CN118109804A - 背面镀膜工艺腔室及化学气相沉积设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种背面镀膜工艺腔室及化学气相沉积设备，通过在环箍上设置第一台阶槽及第二台阶槽，保证了晶圆上表面不会与加热器接触且晶圆上表面被加热器和环箍包裹起来，如此在镀膜过程中可有效隔绝喷淋装置喷出的反应气体进入晶圆正面污染晶圆正面的膜层，同时还可避免加热器碰触到晶圆正面膜层，并且还可提高加热器的加热均匀性；另外，通过在环箍与抽气环之间固定连接若干个可伸缩支撑装置，使加热器带动环箍运动实现晶圆与喷淋装置之间距离的调节，避免了喷淋装置作为运动件带来的运动成本以及安全隐患；最后，由于镀膜反应的主要过程在抽气环内进行，所以还可保护密封套不易被腐蚀延长其使用寿命，降低设备成本。

Description

背面镀膜工艺腔室及化学气相沉积设备

技术领域

本发明涉及半导体制造设备技术领域，特别是涉及一种背面镀膜工艺腔室及化学气相沉积设备。

背景技术

在晶圆(wafer)正面进行薄膜沉积或结构堆叠时，薄膜会对晶圆的正面产生拉、压应力，导致晶圆发生翘曲的现象，晶圆翘曲会影响晶圆与加热装置的接触，从而影响后道沉积其他薄膜时晶圆表面的温度分布，进而影响后道薄膜性能的均匀性，以及光刻时临界尺寸的均匀性等问题，影响产品良率。正常在反应腔内消除翘曲的方法是用静电卡盘或者真空吸附等方法来实现，但是，由于某些来自前道的晶圆的弯曲程度较大，上述两种方法会将晶圆上的薄膜拉坏或者有剥离风险。

现有的技术方案是通过CVD、ALD等工艺沉积背面膜层(backside film)，利用背面的应力薄膜表现出的应力来消除晶圆正面成膜时所带来的翘曲问题，但现有技术中针对在晶圆背面沉积应力薄膜的设备，通常存在反应源外散至晶圆正面形成晶圆正面镀膜、喷淋头与晶圆之间的间距不易调节等技术问题。

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背面镀膜工艺腔室及化学气相沉积设备，用于解决现有技术中的晶圆背面沉积应力薄膜的设备，存在反应源外散至晶圆正面形成晶圆正面镀膜、喷淋头与晶圆之间的间距不易调节等技术问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种背面镀膜工艺腔室，所述工艺腔室包括：

壳体，所述壳体内形成有空腔；

盖体，所述盖体上连接有加热器，且所述盖体扣盖在所述壳体上可将所述空腔密封；

所述空腔内由下向上依次设置有密封套、抽气环、若干个可伸缩支撑装置及中空的环箍；其中，

所述密封套中设置有喷淋装置，以向晶圆喷淋反应气体；

所述喷淋装置上设置有若干个顶针孔，以用于容置顶针，所述顶针用于承载晶圆；

所述抽气环的侧壁开设有若干个通孔，且所述抽气环的上表面设置有翻边；

若干个所述可伸缩支撑装置的上端及下端分别固定在所述环箍上及所述抽气环的所述翻边上，且所述可伸缩支撑装置可沿上下方向伸缩；

所述环箍由上向下设置有第一台阶槽及第二台阶槽，且所述第一台阶槽的口径大于所述第二台阶槽的口径，所述第一台阶槽用于容置所述加热器，所述第二台阶槽用于容置晶圆，且所述第二台阶槽的高度大于晶圆厚度。

