劉 崢，彭新華，劉太忠，廖才能

（新型功率半導(dǎo)體器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南株洲 412000）

0 引言

PVD 設(shè)備在工藝運(yùn)行過程中，碎片的概率較大，通過對(duì)腔體和壓環(huán)結(jié)構(gòu)研究和分析，設(shè)計(jì)出新型的壓環(huán)。

1 PVD 設(shè)備熱鋁工藝的介紹

PVD（Physical Vapor Deposition，物理氣相沉積）是指通過物理方法將材料源表面氣化成氣態(tài)的原子、分子或部分電離成離子，并通過低壓氣體的過程，在基體表面沉積具有某種特殊功能的薄膜的技術(shù)。本文所提到的熱鋁工藝是通過磁控濺射鍍膜，在充氬氣的真空條件下，氬氣進(jìn)行輝光放電，這時(shí)氬原子電離成為氬離子，氬離子在電場(chǎng)力的作用下，加速轟擊鋁靶材，導(dǎo)致其上的原子分散，被氬離子從靶材上轟擊出的原子和分子進(jìn)入到腔室，沉積到基板上的晶圓上。

鋁金屬是一種常見金屬，從導(dǎo)電性能看，鋁的導(dǎo)電性要比銅和金差一些。但銅與硅的接觸電阻很高，并且銅進(jìn)入器件區(qū)會(huì)引起器件性能的問題。而金的價(jià)格昂貴，鋁則不具有上面所說(shuō)的問題，是一種較好的選擇。它有足夠低的電阻率（2.7 μΩ·cm），有很好的過電流密度，對(duì)二氧化硅有優(yōu)異的粘附性，有很高的純度，天然的銅硅有很低的接觸電阻，并且用傳統(tǒng)的光刻工藝易于進(jìn)行圖形化工藝，鋁材料的純度可以被提純到99.999%～99.999 9%的純度。

熱鋁腔工藝需要將基板加熱到一定溫度，保證鋁濺射的填充性。在晶圓的背面通入一定壓力的氬氣，保證晶圓工藝時(shí)受熱均勻，但背面的氬氣會(huì)使晶圓發(fā)生位移，通過壓環(huán)，固定晶圓的位置。但高溫工藝時(shí)，晶圓有形變，6 個(gè)壓爪的壓環(huán)設(shè)計(jì)見圖1，壓爪的未壓部分易發(fā)生翹曲與壓環(huán)的屋檐接觸，引發(fā)碎片。碎片問題在晶圓生產(chǎn)過程是不允許出現(xiàn)的，因此需要對(duì)壓環(huán)結(jié)構(gòu)及腔室結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出一種新型的壓環(huán)。

圖1 壓環(huán)結(jié)構(gòu)

2 PVD 設(shè)備的簡(jiǎn)要介紹

濺射淀積在1852 年第一次提出，它幾乎可以在任何基底上淀積任何材料，廣泛應(yīng)用于人造珠寶、鏡頭和眼鏡等制造。PVD 設(shè)備大體由晶圓傳輸腔、加熱腔、刻蝕腔和工藝腔組成。晶圓在進(jìn)入到工藝腔之前，需要進(jìn)入加熱腔，去除表面的水汽，然后進(jìn)入到刻蝕腔，去除表面的自然氧化層。之后才能傳送到工藝腔進(jìn)行金屬的濺射。

機(jī)臺(tái)的工藝腔室均是高真空環(huán)境，壓力可以達(dá)到5e-7 T（1 Pa=7.5×10-3T）以下，真空由干泵和冷泵組合的形式獲得。通過氣動(dòng)閥和氣體流量控制器保證工藝時(shí)的壓力一定，并在腔室的腔壁和靶材背面通入一定量的冷卻水減少機(jī)臺(tái)熱量向外揮發(fā)。

3 新型壓環(huán)設(shè)計(jì)

3.1 壓環(huán)碎片的原因分析

對(duì)于碎片，通過對(duì)連續(xù)跑片過程晶圓壓印（圖2）的觀察，發(fā)現(xiàn)第1 片壓印寬度基本在0.8 mm 左右，第25 片2、4、6、8、10、12點(diǎn)鐘方向的壓爪和片子接觸的寬度分別是0.68 mm、0.72 mm、0.87 mm、0.55 mm、0.36 mm、0.33 mm。連續(xù)跑片，腔體和壓環(huán)的溫度上升，壓環(huán)受熱膨脹后，壓印的寬度明顯減少，晶圓和壓爪的接觸面積變少。而晶圓上翹與壓環(huán)接觸的部分，由于壓環(huán)重量較大，且接觸面積變小，壓強(qiáng)超過了晶圓的承受能力，導(dǎo)致碎片。

