CN110073463A - 用于在物理气相沉积腔室中的准直器 - Google Patents

Abstract

本文提供了准直器和包括所述准直器的处理腔室的实施方式。在一些实施方式中，在基板处理腔室中使用的准直器包括：环；适配器，围绕该环且具有内部环形壁；和多个辐条，从该内部环形壁延伸且在该准直器的中心轴处相交。

Description

用于在物理气相沉积腔室中的准直器

技术领域

本公开内容的实施方式一般涉及基板处理设备。

背景技术

在诸如(例如)物理气相沉积(PVD)腔室的处理腔室中进行膜沉积随着基板中特征大小的持续缩小而变得日益不同。在这种情况中，诸如(例如)钽(Ta)和氮化钽(TaN)的金属材料经常被选择为沉积在基板上以建立阻挡膜的材料。然而，因为TaN为氮化物膜，TaN具有较低的粘聚力且比金属膜材料更脆弱。如此，在这种材料的沉积期间，沉积在传统处理配件的处理屏蔽件的上部上的膜的厚度最大，从而归因于脆弱性和对处理配件的不良粘附性/粘聚性而导致材料的剥落或脱离。剥落由处理屏蔽件的热膨胀和收缩而进一步加剧，处理屏蔽件的热膨胀和收缩是由在处理步骤期间中性或离子化材料的冲击以及在闲置状态期间返回室温而造成。

由此，发明人已提供了改良的准直器的实施方式。

发明内容

本文提供了准直器和包括所述准直器的处理腔室的实施方式。在一些实施方式中，一种在基板处理腔室中使用的准直器包括：环；适配器，围绕该环且具有内部环形壁；和多个辐条，从该内部环形壁延伸且在该准直器的中心轴处相交。

在一些实施方式中，一种处理腔室包含：腔室主体，界定内部空间；溅射靶材，设置在该内部空间的上部中；基板支撑件，设置在与该溅射靶材相对的该内部空间的下部中；准直器，设置在该溅射靶材与该基板支撑件之间，其中该准直器包含：环；适配器，围绕该环且具有内部环形壁，其中该适配器耦接至该腔室主体；和多个辐条，从该内部环形壁延伸且在该准直器的中心轴处相交。

在一些实施方式中，一种在基板处理腔室中使用的单片式准直器包含：单环，具有约285mm的内部直径、约50mm的高度及约0.5英寸的厚度；适配器，围绕该单环且具有内部环形壁；多个辐条，从该内部环形壁延伸且在该单片式准直器的中心轴处相交，其中该多个辐条关于该单片式准直器的中心轴而轴对称地布置；和多个通道，对应于该多个辐条且设置在该多个辐条内，其中该多个通道延伸穿过该适配器及该单环，其中在该内部环形壁内的该准直器的所有表面经纹理化。

下文描述了本公开内容的其他和进一步实施方式。

附图说明

上文简要概述且在下文更详细论述的本公开内容的实施方式可参考随附附图中所描绘的本公开内容的说明性实施方式来理解。然而，随附附图仅示出本公开内容的常见实施方式，且由此不应考虑为对范围的限制，因为本公开内容可允许其他等效的实施方式。

图1描绘根据本公开内容的一些实施方式的处理腔室的横截面图。

图2描绘根据本公开内容的一些实施方式的准直器的等角视图。

图2A描绘沿着线A-A’截取的图2的准直器的侧面横截面图。

图2B描绘沿着线B-B’截取的图2的准直器的顶部横截面图。

为了便于理解，已尽可能地使用相同的附图标记来代表附图中共有的相同元件。附图并非按照比例绘制，且可能出于清晰目的而简化。一个实施方式的元件和特征可有益地并入其他实施方式中而无须进一步详述。

具体实施方式

本文提供了准直器和包括此种准直器的处理腔室的实施方式。在一些实施方式中，本文提供了具有热传递通道的准直器，其中热传递介质流过所述热传递通道。热传递通道有利地允许控制准直器的温度。在一些实施方式中，热传递介质为冷却剂，当流过准直器时，该冷却剂将准直器维持于固定温度，因此有利地防止热膨胀和收缩，且防止沉积在准直器上的溅射材料的剥落或脱离。在一些实施方式中，准直器也可经纹理化以有利地改良沉积在准直器上的溅射的材料的粘附性，且进一步缓解剥落。

