CN111254383B - 用于改善反应溅射膜层均匀性的物理气相沉积设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于改善反应溅射膜层均匀性的物理气相沉积设备，包括腔体、靶材承载装置、基座、环状管路、多个喷嘴、挡板及环形压环；腔体的下部设置有排气口；基座位于腔体内；挡板位于腔体内，且位于靶材及基座的***；环状管路位于靶材与基座之间，环状管路与反应气体源相连通；多个喷嘴一端连接于环状管路上，另一端朝向基座方向，以将反应气体均匀喷射到晶圆表面；环形压环一端与挡板相接触，另一端延伸至晶圆的上方。本发明可以进一步包括导流盘，位于环形压环上，内径大于等于晶圆的直径，其下表面间隔设置有沿所述导流盘的径向延伸的多个导流槽，用于将残余气体通过所述导流槽排出。本发明有助于提高薄膜的均匀性和降低生产成本。

Description

用于改善反应溅射膜层均匀性的物理气相沉积设备

技术领域

本发明涉及一种半导体制造设备，特别是涉及一种用于改善反应溅射膜层均匀性的物理气相沉积设备。

背景技术

近代工程技术的发展越来越多地用到各种化合物薄膜，化合物薄膜约占全部薄膜材料的70％。过去，大多数化合物薄膜采用CVD(化学气相沉积)方法制备。CVD技术目前已经开发了PECVD(等离子体增强化学气相沉积)，MOCVD(金属有机化合物化学气相沉积)等新工艺。但因CVD沉积需在高温下进行，使得材料来源受到限制，此外很多CVD材料源存在毒性和/或腐蚀性，导致环境污染以及镀膜均匀性等问题，且导致极大的职业安全隐患，使得用CVD法制备化合物薄膜存在诸多限制，因而采用PVD(物理气相沉积)方法制备介质薄膜和化合物薄膜越来越受到关注。

PVD工艺除了可采用射频溅射介质靶材外，还可以采用反应溅射法，即，使用非介质靶材，在溅射镀膜过程中，人为控制地引入某些活性反应气体，与溅射出来的靶材粒子进行反应后沉积在基片上，可获得不同于靶材本身材质的薄膜。例如在O2中反应溅射而获得氧化物，在N2中反应溅射获得氮化物，在O2+N2混合气体中得到氮氧化合物。目前从大规模工业生产化合物薄膜的需求来看，反应磁控溅射沉积技术具有明显的优势。反应溅射的过程中通常的反应气体有氧气、氮气等。在溅射过程中，根据反应气体压力的不同，反应过程可以发生在基片上、基片附近的等离子体区或发生在阴极上(反应后以化合物形式迁移到基片上)。当反应气体的压力较高时，则可能在阴极溅射靶上发生反应，然后以化合物的形式迁移到基片上成膜。一般情况下，反应溅射的气压比较低，因此气相反应不显著，主要表现为在基片表面的固相反应。由于等离子体中的电流、电压通常较高，可以有效地促进反应气体分子的分解、激发和电离过程。在反应溅射过程中产生一股较强的由载能游离原子组成的粒子流，伴随着溅射出来的靶材粒子从阴极靶流向基片，在基片上克服薄膜扩散生长的激活阈能后形成化合物。由于反应磁控溅射所用的靶材料(单元素靶或多元素靶)和反应气体等源材料很容易获得高的纯度，因而有利于制备高纯度的化合物薄膜。此外，在反应磁控溅射中，通过调节沉积工艺参数，可以制备化学配比或非化学配比的化合物薄膜，从而达到通过调节薄膜的组成来调控薄膜特性的目的。另外，在反应磁控溅射沉积过程中，基片的温度一般不太高。而且成膜过程通常也并不要求对基片进行很高温度的加热，因此对基片材料的限制较少，这些优点使得反应磁控溅射的应用越来越广泛。

