TWI745486B - 用於在物理氣相沉積腔室中的準直器 - Google Patents

用於在物理氣相沉積腔室中的準直器 Download PDF

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Abstract

本文提供了準直器及包括此等準直器之處理腔室的實施例。在一些實施例中，在基板處理腔室中使用的準直器包括：環；配接器，圍繞該環且具有內部環形壁；以及複數個輻條，從該內部環形壁延伸且在該準直器的中心軸處相交。

Description

用於在物理氣相沉積腔室中的準直器
本揭示之實施例大致關於基板處理設備。
在諸如(例如)物理氣相沉積(PVD)腔室的處理腔室中進行膜沉積隨著基板中特徵大小的持續縮小而變得日益不同。在此等情況中，諸如(例如)鉭(Ta)及氮化鉭(TaN)的金屬材料經常被選擇為沉積在基板上以建立障壁膜的材料。然而，因為TaN為氮化物膜，TaN具有較低的凝聚力且比金屬膜材料更脆弱。如此，在此等材料的沉積期間，沉積在習知處理套組之處理護罩的上部上的膜的厚度最大，從而歸因於脆弱性及對處理套組的不良黏著性/凝聚性而導致材料的剝落或脫離。剝落藉由處理護罩的熱膨脹及收縮而進一步加劇，處理護罩的熱膨脹及收縮是由在處理步驟期間中性或離子化材料的衝擊以及在閒置狀態期間返回室溫而造成。
由此，發明人已提供了改良的準直器之實施例。
本文提供了準直器及包括此等準直器之處理腔室的實施例。在一些實施例中，一種在基板處理腔室中 使用的準直器包括：環；配接器，圍繞該環且具有內部環形壁；以及複數個輻條，從該內部環形壁延伸且在該準直器的中心軸處相交。
在一些實施例中，一種處理腔室，包含：腔室主體，界定內部容積；濺鍍靶，設置在該內部容積之上部中；基板支撐件，設置在與該濺鍍靶相對的該內部容積的下部中；準直器，設置在該濺鍍靶與該基板支撐件之間，其中該準直器包含：環；配接器，圍繞該環且具有內部環形壁，其中該配接器耦接至該腔室主體；以及複數個輻條，從該內部環形壁延伸且在該準直器的中心軸處相交。
在一些實施例中，一種在基板處理腔室中使用的單片式準直器包含：單環，具有約285mm的內部直徑、約50mm的高度及約0.5英吋的厚度；配接器，圍繞該單環且具有內部環形壁；複數個輻條，從該內部環形壁延伸且在該單片式準直器的中心軸處相交，其中該複數個輻條關於該單片式準直器的中心軸而軸對稱地佈置；以及複數個通道，對應於該複數個輻條且設置在該複數個輻條內，其中該複數個通道延伸穿過該配接器及該單環，其中在該內部環形壁內的該準直器的所有表面經紋理化。
下文描述了本揭示的其他及進一步實施例。
100:處理腔室
102:側壁
103:底部
104:蓋組件
105:腔室主體
106:內部容積
108:基板支撐件
109:傳送埠
110:氣源
111:支撐表面
112:泵
113:底板
114:濺鍍靶
116:源組件
117:電源供應器
118:基板
119:磁控管
120:內部護罩
122:外部護罩
123:徑向凸緣
126:覆蓋環
136:邊緣沉積環
138:熱控制器
140:線圈間隔件
142:感應線圈
144:突片
145:熱傳遞介質供應器
150:電源
156:絕緣器
158:記憶體
160:CPU
162:支援電路
168:上表面
169:下表面
175:準直器
179:向下突出的唇部
180:RF電源
182:箭頭
189:凸緣部分
198:控制器
199:配接器
202:主體
204:環
205:環形壁
206:輻條
208:中心軸
210:入口
211:出口
