一种低温深孔偏压溅射设备的制作方法

1.本实用新型涉及半导体技术领域，应用于半导体金属化制程，具体涉及一种低温深孔偏压溅射设备。


背景技术：

2.目前磁控溅射又称物理气相沉积，是集成电路制造过程中沉积金属层以及非金属材料广泛采用的方法。而氮化稼背孔工艺使用了这种加工方式，该技术大大降低了芯片之间的互联延时，并且是三维集成实现的关键技术。
3.传统的磁控溅射技术中，金属原子和离子呈一定的角度溅射到晶片上，但对于高深宽比、有异向结构的氮化稼背孔，溅射的金属无法有效进入空洞内部，导致背孔的底部的薄膜覆盖率很低。现有的磁控溅射深孔沉积技术是在磁控溅射的晶片基座上加载一个负偏压来吸引等离子体，负偏压在合适的范围内时，更多的金属正离子就会被吸引吸附到深孔的孔底。通常因为晶片本身绝缘，基座的偏压都是通过在其上加载射频功率来实现的。
4.偏压溅射在背孔工艺中的应用主要在深孔内部沉积粘附层和金籽晶层，粘附层的作用是让金与其他材料更好的粘附在一起。金籽晶层的作用是为后续电镀工艺做一层导电层，因此对于偏压溅射的背孔工艺，其底部的薄膜覆盖率就有很高的要求，粘附层的薄膜覆盖率不高会导致在后续的工艺中发生孔壁金属脱落的情况，金籽层的覆盖率不佳，会导致电镀工艺无法正常进行，验证影响器件的性能。
5.以应用材料5500为例，正常腔室如图1所示，电机(motor)1’旋转的时候带动磁铁(magnet)2’旋转，以束缚等离子体(plasma)以及增加二次电子来保证持续溅射的进行，腔体7’内通入氩气保证溅射过程的持续进行，靶材(target)3’冷却循环水通保证溅射时的热量及时被带走。在靶材3’的下方有适配器，遮罩8’装在适配器上，来遮挡多余的溅射离子，避免其溅射到腔体的其他区域，压环在进行工艺的时候会被顶到与遮罩脱离的位置，以确保射频功率不会被加载在腔体外壳，载片台具有升降机构，来保证不同需求的靶间距。载片台内部有冷却水循环，并有氩气管路加载在晶片背部。
6.正常制程中，晶片被载片台(pedestal)顶起，由于收到压环(clamp ring)4’重力的作用晶片会被紧紧压在载片台上，此时通过背部管路的氩气在制程中填充晶片(wafer)5’与载片台(pedestal)6’之间的缝隙作为热传导的媒介，这样热量可以更好的被循环水带走，这样可以达到冷却晶片的目的。如果是高温制程，则通过背部管路的氩气来均匀的传导热量使晶片均匀加热。
7.但是在实际的生产中，溅射重金属，以金(au)为例，其产生的热量较大，实验发现，用此种结构的腔室来进行制程的时候，刚开始的几片晶片的工艺温度还可以比较好的控制，几片过后，温度开始逐渐升高而导致粘合晶片的蜡溶解而污染晶片，开腔后发现压环的温度非常高，在生产过程中，由于压环的热量在真空中无法快速传导出去，形成了热积累，导致压环的温度很高，变成了热源，在制程中反而对晶片进行了加热。由于工艺胶和蜡需要在100摄氏度以下才能有较好的粘合作用，所以此种机构就无法在大规模的生产中应用。


技术实现要素：

8.为了解决应用材料endura 5500溅射台在溅射某些金属无法实现低温工艺的问题，满足实际生产中加工件表面涂层不熔化的低温需求，本实用新型提供了一种低温深孔偏压溅射设备。
9.本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
