CN110894595B - 气相沉积设备及其清洗方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气相沉积设备及其清洗方法。包括工艺腔室、设置在所述工艺腔室内的至少一组容性耦合电极组件以及位于所述工艺腔室外的至少一组电感耦合组件，每组所述电感耦合组件均包括介质筒和环绕在所述介质筒外周的射频线圈，其中，所述介质筒的第一端可通断性地与所述工艺腔室连接，第二端用于可通断性地与清洗气体源连接；所述射频线圈的输入端经由匹配器与射频电源连接，输出端与其所对应的所述容性耦合电极组件的一端连接。射频线圈可以产生较高的等离子体密度，射频线圈可以距离工艺腔室内部路径短，F自由基复合率低，F自由基密度得以提高，再加上原位清洗的配合，可以提高清洗效率。

Description

气相沉积设备及其清洗方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种气相沉积设备以及一种气相沉积设备的清洗方法。
背景技术
增强型等离子体气相沉积设备(PECVD，Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition)，是普遍用于光伏、发光二极管(LED，Light Emitting Diode)、微机电***(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)及集成电路(IC，Integrated Circuit)等相关领域的一种薄膜沉积设备，主要应用是在晶圆(wafer)表面沉积一层SiO2或SiNx或SiON薄膜，目前该种设备已经大量应用在相关半导体领域。
PECVD在成膜过程中，颗粒对制程影响非常大。由于长时间成膜，腔室内部膜层会变的特别厚，且易脱落。为了避免腔室因膜层脱落造成的污染，且减少腔室的人工清洗的方式，通常利用腔室自身的***或引入其他的清洗源对腔室进行清洗，以减少设备的平均维护周期，并能够提高腔室内部的清洗效果。
相关技术中，电感耦合装置包括位于腔室内的容性耦合电极，通过容性耦合电极放电电离工艺气体形成等离子体，完成沉积工艺。为了实现清洗，一般通过安装远程等离子体源结合容性耦合电极进行腔室内沉积的薄膜清洗。
但是，远程等离体子产生的F自由基一般需要狭长的管道输入至腔室，因为远程等离子体源产生高密度F自由基依赖于高气压、高清洗气体流量和高功率等条件，但是直接等离子体***工作压力普遍在1Torr量级，因此需要通过气体输运管道将自由基输运至工艺腔减小远程等离子体源与腔室内的压力梯度，避免气压剧烈变化超出直接等离子体源的起辉窗口。但是位于远程等离子体源与工艺腔之间的气体输运管道会增加F自由基与气体管路内壁的附合，降低了F自由基的浓度。采用直接等离子体方式清洗，清洗速率慢且会降低匀流板寿命。此外，远程等离子体源往往价格比较昂贵，其中的微波源及放电腔均属于损耗件，使用成本高昂。
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，提出了一种气相沉积设备以及一种气相沉积设备的清洗方法。
为了实现上述目的，本发明的第一方面，提供了一种气相沉积设备，包括工艺腔室、设置在所述工艺腔室内的至少一组容性耦合电极组件以及位于所述工艺腔室外的至少一组电感耦合组件，每组所述电感耦合组件均包括介质筒和环绕在所述介质筒外周的射频线圈，其中，
所述介质筒的第一端可通断性地与所述工艺腔室连接，第二端用于可通断性地与清洗气体源连接；所述射频线圈的输入端经由匹配器与射频电源连接，输出端与其所对应的所述容性耦合电极组件的一端连接。
可选地，所述气相沉积设备还包括至少一个电压调节元件，所述电压调节元件串联设置在其所对应的所述射频线圈和所述容性耦合电极组件之间，用以调节与其所对应的所述容性耦合电极组件的电压。
可选地，所述电压调节元件为可调电容，所述可调电容的第一端与其所对应的射频线圈的输出端电连接，所述可调电容的第二端与其所对应的所述容性耦合电极组件的第一端电连接。
可选地，所述射频线圈呈柱状结构。
可选地，每组所述容性耦合电极组件均通过进气管路与所述工艺气体源连接。
可选地，每组所述容性耦合电极组件均包括第一极板以及与所述第一极板相对设置的第二极板，其中，所述第一极板上设置有若干个贯穿其厚度的进气孔，所述进气孔与所述进气管路连通，所述第一极板与其所对应的所述射频线圈的输出端电连接，所述第二极板接地。
