CN110004418A - 用于物理气相沉积设备的护罩结构以及物理气相沉积设备 - 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：第一护罩；至少一个第二护罩；至少一个绝缘部件，所述绝缘部件设置于所述第一护罩和第二护罩之间，并使所述第一护罩与第二护罩电绝缘连接；第三供电器，所述第三供电器与所述第一护罩电连接。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以及物理气相沉积设备

技术领域

本公开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。

为达到上述目的，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：第一护罩；至少一个第二护罩；至少一个绝缘部件，所述绝缘部件设置于所述第一护罩和第二护罩之间，并使所述第一护罩与第二护罩电绝缘连接；第三供电器，所述第三供电器与所述第一护罩电连接。

在本申请的一些实施例中，所述第三供电器用于在所述第一护罩内表面产生正电荷。

在本申请的一些实施例中，所述第二护罩为两个。

在本申请的一些实施例中，所述绝缘部件的两端分别嵌入与所述第一护罩和第二护罩的连接面。

在本申请的一些实施例中，所述第一护罩和第二护罩的连接面分别具有相互交错的凸起部和凹进部，所述相互交错的凸起部和凹进部使所述第护罩和第二护罩通过所述绝缘部件连接时所述连接面不直接接触。

在本申请的一些实施例中，所述绝缘部件材料为陶瓷或石英。

在本申请的一些实施例中，所述绝缘部件的厚度与所述第一护罩的厚度比为3∶5至2∶3，所述绝缘部件的厚度与所述第二护罩的厚度比为3∶5至2∶3。

本申请的另一方面提供了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；以及本申请实施例所述的护罩结构，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，所述的靶材与第一供电器电连接，所述的护罩结构通过所述的第二护罩接地。

在本申请的一些实施例中，所述的第一护罩在所述腔体内的位置被设置为远离轰击靶材的等离子团。

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第一护罩和至少一个第二护罩；通过至少一个绝缘部件使所述第一护罩与第二护罩电绝缘连接，在执行PVD工艺时，使所述第一护罩带正电，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为本申请实施例中一种用于物理沉积设备的护罩结构的局部结构截面图。

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：第一护罩11；至少一个第二护罩12；至少一个绝缘部件13，所述绝缘部件13设置于所述第一护罩11和第二护罩之间12，并使所述第一护罩11与第二护罩12电绝缘连接第三供电器14，所述第三供电器14与所述第一护罩11电连接，所述第三供电器14用于在所述第一护罩11内表面产生正电荷。需要注意的是，在这里出于简洁的目的，只是示意性地示出了第一护罩11，第二护罩12以及绝缘部件13之间的位置关系，具体的绝缘部件13与第一护罩11和第二护罩12之间的连接方式将在本申请后续的实施例中详细描述。

在本申请的实施例中，所述第一护罩11与第二护罩12以及绝缘部件13共同构成本申请实施例所述的护罩结构10，所述护罩结构10的尺寸与形状与所述物理气相沉积设备的腔体的形状和尺寸匹配，可以附着执行PVD工艺时溅射出的靶材原子和离子，防止所述靶材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。在本申请的其他一些实施例中，根据需要，所述护罩结构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。所述的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，所述的第一护罩11，第二护罩12以及绝缘部件13的形状也例如为圆筒状。相应的，所述的绝缘部件13的内表面轮廓以及外表面轮廓都与所述第一护罩11和第二护罩12保持一致。所述第一护罩11与所述第三供电器14电连接，所述第二护罩12表面粗糙并接地。

在本申请的实施例中，所述第二护罩12的数量为两个，所述第二护罩12的内径与所述第一护罩11的内径相等。在安装位置上，所述第一护罩11设置在两个第二护罩12之间，所述第一护罩11在垂直方向的几何中心线与第二护罩12在垂直方向的几何中心线重合，如图1所示。相应的，所述绝缘部件13的数量也为两个，所述两个绝缘部件13分别设置在两个第二护罩12与第一护罩11之间，如图1所示。在执行PVD工艺时，所述的第一护罩内表面带正电荷，在所述正电荷的作用下，所述护罩结构更好的引导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。

在本申请的一些实施例中，所述第二护罩12的数量为一个。在安装位置上，所述第二护罩12设置在第一护罩11上方，所述第一护罩11在垂直方向的几何中心线与第二护罩12在垂直方向的几何中心线重合。相应的，所述绝缘部件13的数量为一个，所述绝缘部件13设置在第二护罩12与第一护罩11之间。

在本申请的一些实施例中，所述第一护罩11在垂直方向的高度与第二护罩12在垂直方向的高度相同。在一些实施例中，所述第一护罩11与第二护罩12的高度比可以根据腔体21的高度以及等离子团31的大小调整。