但是随着半导体制造技术的日益发展，器件关键尺寸越来越小而器件密集度越来越高，对各种膜层的均匀性要求越来越高，而现有大部分磁控溅射设备无法满足这些高均匀性的要求。市面上常用的商用PVD反应腔的结构通常为，工艺气体从腔体下部的进气口进入腔体，然后从加热器与腔体、腔体与晶圆压环之间的缝隙扩散到晶圆上方和靶材下方之间的区域，同时在晶圆和靶材之间区域的工艺气体从腔体与晶圆压环以及加热器与腔体之间的缝隙中流向排气口。这样的结构极易导致晶圆上方中心和边缘气体分布不均匀的情况，造成沉积膜层的厚度、成分和方阻的均匀性不佳，导致生产良率的下降和器件性能劣化。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于改善反应溅射膜层均匀性的物理气相沉积设备，用于解决现有技术中因为设备结构上的原因，容易导致晶圆上方中心和边缘气体分布不均匀的情况，造成沉积膜层的厚度、成分和方阻的均匀性不佳，导致生产良率的下降和器件性能劣化等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于改善反应溅射膜层均匀性的物理气相沉积设备，包括腔体、靶材承载装置、基座、环状管路、多个喷嘴、挡板及环形压环；所述腔体的下部设置有排气口；所述靶材承载装置位于所述腔体上部，用于承载靶材；所述基座位于所述腔体内，用于放置晶圆；所述挡板位于所述腔体内，且位于所述靶材及所述基座的***；所述环状管路位于所述靶材与所述基座之间，所述环状管路的内径大于等于所述靶材及所述基座的直径，所述环状管路与反应气体源相连通；所述多个喷嘴一端与所述环状管路相连接，另一端朝向所述基座方向，用于将所述反应气体源供应的反应气体均匀喷射到所述晶圆表面；所述环形压环一端与所述挡板相接触，另一端延伸至所述晶圆的上方。

可选地，所述物理气相沉积设备还包括导流盘，所述导流盘位于所述环形压环上，所述导流盘呈中空状且所述导流盘的内径大于等于所述晶圆的直径，导流盘的下表面间隔设置有沿所述导流盘的径向延伸的多个导流槽，用于将反应溅射后的残余气体通过所述导流槽排出。

可选地，所述环状管路与所述反应气体源通过适配块相连接，所述适配块上设置有气体通道，所述气体通道一端与所述反应气体源相连通，另一端与所述环状管路相连通。

可选地，所述挡板包括上挡板和下挡板，所述上挡板的一端通过螺丝与所述适配块的上部相连接，另一端向所述腔体的下部延伸，所述下挡板的一端通过螺丝与所述适配块的下部相连接，另一端向所述腔体的下部延伸；所述环状管路位于所述上挡板和所述下挡板之间。

可选地，所述导流槽的数量为8-48个，所述导流槽沿所述导流盘的周向均匀间隔分布。

可选地，所述导流槽的宽度为4-8mm，深度为2-3mm。

可选地，所述喷嘴的数量为4-32个，所述喷嘴沿所述环状管路的周向均匀间隔分布。

可选地，所述喷嘴的进气端孔径大于所述喷嘴的出气端孔径。

可选地，所述喷嘴的进气端孔径为2-18mm，出气端孔径为0.1-1mm。

可选地，所述喷嘴和所述环状管路的材质包括陶瓷、金属和高分子材料中的一种或多种。

可选地，所述喷嘴和环状管路通过波纹管相连接，所述喷嘴的喷射方向和伸缩长度可调。

本发明的物理气相沉积设备通过改善的结构设计，在用于反应溅射薄膜沉积过程中，可以根据工艺需要灵活调整腔体内的气体分布，从而有助于改善沉积膜层的整体均匀性，提高沉积薄膜的品质和提高生产良率。且本发明可以通入不同种类的工艺气体，工艺气体可以是单一气体或者是混合气体，可满足不同的工艺要求，适用性广泛。此外，本发明还有助于减小气体的使用量，可以延长设备的维护保养周期以降低生成本，有助于提高设备产出率。

