CN110670042A - 用于厚膜沉积的物理气相沉积设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于厚膜沉积的物理气相沉积设备，包括：永磁装置、靶材、晶圆基座、腔壁；还包括腔壁挡板，其一端固定在靶材与腔壁之间，另一端为自由端，腔壁挡板中设有容置冷却管的第一冷却管腔；晶圆遮蔽环，包括垂直部及与水平部，水平部呈环形设置于晶圆上方边缘，垂直部设置于水平部下方外周，垂直部中设有容置冷却管的第二冷却管腔，水平部靠近垂直部的一端设置有凹槽；遮蔽环支持调节装置，包括顶针、顶针环、连杆及传动机构，顶针的一端插入凹槽中，另一端与顶针环固定连接，顶针环通过连杆与设置于外部的传动机构连接，顶针环围在晶圆基座的外周。该设备在沉积过程中可有效实现对晶圆、沉积腔及工艺套件的冷却和控温。

Description

用于厚膜沉积的物理气相沉积设备

技术领域

本发明涉及半导体制造设备技术领域，特别是涉及一种用于厚膜沉积的物理气相沉积设备。

背景技术

在半导体制造过程中，常常需要采用物理气相沉积设备在晶圆表面或器件表面沉积薄膜，主要的物理气相沉积技术有蒸镀和溅射，前者是借着被蒸镀物体加热，利用被蒸镀物在高温时所具有的饱和蒸汽压来进行镀膜沉积；而后者是利用等离子体产生的离子，借着离子对被溅射物体电极的轰击，使等离子体的气相内具有被镀物的粒子，然后进行沉积。

在集成电路、功率器件及分离器件制造领域，随着技术的发展，大功率器件为了获得高电流密度，通常使用厚的金属膜，例如厚铝膜或铝合金膜，来减少接触电阻和降低器件的开关损耗，典型的铝膜厚度介于2μm ~20μm之间。

厚膜的沉积通常采用物理气相沉积溅射技术，但是在利用该技术沉积厚膜层的过程中，一方面为了尽可能地提高膜的溅射速率往往都会使用超大功率直流电源进行溅射，导致等离子体本身以及靶材金属离子和原子会产生大量的热量，而另一方面真空系统内部的散热非常缓慢，因此常常会导致晶圆的温度迅速上升至400℃-500℃的高温。然而，对于功率器件的后段制造工艺，晶圆可承受的温度上限通常为450℃，过高的晶圆温度会对器件造成损伤，过高的腔内温度会导致腔壁挡板因过热而发生变形、严重影响腔内工艺套件的寿命。

为了加快晶圆的散热和冷却，业界通常采用带气体背压的晶圆基座来加快热量的传导，为了获得更好的冷却效果还会使用静电吸盘或机械夹具以保证晶圆和晶圆基座间的良好接触和热传导。虽然上述方法都可以在一定程度上加快晶圆的冷却和控温，但都存在明显缺陷，如静电吸盘非常昂贵，而且其冷却效果会随着时间的推移而逐渐变差；又比如使用机械夹具容易出现晶圆与夹具相粘的情况，而且还会造成晶圆上颗粒过高的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于厚膜沉积的物理气相沉积设备，用于解决现有技术中采用溅射工艺的用于厚膜沉积的物理气相沉积设备在沉积过程中对晶圆、沉积腔及工艺套件的冷却和控温效果较差等的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于厚膜沉积的物理气相沉积设备，包括：永磁装置、靶材、晶圆基座及腔壁，所述靶材与所述腔壁构成沉积腔体，所述靶材位于所述沉积腔体顶部，所述永磁装置位于所述靶材上方，所述用于厚膜沉积的物理气相沉积设备还包括：

腔壁挡板，设置于所述腔壁的内部四周，所述腔壁挡板的一端固定在所述靶材与所述腔壁之间，另一端为自由端，所述腔壁挡板中设有第一冷却管腔，用于容置第一冷却管；

晶圆遮蔽环，包括垂直部及与之连接的水平部，所述水平部呈环形设置于晶圆上方边缘，所述垂直部设置于所述水平部下方外周，所述垂直部中设有第二冷却管腔，用于容置第二冷却管，所述水平部靠近所述垂直部的一端设置有凹槽；

