一种多腔体PVD-RTA混合薄膜沉积系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种多腔体PVD

A multi cavity pvd-rta hybrid film deposition system

【技术实现步骤摘要】
一种多腔体PVD
‑
RTA混合薄膜沉积系统


[0001]本技术属于离子溅射沉积系统
，更具体的说涉及一种多腔体PVD
‑
RTA混合薄膜沉积系统。

技术介绍

[0002]锆钛酸铅Pb(Zr
0.53
Ti
0.47
)O3(PZT)压电薄膜具有广泛的应用， 5G通信、个人语音助手、消费类可穿戴设备、指纹识别和医疗设备都是压电器件的应用领域。
[0003]PZT压电薄膜，是构成MEMS传感器和执行器的关键技术。目前，利用半导体工艺(包括MEMS工艺)制备PZT压电薄膜，可以使器件小型化、高度集成化、低成本、更低功耗和更高性能，以满足智能手机等消费类产品的海量需求。
[0004]磁控溅射技术及设备是微纳加工的基础技术和设备，是现代微电子行业制造的核心和基础。
[0005]它类似于传统工业的钢铁等材料制备行业，为半导体、微电子器件行业提供丰富、全面的各种器件构建、辅助材料。磁控溅射技术成熟，制备的薄膜性能优越，可以制造几乎各种金属、半导体、绝缘体薄膜材料，是半导体、MEMS、太阳能、显示器、LED等及各种现代微电子器件的核心技术；其设备成本较低、应用广泛，是现代半导体、微电子器件等制备超净间必备之设备。
[0006]目前，磁控溅射制备PZT压电薄膜的主要问题是其制备温度较高，在600
‑
800℃之间，才可以形成PZT薄膜(100)取向的晶体结构，实现高效的压电性能。PZT压电薄膜器件的制备，需要与成熟的IC控制器件部分结合，以形成低成本的、完整的功能器件。目前，主要是通过键合工艺来实现。如果可以将PZT薄膜结构直接构建在标准控制器件上，则可以进一步降低成本，并提高器件整体性能。但是，制备标准控制器件的CMOS工艺可以承受的最高温度在400℃，温度过高，则会导致COMS器件内部薄膜的扩散效应，损坏CMOS器件。
[0007]所以目前磁控溅射制备PZT压电薄膜的设备和高温(>600℃)工艺难以和CMOS工艺兼容。因此，制造可以在温度<400℃下沉积具有优化(001)晶粒取向的PZT薄膜的PVD设备及工艺，成为PZT压电薄膜器件应用的关键。
[0008]在PZT压电薄膜的制备过程中，如果对于晶圆台上的晶圆长时间加热在600
‑
800℃之间，则会导致晶圆台及近邻的真空部件加速老化、设备真空性能下降、设备可靠性下降、设备使用和维护成本提高等问题。
[0009]快速退火(RTA)是半导体、MEMS薄膜、器件等常用的一个工艺。它将工件快速加热到较高温度，同时根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后进行快速冷却，目的是使薄膜或器件内部的达到或接近需要的晶体结构、消除应力和减少缺陷等，获得良好的工艺性能和使用性能。
[0010]RTA可以用极快的升温速度(>100℃/s)至目标温度(1000℃以上)短暂持续，对晶圆进行热处理，并快速降温。由于RTA的升温、降温速度极快，导致在薄膜热处理的过程中，由薄膜表面向薄膜内部的热扩散的时间极短，只可以加热薄膜表面。通过适当控制RTA的工
艺参数，可以仅仅加热薄膜表面的几个纳米至几个微米区域至指定温度，而不会导致使整个薄膜结构或器件加热至高温。
[0011]但是，现有的RTA都是独立的、在大气压下或保护气体下实行工艺操作退火设备；并且它并没有和其他薄膜沉积、刻蚀等晶圆处理真空工艺腔体连接，并不能充分发挥RTA在真空薄膜制备中的作用。