附图说明

图1显示为本发明实施例一的用于改善反应溅射膜层均匀性的物理气相沉积设备的结构示意图。

图2显示为本发明的物理气相沉积设备中的适配块与环状管路的连接示意图。

图3显示为本发明的物理气相沉积设备的环状管路和喷嘴的连接示意图。

图4-6显示为本发明的物理气相沉积设备的喷嘴的例示性结构示意图。

图7显示为本发明实施例二的物理气相沉积设备的结构示意图。

图8及图9显示为本发明实施例二的物理气相沉积设备中的导流盘的结构示意图，其中，图8为仰视图，图9为局部截面结构示意图。

元件标号说明

11 腔体

111 排气口

12 靶材承载装置

13 基座

14 环状管路

15 喷嘴

161 上挡板

162 下挡板

17 环形压环

18 导流盘

181 导流槽

19 靶材

20 晶圆

21 适配块

211 气体通道

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

如图1至图6所示，本发明提供一种用于改善反应溅射膜层均匀性的物理气相沉积设备，包括腔体11、靶材承载装置12、基座13、环状管路14、多个喷嘴15、挡板及环形压环17；所述腔体11的下部设置有排气口111；所述靶材承载装置12位于所述腔体11上部，用于承载靶材19；所述基座13位于所述腔体11内，用于放置晶圆20；所述挡板位于所述腔体11内，且位于所述靶材19及所述基座13的***；所述环状管路14位于所述靶材19与所述基座13之间，所述环状管路14的内径大于等于所述靶材19及所述基座13的直径，所述环状管路14与反应气体源相连通；所述多个喷嘴15一端与所述环状管路14相连接，另一端朝向所述基座13方向，用于将所述反应气体源供应的反应气体均匀喷射到所述晶圆20表面；所述环形压环17一端与所述挡板相接触，另一端延伸至所述晶圆20的上方(所述环形压环17可以通过设置于其下表面的支撑结构压制于晶圆表面，该支撑结构与晶圆边缘的间距优选在1mm以内，环形压环17的内径略小于晶圆直径，比如小2mm)，通过所述环形压环17与晶圆20相接触以使得所述环形压环17与晶圆20之间没有间隙或仅有极小的间隙。本发明的物理气相沉积设备通过改善的结构设计，在用于反应溅射沉积过程中，可以根据工艺需要灵活调整腔体内的气体分布，从而有助于改善沉积膜层的整体均匀性，提高沉积薄膜的品质和提高生产良率。且本发明可以通入不同种类的工艺气体，工艺气体可以是单一气体或者是混合气体，可满足不同的工艺要求，适用性广泛。此外，本发明还有助于减小气体的使用量，可以延长设备的维护保养周期以降低生成本，有助于提高设备产出率。

作为示例，所述排气口111优选设置于所述腔体11下部的侧壁上或者腔体11底部，所述排气口111可与真空泵相连接，以将反应溅射后的残余气体及时排出。传统的物理气相沉积设备中，工艺气体从腔体下部的进气口进入腔体，然后从加热器与腔体、腔体与晶圆压环之间的缝隙扩散到晶圆上方和靶材下方之间的区域，同时在晶圆和靶材之间区域的工艺气体从腔体与晶圆压环以及加热器与腔体之间的缝隙中流向排气口。这样的结构不仅极易导致晶圆上方中心和边缘气体分布不均匀的情况，造成沉积膜层的厚度、成分和方阻的均匀性不佳，导致生产良率的下降和器件性能劣化，同时因反应气体往往还未来得及参与反应溅射就被排出，不仅导致反应气体的浪费，同时因为气体排放量大导致真空泵等装置的工作量大，因而需要经常进行保养更新，导致生产成本居高不下。而本发明中，反应气体通过喷嘴15可以均匀喷射至晶圆20表面有助于显著改善薄膜沉积均匀性，而且可以有效减少反应气体的用量，降低排气装置(比如真空泵和排气管路)的维修保养频率，可以显著降低生产成本。

作为示例，所述靶材19在反应溅射过程中可以连接至交流电源或脉冲直流电源作为阴极，而所述挡板接地形成阳极。所述物理气相沉积设备可以进一步包括永磁装置(未图示)，所述永磁装置位于所述靶材承载装置12的上方，即本发明可以是基于非磁控溅射，比如基于直流溅射的物理气相沉积设备，亦可以是基于磁控溅射的物理气相沉积设备，本实施例中不做严格限制。

作为示例，所述基座13内可以设置加热器以对晶圆20进行加热，且所述基座13可以进一步连接至驱动装置以根据需要进行旋转和/或升降。

作为示例，所述挡板沿所述腔体11的周向设置以防止靶材19粒子溅射到所述腔体11的内壁，其呈中空状以上下暴露出所述靶材19和所述基座13，所述挡板的中空区域即为反应溅射的腔室，靶材19粒子和反应气体通过该区域后在晶圆20表面反应沉积形成薄膜。在进一步的示例中，所述挡板包括上挡板161和位于所述上挡板161下部的下挡板162。

