一种用于原子层沉积设备的分体式工艺腔机构

技术领域

本发明涉及半导体加工设备技术领域，更具体地说涉及一种用于原子层沉积设备的分体式工艺腔机构。

背景技术

原子层沉积(Atomic Layer Deposition，简称ALD)是一种先进的薄膜制备技术，可以在目标基材上以单原子膜形式一层一层地镀上所需的物质。这种工艺具有高精度、高纯度和高致密性等特点，因此在微电子、光学、生物医学等领域具有广泛的应用前景。

而作为ALD设备核心的工艺腔是用于通入反应源气体，流向并沉积到晶圆表面的装置，晶圆布置在工艺腔内。为了提高晶圆的沉积效率，增加产能，一般使用装载篮盛放多组托架，托架在装载篮中横向并列排布，晶圆均匀码放在托架的定位槽中，以此来达到一腔多片(晶圆)的提产目的；反应源气体横向流经提篮中并列布置托架上的晶圆表面，提高沉积效率和质量，而且其一般是一个工艺腔中横向放置多个装载篮，为了方便装载篮的装卸，其相邻两个装载篮之间的间距较大，为了保证所有晶圆都能够得到气体的接触反应，因此，就需要保证气体的流畅流动，使得工艺腔与所有装载篮之间的间隙需要足够大，使得整个工艺腔的体积需要很大，需要通入较多的反应源气体，设备占地面积和能耗增加；反应源气体横向流经托架上的晶圆，工艺腔横向流阻大，气流流经晶圆表面的均匀性差；在惰性气体吹扫进气结构时，易残留反应源气体，在进气板内部发生气相反应产生污染颗粒。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种用于原子层沉积设备的分体式工艺腔机构，它采用多个工艺腔单体，通过侧分气管对每个工艺腔单体分三路进行均匀进气，使反应源气体快速均匀地流经晶圆表面，解决晶圆薄膜工艺的均匀性和效率问题，而每个工艺腔单体的上部、中部和下部分别安装有顶部加热盘管、中间加热管、底部加热盘管，使得加热均匀稳定，而且其装载篮垂直放置，晶圆为水平叠置方式，而气体是从工艺腔单体的侧壁进入，使得气体经过晶圆之间的间隙中流动的阻力小，使得气体反应均匀稳定，利用率高，使得沉积效率高，而且竖直设置，减少横向空间占用，空间利用率高。

本发明解决所述技术问题的方案是：

一种用于原子层沉积设备的分体式工艺腔机构，包括水平固定板，所述水平固定板的顶面边部固定有多个工艺腔单体，水平固定板的顶面中部固定有分气管，分气管的侧壁上通接有多个侧分气管，侧分气管的外端与对应的工艺腔单体的外侧壁相固定并与工艺腔单体的内腔体相通；

所述工艺腔单体包括筒体和固定在筒体的顶部的盖板，盖板的底面固定有装载篮，装载篮上安装有多个待加工的晶圆，相邻两个晶圆之间具有流通间隙；

所述筒体的底部固定在水平固定板的顶面上，筒体的底板中部成型有中部通孔，中部通孔与水平固定板上成型的对应的竖直通孔相通，水平固定板的底面边部固定有多个抽气管道，抽气管道的顶端与对应的竖直通孔相通，所有抽气管道的底端通接总抽气壳体，总抽气壳体的底端通接或成型有总抽气连接管；

所述分气管的底端通孔与水平固定板的中部的进气通孔相通，水平固定板的底面中部固定有向下延伸的进气连接管，进气连接管与进气通孔相通。

所述筒体的内侧处安装有竖直螺旋状盘绕的中间加热管，筒体的下部安装有底部加热盘管，盖板的底面安装有顶部加热盘管。

所述筒体的下部内侧壁上固定有抽气隔板，抽气隔板的中部顶面安装有底部加热盘管，抽气隔板的边部成型有多个分抽气通孔。

所有所述的工艺腔单体以水平固定板的中心轴线为中心均布在水平固定板的边部顶面上。

所述装载篮为圆柱形状，其顶端面上固定有多个连接柱，连接柱的顶端通过螺栓固定连接在盖板的底面边部上，盖板的底面中部安装有顶部加热盘管。

所述筒体的内腔体的底部内侧壁为弧形壁面，盖板的底面边部成型有向下延伸的环形延伸部，环形延伸部的底面压靠在筒体的顶面边部上并固定连接，环形延伸部的内侧壁与盖板的底面边部之间为弧形壁面。

