CN115354307B - 一种真空加热衬底设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体制造技术领域，更具体的说，涉及一种真空加热衬底设备。本发明提供了一种真空加热衬底设备，包括衬底处理腔室、真空吸附式加热装置和压力控制系统；所述真空吸附式加热装置，设置在衬底处理腔室的内部，用于放置衬底并进行加热；所述压力控制系统包括吸附子系统、解吸附子系统、清洁子系统和压力调节子系统；所述解吸附子系统，可通断地与吸附子系统相连接，用于对衬底实现解吸附，所述解吸附子系统设置有颗粒收集器，对工艺过程中累积的颗粒进行收集。本发明提供的真空加热衬底设备，在提高衬底薄膜均匀性的同时避免了压力控制系统频繁更换的问题。

Description

一种真空加热衬底设备

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，更具体的说，涉及一种真空加热衬底设备。

背景技术

薄膜沉积技术用于制造微电子器件的薄膜，在基板衬底上形成沉积物，常见的薄膜沉积技术包括物理气相沉积、化学气相沉积等技术，随着半导体技术节点的不断发展，亚常压化学气相沉积(Sub-atmospheric pressure chemical vapor deposition，SACVD)受到广泛关注。

在这些薄膜沉积工艺过程中，通常需要将基板衬底放置在支撑结构中进行夹持以及加热。但是，现有的支撑结构对基板衬底的吸附夹持力并不均匀，基板衬底靠近中心位置与边缘位置的吸附力差别很大，基板衬底随着薄膜沉积发生微翘导致薄膜均匀性变差。

同时，在不同的工艺过程中，需要在腔室中保持不同的真空度，因此，一般需要连接一个压力控制系统与腔体进行连接。

但是，工艺过程中通常会有副产物及残余前驱体等污染物进入压力控制系统，现有的压力控制系统中的管路与阀门对此没有特别设计，容易造成污染物进入压力控制系统造成堵塞问题，压力控制系统需要频繁维修甚至更换。

发明内容

本发明的目的是提供一种真空加热衬底设备，解决现有技术的真空加热衬底设备由于衬底边缘吸附力较低导致沉积厚膜边缘出现翘曲，薄膜均匀性变差的问题。

本发明的又一个目的是提供一种真空加热衬底设备，解决现有技术的真空加热衬底设备中由于颗粒累积导致压力控制系统更换周期频繁的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种真空加热衬底设备，包括衬底处理腔室、真空吸附式加热装置和压力控制系统；

