中的安全性，各国对工艺设备的外表面温度，都制订了严格的工业标准，比如西方发达国家的CE和SEMI认证，要求工艺设备的外表面温度不能高于55℃。因此，在PECVD工艺设备的下腔体1c上，需要安装水冷装置1e(见图1)，以降低O-形密封圈附近的温度和设备外表面的温度。从这一点上看，导热率较低的金属材料更适合于用来加工制造下电极。

2，在温度升降过程中，需要保持真空密封。在加热的时候，下电极会发生热膨胀。如果下电极是用蒙乃尔合金加工而成，并且具有10英寸的直径，那么当温度由室温升至400℃时，下电极的顶端会在径向膨胀1.3毫米。在有水冷的条件下，下电极的底端的热膨胀量不会有这么大。

但是即便如此，下电极底端的热膨胀量可能也会达到0.5毫米左右。这样的膨胀量，会导致下电极1i的底端相对于下腔室1c的底部和O-形密封圈1f之间发生相对运动或滑动。这种相对运动或滑动，会进一步在O-形密封圈1f表面处造成划痕，导致该密封圈失效。为此，为了确保下电极1i底端附近的真空密封效果，在下电极1i的底端往往要加上“侧向”的O-形密封圈1d，如图1中所示。从这一点上看，热膨胀率较低的金属材料更适合于用来加工制造下电极。

蒙乃尔合金由于具有低导热率和低热膨胀率的性质，被广泛选用制造PECVD设备的下电极。但是，这种材料本身难于加工，而且成本较高；在用来制作PECVD下电极时，还涉及到一些特殊的机械加工技术，比如电子束焊接。因此，使用蒙乃尔合金制造PECVD工艺设备的下电极，往往成本很高。一个10英寸直径的蒙乃尔合金下电极，制造成本可达到近10万元。

在近几年中，由于半导体芯片和LED芯片的制造工艺要求使用更大直径(比如16-20英寸)的下电极，人们开始寻求使用其它材料来加工制造PECVD设备的下电极。经常被采用的技术设计是：下电极的上半部分2e用铝金属或者铝合金，其上放置基片2i，而下电极的下半部分2f则采用不锈钢材料，如图2所示。在图2所示的PECVD工艺设备下部的机电配置中，包括工艺腔室下部腔体2a，同下部腔体连接在一起的下电极，安装在下电极上的加热器2g，其通过螺钉2h固结在下电极的上半部分2e上，在下部腔体上安装冷却水管2c；在下部腔体2a上设置抽真空口(设置双箭头处)；下电极的下半部分2f与下部腔体2a之间设置O-形橡胶真空密封圈2b，并且由连接螺钉2d固定。同时也包括没有在图2中显示出来的机电配置，如真空泵、真空压力计、真空阀门，等等。

人们使用两种不同的材料来加工制造PECVD设备的下电极，也正是基于对材料的导热和热膨胀性能的考虑。换言之，如果完全使用蒙乃尔合金制造大直径的下电极成本过高，那么为什么不能完全使用金属铝或者铝合金材料？答案在于铝或铝合金具有很强的导热性。如前所述，在电极最底端，即O-形密封圈附近要采用水冷装置，否则橡胶材质的O-形真空密封圈会在高温下遭到破坏，从而导致真空密封失效。可是，由于水冷管距离下电极的顶端太近，在极好的热传导条件下，很难在下电极的顶端和底端造成和维持300-400℃的温度差。这样，使用导热率比铝小很多的蒙乃尔合金或者不锈钢来充当“热阻碍”，便成为一种自然的选择。

可是，如果下电极的上半部分是铝材料而下半部分是蒙乃尔合金或者不锈钢材料，就又造成另外一个技术的问题。铝与蒙乃尔合金或者不锈钢制材料的热膨胀系数差异很大，如前面的表1所示。在室温下，铝的热膨胀系数为23x10^-6/℃，而蒙乃尔合金的热膨胀系数为14x10^-6/℃。假设下电极的直径为16英寸，即400毫米，并且是蒙乃尔合金材料，那么当下电极加热到400℃时，热膨胀会导致铝制部分电极在径向要多膨胀1.3毫米。如果电极的下部是不锈钢材料，则铝制电极部分在径向要多膨胀0.9-1.0毫米。如果是上半部分的铝材料与下半部分的蒙乃尔合金或不锈钢是通过焊接方式连接在一起，则如此大的热膨胀失配会在焊接面产生很大的剪切力，导致焊接缝点失效。更进一步，我们都知道，铝表面在一般环境下极易被氧化，铝制材料与蒙乃尔合金或不锈钢材料很难有效地焊接在一起。为此，人们采用一些特殊焊接工艺，使得铝同蒙乃尔合金或不锈钢材料实现焊接，并且保证焊缝具有良好的真空密封性能。如此的特殊焊接技术，一方面造成很高的制造成本，另一方面也非尽善尽美。