220:熱傳遞通道
224:第一盲孔
225:第二盲孔
上文簡要概述且在下文更詳細論述之本揭示的實施例可參考隨附圖式中所描繪的本揭示之說明性實施例來理解。然而，隨附圖式僅示出本揭示的常見實施 例，且由此不應考慮為對範疇的限制，因為本揭示可允許其他等效的實施例。
第1圖根據本揭示的一些實施例描繪了處理腔室的橫截面圖。
第2圖根據本揭示的一些實施例描繪了準直器的等角視圖。
第2A圖描繪了沿著線A-A’截取的第2圖之準直器的側面橫截面圖。
第2B圖描繪了沿著線B-B’截取的第2圖之準直器的頂部橫截面圖。
為了便於理解，已儘可能地使用相同的元件符號來代表圖式中共有的相同元件。圖式並非按照比例繪製，且可能出於清晰目的而簡化。一個實施例的元件及特徵可有益地併入其他實施例中而無須進一步詳述。
本文提供了準直器及包括此等準直器之處理腔室的實施例。在一些實施例中，本文提供了具有熱傳遞通道的準直器，其中熱傳遞介質流過該等熱傳遞通道。熱傳遞通道有利地允許控制準直器的溫度。在一些實施例中，熱傳遞介質為冷卻劑，當流過準直器時，該冷卻劑將準直器維持於固定溫度，因此有利地防止熱膨脹及收縮，且防止沉積在準直器上的濺鍍材料之剝落或脫離。在一些實施例中，準直器亦可經紋理化以有利地改良沉積在準直器上之濺鍍的材料之黏著性，且進一步緩解剝落。
第1圖根據本揭示之一些實施例描繪了具有準直器175之說明性處理腔室100(例如，PVD腔室)之示意性橫截面圖。適合的PVD腔室之實例包括可從Applied Materials,Inc.,Santa Clara,of California商購之SIP ENCORE®以及其他PVD處理腔室。然而，發明的準直器亦可在從其他製造商們獲得的處理腔室中使用。在一個實施例中，處理腔室100能夠例如在基板118上沉積鉭、氮化鉭、氮化鈦、鎢、氮化鎢及類似者。
處理腔室100具有腔室主體105，該腔室主體包括側壁102、底部103及蓋組件104，所有此等封閉內部容積106。基板支撐件108經設置在與濺鍍靶114相對的處理腔室100之內部容積106的下部中。基板傳送埠109形成在側壁102中以用於將基板傳送至內部容積106中並傳送出該內部容積。
氣源110耦接至處理腔室100以將處理氣體供應至內部容積106中。在一個實施例中，若為必要的，處理氣體可包括惰性氣體、非反應性氣體及反應性氣體。可由氣源110提供的處理氣體之實例包括但不限於氬氣(Ar)、氦(He)、氖氣(Ne)、氮氣(N2)、氧氣(O2)及氪(Kr)等等。
泵112耦接至處理腔室100而與內部容積106連通，以控制內部容積106的壓力。在一個實施例中，處理腔室100之壓力可維持於約1托或更低。在另一 實施例中，在處理腔室100內的壓力可維持於約500毫托或更低。仍在另一實施例中，在處理腔室100內的壓力可維持於約1毫托及約300毫托。
底板113可將濺鍍靶114支撐在內部容積106的上部中。濺鍍靶114通常提供將沉積在基板118中的材料的來源。濺鍍靶114可由含有鈦(Ti)金屬、鉭金屬(Ta)、鎢(W)金屬、鈷(Co)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鋁(Al)、其合金、其組合或類似者的材料製造。
濺鍍靶114可耦接至源組件116，該源組件包含用於靶的電源供應器117。在一些實施例中，電源供應器117可為RF電源供應器。在一些實施例中，電源供應器117可替代地為DC源電源供應器。在一些實施例中，電源供應器117可包括DC及RF電源兩者。磁控管119可鄰近濺鍍靶114耦接。磁控管119組件的實例包括電磁線性磁控管、蛇形磁控管、螺旋磁控管、雙指狀磁控管(double-digitated magnetron)、矩形螺旋磁控管等等。磁控管可由永久稀土磁鐵組成。磁控管119可限制電漿並且沿著濺鍍靶114分配電漿的濃度。
