低压化学气相沉积设备
技术领域
本实用新型涉及半导体加工设备技术领域，特别涉及一种低压化学气相沉积设备。
背景技术
化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)是一种化工技术，该技术主要是利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物或单质、在衬底表面上进行化学反应生成薄膜的方法。化学气相沉积主要分为常压化学气相沉积(Atmospheric Pressure CVD，APCVD)、低压化学气相沉积(Low Pressure CVD，LPCVD)以及等离子体增强化学气相淀积(plasma enhanced CVD，PECVD)。低压化学气相沉积设备是低压化学气相沉积工艺的生产设备，在低压高温的条件下，通过化学反应气相外延的方法在衬底上沉积各种功能薄膜(主要是在硅衬底上沉积Si3N4及多晶硅薄膜)。
在低压化学气相沉积工艺中，反应气体也会在低压化学气相沉积设备中的外管的内壁上形成一层多晶硅层。而在现有技术中，外管一般为石英制成的外管，石英与多晶硅的线性热膨胀系数相差较大，多晶硅的线性热膨胀系数偏大。在低压高温的LPCVD工艺中，形成在外管的内壁上的多晶硅层的膨胀力度大于外管的膨胀力度，导致外管所受到的应力增加，最终，外管在应力的作用下产生裂痕。在每一次的设备维护和保养的过程中，外管都要报废、无法循环使用，造成了极大的浪费。
实用新型内容
本实用新型为了解决上述技术问题而提出，目的在于提供一种低压化学气相沉积设备。本实用新型的低压化学气相沉积设备通过在外管的内壁形成有缓冲层，使得多晶硅形成在缓冲层上而形成多晶硅层，多晶硅层热膨胀所带来的应力集中作用到缓冲层，减小外管所受的应力大小，外管不易产生裂痕而报废，减少浪费，节约成本。
具体来说，本实用新型提供了一种低压化学气相沉积设备，用于沉积多晶硅，包括：底座、外管以及内管，所述外管设置在所述底座上，所述内管设置于所述外管的内部且用于提供沉积空间，在所述外管的内壁上形成有缓冲层。
相较于现有技术而言，本实用新型提供的低压化学气相沉积设备，在外管的内壁上形成有一层缓冲层，使得多晶硅形成在缓冲层上。在低压高温的LPCVD工艺中，形成在缓冲层上的多晶硅层因热膨胀所带来的应力集中作用到缓冲层上，减小外管所受的应力大小，外管不易产生裂痕。在每一次的设备维护和保养的过程中，无需更换外管，而只需将旧的缓冲层去除、再在外管的内壁上形成新的缓冲层，即可重复进行LPCVD工艺。外管不用报废，能够循环使用，减少浪费，大大降低了成本。此外，缓冲层还具有隔热效果，使得到达外管的热量减小，外管的温度上升减小，不易发生热膨胀，保护外管。
另外，作为优选，所述缓冲层的线性热膨胀系数大于所述外管的线性热膨胀系数，并且小于在沉积过程中形成于所述缓冲层的表面的多晶硅层的线性热膨胀系数。
根据该优选方案，缓冲层的线性热膨胀系数介于外管的线性热膨胀系数以及形成在缓冲层上的多晶硅层的线性热膨胀系数之间，在低压高温的LPCVD工艺中，缓冲层在外管和多晶硅层之间起到缓冲作用，使得外管与多晶硅层之间的膨胀力度变化趋于平缓，减少外管因受热而产生的热膨胀，进一步减小外管所受的应力大小，保护外管。
进一步地，作为优选，所述缓冲层形成为3层结构，包括：第一子缓冲层、第二子缓冲层和第三子缓冲层，且相邻两层的线性热膨胀系数均不同。
根据该优选方案，在低压高温的LPCVD工艺中，缓冲层具有3层的缓冲结构，有利于将形成在缓冲层上的多晶硅层因热膨胀所带来的应力集中作用到缓冲层上，进一步减小外管所受的应力大小，保护外管。
另外，作为优选，所述第三子缓冲层紧贴所述外管的内壁设置，且所述第三子缓冲层的线性热膨胀系数大于所述第二子缓冲层的线性热膨胀系数。
根据该优选方案，第二子缓冲层的线性热膨胀系数小于第三子缓冲层的，在受热后，缓冲层将向热膨胀系数小一侧方向弯曲，紧贴外管内壁的第三子缓冲层向第二子缓冲层的方向弯曲，减少在LPCVD工艺中第三子缓冲层与外管的应力接触，进而减小外管所受的应力大小，保护外管。
进一步地，作为优选，所述第二子缓冲层紧贴所述第三子缓冲层的表面设置，所述第二子缓冲层的线性热膨胀系数小于所述第一子缓冲层的线性热膨胀系数。