可选地，所述气相沉积设备还包括至少一个开关阀，每个所述开关阀对应一个所述介质筒，所述开关阀设置在与其所对应的所述介质筒的底部开口处，用于控制所述介质筒与所述工艺腔室的通断。
可选地，所述气相沉积设备还包括屏蔽盒，所述屏蔽盒位于所述工艺腔室的上方，所述电感耦合组件设置在所述屏蔽盒内部，所述射频电源和所述匹配器均设置在所述屏蔽盒外部。
可选地，所述介质筒的直径范围为50mm～100mm，和/或，所述介质筒的高度范围为100mm～300mm，和/或，所述介质筒与所述射频线圈之间的间隙范围为1mm～10mm。
本发明的第二方面，提供了一种气相沉积设备的清洗方法，所述气相沉积设备为前文记载的所述的气相沉积设备，所述清洗方法包括：
步骤S110、所述射频电源经由所述匹配器分别向所述射频线圈和所述容性耦合电极组件提供射频功率；
步骤S120、向所述介质筒和所述工艺腔室提供清洗气体；
步骤S130、容性耦合电极组件容性放电，激发位于所述工艺腔室内的清洗气体形成主清洗等离子体；同时，控制所述射频线圈处于放电模式，激发位于所述介质筒内的清洗气体形成辅助清洗等离子体；
步骤S140、利用所述主清洗等离子体和所述辅助清洗等离子体清洗所述工艺腔室预设时间。
本发明的气相沉积设备及其清洗方法，其采用电感耦合组件和容性耦合电极组件相结合的方式，射频线圈可以产生较高的等离子体密度，射频线圈距离工艺腔室内部路径短，F自由基复合率低，F自由基密度得以提高，再加上原位清洗的配合，可以提高清洗效率。此外，由于射频线圈和容性耦合电极组件可以共用射频电源和匹配器等，可以有效降低电感耦合装置的制作成本，提高经济效益。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明第一实施例中气相沉积设备的结构示意图；
图2为图1中所示的气相沉积设备的俯视图；
图3为本发明第二实施例中气相沉积设备在进行沉积工艺时的等效电路图；
图4为本发明第三实施例中气相沉积设备在进行清洗工艺时的等效电路图；
图5为本发明第四实施例中气相沉积设备的清洗方法的流程图。
附图标记说明
100：气相沉积设备；
110：工艺腔室；
120：容性耦合电极组件；
121：第一容性耦合电极组件；
122：第二容性耦合电极组件；
123：第三容性耦合电极组件；
124：第四容性耦合电极组件；
125：第一极板；
125a：进气孔；
126：第二极板；
130：电感耦合组件；
131：介质筒；
131a：第一介质筒；
131b：第二介质筒；
131c：第三介质筒；
131d：第四介质筒；
132：射频线圈；
132a：第一射频线圈；
132b：第二射频线圈；
132c：第三射频线圈；
132d：第四射频线圈；
140：匹配器；
150：射频电源；
160：电压调节元件；
161：第一可调电容；
162：第二可调电容；
163：第三可调电容；
164：第四可调电容；
170：进气管路；
180：开关阀；
181：第一开关阀；
182：第二开关阀；
183：第三开关阀；
184：第四开关阀；
191：抽真空装置；
192：屏蔽盒。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如图1、图2、图3和图4所示，本发明的第一方面，涉及一种气相沉积设备100，该气相沉积设备100包括工艺腔室110、设置在工艺腔室110内的至少一组容性耦合电极组件120以及位于工艺腔室110外的至少一组电感耦合组件130。每组电感耦合组件130均包括介质筒131和环绕在介质筒131外周的射频线圈132(该射频线圈130的电感范围可以为0.1uH～200uH)。其中，介质筒131的第一端可通断性地与工艺腔室110连接，介质筒131的第二端用于可通断性地与清洗气体源Qs连接。射频线圈132的输入端经由匹配器140与射频电源150(其频率一般为400KHz～60MHz)连接，射频线圈132的输出端与其所对应容性耦合电极组件120的一端连接。
一般地，气相沉积设备的工艺制程一般包括沉积工艺以及完成沉积工艺后的清洗工艺。
