CN218932302U - 一种稳定气流的等离子辅助氧化装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了一种稳定气流的等离子辅助氧化装置，其包括等离子处理腔、输送穿过所述等离子处理腔内部的输送装置以及位于所述输送装置上用于承载基板的载板，所述等离子处理腔内位于所述输送装置的上方沿输送方向依次设置有气体导入系统、阴极板以及抽真空系统，所述等离子处理腔内位于所述输送装置的下方形成有与所述阴极板上下相对的阳极板，所述阴极板通过导线电连通于高频电源，所述气体导入系统与所述抽真空系统配合在所述输送装置上方空间内形成有弧形轨迹的气流场，所述阳极板与所述阴极板配合在两者之间的空间内形成有自下而上的电场。本实用新型解决基片平行传动对电场和流场的扰动问题，从而提高被氧化薄膜的整体均匀度。

Description

一种稳定气流的等离子辅助氧化装置

技术领域

本实用新型属于半导体制造技术领域，特别是涉及一种稳定气流的等离子辅助氧化装置。

背景技术

从20世纪60~70年代以来由于半导体和集成电路技术发展和生产的需要，化学气相沉积技术CVD得到了迅速和广泛的发展。目前，在制造硅基半导体器件中，PECVD技术在薄膜制备领域中凭借其可低温制备、高沉积速率和良好的阶梯覆盖性具有极大的应用潜力。

PECVD设备中核心装置为等离子处理装置，等离子处理装置通常具有成对的阴极电极和阳极电极以及供应用于产生等离子体的反应气体的气体供应装置。基于辉光放电方法的PECVD技术，能够使得反应气体在外界电磁场的激励下实现电离形成等离子体，等离子体的存在可以使得含氧反应气体分解或电离，同时扩散至被处理基片表面，使得基片表面氧化。

在PECVD技术中，在高功率的沉积过程中，不稳定的气体压强会导致供电电极异常放电，从而导致被处理基片表面薄膜的不均匀性提高。反应气体通常采用在阴极电极表面上设置的喷淋板来供应到阴极电极和阳极电极之间，实现在整个等离子体产生空间均匀扩散气体。而在PECVD产线制备氧化薄膜的过程中，考虑到被处理基片面积的扩大和节拍问题，基片的传动方式由传统的旋转变为平行传动。

现有技术中专利公开号为CN206774570U公开了一种太阳能电池镀膜设备及太阳能电池链式生产设备，其采用连续输送装置实现基板的自动水平输送，然后依次穿过预热腔室、氧化腔室与镀膜腔室；其中在氧化腔室中，在靠近输入侧且位于输送装置的下方设置等离子体发生器，在等离子体发生器的上方设置导流板，利用导流板斜向向下向后吹气，配合氧化腔室输出侧位于输送装置下方的抽真空口的负压，形成气流场，该气流场位于氧化腔室的内部，且没有特定管路限定其气流场的走向，而真空抽气口的位置又设置在氧化腔室的输出侧底部，当真空抽气口抽真空时，氧化腔室内的气体会从真空抽气口的各个方向涌来，其中就包括输送装置下方的空间，因此，导流板吹出的气体会形成两股气流，一股气流流经输送装置与上方的加热装置之间的空间，另一股气流流经输送装置下方的空间，而流经输送装置上方空间的反应气体才起到了作用，流经输送装置下方空间的气体则造成了浪费；上述结构在输送装置与加热装置之间对应的氧化反应区段并不存在电场，反应气体是先电离为等离子体，然后再在气流场的作用下扩散至基板所在区段使基片表面氧化。这种模式下等离子体在行进过程中离子浓度随着与基板反应而不断降低，且气流很难分散均匀，从而导致氧化反应不均匀。

由于基片平行传动会引发许多问题，包括随着基片传动过程中电场强度的变化以及平行传动对反应气体及等离子体的扰动。这些问题会进一步导致被处理基片表面不均匀性的提高，使得最终半导体器件性能的下降。

因此，亟需对现有的等离子反应腔腔体结构进行进一步改进，以解决基片平行传动对电场和流场的扰动问题。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种稳定气流的等离子辅助氧化装置，解决基片平行传动对电场和流场的扰动问题，从而提高被氧化薄膜的整体均匀度。

本实用新型通过如下技术方案实现上述目的：一种稳定气流的等离子辅助氧化装置，其包括等离子处理腔、输送穿过所述等离子处理腔内部的输送装置以及位于所述输送装置上用于承载基板的载板，所述等离子处理腔内位于所述输送装置的上方沿输送方向依次设置有气体导入系统、阴极板以及抽真空系统，所述等离子处理腔内位于所述输送装置的下方形成有与所述阴极板上下相对的阳极板，所述阴极板通过导线电连通于高频电源，所述气体导入系统与所述抽真空系统配合在所述输送装置上方空间内形成有弧形轨迹的气流场，所述阳极板与所述阴极板配合在两者之间的空间内形成有自下而上的电场。