图1描绘根据本公开内容的一些实施方式的具有准直器175的说明性处理腔室100(例如，PVD腔室)的示意性横截面图。适合的PVD腔室的实例包括可从加州圣克拉拉市的应用材料公司商购的SIP以及其他PVD处理腔室。然而，发明的准直器也可在从其他制造商获得的处理腔室中使用。在一个实施方式中，处理腔室100能够例如在基板118上沉积钽、氮化钽、氮化钛、钨、氮化钨和类似者。

处理腔室100具有腔室主体105，该腔室主体包括侧壁102、底部103和盖组件104，所有这些封闭内部空间106。基板支撑件108经设置在与溅射靶材114相对的处理腔室100的内部空间106的下部中。基板传送口109形成在侧壁102中以用于将基板传送至内部空间106中并传送出该内部空间。

气源110耦接至处理腔室100以将处理气体供应至内部空间106中。在一个实施方式中，若为必要的，处理气体可包括惰性气体、非反应性气体和反应性气体。可由气源110提供的处理气体的实例包括但不限于氩气(Ar)、氦(He)、氖气(Ne)、氮气(N₂)、氧气(O₂)和氪(Kr)等等。

泵112耦接至处理腔室100而与内部空间106连通，以控制内部空间106的压力。在一个实施方式中，处理腔室100的压力可维持于约1托或更低。在另一实施方式中，在处理腔室100内的压力可维持于约500毫托或更低。仍在另一实施方式中，在处理腔室100内的压力可维持于约1毫托及约300毫托。

底板113可将溅射靶材114支撑在内部空间106的上部中。溅射靶材114通常提供将沉积在基板118中的材料的来源。溅射靶材114可由含有钛(Ti)金属、钽金属(Ta)、钨(W)金属、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、铝(Al)、其合金、其组合或类似者的材料制造。

溅射靶材114可耦接至源组件116，该源组件包含用于靶材的电源117。在一些实施方式中，电源117可为RF电源。在一些实施方式中，电源117可替代地为DC源电源。在一些实施方式中，电源117可包括DC和RF功率源两者。磁控管119可邻近溅射靶材114耦接。磁控管119组件的实例包括电磁线性磁控管、蛇形磁控管、螺旋磁控管、双指状磁控管(double-digitated magnetron)、矩形螺旋磁控管等等。磁控管可由永久稀土磁铁组成。磁控管119可限制等离子体并且沿着溅射靶材114分配等离子体的浓度。

额外的RF功率源180也可穿过基板支撑件108耦接至处理腔室100，以在需要时在溅射靶材114与基板支撑件108之间提供偏置功率。在一个实施方式中，RF功率源180可将功率提供至基板支撑件108，而以在约1MHz与约100MHz之间(诸如约13.56MHz)的频率偏置基板118。

如箭头182所示，基板支撑件108可在升高位置与降低位置之间移动。在降低位置中，基板支撑件108的支撑表面111可与基板传送口109对准或刚好在基板传送口109下方，以便于基板118进入处理腔室100或从处理腔室100移除。支撑表面111可具有边缘沉积环136，该边缘沉积环经大小设计以在其上接收基板118同时保护基板支撑件108不受等离子体及沉积的材料影响。基板支撑件108可移动至更靠近溅射靶材114的升高位置以用于在处理腔室100中处理基板118。当基板支撑件108处于升高位置中时，覆盖环126可接合边缘沉积环136。覆盖环126可防止沉积材料在基板118与基板支撑件108之间桥接。当基板支撑件108处于降低位置中时，覆盖环126悬挂在基板支撑件108及其上定位的基板118上方，以允许基板的传送。

