可灵活调整溅射范围的物理气相沉积设备

技术领域

本发明涉及集成电路领域，特别是涉及一种用于制造集成电路的设备，尤其是涉及一种可灵活调整溅射范围的物理气相沉积设备。

背景技术

镀膜工艺是半导体器件制备过程中的重要工艺。镀膜均匀性对产品质量至关重要，其不仅是薄膜参数的重要指标之一，同时也是衡量物理气相沉积（PVD）设备的核心指标。镀膜厚度的均匀性与靶基距（溅射靶材与晶圆基座的距离）、靶材上方磁铁组件的型号及气体流量等都有较大的关系。镀膜过程中，晶圆放置在基座上，非镀膜面与基座相接触，镀膜面向上与靶材相对。对于某些功率器件、封装类器件等产品，在晶圆上镀膜时通常要求不能将金属薄膜溅镀在晶圆的非镀膜面。现有技术中，为了防止晶圆的非镀膜面被溅镀上薄膜而影响器件的功能，一般会在晶圆边缘上方设置遮挡组件（例如对于内径为300mm的晶圆，通常会采用口径略小于晶圆内径，如内径为290mm或者280mm的遮蔽环）来进行遮挡溅射，避免晶圆的非镀膜面被污染。

现有公开技术中，遮蔽环的设计主要有两种：第一种是遮蔽环压住晶圆边缘随晶圆基座一起上下运动以实现镀膜均匀性的可调，该设计的缺点是遮蔽环压住晶圆进行镀膜工艺后会存在遮蔽环粘片和晶圆破片等问题，同时对晶圆边缘的薄膜厚度的可控性也较差。即，由于遮蔽环与晶圆直接接触，导致晶圆边缘接触位置存在镀膜堆积现象，并且难以均匀地控制镀膜厚度。第二种是遮蔽环位于腔体内溅射靶材与基座之间的某一位置，由于磁控溅射靶材会随着使用时间的增加而逐渐变薄，其相对于基座的距离（即靶基距）也会随之变大，若想保证镀膜的均匀性并且避免晶圆非镀膜面被污染，则需要调整靶材、可动遮蔽环、基座三者之间的位置关系，调整方案主要有以下几种：

1）遮蔽环和基座位置不变，将靶材调节到合适的高度；

2）靶材和遮蔽环不动，将基座调节到合适的高度；

3）靶材和基座不动，将遮蔽环调节到合适的高度；

对应以上3种方案有3种类型的调节装置。但无论采用基于以上哪种方案设计出的调节装置，都必须要解决靶材、遮蔽环和基座三者中任意一者的升降结构问题（即改变三者的上下位置关系），而腔体内部原本的空间比较有限，增设升降结构无疑会占用更多的腔内空间，更甚者会导致腔体本身的体积结构过于庞大，增加设备制造成本的同时也增加了设备的运行功耗。

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可灵活调整溅射范围的物理气相沉积设备，以解决现有设计的遮蔽环结构会导致粘片和晶圆破片，或者导致设备体积庞大，增加设备成本和运行功耗等问题。本发明可在现有腔体空间大小的基础上进一步缩小腔体空间以降低设备成本和运行功耗的同时，还能达到改善由于靶材损耗造成的靶基距变化而需重新调整设备状态（靶材、遮蔽环和基座三者之间的位置、溅射遮蔽入射角等状态）等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种可灵活调整溅射范围的物理气相沉积设备，包括腔体、溅射装置、基座、挡板、驱动装置、驱动齿轮、传动齿轮及多个可动遮挡单元；所述溅射装置位于所述腔体顶部；所述基座、挡板、驱动齿轮、传动齿轮及可动遮挡单元位于所述腔体内，且驱动齿轮、传动齿轮及可动遮挡单元位于所述溅射装置和基座之间；所述挡板包括第一部分和第二部分，所述第一部分沿所述腔体的周向分布，所述第二部分一端与所述第一部分的底部相连接，另一端向所述腔体的中心方向延伸；所述驱动齿轮和传动齿轮相啮合；所述多个可动遮挡单元位于所述传动齿轮的内侧，各所述可动遮挡单元包括相互连接的啮合部和遮挡部，所述啮合部与所述传动齿轮相啮合，相邻的遮挡部部分重叠，以在所述遮挡部的内侧形成溅射通道；所述驱动装置与所述驱动齿轮相连接；当所述驱动齿轮在所述驱动装置的驱动下旋转时，所述传动齿轮在啮合作用下旋转，并带动所述可动遮挡单元旋转，由此改变溅射通道的大小。

