电容式薄膜真空计、等离子体反应装置和膜层制备方法与流程

1.本发明涉及半导体加工技术领域，尤其涉及一种电容式薄膜真空计、等离子体反应装置和膜层制备方法。


背景技术：

2.这里的陈述仅提供与本发明有关的背景技术，而并不必然地构成现有技术。
3.在半导体器件的制造过程中，等离子刻蚀是将晶圆加工成设计图案的关键工艺。
4.在典型的等离子体刻蚀工艺中，工艺气体(如cf4、o2等)在射频(radio frequency，rf)激励作用下形成等离子体。这些等离子体在经过上电极和下电极之间的电场(电容耦合或者电感耦合)作用后与晶圆表面发生物理轰击作用及化学反应，从而将晶圆刻蚀出具有特定的结构，完成刻蚀工序。
5.发明人发现现有技术中至少存在如下问题：
6.现有技术中，反应腔中的真空度通过电容式薄膜真空计进行测量，然而随着工艺过程的不断进行，如果工艺气体含有氟元素，等离子体中的氟自由基会不断渗透进真空计的薄膜中。这种渗透会使得薄膜的性能发生改变，包含应力改变和形变，从而导致真空计的零点漂移，如果压力零点漂移到一定程度，工艺控制的压力就会受到影响，从而导致工艺的不稳定性。
7.如何避免真空计的零点漂移，将具有重要意义。


