CN109837513A - 用于物理气相沉积设备的护罩结构及其物理气相沉积设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种用于PVD设备的护罩结构以及包含所述护罩的PVD设备，所述护罩结构包括：外圈护罩；内圈护罩；绝缘连接件，所述绝缘连接件将所述内圈护罩固定连接于所述外圈护罩内，并使所述外圈护罩与内圈护罩电绝缘；第三供电器，所述第三供电器与所述内圈护罩电连接。所述的用于物理气相沉积设备的护罩结构以及包括所述护罩的PVD设备，提高了PVD工艺的沉积率，提高了靶材利用率，从而降低了工艺成本。

Description

用于物理气相沉积设备的护罩结构及其物理气相沉积设备

技术领域

本申请涉及半导体制造领域，具体来说，涉及一种用于物理气相沉积设备的护罩结构以及包含该护罩结构的物理气相沉积设备。

背景技术

在半导体晶圆制造业中，物理气相沉积法包括蒸镀法(Evaporation)与溅射法(Sputtering)两种形式。其中，蒸镀法对蒸镀源加热，利用蒸镀源在高温时所具备的饱和蒸气压来进行薄膜的沉积。而溅射法则是在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术在反应腔腔体中将惰性气体离子化后，在电场和负电压的作用下使气体离子轰击金属靶材溅射出金属离子和原子，并使其沉积在晶圆表面的工艺。

通常，物理气相沉积设备都包括具有侧壁的反应腔、阴极、电源、基底支架、阳极以及护罩。阴极位于反应腔的内部并被构造为包括靶体。射频电源被构造为向阴极施加功率。基底支架位于反应腔的内部并与反应腔的侧壁电绝缘。阳极位于反应腔的内部并电连接至真空室的侧壁。护罩位于反应腔的内部并电连接至反应腔的侧壁。

但是溅射出来的金属离子和原子在沉积过程中可能会附着在反应腔腔体护罩上，导致靶材的浪费。

发明内容

本申请提供一种用于物理气相沉积设备的护罩结构以及包含该护罩结构的物理气相沉积设备，以提高物理气相沉积工艺中的靶材利用率，降低成本。

本申请一方面提供一种用于物理气相沉积设备的护罩结构，包括：外圈护罩；内圈护罩；绝缘连接件，所述绝缘连接件将所述内圈护罩固定连接于所述外圈护罩内，并使所述外圈护罩与内圈护罩电绝缘；第三供电器，所述第三供电器与所述内圈护罩电连接。

在本申请的一些实施例中，所述护罩结构包括至少两个绝缘连接件，其中所述至少两个绝缘连接件均匀设置于所述外圈护罩与内圈护罩。

在本申请的一些实施例中，所述绝缘连接件包括：第一电连接件以及绝缘体，所述绝缘体包覆在所述第一电连接件表面。

在本申请的一些实施例中，所述绝缘体材料包括陶瓷或石英。

在本申请的一些实施例中，所述护罩结构还包括：第二电连接件，所述第二电连接件设置于所述内圈护罩的外表面，用于与所述第一电连接件电连接。

在本申请的一些实施例中，所述护罩结构还包括：第一防护件，设置于所述内圈护罩的外表面，且所述第二电连接件位于所述第一防护件内；第二防护件，设置于所述外圈护罩的内表面，所述第一电连接件穿过所述第二防护件与所述第二电连接件电连接，并且所述第二防护件部分位于所述第一防护件形成的空间内。

在本申请的一些实施例中，所述第一防护件垂直于所述内圈护罩的外表面或者所述第一防护件向内倾斜一设定角度。

在本申请的一些实施例中，所述第二防护件垂直于所述外圈护罩的内表面或者所述第二防护件向外倾斜一设定角度。

在本申请的一些实施例中，所述第三供电器用于在所述内圈护罩内表面产生正电荷。

在本申请的一些实施例中，所述绝缘连接件设置在所述外圈护罩的中部。

本申请的另一方面还提供一种物理气相沉积设备，包括：腔体；腔盖，设置于所述腔体顶部，与第一供电器电连接；基座，设置于所述腔体底部，用于承载晶圆；靶材，设置于腔盖表面，并与所述基座相对；以及如上述所述的护罩结构，所述护罩结构设置于所述腔体内。

