用于消除电弧及改善PVD处理的均匀气体分布的气体注入处理套件的制作方法

用于消除电弧及改善pvd处理的均匀气体分布的气体注入处理套件
技术领域
1.本公开内容的实施方式一般相关于基板处理设备。


背景技术：

2.等离子体处理腔室通常包括用于支撑基板的基板支撑件和相对于基板支撑件设置的靶材。靶材提供了在处理期间用于溅射到基板上的材料源。rf功率被提供给等离子体处理腔室以在设置在靶材和基板支撑件之间的处理容积中产生等离子体。等离子体处理腔室通常包括用于保护腔室壁免受不想要的沉积并限制等离子体的处理套件。处理套件一般包括处理屏蔽件(process shield)。靶材和处理屏蔽件之间的空间被称为暗空间(dark space)。在用于高压处理(》100mtorr)的基板处理期间，污染物(例如释气颗粒)可能会流动进入暗空间，造成不想要的电弧。
3.因此，发明人提供了用于等离子体处理腔室中的改善的处理套件。


技术实现要素：

4.本文提供了使用于处理腔室中的处理屏蔽件的实施方式。在一些实施方式中，使用于处理腔室中的处理屏蔽件包括：环状主体，该环状主体具有上部分及下部分，该下部分从该上部分向下且径向向内延伸，其中该上部分在该上部分的上表面上包括多个环状凹槽，且具有设置于该多个环状凹槽之间的多个插槽，以流体地连接该多个环状凹槽，其中一个或多个入口从该环状主体的外表面延伸至该多个环状凹槽的最外凹槽。
5.在一些实施方式中，使用于处理腔室中的处理套件包括处理屏蔽件和覆盖环。该处理屏蔽件具有上部分及下部分，该下部分从该上部分向下且径向向内延伸，其中该上部分在该上部分的上表面上包括多个环状凹槽，且具有设置于该多个环状凹槽之间的多个插槽，以流体地连接该多个环状凹槽，其中一个或多个入口从该处理屏蔽件的外表面延伸至该多个环状凹槽的最外凹槽。该覆盖环具有设置于该处理屏蔽件上的环状主体。
6.在一些实施方式中，处理腔室包括：腔室主体，该腔室主体具有该腔室主体中的内部容积；基板支撑件，该基板支撑件设置于该内部容积中；靶材，该靶材设置于该内部容积中与该基板支撑件相对，以至少部分地限定该靶材及该基板支撑件之间的处理容积；处理屏蔽件，该处理屏蔽件围绕该基板支撑件及该靶材设置，以限定该处理容积的外边界，其中该处理屏蔽件及该靶材在该处理屏蔽件及该靶材之间限定暗空间间隙，且其中该处理屏蔽件包括多个环状凹槽，该多个环状凹槽具有设置于该多个环状凹槽之间的多个插槽，以将该多个环状凹槽流体地连接至该暗空间间隙；及隔离器环，该隔离器环设置于该靶材及该处理屏蔽件之间。
7.本公开内容的其他及进一步的实施方式描述如下。
附图说明
8.可通过参考在附图中描绘的本公开内容的说明性实施方式来理解上面所简要概括并在下面更详细地讨论的本公开内容的实施方式。然而，附图仅图示了本公开内容的典型实施方式且因此不应被认为是对范围的限制，因为本公开内容可允许其他等效的实施方式。
9.图1描绘了根据本公开内容的至少一些实施方式的具有处理套件的处理腔室的示意性侧视图。
10.图2描绘了根据本公开内容的至少一些实施方式的处理屏蔽件的示意性俯视图。
11.图3描绘了根据本公开内容的至少一些实施方式的具有处理套件的处理腔室的一部分的横截面侧视图。
12.图4描绘了根据本公开内容的至少一些实施方式的具有处理套件的处理腔室的一部分的横截面侧视图。
13.为了便于理解，在可能的情况下使用相同的附图标记来表示附图中共有的相同元件。附图未按比例绘制且为了清楚起见可能被简化。一个实施方式的元件和特征可有益地并入其他实施方式中而无需进一步叙述。
具体实施方式