如图1及图2所示，作为示例，所述环状管路14与所述反应气体源通过适配块21相连接，所述适配块21上设置有气体通道211，所述气体通道211一端与所述反应气体源相连通，另一端与所述环状管路14相连通。所述适配块21可以设置于所述腔体11内部，也可以设置于所述腔体11的外部，本实施例中不做严格限制。所述适配块21的材质可以为不锈钢等金属材质，表面可以做磨砂或铝熔射等粗糙化处理。所述适配块21可以为单个或多个，优选为多个，比如为2个，2个所述适配块21对称分布于腔体11的两侧以进一步优化气体的分布。

在进一步的示例中，所述上挡板161的一端通过螺丝与所述适配块21的上部相连接，另一端向所述腔体11的下部延伸(可以垂直向下延伸或者弯折向下延伸)，所述下挡板162的一端通过螺丝与所述适配块21的下部相连接，另一端向所述腔体11的下部延伸；所述环状管路14位于所述上挡板161和所述下挡板162之间。所述下挡板162的底部可以具有勾状的弯折部，以使所述环形压环17能(比如以类似悬挂的方式)固定于所述下挡板162的弯折部上。所述上挡板161和所述下挡板162的高度可以根据需要设置，但优选所述上挡板161的高度不大于所述下挡板162高度的二分之一，以确保所述环状管路14在垂直方向上更临近所述靶材19(但不相接触)。在一示例中，所述环状管路14与所述靶材19在垂直方向的距离为10-20mm(包括端点值，本说明书中涉及数值范围时均包括端点值，后续不再说明)而所述环状管路14与所述基座13在垂直方向的距离为10-80mm。

所述环状管路14的尺寸可以根据需要设置，但其内径大于等于晶圆20直径。比如在一示例中，所述环状管路14的外直径尺寸为330-342mm，内直径尺寸在200-250mm，而管路的尺寸为宽度30-40mm，所述环状管路14的内侧设置有圆形孔以安装所述喷嘴15，具体如图3所示。

作为示例，所述环状管路14的材质可以为陶瓷、金属(如钛、钛合金、铝、铝合金、钼、铜等)和高分子材料(如特氟龙等)中的一种或多种，具体可以根据工艺需要和/或反应气体的类型选择相应的材料，本实施例中不做严格限制。

在一示例中，所述喷嘴15和环状管路14通过波纹管(未图示)相连接以使所述喷嘴15的喷射方向和伸缩长度可调，且为确保密封，所述喷嘴15和所述波纹管的连接处及所述波纹管与所述环状管路14的连接处均设置有密封圈，同时波纹管的金属件和所述环状管路14之间通过三个螺丝顶圆环状装置来调节方向以使所述喷嘴15可以在前后上下左右方向调整。通过改变喷嘴15方向来改变气体喷射方向，从而改变工艺腔体11内的气体分布。所述喷嘴15可以喷射单一气体或者混合气体来满足不同工艺要求。当然，在其他示例中，所述喷嘴15还可以与其他方式与所述环状管路14相连接以实现角度的可调性，本实施例中不做严格限制。

作为示例，所述喷嘴15的数量为4-32个，所述喷嘴15沿所述环状管路14的周向均匀间隔分布，具体如图3所示，且所述喷嘴15的进气端孔径优选大于所述喷嘴15的出气端孔径，相对较小的出气端孔径便于产生高速气流，使反应气体足以喷射至晶圆20附近及表面而不至于还来不及参与反应溅射就被真空泵抽走。所述出气端孔径和进气端孔径需精心设置，过大容易导致反应气流速度不高，容易被真空泵抽走而到达不了所述晶圆20上方，而且导致腔室内气压不均匀，容易导致沉积异常；过小则容易导致气体不足，同样会导致溅射沉积的薄膜品质不佳。发明人经多次试验发现，当所述喷嘴15的进气端孔径为2-18mm，出气端孔径为0.1-1mm时能够在沉积速度、薄膜均匀性等多方面达到较好的平衡。