可选地，所述第二台阶槽的高度与晶圆厚度差为1mm~2mm。

可选地，所述可伸缩支撑装置为弹簧或气缸。

可选地，所述可伸缩支撑装置的数量不小于三个，且沿周向均匀设置。

进一步地，所述可伸缩支撑装置的数量为四个。

可选地，所述可伸缩支撑装置沿上下方向伸缩的范围在5mm以内。

可选地，所述密封套、所述抽气环及所述环箍的材料为陶瓷材料。

可选地，所述抽气环侧壁开设的若干个所述通孔尺寸相同且沿周向均匀设置。

可选地，所述顶针与所述壳体外部的升降装置连接，以控制所述顶针的升降；所述密封套底部与所述壳体外部的真空管道连通，以对所述背面镀膜工艺腔室抽真空。

本发明还提供一种化学气相沉积设备，包括如上任意一项所述的背面镀膜工艺腔室。

如上所述，本发明的背面镀膜工艺腔室及化学气相沉积设备，通过在环箍上设置口径较大的第一台阶槽及口径较小的第二台阶槽，且使第二台阶槽的高度大于晶圆的厚度，当加热器容置在第一台阶槽，晶圆容置在第二台阶槽后，加热器与环箍紧密贴合且与晶圆隔着第二台阶槽，保证了晶圆上表面不会与加热器接触且晶圆上表面被加热器和环箍包裹起来，如此在镀膜过程中可有效隔绝喷淋装置喷出的反应气体进入晶圆正面污染晶圆正面的膜层，同时由于晶圆不会与加热器直接接触还可避免加热器碰触到晶圆正面膜层损伤正面膜层甚至压碎晶圆的风险，并且晶圆与加热器始终保持固定距离还可提高加热器的加热均匀性使镀膜均匀性更佳；另外，通过在环箍与抽气环之间固定连接若干个可伸缩支撑装置，可使加热器在下降过程中带动环箍向下运动，即带动晶圆向下运动，从而实现晶圆与喷淋装置之间距离的调节，这种加热器带动环箍运动实现晶圆与喷淋装置之间距离的调节避免了通过调整喷淋装置调节晶圆与喷淋装置之间的距离，避免了喷淋装置作为运动件带来的运动成本以及安全隐患；最后，由于镀膜反应的主要过程在抽气环内进行，所以还可保护密封套不易被腐蚀延长其使用寿命，降低设备成本。

附图说明

图1显示为本发明的背面镀膜工艺腔室的三维示意图，其中未示出盖体结构。

图2显示为本发明的背面镀膜工艺腔室空腔中的结构的俯视示意图。

图3显示为本发明的背面镀膜工艺腔室空腔中的结构与加热器、壳体外的结构之间位置关系的三维示意图。

图4显示为本发明的背面镀膜工艺腔室空腔中的结构的三维示意图。

图5显示为本发明的背面镀膜工艺腔室空腔中的结构与壳体外的结构之间连接关系的三维示意图。

图6显示为本发明的背面镀膜工艺腔室中环箍的俯视结构示意图。

元件标号说明

10 壳体，100 空腔，11 加热器，12 密封套，13 喷淋装置，130 顶针孔，14 顶针，15 抽气环，150 通孔，151 翻边，16 可伸缩支撑装置，17 环箍，170 第一台阶槽，171 第二台阶槽，172 第一台阶面，173 第二台阶面，174 中空孔，18 升降装置，19 真空管道，20 晶圆。

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。

请参阅图1至图6。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具有技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

半导体设备制造经常涉及多层薄膜在晶圆的一侧表面进行堆叠形成半导体器件，当多层薄膜在沉积过程中，可能会在晶圆中引入应力，这种应力会导致晶圆弯曲，且随着现在晶圆的尺寸越来越大，产生晶圆弯曲的几率越来越大，以至于后续薄膜的质量变差，可通过在晶圆的背面沉积应力薄膜，应力薄膜具有与器件薄膜相同的应力，所以可以消除晶圆正面器件薄膜应力带来的晶圆翘曲的问题，从而在后续沉积薄膜的过程中，即可形成质量良好的薄膜。

本实施例提供一种背面镀膜工艺腔室，可用于在晶圆背面沉积应力薄膜，但不以此为限，该背面镀膜工艺腔室也可在晶圆背面沉积其他工艺所需的膜层，如图1至图6所示，所述工艺腔室包括：

如图1所示，壳体10，所述壳体10内形成有空腔100；这里不过分限制所述壳体10的形状及尺寸等参数，具体根据实际应用场景进行设置，只要壳体10内部可以形成所述空腔100即可，另外，壳体10上还可以设置其他工艺所需的本领域技术人员公知的现有结构；

如图1所示，盖体（图中未视出），所述盖体上连接有加热器11，且所述盖体扣盖在所述壳体10上可将所述空腔100密封；这里也不过分限制所述盖体的形状及尺寸等参数，具体根据实际应用场景进行设置，只要盖体能与壳体10之间实现密封即可；另外，也不过分限制加热器11与盖体之间的连接方式，具体根据实际需要进行设置；