可选地，所述驱动装置包括电机、轴承及转轴；所述电机位于所述腔体外，所述转轴一端与所述电机相连接，另一端向上延伸到所述腔体内，且与所述驱动齿轮相连接，所述轴承位于所述转轴和所述腔体之间。

更可选地，所述驱动装置包括两组电机、轴承及转轴，以自相对的两侧驱动所述驱动齿轮。

可选地，所述挡板的第二部分位于所述驱动齿轮的下方，所述转轴穿过所述挡板与所述驱动齿轮相连接。

可选地，所述挡板的第二部分内设置有第一运动凹槽，所述传动齿轮的底部设置有第二运动凹槽，所述挡板第二部分内的所述第一运动凹槽内另开设有与所述传动齿轮底部开设的第二运动凹槽形状相同且开口方向正对的第三运动凹槽，所述物理气相沉积设备还包括多个滚珠，位于所述第三运动凹槽和第二运动凹槽之间，所述传动齿轮经所述的多个滚珠固定于所述第一运动凹槽内，所述可动遮挡单元固定于所述挡板上。

可选地，所述可动遮挡单元为3个以上，所述遮挡部的内侧为弧形面。

可选地，所述遮挡部和啮合部为一体连接。

可选地，所述可动遮挡单元的材质包括金属和陶瓷中的一种或两种的结合。

可选地，所述传动齿轮的高度大于所述驱动齿轮及所述可动遮挡单元的啮合部的高度。

可选地，所述物理气相沉积设备还包括盖板，所述盖板一端与所述挡板相连接，另一端延伸到所述驱动齿轮和传动齿轮的上方。

可选地，所述盖板的材质与所述挡板的材质相同。

如上所述，本发明的可灵活调整溅射范围的物理气相沉积设备，具有以下有益效果：本发明在物理气相沉积设备内设计多个可动遮挡单元和传动齿轮等结构，通过传动齿轮和可动遮挡单元的相互啮合，可以灵活调整相邻可动遮挡单元的上下重叠范围，由此灵活调整由可动遮挡单元限制出的溅射通道的大小，以实现对晶圆边缘不同范围的遮挡，防止晶圆的非镀膜面被溅镀上薄膜而影响器件的功能，有助于提高镀膜均匀性。本发明无需在腔体内设置复杂的升降结构以改变靶基距，有助于降低设备制造和运行成本，且调整方式简便，有利于提高生产效率。

附图说明

图1显示为本发明提供的可灵活调整溅射范围的物理气相沉积设备的一例示性截面结构示意图。

图2显示为图1的A区域的放大示意图。

图3显示为图1中的驱动齿轮、传动齿轮和可动遮挡单元的位置关系图。

图4显示为图1调整溅射范围的原理示意图。

元件标号说明

11-腔体；12-磁控组件；13-靶材；14-基座；151-第一部分；152-第二部分；16-驱动齿轮；17-传动齿轮；18-可动遮挡单元；181-啮合部；182-遮挡部；19-电机；20-轴承；21-转轴；22-盖板；23-滚珠。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士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及功效。

请参阅图1至图4。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，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质技术内容的变更下，当亦视为本发明可实施的范畴。

