CN115418617A - 半导体工艺设备的工艺腔室及其磁控溅射组件 - Google Patents

半导体工艺设备的工艺腔室及其磁控溅射组件 Download PDF

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CN115418617A CN202210599186.1A CN202210599186A CN115418617A CN 115418617 A CN115418617 A CN 115418617A CN 202210599186 A CN202210599186 A CN 202210599186A CN 115418617 A CN115418617 A CN 115418617A
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Abstract

本发明提供一种半导体工艺设备的工艺腔室及其磁控溅射组件，磁控溅射组件包括磁控结构、靶材固定结构和弹性调整机构，靶材固定结构用于设置在半导体工艺设备工艺腔室的顶部，靶材固定结构的底部用于固定设置磁性靶材，磁控结构通过弹性调整机构吊设在靶材固定结构的上方，用于提供溅射磁场，弹性调整机构能够随磁控结构与磁性靶材之间的磁性力的变化而在竖直方向上发生弹性形变，以带动磁控结构在竖直方向上移动。在本发明中，弹性调整机构能够在磁性靶材的底部材料逐渐损耗后将磁控结构升高，使磁控结构与磁性靶材底部的相对位置不变，提高靶材利用率及薄膜性能的稳定性、均匀性和薄膜沉积速率，在降低成本的同时保证半导体器件的良率和性能。

Description

半导体工艺设备的工艺腔室及其磁控溅射组件
技术领域
本发明涉及半导体工艺设备领域，具体地，涉及一种半导体工艺设备的磁控溅射组件和一种包括该磁控溅射组件的半导体工艺设备的工艺腔室。
背景技术
随着电子系统向高集成度、高复条性、轻小、高性能、多功能与高频方向发限，要求在更小的基片上集成更多的元器件。研制小型化、薄膜化的元器件，以减小系统的整体体积和重量，无疑是适应这要求的一条实际可行的途径。因此，对在电子设备中占据较大体积和重量的磁性器件(例如，磁随机存储器(Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM)电感器、变压器)的小型化、高频化也相应提出了更高的要求。在这种背景下，国际上对于用磁性薄膜做成的微磁器件的研究以及与半导体器件成为一体的磁性集成电路的研究十分活跃。
目前常用的磁性薄膜材料主要有金属合金薄膜和铁氧体薄膜，例如镍铁合金(NiFe)、钴的氧化物(CoOx)、硼铁化钕(NdFeB)、铁铂合金(FePt)、氮化铁(FeN)、铁的氧化物(FeOx)、硼铁化钴(CoFeB)等等。各种块状材料也都能以其薄膜形态存在，并表现出优异和独特的磁性能，许多实用的薄膜磁性元器件不断地开发出来，而且在磁记录存储和磁光存储技术方面的广泛应用，己形成了巨大的产业；其它方面的推广应用将促进整个磁薄膜技术领域更大的发展。另外，利用磁控溅射制备的纳米磁性薄膜是新一代的磁性薄膜，其不仅具备磁性材料单特性同时也具有纳米材料的结构特性，研究人员通过磁控溅射制备的纳米磁性薄膜的多层膜结构发现和解决了诸如层间耦合、自旋轨道耦合及其随非磁层厚度振荡(长短周期)、巨磁电阻效应、量子自旋霍尔效应等前沿物理学问题。
