压环组件、反应腔室和半导体加工设备的制作方法

本实用新型涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种压环组件、反应腔室和半导体加工设备。

背景技术：

物理气相沉积(physicalvapourdeposition，pvd)是半导体元器件和集成电路加工制造中常用的成膜工艺。物理气相沉积的主要方法有真空蒸镀、磁控溅射、分子束外延等。其中磁控溅射是较为常用的金属镀膜方式，它利用电场将通入反应腔室的工艺气体如氩气进行电离，氩离子在磁场和电场的作用下轰击靶材。靶材表面被轰击逸出的金属原子沉积在晶圆等待淀积部件上，实现金属镀膜。

以半导体制造技术领域中常用的磁控溅射设备为例，其反应腔室内设有可升降的基座以及压环，其中基座用于承载晶圆，压环用于叠压于晶圆上表面的边缘区域，以将晶圆固定于基座上，以免在向晶圆下表面引入冷却气体时，晶圆发生偏移而影响金属镀膜效果。

目前磁控溅射设备所使用的压环，在晶圆处于工艺位置时，压环与晶圆之间只有大约200μm的间隙。对于1μm以下的薄膜工艺，在一个保养周期内基本不会发生粘片现象。但对于厚膜工艺、尤其是2μm以上的厚膜工艺，若压环与晶圆之间的间隙太小，压环边缘不断沉积的溅射金属在高温下容易与晶圆表面接触而发生粘连。这样在机械手拾取晶圆时，由于晶圆粘连于压环上，导致机械手拾取不到晶圆，设备报警；或者晶圆有一部分粘连于压环上，另一部分悬空，导致机械手取片时撞击晶圆而划伤晶圆甚至碎片。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种压环组件、反应腔室和半导体加工设备，该压环组件能够避免其与待淀积部件发生粘连，尤其适合于厚膜工艺。

根据本实用新型的一个方面，提供一种压环组件，用于固定反应腔室内的待淀积部件，该压环组件包括压环本体和沿压环本体内侧周向排布的多个压接装置，压接装置包括弹簧片，弹簧片连接于压环本体，弹簧片靠近压环本体圆心的一端弯折以远离待淀积部件而形成弯折部，弯折部用于弹性支撑在待淀积部件与压环本体之间。

进一步地，压环本体设有插槽，弹簧片部分插入插槽，且弯折部位于插槽的外侧。

进一步地，压环本体设有贯穿于插槽的连接孔，弹簧片设有定位孔，压接装置还包括连接柱，连接柱通过定位孔与连接孔将弹簧片连接于压环本体。

进一步地，定位孔套设于连接柱的端部，且弹簧片能够相对于连接柱上下运动。

进一步地，弹簧片的厚度为0.1mm～0.5mm。

进一步地，弯折部的端部朝向远离压环本体圆心的方向延伸形成延伸部，且延伸部与压环本体抵接。

进一步地，弯折部与短边部在水平面内投影的长度为2mm～6mm。

进一步地，多个压接装置在压环本体的周向均匀设置。

根据本实用新型的另一方面，提供一种反应腔室，包括用于承载待淀积部件的基座，还包括上述压环组件，基座能够相对于压环组件上下运动，以使弯折部弹性支撑在待淀积部件与压环本体之间，或者使弯折部与待淀积部件分离。

根据本实用新型的再一方面，提供一种半导体加工设备，包括上述反应腔室，其中待淀积部件为晶圆。

本实用新型提供的压环组件，包括压环本体和弹簧片，且弹簧片的弯折部用于弹性支撑于晶圆等待淀积部件与压环本体之间，使处于工艺位置的待淀积部件与压环本体之间的间距可调且至少大于弯折部达到弹性极限时的高度，从而可以根据实际沉积溅射工艺以及半导体加工设备的保养周期合理调整待淀积部件与压环本体之间的间距，防止待淀积部件与压环组件之间发生金属粘连。而在溅射完成后，弯折部还通过恢复到松弛状态而使待淀积部件与压环本体分离，防止压环组件与待淀积部件之间的粘连，避免发生机械手拾取不到晶圆或者机械手碰撞晶圆造成的碎片问题。

