TWI530576B - A mask structure for the reaction chamber - Google Patents

Description

用於反應腔的遮罩結構

本發明涉及半導體生產技術，尤其涉及一種用於反應腔的遮罩結構。

在半導體生產領域中，進行PVD(Physical Vapor Deposition，物理氣相沉積)時，通常採用ICP(Inductively Coupled Plasma，電感耦合電漿)的方法在反應腔內激發高密度的電漿，並由電漿轟擊濺鍍源，使得濺鍍源濺鍍出分子、原子或離子等濺鍍粒子並沉積在晶片上形成薄膜。通常，帶電離子或濺鍍粒子做無規則運動時也會轟擊反應腔的內壁，此外，設置在腔室外的用於傳輸射頻能量的放電線圈與反應腔內的電漿之間存在容性耦合，這會進一步吸引高能量帶電離子轟擊反應腔的內壁，導致反應腔的使用壽命縮短。此外，帶電離子或濺鍍粒子轟擊反應腔的內壁時還會產生沉積或濺鍍，若在反應腔的內壁上沉積出閉合的金屬層，則會影響射頻能量的耦合；另一方面，撞擊反應腔的內壁後剝落的顆粒會造成污染，需要頻繁清洗，這又會提高成本。

為解決上述問題，通常會在反應腔的內壁內設置一個遮罩件，該遮罩件用於減少帶電離子或濺鍍粒子對反應腔的內壁的轟擊，以此減少反應腔內壁產生的濺鍍並避免產生沉積，同時，該遮罩件也不會對射頻能量的傳輸產生影響。第1圖為現有技術中的反應腔及遮罩件的縱切面示 例圖，第2圖為現有技術中的反應腔及遮罩件橫切面示例圖。如第1圖和第2圖所示，現有技術中，位於濺鍍源3下方的反應腔1的外側設置有放電線圈4，在反應腔1的內側環繞該反應腔1的內壁設置有遮罩件2，該遮罩件2呈筒狀結構且在周向上不閉合，具體地，在遮罩件2的壁面上開設有沿遮罩件2的軸向貫穿該遮罩件2的齒狀溝槽5，所謂齒狀溝槽是指該溝槽在垂直於遮罩件2的軸向的平面內的投影呈類似於字元“Z”的形狀，即，該溝槽的投影中的朝向反應腔內側的部分和該溝槽的背離反應腔內側的部分類似於凸出的齒。遮罩件2通常選用諸如銅、鋁等的良導體製成，其能夠避免帶電離子或濺鍍粒子撞擊反應腔1的內壁。

在實際應用中，儘管遮罩件2上設置的非閉合的齒狀溝槽5能夠在一定程度上避免出現因形成閉合環路而影響射頻能量傳輸的問題，但是該遮罩件2的結構仍然不可避免地存在如下問題：其一，該結構的遮罩件2加工困難，這將使得在生產中難以保證該齒狀溝槽5的精度，容易出現因加工精度不夠而造成遮罩件2閉合並產生較大環流的問題，從而影響射頻能量的傳輸；其二，現有的遮罩件2的齒狀溝槽5中容易沉積濺鍍粒子，這將導致齒狀溝槽5閉合而產生閉合環路。

有鑒於此，本發明的目的在於提供一種用於反應腔的遮罩結構，以克服現有技術中遮罩件結構的齒狀溝槽中容易沉積濺鍍粒子並導致齒狀溝槽閉合的問題。

為實現上述目的，本發明提供一種用於反應腔的遮罩結構，其置於該反應腔內且包括遮擋件和遮罩件。其中，該遮罩件環繞該反應腔 的內壁而設置，在該遮罩件上開設有至少一個沿軸向貫穿該遮罩件的缺口；對於每一個所述缺口而言，均配置有一個與之相對設置的該遮擋件，並且該遮擋件在該缺口所在平面內的投影覆蓋該缺口，且該遮擋件的內表面到該反應腔的中心的距離不等於該遮罩件的內表面到該反應腔的中心的距離，以使該遮擋件與該遮罩件之間形成射頻能量傳送通道。