10.本实用新型提供一种低温深孔偏压溅射设备，其包括靶材、腔体和置于腔体内的载片台，其特点在于，所述靶材和腔体之间增设固定有腔体适配器，所述腔体适配器上连接有适配器进水管和适配器出水管，所述载片台上固定有用于放置晶圆的冷却盘，所述腔体适配器内放置有上遮罩和下遮罩，所述上遮罩的顶部固定在腔体适配器上，所述上遮罩的下部的壁上沿着圆周方向均匀地开设有多个通孔，所述下遮罩的壁上沿着圆周方向均匀地开设有与通孔相对应的长条调节孔，所述上遮罩的下部套在下遮罩内，并通过螺栓穿设对应的长条调节孔和通孔以固定上遮罩和下遮罩，所述下遮罩的底部固定有底板，所述底板上开设有中心孔，所述底板上沿着圆周方向均匀地开设有多个安装孔，每一所述安装孔的边沿周缘上均放置有绝缘陶瓷柱，所述绝缘陶瓷柱套设在固定柱内，所述固定柱固定于底板上，每一所述固定柱均对应有一个保护罩，所述保护罩罩设对应的固定柱，t型吊杆的顶端置于绝缘陶瓷柱的顶部，所述t型吊杆的底端与压环固定连接，所述压环置于冷却盘的上方，所述压环上沿着圆周方向均匀地设置有多个用于夹压晶圆的可调节压杆。
11.较佳地，所述压环包括压环主体，所述压环主体的表面与t型吊杆的底端固定连接，所述压环主体的内径内嵌设有变径环，所述压环主体上沿着圆周方向开设有多个压杆调节槽，每一压杆调节槽的长度方向为由压环主体的边沿向内径方向，每一压杆调节槽内嵌入可调节压杆，所述可调节压杆包括基座，所述基座上固定有长条滑块，所述长条滑块滑配于对应压杆调节槽内，所述基座的前端固定有遮盖，所述遮盖上固定有压点，所述压点朝向晶圆用于压设晶圆，每一基座和长条滑块上竖向开设有固定螺孔，通过固定螺丝依次穿设基座和长条滑块上的固定螺孔并锁紧压杆与对应的压杆调节槽。
12.较佳地，所述压环主体上沿着圆周方向均匀地开设有三个压杆调节槽。
13.较佳地，所述冷却盘包括冷却盘主体，所述冷却盘主体上沿着圆周方向开设有与腔体内的顶针一一匹配的晶圆顶针孔以供顶针穿设，所述冷却盘主体的中央位置处开设有背气的通气孔，所述冷却盘主体表面开设有气道，所述冷却盘主体上沿着圆周方向开设有多个固定孔，所述固定孔用螺栓将冷却盘主体固定在载片台上，所述冷却盘主体的表面用于承载晶圆。
14.较佳地，所述冷却盘主体上沿着圆周方向开设有三个均匀分布的晶圆顶针孔。
15.较佳地，所述保护罩的内腔高度大于t型吊杆的高度。
16.较佳地，所述上遮罩的下部的壁上沿着圆周方向均匀地开设有三个通孔。
17.较佳地，所述底板上沿着圆周方向均匀地开设有三个安装孔。
18.较佳地，所述t型吊杆的底端与压环相螺接。
19.在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本实用新型各较佳实例。
20.本实用新型的积极进步效果在于：
21.本实用新型通过上下遮罩与带水冷的腔体适配器的紧密结合来提高腔室内部的
热传导，通过将压环吊在遮罩下方，由于溅射金属被遮罩挡住，压环便不会因为溅射工艺过程而成为加热晶圆的热源，基本通过遮罩将整个溅射的热量带走。通过压环压住晶圆，同时晶圆背面通有背气，特殊设计的带冷却盘的载片台也可以将溅射时晶圆的热量带走，同时保证了溅射时温度均匀分布，通过这些设计，不仅降低了实际工艺中晶圆的温度，也满足了较好的批次间的重复稳定性，可以批量，连续生产这种低温工艺。
附图说明
22.图1为现有技术中正常腔室的结构示意图。
23.图2为本实用新型较佳实施例的低温深孔偏压溅射设备的结构示意图。
24.图3为本实用新型较佳实施例的低温深孔偏压溅射设备的结构剖视图。
25.图4和图5为本实用新型较佳实施例的冷却盘、压环、上遮罩和下遮罩的结构组装示意图。
26.图6为本实用新型较佳实施例的冷却盘、压环、上遮罩和下遮罩的结构组装剖视图。
27.图7为本实用新型较佳实施例的绝缘陶瓷柱和固定柱的结构示意图。
28.图8为本实用新型较佳实施例的压环的结构示意图。
29.图9为本实用新型较佳实施例的可调节压杆的结构示意图。
30.图10为本实用新型较佳实施例的压环和可调节压杆的结构组装图。
31.图11为本实用新型较佳实施例的压环和可调节压杆的结构剖视图。