遮蔽环支持调节装置，包括顶针、顶针环、连杆及传动机构，所述顶针的一端插入所述凹槽中，另一端与所述顶针环固定连接，所述顶针环通过所述连杆与设置于所述沉积腔体外的所述传动机构连接，所述顶针环围在所述晶圆基座的外周，所述传动机构的升降通过所述连杆、顶针环及顶针实现对所述晶圆遮蔽环的高度的调整。

可选地，所述腔壁挡板的自由端伸入所述晶圆遮蔽环的所述垂直部的内侧并与所述垂直部的横向投影部分重合。

进一步地，所述第一冷却管包括两组独立的子第一冷却管，其中一组所述子第一冷却管通过波纹管和法兰与所述第二冷却管相连，且该子第一冷却管的进口及出口设置于所述腔壁的一侧；另一组所述子第一冷却管设置于所述腔壁挡板一周，且该子第一冷却管的进口及出口设置于所述腔壁的另一侧。

可选地，所述第一冷却管包括一组主冷却管及与之连接的两组子冷却管，其中一组所述子冷却管通过波纹管和法兰与所述第二冷却管相连；另一组所述子冷却管沿所述腔壁挡板的周向设置于所述第一冷却管腔中。

可选地，所述第二冷却管设置于所述晶圆遮蔽环的所述垂直部一周。

可选地，所述晶圆基座中设置有冷却盘，所述冷却盘中设置有第三冷却管腔，用于容置第三冷却管。

进一步地，所述第一冷却管内、所述第二冷却管内及所述第三冷却管内通入的是冷却气体或冷却液体。

进一步地，所述冷却气体包括压缩空气或氦气，所述冷却液体包括冷却水、酒精型冷却液、甘油型冷却液或乙二醇型冷却液。

可选地，所述晶圆遮蔽环的水平部为双层结构，包括上层环形遮蔽板及下层环形挡板，所述上层环形遮蔽板沿周向均匀设置有开孔。

进一步地，所述开孔的形状包括圆形、跑道形或扇形。

可选地，所述遮蔽环支持调节装置中沿周向均匀设置3根所述顶针。

可选地，所述靶材与所述晶圆基座的之间的距离介于30mm~60mm之间。

进一步地，所述靶材与所述晶圆基座的之间的距离介于40mm~50mm之间。

可选地，所述晶圆基座的温度设定范围介于20℃~450℃之间。

可选地，所述晶圆遮蔽环的所述水平部的下表面与晶圆上表面之间的距离介于1mm~8mm之间。

进一步地，所述晶圆遮蔽环的所述水平部的下表面与晶圆上表面之间的距离介于3mm-5mm之间。

可选地，所述晶圆基座的材料包括不锈钢、钛合金或铝合金，所述腔壁挡板的材料包括不锈钢、钛合金或铝合金，所述晶圆遮蔽环的材料包括不锈钢、钛合金或铝合金。

可选地，所述腔壁中设置有第四冷却管腔，用于容置冷却水管，所述冷却水管与厂务冷却水相连。

进一步地，所述晶圆基座、所述腔壁挡板及所述晶圆遮蔽环中至少一个的表面设有吸热涂层。

进一步地，所述吸热涂层包括氮化铝涂层、氧化铬涂层或氮化硼涂层。

可选地，所述用于厚膜沉积的物理气相沉积设备还包括充气保压冷却装置，所述充气保压冷却装置包括充气口、管路、阀门、气体流量计、气源、冷泵、冷泵隔离阀及真空计；

所述充气口设置于所述腔壁上，所述管路的一端连接在所述充气口中，另一端与所述气源连接，所述阀门及所述气体流量计设置在所述管路上；

所述真空计与所述腔壁连接，用于测量所述沉积腔体内的气压；

所述冷泵隔离阀设置于所述腔壁与所述冷泵之间，所述冷泵用于抽取所述沉积腔体内的气体，所述冷泵隔离阀用于控制所述冷泵抽气通道的开和关。

进一步地，所述充气保压冷却装置将所述沉积腔体的压力升高至0.5torr~3torr之间。

可选地，所述用于厚膜沉积的物理气相沉积设备沉积的膜种类包括铝膜或铝合金膜。

