CN104752138B - 聚焦环和应用聚焦环的溅射反应器 - Google Patents

Abstract

一种聚焦环和应用聚焦环的溅射反应器，所述聚焦环具有内表面，所述内表面具有花纹，所述花纹的深度大于850μm且小于1000μm。所述聚焦环具有所述深度的花纹，能够大幅提高聚焦环对吸收量对反溅射颗粒物的吸收量，并且可以改善聚焦环对较大的溅射粒子的吸收，从而防止反溅射颗粒物被聚焦环吸附后重新脱落。

Description

聚焦环和应用聚焦环的溅射反应器

技术领域

本发明涉及半导体工艺领域，尤其是涉及一种聚焦环和应用聚焦环的溅射反应器。

背景技术

溅射是现代半导体芯片生产过程中常用的一种薄膜淀积技术，其工作原理是：利用带电粒子轰击靶材，使靶材原子从表面逸出并沉积在衬底上。

图1是现有一种利用靶材在晶圆上沉积薄膜的示意图，如图1所示，由于带电粒子轰击靶材的方向是不确定的，导致从靶材1表面逸出的靶材原子会从各个方向脱离靶材表面，之后沿直线到达晶圆2表面，进而使得晶圆2上薄膜的均匀性较差。为了提高薄膜的沉积均匀性，在溅射过程中通常会在靶材1和晶圆2之间设置一个聚焦环3，聚焦环3可以约束靶材原子的运动轨迹，即使得从靶材1表面溅射出来的朝四面八方运动的靶材原子被聚焦到晶圆2上方，并使溅射原子能均匀的沉积在晶圆2上。不仅如此，聚焦环3的内表面及外表面还形成有花纹，以吸附溅射过程中产生的大量反溅射颗粒物，从而起到净化的作用。

然而现有聚焦环在使用过程中，容易因反溅射颗粒物沉积较厚，而有部分反溅射颗粒物从聚焦环上重新剥落下来，造成生产无法继续，对工艺造成极大的困扰。因此，如何使现有的钛环可以吸附更多的反溅射颗粒物，防止反溅射颗粒物剥落，成为本领域技术人员亟待解决的问题。

为此，需要一种新的聚焦环和应用聚焦环的溅射反应器，以避免聚焦环在使用过程中，反溅射颗粒物从聚焦环剥落，避免溅射过程中对工艺造成破坏。

发明内容

本发明解决的问题是，提供一种聚焦环和应用聚焦环的溅射反应器，以使得聚焦环能够沉积更多的反溅射颗粒物，保证在整个工艺过程中，所产生的反溅射颗粒物被吸附在聚焦环上，满足工艺生产的要求。

