CN104746024B - 防止反应腔室内发生打火的沉积方法及反应腔室 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种防止反应腔室内发生打火的沉积方法及反应腔室，反应腔室内设置有卡盘和压环，卡盘用于承载基片，压环的内周壁上设置有多个压爪，每个压爪的下表面叠置在基片的上表面的边缘区域，用于将基片固定在卡盘上，且每个压爪靠近基片中心区域的部分下表面与基片的上表面存在间距，防止反应腔室内发生打火的沉积方法包括步骤S1，在高气压值的反应腔室内，预先在预设时间内对基片沉积薄膜，以使金属原子和金属离子进入压爪部分下表面与基片上表面的间距形成的间隙内，实现压爪与基片相连通。本发明提供的防止反应腔室内发生打火的沉积方法，可以同时避免压爪与基片发生粘片和反应腔室内发生打火现象，从而可以提高反应腔室内工艺的稳定性。

Description

防止反应腔室内发生打火的沉积方法及反应腔室

技术领域

本发明属于半导体设备制造技术领域，具体涉及一种防止反应腔室内发生打火的沉积方法及反应腔室。

背景技术

硅通孔技术（through silicon via，以下简称TSV）技术是通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通，实现芯片之间互连的最新技术，由于TSV技术能够使芯片在三维方向堆叠的密度最大、芯片之间的互连线最短、外形尺寸最小，并且大大改善芯片速度和低功耗的性能，成为目前电子封装技术中最先进的一种技术。

TSV技术包括采用磁控溅射工艺在硅通孔内沉积阻挡层和铜籽晶层的工艺过程，为了对具有高深宽比的通孔内沉积薄膜，通常需要在很低的气压（例如，气压<0.6mT）下进行沉积工艺，且在低压下获得的薄膜质量较高。图1为磁控溅射设备的结构示意图。图2为图1中沿A-A’线的剖视图。请一并参阅图1和图2，磁控溅射设备包括反应腔室10，在反应腔室10的底部设置有的卡盘11和压环12，卡盘11用于承载基片S；在压环12的内周壁上且沿其周向设置有多个压爪121，借助多个压爪121的下表面叠置在基片S上表面的边缘区域，以将基片S固定在卡盘11上；在反应腔室10的顶部设置有靶材13，借助激励电源与靶材13电连接，用于将反应腔室10内的工艺气体激发形成等离子体，并提供给靶材13一定的负偏压，以吸引反应腔室10内等离子体中的正离子轰击靶材13的表面，轰击使得靶材13表面的金属原子自靶材13的表面逸出沉积在基片S表面的硅通孔内；在靶材11的上方设置有磁控管14，磁控管14用于将反应腔室10内的等离子体聚集在靶材13的下方。

在实际应用中，为了能够对具有高深宽比的硅通孔内沉积金属薄膜，使得卡盘11与射频电源15电连接，射频电源15用于向卡盘11施加一定的负偏压，射频电源15的频率范围一般为400KHz～13.56MHz，射频电源15的输出功率越大，使得卡盘11上加载的负偏压越高，从而可以吸引更多的金属离子沉积至硅通孔内，进而可以提高沉积金属薄膜的台阶覆盖率。为避免轻度打火在反应腔室10内产生一定的污染颗粒以及严重打火对基片S造成损坏，需要使得卡盘11、压环12和基片S等电位，为此，卡盘11与压环12通过导线线圈电连接，以使二者等电位；压环12的压爪121靠近基片S的下表面完全与基片S的上表面接触，如图3所示，当在基片S上沉积金属薄膜时，使得压爪121与基片S电连接，从而实现压环12与基片等电位。但是由于沉积的金属薄膜比较厚，压爪121与基片S容易发生粘片现象，因此，在基片S与压爪121分离时，容易对与压爪121接触的金属薄膜造成影响，甚至会导致基片S碎裂，因此，为了在保证压环12与基片S等电位的前提下在一定程度上避免压爪121与基片S发生粘片现象，多个压爪121中部分压爪121采用如图4所示的压爪121的结构，其中，每个压爪121的靠近基片S中心区域的下表面与基片S的上表面存在间距。

