CN103757608A - 一种用于调节温度和功率空间分布的梯度阻抗模块 - Google Patents

Abstract

本发明属于化学气相沉积工艺腔室物理场耦合技术领域，特别涉及一种用于调节温度和功率空间分布的梯度阻抗模块。该阻抗模块设置在化学气相沉积设备的基台和衬底之间，阻抗模块由阻抗模块绝缘隔热层分隔为若干个阻抗介质区；阻抗模块一侧为平面，另一侧为空间曲面，通过改变阻抗模块空间曲面一侧的外形，或者各个阻抗介质区采用不同的填充介质，使得阻抗模块的阻抗在法平面内具有一定的分布梯度，进而实现透过该模块的能量在法平面内具有一定分布梯度。本发明无需改变原有设备结构，只需增加一个阻抗模块，且针对不同的调控需求，仅需更换不同的阻抗模块，该方案运用模块化思想，廉价、高效，为实现多物理场空间分布的调控提供了一种有效的解决方案。

Description

一种用于调节温度和功率空间分布的梯度阻抗模块

技术领域

本发明属于化学气相沉积工艺腔室物理场耦合技术领域，特别涉及一种用于调节温度和功率空间分布的梯度阻抗模块。

背景技术

多物理场耦合工艺中，工艺因素与工艺目标一般都具有空间连续分布特性，因此实现工艺目标的精细化调控，本质上需要实现对相关工艺因素空间分布的精细化调控。现有的多物理场耦合工艺设备设计普遍比较刚性，一般只能调节工艺因素的平均值，而缺乏足够的自由度来实现工艺因素分布的精细化调控。

参见图1，以等离子增强的化学气相沉积（PECVD）装备设计与控制为例进行说明。PECVD工艺是一个典型的多物理场耦合工艺，其中主要包含温度场、流场、等离子体，其工艺品质相关物理场耦合协调作用的结果。包括工艺腔室1，腔室舱门2，喷淋头3，远程等离子源4，质量流量控制器5，射频匹配器6，高频源7，加热盘8，低频源9，基台调整支柱10，真空泵11，压力表12，顶针盘13，衬底14。

所述工艺腔室1和腔室舱门2的特征在于当腔室舱门关闭时，工艺腔室内部与外界隔离，实现真空密封；所述远程等离子源4的特征在于，产生刻蚀等离子体，用于清洗附着在腔室内壁的沉积物；所述质量流量控制器5的特征在于，能够对流入工艺腔室的反应气体流量进行调控，并通过所述喷淋头3对气流均匀性进行调控；所述高频源7、低频源9的特征在于，在工艺腔室内产生射频电磁场，使反应气体解离，进而产生等离子体，并通过射频匹配器6对包含等离子的射频回路阻抗特性进行调控，使得尽可能多的射频功率被注入工艺腔室，用于激发等离子而不被反射；所述基台调整支柱10的特征在于，调整射频电容耦合放电的极间距；所述顶针盘13的特征在于，能够将衬底14顶起和落下，主要用于将衬底14放入和取出工艺腔室时；所述真空泵11、压力表12的特征在于，能够对腔室内真空度进行调节；所述衬底14的特征在于，放置在加热盘8上，薄膜在衬底14上沉积；所述加热盘8的特征在于，作为射频电容耦合放电回路的下电极，并能够对所述衬底14进行加热，可调节衬底14的温度。

现有的PECVD装备设计还普遍比较刚性，装备对温度、物质浓度、等离子体等关键物理场的空间分布没有灵活调控能力，只能粗略调节其平均值，进而难以实现对薄膜沉积的空间分布进行灵活调控。当出现薄膜品质偏差时，通过简单、刚性地调节相关工艺条件，这样对工艺品质提高的程度非常有限，特别是随着IC制造晶圆尺寸不断增大，特征尺寸不断缩小，IC制造对薄膜沉积工艺的大面积高一致性的要求越来越苛刻，这终将导致现有的装备设计与调控方案难以满足要求。对于现有的刚性的CVD腔室设计而言，其工艺品质是由简单的结构与粗略的工艺条件控制来保证的，这导致设备对不同工艺要求的适应能力及对工艺偏差的调节矫正能力均相对较差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有的多物理场耦合设备设计的不足，提供一种用于调节温度和功率空间分布的梯度阻抗模块，使得多物理场耦合设备对工艺因素空间分布具有灵活、精细地调控能力，进而实现对工艺目标的精细化控制。

本发明采用的技术方案为：

该阻抗模块设置在化学气相沉积设备的基台和衬底之间，所述阻抗模块由阻抗模块绝缘隔热层分隔为若干个阻抗介质区；

阻抗模块一侧为平面，另一侧为空间曲面，通过改变阻抗模块空间曲面一侧的外形，使阻抗模块在法平面内的阻抗分布具有一定梯度，进而实现了透过阻抗模块的能量具有一定分布梯度；

或者各个阻抗介质区采用不同的填充介质，使得阻抗模块的阻抗在法平面内具有一定的分布梯度，进而实现透过该模块的能量在法平面内具有一定分布梯度。

所述阻抗模块一侧为平面，另一侧为空间曲面时，阻抗介质区的材料为导电或导热性能良好的材料。

所述阻抗模块绝缘隔热层将阻抗介质区分成不同直径的环形、扇形或多边形区域。

所述阻抗介质区采用不同的填充介质时，填充介质为气体，通过调节气体的种类和密度实现阻抗的变化；或采用两种不同阻抗参数的材料，通过调节两种材料在各个阻抗介质区内的配比实现阻抗特性调节。