发明内容

本发明的目的在于改进现有技术的不足，提供一种适用于等离子体加强化学气相沉积工艺设备的一体化真空腔体结构，使其既能够满足传导热量的要求，也能够解决热膨胀导致的密封问题，并且可以使得设备的结构简单，制造方便，降低成本。

本发明的目的是这样实现的：

一种适用于等离子体加强化学气相沉积工艺设备的一体化真空腔体，包括上部腔体、下部腔体，还包括同射频电源连接在一起的电极，其由设置在该上部腔体内的上电极和设置在该下部腔体内的下电极组成，下电极在电性上是接地的；在所述上部腔体上设有工艺气体导入装置，其通过设置在上部腔体上的工艺气体导入口将工艺气体导入工艺腔室而进入上下电极之间，在上下电极之间设置气体喷淋头；在下部腔体上安装冷却装置；在下电极上设置加热器，其置于所述真空腔体构成的真空腔室的外面，在该真空腔体上设有抽真空口；其特征是：其中的下电极和下部腔体是同一种材料、一体构成的一体化真空下腔体构件。

在本技术方案中，下部腔体与下电极的结合结构得到显著简化，这种一体化结构的一个显著特点是在下部腔体和下电极之间无需使用O-形橡胶密封圈；另一个显著特点是，下电极由一种材料加工而成，即使在下电极直径很大的情形下，也不涉及到两种不同的金属材料的焊接问题。这样，既减少了部件和装配的复杂性、降低制造成本，又可以大幅度提高下部工艺腔室与下电极使用的可靠性。

进一步地，构成所述一体化真空下腔体构件的材料是金属材料，具体的，所述的金属材料最好是满足如下条件的金属材料：

(1)材料的硬度：80-200HB或50-100HRB，或100-200HV；

(2)材料的导热率：5-200W/m-K。

这样的材料易于机械加工成形，例如车削，或者浇铸。

所述金属材料具体例如可以是铝或铝合金材料，铝合金例如是6041系列或7075系列的铝合金，这两种系列的合金的导热率比纯铝金属要分别低12％和30％。该一体化真空下腔体构件也可以是其它易于进行机械加工或者浇铸成型的金属材料。

所述一体化真空下腔体构件的腔壁，对应于下电极的部分的腔壁，可以与其它部分有不同的厚度。该部分的厚度依据使用要求而定。

另外，在所述下电极上设置的加热器可以是固定设置在相对于所述一体化真空下腔体构件中所述下电极的外侧的下腔体构件的下底外表面上，或者，所述下腔体的下底面设有一个内凹部，所述内凹部的内凹腔的上顶部即为下电极，在该上顶部的顶面上固设所述加热器。

在所述下电极外缘的外面的所述下部腔体底部的***边缘区域设置冷却水管。

进一步地，在该内凹部的内凹腔的侧面的侧壁的外表面上开设有设定宽度和深度的凹形沟槽。

该凹形沟槽可以是在所述内凹腔的周向环绕的周向环槽。

通过该凹形沟槽使得该处的腔体壁变薄，由此，可以增加侧壁的热传导阻力，从而保证下电极上与基片接触部分的温度，这一结构使得下电极整体使用导热快的铝或铝合金材料制作下电极的情形下能够确保接触基片的下电极上部分保持符合使用要求的温度，且下部腔体上设置的冷却装置对于下部腔体的冷却不对下电极产生影响。该凹形沟槽还可以起到减少加热器的能耗和减少下部腔体温度升高而减少冷却***的工作负荷的作用。

所述一体化真空下腔体构件可以从整块的金属铸锭加工而成的构件，也可以借助预制的模具浇铸而成的构件。

本发明提供的适用于等离子体加强化学气相沉积工艺设备的一体化真空腔体，由于下部腔体和下电极为同样材料的一体化构件，能够解决热膨胀导致的密封问题和连接问题，并且可以使得设备的结构简单，制造方便，降低成本。

下面通过附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为现有技术中的一种等离子体加强化学气相沉积工艺设备的一体化真空腔体的结构示意图。

