CN106367736A

CN106367736A - 远端电浆增强化学气相沉积装置

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Publication number: CN106367736A
Application number: CN201611029688.1A
Authority: CN
Inventors: 张宇顺
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-11-14
Filing date: 2016-11-14
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2036-11-14
Also published as: CN106367736B

Abstract

本发明公开一种远端电浆增强化学气相沉积装置，涉及薄膜制备技术领域。该装置包括相互连通的反应室和远端电浆产生室，远端电浆产生室上设有制程气体入口，反应室上设有副产品抽出口；反应室内设有平台，平台的平台面上放置有基片，远端电浆产生室中同时且互相隔离地设置有直流放电单元、射频放电单元和微波放电单元，直流放电单元、射频放电单元和微波放电单元同步产生放电，用以使远端电浆产生室内的制程气体形成电浆，并通入反应室中。本发明通过远端电浆产生室产生符合要求的电浆源，能够有效控制电浆密度，避免形成的电浆密度较低或空间分布不均等缺陷，提升了该远端电浆增强化学气相沉积装置的使用效率及其制程效率。

Description

远端电浆增强化学气相沉积装置

技术领域

本发明涉及薄膜制备技术领域，尤其涉及一种远端电浆增强化学气相沉积装置。

背景技术

化学气相沉积(CVD，Chemical Vapor Deposition)是将源材料(或称反应源、薄膜先前物)以气体形式(或称制程气体)引入反应室中，经由氧化、还原或与基片表面反应之方式进行化学反应，其生成物借内扩散作用而沉积在基片表面上以形成薄膜。

电浆已广泛应用于各种领域，如在半导体集成电路制造方面，凡是不同材料薄膜的成长或电路的蚀刻普遍都是利用电浆技术来实现。电浆中的反应物是化学活性较高的离子或自由基，且基片表面受到离子的撞击也会有较高化学活性，故可促进基片表面的化学反应速率，因此在CVD技术领域中已存在一种电浆增强(辅助)CVD(PECVD，Plasma EnhancedCVD)技术，PECVD技术已广泛应用于氧化物与氮化物薄膜沉积。PECVD技术的沉积原理与一般的CVD技术并无太大差异，但PECVD技术具有能在较低温度沉积薄膜的优点。此外，PECVD技术领域中亦存在一种远端(Remote)PECVD技术，即在反应室外方设置一电浆产生室，即远端电浆产生室，使源材料以气体形式先通入该电浆产生室中并形成电浆，再将该电浆引进反应室内进行沉积成膜制程。

在CVD、PECVD、远端PECVD等相关领域中，已存在一些先前技术，如US 5908602、US6444945、US 2006/0177599、US 61/137839(即TWI532414)等，大多数现有的PECVD装置是用于小规模(即小于1平方公尺)沉积，这是因为大多数电浆源极短而只可涂布小面积，其中US6444945虽揭示一种基于平行电子发射表面(即二平行电极板)的电浆源，但消耗较多能量而相对提高制作成本；US申请案号61/137839则揭示一种分别产生线性及二维电浆供适用于PECVD的电浆源。

在电浆技术中，电浆源是PECVD系统的关键。以使用的功率源而言，目前产生电浆的方法存在有直流(DC)放电、低频及中频放电、射频(RF)放电、及微波放电。然而，现有远端PECVD中的电浆产生室存有下列缺点：其一是，针对可实际运作的远端PECVD系统而言，其电浆产生装置所采用的电浆产生方法已被预先限定，即该电浆产生装置常被限定为直流(DC)放电、射频(RF)放电或微波放电中的一种，由于各放电单元的放电特性不同，使制程气体、源材料(或薄膜先前物)或沉积材及其所沉积形成的薄膜也相对受到限制，也就是说该电浆产生装置无法适用于不同族的沉积材；其二是，现有远端PECVD系统中的电浆产生装置一般只设有一个制程气体入口，相对限制了源材料(或称薄膜先前物、反应源)或制程气体的种类，因而使其在一个沉积制程中只能制作一层沈积材，相对减小了该远端PECVD系统的制程效率；其三是，当一远端PECVD系统的电浆产生装置已设定为直流(DC)放电、射频(RF)放电、微波放电中的一种电浆产生方法时，在该电浆产生装置的室腔中所产生的电浆源，无法维持或符合该远端PECVD制程的最佳要求，例如无法有效地控制电浆密度，以致容易造成电浆密度较低或电浆空间分布的均匀度不佳等缺点，相对减小了该远端PECVD系统的制程效率。