如上所述，本发明的用于厚膜沉积的物理气相沉积设备，腔壁挡板中及晶圆遮蔽环中均设置有冷却管（第一冷却管及第二冷却管），在用于厚膜沉积的物理气相沉积设备的沉积腔内通过永磁装置在靶材表面附近产生一个初级磁场，采用磁控溅射（可以是直流磁控溅射，也可以是交流磁控溅射）将膜沉积到晶圆表面，在沉积过程中，可通过将冷却物质通入冷却管，冷却物质从进口进入冷却管，在沉积腔内循环，然后从出口排出，此过程中不断将沉积腔、晶圆及工艺套件中的热量带走，从而实现对其的散热和控温；另外，晶圆遮蔽环的水平部呈环形设置于晶圆上方边缘，可以有效遮蔽晶圆的边缘，防止在沉积过程中在晶圆侧面和背面镀上膜层；再者，通过设置遮蔽环支持调节装置，可实现对晶圆遮蔽环的支撑和高度调节，顶针的一端插入凹槽中，另一端与顶针环固定，而顶针环通过连杆与传动机构连接，由于传动机构固定在沉积腔体外部且可以上下调节连杆的高度，连杆带动顶针环上下移动，顶针环带动顶针上下移动，最后晶圆遮蔽环通过设置于凹槽中的顶针实现支撑和高度调节，提高了设备的调节自由度，另外还可根据需要增加晶圆遮蔽环和晶圆之间的距离以实现更好的散热。

附图说明

图1显示为本发明的用于厚膜沉积的物理气相沉积设备一实施例的结构示意图。

图2显示为图1中A处的局部方法图。

图3显示为图2中B处的局部放大图。

图4显示为图2中C处的局部方法图。

图5显示为图1中用于厚膜沉积的物理气相沉积设备的晶圆遮蔽环水平部的结构示意图。

图6显示为本发明的用于厚膜沉积的物理气相沉积设备中晶圆遮蔽环水平部开孔形状的结构示意图。

元件标号说明

10，永磁装置；11，靶材；12，腔壁挡板；120，自由端；13，子第一冷却管；130，进口；131，出口；132，进口；133，出口；14，晶圆遮蔽环；140，垂直部；141，水平部；141A，上层环形遮蔽板；141B，下层环形挡板；141C，开孔；142，凹槽；15，第二冷却管；16，顶针；17，顶针环；18，连杆；19，传动机构；20，晶圆；21，晶圆基座；22，腔壁；23，波纹管；24，法兰；25，充气口；26，管路；27，阀门；28，气体流量计；29，气源；30，冷泵；31，冷泵隔离阀；32，真空计。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征 “之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

针对现有的用于厚膜沉积的物理气相沉积设备在晶圆沉积过程中对沉积腔内及晶圆的散热和冷却效果不佳，导致对晶圆上的器件造成损伤和/或缩短沉积腔内的工艺套件的寿命等问题，本发明提供一种用于厚膜沉积的物理气相沉积设备，通过在沉积腔内设置具有冷却功能的腔壁挡板12及晶圆遮蔽环14，在沉积设备内通过永磁装置10在靶材11表面附近产生一个初级磁场，采用磁控溅射工艺将膜沉积到晶圆表面，沉积过程中具有冷却功能的腔壁挡板12及晶圆遮蔽环1不断对对沉积腔内、晶圆及工艺套件进行散热，以使其温度得到冷却和控制。

为实现上述目的，如图1至图4所示，本实施例提供一种用于厚膜沉积的物理气相沉积设备，所述用于厚膜沉积的物理气相沉积设备包括永磁装置10、靶材11、晶圆基座21及腔壁22，所述靶材11与所述腔壁22构成沉积腔体，所述靶材11位于所述沉积腔体顶部，所述永磁装置10位于所述靶材11上方，所述用于厚膜沉积的物理气相沉积设备还包括：

腔壁挡板12，设置于所述腔壁22的内部四周，所述腔壁挡板12的一端固定在所述靶材11与所述腔壁22之间，另一端为自由端120，所述腔壁挡板12中设有第一冷却管腔，用于容置第一冷却管；

