CN105097401B - 一种反应腔室及半导体加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供反应腔室及半导体加工设备，该反应腔室包括采用不导磁的材料制成的法拉第屏蔽环和采用绝缘材料制成的绝缘环，在法拉第屏蔽环上设置有开缝，法拉第屏蔽环和绝缘环均套置在反应腔室的侧壁内侧，且法拉第屏蔽环叠置在绝缘环上，在绝缘环的内周壁内侧设置遮蔽环，遮蔽环与法拉第屏蔽环下表面的边缘区域连接，遮蔽环上设置有开缝，且遮蔽环采用不导磁的材料制成，并且，遮蔽环的外周壁与绝缘环的内周壁在水平方向上存在水平间距。该反应腔室，不仅可以避免降低打火风险，而且可以降低金属粒子剥落对反应腔室造成的污染；另外，可以增大反应腔室的内径和可利用控制。

Description

一种反应腔室及半导体加工设备

技术领域

本发明属于半导体设备制造技术领域，具体涉及一种反应腔室及半导体加工设备。

背景技术

磁控溅射设备是应用比较广泛的加工设备，主要用于对基片进行沉积工艺。磁控溅射的基本原理是：将反应气体激发形成等离子体，借助等离子体轰击反应腔室中的靶材26，以使靶材26表面上的各种粒子逸出并沉积在基片上。在超大规模集成电路的半导体器件的生产中，通常需要对基片表面上的高深宽比的通道、沟槽或者通孔内沉积金属层，因此需要增大反应腔室内等离子体中离子浓度。

为此，采用图1所示的反应腔室，请参阅图1和图2，在反应腔室10的侧壁外侧环绕设置有感应线圈11，感应线圈11与设置在反应腔室10外部的射频电源12通过匹配器13电连接，用以在反应腔室10内产生交变磁场，借助交变磁场的能量将反应腔室10内工艺气体激发形成等离子体，从而增强反应腔室10内等离子体的离子浓度；为避免在被加工工件S上沉积金属薄膜的同时，反应腔室10的内侧壁上也会沉积金属形成金属薄膜，该金属薄膜相当于在反应腔室的侧壁内侧套置有闭合的金属环，这会导致感应线圈11产生的交变磁场在该金属环内产生感应电流，从而导致将感应线圈11产生的交变磁场屏蔽在反应腔室10外的问题，在反应腔室10内设置有采用不导磁材料制成的法拉第屏蔽环14，法拉第屏蔽环14套置在反应腔室的侧壁内侧，且在法拉第屏蔽环14上设置有开缝(图中未示出)，以使法拉第屏蔽环14为不闭合的环形结构，这可以避免法拉第屏蔽环14形成导电通路，从而可以使感应线圈11产生的交变磁场的能量耦合进反应腔室10内。

另外，环绕反应腔室10的内周壁设置有内衬16，内衬位于反应腔室10的底部，内衬1通常采用金属材料制成，且接地；在内衬16的上表面上设置有采用石英或者陶瓷等绝缘材料制成的绝缘环17，法拉第屏蔽环14的下表面叠置在绝缘环17的上表面上，为避免工艺过程中绝缘环17的上表面上会沉积金属，容易造成在法拉第屏蔽环14在其下表面的开缝位置处导通的问题，在该法拉第屏蔽环14的下表面上靠近其环孔的环形区域设置有凹部15。

然而，采用上述反应腔室10在实际应用中不可避免地存在以下问题：

其一，由于金属沉积的表面为绝缘环的上表面(即，水平面)，这使得在对反应腔室采用由上至下的排气方式使得大部分金属粒子会向下(即，沿竖直方向)运动的情况下，随着工艺的进行很容易在绝缘环17的上表面上沉积的金属，因而容易造成法拉第屏蔽环14在其下表面的开缝位置处导通，从而造成在开缝位置处容易发生打火对工艺产生影响，进而影响工艺的稳定性；而且，由于沉积的金属过多，造成过多的金属剥落对反应腔室造成颗粒污染，从而对基片产生严重的破坏；

