CN113529039B - 可降低腔室温度的物理气相镀膜设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可降低腔室温度的物理气相镀膜设备，该物理气相镀膜设备包括：溅射源、腔壁、冷却管路、腔壁挡板、遮蔽板及用于加热并承载晶圆的加热器；腔壁挡板紧贴于腔壁的内壁，并自腔壁上部向下延伸至加热器所在高度附近，同时腔壁挡板与遮蔽板固定连接为一个整体；遮蔽板呈环状，其自由端延伸至晶圆边缘的上方且不与晶圆接触，以遮蔽晶圆外侧边缘；冷却管路设置于腔壁挡板所在区域的腔壁中。该设备可降低镀膜设备腔体内晶圆和工艺套件的温度，改善溅射膜层质量和延长工艺套件寿命，提高集成电路/半导体生产厂家的经济效益。

Description

可降低腔室温度的物理气相镀膜设备

技术领域

本发明涉及半导体制造设备技术领域，特别是涉及一种可降低腔室温度的物理气相镀膜设备。

背景技术

近代工程技术的发展越来越多地用到各种化合物薄膜，化合物薄膜约占全部薄膜材料的70％。过去，大多数化合物薄膜采用CVD(化学气相沉积)方法制备。CVD技术目前已经开发了PECVD（等离子体增强化学气相沉积），MOCVD（金属有机化合物化学气相沉积）等新工艺。但因CVD沉积需在高温下进行，使得材料来源受到限制，此外，很多CVD材料源存在毒性和/或腐蚀性，导致环境污染以及镀膜均匀性等问题，且导致极大的职业安全隐患，使得用CVD法制备化合物薄膜存在诸多限制，因而采用PVD（物理气相沉积）方法制备介质薄膜和化合物薄膜越来越受到关注。

主要的PVD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。目前，金属膜层的沉积通常采用磁控溅射技术，但是在利用该技术沉积的过程中，一方面为了尽可能地提高膜的溅射速率往往都会使用大功率直流电源进行溅射，导致等离子体本身以及靶材会产生大量的热量，而另一方面真空腔室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450℃以上。然而，过高的晶圆温度会致使晶圆表面的金属膜层出现大量的缺陷，过高的腔内温度还会使得腔壁工艺套件因过热而发生变形，缩短工艺套件的寿命。

为了加快晶圆的散热和冷却，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晶圆压环以保证晶圆和晶圆基座间的良好接触和热传导。虽然压环能在一定程度上有利于控制晶圆的温度，但是容易出现晶圆与压环相粘的情况，而且还会造成晶圆边缘缺陷过高的问题。传统镀膜腔的工艺套件设计也存在一些问题，比如只在腔壁上部的适配环内部设有狭窄的冷却水路，被晶圆压环压住的晶圆上表面容易发生过热。

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可降低腔室温度的物理气相镀膜设备，用于解决现有技术中采用溅射工艺的物理气相镀膜设备在镀膜过程中腔内溅射区域晶圆及工艺套件的温度较高，影响溅射膜层质量和缩短工艺套件寿命等的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种可降低腔室温度的物理气相镀膜设备，所述物理气相镀膜设备包括：溅射源、腔壁、冷却管路、腔壁挡板、遮蔽板及用于加热并承载晶圆的加热器；

所述腔壁挡板紧贴于所述腔壁的内壁，并自所述腔壁上部向下延伸至所述加热器所在高度附近，同时所述腔壁挡板与所述遮蔽板固定连接为一个整体；

所述遮蔽板呈环状，其自由端延伸至所述晶圆边缘的上方且不与所述晶圆接触，以遮蔽所述晶圆外侧边缘；

所述冷却管路设置于所述腔壁挡板所在区域的所述腔壁中。

可选地，所述腔壁挡板自上向下包括第一延伸部及第一环状凸起部，其中，所述第一环状凸起部在向下延伸的同时向腔体内部延伸形成为凸起状；所述腔壁包括第二延伸部及第二环状凸起部，所述第二环状凸起部自所述第二延伸部侧壁向所述腔体内部延伸并与所述第一环状凸起部的自由端相接触。