由上可知，采用上述的压环12结构在实际应用中会存在以下问题：在避免发生打火现象的前提下，多个压爪121中的部分压爪121始终会与基片S发生粘片现象，从而造成工艺不稳定。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，提供了一种防止反应腔室内发生打火的沉积方法及反应腔室，其可以在一定程度上避免压爪与基片发生粘片现象前提下实现压环与基片等电位，从而可以同时避免压爪与基片发生粘片现象和反应腔室内发生打火现象，进而可以提高工艺的稳定性。

本发明提供一种防止反应腔室内发生打火的沉积方法，所述反应腔室内设置有卡盘和压环，所述卡盘用于承载基片，所述压环的内周壁上设置有多个压爪，每个所述压爪的下表面叠置在所述基片的上表面的边缘区域，用于将所述基片固定在所述卡盘上，且每个所述压爪靠近所述基片中心区域的部分下表面与所述基片的上表面存在间距；所述防止反应腔室内发生打火的沉积方法包括步骤S1，在高气压值的所述反应腔室内，预先在预设时间内对所述基片沉积薄膜，以使金属原子和金属离子进入所述压爪部分下表面与所述基片上表面的间距形成的间隙内，实现所述压爪与所述基片相连通。

其中，在所述步骤S1中，所述高气压值的范围大于12mT。

其中，在所述步骤S1中，所述预设时间的范围小于5s。

其中，还包括步骤S2，降低所述反应腔室内的气压值，以实现在低气压值的所述反应腔室内，再在所述基片上完成沉积工艺所需厚度的薄膜。

其中，在所述步骤S2中，所述低气压值的范围小于0.6mT。

其中，在所述步骤S1中还包括，向所述基片的下表面和所述卡盘的上表面之间吹扫冷却气体，以对所述基片进行冷却，以及向所述反应腔室内输送工艺气体，并激发所述工艺气体形成等离子体。

其中，在所述步骤S2中，向所述基片的下表面和所述卡盘的上表面之间吹扫冷却气体，以对所述基片进行冷却，并停止向所述反应腔室内输送所述工艺气体。

其中，在所述步骤S2之后，还包括步骤S3，向所述基片的下表面和所述卡盘的上表面之间吹扫冷却气体，以对所述基片进行冷却，并保持所述基片在所述反应腔室内预定时间，以实现将所述基片冷却至预设温度。

其中，所述卡盘与激励电源电连接，所述激励电源用于向所述卡盘加载负偏压；在所述步骤S1中，关闭所述激励电源，以使所述激励电源与所述卡盘断开。

其中，所述卡盘与激励电源电连接，所述激励电源用于向所述卡盘加载负偏压；在所述步骤S2中，打开所述激励电源，以使所述激励电源与所述卡盘相连通，并向所述卡盘加载负偏压。

本发明还提供一种反应腔室，所述反应腔室应用本发明提供的上述防止反应腔室内发生打火的沉积方法对位于其内的基片沉积薄膜，所述反应腔室内设置有卡盘和压环，所述卡盘用于承载所述基片，所述压环的内周壁上设置有多个压爪，每个所述压爪的下表面叠置在所述基片的上表面的边缘区域，用于将所述基片固定在所述卡盘上，其特征在于，每个所述压爪靠近所述基片中心区域的部分下表面与所述基片的上表面存在间距。

本发明具有下述有益效果：

本发明提供的防止反应腔室内发生打火的沉积方法，其在压环的每个压爪靠近基片中心区域的部分下表面与基片的上表面存在间距的前提下，包括步骤S1，在高气压值的反应腔室内，预先在预设时间内对基片沉积薄膜，以使金属原子和金属离子进入压爪部分下表面与基片上表面的间距形成的间隙内，实现压爪与基片相连通。在步骤S1中，由于在高气压值的反应腔室中等离子体的平均自由程小，等离子体相互碰撞的频率较高，可以使得金属原子或者离子能够进入压爪的下表面与基片的上表面之间的间距形成的间隙内，因而可以实现压爪与基片相连通，即，可以实现压环与基片等电位；并且，借助每个压爪靠近基片中心区域的部分下表面与基片的上表面存在间距，可以在一定程度上避免压爪与基片发生粘片现象，因而可以在一定程度上避免压爪与基片发生粘片现象前提下实现压环与基片等电位，从而可以同时避免压爪与基片发生粘片现象和反应腔室内发生打火现象，进而可以提高工艺的稳定性。

