CN219930217U - 一种准直管组件及物理气相沉积系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种准直管组件及物理气相沉积系统，准直管组件包括准直管本体、多个筛孔及加热部件，多个筛孔排布于准直管本体中，筛孔具有一定高度的侧壁，加热部件包括位于筛孔的侧壁表面、侧壁内部、上端面或下端面的至少一个发热元件。本实用新型可以减少粒子在准直管上的沉积，降低沉积物剥离的风险，改善筛孔顶端突出物现象，减轻突出物对晶圆上薄膜沉积率的影响，增加晶圆上薄膜的沉积率，提高腔室吞吐量。通过可选设置不同温区，可使沉积到准直管上不同区域的粒子数量更趋于一致，有助于改善沉积到晶圆上薄膜的均匀性。此外，准直管的使用寿命得以延长，有利于降低维护成本。采用上述准直管组件的物理气相沉积系统可制备更高质量的薄膜。

Description

一种准直管组件及物理气相沉积系统

技术领域

本实用新型属于半导体技术领域，涉及一种准直管组件及物理气相沉积系统。

背景技术

物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)技术是指在真空条件下采用物理方法将材料源(固体或液体)表面气化成气态原子或分子，或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。PVD镀膜技术主要分为三类：真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜和真空离子镀膜，相应的真空镀膜设备包括真空蒸发镀膜机、真空溅射镀膜机和真空离子镀膜机。其中，溅射镀膜是指在真空条件下，利用离子(如氩离子)轰击靶材表面，使靶材表面原子获得足够的能量而逃逸，飞向被镀基体表面沉积成薄膜。

传统的PVD溅射沉积存在如下问题：由于粒子(原子和离子)到晶圆表面的入射没有很好的方向性，对于粒子飞向槽结构或孔结构的情形，槽结构或孔结构顶部区域的接触角比底部区域的接触角大，从而容易在孔结构槽结构或孔结构的顶部形成突出物(overhang)。另外，在晶圆的非中心位置，由于阴影效应(shadow effect)，更靠近晶圆边缘的一侧可以接触到更多的粒子，因此overhang现象会更加严重，同时还会造成槽结构或孔结构侧壁的沉积物具有厚度不对称性。

通过在物理气相沉积设备的腔体内配置有准直管(collimator)可以提高粒子的准直性，因为准直管中具有多个尺寸均匀的蜂窝状筛孔，大角度的粒子会沉积到准直管上，达到过滤的效果，增强到达晶圆的粒子的准直性。但是准直管的使用仍存在一些问题：

(1)粒子在准直管上沉积，伴随使用时间的增加会有沉积物剥离的风险，剥离的沉积物掉落到待镀膜或正在镀膜的晶圆上会造成污染；

(2)准直管上的沉积物过厚会影响晶圆上的薄膜沉积率；

(3)准直管的中间区域相对于边缘区域会接触到更多的粒子，因此准直管中间区域的沉积物会比边缘区域的沉积物更厚，中间区域的筛开孔顶端的overhang现象更加严重，这样会增加晶圆中间区域与晶圆边缘区域的沉积率的差异性，从而影响沉积到晶圆上薄膜均匀性。

因此，如何改进准直管的结构以降低其上沉积物的影响，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题之一。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种准直管组件及物理气相沉积系统，用于解决现有准直管结构随着使用时间增加其上沉积物剥离风险较大，且容易影响晶圆上薄膜沉积率及均匀性的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种准直管组件，包括：

