微波电子回旋共振等离子体化学气相淀积ECRCVD技术是深亚微米微细加工技术的 重要技术基础之一。电子回旋共振ECR是指当输入的微波频率ω等于电子回旋频率ωce 时发生共振，微波能量耦合给电子，获得能量的电子电离中性气体分子产生放电的过程。 通过调节磁场，使得在放电室的某一区域达到共振条件，这个区域称为ECR区。当微波 频率为2.45GHz时，达到电子回旋共振的磁感应强度B＝0.0875T。微波电子回旋共振化学 气相淀积技术与相应的设备技术是1980年代后期才逐步发展起来的一种新型薄膜淀积技 术。它是利用电子在微波和磁场作用下的回旋共振效应，产生高密度、高电离度的可控等 离子体，从而进行能量辅助化学气相淀积。在半导体器件、微电子技术和光电子技术及相 关学科技术领域的许多方面都拥有极大的应用前景。
ECRCVD技术是国际上80年代后期才发展起来的一种新的薄膜加工方法，目前只有 美国、日本等少数发达国家掌握。国外知名ECR设备生产厂商提供的ECRCVD设备，以 NEXX Systems的产品Cirrus300为例，等离子体密度可以达到5×1011cm-3；离子能量约 10～20eV；微波源频率为2.45GHz，功率0到1.2kW可调；工艺设备系统采用微机控制 方式，工艺系统自动化程度较高；淀积速率可以达到约为100nm/min；但是该设备的不足 之处是采用电磁线圈磁场，能耗较高，成本昂贵，且晶片加工面积和均匀性不能满足当前 微电子技术的要求。国内微波ECR等离子体源大多采用同轴线圈型ECR磁场形式，其缺 点是设备结构复杂，体积庞大；晶片加工面积较小，可加工晶片直径局限在2～4英寸； 淀积速率较低，一般小于60nm/min；自动化程度低，大多为手动控制方式，不具备批量 规模生产的能力，尚未出现应用于规模生产的商品化产品。
发明的内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种淀积速率高、大面积均匀、结 构简单、可稳定运行和参数易于控制的微波电子回旋共振等离子体化学气相淀积设备。
本发明目的是这样实现的：
本发明利用微波通过锥形同轴开口电介质空腔产生表面波，采用新型高磁能积 Nd-Fe-B稀土永磁磁钢并合理布局形成高强磁场，通过共振磁场区域内电子回旋共振效 应，产生大面积、均匀、高密度等离子体，通过微机控制方式控制薄膜淀积工艺流程。整 个设备包括：
微波功率源及传输系统、微波谐振腔体、工艺室与样品台系统、真空系统、气路系统， 所述的微波谐振腔体、真空系统、气路系统分别与工艺室与样品台系统相连，其中：工艺 室与样品台系统设有工艺室、承片装置和样品台，该工艺室与自动传片系统相连，该样品 台中设有加热装置；微波谐振腔体采用上圆波导-锥形波导-下圆波导三段一体结构，微 波谐振腔体底部设有介质窗，该介质窗上设有磁场装置；该磁场装置采用永磁磁铁形成环 形相间排列结构；每个系统均通过控制系统控制。
上述微波电子回旋共振等离子体化学气相淀积设备，其中，自动传片系统包括预真空 室、传片机械手、片盒，该片盒为两个放置在预真空室内，取片片盒装载衬底光片，置片 片盒装载薄膜晶片，传片机械手从取片片盒中取出衬底光片，通过矩形阀由预真空室进入 工艺室，并通过样品台承片装置将晶片放置在样品台上；传片机械手通过样品台承片装置 将薄膜晶片取出，经矩形阀由工艺室进入预真空室，并将薄膜晶片放置在置片片盒中。
上述微波电子回旋共振等离子体化学气相淀积设备，其中，所述的样品台承片装置包 括转动螺杆、传动螺杆、承载台；转动螺杆两端分别与转动电机和传动螺杆相连；传动螺 杆顶端固定在承载台中心。
上述微波电子回旋共振等离子体化学气相淀积设备，其中，微波谐振腔体的下圆波导 依次固定有法兰盘、无磁托盘，所述的磁场装置放置在该无磁托盘上。
上述微波电子回旋共振等离子体化学气相淀积设备，其中，法兰盘中间设有窗口，所 述的介质窗覆盖在该窗口上，法兰盘下外缘与工艺室上外缘通过螺纹连接。