本发明提供的反应腔室，在反应腔室内采用本发明提供的上述防止反应腔室内发生打火的沉积方法对位于该反应腔室内的基片沉积薄膜，其可以同时避免压爪与基片发生粘片现象和反应腔室内发生打火现象，从而可以提高反应腔室内工艺的稳定性。

附图说明

图1为磁控溅射设备的结构示意图；

图2为图1中沿A-A’线的剖视图；

图3为图2中压爪的一种结构示意图；

图4为图2中压爪的另一种结构示意图；

图5为本发明实施例提供的防止反应腔室内发生打火的沉积方法的流程图；以及

图6为本发明提供的反应腔室的压爪的结构示意图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的防止反应腔室内发生打火的沉积方法及反应腔室进行详细描述。

图5为本发明实施例提供的防止反应腔室内发生打火的沉积方法的流程图。请参阅图5，其中，反应腔室内设置有卡盘和压环，卡盘用于承载基片，压环的内周壁上设置有多个压爪，每个压爪的下表面叠置在基片的上表面的边缘区域，用于将基片固定在卡盘上，且每个压爪靠近基片中心区域的部分下表面与基片的上表面存在间距（例如，图4所示的压爪结构），在这种情况下，防止反应腔室内发生打火的沉积方法包括步骤S1，在高气压值的反应腔室内，预先在预设时间内对基片沉积薄膜，以使金属原子和金属离子进入压爪部分下表面与基片上表面的间距形成的间隙内，实现压爪与基片相连通。

具体地，在步骤S1中，由于在高气压状态，等离子体的平均自由程Mean Free Path=0.05/Process Pressure，其中，平均自由程Mean Free Path的单位为mm，ProcessPressure为反应腔室的气压值，单位为Torr，由上可知，等离子体的平均自由程与气压值成反比，因此在高气压的状态下等离子体碰撞频率很高，可以使得金属原子或者离子能够进入压爪的下表面与基片的上表面之间的间距形成的间隙内，因而可以实现压爪与基片相连通，即，可以实现压环与基片等电位；并且，借助每个压爪靠近基片中心区域的部分下表面与基片的上表面存在间距，可以在一定程度上避免压爪与基片发生粘片现象，因而可以在一定程度上避免压爪与基片发生粘片现象前提下实现压环与基片等电位，从而可以同时避免压爪与基片发生粘片现象和反应腔室内发生打火现象，进而可以提高工艺的稳定性。优选地，高气压值的范围大于12mT。另外，优选地，预设时间的范围在小于5s。

在步骤S1中还包括，向基片的下表面和卡盘的上表面之间吹扫冷却气体，以对基片进行冷却，以及向反应腔室内输送工艺气体，并激发工艺气体形成等离子体。容易理解，借助向反应腔室内输送的冷却气体和工艺气体，并控制反应腔室的其他装置，例如，反应腔室上设置的控制其与大气连通的门阀以及用于与反应腔室相连通的真空装置等，可实现调节反应腔室的气压值，以使反应腔室的气压值大于12mT。另外，借助在步骤S1中形成等离子体，可实现借助等离子体在基片的表面上沉积薄膜。

在步骤S1完成之后，即，在实现反应腔室内部会发生打火现象之后，进入步骤S2，降低反应腔室内的气压值，以实现在低气压值的反应腔室内，再在基片上完成沉积工艺所需的薄膜。具体地，在步骤S2中，由于在低气压值的反应腔室内沉积的薄膜质量比较好，因此，在步骤S2中降低反应腔室内的气压值，并且，由于需要对高深宽比的硅通孔内沉积金属薄膜，优选地，低气压值的范围小于0.6mT。

