均匀薄膜沉积的方法和设备与流程

本发明涉及磁控溅射沉积薄膜，特别的，本发明涉及一种多位置独立引进工艺工艺气体的方法和设备，通过及时、原位调整不同位置的工艺气体流量，形成腔体内均匀的气流分布，并提高薄膜沉积的均匀性。

背景技术：

磁控溅射是物理气相沉积的一种。它是利用等离子轰击靶材，使靶材粒子脱落，沉积于基片表面形成薄膜的技术。通常，将磁控管置于靶材之后，其产生的磁场可以控制电子、离子在靶材表面的运动区域，从而提高工艺工艺气体如ar气的在此区域的离化率，提高靶材表面等离子体浓度，进而提高薄膜沉积速率。磁控溅射技术广泛应用于半导体及微电子器件制造领域，为最常用的薄膜沉积方法。

图1为典型的磁控溅射设备的示意图。该设备主要包括工艺腔体，其中有基片台、基片台上载有基片、工艺工艺气体入口、靶材等。工艺腔体连接真空泵，由真空泵抽至真空；靶材连接至外部电源，电源使靶材表面产生负电场，使工艺工艺气体离子化，并使之在电场作用下，撞击靶材，使靶材粒子溅出。

为了达到沉积薄膜的均匀性，需要工艺工艺气体在腔体内极其均匀的分布。通常，在腔体的一个位置引入工艺工艺气体，可以在腔体的底部、侧面、或者在顶部；也有在环绕靶材周围设计均匀多孔工艺气体分布装置，类似喷淋头装置。这些设计，虽然可以满足比较高的薄膜沉积均匀性的要求，但是当腔体结构越来越复杂，晶圆的尺寸越来越大，如从200mm增大至300mm时，上述的薄膜沉积厚度的均匀度要求已变得更具挑战性。这是由于：腔体真空系统设计、制造、安装很难做到相对于晶圆的严格的对称性，导致工艺工艺气体压力在腔体内存在梯度分布。例如，图1中，由于真空泵在腔体右侧，而入气口在腔体左侧，则晶圆上靠近真空泵的a点工艺工艺气体的压力，则会小于晶圆上靠近工艺气体入口的b点的压力。这就会影响薄膜沉积的均匀性。

虽然，可以通过采用类似喷淋头的工艺气体引入装置，或者优化的磁控管来提高工艺气体分布的均匀性，从而提高沉积薄膜的均匀性。但是，仅仅依靠他们，仍然有一定的局限性；同时优化喷淋头、磁控管需要很多的实验，周期相当长，成本也相当高，并不利于工艺的及时调整、改进。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种多位置独立引进工艺工艺气体，通过调整不同位置的工艺气体流量，从而克服沉积腔体内真空设计不对称的问题，进而形成均匀的气流分布，并提高薄膜沉积的均匀性。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种均匀薄膜沉积的设备，包括沉积腔体，沉积腔体内设置有溅射靶材、靶支架和基片台，基片台上设置有晶圆放置区，还包括连接至沉积腔体内的工艺气体分配系统，工艺气体分配系统包括多个工艺气体引导通道，多个工艺气体引导通道伸入沉积腔体内的一端位于晶圆放置区的外侧周围，能够将工艺气体导入沉积腔体内，所述每个工艺气体引导通道均独立连接有质量流量控制器。

进一步的工艺气体引导通道的纵向方向平行于基片台的径向方向。

进一步的工艺气体引导通道的纵向方向垂直于基片台的径向方向，与基片台的表面垂直。

进一步的所述工艺气体引导通道设置有四个。

进一步的四个工艺气体引导通道至晶圆放置区的中心距离相同。

进一步的四个工艺气体引导通道沿圆周均匀分布。

进一步的所有工艺气体引导通道连接至同一气源。

一种均匀薄膜沉积的方法，包括如下步骤：

s1：将晶圆放置在基片台的晶圆放置区上固定；

s2：利用真空泵将沉积腔体内抽至真空；

s3：根据需要选择开启使用相对应数量和位置的工艺气体引导通道，输入工艺气体至沉积腔体内；

s4：开启连接溅射靶材的电源及其他控制部件，在沉积腔体内产生等离子体，轰击靶材，使靶材粒子溅出，沉积于晶圆表面，形成薄膜；

s5：将晶圆运输至沉积腔体外；

s6：测量晶圆表面沉积的厚度及均匀性，若结果达到目标值，则结束调试，并记录相应的控制参数；若结果未达到目标值，则根据测量结果调整不同工艺气体引导通道上的质量流量控制器以调整工艺气体流量，直至达到目标值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过调整不同位置的工艺气体流量，从而克服沉积腔体真空设计不对称的问题，进而形成均匀的气流分布，并提高薄膜沉积的均匀性；同时，又可以在工艺运行过程中，及时、原位调整不同位置的工艺气体流量，大大提高工艺调试的灵活性和效率，提高产能。

