[实用新型]一种适用于等离子体加强化学气相沉积工艺设备的一体化真空腔体结构

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种等离子体化学气相沉积工艺设备，尤其涉及该设备中的真空腔体结构。

背景技术

自从半导体芯片制造技术从上世纪70年代发展起来以后，等离子体工艺技术，包括等离子体薄膜沉积技术，得到了很大发展和应用。在等离子体薄膜沉积技术中，又包括物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)技术；而在化学气相沉积技术中，等离子体加强化学气相沉积(PECVD)技术的应用最为广泛。今天，PECVD设备和工艺被大量地应用于半导体芯片、LED芯片、太阳能电池片以及其他专门用途的电子器件的制造工艺上。

PECVD工艺，是在真空条件下借助射频能量所产生的电磁反应，将反应气体电离，产生等离子体。存在于等离子体中的有活性反应原子或分子，以及电子和离子。由于等离子体中的电子温度很高，可以达到几万度，因此等离子体虽然气体温度很低，活性反应原子或分子却可以在只有几百摄氏度(比如100-400℃)的基体表面发生化学反应，生成所需要的薄膜。如果不是由于等离子体的这一特殊性质，化学反应可能要在非常高的温度(比如5000-10000℃)条件下才能发生。由等离子体加强化学气相沉积(PECVD)工艺生成的薄膜材料，往往直接关系到芯片的制造工艺流程以及芯片的最终功能。比如，利用PECVD工艺生成的氮化硅(SiNx)薄膜，在大规模集成电路芯片上，可用来作密封层，因为它具有极佳的防潮、防盐或其它化学物质腐蚀的性质；在LED芯片和太阳能电池片上，它又可以作为光学膜来使用，因为它具有适宜的光学性质。

图1描绘的是通常的PECVD工艺腔室的机电配置，其中包括：工艺腔室上部腔体1a和下部腔体1c，其间设置腔体O-形密封圈1b，还包括同射频电源连接在一起的电极，其由设置在该上部腔体内的上电极1k和设置在该下部腔体内的下电极1i组成，下电极在电性上是接地的；在上腔体上设有工艺气体导入装置，工艺气体通过设置在上部腔体上的工艺气体导入口1m导入工艺腔室而进入上下电极之间，在上下电极之间设置气体喷淋头1j；在下部腔体上安装冷却装置，通常为冷却水管1e；在下电极上设置加热器1g。在下腔体1c和下电极1i之间还要设置密封垫圈1f和连接螺钉1h，将下腔体1c和下电极1i密封地固接在一起；在下腔体1c上还设有抽真空口。使用时，在下电极1i上放置基片1t。PECVD工艺腔室还包括图1中未显示出来的机电配置，例如还有真空泵、真空压力计、真空阀门、气柜、电源柜、射频源及自动匹配器，以及其它的控制器件等等。上述各种配置和器件，共同实现在工艺腔室内产生真空和等离子体的功能。从图1可以清楚地看到，下电极1i是单独加工制造出来，安装在下腔体1c上的。

PECVD的工艺过程，一般是在工艺腔室的真空度达到一定的要求后，引入工艺气体，然后启动与上电极1k连接在一起的大功率射频源和射频匹配器，将工艺气体电离，产生等离子体，并开始在基片1t上生长所需要的薄膜，直到薄膜的厚度达到工艺要求。上电极1k在工作状态时，具有几十到几百伏的负电势；而下电极1i则在电性上一直处于接地状态，不带任何电势。对基片1t的加热，是通过安装在下电极1i上的加热器1g来完成的。一般来说，加热器1g不安装在真空腔室内，加热器1g产生的热量，通过热传导的方式，经过下电极1i的顶端材料层，传递给置于下电极1i上的基片1t，将其加热。

本实用新型所关注的，就是这个下电极1i。下电极1i的主要功能包括：1，承载基片；2，为基片1t提供加热，比如沉积最为通用的氧化硅(SiO2)和氮化硅(Si3N4)膜，基片1t表面需要被加热到300-400摄氏度，并且具备适宜的导热性能；3，能有效地提供真空密封，并且在等离子体的化学条件下具有抗腐蚀的性能。

在PECVD技术发展之初，下电极的直径较小，即多在10英寸以下。直到今天，仍然有一部分技术单位还在使用小尺寸下电极的PECVD设备。在下电极尺寸较小的条件下，人们多采用一种被称为“蒙乃尔合金”的材料加工制造下电极。这种合金材料主要含镍(可达到60％以上)、铜(可达到20％以上)、铁、铝、钛和其他少量金属元素。蒙乃尔合金具有优良的抗腐蚀性能，尤其是对F-基、O-基和Cl-基等各种等离子体。除了具有同不锈钢材料相当的机械性能外，蒙乃尔合金还具有适宜PECVD工艺的热性能，包括较低的热膨胀系数和导热率。下表列举比较几种通用材料的热膨胀系数和导热率。

表1，几种通用材料的热膨胀系数和导热率材料