技术实现思路

[0012]针对现有技术的不足，本技术提供了一种将PVC与RTA结合，使晶圆的薄膜沉积、刻蚀和热处理过程中均在真空中，晶圆不需要接触大气，这样，不仅提高了工艺效率，而且提高了薄膜的性能和质量。
[0013]为实现上述目的，本技术提供了如下技术方案：一种多腔体 PVD
‑
RTA混合薄膜沉积系统，包括：
[0014]输运腔体，其内部设置有机械手；
[0015]上载腔体，其设置于输运腔体旁，并与输运腔体之间设置有第一真空阀门，且上载腔体与外界直接设置有第三真空阀门；
[0016]工艺腔体，其包括分布于输运腔体旁的薄膜沉积腔体、刻蚀腔体和真空快速退火腔体，并且工艺腔体与输运腔体之间设置有第二真空阀门。
[0017]进一步的所述薄膜沉积腔体设置有多个。
[0018]进一步的所述上载腔体设置有多个。
[0019]进一步的所述薄膜沉积腔体内设置有靶材和第一晶圆台，所述工艺腔体上设置有工艺气体进口和第一真空吸口，靶材连接有外部电源，且靶材的背面设置有磁控管。
[0020]进一步的所述真空快速退火腔体内设置有第二晶圆台和红外加热元件，红外加热元件位于真空快速退火腔体的顶部，真空快速退火腔体对应红外加热元件的下方设置有透明的石英窗，且石英窗与真空快速退火腔体密封，所述真空快速退火腔体上设置有入气口和第二真空吸口。
[0021]进一步的所述晶圆台上方及红外加热元件的顶部均设置有红外反射板。
[0022]进一步的所述真空快速退火腔体外设置有水冷装置。
[0023]进一步的所述真空快速退火腔体连接有测量晶圆表面温度的红外测温仪。
[0024]与现有技术相比，本技术的有益效果是：
[0025]1.RTA腔体与薄膜沉积、刻蚀腔体通过真空传输腔体相连，晶圆的薄膜沉积、刻蚀和热处理过程中均在真空中，晶圆不需要接触大气，这样，不仅提高了工艺效率，而且提高了薄膜的性能和质量；
[0026]2.通过真空RTA腔体，可以对薄膜指定厚度区域进行高温快速退火，一方面，可以减少薄膜在沉积过程中的温度要求，及可以降低薄膜沉积温度，例如在PZT沉积过程中，保持晶圆温度<400℃；而通过之后的RTA工艺，快速加热至高温，例如，加热PZT薄膜至700
‑
1000℃，并短时保温和快速冷却，可以减少Pb在高温时的层间扩散，有助于形成需要的钙钛矿(Perovskite)晶体结构；同时，也可以改善薄膜晶体结构，控制晶粒尺寸变大，减少应力和缺陷等；另一方面，由于加热的区域，仅仅到指定的PZT薄膜厚度，而不加热PZT薄膜以下的 CMOS器件结构；这样，就可以不损坏CMOS器件结构，以达到和CMOS 工艺兼容的目的；
[0027]3.降低薄膜沉积的温度至<400℃，这可以减缓晶圆台及近邻的真空部件老化，使得设备真空性能、可靠性提高，设备使用和维护成本降低，使用寿命延长。
附图说明
[0028]图1为本技术多腔体PVD
‑
RTA混合薄膜沉积系统的结构示意图；
[0029]图2为本技术中薄膜沉积腔体的结构示意图；
[0030]图3为本技术中真空快速退火腔体的结构示意图；
[0031]图4为生长PZT压电薄膜的流程图；
[0032]图5为晶圆在R本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多腔体PVD
‑
RTA混合薄膜沉积系统，其特征在于，包括：输运腔体，其内部设置有机械手；上载腔体，其设置于输运腔体旁，并与输运腔体之间设置有第一真空阀门，且上载腔体与外界直接设置有第三真空阀门；工艺腔体，其包括分布于输运腔体旁的薄膜沉积腔体、刻蚀腔体和真空快速退火腔体，并且工艺腔体与输运腔体之间设置有第二真空阀门。2.根据权利要求1所述的多腔体PVD
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RTA混合薄膜沉积系统，其特征在于：所述薄膜沉积腔体设置有多个。3.根据权利要求1所述的多腔体PVD
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RTA混合薄膜沉积系统，其特征在于：所述上载腔体设置有多个。4.根据权利要求1所述的多腔体PVD
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RTA混合薄膜沉积系统，其特征在于：所述薄膜沉积腔体内设置有靶材和第一晶圆台，所述工艺腔体上设置有工艺气体进口和第一真空吸口，靶材连接有外部电源，且靶材的背面设置有磁控管。...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐云俊，王昱翔，
申请(专利权)人：浙江艾微普科技有限公司，
类型：新型
国别省市：