上述微波电子回旋共振等离子体化学气相淀积设备，其中，所述的环形相间排列结构 是将三圈磁铁由内向外按不同半径和角度等间隔固定在无磁模板上，即R1∶R2∶R3＝1∶2∶3， θ1∶θ2∶θ3＝4∶2∶1。
上述微波电子回旋共振等离子体化学气相淀积设备，其中，所述的气路系统共设六个 气路，每个气路由气瓶、减压阀、过滤器、第一截止阀、流量计、第二截止阀依次相连组 成，每个气路的第二截至阀均通过不锈钢管路依次与混气罐和气流环连接，所有气路由气 路显示与控制装置控制气体流量。
上述微波电子回旋共振等离子体化学气相淀积设备，其中，所述的控制系统包括上位 机、系统模拟量微控制器、系统数字量微控制器、系统智能仪表控制单元、模拟信号控制 系统部件、数字信号控制系统部件、智能仪表，上位机通过网络分别与系统模拟量微控制 器、系统数字量微控制器、系统智能仪表控制单元连接，系统数字量微控制器与数字信号 控制系统部件相连，系统模拟量微控制器与模拟信号控制系统部件相连，系统智能仪表控 制单元与智能仪表相连。
本发明对上述设备中的各个系统进行运行控制的方法，包括：
第一步，打开阀门和真空泵抽真空，即先开启第一初级真空机组和第二初级真空机组， 当真空度均低于1Pa时，依次开启第一截至阀、第二截至阀、第一分子泵、第二分子泵、 第一隔离阀、第二隔离阀，监测工艺室和预真空室的真空度是否达到1.0×10-4Pa；
第二步，设定工艺参数并装片，即设定微波功率、淀积工艺时间、工作气体流量，监 测工艺参数设定状态，当接收到设定完成确定信号后，预热微波源，控制自动传片系统取 衬底片并放置在样品台上，监测机械手工作状态，当接收到机械手传片动作完成后，开启 旋转装置；
第三步，通入工作气体，开启工作气体所在气路的截至阀和流量计，使工作气体进入 工艺室内，监测工艺室的真空度在1.0×10-2Pa～10Pa范围内；
第四步，淀积薄膜并取片，即开启微波源，进行薄膜淀积工艺，本次淀积完成后，关 闭微波源与工作气体所在气路的截至阀和流量计，控制自动传片系统从样品台上将薄膜晶 片放置在置片片盒中；当置片片盒满时提示所有淀积工艺完成；当接收到机械手传片动作 完成信号后，且工艺室和预真空室的真空度达到1.0×10-4Pa时，返回到第二步。
本发明的优点如下：
(1)由于采用环形相间排列的三组磁钢和处于圆心位置的磁钢，可以方便地获得较 为均匀的平面分布式永磁磁场，不仅减小了设备体积，且降低了功耗。
(2)由于采用上圆波导-锥形波导-下圆波导三段一体结构的微波谐振腔体，利于 形成大面积微波电磁场，使等离子体加工面积大，均匀性好；同时由于采用扼流圈装置， 防止了微波泄漏；此外，由于采用法兰盘、扼流圈、托盘的组合结构，因此该微波谐振腔 可以方便拆卸、易于维修。
(3)由于采用了自动传片系统，提高了自动化程度和生产效率。
(4)由于控制系统采用微机控制方式，不仅增强了自动化程度和生产效率，提高了 工艺稳定性和重复性好，而且有利于异常情况的处理。
(5)设备淀积速率高、运行稳定、可靠性好。
附图说明
图1是本发明微波ECRCVD设备总体结构示意图；
图2是本发明的微波源与传输系统结构示意图；
图3是本发明的微波谐振腔体的结构示意图；
图4本发明采用的磁场装置结构示意图，其中图4a为磁场装置横截面结构示意图， 图4b为无磁模板结构示意图；
图5是本发明真空系统组成示意图；
图6是本发明气路系统组成示意图；
图7是本发明的自动传片系统组成示意图，其中图7a为自动传片系统整体结构示意 图，图7b为机械手结构示意图；
图8是本发明工艺室与样品台系统的结构示意图；
图9是本发明控制系统的结构示意图；
图10是本发明控制过程流程示意图。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