具体实施方式
32.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
33.如图2所示，本实施例提供一种低温深孔偏压溅射设备，其包括靶材1、腔体2和置于腔体2内的载片台3，所述靶材1和腔体2之间增设固定有腔体适配器4，所述腔体适配器4上连接有适配器进水管5和适配器出水管6。
34.如图3
‑
图7所示，所述载片台3上固定有用于放置晶圆的冷却盘7，所述腔体适配器4内放置有上遮罩8和下遮罩9，所述上遮罩8的顶部固定在腔体适配器4上，所述上遮罩8的下部的壁上沿着圆周方向均匀地开设有三个通孔，所述下遮罩9的壁上沿着圆周方向开设有与通孔相对应的长条调节孔10，所述上遮罩8的下部套在下遮罩9内，并通过螺栓11穿设对应的长条调节孔10和通孔以固定上遮罩8和下遮罩9，所述下遮罩9的底部固定有底板12，所述底板12上开设有中心孔，所述底板12上沿着圆周方向均匀地开设有三个安装孔13，每一所述安装孔13的边沿周缘上均放置有绝缘陶瓷柱14，所述绝缘陶瓷柱14套设在固定柱15内，每一所述固定柱15均对应有一个保护罩19，所述保护罩19罩设对应的固定柱15，所述保护罩19的内腔高度大于t型吊杆16的高度，所述固定柱15固定于底板12上，t型吊杆16的顶端置于绝缘陶瓷柱14的顶部，所述t型吊杆16的底端与压环17相螺接，所述压环17置于冷却
盘7的上方，所述压环17上沿着圆周方向均匀地设置有三个用于夹压晶圆的可调节压杆18。
35.其中，所述冷却盘7包括冷却盘主体71，所述冷却盘主体71上沿着圆周方向开设有与腔体内的顶针一一匹配的晶圆顶针孔72以供顶针穿设，所述冷却盘主体71的中央位置处开设有背气的通气孔73，所述冷却盘主体71表面开设有气道74，所述冷却盘主体71上沿着圆周方向开设有四个固定孔75，所述固定孔75用螺栓将冷却盘主体71固定在载片台3上，所述冷却盘主体71的表面用于承载晶圆。
36.如图8
‑
图11所示，所述压环17包括压环主体171，所述压环主体171的表面与t型吊杆16的底端固定连接，所述压环主体171的内径内嵌设有变径环172，所述压环主体171上沿着圆周方向均匀地开设有三个压杆调节槽173，每一压杆调节槽173的长度方向为由压环主体171的边沿向内径方向，每一压杆调节槽173内嵌入可调节压杆18，所述可调节压杆18包括基座181，所述基座181上固定有长条滑块182，所述长条滑块182滑配于对应压杆调节槽173内，所述基座181的前端固定有遮盖183，所述遮盖183上固定有压点184，所述压点184朝向晶圆用于压设晶圆，每一基座181和长条滑块182上竖向开设有固定螺孔185，通过固定螺丝186依次穿设基座181和长条滑块182上的固定螺孔185并锁紧可调节压杆18与对应的压杆调节槽173。
37.所述压环主体171的内径一般设计为200mm，以配合大部分的遮罩使用，所述压环主体11上有三个螺丝孔，是为了配合压环在遮罩上使用，通过三个螺丝孔吊装在遮罩的底部。
38.所述压环主体171上有三道压杆调节槽173来分别将可调节压杆18插入，可调节压杆18可以在压杆调节槽173内移动来调节位置以配合不同尺寸的晶圆，可调节压杆18上有固定螺孔185和固定螺丝186，调整好位置后，可以将可调节压杆18固定住。
39.所述变径环172的目的是配合不同尺寸的晶圆或者配合晶圆上不同的溅射范围，如果需要遮挡不需要被溅射的部分，只需要更换不同的变径环即可。
40.所述可调节压杆18的形状配合压环17上的压杆调节槽173，在可调节压杆18前端设计有一个遮盖183，遮盖183下方是直接固定晶圆的压点184。在实际应用中，压点184的高度通常控制在1mm，而遮盖183要在2mm或者2mm以上的范围才能有效起到防止粘片的作用。