图2为现有技术中的另一种等离子体加强化学气相沉积工艺设备的一体化真空腔体的结构示意图。

图3为本发明提供的等离子体加强化学气相沉积工艺设备的一体化真空腔体中的一体化真空下腔体构件的结构示意图。

图4为本发明提供的等离子体加强化学气相沉积工艺设备的一体化真空腔体中的一体化真空下腔体构件的另一个结构的示意图。

具体实施方式

如图3所示，本发明提供的等离子体加强化学气相沉积工艺设备中的下腔体和下电极是同一种材料、一体构成的一体化真空下腔体构件3a。

在所述下电极上设置的加热器3d是固定设置在相对于所述一体化真空下腔体构件中所述下电极的外侧的外表面上。也可以是在相对于所述一体化真空下腔体构件中下电极的外侧设置一个内凹部，基片3e就设置在真空腔室中所述内凹部的上顶面的平面板上，在真空腔室外面，该内凹部的内凹腔壁上设置所述加热器3d，其通过下电极与基片内外对应。该加热器3d通过连接螺钉与下电极连接固定。加热器3d也可以采用焊接结构连接在下腔体上。

如果将加热器放置于真空腔内，则对加热器的设计和选材以及加工技术都要有特殊要求，造成设备制造成本急剧增加。而将加热器放置于真空腔外，则不涉及到那么多的专门的机械加工技术，对加热器选材要求也较低，因而成本相对较低。

在对应所述下电极外缘的外面的所述下部腔体底部的***边缘区域设置冷却水管3b。

所述内凹部的内凹腔的上顶部即为下电极与下腔体的下底面之间的间距需要按照要求设定。如果太近，则下腔体的下底面的温升较高。另一方面，设置在下腔体下底面上的冷却水管的降温也要影响到下电极的温度，从而影响沉积工艺过程的正常进行。

在一体化真空下腔体构件上对应真空下腔体的下部腔壁上设置抽真空口(见图3中双箭头所在位置)。

制作真空腔体的金属材料最好是满足如下条件的金属材料：

(1)材料的硬度：80-200HB或50-100HRB，或100-200HV；

(2)材料的导热率：5-200W/m-K。

在本实施例中，一体化真空下腔体构件采用铸锭铝材料，比如6041系列的铝合金铸锭制作，将铝锭直接“掏空”构成上面的真空腔体的下腔体部分和下面的对应下电极下面的内凹腔，现有技术中的工业机械加工技术，在这方面早已经成熟并且得到广泛的应用。在此不需赘述。而需要说明的是，通过在一块铸锭上加工本一体化真空下腔体构件，比起加工出各部分构件再焊接起来，其构件壁的物理性能和机械性能更加均匀。

在使用时，将要沉积等离子的基片3e置于下电极上，置于上下电极之间，生长所需要的薄膜。

本发明提供的一体化的真空下腔体使得下腔体与下电极成为一体结构，可完全避免了现有技术中下腔体和下电极之间使用的橡胶材质的O-形密封圈，就可以减轻对下电极底端局部进行水冷的要求。这样一来，对水冷***的要求就可以简化到：

(1)保证工艺腔室外部表面的温度不超过55℃；

(2)同时保证下电极的顶部温度能够达到并且维持在工艺温度(比如400℃)。

满足第一个条件，要相对容易，比如，可以将冷却水管移至下腔室底部的***边缘区域或者加大冷却水流量。

满足第二个条件，则需要考虑更多的因素。假设冷却水管处的温度和下电极的顶部温度都恒定，则有三个物理变量共同控制这两个温度的差值，这三个变量是：(1)加热器的输出功率；(2)水冷管的冷却功率；(3)热传导路径的几何尺寸，包括(i)下电极侧壁的几何截面积和(ii)下电极顶部与水冷管的热传导距离。另一个影响上述温度差值的变量，就是下电极向周围环境的热散失。不过，人们可以借助许多关于热传导的计算方法和工具来准确计算和设计出下电极的几何尺寸(包括侧壁厚度和下电极的高度)、水冷管的尺寸和安装的位置，等等。

从理论上讲，如果使用铝或者铝合金材料加工出同下部腔体一体的下电极，那么下电极的侧壁的厚度不应太大，否则由于铝材料良好的导热性能，下电极的顶部温度也许不可能达到或者维持在工艺温度(比如400℃)。在另一方面，下电极侧壁的厚度也不应太小。由于在工作条件下，下电极的一面处在真空环境，另一面则处在大气压下，下电极的顶部需要承受高达数吨的大气压力，如果侧壁太薄，那么就不能有足够的机械强度来保持其自身的机械稳定性。图4给出了一种解决这一问题的办法，图4提供的一体化下腔体4a与图3提供的一体化下腔体结构基本相同，其上同样固设加热器4e，通过螺钉4g固定在下电极上，下电极上放置基片4f，在下腔体42下底面上靠外侧设置冷却水管4b。与图3的实施例不同的是，在下电极的侧壁朝外的侧面上加工出具有设定宽度和深度的凹形沟槽4c。这样，使得凹形沟槽处的壁厚减薄。通过这样的结构可以局部降低沿真空腔壁的热传导效率，以提高对温度的有效控制，又能保证下电极整体的机械强度。其它的降低腔壁热传导效率的解决办法，还可以包括增加下电极下面所述侧壁的高度。上面提及的将冷却水管尽量移至下腔室底部的外边缘，也是一种类似的降低热传导效率的办法之一。