该方案本质上是通过设计不同阻抗特性的介质在模块内的体积比来实现模块呈现一定梯度的阻抗分布，进而实现透过阻抗模块的能量具有一定分布梯度。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

本发明提出的方案无需改变原有设备的结构，只需为原有设备增加一个新的廉价阻抗模块既可，该方案运用模块化思想，廉价、高效，为实现多物理场空间分布的调控提供了一种解决方案。

附图说明

图1为单腔室的PECVD工艺腔室示意图；

图2为本发明实施例1中阻抗模块主视剖面图；

图3为本发明实施例1中阻抗模块俯视剖面图；

图4为本发明实施例2中加热盘模块主视剖面图；

图5为本发明控制系统流程图；

图中标号：

1-工艺腔室；2-腔室舱门；3-喷淋头；4-远程等离子源RPS；5-质量流量控制器MFC；6-射频匹配器；7-高频源HRF；8-基台；9-低频源LRF；10-基台调整支柱；11-真空泵；12-压力表；13-顶针盘；14-衬底；15-阻抗模块；151-阻抗介质区；152-阻抗模块绝缘隔热层。

具体实施方式

本发明提供了一种用于调节温度和功率空间分布的梯度阻抗模块，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

实施例1

图2和图3为本发明阻抗模块15的第一实施方式的示意图。

阻抗模块15设置在基台8和衬底14之间，其朝向衬底14的一侧为平面，朝向基台8的一侧为空间曲面，所用材料为导电或导热性能良好的材料。阻抗模块的曲面外形根据仿真得到的能量分布预期要求进行设计。

阻抗模块15由阻抗模块绝缘隔热层152分为若干个环形或扇形的阻抗介质区151。通过改变阻抗模块的外形，使得在基台上表面法向方向上气隙介质与模块基体介质的体积比在法平面内呈现一定梯度分布，于是，阻抗模块在法平面内的阻抗分布具有一定梯度，进而实现了透过阻抗模块的能量具有一定分布梯度。

通过绝缘隔热层，减小相邻区域间互相影响的程度，进而使得各个子区域对透过该区域能量的调节更加独立。绝缘隔热层的布置图案不限于图2中所示，可根据需要调节的物理场分布的维度方向进行设计，比如对于圆形区域，如需要调节径向物理场分布，那么设计图案可以为环形阵列；如既需要调节径向分布，又需要调节轴向分布，那么设计图案可以为矩形阵列。

图5为本发明阻抗模块设计方案流程，包括：

步骤一：通过仿真或其他方式确定预期物理场空间分布；

步骤二：根据预期物理场空间分布，采用阻抗等效模型，集成仿真设计梯度阻抗模块的等效阻抗分布；

步骤三：设计一种合适的绝缘隔热层分割图案，并根据等效阻抗分布设计阻抗介质区的曲面轮廓或填充介质材料的配比；

步骤四：在设备中进行实验，根据实验结果对阻抗模块的阻抗分布进行微调；

步骤五：针对微调后的阻抗分布重新制作梯度阻抗模块，再进行实验，直至阻抗模块调节结果满足需求。

实施例2

图2和图4为本发明阻抗模块15的第二实施方式的示意图。

阻抗模块15设置在基台8和衬底14之间，其整体为圆柱形。阻抗模块15由阻抗模块绝缘隔热层152分为若干个阻抗介质区151，通过改变各个阻抗介质区151的填充介质的材料特性，使得阻抗模块的阻抗在法平面内具有一定分布梯度，进而实现透过该模块的能量在法平面内具有一定分布梯度。

阻抗介质区151采用填充材料的阻抗参数根据仿真得到的能量分布预期要求进行选择，可以为气体，也可以为其他材料，其中较为廉价的实现方式是：调节两种不同阻抗参数材料在各个阻抗介质区151内的配比，实现各个阻抗介质区151阻抗特性调节。

Claims (4)

1.一种用于调节温度和功率空间分布的梯度阻抗模块，设置在化学气相沉积设备的基台和衬底之间，其特征在于，所述阻抗模块（15）由阻抗模块绝缘隔热层（152）分隔为若干个阻抗介质区（151）；

阻抗模块（15）一侧为平面，另一侧为空间曲面，通过改变阻抗模块（15）空间曲面一侧的外形，使阻抗模块在法平面内的阻抗分布具有一定梯度，进而实现了透过阻抗模块的能量具有一定分布梯度；

或者各个阻抗介质区（151）采用不同的填充介质，使得阻抗模块的阻抗在法平面内具有一定的分布梯度，进而实现透过该模块的能量在法平面内具有一定分布梯度。

2.根据权利要求1所述的一种用于调节温度和功率空间分布的梯度阻抗模块，其特征在于，所述阻抗模块（15）一侧为平面，另一侧为空间曲面时，阻抗介质区（151）的材料为导电或导热性能良好的材料。

3.根据权利要求1所述的一种用于调节温度和功率空间分布的梯度阻抗模块，其特征在于，所述阻抗模块绝缘隔热层（152）将阻抗介质区（151）分成不同直径的环形、扇形或多边形区域。

4.根据权利要求1所述的一种用于调节温度和功率空间分布的梯度阻抗模块，其特征在于，所述阻抗介质区（151）采用不同的填充介质时，填充介质为气体，通过调节气体的种类和密度实现阻抗的变化；或采用两种不同阻抗参数的材料，通过调节两种材料在各个阻抗介质区（151）内的配比实现阻抗特性调节。

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