准直管本体；

多个筛孔，排布于所述准直管本体中，所述筛孔具有一定高度的侧壁，

加热部件，包括位于所述筛孔的侧壁表面、侧壁内部、上端面或下端面的至少一个发热元件。

可选地，所述准直管组件还包括供电部件，所述供电部件与所述加热部件电连接。

可选地，所述发热元件包括电阻丝、电热膜或电热管。

可选地，所述准直管本体包括至少两个加热分区，每个所述加热分区对应设有独立的所述加热部件，每个所述加热部件包括至少一个所述发热元件。

可选地，每个所述筛孔对应设有一个或多个所述发热元件。

可选地，多个所述加热分区具有相同的形状，或至少有两个所述加热分区具有不同的形状。

可选地，所述准直管本体包括内部加热分区及环设于所述内部加热分区外部的至少一个外部加热分区。

可选地，所述内部加热分区与所述外部加热分区呈同心圆分布。

可选地，所述外部加热分区包括多个沿同一圆周分布的多个子分区，多个所述子分区对应设有独立的所述加热部件。

本实用新型还提供一种物理气相沉积系统，包括：

腔体；

加热盘，位于所述腔体中用于加热放置于所述加热盘上的晶圆；

靶座，位于所述腔体中并设置于所述加热盘上方；

如上任意一项所述的准直管组件，所述准直管组件的准直管本体位于所述腔体中并设置于所述靶座与所述加热盘之间。

如上所述，本实用新型的准直管组件设有加热部件，加热部件的加热功能可以使得大角度粒子在接触到准直管的同时获取能量，不容易吸附在准直管上，从而可以减少粒子在准直管上的沉积，降低沉积物剥离的风险。并且由于原本无法通过准直管的大角度粒子可以重新通过，一方面改善了筛孔顶端突出物现象，减轻突出物对晶圆上薄膜沉积率的影响，另一方面这些通过准直管的大角度粒子一定程度上可以增加晶圆上薄膜的沉积率，提高腔室吞吐量(throughput)。本实用新型的准直管组件通过可选设置不同温区，可以使得沉积到准直管上不同区域的粒子数量更趋于一致，有助于改善沉积到晶圆上薄膜的均匀性。此外，准直管上沉积物的减少及均匀度提高使得准直管的使用寿命得以延长，有利于降低维护成本。采用上述准直管组件的物理气相沉积系统可以制备更高质量的薄膜。

附图说明

图1显示为一种采用物理气相沉积法溅射沉积薄膜的示意图。

图2显示为不同入射角度的粒子飞向晶圆表面盲孔结构的示意图。

图3显示为飞向图2所示盲孔结构的粒子入射角θ分布。

图4显示为盲孔结构中沉积膜的分布示意图。

图5显示为在配置有准直管的腔室内采用物理气相沉积法溅射沉积薄膜的示意图。

图6显示为准直管的立体结构示意图。

图7显示为不同入射角度粒子在准直管筛孔中的运动路径。

图8显示为在配置有使用了较长时间的准直管的腔室内采用物理气相沉积法溅射沉积薄膜的示意图。

图9显示为本实用新型实施例一中准直管本体的俯视结构示意图。

图10显示为图9的局部放大图。

图11显示为一筛孔的侧壁处于发热状态及大入射角度粒子在其中的运动路径示意图。

图12显示为本实用新型实施例二中准直管本体的俯视结构示意图。

图13显示为在配置有本实用新型的准直管组件的腔室内采用物理气相沉积法溅射沉积薄膜的示意图。

图14显示为本实用新型实施例三中物理气相沉积系统的结构示意图。

元件标号说明

101 靶材

102 靶座

103 晶圆

M 盲孔结构

N 沉积膜

201 靶材

202 靶座

203 晶圆

204 准直管

301 靶材

302 靶座

303 晶圆

304 准直管

305 薄膜

306 沉积物

307 剥离颗粒

401 准直管本体

402 筛孔

403 电阻丝

404 供电部件

405 靶材

406 靶座

407 晶圆

408 薄膜

A 内部加热分区

B 外部加热分区

501 腔体

502 加热盘

503 靶座

504 晶圆

505 靶材

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，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实用新型的其他优点与功效。本实用新型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，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图14。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实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型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。

如图1所示，为采用物理气相沉积法溅射沉积薄膜的示意图，其中，靶材101安装于靶座102，所述靶材101表面被离子轰击后产生飞向晶圆103的粒子以实现在所述晶圆103表面镀膜，图1中采用虚线箭头示出了粒子的飞出方向，并在晶圆103表面各处示意了粒子入射角θ的分布，可见这些粒子到晶圆表面的入射没有很好的方向性。

如图2及图3所示，其中，图2显示为不同入射角度的粒子飞向晶圆表面盲孔结构M(或盲槽结构)的示意图，图3显示为飞向图2所示盲孔结构的粒子入射角θ分布，主要来自盲孔结构右侧。图2中①、②、③分别代表不同入射角度的粒子，箭头代表粒子的方向。可见，盲孔结构顶部区域的接触角比底部区域的接触角大，从而入射到盲孔结构顶部区域的粒子数量更多，使得盲孔结构顶部区域容易形成突出物。另外由于阴影效应，更靠近晶圆边缘的一侧(图2中为左侧)可以接触到更多的粒子，因此突出物现象会更加严重，同时还会造成盲孔结构侧壁的沉积物具有厚度不对称性。

