CN108728795A - 一种工艺设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体制备技术领域，具体涉及一种工艺设备。该工艺设备，包括工艺腔室、基座、支撑机构、抽气口和抽气装置，所述支撑机构设置于所述工艺腔室底部并支撑所述基座，所述抽气口位于所述工艺腔室底壁以使所述抽气装置与所述工艺腔室连通，其中，在所述基座和所述抽气口之间设置有隔离分流板，所述隔离分流板将所述工艺腔室分为相互连通的工艺区和抽气区,且所述连通位置的总面积大于所述抽气口的面积。该工艺设备能减小冷泵偏置抽气对工艺腔室内气体运动的影响，实现沉积薄膜膜厚均匀性，改善工艺稳定性和产品良率。

Description

一种工艺设备

技术领域

本发明属于半导体制备技术领域，具体涉及一种工艺设备。

背景技术

物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，简称PVD)技术被广泛应用于镀膜行业，磁控溅射一般在真空工艺腔室中进行，工艺腔室里有基座，用于支撑置于其上的衬底。一般地，由将被沉积到衬底上的材料制成的靶材固定在工艺腔室的顶部，磁铁安装在靶材背面，通过磁场增强束缚电子的能力。在衬底和靶材之间通入氩气等气体，对靶材施加负电压，使得气体电离产生等离子体，氩离子撞击靶材产生靶材材料的原子或离子，这些粒子沉积在衬底上形成薄膜。

如图1所示为目前的PVD腔室(PVD chamber)的结构示意图，包括靶材1、内衬2、工艺腔室3、基座5、冷泵8(cold pump)、冷泵转接件7和冷泵门阀9等部件构成。工艺腔室的一侧为冷泵8与工艺腔室3连接的抽气口6，抽气口6下方分别为冷泵8和冷泵门阀9，冷泵门阀9可以控制冷泵8对工艺腔室3的抽气速率。从图2的PVD腔室的俯视图可见，基座5位于工艺腔室3的中心，抽气口6位于工艺腔室3的侧面，冷泵8和冷泵门阀9为偏置安装，工艺气体进入工艺腔室3后从基座5上方流过，并从基座5下方通过抽气口6进入冷泵8中。

由于基座5安装在工艺腔室3的中间位置，而冷泵8偏置安装在工艺腔室3的一侧，气体进入工艺腔室3后进入基座5上方，从基座5侧面进入冷泵8的抽气区域，在基座5下方气体流动都是朝向冷泵8的方向，且越靠近冷泵8的位置气体流动速度越大，同理,这就造成在基座5上方越靠近冷泵8的位置气体流动速度较大，远离冷泵8的位置的气体流动速度较小，基座5上方气体的流动方向如图2所示。此时若进行工艺处理，由于基座5上方气体速度不同，沉积时靠近冷泵端的离子被流动速度较大的气流带走，使得距离冷泵8较近的位置因为离子较少导致薄膜偏薄，距离冷泵8较远的位置薄膜偏厚，造成了沉积薄膜厚度不同的情况，均匀性较差，良率下降。

薄膜厚度的均匀性是工艺结果的重要检测指标之一，这就要求衬底表面附近存在均匀分布的气流场，在生长过程中只有输运到衬底表面各个部位的气体运动的速率都相等，气流场保持均匀平行层流，避免任何波动、湍流和对流涡旋，才能满足薄膜的浓度和厚度均匀性的要求。如何减小冷泵偏置抽气对工艺腔室内气体运动的影响，实现沉积薄膜的均匀性一直以来都是工程师不断追求的目标。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种工艺设备，该工艺设备能减小冷泵偏置抽气对工艺腔室内气体运动的影响，实现沉积薄膜的均匀性。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是该工艺设备，包括工艺腔室、基座、支撑机构、抽气口和抽气装置，所述支撑机构设置于所述工艺腔室底部并支撑所述基座，所述抽气口位于所述工艺腔室底壁以使所述抽气装置与所述工艺腔室连通，其中，在所述基座和所述抽气口之间设置有隔离分流板，所述隔离分流板将所述工艺腔室分为相互连通的工艺区和抽气区,且所述连通位置的总面积大于所述抽气口的面积。