物理气相沉积过程中，为防止晶圆的边缘和/或背面被镀上薄膜，通常会在晶圆的边缘上方设置固定尺寸的遮挡组件。而随着溅射过程的持续进行，靶材被逐渐消耗，因而靶面距离晶圆的实际距离（即靶基距）会不断增大，离子溅射状态以及经遮挡组件遮挡后溅射到晶圆的入射角度会发生改变，进而导致沉积薄膜不均匀。为解决此类问题，现有技术中通常在设备内设置体积庞大的升降装置，以改变靶材、遮挡组件和基座三者的相对位置或者是让遮挡组件和晶圆同步升降。前者会导致设备腔体体积庞大，带来生产成本（包括设备制造成本、运行功耗和后期维护保养的成本等）的上升，而后者会导致遮蔽环粘片和晶圆破片等问题，且对晶圆边缘的薄膜厚度的可控性也较差。针对前述问题，本发明提出了一种改善方案。

如图1至4所示，本发明提供一种可灵活调整溅射范围的物理气相沉积设备，包括腔体11、溅射装置、基座14、挡板、驱动装置、驱动齿轮16、传动齿轮17及多个可动遮挡单元18；所述溅射装置位于所述腔体11顶部，具体可以包括承载靶材13的载盘和磁控组件12，此外还可以包括射频模块和惰性气体供应模块等；所述基座14、挡板、驱动齿轮16、传动齿轮17及可动遮挡单元18位于所述腔体11内，且驱动齿轮16、传动齿轮17及可动遮挡单元18位于所述溅射装置和基座14之间；所述基座14用于承载晶圆（未标记），所述基座14包括但不限于静电吸盘，基座14内可以进一步设置加热单元和/或冷却单元，以根据需要对晶圆进行加热或冷却；所述挡板包括第一部分151和第二部分152，所述第一部分151沿所述腔体11的周向分布，所述第二部分152一端与所述第一部分151的底部相连接，另一端向所述腔体11的中心方向延伸（即向基座14中心上方延伸，但位于溅射通道的外围）；所述驱动齿轮16和传动齿轮17相啮合；所述多个可动遮挡单元18位于所述传动齿轮17的内侧，各所述可动遮挡单元18包括相互连接的啮合部181和遮挡部182，所述啮合部181与所述传动齿轮17相啮合，相邻的遮挡部182部分重叠，以在所述遮挡部182的内侧形成溅射通道（即各遮挡部182首尾均与相邻的遮挡部182部分重叠而构成一个类环形结构，环形结构的中心即为溅射通道，该溅射通道即对应晶圆表面的溅射区域）；所述驱动装置与所述驱动齿轮16相连接；当所述驱动齿轮16在所述驱动装置的驱动下旋转时，所述传动齿轮17在啮合作用下旋转，并带动所述可动遮挡单元18旋转（可参考图3示意），使得相邻遮挡部182的重叠范围发生改变，由此改变溅射通道的大小。比如在图4示意的图中，当驱动齿轮16带动传动齿轮17逆时针旋转时，相邻的遮挡部182相互远离，重叠范围减小，环绕出的溅射通道增大。

本发明在物理气相沉积设备内设计多个可动遮挡单元和传动齿轮等结构，通过传动齿轮和可动遮挡单元的相互啮合，可以灵活调整相邻可动遮挡单元的上下重叠范围，由此灵活调整由可动遮挡单元限制出的溅射通道的大小，以实现对晶圆边缘不同范围的遮挡，防止晶圆的非镀膜面被溅镀上薄膜而影响器件的功能，有助于提高镀膜均匀性。本发明无需在腔体内设置复杂的升降结构以改变靶基距，有助于降低设备制造和运行成本，且调整方式简便，有利于提高生产效率。

由于晶圆的溅射区域通常为圆形，因而相应地，所述遮挡部182的内侧（即与溅射通道相邻的一侧）为弧形面，可动遮挡单元18为3个以上，而所述啮合部181具有半圆形啮合面。弧形面的弧度与可动遮挡单元18的数量相关，比如在一示例中，可动遮挡单元18的数量为6个，相应地，每个遮挡部182的弧形面的弧度为60度。当然，在其他示例中，所述遮挡部182的数量和形状还可以根据需要有其他设置，本实施例中不做严格限制。