額外的RF電源180亦可穿過基板支撐件108耦接至處理腔室100，以在需要時在濺鍍靶114與基板支撐件108之間提供偏置功率。在一個實施例中，RF電源180可將功率提供至基板支撐件108，而以在約1MHz與約100MHz之間(諸如約13.56MHz)的頻率偏置基板118。
如箭頭182所示，基板支撐件108可在升高位置與降低位置之間移動。在降低位置中，基板支撐件108的支撐表面111可與基板傳輸埠109對準或剛好在基板傳輸埠109下方，以便於基板118進入處理腔室100或從處理腔室100移除。支撐表面111可具有邊緣沉積環136，該邊緣沉積環經大小設計以在其上接收基板118同時保護基板支撐件108不受電漿及沉積的材料影響。基板支撐件108可移動至更靠近濺鍍靶114的升高位置以用於在處理腔室100中處理基板118。當基板支撐件108處於升高位置中時，覆蓋環126可接合邊緣沉積環136。覆蓋環126可防止沉積材料在基板118與基板支撐件108之間橋接。當基板支撐件108處於降低位置中時，覆蓋環126懸掛在基板支撐件108及其上定位的基板118上方，以允許基板的傳送。
在基板傳送期間，其上具有基板118的機械手葉片(未圖示)延伸穿過基板傳送埠109。升降銷(未圖示)延伸穿過基板支撐件108的支撐表面111以從基板支撐件108的支撐表面111提升基板118，因此允許用於機械手葉片經過基板118與基板支撐件108之間的空間。機械手可接著經由基板傳送埠109承載基板118離開處理腔室100。基板支撐件108及/或升降銷的升高及降低可由控制器198來控制。
在濺鍍沉積期間，基板118的溫度可藉由採用熱控制器138來控制，該熱控制器經設置在基板支撐件 108中。基板118可經加熱或冷卻至期望溫度以用於處理。溫度控制器138控制基板118的溫度，且若進入的基板溫度不同於基板支撐件的溫度，則可採用該溫度控制器來在大約數秒至約一分鐘內將基板118的溫度從第一溫度改變為第二溫度。
內部護罩120可定位在濺鍍靶114與基板支撐件108之間的內部容積106中。內部護罩120可由鋁或不銹鋼等等的材料形成。在一個實施例中，內部護罩120由鋁形成。外部護罩122可在內部護罩120與側壁102之間形成。外部護罩122可由鋁或不銹鋼等等的材料形成。外部護罩122可延伸過內部護罩120，且經配置成在基板支撐件108處於降低位置中時支撐覆蓋環126。
在一個實施例中，內部護罩120包括徑向凸緣123，該徑向凸緣包括大於內部護罩120之外部直徑的內部直徑。徑向凸緣123相對於內部護罩120之內側直徑表面以大於約90度(90°)的角度從內部護罩120延伸。徑向凸緣123可為從內部護罩120之表面延伸的圓形脊部，且通常適用於與在基板支撐件108上設置的覆蓋環126中形成的凹槽配合。凹槽可為在覆蓋環126中形成的圓形溝槽，該溝槽相對於基板支撐件108的縱軸而將覆蓋環126置中。