因此，对于远端PECVD系统而言，如何提升电浆产生室所产生的电浆源的质量以符合制程需要，进而提升远端PECVD装置的制程效率，是本发明主要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种远端电浆增强化学气相沉积装置，以产生密度适中、分布均匀、符合要求的电浆源，从而提升化学气相沉积装置的使用效率及其制程效率。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种远端电浆增强化学气相沉积装置，包括相互连通的反应室和远端电浆产生室，所述远端电浆产生室上设有制程气体入口，所述反应室上设有副产品抽出口；所述反应室内设有平台，所述平台的平台面上放置有基片，所述远端电浆产生室中同时且互相隔离地设置有直流放电单元、射频放电单元和微波放电单元，所述直流放电单元、射频放电单元和微波放电单元同步产生放电，用以使远端电浆产生室内的制程气体形成电浆，并通入反应室中。

作为一种远端电浆增强化学气相沉积装置的优选方案，所述射频放电单元的射频强度为12000MHz，130A/m±6％。

作为一种远端电浆增强化学气相沉积装置的优选方案，所述直流放电单元的直流强度为17KVA/m±20％。

作为一种远端电浆增强化学气相沉积装置的优选方案，所述微波放电单元的射频强度为150db/w。

作为一种远端电浆增强化学气相沉积装置的优选方案，所述远端电浆产生室采用氩气作为制程气体，且所述氩气的气流强度为3～20cc/min。

作为一种远端电浆增强化学气相沉积装置的优选方案，所述远端电浆产生室上设有至少两个制程气体入口，用以分别引入不同的制程气体。

作为一种远端电浆增强化学气相沉积装置的优选方案，包括第一电场装置，所述第一电场装置设于所述反应室内腔的环周缘壁上，用于通过电性吸力效应使反应室内的电浆由中央朝外环周缘扩张移动。

作为一种远端电浆增强化学气相沉积装置的优选方案，所述第一电场装置利用射频电流通过线圈形成电场，且所述第一电场装置的射频依源材料密度而选用不同射频，所述射频包括：700V/m±6％、800V/m±3％、1200V/m±3％、1300V/m±6％、1700V/m±3％和1900V/m±6％。

作为一种远端电浆增强化学气相沉积装置的优选方案，包括第二电场装置，所述第二电场装置设于所述反应室内平台面的下方，用于通过电性吸力效应使电浆吸附并沉积于基片表面。

作为一种远端电浆增强化学气相沉积装置的优选方案，所述第二电场装置利用射频电流通过螺旋状线圈形成电场，且所述第二电场装置依源材料气相层析浓度而选用不同射频，所述射频包括：90uV/m±4.5％、100uV/m±1.5％、400uV/m±1.5％、500uV/m±4.5％、900uV/m±1.5％和1100uV/m±4.5％。