然而，目前的磁控溅射技术沉积铁磁性薄膜时存在靶材难以正常溅射、沉积的磁性薄膜材料性能不够稳定、沉积的磁性薄膜材料均匀性较差、沉积速率慢以及靶材利用率低的问题。因此，如何提供一种能够提高靶材利用率，以及沉积的磁性薄膜材料性能的稳定性、均匀性和薄膜沉积速率的磁控溅射方案，成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明旨在提供一种半导体工艺设备的磁控溅射组件和一种包括该磁控溅射组件的半导体工艺设备的工艺腔室，该磁控溅射组件能够保持磁性靶材底部的磁场强度和磁场分布不变，从而在降低生产成本的同时保证半导体器件的良率和性能。
为实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供一种半导体工艺设备的磁控溅射组件，所述磁控溅射组件包括磁控结构、靶材固定结构和弹性调整机构，所述靶材固定结构用于设置在所述半导体工艺设备工艺腔室的顶部，所述靶材固定结构的底部用于固定设置磁性靶材，所述磁控结构通过所述弹性调整机构吊设在所述靶材固定结构的上方，用于提供溅射磁场，所述弹性调整机构能够随所述磁控结构与所述磁性靶材之间的磁性力的变化而在竖直方向上发生弹性形变，以带动所述磁控结构在竖直方向上移动。
可选地，所述磁控溅射组件还包括保护罩，所述磁控结构设置在所述保护罩中，所述靶材固定结构与所述保护罩的罩口对应设置。
可选地，所述弹性调整机构包括固定轴、弹性件和定位结构，所述保护罩的顶部具有安装通孔，所述固定轴的一端与所述磁控结构连接，所述固定轴的另一端穿过所述安装通孔与所述定位结构固定连接，所述弹性件设置在所述保护罩的顶部表面与所述定位结构之间，用于产生所述弹性形变。
可选地，所述弹性件包括弹簧，所述弹簧套设在所述固定轴上，且所述弹簧的两端分别抵在所述保护罩的顶部的上表面以及所述定位结构上。
可选地，所述定位结构为形成在所述固定轴上且与所述固定轴同轴的环形凸台，所述环形凸台具有朝向所述保护罩的定位面，所述定位面用于与所述弹簧的一端相抵。
可选地，所述弹性调整机构还包括保护壳体，所述保护壳体具有连接开口，所述保护壳体通过所述连接开口罩设在所述弹性调整机构以及所述弹性件上，且所述保护壳体与所述保护罩固定密封连接。
可选地，所述磁控结构包括磁控管安装板和多个磁控管，所述磁控管安装板水平设置，多个所述磁控管设置在所述磁控管安装板上，所述固定轴的一端与所述磁控管安装板固定连接。
可选地，所述靶材固定结构包括水平设置的靶材背板，所述靶材背板的底部用于固定设置所述磁性靶材。
可选地，所述磁控溅射组件还包括冷却管路，所述冷却管路设置在所述靶材背板的顶面上，所述冷却管路的两端穿出所述保护罩并用于与冷源连通，以对所述靶材背板进行冷却。
作为本发明的第二个方面，提供一种半导体工艺设备的工艺腔室，包括腔体和设置在所述腔体顶部的磁控溅射组件，其中，所述磁控溅射组件为前面所述的磁控溅射组件。
在本发明提供的半导体工艺设备的磁控溅射组件和半导体工艺设备的工艺腔室中，弹性调整机构通过弹性力将磁控结构吊设在靶材固定结构的上方，从而当靶材固定结构上固定的磁性靶材的底部材料逐渐在溅射中损耗后，弹性调整机构能够逐渐将磁控结构升高，使磁控结构与磁性靶材底部的相对位置不变，进而保持磁性靶材底部的磁场强度和磁场分布不变，进而能够提高靶材利用率以及沉积的磁性薄膜材料性能的稳定性、均匀性和薄膜沉积速率，在降低生产成本的同时保证了半导体器件的良率和性能。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明实施例提供的半导体工艺设备的工艺腔室的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的半导体工艺设备的工艺腔室中磁控溅射组件的部分结构示意图；
图3、图4是本发明实施例中随着磁性靶材底部的材料逐渐消耗，磁控结构的高度随之变化的原理示意图；
图5是磁性靶材消耗前磁性靶材底部的磁场分布情况示意图；