圖2 壓爪分布

3.2 新型壓環(huán)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證

現(xiàn)有的壓環(huán)材料為不銹鋼，膨脹系數(shù)為19.4×10-6/℃，而且不銹鋼材料的密度為（7.93 g/cm3），重量較大。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，鈦金屬的膨脹系數(shù)（10-5/℃）和密度（4.5 g/cm3）都優(yōu)于不銹鋼，且鈦金屬對(duì)腔體不會(huì)產(chǎn)生顆粒等影響，是一種比較理想的優(yōu)化金屬材料。

壓環(huán)的設(shè)計(jì)為6 個(gè)壓爪，通過壓爪來(lái)防止晶圓位移，但未壓部分易翹曲，可以通過將壓環(huán)設(shè)計(jì)為全壓的形式，保證晶圓的不位移，沒有了未壓部分，晶圓不會(huì)上翹，碎片風(fēng)險(xiǎn)降低。

新型的壓環(huán)設(shè)計(jì)為全壓式的鈦金屬壓環(huán)，進(jìn)行新壓環(huán)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，鋁腔在一個(gè)合理的維護(hù)周期內(nèi)，不會(huì)發(fā)生碎片問題。但不能滿足全靶材周期更換壓環(huán)的需求，新型壓環(huán)粘片記錄見表1。

表1 新型壓環(huán)粘片記錄

新型壓環(huán)的粘片記錄顯示，壓環(huán)在靶材1/2 個(gè)周期左右需要進(jìn)行更換。所以目前將新型壓環(huán)的更換周期定為靶材的1/2。

3.3 新型壓環(huán)的應(yīng)用

新型壓環(huán)設(shè)計(jì)完成之后，壓環(huán)的更換周期不能滿足需求，對(duì)壓環(huán)的應(yīng)用進(jìn)行分析。目前來(lái)看壓環(huán)的粘片和靶材周期有直接關(guān)系，隨著靶材周期的增大，壓環(huán)上淀積鋁的厚度會(huì)增加，在高溫下鋁會(huì)有一定流動(dòng)性，從而導(dǎo)致鋁和晶圓接觸，晶圓粘片。高溫工藝時(shí)，壓環(huán)的工藝溫度監(jiān)控見圖3。

圖3 壓環(huán)溫度監(jiān)控

工藝時(shí)最高的溫度能夠達(dá)到480 ℃，為減少鋁的流動(dòng)，需要給壓環(huán)降溫。通過對(duì)機(jī)臺(tái)結(jié)構(gòu)的了解，判斷壓環(huán)的溫度主要來(lái)自heater 和靶材濺射帶過來(lái)的溫度，且壓環(huán)溫度達(dá)到480 ℃，遠(yuǎn)高于heater 的溫度，壓環(huán)的溫度是累積上升的，因此需要減少靶材濺射時(shí)溫度對(duì)壓環(huán)的影響。

在壓環(huán)的上方設(shè)計(jì)類似于擋板結(jié)構(gòu)的隔熱環(huán)，來(lái)減少濺射時(shí)靶材的溫度對(duì)壓環(huán)的影響，隔熱環(huán)應(yīng)用之后，壓環(huán)的溫度能夠穩(wěn)定在320 ℃。隔熱環(huán)降溫成功之后，尋求將壓環(huán)的溫度降到更低，給隔熱環(huán)通過一定量的循環(huán)冷卻水來(lái)帶走靶材濺射時(shí)的溫度，通過壓環(huán)溫度監(jiān)控（圖4），能看到壓環(huán)最高溫度能夠穩(wěn)定在280 ℃，壓環(huán)降溫改善效果明顯。

圖4 壓環(huán)溫度監(jiān)控（工藝過程ClampRing 溫度測(cè)試）

新型壓環(huán)溫度得到改善之后，應(yīng)用到機(jī)臺(tái)，進(jìn)行了5 個(gè)全靶材周期的數(shù)據(jù)收集，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 壓環(huán)更換記錄

壓環(huán)記錄顯示，壓環(huán)溫度降低后，淀積在壓環(huán)上的鋁不易流動(dòng)，壓環(huán)的使用周期延長(zhǎng)，可以做到和靶材同周期更換，新型壓環(huán)應(yīng)用成功。

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)PVD 設(shè)備熱鋁工藝的了解，結(jié)合各種資料和相關(guān)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)壓環(huán)的材質(zhì)和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)均會(huì)對(duì)晶圓產(chǎn)生影響。設(shè)備維護(hù)過程中，對(duì)設(shè)備的優(yōu)化是一個(gè)持續(xù)改造的過程，需要結(jié)合到現(xiàn)場(chǎng)的各種數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，找到設(shè)備運(yùn)行過程中的優(yōu)化點(diǎn)，不斷升級(jí)，提高設(shè)備整體的運(yùn)行效率。