在本申请的一些实施例中，所述的基座与第二供电器电连接。

本申请实施例提供的用于物理气相沉积设备的护罩结构以及包括所述护罩结构的PVD设备，将所述护罩结构设置为包括外圈护罩和内圈护罩，并通过绝缘连接件将所述内圈护罩固定连接于所述外圈护罩内，并使所述外圈护罩与内圈护罩电绝缘，在执行PVD工艺时，使所述内圈护罩带正电，从而改变原来溅射的金属离子的运动方向，使其继续向晶圆方向移动，提高了PVD工艺的沉积率，提高了靶材利用率，从而降低成本。

附图说明

以下附图详细描述了本申请中披露的示例性实施例。其中相同的附图标记在附图的若干视图中表示类似的结构。本领域的一般技术人员将理解这些实施例是非限制性的、示例性的实施例，附图仅用于说明和描述的目的，并不旨在限制本公开的范围，其他方式的实施例也可能同样的完成本申请中的发明意图。应当理解，附图未按比例绘制。其中：

图1为一种用于物理沉积设备的护罩结构示意图。

图2为本申请实施例中绝缘连接件与所述外圈护罩和内圈护罩连接处的局部截面结构示意图。

图3为本申请实施例中一种物理沉积设备的结构示意图。

图4为本申请实施例中PVD反应时腔室内部分溅射原子与离子的运动轨迹示意图。

具体实施方式

以下描述提供了本申请的特定应用场景和要求，目的是使本领域技术人员能够制造和使用本申请中的内容。对于本领域技术人员来说，对所公开的实施例的各种局部修改是显而易见的，并且在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以将这里定义的一般原理应用于其他实施例和应用。因此，本公开不限于所示的实施例，而是与权利要求一致的最宽范围。

下面结合实施例和附图对本发明技术方案进行详细说明。

图1示意性地示出了一种用于物理气相沉积设备的护罩结构10，包括：外圈护罩11；内圈护罩12；绝缘连接件19，所述绝缘连接件19将所述内圈护罩12固定连接于所述外圈护罩11内，并使所述外圈护罩11与内圈护罩12电绝缘，需要注意的是，在这里出于简洁的目的，为了更方便的介绍绝缘连接件19与外圈护罩11和内圈护罩12之间的位置关系，只是示意性地将绝缘连接件19的形状画成矩形，具体的绝缘连接件19的结构以及与外圈护罩11和内圈护罩12的连接方式将在本申请后续的实施例中详细描述；第三供电器13，所述第三供电器13与所述内圈护罩12电连接，所述第三供电器13用于在所述内圈护罩12内表面产生正电荷。

在本申请的实施例中，所述的外圈护罩11的尺寸和形状与所述物理气相沉积设备的腔体的形状和尺寸匹配，可以是组合式或一体式，表面粗糙并接地，可以附着执行PVD工艺时溅射出的靶材原子和离子，防止所述原子和离子附着在物理气相沉积设备的腔室内壁上，起保护作用。所述的所述物理气相沉积设备的腔体的形状例如为圆筒状，在本申请对应的实施例中，所述的外圈护罩11的形状也例如为圆筒状。相应的，所述的内圈护罩12的形状与所述外圈护罩11的形状保持一致，然而，所述的外圈护罩11的高度以及内径小于所述外圈护罩的高度以及内径。参考图1所示，为本申请实施例所述的护罩结构的示意图，其中，所述内圈护罩12与外圈护罩11皆为圆筒状结构。在本申请的其他一些实施例中，根据需要，外圈护罩11和内圈护罩12也可以做成其他形状，只要所述护罩结构可以防止溅射出的靶材原子和离子附着在物理气相沉积设备的腔室内壁上。

本申请所述实施例中，所述的内圈护罩12的高度例如为所述外圈护罩11高度的1/2至1/3，一方面节约材料，不影响所述PVD工艺执行时所述原子和离子的运动路线。所述的内圈护罩12的内径略小于所述外圈护罩11的内径，满足安装要求即可。