技术实现要素：

8.本发明的第一个目的在于提供一种电容式薄膜真空计，以解决现有真空计中零点漂移的缺陷。
9.为了实现上述目的，本发明提供的技术方案为：一种电容式薄膜真空计，包括壳体和极板，
10.所述壳体内部为一空腔，所述壳体的一侧设有与待测量真空腔相连的端口，另一侧设有极板；
11.所述空腔内设置一膜片，所述膜片包括与所述端口相对的第一表面和与所述极板相对的第二表面；
12.所述第一表面具有致密的膜层，所述膜层含氟元素；
13.所述膜片为可变电极，所述极板为固定电极，所述膜片与所述极板组成一可变电容器。
14.上述真空计通过在膜片上增加一层致密的膜层，该膜层具有和等离子体中的自由基相同的元素，能够防止自由基渗透到膜片中，从而避免真空计的零点漂移。
15.进一步地，所述膜层厚度范围为30-500nm。
16.进一步地，所述膜片厚度范围为10-80um。膜层作用是防止自由基渗透到膜片中，因此不需要太厚，该范围内的厚度就能够满足需求，这种厚度的膜层方便制取。
17.进一步地，所述膜层材料包括yof或alof中的一种或多种。等离子体中的自由基通常为氟自由基，这种自由基与yof和alof通常不会反应，因此采用这种材质的膜层稳定性强。
18.进一步地，所述膜片材质为陶瓷、al2o3、氧化钇，或铬镍铁合金中的一种或多种。陶瓷的化学性质稳定，并且耐化学腐蚀，耐高温，易于获取，铬镍铁合金耐热耐腐蚀，化学性质稳定。
19.进一步地，所述膜层在所述第一表面的覆盖率为95％以上。这种高覆盖率能够确保膜层的防渗透效果。
20.进一步地，所述极板和所述膜片分别连有引线，所述引线伸出所述壳体。引线用于检测信号的传输。
21.进一步地，所述膜片将所述空腔分为第一腔室和第二腔室，所述第一腔室通过所述端口与待测空间连通，所述第二腔室为真空腔室。第一腔室为检测腔室，第二腔室为真空腔室，两者之间有膜片分隔，通过测量膜片和极板之间的电容值来测量压力。
22.进一步地，所述壳体材质为不锈钢。这种金属具有耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质的性质。
23.本发明的第二个目的在于提供一种等离子体反应装置，包括一真空反应腔，所述真空反应腔连接上述的电容式薄膜真空计。
24.上述等离子体反应装置具有电容式薄膜真空计，电容式薄膜真空计中的膜片不会发生零点漂移，反应装置中的真空度易于测量和控制，在工作中工艺控制的压力不会受到零点漂移的影响，工艺稳定性高。
25.本发明的第三个目的在于提供一种电容式薄膜真空计的膜层制备方法，采用原子层沉积法制备，具体包括以下步骤：
26.将膜片置于一反应腔内；
27.第一种反应前体以脉冲的方式进入反应腔并化学吸附在所述膜片的第一表面；
28.待所述第一表面吸附饱和后，用惰性气体将多余的反应前体吹洗出反应腔；
29.接着第二种反应前体以脉冲的方式进入反应腔，并与上一次化学吸附在所述第一表面的前体发生反应；
30.待反应完全后再用惰性气体将多余的反应前体及其副产物吹洗出反应腔；
31.重复上述步骤以在所述膜片表面形成致密的膜层，所述膜层含有氟元素。
32.上述方法通过原子沉积法在膜片上制备膜层，这种制备方法制备的膜层具有高致密的性质。
33.本发明的有益效果：
34.本发明提供的电容式薄膜真空计，通过在真空计中的膜片上增加一层含氟元素的致密膜层，这种致密结构的膜层能够阻挡反应腔内的氟自由基渗透到膜片中，避免膜片与氟自由基反应产生新的物质造成膜片性能改变，从而克服了由于膜片性能改变造成的零点漂移的缺陷，保障了真空计的测量精度，并且该致密膜层具有氟元素，不易与真空反应腔内的氟自由基反应，化学性质稳定，不会产生其他产物影响真空计的精度。将该电容式薄膜真空计用于离子体反应装置，测量数据准确，能够提高装置的工艺稳定性。最后还提供了一种真空计中膜片上膜层的制备方法，得到的膜层具有高致密的性质。
附图说明
35.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
36.图1是一种等离子体反应装置的结构示意图；
37.图2是氟自由基渗透示意图；
38.图3是本发明实施例的电容式薄膜真空计结构示意图；
39.图4是本发明实施例的膜层阻挡氟自由基示意图；
40.图5是本发明实施例的等离子体反应装置结构示意图；
41.图6是本发明实施例采用物理气相沉积法制备膜层流程图；
42.图7是本发明实施例采用原子层沉积法制备膜层流程图。
43.附图标记：
44.100-真空反应腔；101-真空计；102-薄膜；110-晶圆吸盘；120-线圈；130-衬套；131-通气口；140-绝缘窗口；
45.200-壳体；201-上壳；202-下壳；203-端口；
46.300-空腔；301-第一腔室；302-第二腔室；
47.400-膜片；401-第一表面；402-第二表面；
48.500-极板；600-膜层；700-引线；800-电容式薄膜真空计；
49.w-晶圆。
具体实施方式
50.如图1所示，为一种等离子体反应装置结构示意图，该装置包括真空反应腔100，以及安装在真空反应腔100上的真空计101，在工艺过程中，该真空计101用于测量真空反应腔100的真空度，由于薄膜102分子间的空隙较大，当反应腔内的工艺气体包括含氟气体时，随着工艺过程的不断进行，等离子体中的氟自由基会不断渗透进真空计101的薄膜102中，如图2所示，由于氟的渗透，会在薄膜102表面产生新物质，比如alof或者alf3。而新物质的摩尔质量和热膨胀系数不同，从而使得薄膜102的性能发生应力的改变和形变，此外，由于薄膜的不同区域与氟自由基接触的程度不同，导致薄膜的中心和边缘区域渗透率可能存在区别，从而改变了薄膜102与极板之间的电容值，进而导致真空计101的零点漂移，测量数据会偏小，影响真空反应腔100内工艺的稳定性。目前工艺要求零点漂移在0.3mtorr以内。
51.为了解决上述技术问题，本发明提出了一种电容式薄膜真空计，以及包括这种电容式薄膜真空计的等离子体反应装置，并且还提出了这种电容式薄膜真空计中膜片上镀膜的方法。
52.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
53.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用
于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