一体化的工艺腔体与下电极结构，既然使用单一的金属材料(比如铝材料)制造下电极，就完全避开了通常要面临的两种金属材料的焊接和热膨胀失配的问题。因此，既增强了真空密封的可靠性，又减少了构件数量、机械加工的难度和加工制造成本。如果使用铝金属材料，现在可能会遇到下电极表面在等离子体环境中的腐蚀问题。不过，在生长通常所见的氧化硅或氮化硅薄膜时，所用到的工艺气体(包括SiH₄，NH₃，N₂O，He，N₂等气体)或其对应的等离子体对铝金属并无腐蚀性；即使在利用等离子体清洗工艺腔室内表面时，所用到的气体(包括SF₆，N₂O，Ar等气体)或其对应的等离子体也对铝金属材料无腐蚀性。在使用PECVD设备生长其它薄膜材料时，也许会使用到对铝材料具有腐蚀性的工艺气体或等离子体，在这种情况下，可采用对阳极氧化的技术，对铝电极表面作钝化处理，以加强下电极的抗腐蚀性能。

在图1-4中描绘的真空扩散板1s、2j、3f和4d，一般采用带有多个孔洞的铝制薄板。在抽真空的条件下，这样的扩散板可以调节气体或等离子体在真空里的扩散均匀性，以增加PECVD工艺的均匀性。在图1-4中描绘的基片1t、2i、3e和4f，可以是单片或多片基片。对诸如此类的细节，在此不一一赘述。

一体化的真空腔体结构，适用于等离子体加强化学气相沉积工艺(PECVD)设备，也可以适用于其它类型的真空工艺设备和表面处理设备。

Claims

1.一种适用于等离子体加强化学气相沉积工艺设备的一体化真空腔体，包括上部腔体、下部腔体，还包括同射频电源连接在一起的电极，其由设置在该上部腔体内的上电极和设置在该下部腔体内的下电极组成，下电极在电性上是接地的；在上腔体上设有工艺气体导入装置，其通过设置在上部腔体上的工艺气体导入口导入工艺腔室而进入上下电极之间，在上下电极之间设置气体喷淋头；在下部腔体上安装冷却装置；在下电极上设置加热器，其置于所述真空腔体构成的真空腔室的外面，在该真空腔体上设有设有抽真空口；其特征在于：其中的下电极和下部腔体是同一种材料、一体构成的一体化真空下腔体构件。

2.根据权利要求1所述的一体化真空腔体，其特征在于：构成所述一体化真空下腔体构件的材料是金属材料。

3.根据权利要求2所述的一体化真空腔体，其特征在于：所述的金属材料是满足如下条件的金属材料：

(1)材料的硬度：80-200HB或50-100HRB，或100-200HV；

(2)材料的导热率：5-200W/m-K。

4.根据权利要求3所述的一体化真空腔体，其特征在于：所述金属材料是铝或铝合金材料。

5.根据权利要求4所述的一体化真空腔体，其特征在于：所述铝合金材料是6041系列或7075系列的铝合金。

6.根据权利要求1所述的一体化真空腔体，其特征在于：所述一体化真空下腔体构件的腔壁，对应于下电极的部分的腔壁，与其它部分有不同的厚度。

7.根据权利要求1所述的一体化真空腔体，其特征在于：在所述下电极上设置的加热器是固定设置在相对于所述一体化真空下腔体构件中所述下电极的外侧的下腔体构件的下底外表面上，或者，所述下腔体的下底面设有一个内凹部，所述内凹部的内凹腔的上顶部即为下电极，在该上顶部的顶面上固设所述加热器。

8.根据权利要求1所述的一体化真空腔体，其特征在于：在所述下电极外缘的外面的所述下部腔体底部的***边缘区域设置冷却水管。

9.根据权利要求1所述的一体化真空腔体，其特征在于：所述下腔体的下底面设有一个内凹部，所述内凹部的内凹腔的上顶部即为下电极，在该内凹部的内凹腔的侧面的侧壁的外表面上开设有设定宽度和深度的凹形沟槽。

10.根据权利要求1至9之一所述的一体化真空腔体，其特征在于：所述一体化真空下腔体构件是从整块的金属铸锭加工而成的构件，或者，是浇铸而成的构件。