CN102521445B - 磁控溅射设备中铜靶刻蚀形貌的仿真计算方法 - Google Patents

Abstract

一种磁控溅射设备中铜靶刻蚀形貌的仿真计算方法属于半导体制造设备设计技术领域。通过ansys仿真或用三维高斯计测量，取得磁电管在靶材表面磁场强度的水平分量，进行多项式拟合后，建立有效磁场数据矩阵，并求得刻蚀跑道矩阵；根据磁电管实际结构及运动原理，计算磁铁组件中心点运动轨迹方程；建立靶材刻蚀矩阵，得到该步长上靶材刻蚀矩阵；将靶材刻蚀时间t离散化，得刻蚀时间t后靶材刻蚀矩阵；通过矩阵运算，得到需要的参数或图形，比如靶材刻蚀三维形貌、靶材刻蚀曲线、刻蚀跑道图形、运动轨迹图形、靶材利用率大小等等。在磁电管设计时可以利用该仿真方法检验所设计参数的好坏，或进一步进行磁电管参数优化，该仿真方法具有较好的工程应用前景。

Description

磁控溅射设备中铜靶刻蚀形貌的仿真计算方法

技术领域

本发明属于半导体制造设备设计技术领域，特别涉及一种磁控溅射设备中铜靶刻蚀形貌的仿真计算方法。

背景技术

在芯片加工的物理气相淀积工艺中，溅射技术因优秀的台阶覆盖能力被广泛采用。目前设备多数选用磁控溅射技术，但靶材利用率低是个显著缺点。随着线宽变小，溅射靶材的化学纯度必须在99.999％甚至99.9999％以上，因此溅射靶材的价格非常昂贵。较低的靶材利用率造成了大量的材料浪费，如何设计出具有较高靶材利用率的磁电管是业内关注的一个焦点。

在磁电管设计过程中，对靶材刻蚀形貌进行仿真计算是关键，有很多工程技术人员进行了相关研究。从工作原理可知，腔室中受磁场约束的等离子体产生高能粒子轰击靶材，刻蚀出的靶材粒子在硅片表面溅镀出导电薄膜。基于此人们主要从两个不同途径对靶材的刻蚀进行模拟研究：其一采用Monte Carlo方法研究腔室中粒子的运动及分布状况，从而模拟出靶材的刻蚀形貌。比如华中理工大学胡作启等建立了单粒子模型，结合靶材表面磁场的分布，采用Monte Carlo方法研究了溅射气体粒子的运动规律，得到靶材表面溅射产额的图形。合肥工业大学刘珍指出了这种方法的不足之处，因为模拟粒子数目通常比实际数目要小的多，所以模拟的结果与实际情况还有一定的误差，增加模拟粒子的数目会带来非常大的计算量。捷克共和国S.Kadlec开发了一套采用Monte Carlo方法模拟平面磁控溅射的三维软件，他用这套软件模拟薄膜淀积均匀性及靶材刻蚀情况。其二通过分析靶材表面磁场分布情况，由磁场分布与溅射率的对应关系，模拟出靶材的刻蚀形貌。比如电子科技大学于贺等通过靶材表面磁场分布与刻蚀的对应关系，逐点计算后得出靶面的刻蚀形貌。合肥工业大学陈明采用了同样的方法去模拟Gencoa公司的一款靶材刻蚀形貌，但对磁力线的疏密程度与溅射坑的深度之间的映射关系做了改进，改进后的计算结果与Gencoa公司的结果较为接近。华中理工大学胡作启等建立的磁控溅射系统物理模型中采用了一种便于计算的映射关系，即靶材溅射率与磁电管磁场在靶材表面的水平分量成正比，在ANELVA射频磁控溅射系统上进行刻蚀实验，得到的实验结果同模拟结果相吻合。