进一步的，所述抽真空系统的排气速度与所述气体导入系统的进气流速一致。

进一步的，所述输送装置在基板表面沉积氧化薄膜过程中处于持续输送状态。

进一步的，所述载板内设置有加热组件。

进一步的，所述气体导入系统包括位于所述阴极板旁侧的气体导入板、与所述气体导入板连通的气源以及设置在所述气源与所述气体导入板连通管路上的MFC控制器。

进一步的，所述气体导入板包括顶板、面板、连接所述顶板与所述面板且与其共同围绕形成中空腔体的围挡立板、以及将所述中空腔体分隔为第一腔体与第二腔体的隔挡板，所述顶板的中部设置有进气口，所述隔挡板上设置有若干匀气通口，所述面板上阵列设置有若干出气孔。

进一步的，所述匀气通口为条形槽结构且自所述隔挡板的中心向左右两侧或向前后两侧平行间隔设置；所述匀气通口的流通截面面积自所述隔挡板中心向外逐渐增大。

进一步的，所述匀气通口为长度一致的条形槽结构，所述匀气通口的长度方向与所述输送装置的输送方向一致设置或垂直设置。

进一步的，所述抽真空系统包括位于所述阴极板旁侧的真空板、与所述真空板连通的真空泵、与所述真空泵连通的前级泵、设置在所述真空泵与所述前级泵连通管路上的前级阀以及压力控制器；所述真空板的下表面设置有若干真空吸附孔。

进一步的，所述气体导入系统与所述抽真空系统设置在所述阴极板的左右两侧；且所述气体导入板、所述阴极板以及所述真空板的下表面平齐且邻接设置。

本实用新型一种稳定气流的等离子辅助氧化装置作为大型产线PECVD镀膜设备的核心装置，在大面积镀膜过程中能够起到稳定气流和电场的作用，利用等离子体氧化载板上被处理基片表面，从而形成大面积均匀的氧化物薄膜。

与现有技术相比，本实用新型一种稳定气流的等离子辅助氧化装置的有益效果在于：有效解决了基片平行传动对电场和流场的扰动问题，从而提高被氧化薄膜的整体均匀度。具体为：

（1）、等离子反应腔体中气体流场稳定。本实用新型的等离子反应腔体中，进气的气体导入系统和排气的抽真空系统分别置于阴极板电极两侧，在低真空度下，为保证真空度稳定，进气流速和排气流速基本保持一致，气体导入系统中气体导入板导入的反应气体经过等离子反应区（即阴极板与阳极板之间的空间区域）可由抽真空系统稳定排出，由此形成稳定的流场；另外，通过MFC控制器和压力控制器可控制流场的大小以及强弱；由于载板平行运动方向与流场方向基本一致，尽最大程度的降低载板运动对流场的扰动，从而为氧化创造稳定的环境，最终在载板的被处理基片表面形成均匀的氧化薄膜；

（2）、等离子反应腔体中电场稳定。传统PECVD多将载板作为阳极电极，而在产线PECVD设备上，若将平行运动的载板设置为阳极电极，会导致电场强度随着载板的运动而变化，从而影响薄膜生长的效果；本实用新型将腔体接地，可以保障电场强度稳定，电场强度不随载板运动而变化，避免了因电场强度变化而导致的被处理基片表面的不均匀氧化现象发生。

附图说明

图1为本实用新型实施例的主视结构示意图；

图2为本实用新型实施例体现流场与电场方向的结构示意图；

图3为本实用新型实施例中气体导入板的截面结构示意图；

图4为本实用新型实施例中气体导入板的俯视结构示意图；

图中数字表示：

100-稳定气流的等离子辅助氧化装置；200-基板；

等离子处理腔；2-输送装置；3-载板；4-气体导入系统，41-气体导入板，411-顶板，412-面板，413-围挡立板，414-第一腔体，415-第二腔体，416-隔挡板，417-进气口，418-匀气通口，419-出气孔，4110-匀气通槽，42-气源，43-MFC控制器；5-阴极板；6-抽真空系统，61-真空板，62-真空泵，63-前级泵，64-前级阀，65-压力控制器；7-阳极板；8-高频电源；9-加热组件。

具体实施方式

请参照图1-图4，本实施例为一种稳定气流的等离子辅助氧化装置100，其包括等离子处理腔1、从左往右输送经过等离子处理腔1内的输送装置2以及位于输送装置2上的载板3，等离子处理腔1内位于输送装置2的上方沿输送方向依次设置有吹入反应气体的气体导入系统4、阴极板5与抽真空系统6，等离子处理腔1内位于输送装置2的下方形成有阳极板7，阴极板5通过导线电连通于高频电源8，等离子处理腔1的左侧形成有输入口、右侧形成有输出口，且在所述输入口与所述输出口处均设置有门阀（图中未标示）。