优选的是，所述连通位置为开设于所述隔离分流板中的开孔结构，所述隔离分流板中所述开孔的总面积大于所述抽气口的面积。

优选的是，所述隔离分流板中多个所述开孔的孔径不同，靠近所述抽气口的所述开孔的孔径最小，远离所述抽气口的所述开孔的孔径最大。

优选的是，所述隔离分流板中的多个所述开孔的孔径相同。

优选的是，所述隔离分流板中的多个所述开孔均匀分布。

优选的是，所述隔离分流板为板状无孔结构，所述连通位置为所述隔离分流板与所述支撑机构和腔室侧壁之间形成的空隙，所述空隙的总面积大于所述抽气口的面积。

优选的是，所述隔离分流板与所述支撑机构之间的空隙、所述隔离分流板与所述腔室侧壁之间的空隙以所述基座的中心为中心对称分布。

优选的是，还包括设置于所述工艺腔室底部的支撑柱，所述支撑柱用于固定和支撑所述隔离分流板。

优选的是，所述隔离分流板采用耐高温、具有镜面反射效果的金属材料形成。

优选的是，所述隔离分流板采用钼材料或不锈钢材料形成。

本发明的有益效果是：该工艺设备通过设置隔离分流板，能减小冷泵偏置抽气对工艺腔室内气体运动的影响，实现沉积薄膜的均匀性，改善工艺稳定性和产品良率。

附图说明

图1为现有技术中工艺腔室的结构示意图；

图2为现有技术工艺腔室的基座上方气体流动示意图；

图3为本发明实施例1中设置有隔离分流板的工艺腔室结构示意图；

图4为图3中隔离分流板的俯视图；

图5为图3中基座上方气体流动示意图；

图6为本发明实施例2中隔离分流板的俯视图；

图7为本发明实施例3中隔离分流板的工艺腔室结构示意图；

图8为图7中隔离分流板的俯视图；

图9为图7中基座上方气体流动示意图；

附图标记中：

1-靶材；2-内衬；3-工艺腔室；4-支撑机构；5-基座；6-抽气口；7-冷泵转接件；8-冷泵；9-冷泵门阀；10-隔离分流板；11-支撑柱；12-支撑机构与隔离分流板之间的空隙；13-隔离分流板与工艺腔室之间的空隙；14-冷泵挡板；15-加热灯管；

101-工艺区；102-冷泵抽气区；

141、142、143-三种不同孔径的开孔。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明工艺设备作进一步详细描述。

实施例1：

本实施例提供一种工艺设备，其中通过隔离分流板(Shunt Device)来提高沉积薄膜的均匀性，减小了冷泵偏置抽气对工艺腔室内气体运动的影响，极大的提高了薄膜的浓度和厚度的均匀性，从而增强了设备的工艺性能，提高产品的良率。

该工艺设备包括工艺腔室、基座、支撑机构、抽气口和抽气装置，支撑机构设置于工艺腔室底部并支撑基座，抽气口位于工艺腔室底壁以使抽气装置与工艺腔室连通，其中，在基座和抽气口之间设置有隔离分流板，隔离分流板将工艺腔室分为相互连通的工艺区和抽气区,且连通位置的总面积大于抽气口的面积。

例如，抽气装置为冷泵，基座设置于工艺腔室内的中心区域，冷泵通过位于工艺腔室底部的抽气口与工艺腔室连通，在工艺腔室内抽气口的上方环绕设置有隔离分流板，隔离分流板使得工艺腔室内的气体通过空隙与抽气口进行交换，空隙以基座的中心为中心对称。

如图3所示为本实施例中具有隔离分流板的工艺腔室结构，其包括靶材1、内衬2(shield)、工艺腔室3、基座5、冷泵门阀9、冷泵8，抽气口6上方安装有隔离分流板10。基座5通过下方的支撑机构4安装在工艺腔室的中部，通过支撑机构4可以实现基座5的支撑和升降。隔离分流板10设在支撑机构与腔室底壁之间，由设置于工艺腔室3底部的支撑柱11固定和支撑。在本实施例的工艺设备中，将原来的工艺腔室3隔离分为两个空间，上方为工艺区101，下方为冷泵抽气区102。

在本实施例的工艺设备中，连通位置为开设于隔离分流板10上的开孔结构，隔离分流板10上开孔的总面积大于抽气口的面积。如图4所示，隔离分流板10上的多个开孔的孔径相同。优选的是，隔离分流板10上的多个开孔均匀分布。

