次常压化学汽相沉积(SACVD)设备简介

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次常压化学汽相沉积(SACVD)设备简介

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0 }9 G1 a" B" O4 I/ t0 H6 W+ kAuthor: 何小刚, from Applied Materials China,
4 \  L3 A, Y6 t0 E4 I+ w--SolidState Technology( China)
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6 I* L. ^0 T9 n& V" \" m前言

化学汽相沉积（CVD）是半导体工业中应用最为广泛的用来沉积多种材料的技术之一，包括大范围的绝缘材料，大多数金属材料和金属合金材料。从理论上来说，它是很简单的：两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应腔内，然后他们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到晶片表面上。沉积氮化硅膜（Si3N4）就是一个很好的例子，它是由硅烷和氮反应形成的。但事实上在反应腔中发生的反应是极其复杂的，受诸多条件的限制。例如反应腔内气体的流量、气体通过晶片的路径、气体的化学成份、一种气体相对于另一种气体的比率、反应腔内的压力、晶片的温度、反应的中间产品起的作用、以及是否需要其它反应室外的外部能量来源加速或诱发想得到的反应等。额外能量来源诸如等离子体能量，从而当会产生一整套新变数，如离子能和晶片上的射频偏压等。

% N" _# o# c" b8 xCVD技术常常通过反应类型或者压力来分类，包括低压CVD（LPCVD），常压CVD（APCVD），次常压CVD（SACVD），超高真空CVD（UHCVD），等离子体增强CVD（PECVD），高密度等离子体CVD（HDPCVD）以及快热CVD（RTCVD）。然后，还有金属有机物CVD（MOCVD），根据金属源的自特性来保证它的分类，这些金属的典型状态是液态，在导入容器之前必须先将它气化。正是由于次常压CVD（SACVD）在进行化学反应时，反应腔中的压力往往达到200乇，甚至600乇以上，所以被命名为次常压CVD（Sub-Atmospheric Chemical Vapor Deposition）。
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由于反应的条件不同，所需要的硬件设备也相应的有所差异，这里就是对次常压化学汽相沉积设备（SACVD）的简要介绍。

7 d+ L8 `* H( G( i次常压化学汽相沉积设备（SACVD）需要将两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应腔内，然后他们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到晶片表面上。次常压化学汽相沉积设备（SACVD）设备具有以下几个重要的部分。

8 K/ \2 m* A- P( J+ g1.  主机台（MAINFRAME）
2. 电气控制柜（CONTROLLER）
1 q$ h' W( O4 T3 ^, Q$ |- a% N8 w3. 工艺反应腔（PROCESS CHAMBER）
4. 气体控制柜（GASPANEL）
) d$ \9 o$ Z$ |6 e: x: `5 o5. 辅助设备：热交换器，臭氧发生器，真空泵等
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主机台（MAINFRAME）
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主机台作为次常压化学汽相沉积设备的装配和操作平台，主要负责晶片的定位，传送和冷却等功能。它包含有左右装载腔，传送腔，定位腔，冷却腔，机械手等。同时工艺反应腔和气体控制柜也是安装在主机台上。
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% [" o( d7 Y4 I8 l% U1. 左右装载腔：用于承载装有晶片的晶舟。并完成大气状态和真空状态的切换以完成晶片在不同压力状态下的传送。
2. 传送腔：用于提供完成晶片在装载腔，定位腔，工艺反应腔，冷却腔之间的传送空间。机械手就安装在其中。
* B, Z5 L" b  F- j4 S3. 定位腔：用于对晶片在工艺反应腔中的摆放位置和传送方向的确定来作为工艺结果的参考，对晶片传送的安全性和稳定性进行检测
4. 冷却腔：晶片在工艺反应腔中的反应温度达摄氏400度左右。在反应完成后送回晶舟之前需要进行冷却以免造成塑料材质的晶舟变形。腔体由循环冷却水来减低温度。
5. 机械手：用于完成晶片在装载腔，定位腔，工艺反应腔，冷却腔之间的传送。由两组高速马达和5相精密电机控制。
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电气控制柜（CONTROLLER）
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8 d1 Q1 O$ q; m! B* w% |电气控制柜中集中交流电压控制器，交直流变压器，直流稳压电源，电子信号控制板，中央处理器，马达驱动装置，加热器驱动装置，电气安全保护装置等设备。用于电子和电气信号的接受，处理，传送，以达到对整个设备运行的控制和监测。