并且，由于弯折部的开口背离压环本体的圆心，使得抵接于处于工艺位置的待淀积部件与压环本体之间的弯折部可以遮挡住从各方向散射而来的金属，从而减少了金属在晶圆边缘和压环本体边缘的堆积，进一步使得待淀积部件与压环组件之间不易发生金属粘连。

因此，本实用新型提供的压环组件，可以在提高金属镀膜质量和产品成品率的同时，延长反应腔室和半导体加工设备的维护、保养周期，尤其适合于厚膜工艺。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明：

图1示意性示出磁控溅射设备中反应腔室的结构示意图；

图2示出根据本实用新型的压环组件处于第一状态下的结构示意图；

图3示出根据本实用新型的压环组件处于第二状态下的结构示意图；

图4a和图4b分别示出根据本实用新型一个实例的弹簧片的正视图和俯视图；

图5示出根据本实用新型的压环组件溅射过程的示意图；

图6a和图6b分别示出根据本实用新型压环组件的背面结构和a-a剖面示意图；

图7a和图7b分别示出根据本实用新型另一实例的弹簧片的正视图和俯视图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面结合优选实施例和附图对本实用新型的技术方案做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本实用新型的保护范围。

现有半导体金属成膜工艺中，由于晶圆跟压环紧密贴合、间隙过小，因此当批量作业时，晶圆与压环之间沉积的金属层越来越厚，很容易造成晶圆与压环之间的粘连，即业内俗称的“粘片”。粘片问题很容易导致机械手拾取不到晶圆，或者机械手撞击到晶圆上，造成晶圆划伤或碎片。基于此，本实用新型提供一种压环组件，以解决上述问题。

下面结合附图以半导体成膜工艺中常用的磁控溅射设备为例，具体说明根据本实用新型的压环组件和包括该压环组件的反应腔室。

如图1所示，磁控溅射设备的反应腔室(又称溅射腔室)包括：用于承载晶圆200的基座100；用于将晶圆200固定在基座100上、保持晶圆200位于工艺位置的压环组件；位于基座100上方的靶材500；用于包围至少部分腔室内壁的内衬600；以及位于靶材500上方的偏心磁铁700。

当基座100上升带动晶圆200向上运动到达工艺位置时，压环组件会紧紧压住晶圆200，从而将晶圆200固定于基座100上。向反应腔室内通入工艺气体，在靶材500上施加直流负高压，由于基座100和晶圆200均接地，靶材500与基座100之间形成的电场将工艺气体电离，形成等离子体。带正电的等离子体受靶材500负电极吸引，向上轰击靶材500。靶材500上的金属原子被轰击逸出，通过扩散淀积在晶圆200的上表面，从而在晶圆200上表面形成沉积薄膜。在此过程中，偏心磁铁700在电机(未图示)的带动下围绕靶材500的中心轴旋转，从而在反应腔室内形成搅动的磁场，增加离子密度，提高金属淀积速率。

在淀积金属的同时，一般需向晶圆200的下表面通入氩气等冷却气体，用于将晶圆200上的热量带走，避免晶圆200在淀积过程中出现过温。在此过程中，压环组件能够将晶圆200固定于基座100上，防止晶圆200在淀积过程中发生偏移而影响淀积效果。

当金属淀积完成后，基座100下降至装卸位置，带动晶圆200向下移动并与压环组件分离。

根据本实用新型的一个实施例，参考图2、图3、图4a、图4b和图5并结合图1，压环组件包括压环本体300和多个压接装置，多个压接装置沿压环本体300内侧周向排布。其中，压接装置包括弹簧片400；弹簧片400包括本体部401，本体部401靠近压环本体300圆心的一端向上弯折而形成弯折部404。或者说，本体部401靠近压环本体300圆心的一端弯折预设角度而形成夹角，且夹角的开口背离环状本体300的圆心。