附图说明

图1为现有技术中沉积腔室的单侧进气方式示意图；

图2为现有技术中沉积腔室的双侧进气方式示意图；

图3为本发明均匀薄膜沉积的设备实施例一的立体图；

图4为本发明均匀薄膜沉积的设备实施例一中各工艺气体引导通道分布的俯视图；

图5为本发明均匀薄膜沉积的设备实施例二的立体图；

图6为本发明均匀薄膜沉积的设备实施例二中各工艺气体引导通道分布的俯视图；

图7是实验一获得的晶圆表面沉积厚度分布图；

图8是实验二获得的晶圆表面沉积厚度分布图；

图9是实验三获得的晶圆表面沉积厚度分布图；

图10是实验四获得的晶圆表面沉积厚度分布图。

附图标记：1、基片台；11、晶圆放置区；21、第一工艺气体引导通道；22、第二工艺气体引导通道；23、第三工艺气体引导通道；24、第四工艺气体引导通道。

具体实施方式

参照图1至图10对本发明均匀薄膜沉积的方法和设备的实施例做进一步说明。

在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向(x)”、“纵向(y)”、“竖向(z)”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。

此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“数个”、“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

一种均匀薄膜沉积的设备，包括沉积腔体，沉积腔体内设置有溅射靶材、靶支架和基片台1，基片台1上设置有晶圆放置区11，还包括连接至沉积腔体内的工艺气体分配系统，工艺气体分配系统包括多个工艺气体引导通道，多个工艺气体引导通道伸入沉积腔体内的一端位于晶圆放置区11的外侧周围，能够将工艺气体导入沉积腔体内，所述每个工艺气体引导通道均独立连接有质量流量控制器。

其中晶圆也称为基片。

在本发明中每个工艺气体引导通道可以分别或者共同的连接至同一个或多个气源，工艺气体分配系统还可以包括流量限制装置，如反馈控制阀。

如图3和图4所示，其为本发明实施例一的示意图，本实施例中中工艺气体引导通道具有四个，工艺气体引导通道的纵向方向平行于基片台1的径向方向，四个工艺气体引导通道在基片台1上形成四个工艺气体引导通道，分别为第一工艺气体引导通道21、第二工艺气体引导通道22、第三工艺气体引导通道23和第四工艺气体引导通道24。

以图4视角为例，其中第一工艺气体通过第一工艺气体引导通道21由下方送入至沉积腔体内；第二工艺气体通过第二工艺气体引导通道22由左侧送入至沉积腔体内；第三工艺气体通过第三工艺气体引导通道23由上方送入至沉积腔体内；第四工艺气体通过第四工艺气体引导通道24由右侧送入至沉积腔体内。

其中第一工艺气体、第二工艺气体、第三工艺气体和第四工艺气体可以为相同或者不同的或者是多种工艺工艺气体的混合物。

如图5和图6所示，其为本发明的实施例二，其与实施例一的区别为在本实施例中工艺气体引导通道的纵向方向垂直于基片台1的径向方向，与基片台1的表面垂直，也就是所有的工艺气体引导通道均向垂直于基片台1表面方向输送工艺气体，且在实施例二中各个工艺气体引导通道的具体位置可以不在正上、正下、正左和正右的位置，而是如图6所示的，第一工艺气体引导通道21位于基片台1的左下处，第二工艺气体引导通道22位于基片台1的左上处，第三工艺气体引导通道23位于基片台1的右上处，第四工艺气体引导通道24位于基片台1的右下处。

当然在另一个新的实施例中，工艺气体引导通道的数量还可以为3个、5个甚至更多个，一方面，较多的工艺气体引导通道，会使得沉积腔体的结构变得复杂，增加成本，同时也增加了工艺的调试参数，使得工艺调试变得复杂；另一方面，较少的工艺气体引导通道数量，工艺调试参数不够，不利于薄膜工艺的调节，可能会达不到沉积薄膜均匀性的要求。