晶圆遮蔽环14，包括垂直部140及与之连接的水平部141，所述水平部141呈环形设置于晶圆20上方边缘，所述垂直部140设置于所述水平部141下方外周，所述垂直部140中设有第二冷却管腔，用于容置第二冷却管15，所述水平部141靠近所述垂直部140的一端设置有凹槽142；

遮蔽环支持调节装置，包括顶针16、顶针环17、连杆18及传动机构19，所述顶针16的一端插入所述凹槽142中，另一端与所述顶针环17固定连接，所述顶针环17通过所述连杆18与设置于所述沉积腔体外的所述传动机构19连接，所述顶针环17围在所述晶圆基座21的外周。

所述腔壁挡板12中及所述晶圆遮蔽环14中均设置有冷却管（第一冷却管及第二冷却管），在所述用于厚膜沉积的物理气相沉积设备的沉积腔内通过所述永磁装置10在所述靶材11表面附近产生一个初级磁场，采用磁控溅射（可以是直流磁控溅射，也可以是交流磁控溅射）将膜沉积到晶圆20表面，在沉积过程中，可通过将冷却物质通入冷却管，冷却物质从进口进入冷却管，在沉积腔内循环，然后从出口排出，此过程中不断将沉积腔、晶圆及工艺套件中的热量带走，从而实现对其的散热和控温；另外，晶圆遮蔽环14的水平部141呈环形设置于晶圆20上方边缘，可以有效遮蔽晶圆20的边缘，防止在沉积过程中在晶圆20侧面和背面镀上膜层；再者，通过设置遮蔽环支持调节装置，可实现对晶圆遮蔽环14的支撑和高度调节，顶针16的一端插入凹槽142中，另一端与顶针环17固定，而顶针环17通过连杆18与传动机构19连接，由于传动机构19固定在沉积腔体外部且可以上下调节连杆18的高度，连杆18带动顶针环17上下移动，顶针环17带动顶针16上下移动，最后晶圆遮蔽环14通过设置于凹槽142中的顶针16实现支撑和高度调节，提高了设备的调节自由度，另外还可根据需要增加晶圆遮蔽环14和晶圆20之间的距离以实现更好的散热。通过传动机构19的上下调节，可使所述晶圆遮蔽环14的所述水平部141的下表面与晶圆20上表面之间的距离介于1mm~8mm之间，最佳距离介于3mm-5mm之间，也可以是其他距离，根据具体情况调节。较佳地，沿周向均匀设置3根顶针16。

如图2及图4所示，作为示例，所述腔壁挡板12的自由端120伸入所述晶圆遮蔽环14的所述垂直部140的内侧并与所述垂直部140的横向投影部分重合。即所述腔壁挡板12的自由端120及所述晶圆遮蔽环14的所述垂直部140类似于圆筒状，由于要保证晶圆遮蔽环14可上下移动，所以这里自由端120与垂直部140的横向投影部分重合，但两者不相连。使自由端120与垂直部140的横向投影部分重合可有效增大散热面积，既可以通过第二冷却管15散热，同时热量还可以通过重合部分传递至自由端120，再通过第一冷却管散热，从而提高散热效率。

可以采用多种方式将外界的冷却物质通入所述第一冷却管及所述第二冷却管15内，只要满足在冷却物质通入冷却管内时保持沉积腔室和冷却管的密封即可，在此不作限制。

本实施例中列举两种冷却物质通入及冷却方式：

第一种，如图1、图3及图4所示，所述第一冷却管包括两组独立的子第一冷却管13，其中一组所述子第一冷却管13通过波纹管23和法兰24与所述第二冷却管15相连，且该子第一冷却管13的进口130及出口131设置于所述腔壁22的一侧；另一组所述子第一冷却管13设置于所述腔壁挡板12一周，且该子第一冷却管13的进口132及出口133设置于所述腔壁22的另一侧。第二冷却管15内的冷却物质通过进口130进入子第一冷却管13，然后通过固定在上下的两个法兰24上的一波纹管23进入第二冷却管15，流入第二冷却管15内的冷却物在其内部循环结束后再通过固定在上下的两个法兰24上的另一波纹管23进入子第一冷却管13，最后通过出口131排出，另一方面，当顶针16上下移动的时候，晶圆遮蔽环14跟随顶针16上下移动，而设置于晶圆遮蔽环14中的第二冷却管15由于波纹管23可上下伸缩，同时也跟随晶圆遮蔽环14上下移动；另外，第一冷却管内的冷却物质通过进口132进入另一子第一冷却管13，然后在子第一冷却管13内沿腔壁挡板12的周向循环一周，再从出口133排出。从而实现冷却物质分别在腔壁挡板12及晶圆遮蔽环14内的循环；