所述真空吸附式加热装置，设置在衬底处理腔室的内部，用于放置衬底并进行加热；

所述压力控制系统，可通断地与真空吸附式加热装置、衬底处理腔室、泵端相连接，控制真空吸附式加热装置、衬底处理腔室的压力；

其中，所述压力控制系统包括吸附子系统、解吸附子系统、清洁子系统和压力调节子系统；

所述吸附子系统，可通断地与真空吸附式加热装置相连接，用于对衬底实现吸附；

所述解吸附子系统，可通断地与吸附子系统相连接，用于对衬底实现解吸附，所述解吸附子系统设置有颗粒收集器，对工艺过程中累积的颗粒进行收集；

所述清洁子系统，可通断地与吸附子系统、解吸附子系统相连接，用于对吸附子系统和解吸附子系统进行清洁；

所述压力调节子系统，可通断地与衬底处理腔室、吸附子系统、解吸附子系统、清洁子系统连接，用于调节衬底处理腔室内部的气压。

在一实施例中，所述真空吸附式加热装置，包括支撑主体、加热器和支撑柱：

所述支撑主体，上表面分布有多个圆环形沟槽，用于放置衬底；

所述加热器，分布在支撑主体的内部；

所述支撑柱，与支撑主体的下表面相连接。

在一实施例中，所述支撑主体的多个圆环形沟槽为同心圆环形沟槽，相互之间互不相交；

每个同心圆环形沟槽，设置至少1个吸附孔，用于吸附衬底；

所述至少1个吸附孔，穿过支撑主体以及支撑柱后，与压力控制系统相连接。

在一实施例中，所述圆环形沟槽宽度范围为0.5mm至1mm，深度范围为0.5mm至1mm。

在一实施例中，所述吸附孔直径范围为0.5mm至2mm。

在一实施例中，所述支撑主体的上表面粗糙度范围为0.3μm至1μm。

在一实施例中，所述压力控制系统，与支撑柱的底部连接，与支撑主体上的吸附孔相连通。

在一实施例中，所述真空吸附式加热装置的数量至少为一个；

所述压力控制系统的吸附子系统，包括至少一个第一吸附管路、第二吸附管路、第三吸附管路、第一阀和第二阀；

所述至少一个第一吸附管路的数量与真空吸附式加热装置的数量相对应；

第一吸附管路的一端与真空吸附式加热装置的支撑柱相连接，另一端汇合后与第一阀相连接，第一阀与第二阀之间通过第二吸附管路相连接，第二阀与节流阀下方靠近泵端通过第三吸附管路相连接。

在一实施例中，所述解吸附子系统，包括第三阀、颗粒收集器、第一解吸附管路和第二解吸附管路：

所述第一解吸附管路，从第二吸附管路上引出并连接到第三阀；

所述第三阀，通过第二解吸附管路与调压阀上端相连接；

所述颗粒收集器，与第二解吸附管路相连接。

在一实施例中，所述清洁子系统，包括第四阀、第一清洁管路和第二清洁管路：

所述第一清洁管路，从颗粒收集器和第三阀之间的第二解吸附管路上引出并连接到第四阀；

所述第四阀，通过第二清洁管路与节流阀下方靠近泵端相连接。

在一实施例中，所述压力调节子系统，包括节流阀、调压阀、第一调节管路、第二调节管路和第三调节管路：

所述调压阀，通过第一调节管路与衬底处理腔室相连接，通过第二调节管路与节流阀相连接；

所述节流阀，通过第三调节管路与泵端相连接。

在一实施例中，衬底吸附过程或吸附管路清洁过程中，将第一阀和第二阀打开，将第三阀和第四阀关闭。

在一实施例中，衬底解吸附过程或解吸附管路清洁过程中，将第一阀和第三阀打开，将第二阀和第四阀关闭。

在一实施例中，颗粒收集器清洁过程中，将第四阀打开，将第一阀、第二阀和第三阀关闭。

本发明提供的真空加热衬底设备，具体具有以下有益效果：

1)通过改进真空吸附式加热装置的支撑主体结构，在内外圈分别设置吸附孔解决吸附力问题，防止衬底边缘吸附力较低导致沉积厚膜边缘出现翘曲薄膜均匀性变差问题；

2)通过对压力控制系统改进，增加颗粒收集器并引入清洁气体，解决压力控制系统由于颗粒累积堵塞导致更换周期频繁问题。

附图说明

本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1揭示了根据本发明一实施例的真空加热衬底设备的示意图；

图2a揭示了根据本发明一实施例的真空吸附式加热装置的俯视图；

图2b揭示了根据本发明一实施例的真空吸附式加热装置的截面图；

图3揭示了根据本发明一实施例的沉积过程的压力控制系统控制流程图；

图4揭示了根据本发明一实施例的清洁过程的压力控制系统控制流程图；

图5揭示了根据本发明一实施例的盘面压力仿真结果示意图。

图中各附图标记的含义如下：

100衬底处理腔室；

200a真空吸附式加热装置；

200b真空吸附式加热装置；

210支撑主体；

211圆环形沟槽；

212吸附孔；

220支撑柱；

230加热器；

311a第一吸附管路；

311b第二吸附管路

312第二吸附管路；

313第三吸附管路；

314第一阀；

315第二阀；

321第一解吸附管路；

322第二解吸附管路；

323第三阀；

324颗粒收集器；

331第一清洁管路；

332第二清洁管路；

333第四阀；

341第一调节管路；

342第二调节管路；

343第三调节管路；

344调压阀；

345节流阀；

401气体进气口；

402气体进气口；

403气体进气口

404泵端；

500第一压力曲线；

600第二压力曲线；

701内圈沟槽处；

702外圈沟槽处。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释发明，并不用于限定发明。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