参见图1，本发明的微波电子回旋共振等离子体化学气相淀积设备包括，微波功率源 及传输系统101、微波谐振腔体102、工艺室与样品台系统103、真空系统104、气路系统 105、自动传片系统106、控制系统107。其中各系统的结构如图2～图9所示。
参照图2，该微波功率源及传输系统101由微波发生器201、环流器202、水负载203、 功率计204、定向耦合器205、销钉调配器206、短路活塞207、矩形波导管208、矩形- 同轴波导转换器209和微波谐振腔同轴波导210组成。各部分的连接关系为：矩形波导管 208从左向右依次分别与微波发生器201、环流器202、定向耦合器205、销钉匹配器206、 矩形-同轴波导转换器连接209、短路活塞207连接；环流器202的反射端连接水负载203； 功率计204与定向耦合器205连接；矩形-同轴波导转换器209与微波谐振腔同轴波导 210连接。微波发生器201采用WY50002-1C型连续波磁控管微波源，该功率源产生的微 波经环流器202、水负载203、功率计204、定向耦合器205，销钉调配器206及短路活塞 207调节负载匹配及反射功率，由BJ-26矩形波导208和矩形-同轴波导转换器209输送到 微波谐振腔同轴波导210中。该系统为微波谐振腔激发产生电场输送能量。
参照图3，该微波谐振腔体102由同轴波导210、介质窗303构成。同轴波导210采 用上圆波导301和锥形波导302组成的一体结构，该同轴波导210下方固定有法兰盘312， 法兰盘312上固定有介质窗303，介质窗303上设有无磁托盘307，无磁托盘307上设有 磁场装置306，该无磁托盘307与同轴波导内导体309之间通过扼流圈305连接。其工作 过程为：微波功率源输出2.45GHz的微波，经传输回路引入到谐振腔开口面附近的固定 圈308和介质窗303上，微波的输运由介质窗303的外缘向中心移动，从而在工艺室一侧 的介质窗303表面激发表面波并形成均匀的电场分布。该同轴波导210是由圆波导管和锥 形波导管组成的一体结构，包括上圆波导301、锥形波导302和下圆波导313三段波导管， 即由一个外径为21mm的内导体和内径为49mm的外导体构成的上圆波导301以四十五 度角扩展成锥形波导302，和一个由外径为304mm的内导体和内径为344mm的外导体构 成的下圆波导313，以便生成大口径微波电场。波导管采用不锈钢材料，内壁镀有黄铜。 该法兰盘312中间开有圆形窗口，该窗口上方外侧开有密封槽304。该密封槽304中设有 密封圈，密封槽和密封圈保证了ECR反应室的真空度。法兰盘312的上外缘与锥形波导 302的下外缘通过螺纹310连接，法兰盘312的下外缘与工艺室的上外缘通过螺纹311连 接，以便拆卸维修。法兰盘312采用不锈钢材料，内壁镀有黄铜。该介质窗303为采用陶 瓷或石英材料的圆板，其半径大于法兰盘圆形窗口半径和密封槽304槽宽之和。该介质窗 303放置在密封槽304上方，介质窗303和法兰盘312内壁之间通过橡胶圈308固定。该 无磁托盘307放置在介质窗312上方，通过扼流圈305与同轴波导内导体309固定，该无 磁托盘307上放置磁场装置306。该扼流圈305焊接在托盘307上，以防止微波泄漏。该 磁场装置306包括无磁模板401、永磁磁铁402、屏蔽板403，磁铁402固定在无磁模板 401上，通过环形相间排列形成大面积高强度永磁磁场，无磁模板401下方设有屏蔽板403， 该屏蔽板403通过磁铁的吸力与无磁模板401固定为一体，如图4a所示。磁铁402的形 状包括梯形磁铁和圆形磁铁，均采用Nd-Fe-B永磁材料，表面磁场强度为5特斯拉。无 磁模板401为圆盘形状，圆心处设有圆形固定孔404，圆周等间隔分布三圈梯形固定孔405， 如图4b所示。该三圈固定孔在圆盘上由圆心向外分别以角度60度，30度和15度等间隔 分布，三圈固定孔在圆盘上由圆心向外分别以半径36毫米，72毫米和108毫米排列。将 安装组合后的永磁装置306倒扣在ECR等离子体源的介质窗303顶部的无磁托盘307上， 在ECR工艺室内部形成符合ECR放电要求的永磁磁场。