如图4所示，为盲孔结构M中沉积膜N的分布示意图，可见在远离晶圆中心的一侧(左侧)，盲孔结构顶部的突出物更明显，且盲孔结构的远离晶圆中心一侧的侧壁上的沉积膜厚度更厚，图4中①、②、③代表此处沉积物的粒子来源，与图2中①、②、③相对应。

如图5所示，为在配置有准直管204的腔室内采用物理气相沉积法溅射沉积薄膜的示意图，其中，靶材201安装于靶座202，所述靶材201表面被离子轰击后产生飞向准直管204的粒子，经过准直管204准直后进一步飞向晶圆203以实现在所述晶圆203表面镀膜，图5中采用虚线箭头示出了粒子的飞出方向，并在所述晶圆203表面示意了粒子入射角θ的分布。

如图6所示，为所述准直管204的立体结构示意图，其中具有尺寸均匀的蜂窝状筛孔。

如图7所示，为不同入射角度粒子在准直管筛孔中的运动路径，可见，小角度的离子会通过筛孔，而大角度的粒子会沉积到准直管筛孔的孔壁上，达到过滤的效果，增强到达晶圆的粒子的准直性。

如图8所示，为在配置有使用了较长时间的准直管304的腔室内采用物理气相沉积法溅射沉积薄膜的示意图，其中，靶材301安装于靶座302，所述靶材301表面被离子轰击后产生飞向准直管304的粒子，经过准直管304准直后进一步飞向晶圆303以实现在所述晶圆303表面沉积薄膜305，图8中采用箭头示出了粒子的飞出方向。由于所述准直管304的使用时间较长，粒子在其上沉积形成沉积物306，伴随使用时间的增加这些沉积物306会有剥离的风险，剥离颗粒307掉落在晶圆上会严重影响晶圆上沉积的薄膜305的质量。另外，所述沉积物306在所述准直管304上沉积过厚会严重减小筛孔的开孔大小，从而影响晶圆上薄膜的沉积率。此外，准直管中间区域相对边于缘区域会接触到更多的粒子，因此所述准直管304中间区域的沉积物306会比边缘区域更厚，位于准直管中间区域的筛孔顶端的突出物更加严重，这样会增加所述晶圆303中间区域与边缘区域的薄膜沉积率的差异性，从而影响沉积到所述晶圆303表面的所述薄膜305的均匀性，导致所述薄膜305出现中间薄、边缘厚的现象。

基于上述问题，本申请的发明人通过大量分析研究及试验，对准直管结构进行了改进使其具备加热功能，利用温度对粒子能量的影响，使得大角度粒子在接触到准直管的同时获取能量而不容易吸附在筛孔壁上，从而改善准直管上沉积物的问题。另外，可选进一步改进准直管结构使其中心区域和边缘区域的温度可以分别控制，通过设置准直管中心区域温度高于边缘温度，使的准直管边缘区域相对于中心区域可以沉积更多的粒子，减小准直管中心区域与边缘区域沉积物质量的差异，从而改善沉积物不均匀的问题，进而提高晶圆上薄膜沉积率及均匀性。下面通过具体的实施例来说明本实用新型的实现方式。

实施例一

本实施例中提供一种准直管组件，该准直管组件包括准直管本体、多个筛孔及加热部件。请参阅图9，显示为所述准直管本体401的俯视结构示意图，其中，多个所述筛孔402排布于所述准直管本体401中，所述筛孔402具有一定高度的侧壁，所述加热部件(图9中不可见)包括位于所述筛孔402的侧壁表面、侧壁内部、上端面或下端面的至少一个发热元件，用于使所述筛孔402的侧壁升温。

作为示例，请参阅图10，显示为图9的局部放大图(呈现了三个筛孔402)，其中，所述筛孔402呈六边形，多个所述筛孔402呈蜂窝状排布。在其它示例中，所述筛孔402也可以采用其它形状，例如圆形、三角形等，多个所述筛孔402也可以采用其它排布方式，例如呈矩形阵列排布、圆周环形阵列排布等。

作为示例，所述发热元件包括电阻丝、电热膜、电热管或其它电热元件，在图10所提供的示例中，所述发热元件选用埋入所述筛孔402侧壁内部的电阻丝403，在其它示例中，发热元件也可以设置在所述筛孔402的侧壁外部，例如设置在所述筛孔402的侧壁表面，或者设置在所述筛孔402的上端面或下端面处，同样可以实现使所述筛孔402的侧壁升温的目的。