图1揭示了根据本发明一实施例的真空加热衬底设备的示意图，如图1所示，本发明提出的一种真空加热衬底设备，包括衬底处理腔室100、真空吸附式加热装置和压力控制系统；

所述真空吸附式加热装置，设置在衬底处理腔室100的内部，底部穿过衬底处理腔室100后与压力控制系统连接，用于放置衬底并进行加热；

所述压力控制系统，可通断地与真空吸附式加热装置、衬底处理腔室100、泵端404相连接，控制真空吸附式加热装置、衬底处理腔室100的压力。

如图1所示，真空吸附式加热装置，数量为2个，包括真空吸附式加热装置200a和真空吸附式加热装置200b，对称分布于衬底处理腔室100的内部。

下面结合图1和图2a、图2b说明真空吸附式加热装置的结构功能。

图2a和图2b分别揭示了根据本发明一实施例的真空吸附式加热装置的俯视图和截面图，如图2a和图2b所示的真空吸附式加热装置，包括支撑主体210、加热器230和支撑柱220：

所述支撑主体210，上表面分布有多个圆环形沟槽211，用于放置并支撑衬底；

所述加热器230，分布在支撑主体210的内部；

所述支撑柱220，与支撑主体210的下表面相连接。

更进一步的，支撑主体210上表面分布的多个圆环形沟槽211为同心圆环形沟槽，相互之间互不相交；

每个圆环形沟槽211内形成至少1个吸附孔212，吸附孔212穿过支撑主体210及支撑柱220后，与压力控制系统相连接，实现衬底吸附。

更进一步的，圆环形沟槽211的宽度范围为0.5mm至1mm，深度范围为0.5mm至1mm。

更进一步的，吸附孔221的直径为0.5mm至2mm。

更进一步的，支撑主体210上表面粗糙度范围为0.3μm至1μm。

更进一步的，加热器230包括多个电阻丝，电阻丝在支撑主体210内为圆环形分布。

更进一步的，支撑柱220，与支撑主体210下表面中心处相连接。

下面结合图1说明压力控制系统的结构功能。

如图1所示，压力控制系统，与真空吸附式加热装置的支撑柱220底部相连接，与支撑主体210上的吸附孔212相连通；

在本实施例中，压力控制系统包括吸附子系统、解吸附子系统、清洁子系统和压力调节子系统；

所述吸附子系统，可通断地与真空吸附式加热装置相连接，用于对衬底实现吸附；

所述解吸附子系统，可通断地与吸附子系统相连接，用于对衬底实现解吸附，所述解吸附子系统设置有颗粒收集器，对工艺过程中累积的颗粒进行收集；

所述清洁子系统，可通断地与吸附子系统、解吸附子系统相连接，用于对吸附子系统和解吸附子系统进行清洁；

所述压力调节子系统，可通断地与衬底处理腔室100、吸附子系统、解吸附子系统、清洁子系统连接，用于调节衬底处理腔室100内部的气压。

所述吸附子系统，包括第一吸附管路311a、第一吸附管路311b、第二吸附管路312、第三吸附管路313、第一阀314和第二阀315；

所述第一吸附管路311a、第一吸附管路311b分别与真空吸附式加热装置200a、真空吸附式加热装置200b的2个支撑柱相连接，汇合后与第一阀314相连接，第一阀314与第二阀315之间通过第二吸附管路312相连接，第二阀315与节流阀345下方靠近泵端404通过第三吸附管路313相连接。