處理腔室100進一步包括設置在濺鍍靶114與基板支撐件108之間的準直器175。在一些實施例中，準直器175為單片式的(亦即，單式結構)，以改良在準 直器的各個部分之間的熱傳導性。在一些實施例中，準直器175可以較新的製造技術製成，諸如(例如)增材製造(亦即，3D列印)。處理腔室100亦包括熱傳遞介質供應器145，該熱傳遞介質供應器流體耦接至設置在準直器175內的複數個熱傳遞通道220(下文關於第2A圖及第2B圖所描述)，以控制準直器175的溫度。在一些實施例中，熱傳遞介質供應器145將冷卻劑(諸如，例如水)供應至複數個熱傳遞通道220，以將準直器175維持於固定溫度且有利地避免準直器175的熱膨脹及收縮，因此減少濺鍍沉積物從準直器175剝落或脫離。準直器175與配接器199對接以在蓋組件104關閉時，確保蓋組件104與腔室的其餘部分適當地耦接(如第1圖中所示)。絕緣器156可設置在蓋組件104與配接器199之間，以將配接器(以及因此準直器175)與蓋組件104電氣隔絕。準直器175包括凸緣部分189，當準直器175安裝在腔室中時，該凸緣部分可放置在處理腔室100的側壁102上。在一些實施例中，準直器175可包括與內部護罩120重疊的向下突出的唇部179，以防止濺鍍材料沉積在內部護罩120的頂表面上。
在一些實施例中，準直器175的上表面168與濺鍍靶114的底表面以第一距離D1間隔開來，該第一距離在約25mm與約75mm之間。在一些實施例中，第一距離D1為約50mm。在一些實施例中，準直器175的下表面169與基板支撐件108的支撐表面111以第二距離 D2間隔開來，該第二距離在約255mm與約335mm之間。在一些實施例中，上表面168及下表面169為準直器175之輻條的上表面及下表面(下文將論述)。
第2圖至第2B圖根據本揭示的一些實施例描繪了準直器175之等角視圖及橫截面圖。在一些實施例中，準直器包括主體202、設置在主體202內且與主體202同心的環204、及複數個輻條206，該複數個輻條從內部環形壁205徑向向內延伸且與中心軸208軸對稱地在準直器175的中心軸208處相交。在一些實施例中，且如第2圖及第2B圖中示出，複數個輻條206為八個輻條。在一些實施例中，準直器175可具有更少或更多個輻條。更多個輻條將造成增加的沉積阻礙，且因此降低沉積速率，此舉在一些情況下為期望的(例如，小的特徵需要較低的沉積速率)。較少的輻條導致準直器175的較少冷卻。
發明人已觀察到具有單個環204的準直器有利地改良待處理的基板上之沉積均勻性。在一些實施例中，準直器175可替代地具有一個以上的環204。如上文所解釋，諸如(例如)Ta/TaN堆疊的一些材料之沉積趨於從準直器剝落因此污染基板及/或基板支撐件。如此，輻條206包括設置在輻條206內側之熱傳遞通道220以便於控制準直器175的溫度。
熱傳遞介質供應器145經由對應入口210將熱傳遞介質供應至每個熱傳遞通道220。在熱傳遞介質流過給定的輻條206且隨後流過在中心軸208的相對側上 的輻條之後，熱傳遞介質流動出與入口210相對設置的對應出口211。在準直器175包括八個輻條206的實施例中，準直器175包括四個入口210及與入口210相對設置的四個出口211。在一些實施例中，所有入口210可為相鄰的，且因此出口亦為相鄰的。在一些實施例中，入口210及出口211可交替，使得接收供應至準直器175的熱傳遞介質之一個輻條鄰近從準直器175返回熱傳遞介質之輻條，因此導致逆流及改良的對準直器175的熱控制。熱傳遞通道220之大小(直徑)及傳導性經配置以使得當熱傳遞介質流過通道時，準直器175的溫度維持於在約15℃與約30℃之間的溫度。為了避免在處理腔室100內側之熱傳遞介質的任何潛在洩漏，如第1圖中所示，入口210及出口211經設置在內部容積106的外部。