作为示例，所述准直管组件还包括供电部件，所述供电部件与所述加热部件电连接，为所述加热部件的发热提供电源。

本实施例的准直管组件中，所述加热部件赋予所述准直管本体401加热功能，使得各个筛孔的侧壁能够发热。请参阅图11，显示为一筛孔402的侧壁处于发热状态(采用椭圆表示)及大入射角度粒子在其中的运动路径示意图，可见，本应该沉积在筛孔侧壁的粒子在接触到发热的筛孔侧壁时获取了能量，能够继续运动进而穿越筛孔402。

也就是说，通过所述准直管本体401的加热功能，可以使得粒子不容易吸附在准直管上，从而减缓了沉积物的积累速度，降低乐沉积物剥离的风险。并且由于原本无法通过准直管的大角度粒子可以重新通过，不仅可以改善筛孔顶端的突出物现象，减轻突出物对晶圆上薄膜沉积率的影响，甚至相反，这些通过准直管的大角度粒子一定程度上可以增加晶圆上薄膜的沉积率，提高腔室吞吐量(throughput)。

实施例二

本实施例与实施例一采用基本相同的技术方案，不同之处在于，本实施例中，所述准直管本体401包括至少两个加热分区，每个所述加热分区对应设有独立的加热部件，每个所述加热部件包括至少一个所述发热元件，从而每个所述加热分区的温度可以独立控制，在使用过程中可以根据需要使得所述准直管本体401的不同区域具有不同的温度。

作为示例，请参阅图12，显示为具有分区加热功能的准直管组件的一种俯视结构示意图，其中，所述准直管本体401包括内部加热分区A及环设于所述内部加热分区A四周的外部加热分区B，所述内部加热分区A对应设有独立的第一加热部件(图12中不可见)，所述外部加热分区B对应设有独立的第二加热部件(图12中不可见)，所述供电部件404包括第一供电单元与第二供电单元，所述第一供电单元与所述第一加热部件电连接，所述第二供电单元与所述第二加热部件电连接。

作为示例，所述内部加热分区A与所述边缘区域B呈同心圆分布，本实施例中，所述内部加热分区A的直径与所述准直管本体的直径比值大于0.6。

具体的，通过所述第一加热部件、所述第二加热部件、所述第一供电单元及所述第二供电单元，使得所述内部加热分区A与所述外部加热分区B的温度可以各自单独控制，其中，通过对所述第一供电单元与所述第二供电单元设置不同的功率，可以实现不同区域的温度差异。

作为示例，所述外部加热分区B可进一步包括多个沿同一圆周分布的多个子分区，多个所述子分区对应设有独立的加热部件，使得各个所述子分区的温度可以分别控制，实现更精细的温度分布调控，例如实现不同方位具有不同的温度。

具体的，所述内部加热分区A的工作温度高于所述外部加热分区B的工作温度，例如所述内部加热分区A的工作温度范围是100℃-350℃，所述外部加热分区B的工作温度范围是50℃-200℃。这样设置的原因在于，准直管中间区域相对边于缘区域会接触到更多的粒子，当准直管中间区域与边缘温度一致时，准直管中间区域的沉积物会比边缘区域更厚，使得通过准直管中间区域到达晶圆的离子更少，导致晶圆中间区域与边缘区域的薄膜沉积率有较大差异，最终沉积到晶圆表面的薄膜厚度不均匀，出现中间薄、边缘厚的现象，而如图13所示，为在配置有本实施例的准直管组件的腔室内采用物理气相沉积法溅射沉积薄膜的示意图，其中，靶材405安装于靶座406，所述靶材405表面被离子轰击后产生飞向所述准直管本体401的粒子，经过准直后进一步飞向晶圆407以实现在所述晶圆407表面沉积薄膜408。本实施的准直管组件通过分区控制温度使得准直管中间区域温度高于边缘区域温度，可以让更多中间区域的粒子获取能量而顺利通过筛孔，使得沉积到准直管上不同区域的粒子数量更趋于一致，有助于改善沉积到晶圆上薄膜的均匀性。

此外，准直管上沉积物的减少及均匀度提高使得准直管的使用寿命得以延长，有利于降低维护成本。

需要指出的是，在图12所提供的示例中，所述准直管本体401包括内部加热分区A及环设于所述内部加热分区A四周的外部加热分区B共两个加热分区，然而在其它示例中，所述准直管本体401的加热分区数量不限于两个，例如可以具有3-10个加热分区或更多个加热分区。另外，多个加热分区的形状与排布也不限于图12所呈现的圆形与环形组合及同心圆排布，例如还可以是多个单一形状(例如多个扇形或其它形状)的加热分区沿同一圆周的均匀排布或多个不同形状(例如扇形与环形的组合或其它形状的组合)的加热分区按照一定方式排布。