其二，为了避免法拉第屏蔽环14的导通，通常设置凹部15的在反应腔室水平方向和竖直方向上的尺寸比例较高，但就造成法拉第屏蔽环14在其径向上的厚度较大，因而造成反应腔室的内径减小、可利用空间减小，从而会影响工艺的均匀性。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，提供了一反应腔室及半导体加工设备，其不仅可以降低反应腔室内打火的风险，从而提高工艺的稳定性和工艺质量；并且，可以降低金属粒子剥落对反应腔室造成的污染，从而可以降低对基片的损坏；而且，还可以增大反应腔室的内径和可利用空间，从而可以提高工艺的均匀性。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种反应腔室，包括采用不导磁的材料制成的法拉第屏蔽环和采用绝缘材料制成的绝缘环，在所述法拉第屏蔽环上设置有开缝，所述法拉第屏蔽环和所述绝缘环均套置在所述反应腔室的侧壁内侧，且所述法拉第屏蔽环叠置在所述绝缘环上，在所述绝缘环的内周壁内侧设置遮蔽环，所述遮蔽环与所述法拉第屏蔽环下表面的边缘区域连接，所述遮蔽环上设置有开缝，且所述遮蔽环采用不导磁的材料制成，并且，所述遮蔽环的外周壁与所述绝缘环的内周壁在水平方向上存在水平间距。

其中，所述水平间距的范围在1～2mm。

其中，所述法拉第屏蔽环的靠近其环孔的下表面与所述绝缘环的上表面之间在竖直方向上存在竖直间距。

其中，所述绝缘环的上表面和/或内周壁采用粗糙化处理工艺处理。

其中，所述法拉第屏蔽环的内周壁和/或所述遮蔽环的内周壁采用粗糙化处理工艺处理。

其中，还包括内衬，所述内衬环绕所述反应腔室的内周壁设置，且位于所述反应腔室的底部，所述绝缘环叠置在所述内衬上。

其中，所述遮蔽环的内径大于所述内衬的内径，所述遮蔽环的下表面与所述绝缘环的下表面在竖直方向上存在竖直间距，用以实现所述遮蔽环不与所述内衬相接触。

其中，所述遮蔽环的外径小于所述内衬的内径，所述遮蔽环的下表面与所述绝缘环的下表面在同一水平面上。

其中，所述遮蔽环与所述法拉第屏蔽环采用一体成型的方式加工。

本发明还提供一种半导体加工设备，包括反应腔室，所述反应腔室采用本发明提供的上述反应腔室。

本发明具有下述有益效果：

本发明提供的反应腔室，其借助在绝缘环的内周壁内侧设置遮蔽环，并遮蔽环与法拉第屏蔽环下表面的边缘区域连接，遮蔽环上设置有开缝，且遮蔽环采用不导磁材料制成，并且，遮蔽环的外周壁与绝缘环的内周壁在水平方向上存在水平间距，可以实现金属粒子会沉积在遮蔽环的内周壁上，以及部分金属粒子穿过遮蔽环上的开缝进入水平间距形成的间隙而沉积在绝缘环的内周壁上，因此金属粒子沉积的表面为遮蔽环的内周壁和绝缘环的内周壁(即为竖直表面)，这使得在对反应腔室由上至下的排气使得大部分金属粒子会向下(即，沿竖直方向)运动的情况下，金属粒子运动的方向和其所要沉积的表面相平行，可以在很大程度上减小金属粒子的沉积，因而可以避免法拉第屏蔽环和遮蔽环在开缝位置处导通，从而可以降低打火风险，进而可以提高工艺的稳定性和工艺质量；并且，由于减小金属粒子的沉积，因而可以降低金属粒子剥落对反应腔室造成的污染，从而可以降低对基片的损坏；而且，与现有技术相比，可以减薄法拉第屏蔽环在其径向上的厚度，因而可以增大反应腔室的内径和可利用空间，从而可以提高工艺的均匀性。