14.本文提供了用于处理腔室中的处理套件的实施方式。处理套件包括围绕着处理腔室的靶材设置的处理屏蔽件，以防止靶材材料在腔室壁上的不想要的沉积。靶材和处理屏蔽件之间的空间被称为暗空间。本文提供的处理屏蔽件的实施方式有利地包括多个气体通道，以用于使气体通过气体通道流动至暗空间，产生防止污染物流动进入暗空间并导致不想要的电弧的气幕(gas curtain)。气体可以是净化气体或一个或多个处理气体。在气体包括一个或多个处理气体的情况下，多个气体通道有利地提供进入处理腔室的气体分布的改善的均匀性。
15.图1描绘了根据本公开内容的至少一些实施方式的具有处理套件的处理腔室100(例如，等离子体处理腔室)的示意性侧视图。在一些实施方式中，处理腔室100是用于反应性处理的pvd(物理气相沉积)处理腔室。然而，被配置为用于不同处理的其他类型的处理腔室也可使用或被修改以用于本文描述的处理套件的实施方式。
16.处理腔室100是真空腔室，适合地适用于在基板处理期间维持内部容积120内的低于大气压(sub-atmospheric)的压力。在一些实施方式中，处理腔室100适合用于在约1mtorr至约400mtorr的压力下进行基板处理。在一些实施方式中，处理腔室100适合用于在约150mtorr至约350mtorr的压力下进行基板处理。处理腔室100包括由盖组件104覆盖的腔室主体106，盖组件104封闭位于内部容积120的上半部中的处理容积119。腔室主体106和盖组件104可由金属制成，例如铝。腔室主体106可经由连接到接地115而接地。
17.基板支撑件124设置在内部容积120内以支撑和保持基板122，例如半导体晶片，例如，或其他可被静电保持的基板。基板支撑件124可一般包括设置在基座136上的静电夹具150和用于支撑基座136和静电夹具150的中空支撑轴件112。静电夹具150包括介电板，该介电板具有设置在其中的一个或多个电极154。基座136一般由金属制成，例如铝。基座136是可偏置的，且可在等离子体操作期间维持在电浮动电位或接地。中空支撑轴件112提供导管
以向静电夹具150提供例如背侧气体、处理气体、流体、冷却剂、功率等。
18.在一些实施方式中，中空支撑轴件112连接到升降机构113(例如，致动器或马达)以提供静电夹具150在上处理位置(如图1中所示)及下传送位置(未图示)之间的垂直移动。波纹管组件110围绕中空支撑轴件112设置并连接在静电夹具150和处理腔室100的底部表面126之间，以提供允许静电夹具150垂直运动同时防止来自处理腔室100内的压力损失的柔性密封。波纹管组件110也包括与接触底部表面126以帮助防止腔室压力的损失的o形环165或其他合适的密封元件接触的下波纹管凸缘164。
19.中空支撑轴件112提供用于将夹具电源140和rf源(例如，rf电源174和rf偏置电源117)耦合到静电夹具150的导管。在一些实施方式中，rf电源174及rf偏置电源117经由各自的rf匹配网路(仅图示rf匹配网路116)耦合到静电夹具150。在一些实施方式中，基板支撑件124可替代地包括ac或dc偏置功率。
20.基板升降器130可包括安装在平台108上的升降销109，平台108连接到轴件111，轴件111连接到用于升高和降低基板升降器130的第二升降机构132，使得可将基板122放置于静电夹具150上或从静电夹具150移除。平台108可以是环形升降器(hoop lift)的形式。静电夹具150可包括接收升降销109的通孔。波纹管组件131连接在基板升降器130和底部表面126之间以提供在基板升降器130的垂直运动期间维持腔室压力的柔性密封。
21.靶材138设置在处理容积119中与基板支撑件124相对，以至少部分地限定其间的处理容积119。基板支撑件124具有支撑表面，该支撑表面具有实质平行于靶材138的溅射表面的平面。在一些实施方式中，靶材138由钛、钽、或铝制成。靶材138连接到dc功率源190和/或rf电源174的一者或两者。dc功率源190可相对于处理屏蔽件105向靶材138施加偏置电压。