目前尚未看到针对铜靶的刻蚀形貌进行仿真计算的文献，这是因为刻蚀铜靶的磁控溅射设备具有一种特殊结构的磁电管。由于铜金属的自溅射特性，设备选用的磁电管必须保证铜的高离化率，一般都采用小型、高磁场强度磁电管，这种磁电管刻蚀跑道面积很小，只能通过设计出复杂的磁电管运动轨迹，才能保证对靶材刻蚀的均匀性，这就使得腔室磁场动态变化非常复杂难以模拟。另外由于溅射铜靶设备的腔室溅射环境比较复杂，如何在保证计算精度的前提下，尽可能减少计算量，使仿真程序能够运行下去也是一个难点。针对铜靶的刻蚀形貌进行仿真计算，如果采用刘珍、S.Kadlec等人利用Monte Carlo方法研究粒子运动规律的途径，将会带来庞大的计算量，故利用磁场分布与溅射率的对应关系进行模拟，又由于设备腔室内动态磁场远比于贺、陈明等人研究的静态磁场复杂，故必须解决动态磁场刻蚀仿真问题。

发明内容

本发明目的是提供一种磁控溅射设备中铜靶刻蚀形貌的仿真计算方法。

为了实现对铜靶刻蚀形貌进行仿真，本发明包括以下步骤：

第一步：通过ansys仿真或在xy平台上用三维高斯计测量，取得磁电管在靶材表面磁场强度的水平分量，对于具有周向对称性的磁电管，用磁电管直径方向磁场作为靶材表面磁场强度的水平分量；

第二步：对各点磁场强度数据进行多项式拟合，将离散数据变成连续的函数，以便于后续赋值计算；

第三步：建立有效磁场数据矩阵，将拟合后曲线数值赋值于整个磁电管圆周表面，求得刻蚀跑道矩阵；

第四步：根据磁电管实际结构及运动原理，计算磁铁组件中心点运动轨迹方程，即刻蚀跑道扫描路径；

第五步：建立靶材刻蚀矩阵，选定步长，计算该步长上磁铁组件运动的确切位置，由磁电管磁场数据与靶材刻蚀程度成正比的对应关系，确定刻蚀系数，得到该步长上靶材刻蚀矩阵；

第六步：将靶材刻蚀时间t离散化，由磁铁组件中心点运动轨迹方程，计算每一步长上离散点确切位置，将每一个离散点上的靶材刻蚀矩阵叠加，得刻蚀时间t后靶材刻蚀矩阵；

第七步：通过矩阵运算，得到需要的参数或图形，比如靶材刻蚀三维形貌、靶材刻蚀曲线、刻蚀跑道图形、运动轨迹图形、靶材利用率大小等等。

本发明的有益效果为：

该计算方法主要采用了磁电管磁场数据与靶材刻蚀程度成正比的对应关系，利用已知磁场数据，用一系列离散的静态磁场近似复杂的动态磁场，根据铜靶刻蚀形貌具有“饱和”现象的特性适当选取刻蚀时间，实现了对铜靶的刻蚀形貌进行计算求解。在磁电管设计时可以利用该仿真方法检验所设计参数的好坏，或进一步进行磁电管参数优化，该仿真方法具有较好的工程应用前景。

附图说明

图1是仿真程序流程图；

图2是磁电管刻蚀跑道图；

图3是机构运动简图；

图4是靶材刻蚀三维形貌；

图5是铜靶实际刻蚀曲线图。

图中标号：

1-旋转大臂；2-中心轮；3-行星轮；4-磁铁组件；5-小臂。

具体实施方式

本发明提供了一种磁控溅射设备中铜靶刻蚀形貌的仿真计算方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

以应用材料股份有限公司伊扬·理查德·洪等在中国专利CN1669111A中提到的小行星式磁电管设备为例，该设备已知条件如表1所示，仿真该设备铜靶刻蚀曲线。

表1 设备已知条件

图1所示为仿真程序流程，仿真该设备铜靶刻蚀曲线包括以下步骤：

第一步：该设备磁铁组件在靶材表面水平方向磁场强度数据由ansys仿真得出，用data_68×3表示，其为68×3矩阵，如公式（1）所示:

${\mathrm{data}}_{68\×3}=\left[\begin{array}{ccc}0.0000& -0.16846E-01& -0.20613E-04\\ 0.20000E-02& -0.15297E-01& 0.11860E-04\\ .& .& .\\ .& .& .\\ .& .& .\\ 0.13200& 0.14990E-01& 0.55122E-04\\ 0.13400& 0.16245E-01& 0.60964E-04\end{array}\right]---\left(1\right)$

第二步：对各点磁场强度数据进行多项式拟合，将离散数据变成连续的函数，如公式（2）所示，以便于后续赋值计算。其中：p为拟合后得到的函数，x_b为拟合数据点的横坐标，b_xy为数据点的xy水平方向磁场强度值，cs为多项式拟合函数选取的最高次数，a_ij为磁电管有效刻蚀磁场矩阵任意一点数据，r_ij为磁电管有效刻蚀磁场矩阵任意一点到磁电管圆心的半径，r_yx为磁电管有效刻蚀半径大小。

$\left\{\begin{array}{c}p=\mathrm{polyfit}(x_b,b_{\mathrm{xy}},\mathrm{cs})\\ a_{\mathrm{ij}}=\mathrm{polyval}(p,r_{\mathrm{ij}}),r_{\mathrm{ij}}\≤r_{\mathrm{yx}}\\ a_{\mathrm{ij}}=0,r_{\mathrm{ij}}>r_{\mathrm{yx}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

第三步：建立有效磁场数据矩阵，将拟合后曲线数值赋值于整个磁电管圆周表面，如图2所示，求得刻蚀跑道矩阵；

第四步：根据磁电管实际结构及运动原理，图3所示为机构运动简图，其中1构件为旋转大臂，2构件为行星轮系内齿轮，3为行星轮系外齿轮，4为磁铁组件，5为旋转小臂。计算磁铁组件中心点运动轨迹方程，即刻蚀跑道扫描路径，如公式（3）所示，其中x_i、y_i为轨迹第i点坐标，l_db、l_xb分别为旋转大臂、旋转小臂长度，t_i为磁电管中心点运动到第i点的时间，ω_H为行星轮系系杆转动角速度。

$\begin{array}{c}{x}_i=l_{\mathrm{db}}\cos \left({\mathrm{\ω}}_H{t}_i\right)+l_{\mathrm{xb}}\cos (-0.59{\mathrm{\ω}}_H{t}_i)\\ y_i=l_{\mathrm{db}}\sin \left({\mathrm{\ω}}_H{t}_i\right)+l_{\mathrm{xb}}\sin (-0.59{\mathrm{\ω}}_H{t}_i)\end{array}---\left(3\right)$

第五步：建立靶材刻蚀矩阵，选定步长，计算该步长上磁铁组件运动的确切位置，由磁电管磁场数据与靶材刻蚀程度成正比的对应关系，确定刻蚀系数，得到该步长上靶材刻蚀矩阵，如公式（4）所示，其中bc_i为第i步刻蚀时靶材的刻蚀矩阵，bⁱ _I,J为靶材的刻蚀矩阵bc_i内第(I,J)点数值，k为磁场强度与靶材刻蚀成正比关系的系数。

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{bc}}_i=\left[\begin{array}{ccccc}{b^i}_{\mathrm{1,1}}& {b^i}_{\mathrm{1,2}}& ...& ...& {b^i}_{1,n}\\ {b^i}_{\mathrm{2,1}}& {b^i}_{\mathrm{2,2}}& ...& ...& {b^i}_{2,n}\\ .& .& & & .\\ .& .& ...& ...& .\\ .& .& & & .\\ {b^i}_{I,1}& ....& {b^i}_{I,J}& ...& {b^i}_{I,n}\\ .& .& & & .\\ .& .& ...& ...& .\\ .& .& & & .\\ {b^i}_{n,1}& {b^i}_{n,2}& ...& ...& {b^i}_{n,n}\end{array}\right]\\ I=i+\mathrm{floor}\left(x_i\right){+l}_{\mathrm{db}}+l_{\mathrm{xb}}\\ J=j+\mathrm{floor}\left(y_i\right)+l_{\mathrm{db}}+l_{\mathrm{xb}}\\ {b^i}_{I,J}=k\×a_{i,j}\end{array}\right.---\left(4\right)$

