CN101469414A - 平板式等离子体增强化学汽相淀积设备的反应室结构 - Google Patents
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Abstract
本发明一种平板式等离子体增强化学汽相淀积(PECVD)设备的反应室结构，涉及微电子技术，是由内真空室与外腔室嵌套组成；内真空室上段的顶壁由具有伸缩功能的波纹管与外腔室连接；内真空室上段的顶壁外侧通过螺杆与外腔室顶面的堵转电机连接，以堵转电机控制内真空室上段的升降；内真空室的工作压强高于外腔室。反应室内真空室中的载片盘与内真空室下段的侧壁不接触，避免载片台上的热量向外壁传导，以便载片台可以很快加热到很高的温度。本发明的反应室结构可以避免系统漏气的影响，明显地改善淀积薄膜的质量，降低粉尘；有利于提高衬底温度和新材料的生长。
Description
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，是一种平板式等离子体增强化学汽相淀积设备的反应室结构。
背景技术
在微电子和光电子领域，制造各种半导体器件和集成电路需要采用平板式等离子增强化学汽相淀积(PECVD)设备生成高质量的SiN、非晶Si、SiO2等薄膜。而常规的平板式等离子增强化学汽相淀积(PECVD)设备的反应室是翻盖式的单室结构，如图1所示，图中，进气管7，射频电极35，载片盘10，下加热器27，真空阀11，机械泵12，下加热器电源接口27，密封橡皮圈30，匀气盘32。单室结构的致命缺点是反应室的上盖板是用橡皮圈密封的(为了经常开关盖方便)。而橡皮圈是有一定的漏气率的，尤其是经过长期反复开关盖后因橡皮变形或老化，这种漏气率只会有增无减。微小的漏气也会使淀积生成的薄膜中含氧、氮或其它元素，因而难以获得高质量的薄膜。
另一缺点是反应室腔壁是凉壁(因壁外是常温大气)，故容易在反应室内壁上生成粘附力极差的粉末，在生成膜的同时，这些粉末会随气流落到片子表面，以致形成赃点或缺陷，在这些地方很容易形成针孔，进而造成多层金属布线之间的短路。
同时，目前翻盖式PECVD设备难以在高温条件下工作，以满足淀积高质量薄膜的要求。
发明内容
本发明的目的是公开一种平板式等离子体增强化学汽相淀积设备的反应室结构，以避免现有技术存在的以上两个缺点，同时还可以在确保高质量薄膜淀积的基础上，让被淀积的片子可以升温到比常规平板式PECVD淀积温度(低于450度)高很多的条件下工作。例如，可以使用它在600度以上生成硬SiN或多晶硅等；或在更高温度下生长新的薄膜材料，例如SiC等。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种平板式等离子体增强化学汽相淀积设备的反应室结构，包括外腔室、阀、电机；其还设有内真空室，由内真空室与外腔室嵌套组装；内真空室上段的顶壁由具有伸缩功能的波纹管与外腔室内壁固连；内真空室上段的顶壁外侧通过螺杆与外腔室外顶面的堵转电机连接，以堵转电机控制内真空室上段的升降；内真空室的工作压强高于外腔室(由于外腔室使用分子泵机组抽真空其真空度高于即工作压强低于使用机械泵抽真空的内真空室)；内真空室中的载片盘与内真空室下段的侧壁不接触，避免载片台上的热量向外壁传导，以便载片台可以很快加热到很高的温度。
所述的反应室结构，其具体结构为：
外腔室为封闭腔体，包括外腔室上盖、外腔室侧壁、外腔室底座，以外腔室上盖、外腔室底座上下与外腔室侧壁围合而成，外腔室侧壁为内外双层壁结构；
内真空室位于外腔室内，包括内真空室上、下段两部分，碗状的内真空室上、下段开口相对上下围合成内真空室封闭腔体；
内真空室上段顶面上侧以具有伸缩功能的第一波纹管与外腔室上盖内侧面密封固连，内真空室上段顶面上侧还固连有上加热器，内真空室上段顶面内侧设有射频电极；