如图2所示，承载于基座100上的晶圆200位于装卸位置，压环组件处于第一状态，此时弹簧片400与晶圆200表面不接触，弯折部404处于自然松弛状态。如图3和图5所示，基座100上升带动晶圆200到达工艺位置，晶圆200上表面的边缘抵接于弯折部404，并将弯折部404顶至压缩变形状态，弯折部404的夹角减小，此时压环组件处于第二状态。以这种方式，压环组件将晶圆200固定在基座100上，以便在晶圆200背面通入冷却气体时，晶圆200的位置不至于发生变化。待金属淀积完成，基座100带动晶圆200下降回到装卸位置的过程中，弯折部404在自身弹性作用下，由压缩变形状态恢复到松弛过程，弯折部404的夹角增大，晶圆200与弹簧片400以及压环本体300分离，避免发生粘片。

在金属淀积过程中，抵设于晶圆200与压环本体300之间的弯折部404能够阻挡住从各方向散射而来的金属，避免散射金属在压环本体300的边缘与晶圆200之间的间隙处聚集，使晶圆200与压环本体300之间不易产生金属粘连，还可以有效延长磁控溅射设备的保养周期。

此外，弯折部404还能够使压环本体300与晶圆200之间保持一定的距离，该距离至少不小于弯折部404达到弹性极限时的厚度，即弯折部404被压缩至最大变形状态下的厚度。或者说，压环本体300与晶圆200之间的距离不小于弹簧片400厚度的2倍，进一步解决了因晶圆200与压环本体300之间间隙过小而导致的粘片问题。并且由于弯折部404存在弹性，从而使处于工艺位置下的晶圆200与压环本体300之间的间距可调可控。在具体实施过程中，可以根据淀积工艺、尤其是金属薄膜的厚度以及保养周期，通过弹簧片400合理调整晶圆200的工艺位置，使晶圆200与压环本体300之间的间距与保养周期相匹配，确保批量生产的顺利进行。

并且，金属淀积完成后，基座100带动晶圆200向下移动至装卸位置的过程中，由于弯折部404在自身弹性作用下，会由压缩变形状态恢复到松弛状态，使晶圆200易于与压环本体300分离。或者，即使晶圆200与压环本体300之间发生粘连，也能够顺利分离，避免出现机械手拾取不到晶圆200或划伤、碰伤晶圆200的问题。

除此之外，本实施例中，由于弯折部404的开口背离晶圆200以及压环本体300的圆心，即弯折部404的端部远离晶圆200而不会与晶圆200直接接触，还能够避免弹簧片400划伤晶圆200。在具体实施过程中，还可以进一步将弯折部404设置成圆滑过渡，进一步避免弹簧片400划伤晶圆200。

图4a和图4b分别示出根据本实用新型一个实例的弹簧片的正视图和俯视图。如图4a和4b所示，本实施例使用的弹簧片400，具体可以是具有一定厚度的长条形薄片，其一端弯折而形成弯折部404。可以理解，弹簧片400应具有适宜的弹性，如果弹力太大，不容易压缩；如果弹力太小，达不到顺利分离晶圆200和压环本体300的效果。此外，还需要选择疲劳系数较高的材质，以确保弹簧片400具有较长的使用寿命。此外如前述，弹簧片400的弯折部404使得晶圆200与压环本体300之间的距离可调可控。在具体实施过程中，针对厚膜工艺，尤其是2μm以上的厚膜工艺，通常选择厚度不低于0.1mm的弹簧片400，一般选择厚度为0.1mm～0.5mm的弹簧片。