更进一步的，第一吸附管路311a、第一吸附管路311b为2个等长度气体管路。

所述解吸附子系统，包括第三阀323、颗粒收集器324、第一解吸附管路321和第二解吸附管路322：

所述第一解吸附管路321，从第二吸附管路312上引出并连接到第三阀323；

所述第三阀323，通过第二解吸附管路322与调压阀344上端相连接，靠近衬底处理腔室100。

所述颗粒收集器324，与第二解吸附管路322相连接。

所述清洁子系统，包括第四阀333、第一清洁管路331、第二清洁管路332：

所述第一清洁管路331，从颗粒收集器324和第三阀323之间的第二解吸附管路322上引出并连接到第四阀333；

所述第四阀333，通过第二清洁管路332与节流阀345下方靠近泵端404相连接。

清洁气体从气体进气口403进入颗粒收集器324后，从第四阀333排出到泵端404，同时清洁气体从真空吸附孔221引入，流经吸附子系统排出到泵端404。

气体进气口401为沉积气体和清洁气体进气口，气体进气口402均为沉积气体和清洁气体进气口，气体进气口403为清洁气体进气口。

所述压力调节子系统，包括节流阀345、调压阀344、第一调节管路341、第二调节管路342和第三调节管路343：

所述调压阀344，通过第一调节管路341与衬底处理腔室100相连接，通过第二调节管路342与节流阀345相连接；

所述节流阀345，通过第三调节管路343与泵端404相连接。

图3揭示了根据本发明一实施例的沉积过程的压力控制系统控制流程图，如图3所示的沉积过程：衬底处理腔室100内的压力介于0.02-600torr可控。

压力控制系统控制方法包括：

步骤S101、衬底放置；

衬底传送至衬底处理腔室100，放置到真空吸附式加热装置上；

步骤S102、衬底吸附；

当腔体压力在0.02-1torr时，将压力控制系统的第一阀314和第二阀315打开，第三阀323和第四阀333关闭；

此时，压力控制系统处于低压状态，然后衬底处理腔室100控压到50-600torr，通过压力差将衬底吸附到真空吸附式加热装置上；

步骤S102、衬底解吸附；

衬底处理腔室100控压到0.02-1torr，将第二阀315和第四阀333关闭，第一阀314和第三阀323打开，此时，衬底处理腔室100和压力控制系统压力平衡消除压力差，将衬底从真空吸附式加热装置上解吸。

图4揭示了根据本发明一实施例的清洁过程的压力控制系统控制流程图，如图4所示，清洁过程的压力控制系统控制方法包括：

步骤S201、吸附管路清洁；

将第一阀314和第二阀315打开，第三阀323和第四阀333关闭，清洁气体进入吸附子系统，将清洁气体从真空吸附式加热装置的吸附孔212引入，排出到泵端404对吸附管路清洁；

步骤S202、颗粒收集器清洁；

将第四阀333打开，将第一阀314、第二阀315、第三阀323关闭，清洁气体进入颗粒收集器324，将清洁气体从颗粒收集器324引入，从第四阀333排出到泵端404；

步骤S203、解吸附管路清洁；

将第一阀314和第三阀323打开，第二阀315和第四阀333关闭，清洁气体进入解吸附子系统，将清洁气体从真空吸附式加热装置的吸附孔212引入，排出到泵端404，对解吸附管路清洁。

图5揭示了根据本发明一实施例的盘面压力仿真结果示意图，如图5所示，第一压力曲线500为采用现有技术的盘面压力仿真曲线，第二压力曲线600为采用本发明一实施例的盘面压力仿真曲线，第二压力曲线600在内圈沟槽处701和外圈沟槽处702的盘面压力值的差值较小，吸附力一致性更好，衬底加工的均匀性更好。

本发明提供的真空加热衬底设备，具体具有以下有益效果：

1)通过改进真空吸附式加热装置的支撑主体结构在内外圈分别设置吸附孔解决吸附力问题，防止真空盘边缘吸附力较低导致沉积厚膜边缘出现翘曲薄膜均匀性变差问题；

2)通过对压力控制系统改进，增加颗粒收集器并引入清洁气体，解决压力控制系统由于颗粒累积堵塞导致更换周期频繁问题。

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连同。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (14)