在基板传送期间，其上具有基板118的机械手叶片(未图示)延伸穿过基板传送口109。升降销(未图示)延伸穿过基板支撑件108的支撑表面111以从基板支撑件108的支撑表面111提升基板118，因此允许用于机械手叶片经过基板118与基板支撑件108之间的空间。机械手可接着经由基板传送口109承载基板118离开处理腔室100。基板支撑件108和/或升降销的升高和降低可由控制器198来控制。

在溅射沉积期间，基板118的温度可通过采用热控制器138来控制，该热控制器经设置在基板支撑件108中。基板118可经加热或冷却至期望温度以用于处理。温度控制器138控制基板118的温度，且若进入的基板温度不同于基板支撑件的温度，则可采用该温度控制器来在大约数秒至约一分钟内将基板118的温度从第一温度改变为第二温度。

内部屏蔽件120可定位在溅射靶材114与基板支撑件108之间的内部空间106中。内部屏蔽件120可由铝或不锈钢等等的材料形成。在一个实施方式中，内部屏蔽件120由铝形成。外部屏蔽件122可在内部屏蔽件120与侧壁102之间形成。外部屏蔽件122可由铝或不锈钢等等的材料形成。外部屏蔽件122可延伸过内部屏蔽件120，且经配置成在基板支撑件108处于降低位置中时支撑覆盖环126。

在一个实施方式中，内部屏蔽件120包括径向凸缘123，该径向凸缘包括大于内部屏蔽件120的外部直径的内部直径。径向凸缘123相对于内部屏蔽件120的内侧直径表面以大于约90度(90°)的角度从内部屏蔽件120延伸。径向凸缘123可为从内部屏蔽件120的表面延伸的圆形脊部，且通常适用于与在基板支撑件108上设置的覆盖环126中形成的凹槽配合。凹槽可为在覆盖环126中形成的圆形沟槽，该沟槽相对于基板支撑件108的纵轴而将覆盖环126置中。

处理腔室100进一步包括设置在溅射靶材114与基板支撑件108之间的准直器175。在一些实施方式中，准直器175为单片式的(即，单式结构)，以改良在准直器的各个部分之间的热传导性。在一些实施方式中，准直器175可以较新的制造技术制成，诸如(例如)增材制造(即，3D打印)。处理腔室100还包括热传递介质供应器145，该热传递介质供应器流体耦接至设置在准直器175内的多个热传递通道220(下文关于图2A及图2B所描述)，以控制准直器175的温度。在一些实施方式中，热传递介质供应器145将冷却剂(诸如，例如水)供应至多个热传递通道220，以将准直器175维持于固定温度且有利地避免准直器175的热膨胀和收缩，因此减少溅射沉积物从准直器175剥落或脱离。准直器175与适配器199界面连接以在盖组件104关闭时，确保盖组件104与腔室的其余部分适当地耦接(如图1中所示)。绝缘器156可设置在盖组件104与适配器199之间，以将适配器(以及因此准直器175)与盖组件104电气隔离。准直器175包括凸缘部分189，当准直器175安装在腔室中时，该凸缘部分可放置在处理腔室100的侧壁102上。在一些实施方式中，准直器175可包括与内部屏蔽件120重叠的向下突出的唇部179，以防止溅射材料沉积在内部屏蔽件120的顶表面上。

在一些实施方式中，准直器175的上表面168与溅射靶材114的底表面以第一距离D₁间隔开来，该第一距离在约25mm与约75mm之间。在一些实施方式中，第一距离D₁为约50mm。在一些实施方式中，准直器175的下表面169与基板支撑件108的支撑表面111以第二距离D₂间隔开来，该第二距离在约255mm与约335mm之间。在一些实施方式中，上表面168和下表面169为准直器175的辐条的上表面和下表面(下文将论述)。

图2至图2B描绘根据本公开内容的一些实施方式的准直器175的等角视图和横截面图。在一些实施方式中，准直器包括主体202、设置在主体202内且与主体202同心的环204、及多个辐条206，该多个辐条从内部环形壁205径向向内延伸且与中心轴208轴对称地在准直器175的中心轴208处相交。在一些实施方式中，且如图2和图2B中示出，多个辐条206为八个辐条。在一些实施方式中，准直器175可具有更少或更多个辐条。更多个辐条将造成增加的沉积阻碍，且因此降低沉积速率，这在一些情况下为期望的(例如，小的特征需要较低的沉积速率)。较少的辐条导致准直器175的较少冷却。