本实施例优选的四个工艺气体引导通道至晶圆放置区11的中心距离相同，也就是说四个工艺气体引导通道的工艺气体引导通道至晶圆放置区11的中心距离相同。

本实施例优选的四个工艺气体引导通道沿圆周均匀分布。

工艺气体引导通道在沉积腔室内形成多个工艺气体分布区，多个工艺气体分布区相互之间可以发生重叠，当存在两个或更多个工艺气体分布区时，当一个工艺气体引导通道存在不对称分布时，可以调整其他的工艺气体引导通道的工艺气体流量，以弥补、平衡达到工艺气体在沉积腔室内的均匀分布。

本发明中通过质量流量控制器进行控制相应工艺气体引导通道的工艺气体的流速。

一种均匀薄膜沉积的方法，包括如下步骤：

s1：将晶圆放置在基片台1的晶圆放置区11上固定；

s2：利用真空泵将沉积腔体内抽至真空；

s3：根据需要选择开启使用相对应数量和位置的工艺气体引导通道，输入工艺气体至沉积腔体内；

s4：开启连接溅射靶材的电源及其他控制部件，在沉积腔体内产生等离子体，轰击靶材，使靶材粒子溅出，沉积于晶圆表面，形成薄膜；

s5：将晶圆运输至沉积腔体外；

s6：测量晶圆表面沉积的厚度及均匀性，若结果达到目标值，则结束调试，并记录相应的控制参数；若结果未达到目标值，则根据测量结果调整不同工艺气体引导通道上的质量流量控制器以调整工艺气体流量，直至达到目标值。

其中步骤s1至s6实际包括为沉积过程中各参数的调试过程，本发明主要调试的参数为各工艺气体引导通道的工艺气体的流量。

如表1所示，其为本发明采用实施例一的结构，进行四次实验获得的数据结果，在四次实验中，实验一、实验二和实验三是以实施例一的结构获得的，以下实施例一的沉积腔体称为a；实施例四是以实施例二的结构获得的，以下实施例二的沉积腔体称为b。四次实验中，仅工艺气体引导通道中的工艺气体流量不同，其余技术参数相同。

表1：

结合图7-10所示，其分别示出了实验一至实验四各个晶圆表面沉积厚度分布图。

由表1可见，在沉积腔体a中，

实验一表明：第一工艺气体引导通道21为105sccm；第二工艺气体引导通道22为55sccm；第三工艺气体引导通道23为55sccm；第四工艺气体引导通道24为80sccm。此条件下获得的沉积薄膜的厚度均方差为1.06％，如图7所示。同时也可以看出，如果没有多管道的气流引入方式，气流在腔体内分布严重不均匀。因此，需要在第一工艺气体引导通道21引入105sccm的工艺气体，远远多于其他通道；第四工艺气体引导通道24引入的工艺气体也高于第二、三工艺气体引导通道，这样才可以做到工艺气体分布的均匀，进而获得较好的沉积薄膜厚度的均匀性，即薄膜的厚度均方差接近～1.0％。

实验二表明：可以在实验一的基础上，通过调节各个通道的工艺气体流量，进而进一步提高薄膜厚度的均匀性。第一工艺气体引导通道21由105sccm调节为102sccm；第二工艺气体引导通道22由55sccm调节为48sccm；第三工艺气体引导通道23由55sccm调节为58sccm；第四工艺气体引导通道24由80sccm调节为87sccm。此条件下获得的沉积薄膜的厚度均方差为0.91％，如图8所示。

实验三表明：可以在实验二的基础上，通过调节各个通道的工艺气体流量，进而进一步提高薄膜厚度的均匀性。第一工艺气体引导通道21由102sccm调节为107sccm；第二工艺气体引导通道22由48sccm调节为62sccm；第三工艺气体引导通道23由58sccm调节为53sccm；第四工艺气体引导通道24由87sccm调节为73sccm。此条件下获得的沉积薄膜的厚度均方差为0.81％，如图9所示。

由表1还可见，在沉积腔体b中，

由于腔体b与腔体a可能存在工艺气体分布方式的不同，因此为了获得优异的沉积薄膜的均匀性，各个通道的工艺气体流量设置与腔体a不完全一样。此条件下，第一工艺气体引导通道21为110sccm；第二工艺气体引导通道22为110sccm；第三工艺气体引导通道23为30sccm；第四工艺气体引导通道24为60sccm。此条件下获得的沉积薄膜的厚度均方差为0.81％，如图10所示。这样表明，本发明采用的多通道引入工艺气体的方式，对于不同的腔体结构，具有广泛的适用性；同时，工艺调节迅速、高效。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。