第二种，所述第一冷却管包括一组主冷却管及与之连接的两组子冷却管，其中一组所述子冷却管通过波纹管和法兰与所述第二冷却管相连；另一组所述子冷却管沿所述腔壁挡板的周向设置于所述第一冷却管腔中。冷却物质通过主冷却管的进口进入主冷却管，然后分为两股，分别进入两组子冷却管，其中一股通过固定在上下的两个法兰上的一波纹管进入第二冷却管15，流入第二冷却管15内的冷却物在其内部循环结束后再通过固定在上下的两个法兰上的另一波纹管进入一组子冷却管，然后进入主冷却管，另一股在另一组子冷却管内沿腔壁挡板12的周向循环一周，进入主冷却管，最后两股均从主冷却管的出口排出。从而实现冷却物质分别在腔壁挡板12及晶圆遮蔽环14内的循环。

较佳地，所述第二冷却管15设置于所述晶圆遮蔽环14的所述垂直部140一周，以增大管路铺设面积，提高散热效率。

如图1所示，作为示例，所述晶圆基座21中设置有冷却盘（图中未示出），所述冷却盘中设置有第三冷却管腔（图中未示出），用于容置第三冷却管（图中未示出）。提高散热效率。

作为示例，所述第一冷却管内、所述第二冷却管15内及所述第三冷却管内通入的是冷却气体或冷却液体。所述冷却气体可以是压缩空气或氦气。所述冷却液体可以是冷却水、酒精型冷却液、甘油型冷却液或乙二醇型冷却液，例如Galden（全氟聚醚）冷却液。

如图1、图5及图6所示，作为示例，所述晶圆遮蔽环14的水平部141为双层结构，包括上层环形遮蔽板141A及下层环形挡板141B，所述上层环形遮蔽板141A沿周向均匀设置有开孔141C。所述开孔141C可以增大晶圆遮蔽环14的散热面积，提高对晶圆遮蔽环14的散热，较佳地，所述开孔141C的形状可以是圆形（如图5）、跑道型或扇形，当然也可以是其它形状，在此不作限制。下层环形挡板141B为实心挡板，用于从下面屏蔽开孔141C，防止靶材11粒子穿过开孔141C溅射到晶圆基座21的侧面。

作为示例，所述靶材11与所述晶圆基座21的之间的距离介于30mm~60mm之间，较佳地，所述靶材11与所述晶圆基座21的之间的距离介于40mm~50mm之间。

作为示例，所述晶圆基座21的温度设定范围介于20℃~450℃之间。

作为示例，所述晶圆基座21的材料包括不锈钢、钛合金或铝合金，所述腔壁挡板12的材料包括不锈钢、钛合金或铝合金，所述晶圆遮蔽环14的材料包括不锈钢、钛合金或铝合金。