如图1至图5所示，所述空腔100内由下向上依次设置有密封套12、抽气环15、若干个可伸缩支撑装置16及中空的环箍17，如图6的环箍17中的中空孔174；其中，

如图1及图2所示，所述密封套12中设置有喷淋装置13，以向晶圆20喷淋反应气体；

如图2所示，所述喷淋装置13上设置有若干个顶针孔130，以用于容置顶针14，所述顶针14用于承载晶圆20；

如图3及图5所示，所述抽气环15的侧壁开设有若干个通孔150，且所述抽气环15的上表面设置有翻边151；

如图4及图5所示，若干个所述可伸缩支撑装置16的上端及下端分别固定在所述环箍17上及所述抽气环15的所述翻边151上，且所述可伸缩支撑装置16可沿上下方向伸缩；

如图6所示，所述环箍17由上向下设置有第一台阶槽170及第二台阶槽171，且所述第一台阶槽170的口径大于所述第二台阶槽171的口径，即由上向下两个台阶槽的口径逐渐减小，所述第一台阶槽170用于容置所述加热器11（如图1及图3所示），即加热器11与第一台阶槽170的第一台阶面172接触，所述第二台阶槽171用于容置晶圆20（如图1所示），即晶圆20与第二台阶槽171的第二台阶面173接触，且所述第二台阶槽171的高度大于晶圆20厚度。

晶圆进出本实施例的背面镀膜工艺腔室的方式为：如图1、图2及图4所示，当晶圆需要进入工艺腔室时，盖体打开，机械手臂将晶圆抓取转运至环箍17上方，顶针14穿过喷淋装置13上的顶针孔130上升至晶圆下方并承接晶圆，然后顶针14通过顶针孔130下降并带动晶圆下降使晶圆容置于环箍17的第二台阶槽171的第二台阶面173上，顶针14继续下降至预设位置；当晶圆需要离开工艺腔室时，盖体打开，顶针14穿过喷淋装置13上的顶针孔130上升至晶圆下方并顶起晶圆，然后机械手臂抓取顶针14上的晶圆并将晶圆转运至工艺腔室之外，另外，顶针下降至预设位置。

本实施例的背面镀膜工艺腔室，通过在环箍上设置口径较大的第一台阶槽及口径较小的第二台阶槽，且使第二台阶槽的高度大于晶圆的厚度，当加热器容置在第一台阶槽，晶圆容置在第二台阶槽后，加热器与环箍紧密贴合且与晶圆隔着第二台阶槽，保证了晶圆上表面不会与加热器接触且晶圆上表面被加热器和环箍包裹起来，如此在镀膜过程中可有效隔绝喷淋装置喷出的反应气体进入晶圆正面污染晶圆正面的膜层，同时由于晶圆不会与加热器直接接触还可避免加热器碰触到晶圆正面膜层损伤正面膜层甚至压碎晶圆的风险，并且晶圆与加热器始终保持固定距离还可提高加热器的加热均匀性使镀膜均匀性更佳；另外，通过在环箍与抽气环之间固定连接若干个可伸缩支撑装置，可使加热器在下降过程中带动环箍向下运动，即带动晶圆向下运动，从而实现晶圆与喷淋装置之间距离的调节，这种加热器带动环箍运动实现晶圆与喷淋装置之间距离的调节避免了通过调整喷淋装置调节晶圆与喷淋装置之间的距离，避免了喷淋装置作为运动件带来的运动成本以及安全隐患；最后，由于镀膜反应的主要过程在抽气环内进行，所以还可保护密封套不易被腐蚀延长其使用寿命，降低设备成本。

这里需要说明的是本实施例中的上下方向指的是附图所示的方位及位置关系，也是本实施例的背面镀膜工艺腔室使用时惯常摆放的方位及位置关系。

如图6所示，所述第二台阶槽171的高度比晶圆的厚度大，两者的高度差可根据实际需要进行设置，例如考虑整个环箍17的厚度不能太厚，两者的高度差太大可能导致晶圆在第二台阶槽171中产生晃动的风险以及加热器11与晶圆距离加大会影响加热效果，所以较佳地选择所述第二台阶槽171的高度与晶圆厚度差为1mm~2mm，例如1mm、1.2mm、1.4mm、1.5mm、1.7mm、1.8mm、2mm。

如图6所示，所述第一台阶槽170的高度不做过分限制，一般加热器11上会设置加热盘，加热盘中设置有加热结构，加热盘可对晶圆进行加热，第一台阶槽170的高度可以小于加热盘的厚度，也可等于加热盘的厚度，也可大于加热盘的厚度，较佳的选择第一台阶槽170的高度不小于加热盘的厚度，以提高加热盘对晶圆的加热效率。