图6是现有技术中磁性靶材消耗后磁性靶材底部的磁场分布情况示意图；
图7是本发明实施例中磁性靶材消耗后磁性靶材底部的磁场分布情况示意图；
图8是本发明与现有技术中薄膜均匀性随靶材消耗量变化的效果对比示意图；
图9是本发明与现有技术中薄膜厚度随靶材消耗量变化的效果对比示意图。
附图标记说明：
110：固定轴 111：定位结构
120：弹性件 130：保护壳体
210：磁控管安装板 220：磁控管
300：靶材背板 310：磁性靶材
400：保护罩 500：冷却管路
10：腔体 20：承载盘
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明的发明人在研究中发现，现有技术中磁控溅射技术沉积铁磁性薄膜时存在靶材难以正常溅射、沉积的磁性薄膜材料性能不够稳定、沉积的磁性薄膜材料均匀性较差、沉积速率慢以及靶材利用率低的问题的主要原因在于，靶材底部表面所在的磁场环境会在工艺进行中逐渐改变。
具体地，如图5、图6所示，在现有技术中，磁控管220与磁性靶材310之间的位置固定不变，因此随着磁性靶材310底部的材料在工艺中逐渐损耗，磁性靶材310的底部表面也随之升高，而磁控管220位置不变，因此磁性靶材310底部表面与磁控管220之间的距离会逐渐缩短(由D缩短至d)，从而磁性靶材310底部的磁场强度和磁场分布也会随着靶材的消耗而改变，进而导致沉积的磁性薄膜材料的性能越来越差，影响半导体器件的良率和性能，同时还会显著减小磁性靶材的使用寿命，增加生产成本。
为解决上述技术问题，作为本发明的一个方面，提供一种半导体工艺设备的磁控溅射组件，如图1所示，该磁控溅射组件包括磁控结构(包括多个磁控管220)、弹性调整机构(包括固定轴110、弹性件120等结构)和靶材固定结构(包括靶材背板300)，靶材固定结构用于设置在半导体工艺设备的工艺腔室的顶部，靶材固定结构的底部用于固定设置磁性靶材310，磁控结构通过弹性调整机构吊设在靶材固定结构上方，用于提供溅射磁场，以使磁性靶材310底部的材料向磁性靶材310下方的待加工工件溅射。弹性调整机构能够随磁控结构与磁性靶材310之间的磁性力的变化而在竖直方向上发生弹性形变，以带动磁控结构在竖直方向上移动。
在本发明提供的磁控溅射组件中，弹性调整机构通过弹性力将磁控结构吊设在靶材固定结构的上方，从而当靶材固定结构底部固定的磁性靶材310的底部材料逐渐在溅射中损耗后，随着磁性靶材310与磁控结构之间的磁性力的减小，弹性调整机构能够逐渐将磁控结构升高，使磁控结构与磁性靶材310底部表面的相对位置不变，进而保持磁性靶材310底部的磁场强度和磁场分布不变。
具体地，如图3、图4所示为随着磁性靶材310底部的材料逐渐消耗，磁控结构的高度随之变化的原理示意图。用于磁控溅射的磁控管220需要具有较强的磁场强度(磁体表面磁场强度>0.6T)，以保证靶材下表面达到需要的磁场强度来约束等离子体，磁控管220与磁性靶材310一般需要保持较近的距离，相应地磁性靶材310与磁控管220之间也会产生很强的磁性吸引力。
如图3所示，在磁性靶材310刚开始使用时，磁性靶材310的厚度较厚，磁控结构受到向下的重力G、向下的靶材与磁控管220之间的磁吸引力F、以及弹性调整机构受磁控结构向下的拉力而向磁控结构施加的向上的弹性力T，三个力维持平衡(G+F＝T)使磁控管220稳定在一个固定的位置。随着磁性靶材310的使用时长增加，磁性靶材310底部材料逐渐消耗，使磁性靶材310变薄，靶材与磁控管220之间的磁吸引力也随之减弱至F’，而由于磁控结构受到的重力G不变，因此弹性调整机构向其施加的向上的弹性力也将随之减弱至T’，由于弹性力减弱，弹性调整机构中相应弹性件120受磁控结构向下拉拽而产生的形变量也将随之减弱，从而带动磁控结构向上回弹，进而使磁控结构的高度上升。