作为示例，所述腔壁22中设置有第四冷却管腔，用于容置冷却水管，所述冷却水管与厂务冷却水相连。用于腔壁22的冷却和腔室整体的控温。

作为示例，所述腔壁挡板12可以是一体式挡板，或者由紧密接触的上挡板和下挡板组成。

作为示例，所述晶圆基座21、所述腔壁挡板12及所述晶圆遮蔽环14中至少一个的表面设有吸热涂层。例如，所述晶圆基座21所述腔壁挡板12及所述晶圆遮蔽环14中的任意一个的表面设有吸热涂层；也可以是所述晶圆基座21、所述腔壁挡板12及所述晶圆遮蔽环14中的任意两个的表面设有吸热涂层；也可以是所述晶圆基座21、所述腔壁挡板12及所述晶圆遮蔽环14这三个的表面都设有吸热涂层；也可以是其他的组合方式，在此不做限制，只要设置吸热涂层均能起到散热的效果，最佳地，所述晶圆基座21表面、所述腔壁挡板12表面及所述晶圆遮蔽环14表面均设有吸热涂层则能得到最佳的散热效果。所述晶圆基座21表面上的吸热涂层可以有效地从晶圆20上吸收热量，然后通过晶圆基座21主体将热量传导至冷却盘，这样非常有利于晶圆20和晶圆基座21的散热和控温，从而可以有效地保证对沉积工艺的温度的控制；所述腔壁挡板12表面上的所述吸热涂层可以有效地从周边环境中吸收热量，然后将热量传导至腔壁挡板12内部的冷却管路，这样非常有利于腔壁挡板12的散热和控温，可以防止腔壁挡板12因过热而发生变形，从而有效延长腔壁挡板12的寿命；所述晶圆遮蔽环14表面上的所述吸热涂层可以有效地从周边环境中吸收热量，然后将热量传导至内部冷却管，这样非常有利于晶圆遮蔽环14及晶圆20的散热和控温，可以保证工艺的温度性和防止晶圆遮蔽环14因过热而发生变形，有效延长晶圆遮蔽环14的寿命。较佳地，所述吸热涂层包括氮化铝涂层、氧化铬涂层或氮化硼涂层。

作为示例，所述晶圆20的直径为150mm，但也可以是大于150mm的晶圆或小于150mm的晶圆。

如图1所示，作为示例，为了进一步加快沉积设备的散热效率，还可以设置充气保压冷却装置，该装置包括：充气口25、管路26、阀门27、气体流量计28、气源29、冷泵30、冷泵隔离阀31及真空计32；所述充气口25设置于所述腔壁22上，所述管路26的一端连接在所述充气口25中，另一端与所述气源29连接，所述阀门27及所述气体流量计28设置在所述管路26上，存储于所述气源29中的气体通过所述管路26进入所述沉积腔体内，所述阀门27用于控制所述管路26的通断，所述气体流量计28用于控制进入所述沉积腔体内的气体流量；所述真空计32与所述腔壁22连接，用于测量所述沉积腔体内的气压；所述冷泵隔离阀31设置于所述腔壁22与所述冷泵30之间，所述冷泵30用于抽取所述沉积腔体内的气体，所述冷泵隔离阀31用于控制所述冷泵30抽气通道的开和关。

该充气保压冷却装置的使用方法，以制备4μm厚的铝膜为例进行说明：将设置有吸热涂层的晶圆基座21的温度设定在120℃，将4μm厚铝膜制备分为三步进行，步骤1为沉积2μm铝膜到晶圆20表面，步骤2为使用充气保压冷却装置冷却晶圆20，步骤3为沉积剩余2μm铝膜到晶圆20表面。进行步骤2时，先关掉靶材电源（停止铝膜沉积），然后关掉冷泵隔离阀31，再通过充气口25向沉积腔内充入氩气，在腔体压力达到设定值（由真空计测量压力值，例如可以将压力升高至0.5torr~3torr之间，这里设定为0.8torr）后停止进气，然后保持沉积腔内压力不变对晶圆20进行冷却，同时冷却计时（例如设定时间为20s），在冷却时间到达设定时间时，打开冷泵隔离阀31，将沉积腔抽至沉积工艺所需压强（一般为本体真空），为步骤3的铝膜沉积做好准备。由于高压下的热传导比真空条件下的热传导要更快捷，可以在短时间内迅速将晶圆20冷却下来，在上述4μm厚铝膜的示例中，该充气保压冷却装置可以在不到30s的时间内将晶圆20的温度从400℃~450℃降低至250℃左右。

采用本实施例的用于厚膜沉积的物理气相沉积设备可以有效地将晶圆20的温度控制在450ºC甚至400ºC以下，同时对沉积腔内工艺套件（包括腔壁挡板12和晶圆遮蔽环14）进行良好的冷却和控温。在长时间测试之后我们发现，采用本实施例的用于厚膜沉积的物理气相沉积设备可以成功地将靶材11上加载的功率从之前的10千瓦~20千瓦升高至40千瓦，即提高产能50%以上，但是能保持晶圆20的最高温度（450ºC以下）和沉积腔内工艺套件的寿命基本不变，同时单位面积膜表面的缺陷数量能控制在5个以下，并且膜的晶粒尺寸大小无明显变化。