作为示例，所述驱动装置包括电机19、轴承20及转轴21；所述电机19位于所述腔体11外，且优选位于腔体11底部，所述电机19可以为步进电机，有利于精确控制调整范围，当然，并不限于此；所述转轴21一端与所述电机19相连接，另一端向上延伸到所述腔体11内，且与所述驱动齿轮16相连接，所述轴承20位于所述转轴21和所述腔体11之间，轴承20和腔体11之间可以设置密封环，以确保腔体11的密封。同时，将轴承20设置于腔体11和转轴21之间而非腔体11之外，可以提高传动平稳性，减少传动过程对腔体11的影响。在进一步的示例中，所述驱动装置包括至少2组电机19、轴承20及转轴21，以自相对的两侧与驱动所述驱动齿轮旋转。具体的连接方式同样为，所述转轴21一端与所述电机19相连接，另一端向上延伸到所述腔体11内，且与所述驱动齿轮16相连接，所述轴承20位于所述转轴21和所述腔体11之间，轴承20和腔体11之间可以设置密封环。通过在驱动齿轮的相对两侧对称设置电机等结构，可以使驱动齿轮旋转更加平稳，减少应力的产生。当然，在其他示例中，所述驱动装置的设置还可以有其他选择，比如包括3组及以上的电机和转轴的组合等，本实施例中不做严格限制，但在驱动齿轮的相对两侧对称设置驱动结构是相对较优的方式。

在一示例中，所述挡板的第二部分152位于所述驱动齿轮16的下方，所述转轴21穿过所述挡板（更具体地说是穿过挡板的第二部分152）与所述驱动齿轮16相连接，这有助于进一步提高转轴21传动的平稳性。在进一步的示例中，所述挡板的第二部分152内设置有第一运动凹槽，所述传动齿轮17的底部设置有第二运动凹槽（比如为圆弧形凹槽），所述挡板第二部分152内的所述第一运动凹槽内另开设有与所述传动齿轮17底部开设的第二运动凹槽形状相同且开口方向正对的第三运动凹槽，所述物理气相沉积设备还包括多个滚珠23，位于所述第三运动凹槽和第二运动凹槽之间（更确切地说是部分嵌设于第三运动凹槽内，部分嵌设于第二运动凹槽内，第三运动凹槽和第二运动凹槽未闭合），由此通过所述滚珠23对所述传动齿轮17起到支撑作用（包括上下支撑和左右支撑），减少摩擦阻力，并实现所述传动齿轮17在挡板第二部分152上开设的第一运动凹槽内进行往复的周向运动。这样的设置有助于避免对所述可动遮挡单元18的不良影响。当然，在其他示例中，在确保传动装置不触碰到所述可动遮挡单元18的情况下，所述传动齿轮17也可以通过轴承等其他传动装置实现周向往复运动，本实施例中不做严格限制。

作为示例，所述可动遮挡单元18固定于所述挡板上。更具体地，所述可动遮挡单元18的啮合部181绕设在一固定旋转轴上（图中未示出），该固定旋转轴穿过具有半圆形啮合面的啮合部181的圆心位置并向下延伸至与所述挡板的第二部分152固定连接，在所述传动齿轮17的啮合带动下，所述啮合部181绕所述固定旋转轴进行半圆周往复运动。

当然，在其他示例中，也可以将所述挡板的第二部分152设置于所述驱动齿轮16和传动齿轮17的上方并将驱动齿轮16和传动齿轮17与挡板相固定，以利用挡板对驱动齿轮16和传动齿轮17进行保护，避免溅射粒子沉积在驱动齿轮16和传动齿轮17上影响其旋转，此种情况下，转轴21无需穿过挡板。作为示例，所述挡板的第一部分151和第二部分152相互垂直，或者说挡板的横截面呈L型结构。挡板的材质包括但不限于陶瓷和金属中的一种或两种的结合，比如可以为金属板表面涂覆陶瓷层的复合结构。

