用于内部稀薄气流模拟验证及压力检测的变结构真空腔室

摘要

用于内部稀薄气流模拟验证及压力检测的变结构真空腔室属于半导体制造设备设计技术领域。包括上盖、匀气盘、腔体、可替换内衬、内衬支架、基座、排气装置、流场检测空间以及气压检测引管，所述流场检测空间为圆柱形，圆柱体的直径可通过更换所述可替换内衬进行调节，圆柱体的高度可通过基座的升降进行调节，进而改变所述流场检测空间的结构尺寸。该结构可用于进行刻蚀、等离子体增强/化学气相沉积(PE/CVD)、物理气相沉积(PVD)以及氧化扩散工艺等具有腔室类共同特点的低压气相加工工艺试验。可以检测不同结构腔室内部空间及各气路上的压力参数，研究低压气相加工工艺中各项参数的影响规律，并可显著提高IC装备腔室部件优化设计的可信度。

说明书

技术领域

本发明属于半导体制造设备设计技术领域，特别涉及一种可对腔室高度、直 径、进/排气方式进行改变的用于内部稀薄气流模拟验证及压力检测的变结构真 空腔室。

背景技术

集成电路制造技术是一个国家经济、科技、军事等综合国力的象征，在国防 安全、航空航天、信息产业等众多领域具有极其重要的战略意义。其中有一类关 键工艺具有十分相似的特点，即都是在高洁净度，低气压的腔室中进行的气相加 工工艺。主要包括：刻蚀，等离子体增强/化学气相沉积(PE/CVD)，物理气相 沉积(PVD)以及氧化扩散工艺。这些工艺过程的共同特点是需要在接近绝对真 空的腔室内进行。

随着IC制造工艺越来越接近材料的物理极限，加工方法的技术指标也越来 越高。在工程实际中，往往采用工艺优化的方式提升技术指标，而忽略了对腔室 结构的优化。传统IC装备的研发一般遵循这样的理念：通过仿真和试制确定腔 室结构，而腔室结构设计在设备研发中居于次要地位，工艺性能的提升主要通过 工艺参数优化来实现。这样做不仅成本高、周期长，而且最重要的是腔室结构存 在的设计隐患并未在设计初期就解决掉。这样的设计思路明显不符合现代设计理 念，在面对更加苛刻的技术需求时将面临严重的技术瓶颈。

通过研究与分析，影响工艺性能的最关键的腔室结构因素有：腔室高度、腔 室半径、进气方式与结构，以及抽气方式。这些结构参数在真实工艺设备上是很 难改变的，即使改变，改造成本也会很高。为解决这一实际问题，本发明提出一 种用于内部稀薄气流模拟验证及压力检测的变结构真空腔室。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提出一种用于内部稀薄气流模拟验证及压力 检测的变结构真空腔室，特别是关于一种用于低压气相加工工艺实验的可对腔室 高度、直径、进/排气方式进行改变的腔室。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

第一种结构的变结构真空腔室包括上盖、匀气盘、腔体、可替换内衬、内衬 支架、基座、排气装置以及气压检测引管。

所述腔体的上端敞开，与上盖连接；腔体的内底面边缘处开孔，并通过管道 与排气装置连接；腔体的内底面中心位置开孔，并安装高度可调的基座，基座通 过升降装置与腔体连接；腔体的内底面上、边缘处孔洞的内侧设置圆环形的内衬 支架；所述内衬支架上设置多个以腔体中心为圆心、不同半径的内衬挡槽；所述 可替换内衬为圆筒形，安装在内衬支架的内衬档槽内；所述基座与可替换内衬或 内衬支架之间有环隙；所述可替换内衬的上端设置与上盖的下表面连接的匀气 盘；匀气盘上设置出气孔；所述上盖上设置与匀气盘的内腔连通的进气通道；所 述匀气盘、可替换内衬与基座之间构成结构尺寸可变的流场检测空间；所述内衬 支架的下部设置一个侧孔；所述流场检测空间内设置气压检测引管。

所述匀气盘的下底面覆盖流场检测空间的顶部全部面积，且在所述下底面上 设置若干个出气孔；或者是匀气盘的下底面覆盖流场检测空间的顶部部分面积， 是匀气盘的下底面通过内侧壁与其上表面连接，且在所述内侧壁上设置若干个出 气孔。

所述匀气盘下底面上的出气孔为两端宽、中段窄、孔壁为弧形的孔，或者为 上端宽、下端窄的圆锥形孔，或者为上段倒圆锥、下段圆柱形的孔；所述匀气盘 的内侧壁上孔为倾斜的圆柱形孔，该孔的中心线与垂直方向的夹角为30-60°。