作为示例，所述密封套12、所述抽气环15及所述环箍17的材料优选为陶瓷材料以提高使用寿命，例如氮化硅陶瓷材料。但也不限于此，其他金属镀膜材料也可，具体根据实际需要进行选择，例如铝合金镀膜材料。

所述可伸缩支撑装置16可选择现有常见的伸缩结构，例如弹簧、气缸等等。弹簧结构简单，成本较低，气缸结构较为复杂，成本较高，但弹簧相对气缸寿命较短，具体可根据实际需要进行选择；另外，所述可伸缩支撑装置16的材料优选耐腐蚀材料，例如哈氏合金等。

由于所述可伸缩支撑装置16设置于抽气环15与环箍17之间，为了使环箍17在伸缩过程中保持平衡，所述可伸缩支撑装置16的数量一般不少于三个，且沿周向均匀设置为佳。更佳地，沿周向均匀设置四个所述可伸缩支撑装置16。

所述可伸缩支撑装置16沿上下方向伸缩的范围可根据实际需要进行设置，本实施例中选择在5mm以内，即所述可伸缩支撑装置16可向下压缩的位移在5mm以内，当然，当加热器11脱离环箍17后，可伸缩支撑装置16会回弹至平衡状态。

如图5所示，作为一较佳示例，所述抽气环15侧壁开设的若干个所述通孔150尺寸相同且沿周向均匀设置。设置所述通孔150的作用是在镀膜过程中实时抽取工艺腔室中的气体以使工艺腔室保持所需的真空度，而将若干个通孔150的尺寸设置为相同且沿周向均匀设置，可在抽取气体时使抽气环15所在区域的气流更均匀稳定，以提高镀膜的均匀性。

如图3及图5所示，作为示例，所述顶针14与所述壳体10外部的升降装置18连接，以控制所述顶针14的升降；所述密封套12底部与所述壳体10外部的真空管道19连通，以对所述背面镀膜工艺腔室抽真空。所述升降装置18可采用现有常见的升降装备，例如包括波纹管的升降装备。所述真空管道19从所述密封套12的底部伸入以便于抽真空。

本领域技术人员可以理解的是，该背面镀膜工艺腔室还应包含其他用于实现背面镀膜工艺的组件，例如输送工艺材料的管路，抽真空装置，供电线路等等，这些组件的设置方式和具体原理可以参考现有技术，在此不再赘述。

本实施例的背面镀膜工艺腔室可适用于多种背面镀膜工艺，例如PECVD、LPCVD等等。当适用于PECVD工艺时，该背面镀膜工艺腔室还需要增加等离子体产生、引导装置，以将喷淋装置中喷出的前驱体电离为等离子体并引导至晶圆表面沉积反应。这些结构均可通过现有的技术实现。

为了对比本实施例的背面镀膜工艺腔室的工艺效果，做了两组对比试验，第一组的工艺腔室（表格中的可调节环箍）采用本实施例的背面镀膜工艺腔室，第二组的工艺腔室（表格中的普通环箍）采用的结构与本实施基本相同，不同在于：环箍与抽气环之间不设置可伸缩支撑装置，另外环箍不设置第一台阶槽及第二台阶槽。采用该两组工艺腔室在同等工艺条件下采用PECVD工艺在晶圆背面制备氮化硅应力薄膜得到的工艺效果对比如下表一：

表一 采用PECVD工艺在晶圆背面制备氮化硅应力薄膜得到的工艺效果对比

	可调节环箍	普通环箍
			翘曲度差值（Delta Bow）	300微米	30微米
薄膜厚度（THK）	4000 Å	3500 Å
			薄膜不均匀厚度差最大值（THK Range）	150 Å	450 Å
薄膜不均匀性（UN%）	1%以下	5%
			晶圆正面颗粒数（Particle>0.08μm）	20颗	100颗以上

从表一中可以看出，采用本实施例的背面镀膜工艺腔室制备氮化硅应力薄膜可以调整翘曲度差值（翘曲度差值指的是：晶圆正面镀膜工艺前晶圆的翘曲度与晶圆正面镀膜工艺后晶圆的翘曲度之间的差值）为300微米的晶圆、制备的薄膜厚度为4000 Å、制备的薄膜不均匀厚度差最大值为150 Å、薄膜不均匀性在1%以下、晶圆正面颗粒数（大于0.08μm的颗粒）为20颗；而第二组只能调整翘曲度差值为30微米的晶圆、制备的薄膜厚度为3500 Å、制备的薄膜不均匀厚度差最大值为450 Å、薄膜不均匀性为5%、晶圆正面颗粒数（大于0.08μm的颗粒）在100颗以上。