本发明提供的半导体加工设备，其采用本发明提供的反应腔室，可以降低反应腔室内打火的风险，从而提高工艺的稳定性和工艺质量；并且，可以降低金属粒子剥落对反应腔室造成的污染，从而可以降低对基片的损坏；而且，还可以增大反应腔室的内径和可利用空间，从而可以提高工艺的均匀性。

附图说明

图1为现有的反应腔室的结构示意图；

图2为图1中区域I的局部放大图；

图3为本发明实施例提供的反应腔室的一种结构示意图；

图4为图3中区域I的局部放大图；

图5为图3中绝缘环和法拉第屏蔽环的结构示意图；

图6为发明实施例提供的反应腔室的另一种结构示意图；

图7为图6中区域I的局部放大图；以及

图8为图6中绝缘环和法拉第屏蔽环的结构示意图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的反应腔室及半导体加工设备进行详细描述。

图3为本发明实施例提供的反应腔室的一种结构示意图。图4为图3中区域I的局部放大图。图5为图3中绝缘环和法拉第屏蔽环的结构示意图。请一并参阅图3、图4和图5，本实施例提供的反应腔室20包括法拉第屏蔽环21、绝缘环22、感应线圈23、射频电源24、第一阻抗匹配器25、靶材26、直流电源27、磁控管28、偏压射频电源29、第二阻抗匹配器30、内衬31、石英环32、电磁调节装置33、承载装置34和真空排气系统35。其中，法拉第屏蔽环21采用不导磁的材料制成，绝缘环22采用诸如石英或者陶瓷等的绝缘材料制成，在法拉第屏蔽环21上设置有开缝(图中未示出)，以使法拉第屏蔽环21为不闭合的环形结构，优选地，开缝的尺寸小于反应腔室20内的金属粒子的平均自由程，以避免金属粒子自该开缝进入法拉第屏蔽环21的外周壁和反应腔室20的内周壁之间，开缝的数量为一个或者多个；法拉第屏蔽环21和绝缘环22均套置在反应腔室20的侧壁内侧，且法拉第屏蔽环21叠置在绝缘环22上，在绝缘环22的内周壁内侧设置遮蔽环211，并遮蔽环211与法拉第屏蔽环21下表面的边缘区域连接，遮蔽环211上设置有开缝，以使遮蔽环211为不闭合的环形结构，这可以避免金属粒子沉积在遮蔽环211的内周壁上时不会在其上的开缝处导通，遮蔽环211上的开缝数量为一个或者多个，且遮蔽环211采用不导磁的材料制成，并且，遮蔽环211的外周壁与绝缘环22的内周壁在水平方向上存在水平间距D1，这使得金属粒子穿过遮蔽环211上的开缝进入该水平间距D1形成的间隙再沉积到绝缘环22的内周壁上，由上可知，金属粒子沉积的表面为遮蔽环211的外周壁和绝缘环22的内周壁(即为竖直表面)，这使得在对反应腔室20由上至下的排气使得大部分金属粒子会向下(即，沿竖直方向)运动的情况下，金属粒子运动的方向和其所要沉积的表面相平行，可以在很大程度上减小金属粒子的沉积，因而可以避免法拉第屏蔽环21和遮蔽环211在开缝位置处导通，从而可以降低打火的风险，进而可以提高工艺的稳定性和工艺质量；并且，由于减小金属粒子的沉积，因而可以降低金属粒子剥落对反应腔室20造成的污染，从而可以降低对基片的损坏。

在本实施例中，遮蔽环211与法拉第屏蔽环21采用一体成型的方式加工，即，二者为整体式结构，在这种情况下，法拉第屏蔽环21和遮蔽环211采用的不导磁材料相同。在实际应用中，遮蔽环211和法拉第屏蔽环21也可以为分体式结构，在使用时二者相互固定使用，在这种情况下，法拉第屏蔽环21和遮蔽环211采用的不导磁材料不仅可以相同，也可以不相同。