抽真空系统6通过抽真空一方面使得等离子处理腔1内形成低真空环境，另一方面与气体导入系统4配合在阴极板5与输送装置2之间空间内形成从左往右的弧形轨迹气流场；高频电源8对阴极板5施加高频功率以产生辉光放电，配合阳极板7形成自下而上的电场，使得气体导入系统4导入到低真空环境等离子处理腔1内的反应气体生成等离子体，其中氧离子体在所述电场和所述气流场的作用下沉积到被放置在载板3上的基板200表面。

抽真空系统6的排气速度与气体导入系统4的进气流速一致，使得等离子处理腔1内的气流场速度稳定，反应气体形成稳定的弧形气流，且仅只从输送装置2的上方空间流过，与输送装置2的输送方向一致，由此，输送装置2输送基板200进行水平移动时对于所述气流场的扰动非常小，基本上可以忽略不计，另外，由于阳极板7与阴极板5两个电极的位置相对固定，电场大小和方向也不会随着基板200的移动而产生扰动，因此，大大提高了基板200上生成氧化薄膜的均匀性。

本实施例以制备氧化硅薄膜为例进行说明，其中，基板200为硅基板，氧离子体沉积到硅基板表面上生成氧化硅薄膜。

本实施例中，输送装置2在基板表面沉积氧化薄膜过程中处于持续输送状态，以提高整体流线的节拍，同时满足大面积基板的输送要求，满足流水线式的生产工艺需求。

载板3内设置有加热组件9，加热组件9可将载板3升温至800℃或以上，氧化硅薄膜的制备工艺温度一般控制在200~400℃。

气体导入系统4与抽真空系统6设置在阴极板5的左右两侧。其中，气体导入系统4包括位于阴极板5旁侧的气体导入板41、与气体导入板41连通的气源42以及设置在气源42与气体导入板41连通管路上的MFC控制器43（MFC控制器43即气体质量流量控制器）。为了提高进入到等离子处理腔1内的反应气体的均匀性和稳定性，进而提高气流场的均匀性和稳定性，本实施例对气体导入板41的结构进行了改进设计。具体为，气体导入板41包括顶板411、面板412、连接顶板411与面板412且与其共同围绕形成中空腔体的围挡立板413、以及将所述中空腔体分隔为第一腔体414与第二腔体415的隔挡板416，顶板411的中部设置有进气口417，隔挡板416上设置有若干匀气通口418，面板412上阵列设置有若干出气孔419。MFC控制器43控制反应气体进入气体导入板41的进气流量。本实施例中气源42为NO、O₂中的一种。

为了保障面板412上吹出气压的均匀性，防止靠近进气口417处进入到所述中空腔体内的直接大面积的从进气口417下方一定区域内的出气孔419中吹出，导致该区域的气流速度较快，造成气压波动问题。为了解决该技术问题，本实施例一方面设置了隔挡板416，另一方面对隔挡板416上的匀气通口418的结构进行了改进设计。具体为：匀气通口418为条形槽结构且自隔挡板416的中心向左右两侧或向前后两侧平行间隔设置。匀气通口418的流通截面面积自隔挡板416中心向外逐渐增大，即靠近隔挡板416中心的匀气通口418的流通截面面积最小，越远离隔挡板416，匀气通口418的流通截面面积越大。本实施例中，最中间的匀气通口418为一个条形槽结构，两侧的匀气通口418配置为每两个条形槽结构为一组构成匀气通槽4110，且每组匀气通槽4110等间距设置。所有匀气通槽4110中的匀气通口418的宽度自隔挡板416中心向外逐渐增大。通过匀气通口418流通截面面积自隔挡板416中心向外逐渐增大的设计，能够有效的解决靠近进气口417附近区域的出气孔419出气速度与远离进气口417区域的出气孔419的出气速度差异较大，进而导致所述等离子处理腔1内气压波动的问题；另外，通过隔挡板416的设计，将通过进气口417进入的气体分为两级进行均匀处理，以保障能够最终以接近相同的流速和流量从面板412整个面板区域内流出，进入到所述等离子处理腔1中。

匀气通口418为长度一致的条形槽结构，匀气通口418的长度方向与输送装置2的输送方向一致或垂直设置。

抽真空系统6包括位于阴极板5旁侧的真空板61、与真空板61连通的真空泵62、与真空泵62连通的前级泵63、设置在真空泵62与前级泵63连通管路上的前级阀64以及压力控制器65。真空板61的下表面设置有若干真空吸附孔。压力控制器65与真空泵62电连接，抽真空系统6还包括监测等离子处理腔1内真空度的真空计，压力控制器65与真空计电连接，通过真空计实时获取真空度，进而控制真空泵62的工作功率，以使得等离子处理腔1内的真空度符合工艺设定条件。