參看第2A圖，環204具有在約210mm與約325mm之間的內部直徑D3。在一些實施例中，直徑D3在約250mm與約310mm之間。在一些實施例中，直徑D3為約285mm。直徑D3的大小取決於所使用的磁控管119之類型、濺鍍靶114與準直器175之間的距離、及環204的垂直厚度h1。在一些實施例中，垂直厚度h1可在約40mm至約70mm之間。在一些實施例中，垂直厚度h1可為約45mm。在一些實施例中，準直器175可視情況具有第一盲孔224及第二盲孔225，熱電偶(未圖示)可穿過該第一盲孔224插入以量測環204的溫度，另一熱 電偶(未圖示)可穿過該第二盲孔225插入以量測熱傳遞通道220的交點的溫度。
參看第2B圖，在一些實施例中，環204及每個輻條206之厚度T2可在約0.25英吋與1.5英吋之間。在一些實施例中，厚度T2可為約0.5英吋。環204及每個輻條206的厚度可為相同的或不同的。
在一些實施例中，內部環形壁205的徑向向內設置之準直器175的所有表面(包括環形壁205)經紋理化以改良濺鍍的材料對準直器175的黏著性。例如，紋理化的表面可具有在約1,150微英吋與約1,500微英吋之間的表面粗糙度。紋理化的表面可使用任何紋理化方法進行紋理化，該紋理化方法諸如(例如)LAVACOATTM、珠粒噴砂(bead blasting)或類似者。在一些實施例中，紋理化的表面使用鋁電弧噴灑來進行紋理化，該鋁電弧噴灑均勻地塗佈所有紋理化的表面。
返回第1圖，控制器198耦接至處理腔室100。控制器198包括中央處理單元(CPU)160、記憶體158及支援電路162。採用控制器198來控制處理順序、調節從氣源110至處理腔室100中的氣流及控制濺鍍靶114的離子衝擊。CPU 160可呈在工業設置中可使用的任何形式的通用電腦處理器。軟體常式可儲存在記憶體158中，諸如隨機存取記憶體、唯讀記憶體、軟碟或硬碟驅動、或其他形式的數位儲存。支援電路162習知地耦接至CPU 160，且可包含快取記憶體、時鐘電路、輸入/ 輸出子系統、電源供應器及類似者。當由CPU 160執行時，軟體常式將CPU 160轉換成控制處理腔室100的專用電腦(控制器)198，使得處理根據本揭示進行。軟體常式亦可藉由位於處理腔室100遠端的第二控制器(未圖示)儲存及/或執行。
在一些實施例中，根據一個實施例，處理腔室100可包括感應線圈142。處理腔室100的感應線圈142可具有一匝(one turn)。感應線圈142可為剛好在內部護罩120內側且定位在基板支撐件108上方。感應線圈142可經定位為相較於濺鍍靶114更靠近基板支撐件108。感應線圈142可由與濺鍍靶114之成分類似的材料(諸如，例如鉭)形成以充當次要濺鍍靶。感應線圈142藉由複數個線圈間隔件140從內部護罩120支撐。線圈間隔件140可將感應線圈142與內部護罩120及其他腔室部件電氣隔絕。
感應線圈142可耦接至電源150。電源150可具有穿透處理腔室100之側壁102、外部護罩122、內部護罩120及線圈間隔件140的電引線。電引線連接至感應線圈142上的突片144以用於將功率提供至感應線圈142。突片144可具有複數個絕緣的電連接以用於將功率提供至感應線圈142。此外，突片144可經配置成與線圈間隔件140對接且支撐感應線圈142。電源150將電流施加至感應線圈142以在處理腔室100內感應RF場，且將 功率耦合至電漿以用於增加電漿密度，亦即反應離子的濃度。
儘管以上內容涉及本揭示的實施例，可在不脫離本揭示之基本範疇的情況下設計出本揭示的其他及進一步實施例。
175‧‧‧準直器
202‧‧‧主體
204‧‧‧環
205‧‧‧環形壁
206‧‧‧輻條
208‧‧‧中心軸
210‧‧‧入口