优选地，水平间距的取值范围在1～2mm，这不仅可以降低机械加工的难度，而且，可以避免水平间距过小容易造成沉积在绝缘层内周壁上的金属粒子使得遮蔽环211在其开缝处导通，从而可以进一步降低打火风险，进而可以进一步提高工艺的稳定性和工艺质量。

在本实施例中，请参阅图5，优选地，法拉第屏蔽环21的靠近其环孔的下表面与绝缘环22的上表面之间在竖直方向上存在竖直间距D2，这与法拉第屏蔽环21下表面直接叠置在绝缘环22的上表面，容易造成沉积在绝缘环22内周壁上金属粒子使得法拉第屏蔽环21下表面与绝缘环22内周壁相接触位置处导通相比，可以进一步避免法拉第屏蔽环21和遮蔽环211在开缝位置处导通，从而可以更进一步降低打火风险，进而可以进一步提高工艺的稳定性和工艺质量。实际应用中，竖直间距D2的范围在1mm左右。

在本实施例中，请参阅图5，另外，优选地，绝缘环22的上表面和/或内周壁采用粗糙化处理工艺(例如，喷砂工艺)处理，以使绝缘环22的上表面和/或内周壁上形成粗糙的表面221，该粗糙的表面221可以减小沉积在其上的金属薄膜的应力，这可以增强对金属粒子的吸附力，因而使得金属粒子不易脱落，从而可以进一步降低金属粒子剥落对反应腔室20造成的污染，进而可以进一步降低对基片的损坏。另外，基于上述同样的理由，优选地，法拉第屏蔽环21和/或遮蔽环211的内周壁采用粗糙化处理工艺处理，以使法拉第屏蔽环21和/或遮蔽环211的内周壁上形成粗糙的表面221。

请参阅图3和图4，内衬31环绕反应腔室20的内周壁设置，且位于反应腔室20的底部，用以遮挡反应腔室20的内壁，以保持反应腔室20的清洁，内衬31一般采用金属材料制成，且接地；遮蔽环211的外径小于内衬31的内径，优选地，遮蔽环211的下表面与绝缘环22的下表面在同一水平面上，这可以实现遮蔽环211在竖直方向上完全将绝缘环22遮挡，这可以避免金属粒子自遮蔽环211的下表面的下方沉积在绝缘环22的内周壁上，从而可以避免沉积在绝缘环22内周壁上的金属粒子将遮蔽环211的开缝处导通。

承载装置34设置在反应腔室20的底部，且承载装置34与设置反应腔室20外部的偏压射频电源29通过第二阻抗匹配器30电连接，用以给承载装置34提供负偏压以吸引反应腔室20内的金属离子垂直入射被加工工件S，可以增加金属粒子的方向性，从而实现对深度较深的通孔或者沟槽沉积金属薄膜，偏压射频电源29的频率一般选用13.56MHz。

为了进一步保证遮挡反应腔室20的内壁，石英环32的靠近其环孔的环形区域与承载在承载装置上的被加工工件S上表面的边缘区域叠置，石英环32的远离环孔的环形区域与内衬31相互搭接，这可以防止金属离子通过内衬31与承载装置之间的间隙扩散至承载装置与反应腔室20内周壁之间，以防止其对反应腔室20内造成污染。

真空排气系统35设置在反应腔室20的底部，用以实现由上至下对反应腔室20进行排气，从而保持反应腔室20内真空环境，以保证工艺的稳定性。

靶材26采用金属材料制成，靶材26设置在反应腔室20的顶部，直流电源27设置在反应腔室20外部，且与靶材26电连接，用以激发反应腔室20内的工艺气体形成等离子体，并且直流电源27向靶材26提供负偏压，以使等离子体中的正离子受负偏压的吸引轰击靶材26的表面，使靶材26表面的金属原子逸出并沉积在被加工工件S的上表面上，从而在被加工工件S上表面上形成金属薄膜；磁控管28设置在反应腔室20的顶部上方，且在水平方向上旋转，不仅可以保证等离子体中的正离子轰击靶材26的均匀性，还可以增强等离子体中的离子浓度。