作为一种远端电浆增强化学气相沉积装置的优选方案，包括射频磁场装置，所述射频磁场装置设于所述反应室内平台面的中央下方处，用以控制沉积于基片表面上的磊晶角度。

作为一种远端电浆增强化学气相沉积装置的优选方案，所述副产品抽出口连接有真空泵，用于将气体副产品抽出反应室之外。

作为一种远端电浆增强化学气相沉积装置的优选方案，所述平台内设置有加热器件。

一种适用于如上述远端电浆增强化学气相沉积装置的沉积方法，其包括以下步骤：

A：将至少一基片放置在反应室中的平台面上；

B：向反应室中提供由制程气体形成的电浆；

C：启动电场装置，用以对反应室内的电浆产生电性吸力效应。

作为一种沉积方法的优选方案，所述步骤C包括步骤C1：启动第一电场装置，使电浆中的源材料在吸附并沉积于基片表面之前，由反应室的中央朝外环周缘扩张移动。

作为一种沉积方法的优选方案，所述步骤C还包括步骤C2：启动第二电场装置，使电浆中的源材料在该电性吸附力的作用下吸附并沉积于基片表面。

作为一种沉积方法的优选方案，所述步骤C2设于步骤C1之后，即关闭所述第一电场装置后，再启动第二电场装置。

作为一种沉积方法的优选方案，所述步骤C2之后还设有步骤D：启动射频磁场装置，以控制沉积于基片表面上的磊晶角度。

本发明的有益效果为：

本发明在同一远端电浆产生室中同时设置直流放电单元、射频放电单元和微波放电单元，利用不同放电单元的放电特性及各放电单元之间的相互作用，使该装置能够针对多种制程气体产生放电作用，从而使制程气体被充分电离得到符合制程要求的电浆。相比于单独采用一种放电单元制作电浆的装置，本发明大大扩展了制程气体和沉积薄膜的类型，使该远端电浆增强化学气相沉积装置能够适用于更多不同族的沉积材；而且，三种放电单元共同作用，能够有效提高电浆密度，避免形成的电浆密度较低或空间分布不均等缺陷，从而提升了该远端电浆增强化学气相沉积装置的使用效率及其制程效率。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的远端电浆增强化学气相沉积装置的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的远端电浆产生室的结构示意图。

图中标记如下：

10-反应室；11-制程气体入口；12-副产品抽出口；13-平台；14-平台面；20-基片；30-电浆；40-第一电场装置；50-第二电场装置；60-射频磁场装置；70-远端电浆产生室；71-直流放电单元；72-射频放电单元；73-微波放电单元。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式，且图中各部件的尺寸并非依实际比例绘制。基于本发明中的实施方式，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1和图2所示，本实施例提供了一种优选的远端电浆增强化学气相沉积装置，该装置包括相互连通的反应室10和远端电浆产生室70，其中远端电浆产生室70的一端设有制程气体入口11，反应室10的底部设有副产品抽出口12。反应室10内设有平台13，该平台13内设置有加热器件，可对基片20进行加热，以提供形成电浆30所需的温度；平台13上固定有平台面14，用以承置至少一个基片20，此处平台面14可以优选设为能够旋转的结构，以提高反应室的制膜效果。该远端电浆产生室70中同时且互相隔离地设置有一直流放电单元71、一射频放电单元72和一微波放电单元73，且直流放电单元71、射频放电单元72和微波放电单元73同步产生放电，用以使远端电浆产生室70内的制程气体形成电浆30，并通入反应室10中。这里，图1及图2中的直流放电单元71、射频放电单元72和微波放电单元73的设置位置、结构型态(如线圈结构)并非依据实际结构或比例绘制，各放电单元需依现有电子技术进行妥善安排。另外，本发明的制程气体是指，包含源材料(或称反应源、薄膜先前物)的气体。

本实施例中，射频放电单元72的射频强度优选为12000MHz，130A/m±6％，即射频放电单元72的频率为12000MHz时，射频可以在(130±130*6％)A/m的范围内进行选择；直流放电单元71的直流强度为17KVA/m±20％，即直流强度可以在(17±17*20％)KVA/m的范围内进行选择；微波放电单元73的射频强度为150db/w。另外，该远端电浆产生室70采用惰性气体中的氩气作为制程气体，且氩气的气流强度优选为3～20cc/min。本发明通过设置远端电浆产生室70，使该源材料或制程气体先进入该远端电浆产生室70中以产生电浆30，再将所产生之电浆30引入该反应室10中以进行沉积成膜制程，简化了反应室10的内部结构，降低了设备制作成本；通过设置三种放电单元的参数，使其同时产生放电，能够产生符合要求的较佳电浆源，有效控制电浆30的密度，避免形成的电浆30密度较低或空间分布不均等缺陷，提升了该远端电浆增强化学气相沉积装置的使用效率及其制程效率。

进一步地，该远端电浆产生室70上设有三个制程气体入口11，用以分别引入不同的源材料(薄膜先前物、反应源)或制程气体，便于在同一沉积制程中增加源材料或制程气体的种类，从而使一个制程能同时制作三层或以上的沉积材，以提升该远端PECVD装置的制程效率。优选地，制程气体入口11处还设置有气体流量计，用于精确控制进入远端电浆产生室70内的气体量。另外，本发明副产品抽出口12还连接有真空泵，用于将反应后的气体副产品抽出反应室10之外。

