CN104746028A - 可实时监控晶片温度的压环系统及磁控溅射设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可实时监控晶片温度的压环系统，应用在磁控溅射设备上，压环系统包括晶片压环、弹性测温臂和用于测量晶片温度的测温探头，弹性测温臂的一端固定在晶片压环上，弹性测温臂的另一端悬空，弹性测温臂为中空的管状，晶片压环上设置通孔，所述通孔连通弹性测温臂的中空部分，测温探头设置在弹性测温臂的中空部分，置于弹性测温臂的悬空的一端，测温探头的导线先后贯穿弹性测温臂的中空部分和晶片压环的所述通孔而延伸至晶片压环的外侧。还涉及一种磁控溅射设备。本发明的可实时监控晶片温度的压环系统及磁控溅射设备，实现在不破坏腔室真空的条件下从腔室内部引出测温探头的导线，从而保证薄膜沉积环境不受污染，且测温更加真实。

Description

可实时监控晶片温度的压环系统及磁控溅射设备

技术领域

本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种可实时监控晶片温度的压环系统及磁控溅射设备。

背景技术

在半导体集成电路制造过程中，溅射工艺(或称为物理气相沉积(PVD))被用于沉积许多种不同的金属层及相关材料层。其中应用最为广泛的溅射工艺之一是直流磁控溅射技术。典型的直流磁控溅射设备如图1所示，该磁控溅射设备具有圆环型反应腔体1，真空泵系统2可对反应腔体1进行抽气而达到约10^-6Torr的背底真空度。通过流量计3连接到腔体的气体源4可供给溅射反应气体（如氩气、氮气等）。5为承载晶片的底座（带加热或冷却功能），6为靶材，其被密封在反应腔体1上，7为一种绝缘材料（例如G10），该材料和靶材6中间充满了去离子水8。溅射时DC电源会施加偏压至靶材6，使其相对于接地的反应腔体1成为负压，以使氩气放电而产生等离子体，将带正电的氩离子吸引至负偏压的靶材6，当氩离子的能量足够高时，会使金属原子逸出靶材表面并沉积在晶片上。

为了获得更大的等离子体密度、溅射沉积速率以及靶材利用率，在靶材6背部使用了磁控管9，其包括具有相反极性的内外磁极，在靶材6的表面内磁极以及外磁极之间散布的磁场可以迫使等离子中的电子按照一定的轨道运动，增加了电子的运动时间，从而增加了电子和要电离的气体的碰撞的机会，而得到高密度的等离子体区10，可大幅度的提高溅射沉积速率。如果该磁控管为非平衡的磁控管（即外磁极的总磁场强度远大于内磁极的总磁场强度，如大于两倍或两倍以上），则非平衡磁场会从靶材6朝向晶片11投射而使等离子体扩展，并将溅射出来的离子导向晶片，同时减小等离子体扩展至侧壁。马达12会驱动固定磁极的不锈钢平板沿中央轴转动，这样可在各个角度上产生时间均化磁场，以达到更均匀的靶材溅射型态。因此磁控管所控的电子的轨道不仅会影响不同位置的靶材的侵蚀速率，影响靶材的寿命，而且还会影响薄膜的沉积的均匀性。

在先进的集成电路以及LED芯片制造流程中，大量的金属导线以及氧化物透明导电薄膜均可采用PVD装置进行沉积。在沉积的过程中为了满足不同工艺的需求，经常需要控制薄膜的沉积温度。虽然PVD靶材溅射出的高能粒子轰击晶片会造成晶片温度的升高，甚至带加热和控温的底座也可以对晶片进行加热，但是目前的各种测温及控温方式，均无法很好的实时监控晶片在工艺腔室内以及溅射状态下的晶片表面温度，从而影响了薄膜的质量控制。因此，寻找一种可以有效的控制溅射过程中晶片温度的方式非常重要。

图2是现有技术的压环系统示意图，现有技术的压环系统采用的方案是将热电偶的探头14采用耐高温的陶瓷胶粘贴在晶片11表面，再将热电偶的导线16通过腔室密封圈引出到反应腔体1外面的温度显示器17上，热电偶的探头14采集晶片11的温度，通过温度显示器17显示该温度。图3、4分别是现有技术的压环系统在晶片处于传输状态和工艺状态的示意图。由传输状态可以看出晶片11是从反应腔体1的外部传入反应腔体1的内部，然后再上升到工艺位置并顶起晶片压环13后进行薄膜沉积，其中晶片压环13设置在内衬18上。采该方案，热电偶的导线16只能在打开反应腔体1的状况下将粘好热电偶的探头14的晶片11放置好