在执行PVD工艺时，在所述靶材26的附近，会产生用于轰击靶材26的等离子团31，则所述的第一护罩11在所述腔体21内的位置被设置为远离所述轰击靶材21的等离子团31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第二护罩12接地。

图2为本申请实施例中所述第一护罩11与所述第二护罩12连接处的局部截面结构示意图，示意性地示出了绝缘部件13与第一护罩11和第二护罩12的连接方式。

如图2所示，所述第一护罩11和第二护罩12的连接面具有相互交错的凸起部和凹进部，所述相互交错的凸起部和凹进部使所述第一护罩11和第二护罩12通过所述绝缘部件连接时所述连接面不直接接触，以达到所述第一护罩11和第二护罩12之间的电绝缘，当所述第一护罩带正电荷时，所述的第二护罩12表面不带电，而且，所述互交错的凸起部和凹进部以及绝缘部件13共同构成的连接面避免了所述腔体内的带电粒子穿过所述护罩结构沉积或者附着在所述PVD反应腔内壁。所述绝缘部件13的两端分别嵌入于所述第一护罩11和第二护罩12的连接面，所述绝缘部件13连接所述第一护罩11与第二护罩12并且使第一护罩11与第二护罩12电绝缘。

在本申请的实施例中，所述第一护罩11与第二护罩12的厚度相同，所述绝缘部件13的厚度与所述第一护罩11的厚度比为3∶5至2∶3，所述绝缘部件13的厚度与所述第二护罩12的厚度比为3∶5至2∶3。所述的厚度比满足所述的绝缘部件嵌入所述第一护罩和第二护罩的凸起部，从而实现电绝缘连接的目的。

在本申请的实施例中，所述绝缘部件13的材料为陶瓷或者石英。

在一些实施例中，所述绝缘结构13与第一护罩11和第二护罩12还可以以其他方式连接，只要绝缘结构13使第一护罩11和第二护罩12电绝缘，并且第一护罩11与第二护罩12不直接接触。

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14使所述第一护罩11带正电，腔体内带正电的金属离子将不会附着在所述第一护罩11上，而是继续向晶圆25表面运动，随后受到带负电的晶圆25吸引，从而沉积在晶圆25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。

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25；靶材26，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21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第一护罩11，第二护罩12，绝缘部件13和第三供电器14，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26表面带负电，电离后的Ar+被带负电的靶材26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24连接，所述第二供电器24使所述晶圆25表面带负电，吸引所述金属原子和离子向晶圆25表面运动。在一些实施例中，也可以没有所述第二供电器24，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，象征性的显示了PVD反应时腔室内部分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25表面运动，在所述金属原子和离子向晶圆25表面运动的过程中，所述的第一护罩11表面带正电荷，因此，所述向晶圆25表面运动的带正电离子不会在所述第一护罩11表面沉积，而是由于受到所述第一护罩11表面正电荷的排斥作用继续向晶圆25表面运动，随后受到带负电的晶圆25吸引，进一步向晶圆25表面运动直至沉积在晶圆25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通过所述的第二护罩12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)，所述的第一护罩11在所述腔体内的位置应远离轰击靶材的等离子团31。

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。

本发明虽然已以较佳实施方式公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

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：

第一护罩；

至少一个第二护罩；

至少一个绝缘部件，所述绝缘部件设置于所述第一护罩和第二护罩之间，并使所述第一护罩与第二护罩电绝缘连接；

第三供电器，所述第三供电器与所述第一护罩电连接。

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，所述第三供电器用于在所述第一护罩内表面产生正电荷。

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，所述第二护罩为两个。

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，所述绝缘部件的两端分别嵌入所述第一护罩和第二护罩的连接面。

5.如权利要求4所述用于物理气相沉积设备的护罩结构，其特征在于，所述第一护罩和第二护罩的连接面分别具有相互交错的凸起部和凹进部，所述相互交错的凸起部和凹进部使所述第一护罩和第二护罩通过所述绝缘部件连接时所述连接面不直接接触。

6.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，所述绝缘部件材料为陶瓷或石英。

7.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，所述绝缘部件的厚度与所述第一护罩的厚度比为3∶5至2∶3，所述绝缘部件的厚度与所述第二护罩的厚度比为3∶5至2∶3。

8.一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1-7所述的护罩结构，所述护罩结构设置于所述腔体内。

9.如权利要求8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，所述的靶材与第一供电器电连接，所述的护罩结构通过所述的第二护罩接地。

10.如权利要求8所述的物理气相沉积设备，其特征在于，所述的第一护罩在所述腔体内的位置被设置为远离轰击靶材的等离子团。