为解决上述问题，本发明提供一种聚焦环，所述聚焦环具有内表面，所述内表面具有花纹，所述花纹的深度大于850μm且小于1000μm。

可选的，所述花纹的深度大于900μm且小于1000μm。

可选的，所述上端面、下端面和外表面的至少其中之一也具有所述花纹。

可选的，所述花纹的螺距数范围为80TPI～20TPI。

可选的，所述聚焦环的材料为钽、铜或钛。

可选的，所述花纹为整齐排列的多个条形结构、波浪形结构、锯齿形结构、螺线形结构或者格子结构。

可选的，所述聚焦环应用于8英寸衬底上进行溅射过程。

可选的，所述花纹采用滚花的方式制作。

为解决上述问题，本发明还提供了一种溅射反应器，包括：

真空室，具有围绕中心轴线布置的侧壁；

溅射靶材，被密封到所述真空室的一端；

基座，沿所述中心轴线布置成与所述溅射靶材相对，用于支撑待处理的晶片；及

聚焦环，所述聚焦环具有内表面，所述内表面具有花纹，所述花纹的深度大于850μm且小于1000μm，所述聚焦环位于所述真空室内，并位于所述溅射靶材与所述基座之间。

所述聚焦环还具有上端面、下端面和外表面，所述上端面、下端面和外表面的至少其中之一也具有所述花纹。

可选的，所述花纹的螺距数范围为80TPI～20TPI。

可选的，所述聚焦环的材料为钽、铜或钛。

可选的，所述花纹为整齐排列的多个条形结构、波浪形结构、锯齿形结构、螺线形结构或者格子结构。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明的技术方案提供一种聚焦环，所述聚焦环内表面具有花纹，并且花纹的深度大于850μm且小于1000μm。当聚焦环内表面花纹的深度大于850μm时，聚焦环对反溅射物质（颗粒物）的吸附量增加80%以上，达到180%，因此在整个溅射工艺过程中，反溅射物质不再从聚焦环上脱落（peeling），解决了因反溅射物质脱落造成的工艺问题，当花纹深度大于1000μm时，再增加深度，聚焦环对吸收量对反溅射颗粒物的吸收量提高不再明显，然而花纹的制作难度却急剧增加，制作成本相应大幅提高，因此花纹的深度在1000μm内。

进一步，在聚焦环的上端面、下端面和外表面的至少其中之一设置所述花纹，增加花纹的面积，从而进一步增加聚焦环吸附反溅射物质的能力。

附图说明

图1为现有一种利用靶材在晶圆上沉积薄膜的示意图；

图2为本发明实施例提供的聚焦环立体示意图；

图3为图2所示聚焦环中部分A的放大示意图；

图4为图3所示结构的俯视示意图；

图5为本发明实施例提供的溅射反应器示意图。

具体实施方式

正如背景技术部分所述，现有技术生产中应用常规聚焦环进行溅射工艺，容易导致反溅射颗粒物被聚焦环后吸附又脱落下来，无法保证生产工艺安全进行。研究发现，在聚焦环的内表面制作花纹，这些花纹可以吸附从靶材上溅射出的大角度的靶材粒子（即反溅射颗粒物）。然而，发明人发现，当聚焦环内表面的滚花花纹的深度较浅（在100μm以下）时，经过一段时间后，靶材粒子就会填满花纹，此时，如果继续使用，聚焦环对粒子的吸附作用就会减弱，并且吸附的粒子（即反溅射颗粒物）会脱落下来，掉落到下面的衬底上，影响薄膜的形成，造成工艺失败。

为此，本发明提供一种聚焦环，其花纹的深度大于850μm，所述深度的花纹大幅提高聚焦环对吸收量对反溅射颗粒物的吸收量，并且可以改善聚焦环对较大的溅射粒子的吸收，从而防止反溅射颗粒物被聚焦环吸附后重新脱落。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

本发明实施例提供一种聚焦环，请结合参考图2至图4。

请参考图2，图2为本实施例提供的聚焦环100立体示意图。本实施例提供的聚焦环100具有内表面110、外表面120、上端面130和下端面（与上端面130相对，图2中未示出），所述内表面110具有花纹。本实施例中，聚焦环100的材料可以为钽、铜或钛。

聚焦环100的形成过程可以为：提供聚焦环坯料，根据所要制取的聚焦环100的尺寸（包括厚度、内/外直径）以及个数提供足量的聚焦环坯料。然后，将所述聚焦环坯料经热锻处理，之后经冷轧加工至预定厚度。将冷轧后的所述聚焦环坯料置于普通的热处理炉（非真空热处理炉）中，于500～680℃条件下进行第一次热处理，持续60～120min后，随炉冷却，并切割成预定尺寸的板状结构。期间，可将由上述热锻处理、冷轧加工后获取的多段板状的聚焦环坯料同时进行预热处理，从而提高聚焦环100制备工艺的效率，所述热处理炉中的温度优选控制于580～650℃。在经过第一次热处理及随后的随炉冷却处理后，将板状的所述聚焦环坯料加工成环状的聚焦环100。将呈环形的所述聚焦环100环置于普通热处理炉（非真空热处理炉）中，于500～600℃条件下进行第二次热处理，持续30～60min后，于室温下急速冷却成型。