后，再闭合反应腔体1进行真空抽气并进行薄膜沉积，测量晶片11温度。热电偶的导线16无法实现在不破坏反应腔体1真空的条件下从反应腔体1内部引出，这样会造成由于真空度较差或由于开腔造成的污染等影响薄膜沉积环境，从而影响到测温的真实性，另外，采用现有技术的方案，热电偶的探头14粘贴在晶片11上后导线暴露在薄膜沉积产生的等离子体15内，极容易造成等离子体15将热电偶导线导通，影响测温准确性，严重时甚至可以造成测温失败。采用现有技术的方案，只能用来测量晶片11在工艺过程中的温度，无法实现工艺过程中对晶片11温度的控制。

发明内容

鉴于现有技术的现状，本发明的目的在于提供一种可实时监控晶片温度的压环系统及磁控溅射设备，在不破坏真空环境的情况下实现工艺过程中晶片表面温度的测量，以及工艺过程中晶片表面的温度控制。为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种可实时监控晶片温度的压环系统，应用在磁控溅射设备上，所述压环系统包括晶片压环、弹性测温臂和用于测量晶片温度的测温探头，所述弹性测温臂的一端固定在所述晶片压环上，所述弹性测温臂的另一端悬空，所述弹性测温臂为中空的管状，所述晶片压环上设置通孔，所述通孔连通所述弹性测温臂的中空部分；

所述测温探头设置在所述弹性测温臂的中空部分，置于所述弹性测温臂的悬空的一端，所述测温探头的导线先后贯穿所述弹性测温臂的中空部分和所述晶片压环的所述通孔而延伸至所述晶片压环的外侧。

其中，所述弹性测温臂的形状为L形。

其中，所述的可实时监控晶片温度的压环系统还包括弹性部件，所述弹性部件设置在所述弹性测温臂的中空部分，用于抵接所述测温探头，使得所述测温探头在所述弹性部件的弹力作用下能够部分地伸出所述弹性测温臂。

其中，所述弹性部件为弹簧或弹片。

其中，所述的可实时监控晶片温度的压环系统还包括护套，所述护套套设在所述弹性测温臂上。

其中，所述弹性测温臂的数量为多个，多个所述弹性测温臂间隔设置在所述晶片压环上。

其中，多个所述弹性测温臂的长度不相同。

其中，所述弹性测温臂为金属管。

还涉及一种磁控溅射设备，包括上述任一技术特征的可实时监控晶片温度的压环系统。

本发明的有益效果是：

本发明的可实时监控晶片温度的压环系统及磁控溅射设备，实现在不破坏腔室真空的条件下从腔室内部引出测温探头的导线，从而保证薄膜沉积环境不受污染，测温更加真实。测温探头和测温探头的导线均不会暴露在薄膜沉积产生的等离子体内，极大增强了测温探头的使用寿命及测温准确性。

附图说明

图1为现有技术的磁控溅射设备的简图；

图2为现有技术的压环系统示意图；

图3为现有技术的压环系统在晶片处于传输位示意图；

图4为现有技术的压环系统在晶片处于工艺位的示意图；

图5为本发明的压环系统一实施例的示意图；

图6为本发明的压环系统的晶片压环一实施例的俯视示意图；

图7为测温探头和弹性部件的配合示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明的可实时监控晶片温度的压环系统及磁控溅射设备进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图5至图7，本发明的可实时监控晶片温度的压环系统一实施例，应用在磁控溅射设备上，压环系统包括晶片压环13、弹性测温臂22和用于测量晶片11温度的测温探头23，弹性测温臂22的一端固定在晶片压环13上，弹性测温臂22的另一端悬空，弹性测温臂22为中空的管状，晶片压环13上设置通孔，所述通孔连通弹性测温臂22的中空部分，测温探头23设置在弹性测温臂22的中空部分，置于弹性测温臂22的悬空的一端，测温探头23的导线16先后贯穿弹性测温臂22的中空部分和晶片压环13的所述通孔而延伸至晶片压环13的外侧。