具体地，在步骤S2中，向基片的下表面和卡盘的上表面之间吹扫冷却气体，以对基片进行冷却，并停止向反应腔室内输送工艺气体。容易理解，借助向反应腔室内停止输送工艺气体，并控制反应腔室的其他装置，例如，反应腔室上设置的控制其与大气连通的门阀以及用于与反应腔室相连通的真空装置等，当在步骤S1中控制门阀为半打开状态时，在步骤S2中控制门阀为全打开状态，可实现调节反应腔室的气压值，以使反应腔室的气压值降至小于0.6mT。

在本实施例中，卡盘与激励电源电连接，激励电源用于向卡盘加载负偏压，其中，激励电源一般为射频电源，射频电源的频率的范围一般在400KHz～13.56MHz，射频电源的输出功率越大，使得卡盘上加载的负偏压越高，从而可以吸引更多的金属原子和金属离子沉积至基片上的硅通孔内，进而可以提高沉积金属薄膜的台阶覆盖率。在本实施例的步骤S1中，关闭激励电源，以使激励电源与卡盘断开；在步骤S2中，打开激励电源，以使激励电源与卡盘相连通，并向卡盘加载负偏压。

在步骤S2之后，还包括步骤S3，向基片的下表面和卡盘的上表面之间吹扫冷却气体，以对基片进行冷却，并保持基片在反应腔室内预定时间，以实现将基片冷却至预设温度。由于基片在步骤S1和步骤S2中沉积薄膜的反应腔室的输出功率较大（一般直流输出功率在38000W左右），使得金属原子和金属离子对基片的撞击很剧烈，从而使得基片的温度升高；并且，在步骤S2中由于与卡盘相连接的激励电源的输出功率较大（一般射频输出功率为1200W），因而进一步使得金属原子和金属离子对基片的撞击更剧烈，从而使得基片的温度更高，因此，在步骤S3中需要将基片在反应腔室内保持预定时间来实现对高温的基片进行冷却。

需要说明的是，在本实施例中，在整个沉积薄膜的工艺过程中，包括步骤S1、S2和S3，始终向基片的下表面和卡盘的上表面之间吹扫冷却气体，以对基片进行冷却。但是，本发明并不局限于此，也可以仅在步骤S3中向基片的下表面和卡盘的上表面之间吹扫冷却气体，以对基片进行冷却；或者，也可以在步骤S2和S3中向基片的下表面和卡盘的上表面之间吹扫冷却气体，以对基片进行冷却。

还需要说明的是，在本实施例的步骤S1中，关闭激励电源，以使激励电源与卡盘断开，但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，也可以在步骤S1中，打开激励电源，以使激励电源与卡盘相连通，向卡盘加载一定的负偏压，该负偏压吸引等离子体向基片移动，可以进一步实现金属原子和金属离子进入压爪部分下表面与基片上表面的间距形成的间隙内，实现压爪与基片相连通，在这种情况下，可以相应的减小在步骤S1中所需的预设时间。

另外需要说明的是，在本实施例中，在高气压值的反应腔室内沉积薄膜之后，再在低气压值的反应腔室内沉积薄膜，这使得薄膜应力对气压敏感的某些金属薄膜（例如，W，TiW）的薄膜应力降低，从而可以提高该金属薄膜的性能。

作为另外一个技术方案，本发明还提供一种反应腔室，反应腔室应用上述实施例提供的防止反应腔室内发生打火的沉积方法对位于其内的基片沉积薄膜，反应腔室内设置有卡盘和压环20，卡盘用于承载基片S，压环20的内周壁上设置有多个压爪201，每个压爪201的下表面叠置在基片S的上表面的边缘区域，用于将基片S固定在卡盘上，每个压爪201靠近基片S中心区域的部分下表面与基片S的上表面存在间距，如图6所示。

容易理解，每个压爪201靠近基片S中心区域的部分下表面与基片S的上表面之间的间距L应大于在步骤S1中的等离子体的平均自由程，这才能使得在步骤S1中等离子体进入该间距L形成的间隙内。