本发明还提供了第二种用于内部稀薄气流模拟验证及压力检测的变结构真 空腔室，包括上盖、腔体、可替换内衬、内衬支架、基座、排气装置以及气压检 测引管。

所述腔体的上端敞开，与上盖连接；腔体的内底面边缘处开孔，并通过管道 与排气装置连接；腔体的内底面中心位置开孔，并安装高度可调的基座，基座通 过升降装置与腔体连接；腔体的内底面上、边缘处孔洞的内侧设置圆环形的内衬 支架；所述内衬支架上设置多个以腔体中心为圆心、不同半径的内衬挡槽；所述 可替换内衬为圆筒形，安装在内衬支架的内衬档槽内；所述基座与可替换内衬或 内衬支架之间有环隙；所述可替换内衬的上端封闭，可替换内衬与基座之间构成 结构尺寸可变的流场检测空间；所述内衬支架的下部设置一个侧孔；所述上盖上 设置多个穿过可替换内衬的上表面与流场检测空间的连通的进气孔；每个所述进 气孔的末端、伸入流场检测空间的部分设置喷嘴，且在该喷嘴上设置倾斜布置的 出气喷管；所述流场检测空间内设置气压检测引管。

所述出气喷管的侧壁一侧布置有若干个圆柱形的出气小孔。

对于上面所述的两种结构形式的变结构真空腔室：

所述上盖与所述腔体相连处、所述腔体与所述排气装置相连处、以及所述腔 体与所述升降装置相连处安装有密封圈。

所述升降装置的下端套装波纹管，进一步实现腔体与升降装置间的密封。

所述排气装置位于腔体内的入口处安装有排气挡板，通过调节排气挡板的旋 转角度实现排气方式的改变。

所述气压检测引管的固定端伸出腔体的底部，并在固定端的末端设置电机， 实现气压检测引管的高度和角度调节，实现对整个流场检测空间气压参数的覆盖 检测。

在所述上盖的进气通道处、腔体的外侧壁以及排气装置处均安装有测量装 置，用来测量这些位置的气压参数。

所述腔室可用于进行刻蚀，等离子体增强/化学气相沉积(PE/CVD)，物理气 相沉积(PVD)以及氧化扩散工艺等具有腔室类共同特点的低压气相加工工艺试 验。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、利用该腔室的“变结构”功能，可以构造与真实工艺腔室完全相同的结 构参数，对研究真实工艺腔室中的气流特性具有极其重要的实际意义。

2、通过“变结构”，可以研究单一参数、多个参数对气流特性的影响规律， 进而结合试验设计方法，可以进行析因实验和敏感度分析。

3、本发明与气流模拟技术相结合，实验数据与模拟结果相互印证，可以极 大提高优化设计的可信度。

附图说明

图1是本发明的第一种结构的结构示意图；

图2a、图2b、图2c分别是匀气盘20的三种出气孔的局部视图；

图3是内筒支架的立体图；

图4是第一种结构更换匀气盘后的腔室结构示意图；

图5是图4中匀气盘出气孔的局部视图；

图6是本发明的第二种结构的结构示意图；

图7是图6中进气喷嘴的局部视图；

图8是排气方式的改变说明图；

图9是检测方式的检测原理说明图；

图中标号：

10-上盖；11-喷嘴；12-进气通道；13-进气测量装置；14-上盖的进气口；

20-匀气盘；21-匀气盘出气孔；22-匀气盘的下底面；23-匀气盘进气口；24- 匀气盘的内侧壁

30-腔体；31-腔体底板；32-腔体测量装置；33-腔室空间；34-腔室空间底 部；

40-可替换内衬；41-可替换内衬的底端；42-可替换内衬的内壁；43-可替换 内衬的上部；

50-内筒支架；51-内筒挡环；52-内筒挡槽；53-支撑架；54-侧孔；

60-基座；61-升降装置；62-基座的上表面；63-环隙；64-基座的底部空间；

70-排气装置；71-气压测量装置；72-排气挡板；73-轴；74-第一电机；

80-流场检测空间；

90-波纹管；

100-气压检测引管；101-调节电机；102-固定座；103-丝杠；104-第二电机； 105-测量规；

111-出气喷管；112-出气小孔。

具体实施方式

本发明提供了一种用于内部稀薄气流模拟验证及压力检测的变结构真空腔 室，下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：

如图1所示，本变结构腔室由上盖10，匀气盘20，腔体30，可替换内衬40， 内筒支架50，基座60，排气装置70，流场检测空间80，波纹管90以及气压检 测引管100等组成。

可替换内衬的内壁42、基座的上表面62以及匀气盘的下表面22共同构成了 流场检测空间80。

波纹管90连接到基座60的升降装置61和腔体底板31之间，波纹管90有 利于升降装置61周围的真空密封，同时有利于基座60的垂直移动，实现流场检 测空间80的高度变化。