进一步地，所述冷却管路设置于所述第二延伸部及所述第二环状凸起部中。

可选地，所述遮蔽板为单层无孔结构。

可选地，所述遮蔽板为上下双层结构，其中一层结构通过连接条与所述腔壁挡板固定连接，同时在相邻的连接条之间形成开孔；另一层结构直接与所述腔壁挡板固定连接。

进一步地，双层结构的所述遮蔽板的自由端均延伸至所述晶圆边缘的上方且不与所述晶圆接触，或位于上层的结构的自由端延伸至所述晶圆边缘的上方且不与所述晶圆接触，位于下层的结构的自由端延伸至所述晶圆的下方。

可选地，所述腔壁挡板与所述遮蔽板通过一体成型技术连接为一个整体，或通过焊接技术连接为一个整体。

可选地，所述遮蔽板的下表面与所述晶圆上表面之间的距离介于1mm~3mm之间。

可选地，所述腔壁挡板及所述遮蔽板的材料为铝合金。

进一步地，所述腔壁挡板及所述遮蔽板的材料为铜铝合金或铝镁硅合金或铝合金2219或铝合金2A16。

可选地，所述腔壁挡板及所述遮蔽板上镀有氧化钽层、镍层及铜镍合金层中的至少一层。

如上所述，本发明的可降低腔室温度的物理气相镀膜设备，通过将腔壁挡板与遮蔽板设置为固定连接的一个整体，同时将腔壁挡板紧贴在腔壁的内壁上，再结合设置于腔壁挡板所在区域的腔壁中的大面积的冷却管路，这样的设计能增加散热面积和热传导效率，能及时将腔壁挡板的热量带走，有助于腔壁挡板保持相对较低的温度，延长腔壁挡板的使用寿命；另外，基于遮蔽板与腔壁挡板为一个整体，遮蔽板及晶圆可通过腔壁挡板实现热量的快速传递，并通过冷却管路将热量带走，使遮蔽板与晶圆的温度降低，延长遮蔽板的使用寿命；再者，呈环状的遮蔽板设置在晶圆边缘的上方且不与晶圆接触，降低了遮蔽板与晶圆粘片造成晶圆边缘缺陷过高的风险，同时还避免了遮蔽板与晶圆边缘直接接触导致晶圆边缘区域容易发生过热的问题，还可防止晶圆侧面和背面镀上膜层。

附图说明

图1显示为本发明的可降低腔室温度的物理气相镀膜设备的结构示意图。

图2显示为本发明的可降低腔室温度的物理气相镀膜设备中固定连接的腔壁挡板与遮蔽板纵向剖切后的立体结构示意图。

元件标号说明

10 溅射源，11 腔壁，111 第二延伸部， 112 第二环状凸起部，12 冷却管路，13腔壁挡板，131 第一延伸部，132 第一环状凸起部，14 遮蔽板，140 连接条，141 开孔，15加热器，16 晶圆，17 晶圆基座。

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。

请参阅图1及图2。本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如背景技术中所述，现有的磁控溅射镀膜设备，为了加快晶圆的散热和冷却，通常采用带气体背压的晶圆基座来加快热传导，甚至使用晶圆压环以使晶圆和晶圆基座接触和热传导获得更好的冷却效果，但这些方式对晶圆的散热和冷却效果还不能达到理想要求，同时还会带来晶圆边缘缺陷过高等的问题。

基于此，本实施例中发明人提供一种可降低腔室温度的物理气相镀膜设备，如图1及图2所示，所述物理气相镀膜设备包括：溅射源10、腔壁11、冷却管路12、腔壁挡板13、遮蔽板14及用于加热并承载晶圆16的加热器15，一般地，所述加热器15与设置于其下方的晶圆基座17连接；

所述腔壁挡板13紧贴于所述腔壁11的内壁，并自所述腔壁11上部向下延伸至所述加热器15所在高度附近，同时所述腔壁挡板13与所述遮蔽板14固定连接为一个整体；

所述遮蔽板14呈环状，其自由端延伸至所述晶圆16边缘的上方且不与所述晶圆16接触，以遮蔽所述晶圆16外侧边缘；

所述冷却管路12设置于所述腔壁挡板13所在区域的所述腔壁11中。

这里需要说明的是，图1中所述冷却管路12仅显示为设置于所述腔壁挡板13位于晶圆16附近区域的所述腔壁11中，图1仅是一种示意，实际中所述冷却管路12可以根据实际需要设置于所述腔壁挡板13所在的所有区域的所述腔壁11中，也可设置于所述腔壁挡板13所在的部分区域的所述腔壁11中。