22.靶材138包括安装到背板144的溅射板142。溅射板142包括要溅射到基板122上的材料。背板144由金属制成，例如不锈钢、铝、铜铬或铜锌。背板144可由具有足够高的热导率的材料制成，以消散靶材138中产生的热量，该热量由溅射板142和背板144中出现的涡流形成，并同样由来自产生的等离子体的高能离子轰击至溅射板142上而形成。在一些实施方式中，背板144在与溅射板142相反的一侧上包括凹部146。
23.在一些实施方式中，处理腔室100包括磁场产生器156，以形成围绕靶材138的磁场，以改善靶材138的溅射。可通过磁场产生器156来增强电容产生的等离子体，在磁场产生器156中，例如，多个磁体151(例如，永久磁体或电磁线圈)可在处理腔室100中提供磁场，处理腔室100具有旋转磁场，该旋转磁场具有垂直于基板122的平面的旋转轴。另外或替代地，处理腔室100可包括磁场产生器156，磁场产生器156在靶材138附近产生磁场以增加处理容积119中的离子密度，从而改善靶材材料的溅射。多个磁体151可设置在盖组件104中的空腔153中。冷却剂(例如，水)可设置在空腔153中或循环通过空腔153以冷却靶材138。
24.处理腔室100包括包围各种腔室部件的处理套件102，以防止这些部件与离子化处理材料之间的不想要的反应。处理套件102包括环绕基板支撑件124和靶材138的处理屏蔽件105，以至少部分地限定处理容积119。例如，处理屏蔽件105可限定处理容积119的外边界。靶材138的外周边表面和处理屏蔽件105在其间限定了暗空间间隙194。暗空间间隙194被配置为防止靶材138和处理屏蔽件105之间的电弧。在一些实施方式中，处理屏蔽件105由金属制成，例如铝。在一些实施方式中，处理套件102包括安置在静电夹具150的外边缘上的
沉积环170。在一些实施方式中，处理套件102包括设置在处理屏蔽件105上的覆盖环180以在其间形成曲折气体流动路径。
25.处理腔室100连接至真空系统184且与真空系统184流体连通，真空系统184包括用于对处理腔室100进行排气的节流阀(未图示)和泵(未图示)。可通过调整节流阀和/或泵来调节处理腔室100内部的压力。狭缝阀148可连接到腔室主体106并与腔室主体106的侧壁中的开口对齐，以便于将基板122传送进出腔室主体106。
26.处理腔室100连接到第一气体供应192，第一气体供应192被配置为供应一个或多个气体通过处理屏蔽件105并进入暗空间间隙194，以有利地产生气幕，从而防止在处理期间来自基板122的放气(outgassing)进入暗空间间隙194并引起不想要的电弧。第一气体供应192可供应净化气体或一个或多个处理气体。在一些实施方式中，第一气体供应192可供应氮气、氩气、或氧气。在一些实施方式中，处理腔室100也可连接到第二气体供应118且与第二气体供应118流体连通，第二气体供应118可从腔室主体106的下部分(即，基板122下方)向处理腔室100供应一个或多个处理气体，以用于处理设置在其中的基板122。例如，第一气体供应192可提供氮气或氧气，而第二气体供应118提供氩气。
27.在使用时，当dc功率源190向连接到dc功率源190的靶材138及其他腔室部件供应功率时，rf电源174为(例如，来自第一气体供应192或第二气体供应118的)溅射气体提供能量，以形成溅射气体的等离子体。所形成的等离子体撞击并轰击靶材138的溅射表面以将材料从靶材138溅射离开到基板122上。在一些实施方式中，由rf电源174供应的rf能量的频率范围可从约2mhz到约60mhz，或者，例如，可使用非限制性频率，例如2mhz、13.56mhz、27.12mhz或60mhz。在一些实施方式中，可提供多个rf功率源(即，两个或多个)以提供多个上述频率的rf能量。也可使用额外的rf功率源(例如，rf偏置电源117)以向基板支撑件124供应偏置电压，以将离子从等离子体吸引朝向基板122。