所述喷嘴15的形状可以如图4所示，喷嘴15整体截面形状呈矩形而内部的气孔呈梯形状，即孔径自进气端沿出气端的方向逐渐缩小(呈线性缩小)；也可以如图5所示，喷嘴15整体截面形状和内部的气孔均呈梯形，即自进气方向沿出气方向尺寸逐渐缩小；还可以如图6所示，喷嘴15整体截面形状呈矩形而内部的孔径自进气端沿出气端方向成阶梯式缩小。所述喷嘴15的具体形状还可以有其他设置，本实施例中不做严格限制，但优选所述喷嘴15的外直径尺寸在3-20mm之间(如果喷嘴15的截面形状为非矩形等规则形状，则该外直径尺寸是指其最大处的尺寸)。

作为示例，所述喷嘴15的材质可以和所述环状管路14的材质相同或不同，比如同样可以包括陶瓷、金属(如钛、钛合金、铝、铝合金、钼、铜等)、石英和高分子材料(如特氟龙等)中的一种或多种，具体可以根据工艺需要和/或反应气体的类型选择相应的材料，本实施例中不做严格限制。

实施例二

如图7所示，本发明还提供另一种结构的物理气相沉积设备，本实施例的物理气相沉积设备与实施例一的物理气相沉积设备的区别在于，本实施例的物理气相沉积设备还设置有导流盘18；所述导流盘18位于所述环形压环17上，且所述导流盘可一直延伸到与所述挡板相接触，使得所述导流盘18和挡板(腔体11)之间、导流盘18和环形压环17之间均没有间隙或者仅有极小的间隙；所述导流盘18呈中空状且所述导流盘18的内径大于等于(优选略大于)所述晶圆20的直径，所述导流盘18的下表面间隔设置有沿所述导流盘18的径向延伸的多个导流槽181，用于将反应溅射后的残余气体通过所述导流槽181排出。除上述区别之外，本实施例的物理气相沉积设备与实施例一相同，具体请参考前述内容，出于简洁的目的不赘述。

如图8和图9所示，在一示例中，所述导流盘18的上表面为平面(且上表面可以做磨砂等粗糙化处理)而下表面设置所述导流槽181，所述导流盘18可以阻止气体从所述环形压环17和所述下挡板162之间的缝隙被抽走从而造成晶圆20上方气体分布不均匀，确保反应气体能充分参与反应溅射。所述导流盘18的尺寸可以根据需要设置，但需确保其内径大于等于晶圆20尺寸以确保溅射粒子能沉积到晶圆20表面。比如在一示例中，所述导流盘18的外直径为320-326mm，内直径为200-250mm，厚度为3-4mm。所述导流槽181的宽度需要精心设置，发明人经多次试验发现，所述导流槽181的宽度在4-8mm(可以是等宽也可以沿远离所述导流槽181中心的方向逐渐增大)，深度为2-3mm时是较为合适的。所述导流槽181的数量同样可以根据需要设置，在一优选示例中，所述导流槽181的数量为8-48个，且所述导流槽181优选沿所述导流盘18的周向均匀间隔分布。

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合具体的工艺操作对本发明的物理气相沉积设备用于反应溅射沉积工艺的过程和效果做一示例性说明。

反应溅射准备工作：将晶圆传送至腔体11内，且放置到基座13上，然后基座13升起直接托起晶圆、晶圆托起环形压环17、环形压环17托起导流盘18，直至基座13到达工艺所需高度后停止；打开工艺气体，工艺气体从适配块21的气体通道211的入口处进入并经该气体通道211进入到环状管路14中，之后工艺气体进入喷嘴15并通过喷嘴15供应至腔体11内，然后打开靶材19的溅射电源，进行溅射镀膜。

实验一：使用环状管路14、喷嘴15进行反应溅射沉积氧化钒薄膜实验时(即基于实施例一的物理气相沉积设备进行实验)，工艺气体氩气和氧气一起从喷嘴15进入，调节喷嘴15(前后、左右、上下)角度以改变工艺气体喷射出的方向，分别对准晶圆半径上不同位置(中心、半中间、外侧)，完成溅射后分别测试晶圆表面的氧化钒薄膜方阻分布。测试结果表明随着喷嘴15喷射气体方向的改变，方阻阻值随之发生改变(喷嘴15对准的方向上氧气浓度增高，喷嘴15的出气孔所对准位置区域的晶圆表面的氧化钒膜氧含量增高、方阻随之增高)，此实验结果表明通过喷嘴喷射方向的改变可以非常容易改变晶圆上方氧气的浓度，通过此方式来弥补抽气(排气)造成的气体分布不均匀，从而大大提高氧化物膜的均匀性(在进行反应溅射沉积氮化物薄膜的实验时均呈现同样的结果。)

