CN103789748B - 一种面向工艺腔室气流分布调节的cvd设备喷淋头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种化学气相沉积设备领域，特别涉及一种面向工艺腔室气流分布调节的CVD设备喷淋头。该喷淋头上设置若干个台阶形的喷淋孔，喷淋孔由上部直径较大的圆孔和下部直径较小的圆孔构成；通过使台阶深度、大孔孔径、小孔孔径中的一个或多个参数从喷淋头板面中心到边缘逐渐增大，进而实现喷淋头板面阻抗从中心到边缘逐渐减小，预期气流通量逐渐增大，实现了喷淋头板面阻抗分布的调整，进而实现了对工艺腔室内气流分布的调节。本发明的设计方案廉价、高效，仅通过对喷淋头小孔配置进行连续性设计，即实现了对工艺腔室内气流分布的精细化调节，进而实现了对工艺品质分布精细化调节。

Description

一种面向工艺腔室气流分布调节的CVD设备喷淋头

技术领域

本发明涉及一种化学气相沉积（CVD）设备领域，特别涉及一种面向工艺腔室气流分布调节的CVD设备喷淋头。

背景技术

化学气相沉积（CVD）是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术，其通过化学气相沉积装置得以实现。现阶段化学气相沉积（CVD）设备，如等离子增强化学气相沉积（PECVD）设备、低压化学气相沉积（LPCVD）设备、金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）设备己经广泛应用于半导体器件制造领域。以下以离子增强化学气相沉积（PECVD）设备为例对现有技术的化学气相沉积设备进行简单说明。

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，喷淋头板面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节；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，其特征在于，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，能够将喷淋头板面14顶起和落下，主要用于将喷淋头板面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；所述喷淋头板面14的特征在于，放置在加热盘8上，薄膜在喷淋头板面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，并能够对所述喷淋头板面14进行加热，可调节喷淋头板面14的温度。

CVD工艺是典型的的多物理场耦合工艺，其中物质输运对工艺性能具有极其重要的影响，而喷淋头布气系统是工艺腔室内调节物质输运的最重要的部件，其中喷淋头板面上布置有数千小孔，现有的喷淋头布气系统设计，其板面上的小孔普遍是均匀性布置的，而没有发挥其对工艺腔室内的气流分布的灵活调节的潜力，因此，当出现薄膜沉积工艺偏差时，往往采用一些比较刚性的手段，如增加或减少某些部件或其结构尺寸，这种非连续性的均匀设计方案，对矫正具有连续分布的工艺偏差是很困难的，工艺性能提高的程度非常有限，同时对设备的修改往往也较大。然而，如果考虑对喷淋头板面小孔结构或布局进行连续的非均匀设计来矫正工艺偏差，那么将具有非常高的调节精度及灵活性，并且对设备其他部分没有任何更改。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种面向工艺腔室气流分布调节的CVD设备喷淋头，实现工艺腔室内气流分布的精细化调节，进而实现薄膜沉积品质分布的精细化调节。

本发明采用的技术方案为：

该喷淋头上设置若干个台阶形的喷淋孔，喷淋孔由上部直径较大的大圆孔和下部直径较小的小圆孔构成；

该喷淋孔有以下几种布置方式：

从喷淋头板面的中心到边缘，保持喷淋孔的台阶深度相同，喷淋孔的大圆孔或小圆孔的孔径逐渐增大，进而实现喷淋头板面阻抗从中心到边缘逐渐减小，预期气流通量逐渐增大；

或者从喷淋头板面的中心到边缘，保持喷淋孔的大圆孔及小圆孔的孔径不变，喷淋孔的台阶深度逐渐增大，进而实现喷淋头板面阻抗从中心到边缘逐渐减小，预期气流通量逐渐增大；

或者从喷淋头板面的中心到边缘，喷淋孔的大圆孔孔径、小圆孔孔径以及喷淋孔的台阶深度三个参数中的一个保持不变，另两个参数同时逐渐增大，进而实现喷淋头板面阻抗从中心到边缘逐渐减小，预期气流通量逐渐增大；

或者从喷淋头板面的中心到边缘，喷淋孔的大圆孔孔径、小圆孔孔径以及喷淋孔的台阶深度三个参数同时逐渐增大，进而实现喷淋头板面阻抗从中心到边缘逐渐减小，预期气流通量逐渐增大。