作为示例，每一个加热分区包括至少一个发热元件，优选地，每一个筛孔都独立地包括一个或多个发热元件。

作为示例，一个加热分区中的多个发热元件可以一并被调控温度，也可以各个发热元件独立地被调控温度，从而可以对所述准直管本体401的不同区域进行更加精确的温度控制。

实施例三

本实施例中提供一种物理气相沉积系统，其包括如实施例一或实施例二中所述的准直管组件。

请参阅图14，显示为具有实施例二中所述的准直管组件的物理气相沉积系统的结构示意图，所述物理气相沉积系统还包括腔体501、加热盘502及靶座503，其中，所述加热盘502位于所述腔体501中用于加热放置于所述加热盘502上的晶圆504，所述靶座503位于所述腔体501中并设置于所述加热盘502上方用于安装靶材505，所述准直管组件的准直管本体401位于所述腔体501中并设置于所述靶座503与所述加热盘502之间。

作为示例，所述准直管组件的供电部件404设置于所述腔体501的腔壁，具体位置可以根据需要进行调整。

本实施例的物理气相沉积系统的准直管组件具备加热功能，并可选配置分区加热功能，可以制备更高质量的薄膜。

综上所述，本实用新型的准直管组件设有加热部件，加热部件的加热功能可以使得大角度粒子在接触到准直管的同时获取能量，不容易吸附在准直管上，从而可以减少粒子在准直管上的沉积，降低沉积物剥离的风险。并且由于原本无法通过准直管的大角度粒子可以重新通过，一方面改善了筛孔顶端突出物现象，减轻突出物对晶圆上薄膜沉积率的影响，另一方面这些通过准直管的大角度粒子一定程度上可以增加晶圆上薄膜的沉积率，提高腔室吞吐量(throughput)。本实用新型的准直管组件通过可选设置不同温区，可以使得沉积到准直管上不同区域的粒子数量更趋于一致，有助于改善沉积到晶圆上薄膜的均匀性。此外，准直管上沉积物的减少及均匀度提高使得准直管的使用寿命得以延长，有利于降低维护成本。采用上述准直管组件的物理气相沉积系统可以制备更高质量的薄膜。所以，本实用新型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实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，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实用新型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，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种准直管组件，其特征在于，包括：

准直管本体；

多个筛孔，排布于所述准直管本体中，所述筛孔具有一定高度的侧壁，

加热部件，包括位于所述筛孔的侧壁表面、侧壁内部、上端面或下端面的至少一个发热元件。

2.根据权利要求1所述的准直管组件，其特征在于：所述准直管组件还包括供电部件，所述供电部件与所述加热部件电连接。

3.根据权利要求1所述的准直管组件，其特征在于：所述发热元件包括电阻丝、电热膜或电热管。

4.根据权利要求1-3任一项所述的准直管组件，其特征在于：所述准直管本体包括至少两个加热分区，每个所述加热分区对应设有独立的所述加热部件，每个所述加热部件包括至少一个所述发热元件。

5.根据权利要求4所述的准直管组件，其特征在于：每个所述筛孔对应设有一个或多个所述发热元件。

6.根据权利要求4所述的准直管组件，其特征在于：多个所述加热分区具有相同的形状，或至少有两个所述加热分区具有不同的形状。

7.根据权利要求4所述的准直管组件，其特征在于：所述准直管本体包括内部加热分区及环设于所述内部加热分区外部的至少一个外部加热分区。

8.根据权利要求7所述的准直管组件，其特征在于：所述内部加热分区与所述外部加热分区呈同心圆分布。

9.根据权利要求8所述的准直管组件，其特征在于：所述外部加热分区包括多个沿同一圆周分布的多个子分区，多个所述子分区对应设有独立的所述加热部件。

10.一种物理气相沉积系统，其特征在于，包括：

腔体；

加热盘，位于所述腔体中用于加热放置于所述加热盘上的晶圆；

靶座，位于所述腔体中并设置于所述加热盘上方；

如权利要求1-9任意一项所述的准直管组件，所述准直管组件的准直管本体位于所述腔体中并设置于所述靶座与所述加热盘之间。