参照图5，该真空系统104由第一分子泵501和第二分子泵502、第一初级真空机组 503和第二初级真空机组504、第一截至阀505和第二截至阀506、节流阀507、过滤器 508、门阀509、放气阀510、复合式真空计511、第一隔离阀513和第二隔离阀514、管 路组成。其中，初级真空机组503通过管路与第一截至阀505相连，第一截至阀505通过 管路与第一分子泵501相连，第一分子泵501通过管路与第一隔离阀513相连，第一隔离 阀513通过管路与节流阀507相连，节流阀507通过管路与过滤器508相连，过滤器508 通过管路与工艺室809相连，工艺室809通过管路与矩形阀509相连，矩形阀509通过管 路与预真空室701相连，预真空室701通过管路与第二隔离阀514相连，第二隔离阀514 通过管路与第二分子泵502相连，第二分子泵502通过管路与第二截至阀506，第二截至 阀506通过管路与第二初级真空机组504相连；真空计511分别通过管路与工艺室809、 预真空室701、第一截至阀505、第二截至阀506相连；放气阀510通过管路与第一截至 阀505相连。该第一分子泵501和第二分子泵502选用北京科学仪器研制中心生产的 F160/500型涡轮分子泵，第一初级真空机组503和第二初级真空机组504选用北京仪器 厂的JZJ-30机械增压泵机组。真空计511采用成都仪表厂的ZDF-X型复合真空计，具有 双路电阻、一路电离复合测量能力，测量范围为105～10-6Pa，可满足设备真空系统从大 气～10-5Pa测量的要求，并可进行外围设备控制。真空系统104本底真空度为1×10-4Pa， 工艺动态真空在为1×10-2～10Pa，并可进行控制调节。该真空系统104为微波电子回旋 共振等离子体化学气相淀积设备提供真空工作环境。
参照图6，该气路系统105共设六路气路，由减压阀、过滤器、截止阀、流量计、混 气罐、气流环、不锈钢管路及气路显示与控制装置组成。每个气路的各部分连接关系为： 气瓶通过管路与减压阀连接，减压阀通过管路与过滤器连接，过滤器通过管路与第一截至 阀连接，第一截至阀通过管路与流量计连接，流量计通过管路与第二截至阀连接。气路显 示控制部分609包括质量流量计和电磁阀的显示控制单元，控制气体管路的开通与闭合。 其中质量流量控制器采用北京七零零厂D07-7AZM型产品，过滤器选用TF系列，电磁阀 采用上海阀门二厂GDC-5型产品。气体管路采用进口的外径Φ6mm316L双面抛光不锈 钢管，气体管道连接均采用VCR接头。每个气路均通过管路与混气罐607连接，混气罐 607通过管路与工艺室809内的气流环608连接。该气路系统105为淀积工艺提供定量的 工艺气体来源。
参照图7，该自动传片系统106包括传片机械手702、矩形阀509、位于工艺室809 内的样品台承片装置801，以及位于预真空室701内的置片片盒703、取片片盒704、置 片片盒升降机构705、取片片盒升降机构706。传片机械手702与取片片盒704和置片片 盒703连接，并通过矩形阀509与工艺室809连接。片盒703和704放置在预真空室701 内，取片片盒704装载衬底光片，置片片盒703装载薄膜晶片。传片机械手702采用 Genmark公司生产的GB3型真空机械手，机械手前端为平行叉状结构，两叉手708和709 间的凹槽可放置直径200mm的晶片710。该机械手可以在10-9Toor高真空状态下工作， 其径向精度为0.05mm，轴向精度为0.025mm，角度为精度为0.015°，其末端凹槽长度 为345.5mm，最大行程为580mm，最大升高12.5mm。