本发明的突出效果是：

它采用多个工艺腔单体，为圆周均布结构，同时，进气连接管与总抽气连接管都位于底部，便于维护和连接安装。其将每个工艺腔单体中只能设置一个装载篮，即采用分体式的工艺腔单体，使得每个工艺腔单体的内腔体大小只需要适应单个装载篮即可，使得工艺腔单体的内腔体可以大大缩小，其只需要与单个装载篮相配合即可，这样，就压缩了非反应区域的体积，提高反应效率。

其次，每个工艺腔单体的上部、中部和下部分别安装有顶部加热盘管、中间加热管、底部加热盘管，可对整个工艺腔单体的内腔体进行全面均匀的加热，同时工艺腔单体相较于常规ALD工艺腔体压缩了非反应区域的体积，可更快地达到工艺设定温度，提高升温效率。

同时，工艺腔单体的内腔体的装载篮用于装载晶圆，为垂直叠放式，满足一腔多片的提产方式，减少横向空间占用，而且装载篮安装于盖板上，只需要盖板提升即可将装载篮一起提升，便于装载篮的上下料动作，减少非工艺占比时间，提升生产效率。

筒体的内腔体的底部内侧壁为弧形壁面，盖板的底面边部成型有向下延伸的环形延伸部，环形延伸部的底面压靠在筒体的顶面边部上并固定连接，环形延伸部的内侧壁与盖板的底面边部之间为弧形壁面，其弧形壁面有利于工艺气体在内腔体中的流转，杜绝了边角处的气体涡流而造成的局部沉积现象，大大延长了工艺腔体的使用时间。

抽气隔板的边部成型有多个分抽气通孔，所有分抽气通孔以抽气隔板的中心轴线为中心均布在抽气隔板上，其可有效增加内腔体中的气流分布的均匀性，减少晶圆表面因工艺气体分布不均匀而延长通气节拍，降低沉积效率。

附图说明

图1是本发明的局部结构示意图；

图2是本发明的换角度局部结构示意图；

图3是本发明的局部剖视图；

图4是本发明的工艺腔单体的局部剖视图(不分剖线未显示)；

图5是抽气隔板处的局部俯视图；

图6是本发明的整体仿真效果图；

图7是本发明的局部仿真效果图；

图8是原子层工艺时序图。

具体实施方式

实施例，见如图1至图7所示，一种用于原子层沉积设备的分体式工艺腔机构，包括水平固定板10，所述水平固定板10的顶面边部固定有多个工艺腔单体20，所有所述的工艺腔单体20以水平固定板10的中心轴线为中心均布在水平固定板10的边部顶面上，本实施例中设有六个工艺腔单体20；

水平固定板10的顶面中部固定有分气管30，分气管30的侧壁上通接有多个侧分气管31，侧分气管31的外端与对应的工艺腔单体20的外侧壁相固定并与工艺腔单体20的内腔体相通；

所述工艺腔单体20包括筒体21和可拆卸式固定在筒体21的顶部的盖板22(可以采用螺接或螺栓固定等方式)，盖板22的底面固定有装载篮40，装载篮40上安装有多个待加工的晶圆100，相邻两个晶圆100之间具有流通间隙；

所述筒体21的底部固定在水平固定板10的顶面上，筒体21的底板中部成型有中部通孔23，中部通孔23与水平固定板10上成型的对应的竖直通孔11相通，水平固定板10的底面边部固定有多个抽气管道50，抽气管道50的顶端与对应的竖直通孔11相通，所有抽气管道50的底端通接总抽气壳体51，总抽气壳体51的底端通接或成型有总抽气连接管52；

所述分气管30的底端通孔与水平固定板10的中部的进气通孔12相通，水平固定板10的底面中部固定有向下延伸的进气连接管13，进气连接管13与进气通孔12相通。

进一步的说，所述筒体21的内侧处安装有竖直螺旋状盘绕的呈圆筒状的中间加热管1，筒体21的下部安装有底部加热盘管2，盖板22的底面安装有顶部加热盘管3。底部加热盘管2和顶部加热盘管3为水平螺旋盘绕的加热管，其中顶部加热盘管3的电连接线与中间加热管1、底部加热盘管2是分开的，使得盖板22提升时，顶部加热盘管3也一起提升时，不会影响其正常电连接状态。

其中，在筒体21的内侧表面可以通过螺栓等放置固定筒状的不锈钢套，其表面采用镜面抛光处理，能均匀地反射热量，减少热量损失，达到保温效果。中间加热管1处于不锈钢套中，由于不锈钢套通过螺栓连接，在进行一段时间的生产后，可单独拆除后进行清洗，便于维护，其中，不锈钢套在附图中未显示。