此外，反应室10中还设有第一电场装置40，第一电场装置40设于反应室10内腔的环周缘壁上，以对反应室10中的电浆30产生电性吸力效应，使电浆30中的源材料或薄膜先前物在吸附并沉积于基片20表面上以形成薄膜之前，能由反应室10的中央朝外环周缘扩张移动，借以增进沉积薄膜的均匀性，用以提升PECVD的反应室10的使用效率及其制程效率。此外，该第一电场装置40是利用射频电流通过线圈来形成电场，其中该射频电流的射频可依源材料密度而选用不同强度，其包含：700V/m±6％、800V/m±3％、1200V/m±3％、1300V/m±6％、1700V/m±3％和1900V/m±6％，即射频可以在(700±700*6％)V/m，或(800±800*3％)V/m，或(1200±1200*3％)V/m，或(1300±1300*6％)V/m，或(1700±1700*3％)V/m，或(1900±1900*6％)V/m的范围内进行选择。

进一步地，反应室10中还设有第二电场装置50，第二电场装置50设于反应室10内平台面14的下方，用以对在反应室10内的电浆30产生电性吸力效应，使该电浆30中之源材料或薄膜先前物能借该电性吸力效应而吸附并沉积于该基片20至少一表面上，从而有效控制及减小沉积薄膜的厚度，并可避免先前技术在沉积成较厚薄膜后必须再研磨加工的麻烦，用以提升PECVD之反应室10的制程效率。此外，该第二电场装置50是利用射频电流通过螺旋状线圈(以Z轴为中心轴绕设)来形成电场，其中该射频电流的射频可依源材料气相层析浓度而选用不同强度，其包含：90uV/m±4.5％、100uV/m±1.5％、400uV/m±1.5％、500uV/m±4.5％、900uV/m±1.5％和1100uV/m±4.5％，即射频可以在(90±90*4.5％)uV/m，或(100±100*1.5％)uV/m，或(400±400*1.5％)uV/m，或(500±500*4.5％)uV/m，或(900±900*1.5％)uV/m，或(1100±1100*4.5％)uV/m的范围内进行选择。

需要说明的是，通常操作时，应先关闭第一电场装置40的电场，再启动第二电场装置50的电场。但本发明并不以此为限，也就是该第一电场装置40及该第二电场装置50可以分别单独设置及工作。由于该第二电场装置50在启动后，其所形成的电场效应可以主动对在反应室10内的电浆30产生电性吸力作用，从而迫使该电浆30中的源材料或薄膜先前物能加速吸附并沉积于基片20的至少一表面上，故可以有效控制及减小沉积薄膜的厚度。

更进一步地，反应室10内平台面14的中央(如图1中Z轴所示)下方处还设有射频磁场装置60，用以控制沉积于基片20至少一表面上的磊晶角度，同样可以避免先前技术在沉积后须再研磨加工的麻烦，用以提升PECVD反应室10的使用效率及制程效率。

实施例二

本实施例提出另一种优选的远端电浆增强化学气相沉积装置，该装置与实施例一中的装置基本相同，其区别之处在于：各放电单元及制程气体的设置参数不同。

本实施例中，射频放电单元72的射频强度优选为11000MHz，100A/m±3％，即射频放电单元72的频率为11000MHz时，射频可以在(100±100*3％)A/m的范围内进行选择；直流放电单元71的直流强度为15KVA/m±10％，即直流强度可以在(15±15*10％)KVA/m的范围内进行选择；微波放电单元73的射频强度为120db/w。另外，该远端电浆产生室70也采用氩气作为制程气体，但氩气的气流强度优选为5～15cc/min。本实施例相对于实施例一来说参数范围更精确，数值更小，在产生符合要求的电浆源、提升装置使用效率的同时，也节约了电能消耗，降低了电浆源的制作成本。