需要说明的是，间距L形成的间隙在基片S径向上的距离H与间距L的比值应该在5左右，这样既可以使得在步骤S1中等离子体能够进入该间距L形成的间隙内，使得压爪201与基片S相连通；又可以使得在步骤S2中等离子体不能够进入该间距L形成的间隙内，使得压爪201与基片S在一定程度上不会发生粘片现象。在实际应用中，可以根据需要沉积的哪种金属薄膜、步骤S1的反应腔室的气压值和步骤S2的反应腔室的气压值等因素设置间距L和距离H的具体数值。

本实施例提供的反应腔室，在反应腔室内采用上述实施例提供的防止反应腔室内发生打火的沉积方法对位于该反应腔室内的基片沉积薄膜，其可以同时避免压爪与基片发生粘片现象和反应腔室内发生打火现象，从而可以提高反应腔室内工艺的稳定性。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种防止反应腔室内发生打火的沉积方法，其特征在于，所述反应腔室内设置有卡盘和压环，所述卡盘用于承载基片，所述压环的内周壁上设置有多个压爪，每个所述压爪的下表面叠置在所述基片的上表面的边缘区域，用于将所述基片固定在所述卡盘上，且每个所述压爪靠近所述基片中心区域的部分下表面与所述基片的上表面存在间距；

所述防止反应腔室内发生打火的沉积方法包括步骤S1，在高气压值的所述反应腔室内，预先在预设时间内对所述基片沉积薄膜，以使金属原子和金属离子进入所述压爪部分下表面与所述基片上表面的间距形成的间隙内，实现所述压爪与所述基片相连通。

2.根据权利要求1所述的防止反应腔室内发生打火的沉积方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述高气压值的范围大于12mT。

3.根据权利要求1所述的防止反应腔室内发生打火的沉积方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述预设时间的范围小于5s。

4.根据权利要求1所述的防止反应腔室内发生打火的沉积方法，其特征在于，还包括步骤S2，降低所述反应腔室内的气压值，以实现在低气压值的所述反应腔室内，再在所述基片上完成沉积工艺所需厚度的薄膜。

5.根据权利要求4所述的防止反应腔室内发生打火的沉积方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述低气压值的范围小于0.6mT。

6.根据权利要求1所述的防止反应腔室内发生打火的沉积方法，其特征在于，在所述步骤S1中还包括，向所述基片的下表面和所述卡盘的上表面之间吹扫冷却气体，以对所述基片进行冷却，以及向所述反应腔室内输送工艺气体，并激发所述工艺气体形成等离子体。

7.根据权利要求4所述的防止反应腔室内发生打火的沉积方法，其特征在于，在所述步骤S2中，向所述基片的下表面和所述卡盘的上表面之间吹扫冷却气体，以对所述基片进行冷却，并停止向所述反应腔室内输送所述工艺气体。

8.根据权利要求4所述的防止反应腔室内发生打火的沉积方法，其特征在于，在所述步骤S2之后，还包括步骤S3，

向所述基片的下表面和所述卡盘的上表面之间吹扫冷却气体，以对所述基片进行冷却，并保持所述基片在所述反应腔室内预定时间，以实现将所述基片冷却至预设温度。

9.根据权利要求1所述的防止反应腔室内发生打火的沉积方法，其特征在于，所述卡盘与激励电源电连接，所述激励电源用于向所述卡盘加载负偏压；

在所述步骤S1中，关闭所述激励电源，以使所述激励电源与所述卡盘断开。

10.根据权利要求4所述的防止反应腔室内发生打火的沉积方法，其特征在于，所述卡盘与激励电源电连接，所述激励电源用于向所述卡盘加载负偏压；

在所述步骤S2中，打开所述激励电源，以使所述激励电源与所述卡盘相连通，并向所述卡盘加载负偏压。

11.一种反应腔室，所述反应腔室应用上述权利要求1-10任意一项所述的防止反应腔室内发生打火的沉积方法对位于其内的基片沉积薄膜，所述反应腔室内设置有卡盘和压环，所述卡盘用于承载所述基片，所述压环的内周壁上设置有多个压爪，每个所述压爪的下表面叠置在所述基片的上表面的边缘区域，用于将所述基片固定在所述卡盘上，其特征在于，每个所述压爪靠近所述基片中心区域的部分下表面与所述基片的上表面存在间距。