具体地，如图1所示，在进行沉积工艺时，需要对工艺腔室110和介质筒131进行抽真空，以便工艺腔室110内部以及介质筒131内部均处于真空状态。此时，射频线圈132仅仅处于电感模式，这是因为，由于介质筒131处于真空状态，这会导致无气体离化，并且沉积过程的射频功率相对清洗过程的射频功率低(容性耦合电极组件120的功率密度小于(0.2W/cm2)，不足以满足射频线圈132容性击穿电压的条件(～KV量级)，因此射频线圈132无电离放电过程，只承担电感的角色。这样，射频电源150所提供的射频功率经由匹配器140分别加载至射频线圈132和容性耦合电极组件120，此时，容性耦合电极组件120在高压电场的作用下，激发工艺气体产生放电形成高密度的等离子体，从而可以利用所形成的等离子体完成沉积等工艺制程。
具体地，如图1所示，在进行清洗工艺时，工艺腔室110和介质筒131内部不需要抽真空处理，此时，向介质筒131内提供清洗气体(例如，NF3气体等)，这样，射频电源150所提供的射频功率经由匹配器140分别加载至射频线圈132和容性耦合电极组件120，此时，射频线圈132可以承担较高的功率密度(4W/cm2)，其可以施加的功率一般是容性耦合电极组件120的20倍左右。加载至射频线圈132的射频功率可以电离介质筒131内的清洗气体形成辅助清洗等离子体，加载至容性耦合电极组件120的射频功率可以电离位于工艺腔室110内的工艺气体形成主清洗等离子体，从而可以利用所形成的主清洗等离子体和辅助清洗等离子体完成清洗工艺制程。
经过上述分析，可见本实施例中的气相沉积设备100，其采用电感耦合组件130和容性耦合电极组件120相结合的方式，在进行清洗工艺时，射频线圈132可以产生较高的等离子体密度，相对背景技术部分的远程等离子体源，射频线圈132可以距离工艺腔室110内部路径短，F自由基复合率低，F自由基密度得以提高，再加上原位清洗的配合，可以提高清洗效率。此外，由于射频线圈132和容性耦合电极组件120可以共用射频电源150和匹配器140等，可以有效降低气相沉积设备100的制作成本，提高经济效益。
需要说明的是，对于电感耦合组件130和容性耦合电极组件120的具体数量并没有作出限定，可以根据实际需要，确定所需要的电感耦合组件130和容性耦合电极组件120的数量。
如图1所示，气相沉积设备100还包括至少一个电压调节元件160，该电压调节元件160串联设置在其所对应的射频线圈132和容性耦合电极组件120之间。电压调节元件160用于调节与其所对应的容性耦合电极组件120的电压，从而可以平衡各容性耦合电极组件120的电压。
具体地，如图1所示，上述的电压调节元件160可以为可调电容，该可调电容的第一端与其所对应的射频线圈132的输出端电连接，可调电容的第二端与其所对应的容性耦合电极组件120的第一端电连接。
当然，除了可调电容以外，电压调节元件160还可以是其他能够调节电压的电子元器件。
如图1、图3和图4所示，电感耦合组件130可以包括四个介质筒131和四个射频线圈132，分别为第一介质筒131a、第一射频线圈132a、第二介质筒131b、第二射频线圈132b、第三介质筒131c、第三射频线圈132c、第四介质筒131d和第四射频线圈132d。相应地，可调电容的数量也为四个，分别为第一可调电容161、第二可调电容162、第三可调电容163和第四可调电容164。相应地，容性耦合电极组件120的数量也为四个，分别为第一容性耦合电极组件121、第二容性耦合电极组件122、第三容性耦合电极组件123和第四容性耦合电极组件124。
具体地，如图1所示，第一射频线圈132a的输入端经由匹配器140与射频电源150电连接，第一射频线圈132a的输出端与第一可调电容161的第一端电连接，第一可调电容161的第二端与第一容性耦合电极组件121的第一端电连接，第一容性耦合电极组件121的第二端接地。
如图1所示，第二射频线圈132b的输入端经由匹配器140与射频电源150电连接，第二射频线圈132b的输出端与第二可调电容162的第一端电连接，第二可调电容162的第二端与第二容性耦合电极组件122的第一端电连接，第二容性耦合电极组件122的第二端接地。
继续参考图1，第三射频线圈132c的输入端经由匹配器140与射频电源150电连接，第三射频线圈132c的输出端与第三可调电容163的第一端电连接，第三可调电容163的第二端与第三容性耦合电极组件123的第一端电连接，第三容性耦合电极组件123的第二端接地。
继续参考图1，第四射频线圈132d的输入端经由匹配器140与射频电源150电连接，第四射频线圈132d的输出端与第四可调电容164的第一端电连接，第四可调电容164的第二端与第四容性耦合电极组件124的第一端电连接，第四容性耦合电极组件124的第二端接地。