其中，該遮罩件設置在該反應腔的內壁上。

其中，該遮罩件包括遮罩層，該遮罩層為塗覆在該反應腔的內壁上的膜層。

其中，該遮罩件設置在該反應腔的內壁的內側。

其中，該遮罩件包括基體和遮罩層，該遮罩層為塗覆在該基體的內表面的膜層。

其中，該基體的材料為絕緣材料。

其中，該遮罩層的厚度為0.5-2mm。

其中，該遮擋件的內表面到該反應腔中心的距離小於該遮罩件的內表面到該反應腔中心的距離。

其中，該遮擋件的內表面到該反應腔中心的距離大於該遮罩件的內表面到該反應腔中心的距離。

其中，該缺口的數量為多個。較佳地，多個所述缺口沿該反應腔的周向均勻分佈。

其中，該遮罩件的內表面和/或該遮擋件的內表面的材質為金屬良導體。

其中，該遮罩件和/或該遮擋件的內表面形成有凸起和/或凹 坑。

本發明提供的遮罩結構具有下述有益效果：

本發明實施例提供的遮罩結構設置於反應腔內且包括遮擋件和遮罩件，借助該遮罩結構能夠在360度的範圍內對反應腔內壁進行遮蔽，有效地防止了濺鍍粒子或者帶電離子轟擊反應腔內壁，從而對反應腔內壁形成有效保護，同時避免了濺鍍粒子在反應腔內壁上沉積出的金屬層產生閉合環路。進一步地，由於遮擋件和遮罩件為兩個彼此獨立的部件，因此，其不僅能夠克服現有技術中的遮罩件因其齒狀溝槽中容易沉積濺鍍粒子而導致齒狀溝槽閉合的問題，而且能夠降低加工精度的要求，節約成本；此外，還能夠有效避免現有技術中的一體結構的遮罩件因受熱膨脹而產生閉合環路或者對反應腔內壁造成損毀的問題。

1‧‧‧反應腔

2‧‧‧遮罩件

3、40‧‧‧濺鍍源

4、50‧‧‧放電線圈

5‧‧‧齒狀溝槽

10‧‧‧反應腔內壁

20‧‧‧遮擋件

21‧‧‧遮擋部

22‧‧‧連接部

30‧‧‧遮罩件

31‧‧‧遮罩層

32‧‧‧基體

附圖是用來提供對本發明的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用於解釋本發明，但並不構成對本發明的限制。在附圖中：第1圖為現有的反應腔及遮罩件沿反應腔的軸向的剖面示例圖；第2圖為現有的反應腔及遮罩件沿垂直於反應腔的軸向的方向的剖面示例圖；第3圖為本發明一個實施例提供的已裝配於反應腔的遮罩結構的縱向剖視圖；第4圖為第3圖所示的已裝配於反應腔的遮罩結構的橫向剖視圖； 第5圖為第3圖中的遮罩結構的局部放大圖；第6圖為本發明另一實施例提供的已裝配於反應腔的遮罩結構的橫向剖視圖；第7圖為本發明又一實施例提供的已裝配於反應腔的遮罩結構的橫向剖視圖；以及第8圖為本發明再一實施例提供的已裝配於反應腔的遮罩結構的橫向剖視圖。

以下結合附圖對本發明的具體實施方式進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用於說明和解釋本發明，並不用於限制本發明。並且本申請中，所謂遮擋件的內表面指的是遮擋件的朝向反應腔中心的表面；所謂遮罩件的內表面指的是遮罩件的朝向反應腔中心的表面。本申請中，所謂“內”指的是朝向反應腔中心的方向；所謂“外”指的是背離反應腔中心的方向。

本發明的實質是提供一種用於反應腔的遮罩結構，該結構能夠用於在PVD製程過程中，防止濺鍍源濺鍍出的濺鍍粒子或者帶電離子轟擊反應腔的內壁。具體地，本發明提供的用於反應腔的遮罩結構設置於該反應腔內且包括遮擋件和遮罩件，其中，該遮罩件環繞該反應腔的內壁而設置，在該遮罩件上開設有至少一個沿軸向貫穿該遮罩件的缺口；對於每一個該缺口而言，均配置有一個與之相對設置的該遮擋件，並且該遮擋件在該缺口所在平面內的投影覆蓋該缺口，且該遮擋件的內表面到該反應腔的中心的距離不等於該遮罩件的內表面到該反應腔的中心的距離，以使該 遮擋件與該遮罩件之間形成射頻能量傳送通道。