本实施例的物理气相镀膜设备，通过将腔壁挡板13与遮蔽板14设置为固定连接的一个整体，同时将腔壁挡板13紧贴在腔壁11的内壁上，再结合设置于腔壁挡板13所在区域的腔壁11中的大面积的冷却管路12，这样的设计能增加散热面积和热传导效率，能及时将腔壁挡板13的热量带走，有助于腔壁挡板13保持相对较低的温度，延长腔壁挡板13的使用寿命；另外，基于遮蔽板14与腔壁挡板13为一个整体，遮蔽板13及晶圆16可通过腔壁挡板14实现热量的快速传递，并通过冷却管路12将热量带走，使遮蔽板13与晶圆16的温度降低，延长遮蔽板14的使用寿命；再者呈环状的遮蔽板13设置在晶圆16边缘的上方且不与晶圆16接触，降低了遮蔽板13与晶圆16粘片造成晶圆边缘缺陷过高的风险，同时还避免了遮蔽板13与晶圆边缘直接接触导致晶圆边缘区域容易发生过热的问题，还可防止晶圆侧面和背面镀上膜层。

如图1及图2所示，作为示例，所述腔壁挡板13自上向下包括第一延伸部131及第一环状凸起部132，其中，所述第一环状凸起部132在向下延伸的同时向腔体18内部延伸形成为凸起状；所述腔壁11包括第二延伸部111及第二环状凸起部112，所述第二环状凸起部112自所述第二延伸部111侧壁向所述腔体18内部延伸并与所述第一环状凸起部132的自由端相接触。所述第一环状凸起部132及所述第二环状凸起部112的设置可有效增大腔壁挡板13与腔壁11之间的接触面积，即两者之间增加散热面积，提高热传导效率。较佳地，所述冷却管路12不仅可设置于所述第二延伸部111中，还可设置于所述第二环状凸起部112中，三者结合（即所述第一环状凸起部132、所述第二环状凸起部112及所述冷却管路12）可进一步降低腔壁挡板13、遮蔽板14及晶圆16的温度。这里不限制所述第一环状凸起部132及所述第二环状凸起部112的形状，可以是规则的环状凸起也可以是不规则的环状凸起，具体根据实际需要进行设置，例如本实施例中所述第一环状凸起部132设置为不规则的凸起，所述第二环状凸起部112设置为规则的凸起，将所述第一环状凸起部132设置为不规则的凸起便于其与所述遮蔽板14之间的连接，将所述第二环状凸起部112设置为规则的凸起便于所述腔壁挡板13底部自由端与腔壁11之间的紧密贴合。

还可对所述遮蔽板14进行不同的设计，例如将所述遮蔽板14设计为单层的无孔结构，设置无孔结构可防止溅射粒子穿过开孔镀在腔体底部；如图1及图2所示，还可将所述遮蔽板14设计为上下双层结构，其中一层结构通过连接条140与所述腔壁挡板13固定连接，同时在相邻的连接条140之间形成开孔141；另一层结构直接与所述腔壁挡板13固定连接。在镀膜过程中，腔体18中为真空环境，在真空下热量可以通过热辐射进行传导，且在等离子体的轰击下，不仅晶圆16表面而且遮蔽板14及腔壁挡板13表面都会产生大量的热量，采用该双层结构非常有利于通过热辐射对晶圆16的热量进行传导，以使晶圆16的热量通过腔壁11中的冷却管路12快速带走，非常有助于遮蔽板14和晶圆16的散热，使得遮蔽板14能保持在相对较低的温度，从而进一步降低晶圆16温度；另外，设置一层结构为无孔结构可防止溅射粒子穿过开孔镀在腔体底部，另一层结构为有孔结构，工艺气体可穿过开孔141部位进行扩散，而如果没有开孔141工艺气体只能通过遮蔽板14和加热器15之间的狭小间隙进行扩散，所以开孔141提高了工艺气体在晶圆表面的分布均匀性，提高镀膜的均匀性及成膜质量。