感应线圈23套置在反应腔室20的侧壁外侧，感应线圈23通过第一阻抗匹配器25与射频电源24电连接，用以在射频电源24开启时将反应腔室20内的工艺气体激发形成等离子体，即，实现将射偏电源的能量耦合到反应腔室20内，从而可以进一步增强反应腔室20内的等离子体的离子浓度，射频电源24的频率范围在0.1M～60MHz，优选地，射频电源24的频率为2MHz。

电磁调节装置33设置在感应线圈23外侧，用以调节反应腔室20内等离子体的分布，以提高工艺质量，具体地，电磁调节装置33包括一组或者多组电磁铁。

需要说明的是，在本实施例中，遮蔽环211的外径小于内衬31的内径，遮蔽环211的下表面与绝缘环22的下表面在同一水平面上。但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，遮蔽环211的下表面可以高于或者低于绝缘环22的下表面，根据实际情况具体设置，例如，由于本实施例中石英环32位于遮蔽环211下表面的正下方，遮蔽环211的下表面不能位于绝缘环22下表面的下方，因此，遮蔽环211的下表面还可以位于绝缘环22的下表面的上方。

还需要说明的是，本发明实施例提供的反应腔室20也可以采用其他具体结构，例如，请参阅图6-图8，其所示的反应腔室20与图3-图5所示的反应腔室20相比，法拉第屏蔽环21和绝缘环22在水平方向上的厚度均减薄，而内衬31在水平方向上的厚度保持不变，在这种情况下，遮蔽环211的内径大于内衬31的内径，当绝缘环22叠置在内衬31的上表面时，遮蔽环211的下表面也会叠置在内衬31的上表面上，由于内衬31为金属材料以及工艺过程中会在内衬31表面上沉积金属，均会造成遮蔽环211在其开缝处导通。因此，在遮蔽环211的内径大于内衬31的内径的条件下，遮蔽环211的下表面与绝缘环22的下表面(或者，内衬31的上表面)在竖直方向上存在竖直间距D3(一般为5mm)，如图8所示，用以实现遮蔽环211不与内衬31相接触，在这种情况下，虽然在对反应腔室20由上至下的排气使得大部分金属粒子会向下(即，沿竖直方向)运动的情况下，金属粒子会沉积在内衬31的上表面(即，水平面)上，但是由于内衬31往往需要经常清洗和更换，所以在工艺过程中可以满足要求。容易理解，由上可知，本实施例提供的反应腔室20，与现有技术相比，不需要限制法拉第屏蔽环21在水平方向上的厚度，因而在实际应用中，可以根据实际情况减薄法拉第屏蔽环21的厚度，从而不仅可以提高法拉第屏蔽环21设置的灵活性，而且可以增大反应腔室20的内径和可利用空间，进而可以提高工艺均匀性。

进一步需要说明的是，在实际应用中，如图6-图8所示，对法拉第屏蔽环21和绝缘环22在水平方向上的厚度减薄，而内衬31在水平方向上的厚度不减薄，这可以实现不浪费现有的内衬31，从而提高现有的内衬31的利用率，进而可以降低成本。当然，在实际应用中，也可以在对法拉第屏蔽环21和绝缘环22在水平方向上的厚度减薄条件下，对内衬31在水平方向上的厚度相应减薄，以使绝缘环22的内径不大于内衬31的内径，这样不仅可以增大反应腔室20的内径和可利用空间，而且可以避免金属粒子会沉积在内衬31的上表面(即，水平面)上。