本实施例还提供一种化学气相沉积设备，包括本实施例如上公开的任一背面镀膜工艺腔室。该化学气相沉积设备包含与前述实施例中的背面镀膜工艺腔室相同的结构和有益效果。背面镀膜工艺腔室的结构和有益效果以在前述实施例中进行了详细描述，在此不再赘述。

综上所述，本发明提供一种背面镀膜工艺腔室及化学气相沉积设备，通过在环箍上设置口径较大的第一台阶槽及口径较小的第二台阶槽，且使第二台阶槽的高度大于晶圆的厚度，当加热器容置在第一台阶槽，晶圆容置在第二台阶槽后，加热器与环箍紧密贴合且与晶圆隔着第二台阶槽，保证了晶圆上表面不会与加热器接触且晶圆上表面被加热器和环箍包裹起来，如此在镀膜过程中可有效隔绝喷淋装置喷出的反应气体进入晶圆正面污染晶圆正面的膜层，同时由于晶圆不会与加热器直接接触还可避免加热器碰触到晶圆正面膜层损伤正面膜层甚至压碎晶圆的风险，并且晶圆与加热器始终保持固定距离还可提高加热器的加热均匀性使镀膜均匀性更佳；另外，通过在环箍与抽气环之间固定连接若干个可伸缩支撑装置，可使加热器在下降过程中带动环箍向下运动，即带动晶圆向下运动，从而实现晶圆与喷淋装置之间距离的调节，这种加热器带动环箍运动实现晶圆与喷淋装置之间距离的调节避免了通过调整喷淋装置调节晶圆与喷淋装置之间的距离，避免了喷淋装置作为运动件带来的运动成本以及安全隐患；最后，由于镀膜反应的主要过程在抽气环内进行，所以还可保护密封套不易被腐蚀延长其使用寿命，降低设备成本。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)

1.一种背面镀膜工艺腔室，其特征在于，所述工艺腔室包括：

壳体，所述壳体内形成有空腔；

盖体，所述盖体上连接有加热器，且所述盖体扣盖在所述壳体上可将所述空腔密封；

所述空腔内由下向上依次设置有密封套、抽气环、若干个可伸缩支撑装置及中空的环箍；其中，

所述密封套中设置有喷淋装置，以向晶圆喷淋反应气体；

所述喷淋装置上设置有若干个顶针孔，以用于容置顶针，所述顶针用于承载晶圆；

所述抽气环的侧壁开设有若干个通孔，且所述抽气环的上表面设置有翻边；

若干个所述可伸缩支撑装置的上端及下端分别固定在所述环箍上及所述抽气环的所述翻边上，且所述可伸缩支撑装置可沿上下方向伸缩；

所述环箍由上向下设置有第一台阶槽及第二台阶槽，且所述第一台阶槽的口径大于所述第二台阶槽的口径，所述第一台阶槽用于容置所述加热器，所述第二台阶槽用于容置晶圆，且所述第二台阶槽的高度大于晶圆厚度。

2.根据权利要求1所述的背面镀膜工艺腔室，其特征在于：所述第二台阶槽的高度与晶圆厚度差为1mm~2mm。

3.根据权利要求1所述的背面镀膜工艺腔室，其特征在于：所述可伸缩支撑装置为弹簧或气缸。

4.根据权利要求1所述的背面镀膜工艺腔室，其特征在于：所述可伸缩支撑装置的数量不小于三个，且沿周向均匀设置。

5.根据权利要求4所述的背面镀膜工艺腔室，其特征在于：所述可伸缩支撑装置的数量为四个。

6.根据权利要求1所述的背面镀膜工艺腔室，其特征在于：所述可伸缩支撑装置沿上下方向伸缩的范围在5mm以内。

7.根据权利要求1所述的背面镀膜工艺腔室，其特征在于：所述密封套、所述抽气环及所述环箍的材料为陶瓷材料。

8.根据权利要求1所述的背面镀膜工艺腔室，其特征在于：所述抽气环侧壁开设的若干个所述通孔尺寸相同且沿周向均匀设置。

9.根据权利要求1所述的背面镀膜工艺腔室，其特征在于：所述顶针与所述壳体外部的升降装置连接，以控制所述顶针的升降；所述密封套底部与所述壳体外部的真空管道连通，以对所述背面镀膜工艺腔室抽真空。

10.一种化学气相沉积设备，其特征在于，包括权利要求1~9中任意一项所述的背面镀膜工艺腔室。