PVD 設備熱鋁工藝新型壓環設計

劉 崢，彭新華，劉太忠，廖才能

（新型功率半導體器件國家重點實驗室，湖南株洲 412000）

0 引言

PVD 設備在工藝運行過程中，碎片的概率較大，通過對腔體和壓環結構研究和分析，設計出新型的壓環。

1 PVD 設備熱鋁工藝的介紹

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。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，氬氣進行輝光放電，這時氬原子電離成為氬離子，氬離子在電場力的作用下，加速轟擊鋁靶材，導致其上的原子分散，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，從導電性能看，鋁的導電性要比銅和金差一些。但銅與硅的接觸電阻很高，并且銅進入器件區會引起器件性能的問題。而金的價格昂貴，鋁則不具有上面所說的問題，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，對二氧化硅有優異的粘附性，有很高的純度，天然的銅硅有很低的接觸電阻，并且用傳統的光刻工藝易于進行圖形化工藝，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，保證晶圓工藝時受熱均勻，但背面的氬氣會使晶圓發生位移，通過壓環，固定晶圓的位置。但高溫工藝時，晶圓有形變，6 個壓爪的壓環設計見圖1，壓爪的未壓部分易發生翹曲與壓環的屋檐接觸，引發碎片。碎片問題在晶圓生產過程是不允許出現的，因此需要對壓環結構及腔室結構進行分析，設計出一種新型的壓環。

圖1 壓環結構

2 PVD 設備的簡要介紹

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，廣泛應用于人造珠寶、鏡頭和眼鏡等制造。PVD 設備大體由晶圓傳輸腔、加熱腔、刻蝕腔和工藝腔組成。晶圓在進入到工藝腔之前，需要進入加熱腔，去除表面的水汽，然后進入到刻蝕腔，去除表面的自然氧化層。之后才能傳送到工藝腔進行金屬的濺射。

機臺的工藝腔室均是高真空環境，壓力可以達到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。通過氣動閥和氣體流量控制器保證工藝時的壓力一定，并在腔室的腔壁和靶材背面通入一定量的冷卻水減少機臺熱量向外揮發。

3 新型壓環設計

3.1 壓環碎片的原因分析

對于碎片，通過對連續跑片過程晶圓壓印（圖2）的觀察，發現第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。連續跑片，腔體和壓環的溫度上升，壓環受熱膨脹后，壓印的寬度明顯減少，晶圓和壓爪的接觸面積變少。而晶圓上翹與壓環接觸的部分，由于壓環重量較大，且接觸面積變小，壓強超過了晶圓的承受能力，導致碎片。

圖2 壓爪分布

3.2 新型壓環的設計和驗證

現有的壓環材料為不銹鋼，膨脹系數為19.4×10-6/℃，而且不銹鋼材料的密度為（7.93 g/cm3），重量較大。通過對比發現，鈦金屬的膨脹系數（10-5/℃）和密度（4.5 g/cm3）都優于不銹鋼，且鈦金屬對腔體不會產生顆粒等影響，是一種比較理想的優化金屬材料。

壓環的設計為6 個壓爪，通過壓爪來防止晶圓位移，但未壓部分易翹曲，可以通過將壓環設計為全壓的形式，保證晶圓的不位移，沒有了未壓部分，晶圓不會上翹，碎片風險降低。

新型的壓環設計為全壓式的鈦金屬壓環，進行新壓環相關實驗數據驗證，鋁腔在一個合理的維護周期內，不會發生碎片問題。但不能滿足全靶材周期更換壓環的需求，新型壓環粘片記錄見表1。

表1 新型壓環粘片記錄

新型壓環的粘片記錄顯示，壓環在靶材1/2 個周期左右需要進行更換。所以目前將新型壓環的更換周期定為靶材的1/2。

3.3 新型壓環的應用

新型壓環設計完成之后，壓環的更換周期不能滿足需求，對壓環的應用進行分析。目前來看壓環的粘片和靶材周期有直接關系，隨著靶材周期的增大，壓環上淀積鋁的厚度會增加，在高溫下鋁會有一定流動性，從而導致鋁和晶圓接觸，晶圓粘片。高溫工藝時，壓環的工藝溫度監控見圖3。

圖3 壓環溫度監控

工藝時最高的溫度能夠達到480 ℃，為減少鋁的流動，需要給壓環降溫。通過對機臺結構的了解，判斷壓環的溫度主要來自heater 和靶材濺射帶過來的溫度，且壓環溫度達到480 ℃，遠高于heater 的溫度，壓環的溫度是累積上升的，因此需要減少靶材濺射時溫度對壓環的影響。

在壓環的上方設計類似于擋板結構的隔熱環，來減少濺射時靶材的溫度對壓環的影響，隔熱環應用之后，壓環的溫度能夠穩定在320 ℃。隔熱環降溫成功之后，尋求將壓環的溫度降到更低，給隔熱環通過一定量的循環冷卻水來帶走靶材濺射時的溫度，通過壓環溫度監控（圖4），能看到壓環最高溫度能夠穩定在280 ℃，壓環降溫改善效果明顯。

圖4 壓環溫度監控（工藝過程ClampRing 溫度測試）

新型壓環溫度得到改善之后，應用到機臺，進行了5 個全靶材周期的數據收集，具體數據見表2。

表2 壓環更換記錄

壓環記錄顯示，壓環溫度降低后，淀積在壓環上的鋁不易流動，壓環的使用周期延長，可以做到和靶材同周期更換，新型壓環應用成功。

4 結語

通過對PVD 設備熱鋁工藝的了解，結合各種資料和相關的測量數據進行分析，發現壓環的材質和設計結構均會對晶圓產生影響。設備維護過程中，對設備的優化是一個持續改造的過程，需要結合到現場的各種數據的統計，找到設備運行過程中的優化點，不斷升級，提高設備整體的運行效率。