如图5、图7所示，随着磁性靶材310底部的材料在工艺中逐渐损耗，磁控结构的高度也随之升高，以保持磁性靶材310底部表面与磁控管220之间的距离D不变，从而使磁性靶材310底部的磁场强度和磁场分布不变，进而保证沉积的磁性薄膜材料的性能以及半导体器件的良率和性能，同时延长磁性靶材310的使用寿命，节约生产成本。
在本发明提供的磁控溅射组件中，弹性调整机构通过弹性力将磁控结构吊设在靶材固定结构的上方，从而当靶材固定结构上固定的磁性靶材310的底部材料逐渐在溅射中损耗后，弹性调整机构能够逐渐将磁控结构升高，使磁控结构与磁性靶材310底部的相对位置不变，进而保持磁性靶材310底部的磁场强度和磁场分布不变，进而能够提高靶材利用率以及沉积的磁性薄膜材料性能的稳定性、均匀性和薄膜沉积速率，在降低生产成本的同时保证了半导体器件的良率和性能。
作为本发明的一种可选实施方式，如图1所示，半导体工艺设备的工艺腔室包括腔体10和承载盘20，承载盘20设置在腔体10中，用于承载待加工工件；磁控溅射组件还包括保护罩400，磁控结构设置在保护罩400中，靶材固定结构与保护罩400底部的罩口对应设置，罩口用于与腔体10的顶部开口密封连接。
作为本发明的一种可选实施方式，如图1所示，弹性调整机构包括固定轴110、弹性件120和定位结构111，保护罩400的顶部具有安装通孔，固定轴110的一端与磁控结构固定连接，固定轴110的另一端穿过安装通孔与定位结构111固定连接，弹性件120设置在保护罩400的顶部表面与定位结构111之间，用于产生弹性形变，以通过弹性力驱动定位结构111远离保护罩400的顶部表面，进而驱动固定轴110吊起磁控结构。
优选地，安装通孔形成在保护罩400的顶部中心位置，即，在半导体工艺设备的工艺腔室中固定轴110的轴线与腔体10的轴线重合。
在本发明实施例中，弹性调整机构包括固定轴110和弹性件120，弹性件120设置在定位结构111与保护罩400的顶部表面之间，并通过弹性力顶起定位结构111，进而通过弹性力驱动固定轴110吊起磁控结构。
可选地，弹性件120可以为簧片、皮筋等具有弹性的物体。
为提高磁控结构高度随磁性靶材310变薄而上升的平稳性，作为本发明的一种优选实施方式，如图1、图2所示，弹性件120包括弹簧，弹簧套设在固定轴110上，且弹簧的两端分别抵在保护罩400的顶部表面以及定位结构111上。
具体地，由弹簧压缩状态下的胡克定律公式T＝-kX(其中T为弹簧受到的压力，k为弹性系数、X为弹簧形变量)可知，弹簧的形变量与受到的压力成正比，因此，随着磁性靶材310变薄，磁性靶材310通过磁控结构以及固定轴110间接向弹簧两端提供的压力减小，弹簧也逐渐回弹，且弹簧回弹的形变量与磁性靶材310的厚度变化量几乎成正比，从而保证磁性靶材310底部的磁场强度和磁场分布不变。
需要说明的是，弹簧的弹性系数需选择为使弹簧回弹的形变量与磁性靶材310的厚度变化量一致，以保证磁性靶材310底部的磁场不变。可选地，弹簧在自然状态下的长度约为5cm。
作为本发明的一种可选实施方式，如图1、图2所示，定位结构111为形成在固定轴110上且与固定轴110同轴的环形凸台，环形凸台具有朝向保护罩400的定位面，定位面用于与弹簧的一端相抵。
作为本发明的一种优选实施方式，如图1、图2所示，弹性调整机构还包括保护壳体130，保护壳体130的底部具有连接开口，保护壳体130通过连接开口罩设在定位结构111以及弹性件120上，且保护壳体130与保护罩400固定密封连接。