41.所述压环17开设有固定和调节可调节压杆18长度的压杆调节槽173，能适应不同尺寸的晶圆，并能适应非标晶圆尺寸的需求，在可调节压杆18处设计有防止粘片发生的遮盖183，可以避免因为晶圆上镀膜过厚而导致晶圆和可调节压杆18出现粘连的状态。
42.为了方便调节晶圆到遮罩的距离，本实施例将遮罩设计为组合形式，上遮罩8上的通孔与下遮罩9上的长条调节孔10的不同位置对齐，并通过螺栓11穿设对应的长条调节孔10和通孔以固定上遮罩8和下遮罩9，通过长条调节孔10对下遮罩9上下调节，可以改变压环到晶圆的距离。
43.为了避免溅射离子通过安装孔进入绝缘陶瓷柱14内，设计了三个圆柱形的保护罩19来保护绝缘陶瓷柱14。固定柱15则用来将绝缘陶瓷柱14固定在下遮罩9上，这样t型吊杆16可以在绝缘陶瓷柱14内上下运动，可以起到隔绝压环17和遮罩的作用。
44.本实用新型在靶材1和腔体2之间增加了一个腔体适配器4，腔体适配器4增加了高度，可以增加溅射离子的路径，以增加深孔覆盖率，达到更好的深孔填充效果，由于晶圆均匀度的需求，带水冷的腔体适配器4需要实验确定合适的高度。腔体适配器4通有冷却水，上
遮罩8和下遮罩9上的热量通过腔体适配器4被低温水带走。
45.本实用新型的遮罩分为上遮罩8和下遮罩9两部分，上遮罩8用螺丝固定在腔体适配器4上，下遮罩9通过螺栓11固定在上遮罩8上，并可以上下调整高度来适配不同的靶间距的要求。整个上遮罩8和下遮罩9用于遮挡溅射离子，使其不至于溅射到腔体其他区域，也承载了溅射过程中的绝大多数热量。因为其固定在带有水冷的腔体适配器4上，并通过螺丝紧密固定在一起，有比较大的接触面积，所以热量会被很快带走。
46.本实用新型的压环17通过t型吊杆16被置于下遮罩9的下方。压环17在进行工艺的时候，被载有晶圆的载片台3顶起来，这时候，压环17和下遮罩9因为有t型吊杆16侧壁的绝缘陶瓷柱14，两者是绝缘的，这样是因为进行工艺时，射频功率时加载在载片台3上，如果没有绝缘，射频功率会被加到腔体外壳而起不到偏压溅射的目的。下遮罩9上面分布三个保护罩19，用螺丝固定其上，用来保护起绝缘作用的绝缘陶瓷柱14，防止溅射金属沉积其上而失去绝缘作用。
47.压环17的口径大于下遮罩9的口径，这样可以保证溅射金属不会直接溅射到压环17表面造成压环过热。可调节压杆18通过压环上的压杆调节槽173伸出来固定晶圆，这样只有可调节压杆18会接受溅射时的热量，保证了压环17传导到晶圆上热量的最小化。可调节压杆18的前端设计有防止粘片的压点184，防止由于沉积较厚的金属时，溅射金属沉积在可调节压杆和晶圆接触的部分，导致两者之间发生粘连而报废产品。
48.载片台3有升降机构来实现晶圆的上下移动，载片台3内部同样通有冷却水来保证晶圆溅射时的低温需求，载片台3底部通有氩气管路，并且上方有特殊设计过的冷却盘7，冷却盘7加工的结构需配合载片台3，在中央位置有背气的通气孔73，在表面有气体分布的气道74，背部的氩气可以施加在晶圆背面，晶圆将温度传递给冷却盘，整个冷却盘依靠下方的载片台3来冷却自身，可以更好的将晶圆的热量通过载片台3传导出去，从而进一步增加冷却效果。
49.载片台3带着冷却盘7上的晶圆向上移动，开始接触到可调节压杆18上的压点184，随着载片台3继续上升，可调节压杆18完全将晶圆压在冷却盘7上上，背部的氩气开始通入，工艺正常进行。
50.通过重新设计后的腔体，在金属溅射制程中，可以实现片间温度都小于90度，满足了背金工艺的需求，以及此类产品大规模生产的需要。
51.虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围。