& U" }# r0 x6 e* d1 C5 Y5 [工艺反应腔（CHAMBER）

不同的制造工艺需要由不同的反应腔来完成。例如DxZ反应腔，CxZ反应腔等，它们在外形上没有太大区别，但是内部的零部件有比较大的不同用于满足不同的工艺条件。

; \% m9 C# J" B; a1 P  w' h0 F2 R- D反应腔中主要安装有：
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8 o! S0 R( `4 ~0 k: B! ~1. 加热器：提供并保持工艺程式所要求的温度（多为摄氏400度或摄氏480度）。它的驱动装置能够根据加热器的温度变化（这种变化可能由腔内气体流量变化，气体种类变化，反应过程中的吸放热，外来能源如射频的介入等引起）而调节输出功率，以保持加热器温度的动态平衡。加热器还能够上下移动，以满足晶片在反应腔内的不同位置要求。
2. 气体分配和导入装置：将不同的工艺气体（如O2，N2，Ar等）按工艺要求混合并均匀导入反应腔参加反应。
& }: f0 `# |4 I, U. K" T  d- P3 I3. 射频发生器：产生较高的能量进入反应腔以加速原子之间的撞击或催化某些化学反应的进行。
4. 工艺部件：材质多为陶瓷或在表面镀瓷，安装在反应腔内侧，用于防止化学气体和高能量对反应腔腔体的损坏。同时起到传导气体和温度的作用。
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气体控制柜（GAS CABINET）

反应中需要两种或两种以上的气态原料参与反应，这些气体的流量，压力，流动和导入都是由气体控制柜来控制。气体控制柜中安装有精密流量计，三通阀，单向阀，电磁阀，信号控制板等元器件，来实现对气体的实时控制及监测。其中TEOS是SACVD所必不可少的液态原料。TEOS将在气体控制柜中完成液体到汽体的转化过程，并被保持为汽态导入反应腔中。

, P6 _2 ?8 O( t% h辅助设备（AUXILIARY）
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9 L: E8 b! J  D除了主机台，电气控制柜，反应腔等主要设备外，还有一些设备也是次压化学汽相沉积设备所必不可少的，例如热交换器，真空泵，臭氧发生器等等。
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3 G2 _3 u% `& R* t1. 热交换器：用于冷却主机台上在正常工作时有放热现象的零部件，保持部分零部件的工作温度稳定。以延长零部件（比如加热器）的使用寿命，满足工艺程式对特定零部件（比如反应腔腔体）的温度要求。
2. 真空系统：真空系统由真空泵组成。 用于保持较低的工作压力， 同时吸走反应腔内产生的化学反应废弃物。
3. 臭氧（O3）发生器：由于在反应中需要臭氧的参与，臭氧发生器就以氮气（N2）和氧气（O2）为原料，在特定条件下反应产生氧气，以满足工艺条件的需要。
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结语
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4 C4 V$ j, L4 M! k5 d$ v  y) OCVD广泛应用于硅片制造，而次常压CVD只是其中的一种，应用于包括薄膜沉积，掺杂漏区，多晶硅栅，深埋层等。CVD设备已是集成电路制造工业中一个必要的工具。由于应用上的考虑，不同机型其设计重点也不同。本文只指出了一些较为一般使用者所重视的部分，希望使用者对于次常压化学汽相沉积（SACVD）设备有一基本了解。