在安装位置上，所述的内圈护罩12设置在外圈护罩11中部或者中部偏下的位置，此处的“下”指所述的PVD设备安装在水平地面时，更接近所述基座或者水平地面的位置。在本申请的一些实施例中，所述的内圈护罩11在水平方向的几何中心线与所述外圈护罩12在水平方向的几何中心线重合。在所述内圈护罩11和所述外圈护罩都为圆筒状时，所述的内圈护罩11在外圈护罩12高度方向的1/2处通过所述绝缘连接件连接。在本申请的其他一些实施例中，所述内圈护罩11和所述外圈护罩都为圆筒体，所述的内圈护罩11在外圈护罩12高度方向的1/3处通过所述绝缘连接件连接。

在执行PVD工艺时，在所述靶材的附近，会产生用于轰击靶材的等离子团，则所述的内圈护罩在所述腔体内的位置被设置为离开所述轰击靶材的等离子团所在位置，以避免对等离子体轰击所述靶材的工艺过程产生影响。

本申请实施例中，所述的护罩结构通过所述的外圈护罩12接地。

如图1所示，所述用于物理气相沉积设备的护罩结构10还包括两个绝缘连接件19，并且所述两个绝缘连接件19均匀地设置于所述外圈护罩11与内圈护罩12之间。在本申请的一些实施例中，所述绝缘连接件19的数量可以大于两个，所述两个以上绝缘连接件19均匀地设置于所述外圈护罩11与内圈护罩12之间，也可以根据工艺设计的需要，不均匀地设置于所述外圈护罩11与内圈护罩12之间。

图2为所述绝缘连接件19与所述外圈护罩11和内圈护罩12连接处的局部截面结构示意图，示意性地示出了绝缘连接件19的结构以及与外圈护罩11和内圈护罩12的连接方式。

如图2所示，绝缘连接件19包括：第一电连接件14以及绝缘体15，所述绝缘体15包覆在所述第一电连接件14表面。所述绝缘体15的材料包括陶瓷或石英。所述第一电连接件14用于与第三供电器13电连接，所述第一电连接件14与所述第二电连接件16电连接。如图2所示，所述的将绝缘件15不仅包覆所述第一电连接件14的表面，并且包覆所述第二电连接件16的表面，从而确保所述第一电连接件14和第二电连接件16仅电连接至所述第三供电器13，从而在PVD工艺中确保所述内圈护罩12带正电，并且使所述第一电连接件14和第二电连接件16与腔室环境电绝缘。

在本申请的一些实施例中，所述第一电连接件14为导电螺栓，所述螺栓有螺纹的一端的直径例如为3毫米到5毫米。

如图2所示，所述第二电连接件16设置于所述内圈护罩12的外表面，用于与第一电连接件14电连接。在本实施例中，所述第二电连接件16上设置有螺丝孔，所述螺丝孔的孔径与所述螺栓有螺纹的一端的直径大小相匹配，通过将第一电连接件14有螺纹的一端与第二电连接件16上的螺丝孔耦合连接，即可将所述内圈护罩12固定连接于所述外圈护罩11内。

在一些实施例中，所述绝缘体15，第一电连接件14和第二电连接件16还可以是其他结构，只要当它们组合在一起时，可以将内圈护罩12固定连接于所述外圈护罩11内，并实现外圈护罩11与内圈护罩12之间的电绝缘。

继续参考图2所示，所述用于物理气相沉积设备的护罩结构10还包括第一防护件17，所述第一防护件17为圆环结构，设置于所述内圈护罩12的外表面(所述外表面指所述内圈护罩在水平方向距离外圈护罩更近的一面)，且所述第二电连接件16位于所述第一防护件17内；第二防护件18，所述第二防护件18为圆环结构，设置于所述外圈护罩11的内表面(此处的内表面指水平方向上正对所述内圈护罩外表面的一面)，所述第一电连接件14穿过所述第二防护件18与所述第二电连接件16电连接，并且所述第二防护件18部分位于所述第一防护件17形成的空间内。

在本申请的一些实施例中，所述第一防护件17垂直于所述内圈护罩12的外表面或者所述第一防护件17的开口一端向内倾斜一设定角度，本申请实施例中，定义所述第一防护件17形成的半封闭空间为所述第一防护件17的内侧。所述第一防护件17的开口一端向内倾斜的角度以所述的第一防护件17和第二防护件18不直接接触为准。