本实施例中，可以采用多种方法形成花纹，如喷砂、轧制、拉丝、滚花工艺等。具体的，本实施例选用滚花工艺制作上述花纹，选择合适的滚花刀具，在车床上用滚花刀具滚压而形成的，花纹可以为直纹或者网纹，对应地选择的滚花刀具分别为直纹滚花刀具和网纹滚花刀具。滚花时，滚花刀具挤压聚焦环100，使其表面产生塑性变形而形成花纹。滚花的径向挤压力很大，因此加工时，聚焦环100的转速要低些。需要充分供给冷却润滑液，以免损坏滚花刀具，并防止细屑滞塞在滚花刀内而产生乱纹，从而使制作出的花纹效果符合生产实际的要求。本实施例中选用的花纹的制作工艺并不用于限定本发明实施例的保护范围，在本发明的其它实施例中，可以采用其它工艺形成花纹。

请参考图3，图3为图2所示聚焦环100中部分A的放大示意图。

本实施例中，聚焦环100的花纹如图3所示，花纹具有深度h，花纹的深度h大于850μm，且小于1000μm。

需要说明的是，本实施例中限定，所述花纹的螺距数特指聚焦环100上每英寸范围内的花纹中最小结构的个数，花纹的深度h是指聚焦环100上花纹中最小结构的底部与顶部间的距离。

本实施例提供的聚焦环100中，内表面110具有花纹，并且花纹的深度大于850μm，所述深度的花纹大幅提高聚焦环100对吸收量对反溅射颗粒物的吸收量，并且可以改善聚焦环100对较大的溅射粒子的吸收，从而防止反溅射颗粒物被聚焦环100吸附后重新脱落，但是，当花纹深度h大于1000μm时，再增加深度h的值不仅聚焦环100对吸收量对反溅射颗粒物的吸收量提高不再明显，而且花纹的制作难度急剧增加，制作成本相应大幅提高，因此，本实施例。

经验证，当花纹的深度大于850μm时，聚焦环100能够使得反溅射物质的吸附量增加80%以上，因此在整个溅射工艺过程中，反溅射物质不再从聚焦环100上脱落，解决了因反溅射物质脱落造成的工艺问题。

本实施例中花纹的深度h可以进一步选择为大于900μm，且小于1000μm，此时聚焦环100对吸收量对反溅射颗粒物的吸收量更高，通常约在85%以上。具体的，所述花纹的深度h可以为900μm、910μm、920μm、930μm、940μm、950μm、960μm、970μm、980μm、990μm或者1000μm。

本实施例中，聚焦环100的花纹的螺距数范围为80TPI～20TPI。TPI(Threads PerInch)为螺距数，又称每英寸扣数，用来衡量机械加工中每英寸的滚花数n，换算成公制25.4/n就等于滚花（花纹）的间距，例如：50TPI25.4/50=0.5008mm，在机械加工过程中选用滚花距离为0.5mm的滚花刀，也就是机械中所讲的0.5滚花刀。所述花纹的螺距数越多，说明花纹的宽度越小。本实施例中，可以进一步设置花纹的螺距数在50TPI～20TPI。

需要说明的是，在本发明的其它实施例中，还可以在聚焦环100的上端面130、下端面和外表面120的至少其中之一设置所述花纹，增加花纹的面积，从而进一步增加聚焦环100吸附反溅射物质的能力。

例如在另一实施例中，可以在聚焦环100的上端面130和下端面都设置花纹，并且花纹的深度大于850μm且小于1000μm。由于聚焦环100的上端面130和下端面会分别面向靶材和晶圆，因此，反溅射物质可以直接沉积在上端面130和下端面的至少其中之一，因此，聚焦环100吸附反溅射物质的能力提高。例如在再一实施例中，可以同时在聚焦环100的内表面110和外表面120设置花纹，并且花纹的深度大于850μm，且小于1000μm，外表面120设置花纹，可以进一步净化沉积反应室内部的气体环境，例如此时，使其它不必要的颗粒会吸附在聚焦环100外表面120的花纹内。

请参考图4，图4为图3所示结构的俯视示意图。

本实施例中，聚焦环100的内表面110中，花纹包括整齐排列的多个直线形的条形结构，如图4所示，并且，所述条形结构呈倾斜排列。需要说明的是，在本发明的其它实施例中，所述条形结构也可以是以其它角度倾斜排列，或者竖直排列，并且，也可以是非直线形的，例如波浪形、锯齿形或者螺线形。