微机控制系统对待加工硅片数预置 与计数，工作前将预置数设为晶片数目，且此时置片片盒703中和取片片盒704的第一片 晶片的高度与机械手702凹槽底面保持在同一水平面上，每次淀积工艺完成后计数加一， 相应地取片片盒704的高度上升一个晶片间隔高度即0.5cm，置片片盒703的高度下降一 个晶片间隔高度即0.5cm。传片机械手702进入工艺室809时，位于样品台802正上方1.5cm 处。自动传片系统106工作时，传片机械手702从取片片盒704对应取片位置取出衬底光 片，通过矩形阀509由预真空室701进入工艺室809，并通过承片装置801将晶片放置在 样品台802上；传片机械手702通过样品台承片装置801将薄膜晶片取出，经矩形阀509 由工艺室701进入预真空室701，并将薄膜晶片放置在置片片盒703中。自动传片系统106 工作期间，微机控制系统107实时全过程动态显示，必要时发出警报指示。
参照图8，该工艺室与样品台系统103包括工艺室809、样品台802、样品台承片装 置801、旋转装置810和加热装置814。工艺室809前侧设有观察窗和门，工艺室809内 部设有气流环608和样品台802。该气流环608为直径为200mm的圆环，放置在工艺室 内介质窗303正下方1cm处，该圆环内侧壁上设有均匀分布的气孔，气孔直径为0.5mm， 角度间隔为5°，进气时，工作气体从内侧壁上的气孔中进入工艺室中，形成均匀的气流 场分布。该样品台802包括直径250mm、厚度10mm的空心圆盘顶板807和底座808， 圆盘侧壁与底座808固定，顶板807固定在磁转动螺杆811上，位于介质窗303正下方 7cm处。底座808固定在工艺室中。该旋转装置810由磁转动螺杆811和磁传动螺杆812 构成，磁转动螺杆811和磁传动螺杆812之间为磁连接。工作时转动电机813带动磁传动 螺杆812旋转，并使得磁转动螺杆811和磁传动螺杆812之间的磁力作用旋转。该样品台 承片装置801包括转动螺杆804、传动螺杆805、承载台803；转动螺杆804两端分别与 转动电机806和传动螺杆805相连；传动螺杆805顶端固定在承载台803中心。工作时， 传动螺杆805通过旋转控制转动螺杆804从样品台802顶板平面处上升1.6cm，使得承载 台803顶部略高于机械手702底部平面，此时机械手702上的晶片被承载台803托起，当 机械手702通过矩形阀509回到预真空室701后，传动螺杆805通过旋转控制转动螺杆 804下降并使得承载台803回到样品台802的凹槽中，从而实现了晶片的装载。淀积工艺 完成后，样品卸载的过程与装载过程相反。该加热装置814由电阻丝、密封腔体、加热控 制装置构成，采用封闭电阻加热方式对样片加热，采用热电偶进行温度测量，用计算机进 行温度的设定和控制。电阻丝设在密封腔体中，密封腔体与加热控制装置通过导线连接。 工艺室与样品台系统103内部的导线均采用同轴结构进行电屏蔽，并以石英板、石英筒和 接地支架作为等离子体屏蔽以使等离子体局限于样片周围。工艺室、样品台结构材料选用 无磁不锈钢和耐高温的绝缘材料，以保证清洁的真空，防止污染。工艺室和样品台系统 103向上通过螺钉311与微波谐振腔体102相接；向下经下法兰与过滤器508相连，上侧 通过气流环608入口管路与混气罐607连接，侧面经矩形阀509与自动传片系统106相连。 该工艺室与样品台系统提供化学淀积反应进行的腔体、工艺所需的温度和机械支撑，并完 成样片的旋转和装片动作。
参照图9，该控制系统107包括上位机901、系统模拟量微控制器902、系统数字量 微控制器903、系统智能仪表控制单元904、模拟信号控制系统部件905、数字信号控制 系统部件906、智能仪表907。系统硬件采用上/下位机网络结构控制方式。上位机901选 用研华IPC-6811工业控制计算机，控制系统软件平台采用Windows98，控制软件采用VB 开发的可视化图形界面软件，固化在工业控制计算机中。下位机采用大众ND系列I/O模 板及A/D模板。上位机901通过485网络与系统模拟量微控制器902、系统数字量微控制 器903、系统智能仪表控制单元904连接，系统数字量微控制器903与数字信号控制系统 部件906相连，系统模拟量微控制器902与模拟信号控制系统部件905相连，系统智能仪 表控制单元904与智能仪表907相连。微机控制系统107完成对工艺设备各个部件和分系 统的自动控制。微机工作方式下，操作人员通过微机监控界面完成工艺操作，此时微机处 于监控状态，完成操作任务的同时记录工艺数据。