这里需要说明的是，当所述遮蔽板14设计为上下双层结构时，可以是上层结构通过连接条140与所述腔壁挡板13固定连接，同时在相邻的连接条140之间形成开孔141，下层结构直接与所述腔壁挡板13固定连接（如图2所示）；也可以是下层结构通过连接条140与所述腔壁挡板13固定连接，同时在相邻的连接条140之间形成开孔141，上层结构直接与所述腔壁挡板13固定连接。另外，所述连接条140的数量以及连接条140的宽度根据具体情况进行设置，在此不做限制，例如本实施例中使用了4个连接条140实现遮蔽板14与腔壁挡板13的固定连接。再者，当本实施例中的所述腔壁挡板13的下部分设置为如上所述的第一环状凸起部132的结构时，上下双层结构的所述遮蔽板14的上层结构固定连接于第一环状凸起部132的顶部，下层结构固定连接于第一环状凸起部132的底部自由端。最后，上下双层结构的所述遮蔽板14的自由端（及上层结构的自由端及下层结构的自由端）可均延伸至所述晶圆16边缘的上方且不与所述晶圆接触，或位于上层的结构的自由端延伸至所述晶圆16边缘的上方且不与所述晶圆16接触，位于下层的结构的自由端延伸至所述晶圆16的下方（如图1所示），只要满足其中至少有一层位于晶圆16的上方边缘即可，即能满足防止晶圆16侧面和背面镀上膜层的风险。

作为示例，所述腔壁挡板13与所述遮蔽板14通过一体成型技术连接为一个整体，或通过焊接技术连接为一个整体。

作为示例，所述遮蔽板14的下表面与所述晶圆16上表面之间的距离介于1mm~3mm之间。这里需要说明的是，这里的距离指的是，当所述遮蔽板14为单层结构时，该距离为单层结构的下表面与晶圆上表面之间的垂直距离；当所述遮蔽板14为上下双层结构，且双层结构均位于晶圆上表面时，该距离为下层结构的下表面与晶圆上表面之间的垂直距离；当所述遮蔽板14为双层结构，且双层结构中上层结构在晶圆之上，下层结构在晶圆之下时，该距离为上层结构的下表面与晶圆上表面之间的垂直距离。

作为示例，所述腔壁挡板13及所述遮蔽板14的材料优选为铝合金，更佳的是铜铝合金或铝镁硅合金或铝合金2219或铝合金2A16。现有技术中对于镀膜设备工艺套件（即腔壁挡板13及所述遮蔽板14）的材料一般选择不锈钢，因为不锈钢具有强度和硬度高、耐高温的优良特性，但是不锈钢的导热性能不佳，会造成工艺套件在镀膜过程中散热缓慢，出现晶圆过热的问题。基于对工艺套件材料的选择，发明人研究了现有不锈钢材料的特性，并尝试了用导热性较好、强度较高的多种金属材料来制作工艺套件，包括钨合金、钼合金、铝硅合金、铝镁合金、铝镁硅合金、铜铝合金、铬镍合金等，通过温度场模拟、温度测试和长期的可靠性试验，发现，使用铜铝合金、铝镁硅合金，尤其是铝合金2219及铝合金2A16制作的工艺套件能有效改善腔体内工艺套件温度过高、晶圆过热的问题。在一具体示例中，使用不锈钢材质的工艺套件，在沉积厚度在3微米以上的膜层时，工艺套件高温区域，即遮蔽板14靠近晶圆16边缘区域（遮蔽板因为自身受到等离子体轰击会升温，再加上从晶圆辐射过来的热量，所以遮蔽板内沿的温度最高）的最高温度在540℃左右，而如果改用铜铝合金或铝镁硅合金，工艺套件高温区域的温度降至120℃左右。

对于沉积某些金属膜层尤其是铝膜的镀膜工艺腔时，如果采用上述所述的铝合金工艺套件在进行清洗的时候会出现问题，即清洗液（如强碱性溶液）在去掉工艺套件表层沉积的铝膜之后会又会进一步腐蚀工艺套件，为了避免清洗液对工艺套件表面的腐蚀，我们测试了大量了不同种类的金属镀层和陶瓷镀层后，发现在铝质工艺套件表面镀上氧化钽层、镍层及铜镍合金层中的至少一层后，可以有效地保护工艺套件，防止其受到强碱清洗液的腐蚀。