实施例三

本实施例提出一种适用于上述远端电浆增强化学气相沉积装置的沉积方法，其具体包括如下步骤：

A：将至少一个基片20放置在反应室10中的平台面14上，这里，基片20形状不限，数量依据平台面14的大小而定。

B：向反应室10中提供由制程气体形成的电浆30；

该步骤中，电浆30是原材料先在远端电浆产生室70内形成，再通入到反应室10中。

C1：启动第一电场装置40，该第一电场装置40设在该PECVD反应室10内腔的环周缘壁上，用以对反应室10中的电浆30产生电性吸力效应，使电浆30中的源材料或薄膜先前物在吸附并沉积于该至少一基片20的表面上以形成薄膜之前，能由反应室10的中央朝外环周缘扩张移动，借以增进沉积薄膜的均匀性。

C2：启动第二电场装置50，该第二电场装置50设置在反应室10中平台面14的下方，用以对在反应室10内的电浆30产生电性吸力效应，使该电浆30中的源材料或薄膜先前物能借该电性吸附力而吸附并沉积于基片20表面上。

优选地，本实施例中步骤C1设置在步骤C2之前，即关闭第一电场装置40后，再启动第二电场装置50；这首先充分保证了电浆30在沉积为薄膜之前的均匀性，提高了制膜质量；其次，还增加了制膜效率，有效减小了薄膜厚度。当然，在在其它情况下，本发明也可以只设置步骤C1，或只设置步骤C2，或步骤C1与步骤C2同时进行。

D：启动射频磁场装置60，该射频磁场装置60设在该反应室10中该平台面14的中央下方处，用以控制沉积于基片20表面上的磊晶角度。

注意，以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施方式的限制，上述实施方式和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明的要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种远端电浆增强化学气相沉积装置，包括相互连通的反应室(10)和远端电浆产生室(70)，所述远端电浆产生室(70)上设有制程气体入口(11)，所述反应室(10)上设有副产品抽出口(12)；所述反应室(10)内设有平台(13)，所述平台(13)的平台面(14)上放置有基片(20)，其特征在于，所述远端电浆产生室(70)中同时且互相隔离地设置有直流放电单元(71)、射频放电单元(72)和微波放电单元(73)，所述直流放电单元(71)、射频放电单元(72)和微波放电单元(73)同步产生放电，用以使远端电浆产生室(70)内的制程气体形成电浆(30)，并通入反应室(10)中。

2.根据权利要求1所述的远端电浆增强化学气相沉积装置，其特征在于，所述射频放电单元(72)的射频强度为12000MHz，130A/m±6％。

3.根据权利要求2所述的远端电浆增强化学气相沉积装置，其特征在于，所述直流放电单元(71)的直流强度为17KVA/m±20％。

4.根据权利要求3所述的远端电浆增强化学气相沉积装置，其特征在于，所述微波放电单元(73)的射频强度为150db/w。

5.根据权利要求4所述的远端电浆增强化学气相沉积装置，其特征在于，所述远端电浆产生室(70)采用氩气作为制程气体，且所述氩气的气流强度为3～20cc/min。

6.根据权利要求5所述的远端电浆增强化学气相沉积装置，其特征在于，所述远端电浆产生室(70)上设有至少两个制程气体入口(11)，用以分别引入不同的制程气体。

7.根据权利要求1-6任一项所述的远端电浆增强化学气相沉积装置，其特征在于，包括第一电场装置(40)，所述第一电场装置(40)设于所述反应室(10)内腔的环周缘壁上，用于通过电性吸力效应使反应室(10)内的电浆(30)由中央朝外环周缘扩张移动。

8.根据权利要求7所述的远端电浆增强化学气相沉积装置，其特征在于，包括第二电场装置(50)，所述第二电场装置(50)设于所述反应室(10)内平台面(14)的下方，用于通过电性吸力效应使电浆(30)吸附并沉积于基片(20)表面。

9.根据权利要求8所述的远端电浆增强化学气相沉积装置，其特征在于，包括射频磁场装置(60)，所述射频磁场装置(60)设于所述反应室(10)内平台面(14)的中央下方处，用以控制沉积于基片(20)表面上的磊晶角度。

10.根据权利要求1-6任一项所述的远端电浆增强化学气相沉积装置，其特征在于，所述副产品抽出口(12)连接有真空泵，用于将气体副产品抽出反应室(10)之外。