所述喷淋孔以二维六边形阵列排列。

所述喷淋孔的大圆孔孔径d₁、小圆孔孔径d₂以及喷淋孔的台阶深度L₁之间的关系式为 $33(\frac{1}{d_1^3}+\frac{1}{d_2^3})+64(\frac{L_1}{d_1^4}+\frac{L-L_1}{d_2^4})=\frac{\mathrm{\πL}}{\sqrt{3}{l}^2}\mathrm{\α}\left(r\right),$ 其中，L为喷淋头板面的厚度，l为相邻两个喷淋孔的圆心之间的距离，α(r)为喷淋头的设计阻抗，且d₁≥d₂。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

（1）本发明通过对喷淋孔配置进行连续的非均匀设计，使得设备能够对工艺腔室内的气流分布具有精细化调节能力。

（2）本发明相比于传统的喷淋头设计，其目标不仅可以是布气均匀性，还可根据工艺需求，对工艺腔室内的气流分布进行灵活地调节，进而实现对薄膜沉积速率分布的灵活调节。

（3）本发明廉价、高效地实现了对工艺目标分布的精细化调节。

（4）本发明的喷淋头设计方案对气流分布的调节理念及装置不仅适用于CVD设备，同样适用于任何需要调控气流分布的多孔喷淋头布气系统。

附图说明

图1为本发明PECVD工艺腔室示意图；

图2为本发明实施例中喷淋孔分布示意图；

图3为本发明实施例中喷淋孔主视剖面图；

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-加热盘；9-低频源LRF；10-可调整基台；11-真空泵；12-压力表；13-顶针盘；14-喷淋头板面；31-喷淋孔。

具体实施方式

本发明提供了一种面向工艺腔室气流分布调节的CVD设备喷淋头，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

参见图2和图3，该喷淋头3上设置若干个以二维六边形阵列排列的台阶形的喷淋孔31，喷淋孔31由上部直径较大的大圆孔和下部直径较小的小圆孔构成。

该喷淋孔31有以下几种布置方式：

从喷淋头板面14的中心到边缘，保持喷淋孔31的台阶深度相同，喷淋孔31的大圆孔或小圆孔的孔径逐渐增大，进而实现喷淋头板面阻抗从中心到边缘逐渐减小，预期气流通量逐渐增大；

或者从喷淋头板面14的中心到边缘，保持喷淋孔31的大圆孔及小圆孔的孔径不变，喷淋孔31的台阶深度逐渐增大，进而实现喷淋头板面阻抗从中心到边缘逐渐减小，预期气流通量逐渐增大；

或者从喷淋头板面14的中心到边缘，喷淋孔31的大圆孔孔径、小圆孔孔径以及喷淋孔31的台阶深度三个参数中的一个保持不变，另两个参数同时逐渐增大，进而实现喷淋头板面阻抗从中心到边缘逐渐减小，预期气流通量逐渐增大；

或者从喷淋头板面14的中心到边缘，喷淋孔31的大圆孔孔径、小圆孔孔径以及喷淋孔31的台阶深度三个参数同时逐渐增大，，进而实现喷淋头板面阻抗从中心到边缘逐渐减小，预期气流通量逐渐增大。

该喷淋头的设计步骤包括：

步骤1：根据优化方式确定喷淋孔31几何配置的设计变量λ(r)，所述设计变量可以为喷淋孔31几何配置的基本量，如喷淋孔直径d、喷淋孔间距l、喷淋孔深度L等。确定设计变量后，其他基本量需要选定为一个固定值；

步骤2：阻抗α分布是喷淋孔圆心位置的半径r、喷淋孔直径d、喷淋孔间距l、小孔深度L的函数：α=α(r,d,l,L)。孔隙率f分布是半径r、喷淋孔直径d、喷淋孔间距l的函数：f=f(r,d,l)。其中，针对圆柱形喷淋孔孔，其等效阻抗α与f关系为：

$\mathrm{\α}=(\frac{33}{2}\frac{1}{d}+32\frac{L}{d^2})/\mathrm{Lf};---\left(1\right)$