内真空室下段中水平设有载片盘，载片盘与内真空室下段的侧壁不接触，载片盘下侧固接有下加热器，并和载片盘升降轴上端固接；内真空室下段底板与外腔室底座固接，固接部开有通孔，通孔周缘与第二波纹管上端固接，第二波纹管向下延出外腔室底座；固接部还开有抽气孔，抽气孔经真空阀与机械泵相通连；
载片盘升降轴下端经固接部通孔中的密封第二波纹管伸出外腔室，与载片盘电机转轴固接，第二波纹管下端固接于载片盘电机机架上，载片盘电机机架与外腔室底座外侧固连；外腔室底座外侧设有下加热器电源接口，下加热器电源接口以导线与下加热器电连接；
外腔室上盖相对腔内的内真空室上段处设有内真空室上段升降系统和进气管，升降系统的堵转电机传动螺杆位于第一波纹管内，内真空室上段的顶壁外侧通过螺杆与外腔室顶面的连接；螺杆下端与内真空室上段顶面上侧固接，以堵转电机控制内真空室上段的升降；进气管与内真空室相通连；外腔室上盖上还设有射频电极电源接口、上加热器电源接口，射频电极电源接口和上加热器电源接口分别以导线与射频电极和上加热器电连接；
外腔室底座还设有另一通孔，另一通孔经高真空阀与分子泵机组密封连通。
所述的反应室结构，其还包括进片室、机械手，内真空室、进片室和机械手位于封闭的外腔室内，内真空室和进片室分处外腔室内两侧，机械手在内真空室和进片室之间；
外腔室内水平设有托盘，托盘下方垂直固接托盘旋转轴上端，托盘旋转轴下端穿过外腔室底座上的第三通孔与托盘电机转轴固连，托盘电机固接于外腔室底座外侧；托盘旋转轴在外腔室内的部分位于第三波纹管内，其周缘与第三波纹管上端密封相接，第三波纹管下端围于第三通孔周圆与外腔室底座内侧密封固接；进片室开有抽气孔，抽气孔经进片室抽气阀与进片室抽气泵密封连通；
机械手的悬臂水平设置，悬臂的旋转半径达到载片盘和托盘所处的位置；机械手电机固接于外腔室底座外侧，其转轴通过第四通孔垂直伸入外腔室，上端与机械手悬臂的一端固接；机械手电机的转轴外周缘与外腔室底座之间密封；
外腔室上盖相对腔内的进片室托盘处设有进片室上盖。
所述的反应室结构，其所述内真空室上、下段相对的开口周圈端部以及相互接触的两个平面为平面“磨口”。
所述的反应室结构，其所述内真空室用耐高温材料制成；外腔室侧壁的双层壁，由不锈钢或铝制成，其两壁内腔通循环水路使外腔室壁冷却。
所述的反应室结构，其所述耐高温材料为不锈钢。
所述的反应室结构，其所述载片盘，由耐高温材料制作，盘内设有测温的热电偶；上、下加热器为加热丝或碘钨灯或红外加热灯。
所述的反应室结构，其所述封闭的外腔室壳体为L形体，有一台阶，外腔室一侧低于另一侧，顶面分为两外腔室上盖，或一外腔室上盖、一固定上板，固定上板上设置进片室上盖。
本发明通过反应室结构的新设计，避免漏气和粉末的影响，提高生成薄膜的质量，并使平板式PECVD的淀积温度大大提高，以适应各种高质量薄膜的生长和各种新薄膜材料生长的需求。
附图说明
图1、现有翻盖式PECVD反应室剖面结构示意图；
图2、本发明的全自动型平板式等离子体增强化学汽相淀积设备的反应室结构示意图；
图3、本发明的手动式平板式等离子体增强化学汽相淀积设备的反应室结构示意图。
具体实施方式
如图2所示，是本发明的一种平板式等离子体增强化学汽相淀积设备的反应室结构，适用于自动化大生产情况下使用。图2中，内真空室上、下段1、2，外腔室上盖3，外腔室侧壁34，外腔室底座7，内真空室上段升降系统4，进气管5，射频电极35，内真空室下段底板8，载片盘9，真空阀11，机械泵12和25，高真空阀13，分子泵机组14，波纹管16、17，上加热器电源接口26，下加热器电源接口27，载片盘电机29，载片盘升降轴18，托盘电机28，波纹管16，17，机械手19，机械手电机20，进片室上盖21，托盘22，托盘旋转轴23，托盘电机29，进片室抽气阀24，进片室抽气泵25，外腔室33，射频电极电源接口6。