进一步的说，所述侧分气管31的外端通接有竖直过渡管32，竖直过渡管32的顶端、中部和下部分别通接有第一分气管33、第二分气管34和第三分气管35的一端，第一分气管33、第二分气管34和第三分气管35的另一端固定对应的筒体21的上部、中部和下部的侧壁并与对应的筒体21的上部、中部和下部的侧壁上的侧通孔相通。

进一步的说，所述筒体21的下部内侧壁上固定或成型有抽气隔板24，抽气隔板24的中部顶面安装有底部加热盘管2，抽气隔板24的边部成型有多个分抽气通孔25，所有分抽气通孔25以抽气隔板24的中心轴线为中心均布在抽气隔板24上，本实施例中的抽气隔板24上设有六个分抽气通孔25。

进一步的说，所述装载篮40的底部靠近抽气隔板24的顶面。

进一步的说，所述装载篮40为圆柱形状，其顶端面上固定有多个连接柱，连接柱的顶端通过螺栓固定连接在盖板22的底面边部上，盖板22的底面中部安装有顶部加热盘管3，使得拆卸安装时，只要盖板22拆卸即可将装载篮40提升，盖板22安装时，直接将装载篮40深入筒体21中即可，装卸方便。

进一步的说，所述筒体21的内腔体的底部内侧壁为弧形壁面，盖板22的底面边部成型有向下延伸的环形延伸部，环形延伸部的底面压靠在筒体21的顶面边部上并固定连接，环形延伸部的内侧壁与盖板22的底面边部之间为弧形壁面。

进一步的说，所述装载篮40插套在中间加热管1的中部中，其外侧壁靠近中间加热管1的内侧壁面。

工作原理：反应源气体从进气连接管13进气，通过分气管30将气体分成六路，进入与工艺腔单体20连接的侧分气管31中，侧分气管31则将反应源气体分成上、中、下三路从第一分气管33、第二分气管34和第三分气管3对工艺腔单体20进行独立供气，最终送达晶圆100表面。对工艺腔单体20分三路进行独立供气，提高反应源气体扩散效率，防止气体传输时产生涡流，减少颗粒。

然后，气体通过抽气隔板24的多个分抽气通孔25进入到所有抽气管道50中，再进入到总抽气壳体51中，最后，从总抽气壳体51的底端通接或成型的总抽气连接管52排出到后续设备部件中，

抽气隔板24上设有六个分抽气通孔25，使得抽气均匀，效率高。由于原子层沉积的薄膜，除了沉积在晶圆表面上，也沉积在工艺腔单体20的内腔体的内表面上，一些薄膜需要定期将工艺腔拆卸，去做多步湿法清洗才能使用，而本实施例中分抽气通孔25布置在抽气隔板24的边缘，反应气体绝大多数进入到晶圆100的装载篮40内部，未参加反应气体和副产物气体，从装载篮40和工艺腔单体20间隙的底部的分抽气通孔25排出，就保证工艺腔单体20的内腔体的内部的洁净环境，定期清洗晶圆100的装载篮40即可，解决定期拆卸工艺腔清洗，带来停机等待的问题。

本实施例的结构适用于热原子层沉积工艺和等离子体原子层沉积工艺。作为热原子层沉积氧化铝工艺，氧化锆工艺，氧化铪工艺。典型的氧化铝工艺采用三甲基铝(TMA)和水(H2O)做为反应源。与总抽气连接管52相通的泵组，干泵与分子泵，一直开启状态，使工艺腔单体20的内腔体一直处于真空状态。

反应源TMA经加热100-130℃后汽化后形TMA蒸汽进入进气连接管13，经分气管30内扩散，再经侧分气管31均匀进入工艺腔单体20的内腔体，并流经每个被加热的晶圆100表面，晶圆100温度为100-300℃，让每个TMA蒸汽分子能与晶圆100表面悬挂键发生化学表面吸附反应形成新的表面状态-O-Al-(CH3)2,同时完成-Al-键形成。

工艺腔单体20的内腔体处于真空状态1-50s，用于排出副产物和未反应的反应源。再将经70-90℃加热汽化的H2O蒸汽通入进气连接管13，然后均匀进入工艺腔单体20的内腔体，快速流经每个被加热的晶圆100表面，晶圆100温度为100-300℃，并发生化学表面吸附反应形成新的表面状态-O-Al-OH,完成一个-O-Al-O-键，再次使工艺腔单体20的内腔体处于真空状态1-50s，上述为一个氧化铝原子层的沉积。经上述工序循环，一个循环获得一个原子层，根据需要的薄膜厚度控制工序的循环次数，可获得厚度精度达到0.1nm，如图8是原子层工艺时序图。

综上所述，本实施例的加工效果好，每个晶圆100上面流动的气体均匀稳定，使得沉积薄膜均匀性好。