在本发明实施例中，弹性调整机构还包括保护壳体130，保护壳体130套设在定位结构111以及弹性件120上，从而能够在保护固定轴110顶端以及弹性件120结构免受刮擦及碰撞的同时，避免弹性件120崩出，提高半导体工艺设备的工艺腔室的安全性。
作为本发明的一种优选实施方式，如图1、图2所示，保护壳体130的形状可以为竖直设置的圆柱筒，从而通过保护壳体130的圆柱形内侧壁对定位结构111的边缘进行导向，以保证固定轴110的垂直度，进而保证磁控结构的水平度。
可选地，如图2所示，保护壳体130的底端通过螺钉131固定在保护罩400的顶部表面上。可选地，保护壳体130的高度约为10cm。
作为本发明的一种可选实施方式，如图1、图2所示，磁控结构包括磁控管安装板210和多个磁控管220，磁控管安装板210水平设置，多个磁控管220设置在磁控管安装板210上，固定轴110的一端与磁控管安装板210固定连接。
可选地，固定轴110的一端通过螺钉固定在安装板210的中心位置。具体地，安装板210的中心位置出开有通孔，固定轴110的底一端面上开有螺纹孔，通过依次穿过该通孔与该螺纹孔的螺钉将固定轴110的一端与安装板210紧固连接。
作为本发明的一种可选实施方式，如图1、图2所示，靶材固定结构包括水平设置的靶材背板300，靶材背板300的底部用于固定设置磁性靶材310。
作为本发明的一种可选实施方式，磁性靶材310通过焊接方式与靶材背板300固定连接。
作为本发明的一种可选实施方式，如图1所示，腔体10中还设置有内衬30，用于保护腔体10的侧壁，防止溅射物质在腔体10的侧壁上镀膜。可选地，如图1所示，腔体10中还设置有真空陶瓷环40，真空陶瓷环40连接在内衬30的顶端与靶材背板300的底面之间，以保证腔体10的真空度。
作为本发明的一种可选实施方式，如图1所示，磁控溅射组件还包括冷却管路500，冷却管路500设置在靶材背板300的顶面上，冷却管路500的两端(进水端510和出水端520)穿出保护罩400并用于与冷源连通，以使冷源提供的冷却液(例如，冷却水)流过冷却管路500并对靶材背板300进行冷却，进而对靶材背板300下方固定连接的磁性靶材310进行冷却。
如图8所示为本发明与现有技术中薄膜均匀性随靶材消耗量变化的效果对比示意图，其中纵坐标表示沉积得到的磁性薄膜厚度的均匀性(单位为％)，横坐标表示靶材消耗量(即总功耗，单位为千瓦时(kWh))；图9是本发明与现有技术中薄膜厚度随靶材消耗量变化的效果对比示意图，其中纵坐标表示沉积得到的磁性薄膜的厚度，横坐标表示靶材消耗量。
由图8、图9中的对比结果可以看出，在现有技术中，随着磁性靶材的消耗，沉积得到的磁性薄膜的厚度的均匀性逐渐变差，厚度也逐渐降低，其磁性薄膜的厚度的均匀性从初期的1.2％逐渐变差到2.8％，沉积磁性薄膜的厚度也由初期的
Figure BDA0003669297340000091
变差到
Figure BDA0003669297340000092
超出了微电子器件对磁性薄膜性能要求的偏差范围，导致现有的半导体工艺不得不在较少的靶材消耗量的时候就要更换新的磁性靶材。这不仅严重影响了磁性薄膜的性能，同时也降低了靶材的利用率，影响机台产能，并增加了产品的成本；
而在本发明提供的方案中，整个靶材周期内沉积的磁性薄膜厚度的均匀性基本维持在1.4％±0.4％的范围内，且沉积的磁性薄膜厚度也维持在
Figure BDA0003669297340000093
的范围内，薄膜的厚度以及薄膜厚度的均匀性均在工艺性能要求范围内，能够很好地满足微电子器件生产要求，同时，本发明方案可以延长靶材寿命、提高靶材利用率并降低生产成本。
作为本发明的第二个方面，提供一种半导体工艺设备的工艺腔室，包括腔体10和设置在腔体10顶部的磁控溅射组件，其中，该磁控溅射组件为本发明实施例提供的磁控溅射组件。