弹性测温臂22的形状为L形，弹性测温臂22优选金属管。在弹性测温臂22的中空部分设置弹性部件25，弹性部件25用于抵接测温探头23，使得测温探头23在弹性部件25的弹力作用下能够部分地伸出弹性测温臂22，这样在测温时可以通过弹性测温臂22和弹性部件25共同将测温探头23紧密的接触晶片11，同时保证热测温探头23及测温探头的导线16不受到腔室内溅射出的粒子影响，测温精度更高，可靠性更强。弹性部件25为弹簧或弹片。

晶片11由加热底座20支撑和加热，加热底座20和测温探头23分别与温控器24电连接，测温探头23在工艺过程中实时监控晶片的温度，温控器24根据晶片11的温度通过调整加热底座20的输出功率达到调整晶片11表面温度的作用。

作为一种可实施方式，弹性测温臂22的数量为多个，多个弹性测温臂22间隔设置在晶片压环13上。多个弹性测温臂22的长度不相同。在晶片压环13上安装不同长度的弹性测温臂22，这样可以实现对晶片11不同区域的温度监控。当然，多个弹性测温臂22的长度也可完全相同。在弹性测温臂22上套设护套（未示出），用以保护测温探头23和测温探头的导线16免受等离子体的干扰。

上述实施例的压环系统应用在磁控溅射设备上，由于磁控溅射设备除压环系统为均为现有技术，此处不再一一赘述。

以上实施例的可实时监控晶片温度的压环系统及磁控溅射设备，实现在不破坏腔室真空的条件下从腔室内部引出测温探头的导线，从而保证薄膜沉积环境不受污染，测温更加真实。测温探头和测温探头的导线均不会暴露在薄膜沉积产生的等离子体内，保证热测温探头及测温探头的导线不受到腔室内溅射出的粒子影响，极大增强了测温探头的使用寿命及测温准确性。在测温时通过弹性的测温臂和弹性部件共同将测温探头紧密的接触晶片，测温精度更高，可靠性更强。通过连接加热底座控制系统，可以实现晶片温度的实时控制。在实现检测晶片温度的同时可以实现温度的控制。另外，温控器分别与测温探头与加热底座相连，实现对加热底座加热功率的有效控制，进而实现对晶片表面的温度进行控制。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种可实时监控晶片温度的压环系统，应用在磁控溅射设备上，所述压环系统包括晶片压环，其特征在于：

还包括弹性测温臂和用于测量晶片温度的测温探头，所述弹性测温臂的一端固定在所述晶片压环上，所述弹性测温臂的另一端悬空，所述弹性测温臂为中空的管状，所述晶片压环上设置通孔，所述通孔连通所述弹性测温臂的中空部分；

所述测温探头设置在所述弹性测温臂的中空部分，置于所述弹性测温臂的悬空的一端，所述测温探头的导线先后贯穿所述弹性测温臂的中空部分和所述晶片压环的所述通孔而延伸至所述晶片压环的外侧。

2.根据权利要求1所述的可实时监控晶片温度的压环系统，其特征在于：

所述弹性测温臂的形状为L形。

3.根据权利要求2所述的可实时监控晶片温度的压环系统，其特征在于：

还包括弹性部件，所述弹性部件设置在所述弹性测温臂的中空部分，用于抵接所述测温探头，使得所述测温探头在所述弹性部件的弹力作用下能够部分地伸出所述弹性测温臂。

4.根据权利要求3所述的可实时监控晶片温度的压环系统，其特征在于：

所述弹性部件为弹簧或弹片。

5.根据权利要求3所述的可实时监控晶片温度的压环系统，其特征在于：

还包括护套，所述护套套设在所述弹性测温臂上。

6.根据权利要求1-5任一项所述的可实时监控晶片温度的压环系统，其特征在于：

所述弹性测温臂的数量为多个，多个所述弹性测温臂间隔设置在所述晶片压环上。

7.根据权利要求6所述的可实时监控晶片温度的压环系统，其特征在于：

多个所述弹性测温臂的长度不相同。

8.根据权利要求6所述的可实时监控晶片温度的压环系统，其特征在于：

所述弹性测温臂为金属管。

9.一种磁控溅射设备，其特征在于：

包括权利要求1-8任一项所述的可实时监控晶片温度的压环系统。