步骤3：根据步骤1和步骤2所述，在已知阻抗α与半径r的关系α=α(r)时，可以得到设计变量λ与α的关系λ=g(α)，进而可以得到λ与半径r的关系：λ=λ(r)。

针对不同具体实施方式的孔隙率f(r)和喷淋孔几何配置的设计变量λ(r)计算公式将在下面进行说明。

对于台阶形的喷淋头孔31，可以近似看成两层穿孔板的串联，计算公式为：

$\mathrm{\α}\left(r\right)=\frac{L_1{\mathrm{\α}}_1\left(r\right)+(L-L_1){\mathrm{\α}}_2\left(r\right)}{L}---\left(2\right)$

α₁(r)、α₂(r)分别为大圆孔和小圆孔的阻抗分布，L₁为喷淋孔的台阶深度，L为喷淋头板面的厚度。

喷淋孔31的孔隙率f_i与喷淋孔直径d_i的关系为：

$f_i(r,d,l)=f_i\left(d\right)=\frac{{\mathrm{\πd}}_i^2}{2\sqrt{3}{l}^2},i=\mathrm{1,2};---\left(3\right)$

d₁、d₂分别为大圆孔孔径和小圆孔孔径，f₁、f₂分别为大圆孔和小圆孔的孔隙率，且d₁≥d₂。

通过式（1）和（3）得到α₁和α₂，再代入式（2）中，得到喷淋孔的大圆孔孔径d₁、小圆孔孔径d₂以及喷淋孔的台阶深度L₁之间的关系式为：

$33(\frac{1}{d_1^3}+\frac{1}{d_2^3})+64(\frac{L_1}{d_1^4}+\frac{L-L_1}{d_2^4})=\frac{\mathrm{\πL}}{\sqrt{3}{l}^2}\mathrm{\α}\left(r\right).---\left(4\right)$

即，喷淋头板面的厚度L、喷淋孔间距l、设计阻抗α(r)为已知量的前提下，大圆孔孔径d₁、小圆孔孔径d₂以及喷淋孔的台阶深度L₁这三个参数任意给定两个，或给出其中两个参数的变化规律，即可求得另一个参数的取值。

Claims (2)

1.一种面向工艺腔室气流分布调节的CVD装置喷淋头，其特征在于，该喷淋头(3)上设置若干个台阶形的喷淋孔(31)，喷淋孔(31)由上部直径较大的大圆孔和下部直径较小的小圆孔构成；

该喷淋孔(31)有以下几种布置方式：

从喷淋头板面(14)的中心到边缘，保持喷淋孔(31)的台阶深度相同，喷淋孔(31)的大圆孔或小圆孔的孔径逐渐增大，进而实现喷淋头板面阻抗从中心到边缘逐渐减小，预期气流通量逐渐增大；

或者从喷淋头板面(14)的中心到边缘，保持喷淋孔(31)的大圆孔及小圆孔的孔径不变，喷淋孔(31)的台阶深度逐渐增大，进而实现喷淋头板面阻抗从中心到边缘逐渐减小，预期气流通量逐渐增大；

或者从喷淋头板面(14)的中心到边缘，喷淋孔(31)的大圆孔孔径、小圆孔孔径以及喷淋孔(31)的台阶深度三个参数中的一个保持不变，另两个参数同时逐渐增大，进而实现喷淋头板面阻抗从中心到边缘逐渐减小，预期气流通量逐渐增大；

或者从喷淋头板面(14)的中心到边缘，喷淋孔(31)的大圆孔孔径、小圆孔孔径以及喷淋孔(31)的台阶深度三个参数同时逐渐增大，，进而实现喷淋头板面阻抗从中心到边缘逐渐减小，预期气流通量逐渐增大；

所述喷淋孔(31)的大圆孔孔径d₁、小圆孔孔径d₂以及喷淋孔(31)的台阶深度L₁之间的关系式为 $33(\frac{1}{d_1^3}+\frac{1}{d_2^3})+64(\frac{L_1}{d_1^4}+\frac{L-L_1}{d_2^4})=\frac{\mathrm{\π}L}{\sqrt{3}{l}^2}\mathrm{\α}\left(r\right),$ 其中，L为喷淋头板面(14)的厚度，l为相邻两个喷淋孔(31)的圆心之间的距离，α(r)为喷淋头(3)的设计阻抗，且d₁≥d₂。

2.根据权利要求1所述的一种面向工艺腔室气流分布调节的CVD装置喷淋头，其特征在于，所述喷淋孔(31)以二维六边形阵列排列。