1.一种真空加热衬底设备，其特征在于，包括衬底处理腔室、真空吸附式加热装置和压力控制系统；

所述真空吸附式加热装置，设置在衬底处理腔室的内部，用于放置衬底并进行加热；

所述压力控制系统，可通断地与真空吸附式加热装置、衬底处理腔室、泵端相连接，控制真空吸附式加热装置、衬底处理腔室的压力；

其中，所述压力控制系统包括吸附子系统、解吸附子系统、清洁子系统和压力调节子系统；

所述吸附子系统，可通断地与真空吸附式加热装置相连接，用于对衬底实现吸附；

所述解吸附子系统，可通断地与吸附子系统相连接，用于对衬底实现解吸附，所述解吸附子系统设置有颗粒收集器，对工艺过程中累积的颗粒进行收集；

所述清洁子系统，可通断地与吸附子系统、解吸附子系统相连接，用于对吸附子系统和解吸附子系统进行清洁；

所述压力调节子系统，可通断地与衬底处理腔室、吸附子系统、解吸附子系统、清洁子系统连接，用于调节衬底处理腔室内部的气压。

2.根据权利要求1所述的真空加热衬底设备，其特征在于，所述真空吸附式加热装置，包括支撑主体、加热器和支撑柱：

所述支撑主体，上表面分布有多个圆环形沟槽，用于放置衬底；

所述加热器，分布在支撑主体的内部；

所述支撑柱，与支撑主体的下表面相连接。

3.根据权利要求2所述的真空加热衬底设备，其特征在于，所述支撑主体的多个圆环形沟槽为同心圆环形沟槽，相互之间互不相交；

每个同心圆环形沟槽，设置至少1个吸附孔，用于吸附衬底；

所述至少1个吸附孔，穿过支撑主体以及支撑柱后，与压力控制系统相连接。

4.根据权利要求2所述的真空加热衬底设备，其特征在于，所述圆环形沟槽宽度范围为0.5mm至1mm，深度范围为0.5mm至1mm。

5.根据权利要求3所述的真空加热衬底设备，其特征在于，所述吸附孔直径范围为0.5mm至2mm。

6.根据权利要求2所述的真空加热衬底设备，其特征在于，所述支撑主体的上表面粗糙度范围为0.3μm至1μm。

7.根据权利要求3所述的真空加热衬底设备，其特征在于，所述压力控制系统，与支撑柱的底部连接，与支撑主体上的吸附孔相连通。

8.根据权利要求2所述的真空加热衬底设备，其特征在于，所述真空吸附式加热装置的数量至少为一个；

所述压力控制系统的吸附子系统，包括至少一个第一吸附管路、第二吸附管路、第三吸附管路、第一阀和第二阀；

所述至少一个第一吸附管路的数量与真空吸附式加热装置的数量相对应；

第一吸附管路的一端与真空吸附式加热装置的支撑柱相连接，另一端汇合后与第一阀相连接，第一阀与第二阀之间通过第二吸附管路相连接，第二阀与节流阀下方靠近泵端通过第三吸附管路相连接。

9.根据权利要求8所述的真空加热衬底设备，其特征在于，所述解吸附子系统，包括第三阀、颗粒收集器、第一解吸附管路和第二解吸附管路：

所述第一解吸附管路，从第二吸附管路上引出并连接到第三阀；

所述第三阀，通过第二解吸附管路与调压阀上端相连接；

所述颗粒收集器，与第二解吸附管路相连接。

10.根据权利要求9所述的真空加热衬底设备，其特征在于，所述清洁子系统，包括第四阀、第一清洁管路和第二清洁管路：

所述第一清洁管路，从颗粒收集器和第三阀之间的第二解吸附管路上引出并连接到第四阀；

所述第四阀，通过第二清洁管路与节流阀下方靠近泵端相连接。

11.根据权利要求1所述的真空加热衬底设备，其特征在于，所述压力调节子系统，包括节流阀、调压阀、第一调节管路、第二调节管路和第三调节管路：

所述调压阀，通过第一调节管路与衬底处理腔室相连接，通过第二调节管路与节流阀相连接；

所述节流阀，通过第三调节管路与泵端相连接。

12.根据权利要求10所述的真空加热衬底设备，其特征在于，衬底吸附过程或吸附管路清洁过程中，将第一阀和第二阀打开，将第三阀和第四阀关闭。

13.根据权利要求10所述的真空加热衬底设备，其特征在于，衬底解吸附过程或解吸附管路清洁过程中，将第一阀和第三阀打开，将第二阀和第四阀关闭。

14.根据权利要求10所述的真空加热衬底设备，其特征在于，颗粒收集器清洁过程中，将第四阀打开，将第一阀、第二阀和第三阀关闭。