28.图2描绘了根据本公开内容的至少一些实施方式的具有处理套件的处理腔室的部分的横截面侧视图。处理套件102包括处理屏蔽件105，处理屏蔽件105一般具有环状主体202，环状主体202包括上部分206和从上部分206向下且径向向内延伸的下部分208。在一些实施方式中，上部分206包括冷却剂通道230，以使冷却剂循环通过冷却剂通道230以冷却处理屏蔽件105。
29.隔离器环210设置在靶材138和处理屏蔽件105之间。在一些实施方式中，上部分206的上表面212包括用于容纳隔离器环210的凹部228。在一些实施方式中，上部分206包括在上部分206的上表面212上的多个环状凹槽204。在一些实施方式中，多个环状凹槽204从凹部228向下延伸。在一些实施方式中，上部分206包括位于多个环状凹槽204的径向外侧的o形环沟槽232，以容纳o形环238或其他合适的密封垫圈，以在隔离器环210和处理屏蔽件105之间提供密封。
30.处理屏蔽件105包括从处理屏蔽件105的外表面214延伸到多个环状凹槽204的最外凹槽220的一个或多个入口218。一个或多个入口218流体地连接到第一气体供应192以将来自第一气体供应192的气体供应到多个环状凹槽204。处理屏蔽件105包括多个插槽(下文参照图3讨论)，以将多个环状凹槽204流体地连接，并提供从一个或多个入口218到最内凹槽222的气体流动路径。
31.在一些实施方式中，多个环状凹槽204包括设置在最外凹槽220和最内凹槽222之
间的第二凹槽224和第三凹槽226。在一些实施方式中，多个环状凹槽204中的每一凹槽具有约0.05英寸至约0.2英寸的宽度。在一些实施方式中，多个环状凹槽204中的每一凹槽具有约0.3英寸至约0.4英寸的深度。虽然图2描绘了多个环状凹槽204包括四个凹槽，多个环状凹槽204可包括多于四个凹槽或少于四个凹槽。在一些实施方式中，除了最内凹槽222之外，多个环状凹槽204中的所有凹槽直接设置在隔离器环210下方。在一些实施方式中，多个环状凹槽204中的所有凹槽具有实质相似的宽度和深度。在一些实施方式中，实质相似或约可在约10％内。
32.图3描绘了根据本公开内容的至少一些实施方式的处理屏蔽件105的示意性俯视图。第一气体供应192流体地连接到一个或多个入口218。在一些实施方式中，一个或多个入口218包括延伸到最外凹槽220的四个入口。处理屏蔽件105包括在多个环状凹槽204中的每一凹槽之间的多个插槽306，以将最外凹槽220流体地连接到最内凹槽222。在一些实施方式中，设置在最内凹槽222的径向内侧的处理屏蔽件105的内环250具有面向处理容积的连续表面。
33.在一些实施方式中，多个插槽306被布置成使得它们提供从一个或多个入口218到最内凹槽222的实质相等的流动路径。在一些实施方式中，多个环状凹槽204的相邻环状凹槽之间的多个插槽306的数量从最外凹槽220到最内凹槽222增加。在一些实施方式中，多个插槽306在多个环状凹槽204的相邻环状凹槽之间从最外凹槽220到最内凹槽222加倍。
34.例如，在一些实施方式中，多个插槽306在最外凹槽220和第二凹槽224之间包括8个插槽。在一些实施方式中，在最外凹槽220和第二凹槽224之间的8个插槽以规则间隔设置。在一些实施方式中，多个插槽306在第二凹槽224和第三凹槽226之间包括16个插槽。在一些实施方式中，在第二凹槽224和第三凹槽226之间的16个插槽以规则间隔设置。在一些实施方式中，多个插槽306在第三凹槽226和最内凹槽222之间包括32个插槽。在一些实施方式中，在第三凹槽226和最内凹槽222之间的32个插槽以规则间隔设置。