下面結合附圖詳細說明本發明實施例提供的用於反應腔的遮罩結構。

第3圖為本發明一個實施例提供的已裝配於反應腔的遮罩結構的縱向剖視圖；第4圖為第3圖所示的已裝配於反應腔的遮罩結構的橫向剖視圖；第5圖為第3圖中的遮罩結構的局部放大圖。請一併參閱第3圖至第5圖，本實施例提供的遮罩結構位於反應腔內，且包括遮擋件20和遮罩件30，用於防止帶電離子和/或濺鍍源40濺鍍出的濺鍍粒子轟擊反應腔內壁10。

其中，遮罩件30呈大致筒狀結構，且環繞反應腔內壁10而設置於其上。為避免在反應腔內壁10形成閉合環路而影響放電線圈50發送的射頻能量傳送至反應腔內，以及因閉合環路產生渦流而影響放電線圈50的磁場並消耗射頻能量，可以這樣構造遮罩件30：即，在其上開設至少一個沿其軸向貫穿該遮罩件30的缺口，也就是說，遮罩件30在周向上不閉合。

遮擋件20設置於遮罩件30的缺口處，用以遮擋經由該缺口而暴露於製程環境的反應腔內壁10，以防止濺鍍粒子或者帶電離子在缺口處轟擊反應腔內壁10。

具體地，遮擋件20包括彼此連接的遮擋部21和連接部22。其中，連接部22在反應腔的徑向上貫穿缺口，且連接部22的外端部固定於反應腔內壁10，連接部22的內端部凸出於遮罩件30的內表面，即，連接部22的內端部到反應腔的中心軸線的距離大於遮罩件30的內表面到反應腔的中心軸線的距離。遮擋部21與連接部22的內端部相連，且自連接部22的內端部起沿順時針和逆時針方向向兩側延伸，以遮蓋對應的缺口。可以理解， 遮擋件20在平行於腔室底部的平面內的投影呈“T”型結構，遮擋部21為其中的橫筆劃部分，連接部22為其中的豎筆劃部分。遮擋部21連接在連接部22的內端部，因連接部22的內端部到反應腔的中心軸線的距離大於遮罩件30的內表面到反應腔的中心軸線的距離，因而遮擋部21與遮罩件30之間具有間隙，以此形成射頻能量傳送通道，從而避免在反應腔內壁10形成閉合環路導致射頻能量無法完全傳送至反應腔內。

在實際應用中，遮擋件20可以通過螺釘等方式固定在反應腔內壁10上，即，可以通過螺釘等方式將連接部22的外端部固定在反應腔內壁10上。至於遮擋部21和連接部22之間的連接，可以採用二者一體成型的方式，或者採用螺接、鉚接、焊接等方式。

本實施例中，通過在反應腔內壁10上設置一個由遮擋件20和遮罩件30形成的遮罩結構，且使該遮罩結構完全覆蓋反應腔內壁10的內表面，以使得反應腔內部與反應腔內壁10的內表面之間沒有直視路徑，以此防止濺鍍粒子或者帶電離子轟擊反應腔內壁10。同時，還可以利用遮擋件20和遮罩件30吸附濺鍍到遮擋件20和遮罩件30上的濺鍍粒子，避免因濺鍍粒子的撞擊造成顆粒剝落並形成污染。進一步地，本實施例提供的遮罩結構包括遮擋件20和遮罩件30兩個獨立部件，且遮擋件20和遮罩件30之間形成有間隙，因此能夠有效避免因濺鍍粒子濺鍍在遮擋件20和遮罩件30上而沉積出金屬層並形成閉合環路。因此，與現有技術相比，本實施例因設置了單獨的遮擋件20來遮擋遮罩件30的缺口，因而能夠避免製程過程中濺鍍粒子沉積到遮罩件30的缺口處產生閉合環路，從而克服了現有技術中遮罩件結構的齒狀溝槽中容易沉積濺鍍粒子而導致齒狀溝槽閉合的問題。此 外，本實施例提供的遮罩結構由遮擋件20和遮罩件30兩個獨立部件裝配形成，無需像現有技術那樣，為了使遮罩件能夠在遮蓋反應腔內壁的同時不構成閉合環路而將遮蔽件設置成齒狀溝槽的形狀，因此相對於現有技術，本實施例提供的遮罩結構降低了加工精度的要求，這不僅便於製造和安裝，而且還降低了製造和安裝的成本。