发明人已观察到具有单个环204的准直器有利地改良待处理的基板上的沉积均匀性。在一些实施方式中，准直器174可替代地具有一个以上的环204。如上文所解释，诸如(例如)Ta/TaN堆叠的一些材料的沉积趋于从准直器剥落因此污染基板和/或基板支撑件。如此，辐条206包括设置在辐条206内侧的热传递通道220以便于控制准直器175的温度。

热传递介质供应器145经由对应入口210将热传递介质供应至每个热传递通道220。在热传递介质流过给定的辐条206且随后流过在中心轴208的相对侧上的辐条之后，热传递介质流动出与入口210相对设置的对应出口211。在准直器175包括八个辐条206的实施方式中，准直器175包括四个入口210和与入口210相对设置的四个出口211。在一些实施方式中，所有入口210可为相邻的，且因此出口也为相邻的。在一些实施方式中，入口210和出口211可交替，使得接收供应至准直器175的热传递介质的一个辐条邻近从准直器175返回热传递介质的辐条，因此导致逆流及改良的对准直器175的热控制。热传递通道220的大小(直径)和传导性经配置以使得当热传递介质流过通道时，准直器175的温度维持于在约15℃与约30℃之间的温度。为了避免在处理腔室100内侧的热传递介质的任何潜在泄漏，如图1中所示，入口210和出口211经设置在内部空间106的外部。

参看图2A，环204具有在约210mm与约325mm之间的内部直径D₃。在一些实施方式中，直径D₃在约250mm与约310mm之间。在一些实施方式中，直径D₃为约285mm。直径D₃的大小取决于所使用的磁控管119的类型、溅射靶材114与准直器175之间的距离、及环204的垂直厚度h₁。在一些实施方式中，垂直厚度h₁可在约40mm至约70mm之间。在一些实施方式中，垂直厚度h₁可为约45mm。在一些实施方式中，准直器175可视情况具有第一盲孔224和第二盲孔225，热电偶(未图示)可穿过该第一盲孔224插入以测量环204的温度，另一热电偶(未图示)可穿过该第二盲孔225插入以测量热传递通道220的交点的温度。

参看图2B，在一些实施方式中，环204和每个辐条206的厚度T₂可在约0.25英寸与1.5英寸之间。在一些实施方式中，厚度T₂可为约0.5英寸。环204和每个辐条206的厚度可为相同的或不同的。

在一些实施方式中，内部环形壁205的径向向内设置的准直器175的所有表面(包括环形壁205)经纹理化以改良溅射的材料对准直器175的粘附性。例如，纹理化的表面可具有在约1,150微英寸与约1,500微英寸之间的表面粗糙度。纹理化的表面可使用任何纹理化方法进行纹理化，该纹理化方法诸如(例如)LAVACOAT^TM、珠粒喷砂(bead blasting)或类似者。在一些实施方式中，纹理化的表面使用铝电弧喷涂来进行纹理化，该铝电弧喷涂均匀地涂布所有纹理化的表面。

返回图1，控制器198耦接至处理腔室100。控制器198包括中央处理单元(CPU)160、存储器158和支持电路162。采用控制器198来控制处理顺序、调节从气源110至处理腔室100中的气流及控制溅射靶材114的离子冲击。CPU 160可呈在工业设置中可使用的任何形式的通用计算机处理器。软件例程可存储在存储器158中，诸如随机存取存储器、只读存储器、软盘或硬盘驱动、或其他形式的数字存储。支持电路162常规地耦接至CPU 160，且可包含高速缓存、时钟电路、输入/输出子系统、电源和类似者。当由CPU 160执行时，软件例程将CPU160转换成控制处理腔室100的专用计算机(控制器)198，使得处理根据本公开内容进行。软件例程也可由位于处理腔室100远程的第二控制器(未图示)存储和/或执行。