综上所述，本发明的用于厚膜沉积的物理气相沉积设备，腔壁挡板中及晶圆遮蔽环中均设置有冷却管（第一冷却管及第二冷却管），在用于厚膜沉积的物理气相沉积设备的沉积腔内通过永磁装置在靶材表面附近产生一个初级磁场，采用磁控溅射（可以是直流磁控溅射，也可以是交流磁控溅射）将膜沉积到晶圆表面，在沉积过程中，可通过将冷却物质通入冷却管，冷却物质从进口进入冷却管，在沉积腔内循环，然后从出口排出，此过程中不断将沉积腔、晶圆及工艺套件中的热量带走，从而实现对其的散热和控温；另外，晶圆遮蔽环的水平部呈环形设置于晶圆上方边缘，可以有效遮蔽晶圆的边缘，防止在沉积过程中在晶圆侧面和背面镀上膜层；再者，通过设置遮蔽环支持调节装置，可实现对晶圆遮蔽环的支撑和高度调节，顶针的一端插入凹槽中，另一端与顶针环固定，而顶针环通过连杆与传动机构连接，由于传动机构固定在沉积腔体外部且可以上下调节连杆的高度，连杆带动顶针环上下移动，顶针环带动顶针上下移动，最后晶圆遮蔽环通过设置于凹槽中的顶针实现支撑和高度调节，提高了设备的调节自由度，另外还可根据需要增加晶圆遮蔽环和晶圆之间的距离以实现更好的散热。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (23)

1.一种用于厚膜沉积的物理气相沉积设备，包括：永磁装置、靶材、晶圆基座及腔壁，所述靶材与所述腔壁构成沉积腔体，所述靶材位于所述沉积腔体顶部，所述永磁装置位于所述靶材上方，其特征在于，所述用于厚膜沉积的物理气相沉积设备还包括：

腔壁挡板，设置于所述腔壁的内部四周，所述腔壁挡板的一端固定在所述靶材与所述腔壁之间，另一端为自由端，所述腔壁挡板中设有第一冷却管腔，用于容置第一冷却管；

晶圆遮蔽环，包括垂直部及与之连接的水平部，所述水平部呈环形设置于晶圆上方边缘，所述垂直部设置于所述水平部下方外周，所述垂直部中设有第二冷却管腔，用于容置第二冷却管，所述水平部靠近所述垂直部的一端设置有凹槽；

遮蔽环支持调节装置，包括顶针、顶针环、连杆及传动机构，所述顶针的一端插入所述凹槽中，另一端与所述顶针环固定连接，所述顶针环通过所述连杆与设置于所述沉积腔体外的所述传动机构连接，所述顶针环围在所述晶圆基座的外周，所述传动机构的升降通过所述连杆、顶针环及顶针实现对所述晶圆遮蔽环的高度的调整。

2.根据权利要求1所述的用于厚膜沉积的物理气相沉积设备，其特征在于：所述腔壁挡板的自由端伸入所述晶圆遮蔽环的所述垂直部的内侧并与所述垂直部的横向投影部分重合。

3.根据权利要求2所述的用于厚膜沉积的物理气相沉积设备，其特征在于：所述第一冷却管包括两组独立的子第一冷却管，其中一组所述子第一冷却管通过波纹管和法兰与所述第二冷却管相连，且该子第一冷却管的进口及出口设置于所述腔壁的一侧；另一组所述子第一冷却管设置于所述腔壁挡板一周，且该子第一冷却管的进口及出口设置于所述腔壁的另一侧。

4.根据权利要求2所述的用于厚膜沉积的物理气相沉积设备，其特征在于：所述第一冷却管包括一组主冷却管及与之连接的两组子冷却管，其中一组所述子冷却管通过波纹管和法兰与所述第二冷却管相连；另一组所述子冷却管沿所述腔壁挡板的周向设置于所述第一冷却管腔中。