根据该优选方案，第二子缓冲层的线性热膨胀系数小于第一子缓冲层的线性热膨胀系数，在受热后，缓冲层将向热膨胀系数小一侧方向弯曲，与多晶硅层相接的第一子缓冲层向第二子缓冲层的方向弯曲，减少在LPCVD工艺中第一子缓冲层与多晶硅层的应力接触，减小缓冲层受到的多晶硅层因热膨胀而产生的应力大小，进而减小外管所受的应力大小，保护外管。
另外，作为优选，所述第二子缓冲层的硬度大于所述第一子缓冲层、第三子缓冲层的硬度。
根据该优选方案，将第二子缓冲层的硬度设置为大于其两侧的第一子缓冲层、第二子缓冲层的硬度，增强缓冲层的整体的结构强度，缓冲层不易产生裂痕。
另外，作为优选，所述第一子缓冲层形成为较所述第二、第三子缓冲层更为远离所述外管的内壁，所述第一子缓冲层与多晶硅层之间连接时的范德华力大于所述外管与多晶硅层之间连接时的范德华力。
外管与多晶硅层直接连接时的结合能力较小，多晶硅层容易从外管上剥落，产生颗粒后影响所形成半导体器件的性能。根据该优选方案，第一子缓冲层与多晶硅层连接时的结合能力大于外管与多晶硅层连接时的结合能力，第一子缓冲层与多晶硅进行连接，可以防止多晶硅层产生裂痕并发生剥落，减少颗粒的产生，提高所形成半导体器件的性能。
另外，作为优选，所述第一子缓冲层为二氧化硅膜，且所述第一子缓冲层的厚度为100埃～500埃。
另外，作为优选，所述第二子缓冲层为氮化硅膜，且所述第二子缓冲层的厚度为100埃～500埃。
另外，作为优选，所述第三子缓冲层为二氧化硅膜，且所述第三子缓冲层的厚度为100埃～500埃。
根据该优选方案，二氧化硅与多晶硅的结合力优异，第一子缓冲层能够与多晶硅层更好地进行结合，进一步防止多晶硅层发生剥落，减少颗粒的产生，提高所形成半导体器件的性能。
附图说明
图1是本实用新型第一实施方式的结构示意图；
图2是本实用新型第二实施方式的结构示意图；
图3是图2中A部的局部放大图。
附图标记说明：
1、底座；2、外管；3、内管；4、晶舟；5、加热器；6、晶圆；7、第一气体注入管；8、第二气体注入管；9、排气口；10、缓冲层；11、第一子缓冲层；12、第二子缓冲层；13、第三子缓冲层。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本实用新型进行进一步的详细说明。附图中示意性地简化示出了低压化学气相沉积设备的结构等。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
实施方式一
本实用新型的第一实施方式提供了一种低压化学气相沉积设备，参见图1所示，包括底座1、外管2、内管3、晶舟4以及加热器5。外管2的一端开口并与底座1连接，外管2的另一端封闭，底座1与外管2构成密闭空间。内管3同轴设置在外管2内，内管3的两端开口并提供沉积空间。晶舟4设置在底座1上并位于内管3内，晶舟4用于承载晶圆6。加热器5自外管2的封闭端覆盖于外管2的外侧，加热器5与底座1之间保持预定间隔，加热器5可对外管2的内部加热。在底座1上还设置有第一气体注入管7、第二气体注入管8以及排气口9，第一气体注入管7和第二气体注入管8与内管3相连通，排气口9与外管2相连通。
在进行沉积工艺时，具体参见图1所示，图中箭头表示反应气体的流动方向。将载有晶圆6的晶舟4置于底座1上，底座1带动晶舟4上升，晶舟4升入内管3当中，底座1与外管2构成用于沉积的密闭结构。通过第一气体注入管7和第二气体注入管8将沉积反应所需的第一气体和第二气体输送至内管3内，加热器5对内管3内的沉积空间进行加热，第一气体和第二气体在沉积空间内发生化学反应，并在晶圆6的表面生成多晶硅薄膜。第一气体和第二气体反应后生成的废气从排气口9排出。
第一气体和第二气体也会在外管2的内壁上形成多晶硅层(为了区分多晶硅所形成位置的不同，将形成在晶圆6上的称为多晶硅薄膜，将形成在外管2内壁上的称为多晶硅层，二者实际构成相同)。其中，多晶硅层与石英制成的外管2的线性热膨胀系数不同，多晶硅层的线性热膨胀系数较大，在受热时会发生较大的热膨胀，导致外管2所受到的应力增加，最终，外管2在应力的作用下产生裂痕。在每一次的设备维护和保养的过程中，外管2都要报废、无法循环使用，造成了极大的浪费。