实验二：使用环状管路14、喷嘴15和导流盘18进行反应溅射氧化钒(即基于实施例二的物理气相沉积设备进行实验，但实验过程中不调节喷嘴方向)，采用与实验一相同的工艺参数，对比有无导流盘18的方阻分布变化。方阻测试结果表明，增加导流盘18后，晶圆外侧氧化钒方阻有明显下降趋势，晶圆外侧方阻阻值接近中心方阻阻值。没有导流盘18溅射氧化钒实验，晶圆上氧化钒外侧方阻阻值通常是中心方阻阻值的200％以上，且整体方阻均匀性(1*标准差/平均值)从没有导流盘的110％提高到增加导流盘18后的8％。此实验结果表明了增加导流盘18后，能够十分有效地阻止气体大部分从环形压环17和下挡板162之间的缝隙被抽走而导致气体分布不均匀，特别是晶圆外侧区域的气体浓度减小的问题。因此，增加导流盘后，对氧化钒整体方阻均匀性有很大的改善，特别是改善了没有导流盘时氧化钒外侧方阻特别大、向上飘的问题。此方式同样适用于其他磁控溅射腔体(气体分布不均匀，特别是外侧气体浓度小)。

实施例三：使用环状管路14、喷嘴15和导流盘18进行反应溅射氧化钒，采用与实施例一相同的工艺参数(即基于实施例二的物理气相沉积设备进行实验)。方阻测试结果表明，增加导流盘18后，晶圆外侧氧化钒方阻明显下降，晶圆外侧方阻阻值接近中心方阻阻值，但晶圆外侧方阻阻值还是略微高于晶圆中心方阻阻值。调节喷嘴15角度以改变工艺气体喷射出的方向，对准晶圆靠中心区域位置，完成溅射后测试晶圆表面的氧化钒薄膜方阻分布。测试结果表明随着喷嘴15喷射气体方向对准晶圆中心区域后，方阻阻值随之发生改变(喷嘴15对准的方向上氧气浓度增高，喷嘴15的出气孔所对准位置区域的晶圆表面的氧化钒膜氧含量增高、方阻随之增高)，结果表明通过喷嘴喷射方向的改变可以非常容易改变晶圆上方氧气的浓度，通过此方式来弥补抽气(排气)造成的气体分布不均匀。同时增加导流盘18后，能够十分有效地阻止气体大部分从环形压环17和下挡板162之间的缝隙被抽走而导致气体分布不均匀，特别是晶圆外侧区域的气体浓度减小的问题。因此，增加导流盘后，对氧化钒整体方阻均匀性有很大的改善，特别是改善了没有导流盘时氧化钒外侧方阻特别大、向上飘的问题。此实验结果表明通过喷嘴喷射方向的改变和导流盘两者配合，能够明显提高氧化钒方阻均匀性(在进行反应溅射沉积氮化物薄膜的实验时均呈现同样的结果。)

通过上述三个实验可以看到，采用本发明的物理气相沉积设备用于反应溅射薄膜沉积时，通过所述喷嘴和导流盘的分别作用以及共同作用均可以有效改善薄膜均匀性(包括方阻均匀性和厚度均匀性等)，有助于提高生产良率和器件性能。