由图2可知，本发明的反应室结构，包括外腔室33、内真空室(包括内真空室上、下段1、2)、进片室37、机械手19、阀、电机等部件。外腔室为封闭腔体，包括外腔室上盖3、外腔室侧壁34、外腔室底座7，以外腔室上盖3、外腔室底座7、内真空室上、下段1、2的外壁围合而成。外腔室侧壁34为内外双层壁结构，其两壁内腔通循环水路(图中没有示出)使外腔室壁冷却。
内真空室、进片室37和机械手19位于外腔室内，内真空室和进片室37分处外腔室内两侧，机械手19在内真空室和进片室37之间。
内真空室包括内真空室上、下段1、2两部分，碗状的内真空室上、下段1、2开口相对上下围合组成内真空室。
内真空室上段1顶面上侧以具有伸缩功能的波纹管15与外腔室上盖3内侧面密封固连，内真空室上段1顶面上侧还固连有上加热器26，内真空室上段1顶面内侧设有射频电极35。
内真空室下段2中水平设有载片盘9，载片盘9与内真空室下段2的侧壁不接触，载片盘9下侧固接有下加热器10，并和载片盘升降轴18上端固接。内真空室下段底板8与外腔室底座7固接，固接部开有通孔，通孔周缘与波纹管16上端固接，波纹管16向下延出外腔室底座7。固接部还开有抽气孔，抽气孔经真空阀11与机械泵12相通连。
载片盘升降轴18下端经固接部通孔中的密封波纹管16伸出外腔室，与载片盘电机28转轴固接，波纹管16下端固接于载片盘电机机架上，载片盘电机机架与外腔室底座7外侧固连。外腔室底座7外侧设有下加热器电源接口27，下加热器电源接口27以导线与下加热器10电连接。
外腔室上盖3相对腔内的内真空室上段1处设有内真空室上段升降系统4和进气管5，内真空室上段升降系统4的堵转电机传动螺杆位于波纹管15内，内真空室上段的顶壁外侧通过螺杆与外腔室顶面的连接；螺杆下端与内真空室上段1顶面上侧固接，以堵转电机控制内真空室上段1的升降。进气管5与内真空室相通连。外腔室上盖3上还设有射频电极电源接口6、上加热器电源接口26，射频电极电源接口6和上加热器电源接口26分别以导线与射频电极35和上加热器36电连接。外腔室上盖3相对腔内的进片室托盘22处设有进片室上盖21。
外腔室33内水平设有进片室托盘22，托盘22下方垂直固接托盘旋转轴23上端，托盘旋转轴23下端穿过外腔室底座7上的通孔与托盘电机29转轴固连，托盘电机29固接于外腔室底座7外侧。托盘旋转轴23在外腔室内的部分位于密封波纹管17内，其周缘与波纹管17上端密封相接，波纹管17下端围于通孔周圆与外腔室底座7内侧密封固接。进片室37开有抽气孔，抽气孔经进片室抽气阀24与进片室抽气泵25密封连通。
机械手19的悬臂水平设置，悬臂的旋转半径可达到载片盘9和托盘22所处的位置。机械手电机20固接于外腔室底座7外侧，其转轴垂直伸入外腔室，上端与机械手19悬臂的一端固接。机械手电机20的转轴外缘与外腔室底座7之间密封。
外腔室底座7还设有通孔，通孔经高真空阀13与分子泵机组14密封连通。
本实施例中，外腔室壳体为L形体，有一台阶，外腔室一侧低于另一侧，顶面分为两外腔室上盖3，或一外腔室上盖3、一固定上板，固定上板上设置进片室上盖21。
本发明的平板式等离子体增强化学汽相淀积设备的反应室结构，在相应的地方设置有温度、压力传感器；在外腔室周侧所设的通孔处都采用密封结构。
请参照图2所示，本发明平板式等离子体增强化学汽相淀积设备的反应室工作流程如下：