优选地，如图1所示，射频线圈132呈柱状结构。柱状结构的射频线圈132可以极大的提高在清洗工艺时激发清洗气体所产生的辅助清洗等离子体的密度。
如图1所示，每组容性耦合电极组件120通过进气管路170与工艺气体源Ps连接。在进行沉积工艺时，可以利用工艺气体源Ps经进气管路170和容性耦合电极组件120向工艺腔室110内提供工艺气体，从而可以利用加载至容性耦合电极组件120上的射频功率激发工艺气体产生等离子体进行沉积工艺。
具体地，如图1所示，作为容性耦合电极组件120的一种具体结构，该容性耦合电极组件120包括第一极板125以及与第一极板125相对设置的第二极板126，所述第一极板125上设置有若干个贯穿其厚度的进气孔125a，该进气孔125a与进气管路170连通，所述第一极板125与其所对应的射频线圈132的输出端直接电连接，或者，第一极板125也可以经由可调电容与其所对应的射频线圈132的输出端间接电连接，所述第二极板126接地。
如图1所示，第一极板125和第二极板126相对间隔设置，形成了电容结构，第一极板125上设置有若干个进气孔125a，工艺气体可以经由若干个进气孔125a进入到第一极板125和第二极板126的间隔中，在第一极板125加载电压时，所形成的电场可以将填充在第一极板125和第二极板126之间的工艺气体电离形成等离子体。
可选地，上述各介质筒131的直径范围可以为50mm～100mm，介质筒131的高度范围可以为100mm～300mm。介质筒131与射频线圈132之间的间隙范围可以为1mm～10mm。将介质筒131的直径范围限制在50mm～100mm，这样，可以使得射频线圈132在高气压条件下仍可以高效工作，这是由于介质筒131的直径的减小提高了单位电子碰撞的频率，因此电子将能量传递给中性气体，电子温度和离子比例也因此减小。因此，通过减小介质筒131的直径，可以满足高气压条件下射频线圈132足够的功率密度，维持高碰撞频率、低平均自由程条件下放电的高效进行，从而可以产生与远程等离子体源相当的F自由基密度和成分。
如图1所示，气相沉积设备100还包括至少一个开关阀180(如图1中所示，开关阀180的数量为四个，分别为第一开关阀181、第二开关阀182、第三开关阀183和第四开关阀184)和抽真空装置191，每个开关阀180对应一个介质筒131，开关阀180设置在与其所对应的介质筒131的底部开口处，用于控制介质筒131与工艺腔室110的通断。
具体地，在进行沉积工艺时，关闭清洗气体源Qs，接着打开开关阀180，以便利用抽真空装置191将介质筒131抽真空，当介质筒131和工艺腔室110均达到高真空后关闭开关阀180，这一步骤是为了实现在沉积工艺时，使得射频线圈132仅仅处于电感模式。当确认开关阀180关闭后，打开工艺气体源Ps，使得工艺气体经由进气管路170、容性耦合电极组件120进入到工艺腔室110内，稳压后开启射频电源150以便开始沉积工艺制程，当达到沉积膜厚时关闭射频电源150和工艺气体源Ps，抽工艺腔室110至低真空状态，完成沉积工艺。
在沉积工艺阶段，气相沉积设备100的等效电路图如图3所示，此时，射频线圈132等效为电感，Csheath为鞘层电容，Lplasma为容性耦合电极组件120放电等离子体电流形成的等效电感，Rplasma为容性耦合电极组件120放电形成的等离子体电阻。
具体地，在进行清洗工艺时，首先，打开开关阀180，开启清洗气体源Qs，使得清洗气体进入到介质筒131内，稳压后加载射频功率，通过调整可调电容的位置，使得容性耦合电极组件120获得适当电压，开始感性耦合源辅助容性耦合源清洗过程，清洗膜层结束后，关闭射频功率源，接着关闭清洗气体源Qs，利用抽真空装置191将介质筒131和工艺腔室110抽至高真空状态，之后关闭阀门180，最后完成清洗工艺制程。
在清洗工艺阶段，气相沉积设备100的等效电路图如图4所示，其中，Lplasma1为容性耦合电极组件120放电等离子体电流形成的等效电感，Rplasma1为容性耦合电极组件120放电形成的等离子体电阻，Lplasma2为射频线圈132放电等离子体电流形成的等效电感，Rplasma2为射频线圈132放电形成的等效电阻。在该清洗工艺阶段，射频线圈132可以等效为变压器耦合模型，即射频线圈132为初级，介质筒131内的等离子体为次级。
如图1所示，为了防止电感耦合组件130受到射频干扰，气相沉积设备100还包括屏蔽盒192，屏蔽盒192位于工艺腔室110的上方，电感耦合组件130位于屏蔽盒192内部，射频电源150和匹配器140均设置在屏蔽盒192外部。