综上所述，本发明提供一种可降低腔室温度的物理气相镀膜设备，通过将腔壁挡板与遮蔽板设置为固定连接的一个整体，同时将腔壁挡板紧贴在腔壁的内壁上，再结合设置于腔壁挡板所在区域的腔壁中的大面积的冷却管路，这样的设计能增加散热面积和热传导效率，能及时将腔壁挡板的热量带走，有助于腔壁挡板保持相对较低的温度，延长腔壁挡板的使用寿命；另外，基于遮蔽板与腔壁挡板为一个整体，遮蔽板及晶圆可通过腔壁挡板实现热量的快速传递，并通过冷却管路将热量带走，使遮蔽板与晶圆的温度降低，延长遮蔽板的使用寿命；再者，呈环状的遮蔽板设置在晶圆边缘的上方且不与晶圆接触，降低了遮蔽板与晶圆粘片造成晶圆边缘缺陷过高的风险，同时还避免了遮蔽板与晶圆边缘直接接触导致晶圆边缘区域容易发生过热的问题，还可防止晶圆侧面和背面镀上膜层。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 (8)

1.一种可降低腔室温度的物理气相镀膜设备，其特征在于，所述物理气相镀膜设备包括：溅射源、腔壁、冷却管路、腔壁挡板、遮蔽板及用于加热并承载晶圆的加热器；

所述腔壁挡板紧贴于所述腔壁的内壁，并自所述腔壁上部向下延伸至所述加热器所在高度附近，同时所述腔壁挡板与所述遮蔽板固定连接为一个整体；其中，所述腔壁挡板与所述遮蔽板通过一体成型技术连接为一个整体，或通过焊接技术连接为一个整体；

所述遮蔽板呈环状，其自由端延伸至所述晶圆边缘的上方且不与所述晶圆接触，以遮蔽所述晶圆外侧边缘，其中，所述遮蔽板为上下双层结构，其中一层结构通过连接条与所述腔壁挡板固定连接，同时在相邻的连接条之间形成开孔；另一层结构直接与所述腔壁挡板固定连接；

所述冷却管路设置于所述腔壁挡板所在区域的所述腔壁中。

2.根据权利要求1所述的可降低腔室温度的物理气相镀膜设备，其特征在于：所述腔壁挡板自上向下包括第一延伸部及第一环状凸起部，其中，所述第一环状凸起部在向下延伸的同时向腔体内部延伸形成为凸起状；所述腔壁包括第二延伸部及第二环状凸起部，所述第二环状凸起部自所述第二延伸部侧壁向所述腔体内部延伸并与所述第一环状凸起部的自由端相接触。

3.据权利要求2所述的可降低腔室温度的物理气相镀膜设备，其特征在于：所述冷却管路设置于所述第二延伸部及所述第二环状凸起部中。

4.根据权利要求1所述的可降低腔室温度的物理气相镀膜设备，其特征在于：双层结构的所述遮蔽板的自由端均延伸至所述晶圆边缘的上方且不与所述晶圆接触，或位于上层的结构的自由端延伸至所述晶圆边缘的上方且不与所述晶圆接触，位于下层的结构的自由端延伸至所述晶圆的下方。

5.根据权利要求1所述的可降低腔室温度的物理气相镀膜设备，其特征在于：所述遮蔽板的下表面与所述晶圆上表面之间的距离介于1mm~3mm之间。

6.根据权利要求1所述的可降低腔室温度的物理气相镀膜设备，其特征在于：所述腔壁挡板及所述遮蔽板的材料为铝合金。

7.根据权利要求6所述的可降低腔室温度的物理气相镀膜设备，其特征在于：所述腔壁挡板及所述遮蔽板的材料为铜铝合金或铝镁硅合金或铝合金2219或铝合金2A16。

8.根据权利要求6所述的可降低腔室温度的物理气相镀膜设备，其特征在于：所述腔壁挡板及所述遮蔽板上镀有氧化钽层、镍层及铜镍合金层中的至少一层。

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