在本申请的一些实施例中，所述第二防护件18垂直于所述外圈护罩11的内表面或者所述第二防护件18的开口一端向外倾斜一设定角度，本申请实施例中，定义所述第二防护件18形成的半封闭空间为所述第二防护件18的内侧，则所述第二防护件18的外侧为与所述内侧方向相对的一侧，也是更接近所述第一防护件17的一侧。所述第二防护件18的开口一端向外倾斜的角度以所述的第一防护件17和第二防护件18不直接接触为准。

所述的第一防护件17和第二防护件18的材料例如为绝缘材料，例如陶瓷或石英。

如附图2所示，所述的第一防护件17和第二防护件18共同构成绝缘连接件的保护结构，可避免在进行PVD沉积工艺时离子或者原子沉积在所述绝缘体15的表面，从而使内圈护罩和外圈护罩之间电导通。通过所述第一防护件17和第二防护件18共同构成的保护结构，延长了绝缘连接件的使用寿命。

采用本申请实施例所述的护罩机构，执行PVD沉积工艺时，第三供电器使所述内圈护罩带正电，腔体内带正电的金属离子将不会附着在所述内圈护罩上，而是继续向晶圆表面运动，从而沉积在晶圆表面。采用本实施例所述的护罩结构，提高了晶圆表面的沉积率，提高了靶材的使用率，节约了靶材成本。随后受到带负电的晶圆吸引，

如图3所示，本申请还提供一种物理气相沉积设备20，包括：腔体21；腔盖22，设置于所述腔体21顶部，与第一供电器27电连接；基座23，设置于所述腔体21底部，用于承载晶圆26；靶材24，设置于腔盖22表面，并与所述基座23相对；以及本实施例所述的任意一种护罩结构10，所述护罩结构10设置于所述腔体内，由于已经在上文详细描述了所述护罩结构10，在这里出于简洁的目的，并没有画出详细的结构，只是示意性地画出了外圈护罩11，内圈护罩12，绝缘连接件19和第三供电器13，以示出所述护罩结构10在所述物理气相沉积设备内的位置关系。

所述第一供电器27用于电离惰性气体(通常为氩气)产生等离子体，并使靶材24表面带负电，电离后的Ar⁺被带负电的靶材24吸引轰击靶材后溅射出来金属原子和离子(带正电)。在一些实施例中，所述惰性气体也可以是其他惰性气体，例如氦气。

在本实施例中，所述的基座23与第二供电器电25连接，所述第二供电器25使所述晶圆26表面带负电，吸引所述金属原子和离子向晶圆26表面运动。在一些实施例中，也可以没有所述第二供电器25，例如平铺工艺的物理气相沉积的溅镀腔通常没有此配置。

如图4所示，显示PVD反应时腔室内溅射原子与离子的运动轨迹32。执行PVD工艺时，轰击靶材后溅射出来的金属原子和离子向晶圆26表面运动，在所述金属原子和离子向晶圆26表面运动的过程中，所述的内圈护罩12表面带正电荷，因此，所述向晶圆26表面运动的带正电离子不会在所述内圈护罩12表面沉积，而是继续向晶圆26表面运动，随后受到带负电的晶圆26吸引，继续向晶圆26表面运动直至沉积在晶圆26表面。采用本实施例所述的护罩结构，提高了晶圆表面的沉积率，提高了靶材的使用率，节约了靶材成本。

本申请实施例所述的护罩结构10通过所述的外圈护罩11接地。

由于所述的靶材附近有电离后的Ar⁺形成的等离子团31，为了避免所述等离子团与内圈护罩之间产生电弧(Arcing)，所述的内圈护罩12在所述腔体内的位置应离开轰击靶材的等离子团。

综上所述，在阅读本详细公开内容之后，本领域技术人员可以明白，前述详细公开内容可以仅以示例的方式呈现，并且可以不是限制性的。尽管这里没有明确说明，本领域技术人员可以理解本申请意图囊括对实施例的各种合理改变，改进和修改。这些改变，改进和修改旨在由本公开提出，并且在本公开的示例性实施例的精神和范围内。