环形的内筒支架50通过其下部的支撑座53固定在腔体底板31上，内衬支 架50上设置多个以腔体中心为圆心、不同半径的内筒挡环51以及由内筒挡环51 形成的内衬挡槽52，将可替换内衬的底端41放置在内筒挡槽52内，以此实现对 流场检测空间80内径的改变。

匀气盘的下表面22边缘支撑在可替换内衬的上部43处，匀气盘20通过上 端的匀气盘进气口23和上盖10的喷嘴11连接，喷嘴11和匀气盘进气口23共 同形成装置的进气通道12，在进气通道12处安装有进气测量装置13，用来测量 进气通道12处的进气压力等参数。将匀气盘进气口23插入到上盖10的喷嘴11 中，然后旋转90°定位固定在上盖10处。上盖10与腔体30配合并密封，以实 现腔室空间的密封性能。

腔体底板31与排气装置70连接，其中排气装置70位于腔体底板31的两侧 边缘处，并可选择性开启或关闭以实现不同的排气量。排气装置70与腔体底板 31密封连接，保证腔室空间的密封性能。在腔体30的侧壁上安装有一个或者若 干个腔体测量装置35，用来实现对腔室空间33内真空度等的测量。排气装置70 的上端安装有排气挡板72，排气挡板72分别与轴73连接，第一电机74带动轴 73转动，调节排气挡板72与排气装置70的开合程度，实现对排气方式的调节(如 图8所示)。

工艺气体从上盖10上的喷嘴11进入到匀气盘20内，通过匀气盘出气口21 进入到流场检测空间80内，工艺气体经过基座的上表面62后从基座60与可替 换内衬40之间的环隙63进入到基座的底部空间64，通过内衬支架50底部的侧 孔54进入到可替换内衬40外壁与腔体30内壁形成的腔室空间33的腔室空间底 部34中，最后通过与腔体30底部相连的排气装置70排出，在排气装置70的出 口处安装有气压测量装置71，可以测量出口处的气体压力参数。

匀气盘的下底面22覆盖流场检测空间80的顶部全部面积，且在所述下表面 上设置若干个匀气盘出气孔21；匀气盘的下底面22上的匀气盘出气孔21为上端 宽、下端窄的圆锥形孔(如图2a)，或者为上段倒圆锥、下段圆柱形的孔(如图 2b)，或者为两端宽、中段窄、孔壁为弧形的孔(如图2c)。通过替换具有不同出 气口的匀气盘可以实现工艺气体在工艺腔室中的不同分布方式。

流场检测空间80内设置气压检测引管100，气压检测引管100的固定端伸出 腔体底板31，并在固定端的末端设置调节电机101，控制气压检测引管100的旋 转角度，如图9所示，调节气压检测引管100的角度，气压检测引管100的头部 A可以沿弧线通过基台60上表面的点B、C、D等，而这些点的数据可以代表其所 在圆上的点的数据，通过与气压检测引管100相连的测量规105进行测量。调节 电机101安装在固定座102上，固定座102通过丝杠103与第二电机104连接， 通过控制第二电机104可以调节丝杠103运动实现对气压检测引管100高度的调 节，可以检测装置内随高度变化的被测参数的变化情况，从而实现对整个流场检 测空间80气压参数的覆盖检测。

实施例2：

本实施例中除匀气盘20外，其余结构与实施例1相同。匀气盘的下底面22 通过匀气盘的内侧壁24与其上表面连接，且在所述内侧壁上设置若干个匀气盘 出气孔21，该匀气盘出气孔21为倾斜的圆柱形孔，其中心线与垂直方向的夹角 为30-60°，如图5所示。

在不改变装置其他部件的前提下，更换不同的匀气盘可以实现不同的进气方 式。

实施例3：

本实施例中不设置匀气盘20，并改变上盖10中进气喷嘴，以实现进气方式 的改变，其余结构与实施例1相同，如图6所示。可替换内衬40上端封闭，在 上盖10上均布有四个上盖的进气口14，通过上盖的进气口14与可替换内衬40 内的喷嘴11相连，喷嘴11上安装着倾斜布置的出气喷管111，可以通过改变出 气喷管111的角度实现不同的喷气方式。出气喷管111的侧壁一侧上分布有出气 小孔112，还可以通过改变出气小孔112的直径和小孔间距实现不同的喷气方式。

本腔室的结构强度按照腔室外部为1倍标准大气压，腔室内部为绝对真空进 行设计与校核，因此可用于低压气相加工工艺实验。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的 普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和 变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应 由权利要求限定。