综上所述，本发明提供一种用于改善反应溅射膜层均匀性的物理气相沉积设备，设备包括腔体、靶材承载装置、基座、环状管路、多个喷嘴、挡板及环形压环；所述腔体的下部设置有排气口；所述靶材承载装置位于所述腔体上部，用于承载靶材；所述基座位于所述腔体内，用于放置晶圆；所述挡板位于所述腔体内，且位于所述靶材及所述基座的***；所述环状管路位于所述靶材与所述基座之间，所述环状管路的内径大于等于所述靶材及所述基座的直径，所述环状管路与反应气体源相连通；所述多个喷嘴一端与所述环状管路相连接，另一端朝向所述基座方向，以将所述反应气体源供应的反应气体均匀喷射到所述晶圆表面；所述环形压环一端与所述挡板相接触，另一端延伸至所述晶圆的上方。本发明的物理气相沉积设备通过改善的结构设计，在用于反应溅射沉积过程中，可以根据工艺需要灵活调整腔体内的气体分布，从而有助于改善沉积膜层的整体均匀性，提高沉积薄膜的品质和提高生产良率。且本发明可以通入不同种类的工艺气体，工艺气体可以是单一气体或者是混合气体，可满足不同的工艺要求，适用性广泛。此外，本发明还有助于减小气体的使用量，可以延长设备的维护保养周期以降低生成本，有助于提高设备产出率。本发明不仅可以用于150mm以下小尺寸晶圆的反应溅射薄膜沉积，同时适用于200mm及以上大尺寸晶圆的反应溅射薄膜沉积，尤其是晶圆尺寸越大、晶圆上的器件分布情况越复杂，采用本发明的物理气相沉积设备所带来的优点将愈加突出。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种用于改善反应溅射膜层均匀性的物理气相沉积设备，其特征在于，包括：腔体、靶材承载装置、基座、环状管路、多个喷嘴、挡板、环形压环及导流盘；所述腔体的下部设置有排气口；所述靶材承载装置位于所述腔体上部，用于承载靶材；所述基座位于所述腔体内，用于放置晶圆；所述挡板位于所述腔体内，且位于所述靶材及所述基座的***；所述环状管路位于所述靶材与所述基座之间，所述环状管路的内径大于等于所述靶材及所述晶圆的直径，所述环状管路与反应气体源相连通；所述多个喷嘴一端与所述环状管路相连接，另一端朝向所述基座方向，用于将所述反应气体源供应的反应气体均匀喷射到所述晶圆表面；所述环形压环一端与所述挡板相接触，另一端延伸至所述晶圆的上方，所述环形压环与晶圆相接触以使得所述环形压环与晶圆之间没有间隙；所述导流盘位于所述环形压环上，所述导流盘呈中空状且所述导流盘的内径大于等于所述晶圆的直径，所述导流盘的下表面间隔设置有沿所述导流盘的径向延伸的多个导流槽，用于将反应溅射后的残余气体通过所述导流槽排出。

2.根据权利要求1所述的物理气相沉积设备，其特征在于：所述环状管路与所述反应气体源通过适配块相连接，所述适配块上设置有气体通道，所述气体通道一端与所述反应气体源相连通，另一端与所述环状管路相连通。

3.根据权利要求2所述的物理气相沉积设备，其特征在于：所述挡板包括上挡板和下挡板，所述上挡板的一端通过螺丝与所述适配块的上部相连接，另一端向所述腔体的下部延伸，所述下挡板的一端通过螺丝与所述适配块的下部相连接，另一端向所述腔体的下部延伸；所述环状管路位于所述上挡板和所述下挡板之间。

4.根据权利要求1所述的物理气相沉积设备，其特征在于：所述导流槽的数量为8-48个，所述导流槽沿所述导流盘的周向均匀间隔分布。

5.根据权利要求4所述的物理气相沉积设备，其特征在于：所述导流槽的宽度为4-8mm，深度为2-3mm。

6.根据权利要求1所述的物理气相沉积设备，其特征在于：所述喷嘴的数量为4-32个，所述喷嘴沿所述环状管路的周向均匀间隔分布。

7.根据权利要求1所述的物理气相沉积设备，其特征在于：所述喷嘴的进气端孔径大于所述喷嘴的出气端孔径。

8.根据权利要求7所述的物理气相沉积设备，其特征在于：所述喷嘴的进气端孔径为2-18mm，出气端孔径为0.1-1mm。

9.根据权利要求1所述的物理气相沉积设备，其特征在于：所述喷嘴和所述环状管路的材质包括陶瓷、金属和高分子材料中的一种或多种。

10.根据权利要求1-9任一项所述的物理气相沉积设备，其特征在于：所述喷嘴和环状管路通过波纹管相连接，所述喷嘴的喷射方向和伸缩长度可调。

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