35.返回参考图2，第一间隙240设置在隔离器环210的内表面和上部分206的内环250的外表面(即，处理屏蔽件105的相对表面)之间。第一间隙240流体地连接到最内凹槽222。例如，第一间隙240可设置在最内凹槽222上方，使得第一间隙240的开口底部部分与最内凹槽222的开口顶部部分的至少一部分重合。在一些实施方式中，第一间隙240的宽度小于最内凹槽222的宽度。在一些实施方式中，第一间隙为约0.02英寸至约0.1英寸。第二间隙242设置在内环250的上表面和靶材138之间。暗空间间隙194设置在内环250的内表面和靶材138之间。流动路径从第一气体供应192延伸通过一个或多个入口218、通过多个环状凹槽204、通过第一间隙240、通过第二间隙242、通过暗空间间隙194并进入处理容积119。第一间隙240维持在围绕绕处理屏蔽件105的实质均匀的距离处，以有利地提供进入处理容积119的更均匀的气体分布，并因此提供由第一气体供应192提供的气体和靶材材料的更均匀的混合。在第一间隙240的宽度小于最内凹槽222的宽度的实施方式中，第一间隙240提供流动限制(flow restriction)，该流动限制有利地提供进入处理容积119的更均匀的气体分布，并因此提供由第一气体供应192提供的气体和靶材材料的更均匀的混合。
36.在一些实施方式中，下部分208包括从上部分206向下延伸的第一腿部244。在一些实施方式中，下部分208包括从第一腿部244径向向内延伸的第一壁架(ledge)246。在一些实施方式中，下部分208包括从第一壁架246向上延伸的内唇部248。在一些实施方式中，第
一腿部244没有通孔。在一些实施方式中，内唇部248没有通孔。
37.在一些实施方式中，覆盖环180设置在处理屏蔽件105上。覆盖环180一般包括环状主体252，在环状主体252的下表面上具有下沟槽254以容纳内唇部248。在一些实施方式中，内唇部248和下沟槽254形成曲折的气体流动路径。在一些实施方式中，覆盖环180的上表面216径向向下和向内倾斜。覆盖环180和沉积环170在其间形成曲折的气体流动路径。
38.图4描绘了根据本公开内容的至少一些实施方式的具有处理套件的处理腔室的部分的横截面侧视图。在一些实施方式中，一个或多个定心衬套410连接到处理屏蔽件105以将覆盖环180定心到处理屏蔽件105。在一些实施方式中，覆盖环180包括在下沟槽254的任一侧从环状主体252向下延伸的外腿部416和内腿部426。在一些实施方式中，外腿部416包括一个或多个插槽420以用于容纳一个或多个定心衬套410。在一些实施方式中，一个或多个定心衬套410包括3个衬套。在一些实施方式中，一个或多个定心衬套410以规则间隔设置。在一些实施方式中，一个或多个定心衬套410经由紧固件430连接到处理屏蔽件105。在一些实施方式中，一个或多个定心衬套410延伸进入第一壁架246中的开口450。
39.在一些实施方式中，一个或多个定心衬套410具有圆形上表面。在一些实施方式中，一个或多个插槽420具有成角度的侧壁424。在一些实施方式中，一个或多个插槽420的成角度的侧壁以约5度至约15度的角度向下和向外延伸。一个或多个插槽420的成角度的侧壁和一个或多个定心衬套410的圆形上表面有利地实现可重复的同心放置，并允许覆盖环180相对于处理屏蔽件105的同心热膨胀。在一些实施方式中，一个或多个定心衬套410具有约0.3至约0.5英寸的直径，以有利地最小化处理屏蔽件105和覆盖环180之间的曲折气体流动路径的中断。
40.尽管前述内容涉及本公开内容的实施方式，可在不背离本公开内容的基本范围的情况下设计本公开内容的其他和进一步的实施方式。