較佳地，遮擋部延伸至遮罩件30的缺口處的邊緣部分，以覆蓋遮罩件30上的缺口，使得反應腔內部與反應腔內壁10之間沒有直視路徑，防止濺鍍粒子或者帶電離子從缺口處轟擊反應腔內壁10，從而延長反應腔內壁10的使用壽命。

本實施例中，遮罩件30上的缺口的數量為4個，遮擋件20的數量也為4個，並且設置位置與缺口一一對應。可以理解，在實際應用中，缺口和遮擋件20的數量可以根據需要設置成其他數目，只要二者數量和設置位置一一對應，並使每一個缺口處都有遮擋件20進行遮擋，同時能夠在每一個缺口處均能形成射頻能量傳送通道。

本實施例中，為使放電線圈50發送的射頻能量均勻的傳送至反應腔內，將遮罩件30上的4個缺口設置為沿反應腔內壁10的周向均勻分佈，即，這4個缺口在遮罩件30上的正投影中呈十字對稱分佈。可以理解，當遮罩件30上的缺口的數量為多個時，較佳使這些缺口沿反應腔內壁10的周向均勻分佈(例如第4圖所示實施例)，即，遮罩件30在平行於反應腔底部的平面中的正投影為中心對稱圖形。這樣可以使得在每個缺口處由遮擋件20和遮罩件30形成的射頻能量傳送通道也能沿反應腔內壁10的周向均勻分佈，從而使得放電線圈50發送的射頻能量均勻的傳送至反應腔內，從而 能夠進一步使得被激發的電漿也較為均勻。

更進一步地，遮擋件20的內表面的材質和/或遮罩件30的內表面的材質可以為金屬良導體，具體地，可以採用與濺鍍源40相同的金屬，或者，可以採用與濺鍍源40的屬性較為接近的金屬良導體製成遮擋件20和遮罩件30。採用金屬良導體製成遮擋件20和遮罩件30，能夠使得遮擋件20和遮罩件30更加容易吸附濺鍍到其上的濺鍍粒子，能夠有效避免濺鍍粒子剝落後造成的顆粒污染，同時，當濺鍍粒子沉積到遮擋件20和遮罩件30上時，所形成的沉積層也能在PVD製程過程中較為穩定，避免了再次剝落。可以理解的是，上述僅為本發明的較佳實施方式，本發明中遮擋件和遮罩件的材質不限於此。

更進一步地，遮罩件30可以是由金屬良導體塗覆在反應腔內壁10的內壁上形成的，具體可以採用浸漬、噴塗或旋塗等方法進行塗覆。例如，可以採用高溫噴塗的方法，將金屬良導體噴塗在反應腔內壁10的內壁上以形成遮罩件30，金屬的噴塗方法為現有技術，在此不過多贅述。採用金屬的噴塗方法能夠較為簡便地在壁上形成遮罩件30，而不需要製造單獨的部件作為遮罩件30，能夠進一步簡化加工遮罩件30的製程流程，節約了成本。需要說明的是，在實際應用中，也可以不預先設置遮罩件30，而是先設置遮擋件20，之後通過PVD製程過程中濺鍍粒子在反應腔內壁10的內表面上沉積出的金屬層作為遮罩件30。