图4中隔离分流板10上布置的均匀的开孔，开孔的孔径范围为10-20mm，开孔总面积大于冷泵8的抽气口6的面积，隔离分流板10的厚度范围为1-3mm，从而可以在不对抽气效果产生影响的情况下，将冷泵8的抽气作用等效分布在隔离分流板10上。此时，如图5所示，隔离分流板10上方的气体流动速度近似相等，冷泵8偏置对抽气的影响因为隔离分流板10的作用而大大减小，此时执行沉积工艺，沉积的离子在基座5上方受到气体流动的影响也大大变小，沉积薄膜厚度和浓度趋于一致，改善了冷泵8偏置对积薄膜均匀性的影响。

在如图1和图2所示的现有的工艺设备中，工艺腔室的抽气口6上方还需安装冷泵挡板14，用于反射腔室内加热灯管15的光，以防止冷泵8温度过高，保证其在正常的温度内工作。优选的是，本实施例隔离分流板10采用耐高温、具有镜面反射效果的金属材料形成。进一步优选的是，隔离分流板10采用钼材料或不锈钢材料形成。如图3-图6所示,由于隔离分流板位置与现有的冷泵挡板14的位置相当，且采用耐高温、具有镜面反射效果的金属材料形成，因此本实施还能省略冷泵挡板14，并且具有效反射腔室内加热灯管15的光，防止冷泵8温度过高，保证其在正常的温度内工作。

本实施例的工艺设备中，采用了隔离分流板，解决了冷泵8的偏置角度导致的基座上方气体流动不稳定情况，使得离子在沉积过程中运动平稳，沉积薄膜均匀性有很大提高。经与现有工艺腔室试验验证表明，薄膜厚度的片内均匀性和片间均匀性都得到了很大的改善，提高了工艺稳定性和产品良率。

下表1为本实施例中工艺腔室和现有技术中工艺腔室加工获得的氮化铝(AlN)薄膜厚度均匀性对比数据：

表1氮化铝AlN薄膜厚度均匀性对比数据

从表1中可见，本实施例获得的氮化铝AlN薄膜膜厚片内均匀性<1.0％，片间均匀性<1.0％，较无隔离分流板的结构有了很大提高，且片间均匀性的提高更为显著。因此相对于原结构，冷泵抽气隔离分流板获得的薄膜均匀性更好。

实施例2：

本实施例提供一种工艺设备，其中通过隔离分流板来提高沉积薄膜的均匀性，减小了冷泵偏置抽气对工艺腔室内气体运动的影响，极大的提高了薄膜厚度和浓度的均匀性，从而增强了设备的工艺性能，提高产品的良率。与实施例1中工艺设备不同的是，本实施例中隔离分流板中的通孔排布和孔径不同。

在本实施例的工艺设备中，连通位置为开设于隔离分流板10上的开孔结构，隔离分流板10上开孔的总面积大于等于抽气口的面积。如图6所示，隔离分流板10中多个开孔的孔径不同，且依次规律排布，靠近抽气口的开孔的孔径最小，远离抽气口的开孔的孔径最大。优选的是，隔离分流板10中的多个开孔均匀分布。

本实施例中工艺设备中，如图6所示，隔离分流板10更改为多孔径分流板，表面分布为141、142、143三种不同孔径的开孔，三种孔径依次增大，且开孔总面积大于抽气口6的面积，靠近冷泵8处的开孔141的孔径最小，距离冷泵8远的位置处的开孔143的孔径最大。相比实施例1中的工艺设备，本实施例中工艺设备可以更好的解决冷泵8偏置导致气体速度不同对工艺结果产生的影响。

相比实施例1中的工艺腔室，由于其采用的隔离分流板上的开孔,越远离抽气口孔径越大，其抽气面积也逐渐增大，使得各位置的抽气效果趋于一致，因此在冷泵偏置情况下能够达到腔室内部更好的匀气的效果。

实施例3：

本实施例提供一种工艺设备，其中通过隔离分流板来提高沉积薄膜的均匀性，减小了冷泵偏置抽气对工艺腔室内气体运动的影响，极大的提高了薄膜厚度和浓度的均匀性，从而增强了设备的工艺性能，提高产品的良率。与实施例1、实施例2中工艺设备不同的是，本实施例中隔离分流板上不开设通孔。