因此，参见图1所示，本实用新型在外管2的内壁上形成有缓冲层10，使得多晶硅不直接形成在内壁上，而是形成在缓冲层10上从而构成多晶硅层。在低压高温的LPCVD工艺中，形成在缓冲层10上的多晶硅层因热膨胀所带来的应力集中作用到缓冲层10上，减小外管2所受的应力大小，外管2不易产生裂痕。在每一次的设备维护和保养的过程中，无需更换外管2，而只需将旧的缓冲层10去除、再在外管2的内壁上形成新的缓冲层10，即可重复进行LPCVD工艺。外管2不用报废，能够循环使用，减少浪费，大大降低了成本。
优选地，缓冲层10的线性热膨胀系数大于外管2的线性热膨胀系数，并且小于在沉积过程中形成的多晶硅层的线性热膨胀系数。此时，在低压高温的LPCVD工艺中，缓冲层10在外管2和多晶硅层之间起到缓冲作用，使得外管2与多晶硅层之间的膨胀力度变化趋于平缓，减少外管因受热而产生的热膨胀，进一步减小外管2所受的应力大小，保护外管2。
在本实施方式中，缓冲层10由二氧化硅形成，二氧化硅的线性热膨胀系数大于石英制成的外管2的线性热膨胀系数且小于多晶硅层的线性热膨胀系数。在其他实施方式中，缓冲层10也可以是由任何线性热膨胀系数介于石英和多晶硅之间的材料形成。
多晶硅层的线性热膨胀系数大，容易在受热的时候产生裂痕并剥落，剥落的多晶硅颗粒掉落到外管2内，污染反应气体，降低所形成半导体器件的性能。二氧化硅与多晶硅的结合力优异，二氧化硅制成的缓冲层10能够与多晶硅层更好地进行结合，防止多晶硅层发生剥落，减少颗粒的产生，提高所形成半导体器件的性能。
实施方式二
本实用新型的第二实施方式提供了一种低压化学气相沉积设备，第二实施方式是对第一实施方式的进一步改进，未做特别说明的部分包括附图标记及文字描述，均与第一实施方式相同，在此不再赘述。
第二实施方式相对于第一实施方式的主要改进之处在于，在本实用新型的第二实施方式中，结合图2和图3来看，缓冲层10形成为3层结构，依次包括第一子缓冲层11、第二子缓冲层12和第三子缓冲层13，第三子缓冲层13紧贴外管2的内壁，相邻两层的线性热膨胀系数均不同。此时的缓冲层10具有3层结构，相应地，在低压高温的LPCVD工艺中，缓冲层10具有3层的缓冲结构，有利于将形成的多晶硅层因热膨胀所带来的应力集中作用到缓冲层10上，进一步减小外管2所受的应力大小，保护外管2。
特别地，第一子缓冲层11和第三子缓冲层13的线性热膨胀系数均大于第二子缓冲层12的线性热膨胀系数。在受热后，缓冲层10将向热膨胀系数小一侧方向弯曲，也即与多晶硅层相接的第一子缓冲层11和紧贴外管2内壁的第三子缓冲层13均向位于中部的第二子缓冲层12的方向弯曲收缩，减少在LPCVD工艺中第一子缓冲层11与多晶硅层的应力接触以及第三子缓冲层13与外管2的应力接触，进而减小外管2所受的应力大小，保护外管2。
优选地，第二子缓冲层12的硬度大于第一子缓冲层11、第三子缓冲层13的硬度。位于缓冲层10中部的第二子缓冲层12的硬度最大，有利于增强缓冲层10的整体的结构强度，避免缓冲层10产生裂痕。
优选地，本实施方式中的缓冲层10的结构为ONO结构，具体为，第一子缓冲层11和第三子缓冲层13均为二氧化硅膜，第二子缓冲层12为氮化硅膜，形成SiO2-Si3N4-SiO2结构。其中，第一子缓冲层11、第二子缓冲层12和第三子缓冲层13的厚度范围均为100埃～500埃。
氮化硅制成的第二子缓冲层12硬度大，还有利于支撑缓冲层10，使得缓冲层10可以更好地贴附在外管2的内壁上。二氧化硅与多晶硅之间连接时的范德华力大于石英与多晶硅层之间连接时的范德华力，因此，用二氧化硅制作第一子缓冲层11，增强第一子缓冲层11与多晶硅层结合，防止产生裂痕的多晶硅层发生剥落，减少颗粒的产生。
本实用新型的技术方案不局限于低压化学气相沉积设备，也适用于常压化学气相沉积设备或者等离子体增强化学气相淀积设备。
对于本领域技术人员来说，在本实用新型技术思想的范围内能够根据需要而对于上述控制方法的各个步骤进行删减或者顺序调整。
本领域的普通技术人员可以理解，在上述的各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于上述各实施方式的种种变化和修改，也可以基本实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。因此，在实际应用中，可以在形式上和细节上对上述实施方式作各种改变，而不偏离本实用新型的精神和范围。