1)装片：启动托盘电机29，使托盘旋转轴23转动将进片托盘22上升，使托盘22与外腔室上盖3压紧；对进片室37内充气；开进片室上盖21；把片子放入托盘22；关进片室上盖21。然后打开高真空阀13，用分子泵机组14对内真空室、外腔室抽真空。开进片室抽气用机械泵25，再开进片室抽气阀24待真空达到较高真空度后，关进片室抽气阀24，降下进片托盘22，启动机械手电机20，以驱动机械手19将片子接着，再旋转一定的角度送至载片盘9上方，启动载片盘电机28使载片盘9升起托住片子；机械手19回到原处；载片盘9托着片子降回到原位，完成送片操作。
2)抽本底真空：待分子泵机组14将内真空室、外腔室抽至高真空后，启动内真空室上段升降系统4的堵降电机降下内真空室上段1，使与内真空室下段2压紧。然后，开机械泵12，通少许气体后，打开真空阀11。
3)对上、下加热器36、10通电，以加热载片盘9到所需温度。
4)通反应气体：开进气阀门并调节反应气体的流量，经进气管5向内真空室内输送反应气体，使内真空室的反应气体的配比和压力合适。等待片子温度回升到所需值。
5)加射频：当反应气体的压强和片子温度达到合适值后，开射频电源，使射频电极35在内真空室辉光开始进行薄膜淀积，直到达到应有的厚度时，切断射频电源和停止通反应气体，淀积停止。
6)抽余气：关闭反应气体的进气阀后，继续用机械泵12抽一定时间，将内真空室中的残余气体抽净后，关闭内真空室真空阀11、高真空阀13和进片室抽气泵25。
7)用内真空室上段升降系统4的堵降电机提起内真空室上段1。
8)取片：启动载片盘电机28使载片盘9上升将片子顶起，机械手19将片子送至进片室托盘22，其过程与进片时相反。
9)启动托盘电机29，使进片室托盘22升起到压紧外腔室上盖3，对进片室37放气，然后开进片室上盖21取片。再放入新片，进行新一轮的淀积。
本发明用于实验室或小规模生产手动机型的平板式等离子体增强化学汽相淀积设备的反应室结构，如图3所示。图3中，内真空室上、下段1、2，外腔室上盖3，外腔室侧壁34，外腔室底座7，内真空室上段升降系统4，进气管5，射频电极35，内真空室下段底板8，载片盘9，上、下加热器36、10，真空阀11，机械泵25，高真空阀13，分子泵机组14，波纹管15、16、17，上加热器电源接口26，下加热器电源接口27，载片盘电机28，载片盘升降轴18，射频电极电源接口6。
本发明的实验室或小规模生产手动机型的平板式等离子体增强化学汽相淀积设备的反应室结构，与自动化大生产情况下使用的反应室相比，省去了机械手19和进片室37，减少了成本，没有机械手19送片和取片的操作，而代之以通过电动或手动来开、关外腔室上盖3，完成送片和取片的操作。两者的工作原理相同，手动机型的主要操作过程除了省去了自动送片和取片外，其它操作基本相同。
本发明的有益的效果：
采用该结构的PECVD设备所生长出的SiN膜的性能明显强于普通翻盖式PECVD设备所得到的SiN膜的质量。两者比较如下表1：
表1 不同结构反应室所生成的薄膜质量比较
实施例
本发明的最好实施方式是：
1)内真空室上、下段1、2相对的开口周圈端部以及相互接触的两个平面应为经过磨床磨过的平面“磨口”，以确保尽量不漏气。(不过，即使万一有微漏，也是从内真空室向外腔室漏，不影响膜的质量。)
2)外腔室侧壁34为双层壁结构，其两壁内腔通水使外腔室壁冷却。
3)内真空室壁采用不锈钢制成，其外围有加热装置，使内腔壁处于热壁状态，以避免粉末形成。
4)内真空室上段升降系统4的升降堵转电机，位于外腔室上盖3的顶面，当内真空室上、下段1、2接触好后，由于阻力，电机会自动停止。
5)载片盘9不厚且不与内真空室下部的周壁接触，以利于片子能很快升到高温。
Claims (8)
1、一种平板式等离子体增强化学汽相淀积设备的反应室结构，包括外腔室、进气管，射频电极，载片盘，下加热器，真空阀，机械泵，下加热器电源接口；其特征在于，