如图7和图8所示，隔离分流板10为板状无孔结构，连通位置为隔离分流板10分别与支撑机构4和工艺腔室3侧壁之间形成的空隙(即支撑机构4与隔离分流板10之间的空隙12和隔离分流板10与工艺腔室3之间的空隙13)，三者之间的空隙总面积大于抽气口的面积。

优选的是，隔离分流板10与支撑机构4之间的空隙12、隔离分流板10与工艺腔室3侧壁之间的空隙13以基座5的中心为中心对称。通过加大基座5的支撑机构4与隔离分流板10之间的空隙12，加大隔离分流板10与工艺腔室3之间的空隙13，两个空隙之间的总面积大于抽气口6的面积，使得工艺气体从这两个空隙进入冷泵8的抽气区域，且不会对抽气效果产生阻碍。

此时，如图9所示，隔离分流板10上方的气体流动则近似于速度相等，而冷泵8偏置对抽气的影响因为隔离分流板10的作用而大大减小，此时执行沉积工艺，沉积的离子在基座5上方受到气体流动的影响也大大变小，沉积的薄膜厚度和浓度也就趋于一致，改善了冷泵8偏置对积薄膜的均匀性的影响。

本实施例中的工艺设备，由于这两个空隙是以基座5的中心为中心对称的，所以工艺腔室内气体流速基本相同，对工艺稳定性和产品良率也有很大的改善。

本发明中作为示例的工艺腔室可以为PVD腔室，也可以为其他有均流气体需求的其他腔室。该工艺设备通过冷泵抽气隔离分流板结构的设计，通过控制隔离分流板中开孔总面积大于抽气口面积或隔离分流板与支撑机构和腔室壁之间的空隙大于抽气口面积，从改善冷泵抽气的均匀性的角度改善了基座上方气体的运动方向，在不增大流阻的情况下使气体流动更均匀，使得等离子体在沉积时更为均匀，减小了冷泵偏置抽气对沉积膜厚的影响，提高了薄膜的均匀性。

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，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，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 (10)

1.一种工艺设备，包括工艺腔室、基座、支撑机构、抽气口和抽气装置，所述支撑机构设置于所述工艺腔室底部并支撑所述基座，所述抽气口位于所述工艺腔室底壁以使所述抽气装置与所述工艺腔室连通，其特征在于，在所述基座和所述抽气口之间设置有隔离分流板，所述隔离分流板将所述工艺腔室分为相互连通的工艺区和抽气区,且所述连通位置的总面积大于所述抽气口的面积。

2.根据权利要求1所述的工艺设备，其特征在于，所述连通位置为开设于所述隔离分流板上的开孔结构，所述隔离分流板中所述开孔的总面积大于所述抽气口的面积。

3.根据权利要求2所述的工艺设备，其特征在于，所述隔离分流板中多个所述开孔的孔径不同，靠近所述抽气口的所述开孔的孔径最小，远离所述抽气口的所述开孔的孔径最大。

4.根据权利要求2所述的工艺设备，其特征在于，所述隔离分流板中的多个所述开孔的孔径相同。

5.根据权利要求3或4所述的工艺设备，其特征在于，所述隔离分流板中的多个所述开孔均匀分布。

6.根据权利要求1所述的工艺设备，其特征在于，所述隔离分流板为板状无孔结构，所述连通位置为所述隔离分流板与所述支撑机构和腔室侧壁之间形成的空隙，所述空隙的总面积大于所述抽气口的面积。

7.根据权利要求6所述的工艺设备，其特征在于，所述隔离分流板与所述支撑机构之间的空隙、所述隔离分流板与所述腔室侧壁之间的空隙以所述基座的中心为中心对称分布。

8.根据权利要求1所述的工艺设备，其特征在于，还包括设置于所述工艺腔室底部的支撑柱，所述支撑柱用于固定和支撑所述隔离分流板。

9.根据权利要求1所述的工艺设备，其特征在于，所述隔离分流板采用耐高温、具有镜面反射效果的金属材料形成。

10.根据权利要求9所述的工艺设备，其特征在于，所述隔离分流板采用钼材料或不锈钢材料形成。