54.还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。
55.另外，在本发明中涉及“第一”“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
56.图3为本发明提供的一种电容式薄膜真空计的实施例的示意图。
57.请参考图3，该实施例公开的电容式薄膜真空计具体包括壳体200，壳体200内部为空腔300，壳体200包括上壳201和下壳202，空腔300由上壳201和下壳202围成，下壳202设有一端口203，空腔300通过端口203与待测量真空腔相连。
58.在空腔300中装有膜片400，本实施例中的膜片400装设于上壳201与下壳202之间，膜片400将壳体200中的空腔300分为不相通的两个空间，分别为第一腔室301与第二腔室302，其中第一腔室301通过下壳201的端口203与待测量真空腔连通，第一腔室301为检测腔室，第二腔室302为真空腔室，真空腔室作为相对零点。并且在第二腔室302的底部设有一块极板500，极板500为固定电极，膜片400为可变电极，膜片400与极板500构成一可变电容器，通过测量膜片400与极板500之间的电容值来测量压力。需要说明的是，上述壳体200分为上壳201和下壳202的结构为本实施例用于说明的结构，在其他实施例中可以有其他实现结构，极板500设于第二腔室302底部的结构为本实施例用于说明的结构，在其他实施例中可以有其他实现结构。
59.膜片400具有两个表面，分别为第一表面401和第二表面402，其中第一表面401与端口203相对，第二表面402与极板500相对。第一表面401与端口203连通的待测量真空腔室的环境接触。
60.如图4所示，在膜片400的第一表面401增设膜层600隔绝等离子体环境与膜片400的接触，膜层600具有致密的结构，能够防止等离子体环境中的氟自由基渗透到膜片400中。该膜层600还含氟元素，具体可以选择yof或者alof，或者其他含氟元素的化合物。选用含氟元素的化合物不易与氟自由基发生反应，这种化合物在等离子体环境中化学性质稳定，不会产生在膜片400上产生影响精度的其他产物。并且工艺产生的氟自由基很难渗透进yof或alof中，避免其他物质的产生使得膜片400的性能发生应力的改变和形变，避免电容式薄膜真空计的零点漂移造成的测量数据偏小的结果，保障了真空反应腔100内工艺的稳定性。
61.膜层600的厚度小于膜片400的厚度，其作用主要是防止自由基渗透到膜片400中，不需要太厚，选用30-500nm厚度范围，所述膜片厚度范围为10-80um，方便制取。在其他实施例中选用范围外的厚度，也能够实现同样的效果。
62.在一实施例中，膜片400和极板500还分别连有引线700，引线700伸出壳体200，用于检测信号的传输。
63.在一实施例中，膜片400材质选用化学性质稳定，并且耐化学腐蚀，耐高温，易于获取的al2o3或耐热耐腐蚀，化学性质稳定的铬镍铁合金。或者其他化学性质稳定的金属。
64.在一实施例中，膜层600在第一表面401的覆盖率为95％以上，这种高覆盖率能够确保膜层的防渗透效果。其他覆盖率能够满足防渗透效果也可以选择。
65.在一实施例中，壳体材质选用不锈钢，这种金属具有耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质的性质。
66.图5是本发明实施例一种等离子体反应装置的结构示意图。
67.请参考图5，等离子体反应装置包括：电容式薄膜真空计800和真空反应腔100，真空反应腔100内为等离子体环境，电容式薄膜真空计800与真空反应腔100的内的等离子体环境连通，电容式薄膜真空计800中的膜片400上具有膜层600的第一表面401与真空反应腔100的等离子体环境接触。
68.等离子体反应装置还包括设于真空反应腔100内的晶圆吸盘110、线圈120、衬套130和绝缘窗口140。其中晶圆吸盘110设于真空反应腔100内用于放置晶圆w；衬套130设于绝缘窗口140与真空反应腔100之间，衬套130设有通气口131，线圈120与绝缘窗口140相连。
69.在一实施例中，等离子体反应装置为电感耦合等离子体反应装置或者为电容耦合等离子体反应装置。
70.图6是本发明实施例电容式薄膜真空计的膜层制备方法流程图。
71.请参考图6，采用物理气相沉积法制备，具体包括以下步骤：
72.10、将膜片放置于反应腔内
73.膜片为电容式薄膜真空计中的可变电极；
74.20、提供靶材并蒸发
75.靶材含有氟元素，例如yof或者alof，将靶材蒸发为分子流；
76.30、分子流增强并输送
77.将分子流通过增强源增强，输送至膜片表面；
78.40、形成膜层
79.分子流在膜片表面沉积形成致密的膜层。
80.本实施例采用物理气相沉积法，但不限于物理气相沉积法。例如采用原子层沉积法制备，如图7所示，具体包括以下步骤：
81.10、将膜片放置于反应腔内
82.膜片为电容式薄膜真空计中的可变电极；
83.20、第一反应前体吸附
84.第一种反应前体以脉冲的方式进入反应腔并化学吸附在膜片的第一表面，待表面吸附饱和后，用惰性气体将多余的反应前体吹洗出反应腔；
85.30、第二反应前体吸附
86.接着第二种反应前体以脉冲的方式进入反应腔，并与上一次化学吸附在表面的前体发生反应，待反应完全后再用惰性气体将多余的反应前体及其副产物吹洗出反应腔；所述第一反应前体和第二反应前体中至少有一种含有氟元素。
87.40、形成膜层
88.膜片表面形成致密的膜层，膜层含有氟元素。
89.综上所述，本发明提供的电容式薄膜真空计实施例，通过在真空计中的膜片上增加一层含氟元素的致密膜层，这种致密结构的膜层能够阻挡反应腔内的氟自由基渗透到膜片中，避免膜片与氟自由基反应产生新的物质造成膜片性能改变，从而克服了由于膜片性能改变造成的零点漂移的缺陷，保障了真空计的测量精度，并且该致密膜层具有氟元素，不易与真空反应腔内的氟自由基反应，化学性质稳定，不会产生其他产物影响真空计的精度。等离子体反应装置的实施例，利用这种电容式薄膜真空计，测量数据准确，能够提高装置的工艺稳定性。真空计中膜片上膜层的制备方法的实施例，通过物理气相沉积法或者原子层沉积法制备，得到的膜层具有高致密的性质。
90.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。