需要说明的是，在本发明的其它实施全中，花纹可以是由多个最小结构重复排列形成的，这种最小结构可以有很多种形状的格子状结构，如菱形、圆形、矩形、正方形、多边形或其他不规则形状等的格子状结构。当花纹包括多个菱形结构重复排列形成时，所述菱形结构实际上可以为四棱锥形的凹坑，可以由具有四棱锥凸起的工具加工而成。

本领域技术人员可以理解，在实际生产中，本实施例中的聚焦环100设置于溅射靶材和衬底材料之间，相当于准直溅射中的准直器的作用。其中，所述衬底可以包括半导体元素，例如单晶、多晶或非晶结构的硅或硅锗（SiGe），也可以包括化合物半导体结构，例如碳化硅、锑化铟、碲化铅、砷化铟、磷化铟、砷化镓或锑化镓、合金半导体或其组合；也可以是绝缘体上外延硅（silicon on insulator，SOI）。此外，衬底还可以包括其它的材料，例如外延层或掩埋层的多层结构。并且，上述衬底还包括在其上制造的多个集成电路，这些集成电路可以处在工序中的任何一个阶段，因此，上述衬底包括各种各样的类型。

虽然在此描述了可以形成衬底材料的几个示例，但是可以作为衬底的任何材料均落入本发明的精神和范围之内。

本实施例中的聚焦环100应用于8英寸衬底上进行溅射过程中。与现有技术相比，由于在聚焦环100表面增加了花纹，使得聚焦环100吸附颗粒的能力增强，从而改善了形成的膜层的均匀性。另外，本实施例进一步加深了花纹深度，进而延长了聚焦环100的使用寿命。不仅如此，由于花纹的螺距数和深度都有所增加，也便于聚焦环100吸附的靶材粒子过多后需进行的必要的清理过程，使得清理更方便且清理的也更干净，避免出现清理不干净的死角，清理后的再次使用时，也不会影响生产过程。

本发明还提供了一种应用前述聚焦环100的溅射反应器，图5为本发明实施例提供的溅射反应器示意图。

请参考图5，本实施例提供的溅射反应器包括真空室12，真空室12包括大体上圆筒形的侧壁14，侧壁14通常电接地。通常，未示出的接地可替换屏蔽（有时还有附加的浮动屏蔽）位于侧壁14内侧以保护侧壁14不被溅射涂覆。但它们用作室侧壁而不是保持真空。溅射靶材16至少具有由待溅射金属组成的表面层，并通过电隔离体18被密封到真空室12。基座电极22把要受到溅射涂覆的晶片24支撑为与靶材16平行相对。屏蔽内侧在靶材16与晶片24之间限定了处理空间。

溅射工作气体（优选为氩，Ar）定量从气体供应器26经过质流控制器28进入室中。未示出的真空泵系统将真空室12的内部保持在通常为8Torr～10Torr或更低的极低基本压强。在等离子体点火期间，以产生约5mTorr室内压强的量供应氩气，但是随后将该压强减小。DC电源34将靶材16负偏压到约-600V，使氩工作气体被激发成含有电子和正氩离子的等离子体。正氩离子被吸引到负偏压的靶材16，并从靶材16溅射金属原子。

所述实施例特别有利于自电离等离子体(SIP)溅射，在SIP溅射中，较小的嵌套（nested）磁控管36被支撑在靶材16后面未示出的背面板上。真空室12和靶材16关于中心轴线38大体上圆形对称。SIP磁控管36包括第一垂直磁极性的内部磁极40以及相反的第二垂直磁极性的周围外都磁极42。两个极被磁轭44支撑并通过磁轭44磁耦合。磁轭44固定到转动臂46，转动臂46被支撑在沿中心轴线38延伸的转动轴48上。与轴48相连的电动机50使磁控管36围绕中心轴线38转动。

在非对称的磁控管中，在外磁极42面积上累计的总磁通量大于内磁极40产生的总磁通量，优选地具有至少150%的磁场强度比。相反的磁极40、42在真空室12内产生了磁场BM，该磁场大体上是半螺旋形(semi-toroidal)并有平行且靠近靶材16表面的较强分量，在该处产生高强度等离子体，从而提高溅射速率并提高所溅射金属原子的电离比例。由于外磁极42在磁性上强于内磁极40，所以来自外磁极42的一部分磁场在循环回到外磁极42后面以构成完整磁路之前向基座22远远投射。