还设有内真空室，内真空室位于外腔室内，两者嵌套组装；内真空室包括内真空室上、下段两部分，上段的顶壁由具有伸缩功能的波纹管与外腔室内壁固连，且上段的顶壁外侧通过螺杆与外腔室外顶面的堵转电机连接，以堵转电机控制内真空室上段的升降；内真空室的工作压强高于外腔室；内真空室中的载片盘与内真空室下段的侧壁不接触，避免载片台上的热量向外壁传导，以便载片台可以很快加热到很高的温度。
2、如权利要求1所述的反应室结构，其特征在于，具体结构为：
外腔室为封闭腔体，包括外腔室上盖、外腔室侧壁、外腔室底座，以外腔室上盖、外腔室底座上下与外腔室侧壁围合而成，外腔室侧壁为内外双层壁结构；
内真空室位于外腔室内，包括内真空室上、下段两部分，碗状的内真空室上、下段开口相对上下围合成内真空室封闭腔体；
内真空室上段顶面上侧以具有伸缩功能的第一波纹管与外腔室上盖内侧面密封固连，内真空室上段顶面上侧还固连有上加热器，内真空室上段顶面内侧设有射频电极；
内真空室下段中水平设有载片盘，载片盘与内真空室下段的侧壁不接触，载片盘下侧固接有下加热器，并和载片盘升降轴上端固接；内真空室下段底板与外腔室底座固接，固接部开有通孔，通孔周缘与第二波纹管上端固接，第二波纹管向下延出外腔室底座；固接部还开有抽气孔，抽气孔经真空阀与机械泵相通连；
载片盘升降轴下端经固接部通孔中的密封第二波纹管伸出外腔室，与载片盘电机转轴固接，第二波纹管下端固接于载片盘电机机架上，载片盘电机机架与外腔室底座外侧固连；外腔室底座外侧设有下加热器电源接口，下加热器电源接口以导线与下加热器电连接；
外腔室上盖相对腔内的内真空室上段处设有内真空室上段升降系统和进气管，升降系统的堵转电机传动螺杆位于第一波纹管内，内真空室上段的顶壁外侧通过螺杆与外腔室顶面的连接；螺杆下端与内真空室上段顶面上侧固接，以堵转电机控制内真空室上段的升降；进气管与内真空室相通连；外腔室上盖上还设有射频电极电源接口、上加热器电源接口，射频电极电源接口和上加热器电源接口分别以导线与射频电极和上加热器电连接；
外腔室底座还设有另一通孔，另一通孔经高真空阀与分子泵机组密封连通。
3、如权利要求2所述的反应室结构，其特征在于，还包括进片室、机械手，内真空室、进片室和机械手位于封闭的外腔室内，内真空室和进片室分处外腔室内两侧，机械手在内真空室和进片室之间；
进片室内水平设有托盘，托盘下方垂直固接托盘旋转轴上端，托盘旋转轴下端穿过外腔室底座上的第三通孔与托盘电机转轴固连，托盘电机固接于外腔室底座外侧；托盘旋转轴在外腔室内的部分位于第三波纹管内，其周缘与第三波纹管上端密封相接，第三波纹管下端围于第三通孔周圆与外腔室底座内侧密封固接；进片室开有抽气孔，抽气孔经进片室抽气阀与进片室抽气泵密封连通；
机械手的悬臂水平设置，悬臂的旋转半径达到载片盘和托盘所处的位置；机械手电机固接于外腔室底座外侧，其转轴通过第四通孔垂直伸入外腔室，上端与机械手悬臂的一端固接；机械手电机的转轴外周缘与外腔室底座之间密封；
外腔室上盖相对腔内的进片室托盘处设有进片室上盖。
4、如权利要求2所述的反应室结构，其特征在于，所述内真空室上、下段相对的开口周圈端部以及相互接触的两个平面为平面“磨口”。
5、如权利要求2所述的反应室结构，其特征在于，所述内真空室用耐高温材料制成；外腔室侧壁的双层壁，由不锈钢或铝制成，其两壁内腔通循环水路使外腔室壁冷却。
6、如权利要求5所述的反应室结构，其特征在于，所述耐高温材料为不锈钢。
7、如权利要求2所述的反应室结构，其特征在于，所述载片盘，由耐高温材料制作，盘内设有测温的热电偶；上、下加热器为加热丝或碘钨灯或红外加热灯。
8、如权利要求3所述的反应室结构，其特征在于，所述封闭的外腔室壳体为L形体，有一台阶，外腔室一侧低于另一侧，顶面分为两外腔室上盖，或一外腔室上盖、一固定上板，固定上板上设置进片室上盖。
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