本实施例中，等离子处理腔1内的真空度为10²~10^-1Pa。

本实施例中，气体导入板41、阴极板5以及真空板61的下表面平齐且邻接设置，使得三者的下表面共同形成一个无缝对接的板面，保障气流场的稳定性以及按照设定的流向路径进行流动。

本实施例中，等离子处理腔1的底部进行了接地处理形成阳极板7，在其他实施例中，也可以设置单独的阳极板。阳极板7与阴极板5上下相对设置，保障电场稳定，其中射频偏压的功率密度为0.015~5W/cm²。

本实施例的工作流程为：启动真空泵62与前级泵63，将等离子处理腔1真空度控制在低真空状态下（10²~10^-1Pa）；启动载板3内的加热组件9，将载板3温度稳定在200~400℃；启动高频电源8及气体导入系统4，反应气体在高频电源8激发的电场作用下，分解成电子、离子和活性基团等；射频偏压的功率密度为0.015~5W/cm²；由于气体导入系统4和抽真空系统6分布在阴极板5电极左右两侧，等离子处理腔1下部接地作为阳极电极，电场稳定，反应气体形成环形气流，与载板3平行传动方向一致，氧离子在电场作用及气体流场作用下快速迁移至被处理基片表面，使得平行传动的基片表面有效氧化，最终在匀速平行传动的被处理基片表面形成均匀的固态氧化薄膜；在薄膜生长过程中，各种反应副产物从膜的表面或等离子反应区逐渐脱离，在抽真空系统6的作用下从排气管道排出。

在本实施例的稳定气流的等离子辅助氧化装置中，电场和流场稳定，氧离子在电场作用及流场作用下快速迁移至被处理基片表面，使得平行传动的基片表面有效氧化，最终在匀速平行传动的硅片表面形成均匀的固态氧化硅薄膜，氧化硅薄膜厚度为0.8~1.6nm。

以上所述的仅是本实用新型的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种稳定气流的等离子辅助氧化装置，其特征在于：其包括等离子处理腔、输送穿过所述等离子处理腔内部的输送装置以及位于所述输送装置上用于承载基板的载板，所述等离子处理腔内位于所述输送装置的上方沿输送方向依次设置有气体导入系统、阴极板以及抽真空系统，所述等离子处理腔内位于所述输送装置的下方形成有与所述阴极板上下相对的阳极板，所述阴极板通过导线电连通于高频电源，所述气体导入系统与所述抽真空系统配合在所述输送装置上方空间内形成有弧形轨迹的气流场，所述阳极板与所述阴极板配合在两者之间的空间内形成有自下而上的电场。

2.如权利要求1所述的稳定气流的等离子辅助氧化装置，其特征在于：所述抽真空系统的排气速度与所述气体导入系统的进气流速一致。

3.如权利要求1所述的稳定气流的等离子辅助氧化装置，其特征在于：所述载板内设置有加热组件。

4.如权利要求1~3中任一项所述的稳定气流的等离子辅助氧化装置，其特征在于：所述气体导入系统包括位于所述阴极板旁侧的气体导入板、与所述气体导入板连通的气源以及设置在所述气源与所述气体导入板连通管路上的MFC控制器。

5.如权利要求4所述的稳定气流的等离子辅助氧化装置，其特征在于：所述气体导入板包括顶板、面板、连接所述顶板与所述面板且与其共同围绕形成中空腔体的围挡立板、以及将所述中空腔体分隔为第一腔体与第二腔体的隔挡板，所述顶板的中部设置有进气口，所述隔挡板上设置有若干匀气通口，所述面板上阵列设置有若干出气孔。

6.如权利要求5所述的稳定气流的等离子辅助氧化装置，其特征在于：所述匀气通口为条形槽结构且自所述隔挡板的中心向左右两侧或向前后两侧平行间隔设置；所述匀气通口的流通截面面积自所述隔挡板中心向外逐渐增大。

7.如权利要求6所述的稳定气流的等离子辅助氧化装置，其特征在于：所述匀气通口为长度一致的条形槽结构，所述匀气通口的长度方向与所述输送装置的输送方向一致设置或垂直设置。

8.如权利要求4所述的稳定气流的等离子辅助氧化装置，其特征在于：所述抽真空系统包括位于所述阴极板旁侧的真空板、与所述真空板连通的真空泵、与所述真空泵连通的前级泵、设置在所述真空泵与所述前级泵连通管路上的前级阀以及压力控制器；所述真空板的下表面设置有若干真空吸附孔。

9.如权利要求8所述的稳定气流的等离子辅助氧化装置，其特征在于：所述气体导入系统与所述抽真空系统设置在所述阴极板的左右两侧；且所述气体导入板、所述阴极板以及所述真空板的下表面平齐且邻接设置。

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