在一示例中，所述遮挡部182和啮合部181为一体连接。所述可动遮挡单元18的材质包括陶瓷和金属中的一种或两种的结合。在另一示例中，所述遮挡部182和啮合部181也可以为可拆卸连接，因而可以根据不同的需要更换遮挡部182。在两者为可拆卸连接时，两者的材质可以不同，比如所述遮挡部182为陶瓷材质而所述啮合部181为金属材质，当然也可以相同，对此不做严格限制。

在一示例中，所述物理气相沉积设备还包括盖板22，所述盖板22一端与所述挡板相连接，另一端延伸到所述驱动齿轮16和传动齿轮17的上方，即盖板22的另一端为悬空所述盖板22可与所述挡板的第一部分151相连接（比如如图2中所示，盖板22底部设置有支撑板，支撑板和盖板22均与挡板的第一部分151相连接，且盖板22和支撑板通过紧固件上下固定），也可以通过支撑柱固定于所述挡板的第二部分152上，或者可以同时与挡板的第一部分151和第二部分152相固定，以提高盖板22的稳定性，避免盖板22的悬空端发生抖动。通过设置所述盖板22，可以避免靶材粒子溅射到所述驱动齿轮16和传动齿轮17上而影响正常的传动。所述盖板22的材质同样可以为陶瓷和金属中的一种或两种的结合。且在一优选示例中，盖板22的材质和挡板的材质相同。

在一示例中，所述传动齿轮17的高度大于所述驱动齿轮16及所述可动遮挡单元18的啮合部181的高度，以确保传动齿轮17和啮合部181保持与传动齿轮17的良好啮合而不至于在传动过程中脱落，比如传动齿轮17的高度为啮合部181高度（也即啮合部181的厚度）的2倍及以上。同时，由于传动齿轮17的高度大于啮合部181的高度，因而不同的啮合部181与传动齿轮17的啮合位置可以不同，使得不同的遮挡部182位于不同的平面上，避免在传动过程中发生摩擦碰撞。当然，在其他示例中，也可以通过改变遮挡部182与啮合部181的连接角度以避免遮挡部182在传动过程中发生摩擦碰撞。

综上所述，本发明提供一种可灵活调整溅射范围的物理气相沉积设备，包括腔体、溅射装置、基座、挡板、驱动装置、驱动齿轮、传动齿轮及多个可动遮挡单元；所述溅射装置位于所述腔体顶部；所述基座、挡板、驱动齿轮、传动齿轮及可动遮挡单元位于所述腔体内，且驱动齿轮、传动齿轮及可动遮挡单元位于所述溅射装置和基座之间；所述挡板包括第一部分和第二部分，所述第一部分沿所述腔体的周向分布，所述第二部分一端与所述第一部分的底部相连接，另一端向所述腔体的中心方向延伸；所述驱动齿轮和传动齿轮相啮合；所述多个可动遮挡单元位于所述传动齿轮的内侧，各所述可动遮挡单元包括相互连接的啮合部和遮挡部，所述啮合部与所述传动齿轮相啮合，相邻的遮挡部部分重叠，以在所述遮挡部的内侧形成溅射通道；所述驱动装置与所述驱动齿轮相连接；当所述驱动齿轮在所述驱动装置的驱动下旋转时，所述传动齿轮在啮合作用下旋转，并带动所述可动遮挡单元旋转，由此改变溅射通道的大小。本发明在物理气相沉积设备内设计多个可动遮挡单元和传动齿轮等结构，通过传动齿轮和可动遮挡单元的相互啮合，可以灵活调整相邻可动遮挡单元的上下重叠范围，由此灵活调整由可动遮挡单元限制出的溅射通道的大小，以实现对晶圆边缘不同范围的遮挡，防止晶圆的非镀膜面被溅镀上薄膜而影响器件的功能，有助于提高镀膜均匀性。本发明无需在腔体内设置复杂的升降结构以改变靶基距，有助于降低设备制造和运行成本，且调整方式简便，有利于提高生产效率。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。