5.根据权利要求2所述的用于厚膜沉积的物理气相沉积设备，其特征在于：所述第二冷却管设置于所述晶圆遮蔽环的所述垂直部一周。

6.根据权利要求1所述的用于厚膜沉积的物理气相沉积设备，其特征在于：所述晶圆基座中设置有冷却盘，所述冷却盘中设置有第三冷却管腔，用于容置第三冷却管。

7.根据权利要求6所述的用于厚膜沉积的物理气相沉积设备，其特征在于：所述第一冷却管内、所述第二冷却管内及所述第三冷却管内通入的是冷却气体或冷却液体。

8.根据权利要求7所述的用于厚膜沉积的物理气相沉积设备，其特征在于：所述冷却气体包括压缩空气或氦气，所述冷却液体包括冷却水、酒精型冷却液、甘油型冷却液或乙二醇型冷却液。

9.根据权利要求1所述的用于厚膜沉积的物理气相沉积设备，其特征在于：所述晶圆遮蔽环的水平部为双层结构，包括上层环形遮蔽板及下层环形挡板，所述上层环形遮蔽板沿周向均匀设置有开孔。

10.根据权利要求9所述的用于厚膜沉积的物理气相沉积设备，其特征在于：所述开孔的形状包括圆形、跑道形或扇形。

11.根据权利要求1所述的用于厚膜沉积的物理气相沉积设备，其特征在于：所述遮蔽环支持调节装置中沿周向均匀设置3根所述顶针。

12.根据权利要求1所述的用于厚膜沉积的物理气相沉积设备，其特征在于：所述靶材与所述晶圆基座的之间的距离介于30mm~60mm之间。

13.根据权利要求12所述的用于厚膜沉积的物理气相沉积设备，其特征在于：所述靶材与所述晶圆基座的之间的距离介于40mm~50mm之间。

14.根据权利要求1所述的用于厚膜沉积的物理气相沉积设备，其特征在于：所述晶圆基座的温度设定范围介于20℃~450℃之间。

15.根据权利要求1所述的用于厚膜沉积的物理气相沉积设备，其特征在于：所述晶圆遮蔽环的所述水平部的下表面与晶圆上表面之间的距离介于1mm~8mm之间。

16.根据权利要求15所述的用于厚膜沉积的物理气相沉积设备，其特征在于：所述晶圆遮蔽环的所述水平部的下表面与晶圆上表面之间的距离介于3mm-5mm之间。

17.根据权利要求1所述的用于厚膜沉积的物理气相沉积设备，其特征在于：所述晶圆基座的材料包括不锈钢、钛合金或铝合金，所述腔壁挡板的材料包括不锈钢、钛合金或铝合金，所述晶圆遮蔽环的材料包括不锈钢、钛合金或铝合金。

18.根据权利要求1所述的用于厚膜沉积的物理气相沉积设备，其特征在于：所述腔壁中设置有第四冷却管腔，用于容置冷却水管，所述冷却水管与厂务冷却水相连。

19.根据权利要求1~18任意一项所述的用于厚膜沉积的物理气相沉积设备，其特征在于：所述晶圆基座、所述腔壁挡板及所述晶圆遮蔽环中至少一个的表面设有吸热涂层。

20.根据权利要求19所述的用于厚膜沉积的物理气相沉积设备，其特征在于：所述吸热涂层包括氮化铝涂层、氧化铬涂层或氮化硼涂层。

21.根据权利要求19所述的用于厚膜沉积的物理气相沉积设备，其特征在于，所述用于厚膜沉积的物理气相沉积设备还包括充气保压冷却装置，所述充气保压冷却装置包括充气口、管路、阀门、气体流量计、气源、冷泵、冷泵隔离阀及真空计；

所述充气口设置于所述腔壁上，所述管路的一端连接在所述充气口中，另一端与所述气源连接，所述阀门及所述气体流量计设置在所述管路上；

所述真空计与所述腔壁连接，用于测量所述沉积腔体内的气压；

所述冷泵隔离阀设置于所述腔壁与所述冷泵之间，所述冷泵用于抽取所述沉积腔体内的气体，所述冷泵隔离阀用于控制所述冷泵抽气通道的开和关。

22.根据权利要求21所述的用于厚膜沉积的物理气相沉积设备，其特征在于：所述充气保压冷却装置将所述沉积腔体的压力升高至0.5torr~3torr之间。

23.根据权利要求1所述的用于厚膜沉积的物理气相沉积设备，其特征在于：所述用于厚膜沉积的物理气相沉积设备沉积的膜种类包括铝膜或铝合金膜。

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