上述微波谐振腔体102、真空系统104、气路系统105、自动传片系统106、分别与工 艺室103相连，微波功率源及传输系统101与微波谐振腔体102相连，控制系统107分别 与微波功率源及传输系统101、工艺室与样品台系统103、真空系统104、气路系统105 相连，以控制各系统的工作状态。
参照图10，本发明控制系统的控制过程如下：
第一步，打开阀门和真空泵抽真空，即先开启第一初级真空机组503和第二初级真空 机组504，用真空计511监测第一截至阀505和第二截至阀506的真空度，当真空度均低 于1Pa时，依次开启第一截至阀505、第二截至阀506、第一分子泵501、第二分子泵502、 第一隔离阀513、第二隔离阀514，监测工艺室809和预真空室701的真空度，当真空度 达到1.0×10-4Pa时，进入下一步工艺流程，若半小时后工艺室真空度未满足条件，则报警 提示；
第二步，设定工艺参数并装片，即设定微波功率、淀积工艺时间、工作气体流量，监 测工艺参数设定状态，当接收到设定完成确定信号后，预热微波源201，控制自动传片系 统106取衬底片并放置在样品台802上，监测机械手702工作状态，当接收到机械手702 传片动作完成后，开启旋转装置810，若机械手702工作状态出现异常则暂停本次工艺过 程，同时报警提示；
第三步，通入工作气体，开启工作气体所在气路的截至阀和流量计，使工作气体进入 工艺室809内，监测工艺室809的真空度，当真空度在1.0×10-2Pa～10Pa范围内时，进入 下一步工艺流程，否则报警提示；
第四步，淀积薄膜并取片，即开启微波源201，进行薄膜淀积工艺，本次淀积完成后， 关闭微波源201与工作气体所在气路的截至阀和流量计，控制自动传片系统106从样品台 802上将薄膜晶片放置在置片片盒703中，并同时监测当前工作状态：(1)监测置片片盒 703中的样品计数，当置片片盒703满时提示所有淀积工艺完成；(2)监测机械手702状 态，若机械手702出现异常则暂停本次工艺并报警提示；(3)监测工艺室809和预真空室 701的真空度，若半小时后工艺室真空度未满足条件，则报警提示；当接收到机械手702 传片动作完成后，且工艺室809和预真空室701的真空度达到1.0×10-4Pa时，跳到第二步 进行下一次淀积工艺；
在上述控制过程中，如果监测到微波源201、真空计511、真空泵等部件的异常工作 时，显示警报以便解决设备故障。
本发明的性能可通过以下测试结果进一步说明。
测试仪器主要有：高斯计、真空检漏仪、热电偶温度计、朗谬尔探针、微波泄漏检测 仪、椭偏仪。
测试结果如下：
ECR磁场距离磁钢表面3cm处磁场强度达到875Gs。
ECR区达到Φ300毫米，等离子体密度≥1×1010cm-3，电子能量约15ev；
Φ200英寸晶片最大批处理量为25片，生产效率≥20片/小时；
温度从室温～300℃可控，控制精度±1℃，保持精度±1℃；
微波源频率为2.45GHZ，功率为0～3KW连续可调；
距设备5cm处微波泄漏能≤1mW/cm2；
反应室本底真空优于5.0×10-5Pa，通入工艺气体后动态真空1.33×101～5×10-2Pa，气 路系统漏率≤1.0×10-9Torr·L/Sec；
可以在室温下高速淀积大面积均匀的优质SiNx、SiO2、SiOxNy等介质薄膜，典型情 况下Φ200基片上均匀性优于95％，重复性优于95％，淀积速率高于100nm/min。