更進一步地，採用塗覆方法形成的遮罩件30的厚度可以在0.5-2mm之間。具體地，可以採用並控制金屬的噴塗方法，使得在反應腔內壁10的內表面上噴塗上厚度為0.5-2mm的金屬層作為遮罩件30。採用上述方 式，可以使得遮罩件30的結構較薄，因而在PVD製程過程中，遮罩件30的熱膨脹量較小，避免了由於受熱膨脹導致遮罩件30與遮擋件20在反應腔內壁10的內表面上形成閉合環路，同時，與現有技術相比，能夠避免遮罩件30受熱膨脹後對反應腔內壁造成破壞。

更進一步地，遮罩件30和遮擋件20的表面可以形成有凸起和/或凹坑，即，遮罩件30和遮擋件20的表面可以為粗糙化的。具體地，由於採用金屬噴塗方法得到的金屬塗層表面為粗糙化的，因此可以在反應腔內壁10的內壁上噴塗金屬形成遮罩件30並自然使得遮罩件30的表面粗糙化，同樣，可以在遮擋件20的表面採用金屬噴塗方法噴塗上金屬塗層，以使遮擋件20的表面粗糙化。遮罩件30和遮擋件20的表面粗糙化能夠更加有效地吸附濺鍍到遮罩件30和遮擋件20上的濺鍍粒子，避免了濺鍍粒子剝落造成的顆粒污染。

請參閱第6圖，為本發明另一實施例提供的遮罩結構設置於反應腔內時的裝配示意圖。本實施例提供的遮罩結構與第3圖至第5圖所示實施例遮罩結構類似，二者的區別在於：遮罩件30不是設置於反應腔內壁10，而是設置於反應腔內壁10的內側，即，在反應腔的腔室中與反應腔內壁10間隔一定距離且環繞該反應腔內壁10設置有遮罩件30。

本實施例中，遮罩件30不再是塗覆製程形成的膜層，而是一個具有一定壁厚的可獨立地在放置於反應腔的腔室中的襯筒。該遮罩件30的加工材料、其上的缺口以及與之對應的遮擋件20的設置數量和設置位置與前述第3圖至第5圖所示實施例類似，在此不再贅述。至於遮擋件20的固定方式，可以類似於前述實施例而將其固定於反應腔內壁10上；也可以將 其固定於遮罩件30的外表面上，只要使二者固定時保持絕緣而不構成閉合環路即可，例如，可以採用絕緣的連接件代替金屬的螺釘或鉚釘等。

本實施例提供的遮罩結構在具有前述實施例所述的有益效果的同時，還具有這樣的優點：其一，能夠根據製程需要而任意設置遮罩件；其二，可以根據不同的濺鍍靶材，選擇更合適的材料製成的遮罩件；其三，由於其中的遮罩件不是設置於內壁上的，因而可以便於裝配和更換。

請參閱第7圖，為本發明又一實施例提供的遮罩結構設置於反應腔內時的裝配示意圖。本實施例提供的遮罩結構與第6圖所示實施例中的遮罩結構類似，二者的區別在於：遮擋件20設置於遮罩件30上的缺口的外側，即，遮擋件20的內表面到反應腔的中心軸線的距離大於遮罩件30的內表面到反應腔的中心軸線的距離，以使遮擋件20在遮罩件30的外側遮擋覆蓋其上的缺口。

類似於第6圖所示，本實施例提供的遮罩結構同樣具有便於裝配和更換、能夠適應不同製程和濺鍍靶材等優點。

請參閱第8圖，為本發明再一實施例提供的遮罩結構設置於反應腔內時的裝配示意圖。本實施例提供的遮罩結構與第7圖所示實施例中的遮罩結構類似，二者的區別在於：遮罩件30包括基體32和設置於基體32內壁上的遮罩層31。其中，基體32較佳採用陶瓷等非金屬材料，至於遮罩層31的材料及其與基體32之間的設置方式，可以採用前述第3圖至第5圖所示實施例所述方式。