本发明的第二方面，如图5所示，提供了一种气相沉积设备的清洗方法S100，该气相沉积设备为前文记载的气相沉积设备，具体结构可以参考前文相关记载，在此不作赘述。清洗方法S100包括：
S110、射频电源经由匹配器分别向射频线圈和容性耦合电极组件提供射频功率。
S120、向介质筒和工艺腔室提供清洗气体。
S130、容性耦合电极组件容性放电，激发位于工艺腔室内的清洗气体形成主清洗等离子体；同时，控制射频线圈处于放电模式，激发位于介质筒内的清洗气体形成辅助清洗等离子体；
S140、利用主清洗等离子体和辅助清洗等离子体清洗工艺腔室预设时间。
本实施例的气相沉积设备的清洗方法，在进行清洗工艺时，射频线圈可以产生较高的等离子体密度，相对背景技术部分的远程等离子体源，射频线圈可以距离工艺腔室内部路径短，F自由基复合率低，F自由基密度得以提高，再加上原位清洗的配合，可以提高清洗效率。此外，由于射频线圈和容性耦合电极组件可以共用射频电源和匹配器等，可以有效降低气相沉积设备的制作成本，提高经济效益。
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。

Claims (10)

1.一种气相沉积设备，其特征在于，包括工艺腔室、设置在所述工艺腔室内的至少一组容性耦合电极组件以及位于所述工艺腔室外的至少一组电感耦合组件，每组所述电感耦合组件均包括介质筒和环绕在所述介质筒外周的射频线圈，其中，
所述介质筒的第一端可通断性地与所述工艺腔室连接，第二端用于可通断性地与清洗气体源连接；所述射频线圈的输入端经由匹配器与射频电源连接，输出端与其所对应的所述容性耦合电极组件的一端连接。
2.根据权利要求1所述的气相沉积设备，其特征在于，所述气相沉积设备还包括至少一个电压调节元件，所述电压调节元件串联设置在其所对应的所述射频线圈和所述容性耦合电极组件之间，用以调节与其所对应的所述容性耦合电极组件的电压。
3.根据权利要求2所述的气相沉积设备，其特征在于，所述电压调节元件为可调电容，所述可调电容的第一端与其所对应的所述射频线圈的输出端电连接，所述可调电容的第二端与其所对应的所述容性耦合电极组件的第一端电连接。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的气相沉积设备，其特征在于，所述射频线圈呈柱状结构。
5.根据权利要求1至3中任意一项所述的气相沉积设备，其特征在于，每组所述容性耦合电极组件均通过进气管路与工艺气体源连接。
6.根据权利要求5所述的气相沉积设备，其特征在于，每组所述容性耦合电极组件均包括第一极板以及与所述第一极板相对设置的第二极板，其中，所述第一极板上设置有若干个贯穿其厚度的进气孔，所述进气孔与所述进气管路连通，所述第一极板与其所对应的所述射频线圈的输出端电连接，所述第二极板接地。
7.根据权利要求1至3中任意一项所述的气相沉积设备，其特征在于，所述气相沉积设备还包括至少一个开关阀，每个所述开关阀对应一个所述介质筒，所述开关阀设置在与其所对应的所述介质筒的底部开口处，用于控制所述介质筒与所述工艺腔室的通断。
8.根据权利要求1至3中任意一项所述的气相沉积设备，其特征在于，所述气相沉积设备还包括屏蔽盒，所述屏蔽盒位于所述工艺腔室的上方，所述电感耦合组件设置在所述屏蔽盒内部，所述射频电源和所述匹配器均设置在所述屏蔽盒外部。
9.根据权利要求1至3中任意一项所述的气相沉积设备，其特征在于，所述介质筒的直径范围为50mm～100mm，和/或，所述介质筒的高度范围为100mm～300mm，和/或，所述介质筒与所述射频线圈之间的间隙范围为1mm～10mm。
10.一种气相沉积设备的清洗方法，其特征在于，所述气相沉积设备为权利要求1至9中任意一项所述的气相沉积设备，所述清洗方法包括：
步骤S110、所述射频电源经由所述匹配器分别向所述射频线圈和所述容性耦合电极组件提供射频功率；
步骤S120、向所述介质筒和所述工艺腔室提供清洗气体；
步骤S130、容性耦合电极组件容性放电，激发位于所述工艺腔室内的清洗气体形成主清洗等离子体；同时，控制所述射频线圈处于放电模式，激发位于所述介质筒内的清洗气体形成辅助清洗等离子体；
步骤S140、利用所述主清洗等离子体和所述辅助清洗等离子体清洗所述工艺腔室预设时间。
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