在本发明提供的半导体工艺设备的工艺腔室中，磁控溅射组件的弹性调整机构通过弹性力将磁控结构吊设在靶材固定结构的上方，从而当靶材固定结构上固定的磁性靶材310的底部材料逐渐在溅射中损耗后，弹性调整机构能够逐渐将磁控结构升高，使磁控结构与磁性靶材310底部的相对位置不变，进而保持磁性靶材310底部的磁场强度和磁场分布不变，进而能够提高靶材利用率以及沉积的磁性薄膜材料性能的稳定性、均匀性和薄膜沉积速率，在降低生产成本的同时保证了半导体器件的良率和性能。
作为本发明的一种可选实施方式，如图1所示，腔体10中还设置有内衬30，用于保护腔体10的侧壁，防止溅射物质在腔体10的侧壁上镀膜。可选地，如图1所示，腔体10中还设置有真空陶瓷环40，真空陶瓷环40连接在内衬30的顶端与靶材背板300的底面之间，以保证腔体10的真空度。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种半导体工艺设备的磁控溅射组件，其特征在于，所述磁控溅射组件包括磁控结构、靶材固定结构和弹性调整机构，所述靶材固定结构用于设置在所述半导体工艺设备工艺腔室的顶部，所述靶材固定结构的底部用于固定设置磁性靶材，所述磁控结构通过所述弹性调整机构吊设在所述靶材固定结构的上方，用于提供溅射磁场，所述弹性调整机构能够随所述磁控结构与所述磁性靶材之间的磁性力的变化而在竖直方向上发生弹性形变，以带动所述磁控结构在竖直方向上移动。
2.根据权利要求1所述的磁控溅射组件，其特征在于，所述磁控溅射组件还包括保护罩，所述磁控结构设置在所述保护罩中，所述靶材固定结构与所述保护罩的罩口对应设置。
3.根据权利要求2所述的磁控溅射组件，其特征在于，所述弹性调整机构包括固定轴、弹性件和定位结构，所述保护罩的顶部具有安装通孔，所述固定轴的一端与所述磁控结构连接，所述固定轴的另一端穿过所述安装通孔与所述定位结构固定连接，所述弹性件设置在所述保护罩的顶部表面与所述定位结构之间，用于产生所述弹性形变。
4.根据权利要求3所述的磁控溅射组件，其特征在于，所述弹性件包括弹簧，所述弹簧套设在所述固定轴上，且所述弹簧的两端分别抵在所述保护罩的顶部的上表面以及所述定位结构上。
5.根据权利要求4所述的磁控溅射组件，其特征在于，所述定位结构为形成在所述固定轴上且与所述固定轴同轴的环形凸台，所述环形凸台具有朝向所述保护罩的定位面，所述定位面用于与所述弹簧的一端相抵。
6.根据权利要求3所述的磁控溅射组件，其特征在于，所述弹性调整机构还包括保护壳体，所述保护壳体具有连接开口，所述保护壳体通过所述连接开口罩设在所述弹性调整机构以及所述弹性件上，且所述保护壳体与所述保护罩固定密封连接。
7.根据权利要求3所述的磁控溅射组件，其特征在于，所述磁控结构包括磁控管安装板和多个磁控管，所述磁控管安装板水平设置，多个所述磁控管设置在所述磁控管安装板上，所述固定轴的一端与所述磁控管安装板固定连接。
8.根据权利要求2至7中任意一项所述的磁控溅射组件，其特征在于，所述靶材固定结构包括水平设置的靶材背板，所述靶材背板的底部用于固定设置所述磁性靶材。
9.根据权利要求8所述的磁控溅射组件，其特征在于，所述磁控溅射组件还包括冷却管路，所述冷却管路设置在所述靶材背板的顶面上，所述冷却管路的两端穿出所述保护罩并用于与冷源连通，以对所述靶材背板进行冷却。
10.一种半导体工艺设备的工艺腔室，包括腔体和设置在所述腔体顶部的磁控溅射组件，其特征在于，所述磁控溅射组件为权利要求1至9中任意一项所述的磁控溅射组件。
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