RF电源54（例如具有13.56MHz的频率）连接到基座电极22以在晶片24上产生负的自偏压。该偏压吸引带正电的金属原子穿过邻近等离子体鞘层(sheath)，从而涂敷到晶片的表面或内部。

在SIP溅射中，磁控管较小并具有高磁场强度，大量DC功率施加到靶材以使靶材16附近的等离子体密度升高到约1010cm^-3。在存在这样的等离子体密度时，大量所溅射原子被电离成带正电的金属离子。金属离子密度足够高，使大量金属离子被吸引回靶材以进一步溅射金属离子。因此，金属离子可以至少部分地代替氩离子作为溅射处理中的有效工作微粒。即，可以减小氩的压力。压力减小具有使金属离子的溅射和消电离作用减小的优点。

上述实施例所提供的聚焦环100位于晶片24上方，并大致会将晶片24包围在其中央。聚焦环100的表面形成有深度大于850μm、小于1000μm的花纹，从而提高聚焦环100对吸收量对反溅射颗粒物的吸收量，并且可以改善聚焦环100对较大的溅射粒子的吸收，从而防止反溅射颗粒物被聚焦环100吸附后重新脱落。并且，可以设置花纹尺寸大于80TPI且小于20TPI的滚花花纹，以改善对较大的溅射粒子的吸收，从而减少溅射形成的膜层中较大颗粒的数量，改善膜层的均匀性。

本实施例中，正如前面所述聚焦环100还具有上端面、下端面和外表面，所述上端面、下端面和外表面的至少其中之一也具有所述花纹，所述花纹可以为整齐排列的多个条形结构、波浪形结构、锯齿形结构、螺线形结构或者格子结构。聚焦环的材料可以为钽、铜或钛。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (11)

1.一种聚焦环，其特征在于，所述聚焦环具有内表面，所述内表面具有花纹，所述花纹的深度大于850μm且小于1000μm；所述聚焦环还具有上端面、下端面和外表面，所述上端面、下端面和外表面的至少其中之一也具有所述花纹。

2.如权利要求1所述的聚焦环，其特征在于，所述花纹的深度大于900μm且小于1000μm。

3.如权利要求1所述的聚焦环，其特征在于，所述花纹的螺距数范围为80TPI～20TPI。

4.如权利要求1所述的聚焦环，其特征在于，所述聚焦环的材料为钽、铜或钛。

5.如权利要求1所述的聚焦环，其特征在于，所述花纹为整齐排列的多个条形结构、波浪形结构、锯齿形结构、螺线形结构或者格子结构。

6.如权利要求1所述的聚焦环，其特征在于，所述聚焦环应用于8英寸衬底上进行溅射过程。

7.如权利要求1所述的聚焦环，其特征在于，所述花纹采用滚花的方式制作。

8.一种应用聚焦环的溅射反应器，其特征在于，包括：

真空室，具有围绕中心轴线布置的侧壁；

溅射靶材，被密封到所述真空室的一端；

基座，沿所述中心轴线布置成与所述溅射靶材相对，用于支撑待处理的晶片；及

聚焦环，所述聚焦环具有内表面，所述内表面具有花纹，所述花纹的深度大于850μm且小于1000μm，所述聚焦环位于所述真空室内，并位于所述溅射靶材与所述基座之间；

所述聚焦环还具有上端面、下端面和外表面，所述上端面、下端面和外表面的至少其中之一也具有所述花纹。

9.如权利要求8所述的溅射反应器，其特征在于，所述花纹的螺距数范围为80TPI～20TPI。

10.如权利要求8所述的溅射反应器，其特征在于，所述聚焦环的材料为钽、铜或钛。

11.如权利要求8所述的溅射反应器，其特征在于，所述花纹为整齐排列的多个条形结构、波浪形结构、锯齿形结构、螺线形结构或者格子结构。