综上所述，其借助在绝缘环22的内周壁内侧设置遮蔽环211，并遮蔽环211与法拉第屏蔽环21下表面的边缘区域连接，遮蔽环211上设置有开缝，且遮蔽环211采用不导磁材料制成，并且，遮蔽环211的外周壁与绝缘环22的内周壁在水平方向上存在水平间距，可以实现金属粒子会沉积在遮蔽环211的内周壁上，以及部分金属粒子穿过遮蔽环211上的开缝进入水平间距形成的间隙而沉积在绝缘环22的内周壁上，因此金属粒子沉积的表面为遮蔽环211的内周壁和绝缘环22的内周壁(即，竖直表面)，这使得在对反应腔室20由上至下的排气使得大部分金属粒子会向下(即，沿竖直方向)运动的情况下，金属粒子运动的方向和其所要沉积的表面相平行，可以在很大程度上减小金属粒子的沉积，因而可以避免法拉第屏蔽环21和遮蔽环211在开缝处导通，从而可以降低打火风险，进而可以提高工艺的稳定性和工艺质量；并且，由于减小金属粒子的沉积，因而可以降低金属粒子剥落对反应腔室20造成的污染，从而可以降低对基片的损坏；而且，与现有技术相比，可以减薄法拉第屏蔽环21在其径向上的厚度，因而可以增大反应腔室20的内径和可利用空间，从而可以提高工艺的均匀性。

作为另外一个技术方案，本发明还提供一种半导体加工设备，其包括反应腔室，反应腔室采用上述实施例提供的反应腔室。

半导体加工设备包括磁控溅射设备。

本实施例提供的半导体加工设备，其采用上述实施例提供的反应腔室，可以降低反应腔室内打火的风险，从而提高工艺的稳定性和工艺质量；并且，可以降低金属粒子剥落对反应腔室造成的污染，从而可以降低对基片的损坏；而且，还可以增大反应腔室的内径和可利用空间，从而可以提高工艺的均匀性。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种反应腔室，包括采用不导磁的材料制成的法拉第屏蔽环和采用绝缘材料制成的绝缘环，在所述法拉第屏蔽环上设置有开缝，所述法拉第屏蔽环和所述绝缘环均套置在所述反应腔室的侧壁内侧，且所述法拉第屏蔽环叠置在所述绝缘环上，其特征在于，在所述绝缘环的内周壁内侧设置遮蔽环，所述遮蔽环与所述法拉第屏蔽环下表面的边缘区域连接，所述遮蔽环上设置有开缝，且所述遮蔽环采用不导磁的材料制成，并且，

所述遮蔽环的外周壁与所述绝缘环的内周壁在水平方向上存在水平间距。

2.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述水平间距的范围在1～2mm。

3.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述法拉第屏蔽环的靠近其环孔的下表面与所述绝缘环的上表面之间在竖直方向上存在竖直间距。

4.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述绝缘环的上表面和/或内周壁采用粗糙化处理工艺处理。

5.根据权利要求1或4所述的反应腔室，其特征在于，所述法拉第屏蔽环的内周壁和/或所述遮蔽环的内周壁采用粗糙化处理工艺处理。

6.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，还包括内衬，所述内衬环绕所述反应腔室的内周壁设置，且位于所述反应腔室的底部，所述绝缘环叠置在所述内衬上。

7.根据权利要求6所述的反应腔室，其特征在于，所述遮蔽环的内径大于所述内衬的内径，所述遮蔽环的下表面与所述绝缘环的下表面在竖直方向上存在竖直间距，用以实现所述遮蔽环不与所述内衬相接触。

8.根据权利要求6所述的反应腔室，其特征在于，所述遮蔽环的外径小于所述内衬的内径，所述遮蔽环的下表面与所述绝缘环的下表面在同一水平面上。

9.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述遮蔽环与所述法拉第屏蔽环采用一体成型的方式加工。

10.一种半导体加工设备，包括反应腔室，其特征在于，所述反应腔室采用权利要求1-9任意一项所述的反应腔室。