第六步：将靶材刻蚀时间t离散化，由磁铁组件中心点运动轨迹方程，计算每一步长上离散点确切位置，将每一个离散点上的靶材刻蚀矩阵叠加，得刻蚀时间t后靶材刻蚀矩阵，如公式（5）所示。其中bc_i为第i步刻蚀时靶材的刻蚀矩阵，BC为所有m步刻蚀完成后靶材的总刻蚀矩阵。

$\begin{array}{c}\mathrm{BC}=\left[\begin{array}{cccc}{B}_{\mathrm{1,1}}& B_{1,2}& ...& B_{1,n}\\ B_{\mathrm{2,1}}& B_{\mathrm{2,2}}& ...& B_{2,n}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ B_{n,1}& B_{n,2}& ...& B_{n,n}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{b^1}_{\mathrm{1,1}}& {b^1}_{\mathrm{1,2}}& ...& {b^1}_{1,n}\\ {b^1}_{\mathrm{2,1}}& {b^1}_{\mathrm{2,2}}& ...& {b^1}_{2,n}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ {b^1}_{n,1}& {b^1}_{n,2}& ...& {b^1}_{n,n}\end{array}\right]+...+\\ \left[\begin{array}{cccc}{b^i}_{\mathrm{1,1}}& {b^i}_{\mathrm{1,2}}& ...& {b^i}_{1,n}\\ {b^i}_{\mathrm{2,1}}& {b^i}_{\mathrm{2,2}}& ...& {b^i}_{2,n}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& ..& .& .\\ {b^i}_{n,1}& {b^i}_{n,2}& ...& {b^i}_{n,n}\end{array}\right]+...+\left[\begin{array}{cccc}{b^m}_{\mathrm{1,1}}& {b^m}_{\mathrm{1,2}}& ...& {b^m}_{1,n}\\ {b^m}_{\mathrm{2,1}}& {b^m}_{\mathrm{2,2}}& ...& {b^m}_{2,n}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ {b^m}_{n,1}& {b^m}_{n,2}& ...& {b^m}_{n,n}\end{array}\right]=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{bc}}_i\end{array}---\left(5\right)$

第七步：通过矩阵运算，求得到需要的参数或图形，比如靶材刻蚀三维形貌如图4、靶材刻蚀曲线如图5，根据需要本方法还可以计算磁电管刻蚀跑道图形、运动轨迹图形、靶材利用率大小等等。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (2)

1.磁控溅射设备中铜靶刻蚀形貌的仿真计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）通过ansys仿真或在xy平台上用三维高斯计测量，取得磁电管在靶材表面磁场强度的水平分量；

（2）对各点磁场强度数据进行多项式拟合，将离散数据变成连续的函数，以便于后续赋值计算；

（3）建立有效磁场数据矩阵，将拟合后曲线数值赋值于整个磁电管圆周表面，求得刻蚀跑道矩阵；

（4）根据磁电管实际结构及运动原理，计算磁铁组件中心点运动轨迹方程，即刻蚀跑道扫描路径；

（5）建立靶材刻蚀矩阵，选定步长，计算该步长上磁铁组件运动的确切位置，由磁电管磁场数据与靶材刻蚀程度成正比的对应关系，确定刻蚀系数，得到该步长上的靶材刻蚀矩阵；

（6）将靶材刻蚀时间t离散化，由磁铁组件中心点运动轨迹方程，计算每一步长上离散点的确切位置，将每一个离散点上的靶材刻蚀矩阵叠加，得到刻蚀时间t后的靶材刻蚀矩阵；

（7）通过矩阵运算，得到需要的参数或图形，包括靶材刻蚀三维形貌、靶材刻蚀曲线、刻蚀跑道图形、运动轨迹图形、靶材利用率大小。

2.根据权利要求1所述的磁控溅射设备中铜靶刻蚀形貌的仿真计算方法，其特征在于，所述步骤（1）中，对于具有周向对称性的磁电管，用磁电管直径方向磁场作为靶材表面磁场强度的水平分量。

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