211‧‧‧出口

Claims (20)

  1. 一種在一基板處理腔室中使用的準直器，包含：一環；一主體，圍繞該環且具有一內部環形壁；以及複數個輻條，從該內部環形壁延伸且在該準直器的一中心軸處相交；及複數個通道，對應於該複數個輻條且設置在該複數個輻條內，其中該複數個通道中的每個通道從設置在該主體的一外部側壁上的一相對應的入口延伸至設置在該主體的一相對側上的一相對應的出口。
  2. 如請求項1所述之準直器，其中該複數個通道具有從該入口至該出口的一基本上均勻的橫截面積。
  3. 如請求項1所述之準直器，其中該準直器為一單式結構。
  4. 如請求項1所述之準直器，其中該環具有在約210mm與約325mm之間的一內部直徑。
  5. 如請求項1所述之準直器，其中該環具有在約40mm與約70mm之間的一高度。
  6. 如請求項1所述之準直器，其中該環及該複數個輻條具有在約0.25英吋至約1.5英吋之間的一厚度。
  7. 如請求項1所述之準直器，其中該環為一單個環。
  8. 如請求項1所述之準直器，其中該內部環形壁的徑向向內設置的該準直器之所有表面經紋理化。
  9. 如請求項8所述之準直器，其中該等紋理化的表面具有在約1,150微英吋至約1,500微英吋之間的一表面粗糙度。
  10. 如請求項9所述之準直器，其中該等紋理化的表面由一鋁電弧噴灑塗佈形成。
  11. 如請求項1所述之準直器，其中該複數個輻條為關於該準直器的一中心軸而軸對稱地佈置的八個輻條。
  12. 一種處理腔室，包含：一腔室主體，界定一內部容積；一濺鍍靶，設置在該內部容積之一上部中；一基板支撐件，設置在與該濺鍍靶相對的該內部容積的一下部中；及一準直器，設置在該濺鍍靶與該基板支撐件之間，其中該準直器包含：如請求項1所述之準直器。
  13. 如請求項12所述之處理腔室，其中該準直器的一上表面與該濺鍍靶的一底表面以在約25mm至約75mm之間的一第一距離間隔開來。
  14. 如請求項13所述之處理腔室，其中該準直器的一下表面與該基板支撐件的一支撐表面以在約255mm至約335mm之間的一第二距離間隔開來。
  15. 如請求項12所述之處理腔室，進一步包含：一磁控管，設置在該濺鍍靶上方以輔助該濺鍍靶的濺鍍。
  16. 如請求項12所述之處理腔室，其中該複數個通道具有一基本上均勻的橫截面積。
  17. 如請求項16所述之處理腔室，進一步包含：一熱傳遞介質供應器，流體耦接至該複數個通道以使一熱傳遞介質流過該複數個通道。
  18. 如請求項12所述之處理腔室，其中該環具有以下所述者中的至少一者：在約210mm與約325mm之間的一內部直徑；或在約40mm與約70mm之間的一高度。
  19. 一種在一基板處理腔室中使用的單片式準直器，包含：一單環，具有約285mm的一內部直徑、約50mm的一高度及約0.5英吋的一厚度；一主體，圍繞該單環且具有一內部環形壁；複數個輻條，從該內部環形壁延伸且在該單片式準直器的一中心軸處相交，其中該複數個輻條關於該單 片式準直器的一中心軸軸對稱地佈置；以及複數個通道，對應於該複數個輻條且設置在該複數個輻條內，其中該複數個通道延伸穿過該主體及該單環，其中在該內部環形壁內的該單片式準直器的所有表面經紋理化。
  20. 一種使用於一基板處理腔室中的準直器，包含：一單個環；一主體，該主體圍繞該單個環且具有一內部環形壁；及複數個輻條，從該內部環形壁延伸且在該準直器的一中心軸處相交。
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