本实施例对于压环本体300与弹簧片400之间如何连接不做特别限定，只要保证二者在金属溅射过程中保持相对固定即可。图6a示出根据本实用新型压环组件的背面结构示意图。参考图6a并结合图2和图3，在一种实现方式中，在压环本体300的环形内侧设有多个插槽310，比如图6a中，分别在压环本体的a、b、c、d、e、f六个位置设置六个插槽310；插槽310沿压环本体300的径向延伸，将弹簧片400的本体部401插入插槽310内而与压环本体300连接，且弯折部404位于插槽310外侧。采用此种连接方式，能够方便弹簧片400的更换和安装。更进一步地，插槽310沿压环本体300的周向均匀设置，使弹簧片400也能够沿压环本体300的周向均匀排布，确保晶圆200在溅射过程中受力均匀。

在另一种实现方式中，压接装置还包括连接柱800，相应地，压环本体300上设有用于与连接柱800配合的连接孔320；弹簧片400上设有定位孔403。这样将连接柱800插入到连接孔320内并贯穿弹簧片400的定位孔403，即可将弹簧片400固定于压环本体300上。在具体实施过程中，上述连接孔320为螺钉孔，上述连接柱800为螺钉，将螺钉插入螺钉孔穿过定位孔403后拧紧即可实现压环本体300与弹簧片400之间的固定连接。采用此种连接方式，同样能够方便弹簧片400的更换和安装，而且能够实现弹簧片400与压环本体300之间的可靠连接。

在更为优选地实现方式中，是将上述两种实现方式进行结合，如图2、图3、图5和图6b所示，在压环本体300上开设插槽310与连接孔320，且连接孔320贯穿于插槽310，连接孔320的轴向垂直于插槽310的延伸方向。当安装时，先将弹簧片400本体部401的一端插入插槽310中，然后将连接柱800插入到连接孔320内并贯穿位于本体部401上的定位孔403，从而将弹簧片400固定于压环本体300上。这样不仅有利于弹簧片400的快速安装与拆卸，而且设置在压环本体300上的插槽310和连接孔320，共同对弹簧片400起到定位作用，无需焊接，而由于没有焊料的存在，使本实施例的压环组件更适合应用于高温环境。

更进一步地，定位孔403套接于连接柱800的端部810并留有余量，即定位孔403的孔径略大于连接柱800端部810的径向尺寸，使弹簧片400可以相对于连接柱800的端部810自由上下运动。这样由于弹簧片400有收缩和释放的活动间隙，从而能够缓冲弹簧片400在接触和脱离晶圆200的过程中作用在晶圆200上的压应力，避免晶圆200在溅射工艺的装卸过程中由于应力造成的损伤。以连接柱800采用螺钉为例，可以选择直径略小于定位孔403孔径的螺钉，或者进一步将螺钉的端部加工成外周圆滑的圆柱体、圆锥体或圆台，以方便弹簧片400相对于连接柱800的端部810自由上下运动。

图7a和图7b分别示出根据本实用新型另一实例的弹簧片的正视图和俯视图。区别于图4a和图4b所示的实例，本实例中，弹簧片900包括本体部901，本体部901背离晶圆200的一端弯折而形成弯折部904，弯折部904的端部朝向远离压环本体300圆心的方向延伸而形成延伸部902。延伸部902与压环本体300抵接，而未弯折的部分本体部901则用于与晶圆200抵接。通过设置延伸部902，能够为弹簧片900提供更为理想的恢复能力和更好的导向性。优选地，弯折部904与延伸部902在水平面内投影的长度l为2mm～6mm。

根据本实用新型的一个实施例，还提供一种反应腔室，包括如上所述的压环组件。该反应腔室的结构可参考图1，其主要结构与工作原理如前，此处不再赘述。

根据本实用新型的一个实施例，还提供一种半导体加工设备，包括如上所述的反应腔室。该半导体加工设备比如可以是磁控溅射设备。根据本实用新型实施例的半导体加工设备，由于采用上述压环组件，因此可以避免溅射和淀积工艺导致晶圆和压环组件之间发生粘连，降低晶圆划伤率和碎片率，此外还可以提高半导体加工设备的使用寿命，以及大幅度提高半导体加工设备的利用率，提高经济效益。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本实用新型的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。