類似於第7圖所示，本實施例提供的遮罩結構同樣具有便於裝配和更換、能夠適應不同製程和濺鍍靶材等優點。

通過對本發明提供的遮罩結構的上述描述可以看出，本發明各實施例提供的遮罩結構設置於反應腔內且包括遮擋件和遮罩件，借助該遮罩結構能夠在360度的範圍內對反應腔內壁進行遮蔽，有效地防止了濺鍍粒子或者帶電離子轟擊反應腔內壁，從而對反應腔內壁形成有效保護，避免了濺鍍粒子在反應腔內壁上沉積出的金屬層產生閉合環路，同時能夠吸附濺鍍到其上的濺鍍粒子，避免了濺鍍粒子剝落後造成的顆粒污染。進一步地，由於遮擋件和遮罩件為兩個彼此獨立的部件，因此，其不僅能夠克服現有技術中的遮罩件因其齒狀溝槽中容易沉積濺鍍粒子而導致齒狀溝槽閉合的問題，而且能夠降低加工精度的要求，節約成本；此外，還能夠有效避免現有技術中的一體結構的遮罩件因受熱膨脹而產生閉合環路或者對反應腔內壁造成損毀的問題。

此外，當遮罩件為塗覆在反應腔內壁上的遮罩膜層時，或者包括塗覆在基體上的遮罩膜層時，由於該膜層的厚度相比於現有技術中的遮罩件薄，因此，本發明實施例提供的遮罩結構在不斷受到帶電離子和/或濺鍍粒子的轟擊而導致溫度升高時，其熱膨脹的程度要遠小於現有技術中的遮罩件的膨脹程度，因此，不易出現因膨脹而導致的閉合環路現象。

可以理解的是，以上實施方式僅僅是為了說明本發明的原理而採用的示例性實施方式，然而本發明並不侷限於此。對於本領域內的普通技術人員而言，在不脫離本發明的精神和實質的情況下，可以做出各種變型和改進，這些變型和改進也視為本發明的保護範圍。

10‧‧‧反應腔內壁

20‧‧‧遮擋件

30‧‧‧遮罩件

40‧‧‧濺鍍源

50‧‧‧放電線圈

Claims (12)

1. 一種用於反應腔的遮罩結構，其特徵在於，該遮罩結構置於該反應腔內且包括遮擋件和遮罩件，其中該遮罩件環繞該反應腔的內壁而設置，在該遮罩件上開設有至少一個沿軸向貫穿該遮罩件的缺口；對於每一個所述缺口而言，均配置有一個與之相對設置的該遮擋件，並且該遮擋件在該缺口所在平面內的投影覆蓋該缺口，且該遮擋件的內表面到該反應腔的中心的距離不等於該遮罩件的內表面到該反應腔的中心的距離，以使該遮擋件與該遮罩件之間形成射頻能量傳送通道。
2. 如申請專利範圍第1項所述的遮罩結構，其中，該遮罩件設置在該反應腔的內壁上。
3. 如申請專利範圍第1項所述的遮罩結構，其中，該遮罩件包括遮罩層，該遮罩層為塗覆在該反應腔的內壁上的膜層。
4. 如申請專利範圍第1項所述的遮罩結構，其中，該遮罩件設置在該反應腔的內壁的內側。
5. 如申請專利範圍第4項所述的遮罩結構，其中，該遮罩件包括基體和遮罩層，該遮罩層為塗覆在該基體的內表面的膜層。
6. 如申請專利範圍第5項所述的遮罩結構，其中，該基體的材料為絕緣材料。
7. 如申請專利範圍第3項、第5項或第6項所述的遮罩結構，其中，該遮罩層的厚度為0.5-2mm。
8. 如申請專利範圍第2項至第6項中任一項所述的遮罩結構，其中，該遮擋件的內表面到該反應腔中心的距離小於該遮罩件的內表面到該反應腔中心的距離。
9. 如申請專利範圍第4項至第6項中任一項所述的遮罩結構，其中，該遮擋件的內表面到該反應腔中心的距離大於該遮罩件的內表面到該反應腔中心的距離。
10. 如申請專利範圍第1項所述的遮罩結構，其中，該缺口的數量為多個，且沿該反應腔的周向均勻分佈。
11. 如申請專利範圍第1項所述的遮罩結構，其中，該遮罩件的內表面和/或該遮擋件的內表面的材質為金屬良導體。
12. 如申請專利範圍第1項所述的遮罩結構，其中，該遮罩件和/或該遮擋件的內表面形成有凸起和/或凹坑。