应当理解，本实施例使用的术语″和/或″包括相关联的列出项目中的一个或多个的任意或全部组合。应当理解，当一个元件被称作″连接″或″耦接″至另一个元件时，其可以直接地连接或耦接至另一个元件，或者也可以存在中间元件。

类似地，应当理解，当诸如层、区域或衬底之类的元件被称作在另一个元件″上″时，其可以直接在另一个元件上，或者也可以存在中间元件。与之相反，术语″直接地″表示没有中间元件。还应当理解，术语″包含″、″包含着″、″包括″和/或″包括着″，在此使用时，指明存在所记载的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但并不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。

还应当理解，尽管术语第一、第二、第三等可以在此用于描述各种元件，但是这些元件不应当被这些术语所限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开。因此，在没有脱离本发明的教导的情况下，在一些实施例中的第一元件在其他实施例中可以被称为第二元件。相同的参考标号或相同的参考标志符在整个说明书中表示相同的元件。

此外，通过参考作为理想化的示例性图示的截面图示和/或平面图示来描述示例性实施例。因此，由于例如制造技术和/或容差导致的与图示的形状的不同是可预见的。因此，不应当将示例性实施例解释为限于在此所示出的区域的形状，而是应当包括由例如制造所导致的形状中的偏差。例如，被示出为矩形的蚀刻区域通常会具有圆形的或弯曲的特征。因此，在图中示出的区域实质上是示意性的，其形状不是为了示出器件的区域的实际形状也不是为了限制示例性实施例的范围。

Claims (11)

1.一种用于物理气相沉积设备的护罩结构，其特征在于，包括：

外圈护罩；

内圈护罩；

绝缘连接件，所述绝缘连接件将所述内圈护罩固定连接于所述外圈护罩内，并使所述外圈护罩与内圈护罩电绝缘；

第三供电器，所述第三供电器与所述内圈护罩电连接。

2.如权利要求1所述用于物理气相沉积设备的护罩结构，其特征在于，所述护罩结构包括至少两个绝缘连接件，所述至少两个绝缘连接件均匀设置于所述外圈护罩与内圈护罩。

3.如权利要求1所述用于物理气相沉积设备的护罩结构，其特征在于，所述的绝缘连接件包括：

第一电连接件以及

绝缘体，所述绝缘体包覆在所述第一电连接件表面。

4.如权利要求3所述用于物理气相沉积设备的护罩结构，其特征在于，所述绝缘体材料包括陶瓷或石英。

5.如权利要求3所述用于物理气相沉积设备的护罩结构，其特征在于，所述护罩结构还包括：

第二电连接件，所述第二电连接件设置于所述内圈护罩的外表面，用于与所述第一电连接件电连接。

6.如权利要求5所述用于物理气相沉积设备的护罩结构，其特征在于，所述护罩结构还包括：

第一防护件，设置于所述内圈护罩的外表面，且所述第二电连接件位于所述第一防护件内；

第二防护件，设置于所述外圈护罩的内表面，所述第一电连接件穿过所述第二防护件与所述第二电连接件电连接，并且

所述第二防护件部分位于所述第一防护件形成的空间内。

7.如权利要求5所述用于物理气相沉积设备的护罩结构，其特征在于，所述第一防护件垂直于所述内圈护罩的外表面或者所述第一防护件向内倾斜一设定角度。

8.如权利要求5所述用于物理气相沉积设备的护罩结构，其特征在于，所述第二防护件垂直于所述外圈护罩的内表面或者所述第二防护件向外倾斜一设定角度。

9.如权利要求1所述用于物理气相沉积设备的护罩结构，其特征在于，所述绝缘连接件设置在所述外圈护罩的中部。

10.一种物理气相沉积设备，其特征在于，包括：

腔体；

腔盖，设置于所述腔体顶部，与第一供电器电连接；

基座，设置于所述腔体底部，用于承载晶圆；

靶材，设置于腔盖表面，并与所述基座相对；以及

权利要求1-9所述的护罩结构，所述护罩结构设置于所述腔体内。

11.如权利要求10所述的物理气相沉积设备，其特征在于，所述的基座与第二供电器电连接。