在一些实施方式中，根据一个实施方式，处理腔室100可包括感应线圈142。处理腔室100的感应线圈142可具有一匝(one turn)。感应线圈142可为刚好在内部屏蔽件120内侧且定位在基板支撑件108上方。感应线圈142可经定位为相较于溅射靶材114更靠近基板支撑件108。感应线圈142可由与溅射靶材114的成分类似的材料(诸如，例如钽)形成以充当二次溅射靶材。感应线圈142由多个线圈间隔件140从内部屏蔽件120支撑。线圈间隔件140可将感应线圈142与内部屏蔽件120及其他腔室部件电气隔离。

感应线圈142可耦接至功率源150。功率源150可具有穿透处理腔室100的侧壁102、外部屏蔽件122、内部屏蔽件120和线圈间隔件140的电引线。电引线连接至感应线圈142上的突片(tab)144以用于将功率提供至感应线圈142。突片144可具有多个绝缘的电连接以用于将功率提供至感应线圈142。此外，突片144可经配置成与线圈间隔件140界面连接且支撑感应线圈142。功率源150将电流施加至感应线圈142以在处理腔室100内感应RF场，且将功率耦合至等离子体以用于增加等离子体密度，即反应离子的浓度。

尽管以上内容涉及本公开内容的实施方式，可在不脱离本公开内容的基本范围的情况下设计出本公开内容的其他及进一步实施方式。

Claims (15)

1.一种在基板处理腔室中使用的准直器，包含：

环；

主体，围绕所述环且具有内部环形壁；和

多个辐条，从所述内部环形壁延伸且在所述准直器的中心轴处相交。

2.如权利要求1所述的准直器，进一步包含：

多个通道，对应于所述多个辐条且设置在所述多个辐条内，其中所述多个通道延伸穿过所述主体和所述环。

3.如权利要求1所述的准直器，其中所述准直器为单式结构。

4.如权利要求1所述的准直器，其中所述环具有在约210mm与约325mm之间的内部直径。

5.如权利要求1所述的准直器，其中所述环具有在约40mm与约70mm之间的高度。

6.如权利要求1所述的准直器，其中所述环和所述多个辐条具有在约0.25英寸至约1.5英寸之间的厚度。

7.如权利要求1至6中任一项所述的准直器，其中所述环为单个环。

8.如权利要求1至6中任一项所述的准直器，其中所述内部环形壁的径向向内设置的所述准直器的所有表面经纹理化。

9.如权利要求8所述的准直器，其中所述纹理化的表面具有在约1,150微英寸至约1,500微英寸之间的表面粗糙度。

10.如权利要求9所述的准直器，其中所述纹理化的表面由铝电弧喷涂涂布形成。

11.如权利要求1至6中任一项所述的准直器，其中所述多个辐条为关于所述准直器的中心轴而轴对称地布置的八个辐条。

12.一种处理腔室，包含：

腔室主体，界定内部空间；

溅射靶材，设置在所述内部空间的上部中；

基板支撑件，设置在与所述溅射靶材相对的所述内部空间的下部中；

准直器，设置在所述溅射靶材与所述基板支撑件之间，其中所述准直器包含：

环；

主体，围绕所述环且具有内部环形壁，其中所述主体耦接至所述腔室主体；和

多个辐条，从所述内部环形壁延伸且在所述准直器的中心轴处相交。

13.如权利要求12所述的处理腔室，其中所述准直器的上表面与所述溅射靶材的底表面以在约25mm至约75mm之间的第一距离间隔开来。

14.如权利要求12至13中任一项所述的处理腔室，其中所述准直器的下表面与所述基板支撑件的支撑表面以在约255mm至约335mm之间的第二距离间隔开来。

15.如权利要求12至13中任一项所述的处理腔室，其中所述准直器进一步包含：

多个通道，对应于所述多个辐条且设置在所述多个辐条内，其中所述多个通道延伸穿过所述主体和所述环。