CN102834543B - 标靶成形 - Google Patents

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Abstract

一种用于物理气相沉积系统的标靶，包括顶部、底部及基部。所述基部主要是由待溅镀的标靶的表面所形成。第一内环及第二内环从基部延伸。每一个环都具有内侧和外侧，其中通过靠近标靶的磁铁配置，溅镀集中在外侧。

Description

标靶成形
本申请要求2010年2月23日提交的序号为NO.61/307077美国临时专利申请的权益，其内容以引用全文的方式并入本文。
技术领域
本发明涉及一种物理气相沉积（PVD）法标靶。尤其是本发明涉及成形为像截锥体、半球体或菲涅而透镜（Fresnes lens）的标靶。
背景技术
溅镀沉积是一种物理气相沉积（PVD）法，其通过从标靶喷射或“溅镀”材料至例如矽晶片的基板上，而将薄膜加以沉积。
溅镀涂膜设备为一般所公知。在典型的设备中，采用能量放电来激发例如氩的惰性气体的原子，以形成电离气体或等离子体。来自等离子体的带电微粒（电子）通过施加磁场而朝向溅镀标靶的表面加速。溅镀标靶一般以矩形厚片、薄片或板的形式提供。等离子体撞击标靶的表面，因而侵蚀该表面并释放标靶材料。其后被释放的标靶材料可沉积在如金属、塑料、玻璃或矽晶片的基板上，以在基板上提供标靶材料的薄膜涂层。
溅镀源可为磁控管，其使用强的电场及磁场，以捕捉靠近磁控管表面或标靶的电子。这些磁场可由配置在标靶后面的永久磁铁阵列产生，因而在标靶表面上方建立磁隧道。电子被迫沿由电场及磁场所形成的螺旋路径而行，且在标靶表面附近，与以其他方式发生相比遭受与气体状中性粒子更多的电离碰撞。这在磁控管的操作期间造成封闭性等离子环路。在标靶表面上的等离子环路的位置形成“环形轨道”式凹槽，其是材料较常侵蚀的区域。为了增加材料利用，在现有技术中已知的使用可移动磁性设置以在标靶较大面积上扫出等离子环路。
为了减少环形轨道式凹槽的形成并达到标靶的更有效利用，不平的标靶在现有技术中是已知的。通常，已知的作法是在主要侵蚀区域增加标靶厚度。例如，授予Class等人的美国专利US4842703以及授予Grünenfelder等人的美国专利US5688381公开了具有凹面的标靶。
几种PVD应用需要在标靶和基板之间使用长的距离。这被称为长的标靶至基板距离（TSD）的溅镀。长的TSD溅镀使从标靶溅射的材料的角度轮廓变窄，从而使溅射材料更容易被引导。需要长的TSD溅镀以产生具有低侧壁覆盖的薄膜层，使得当光阻被移除时能够进行剥落加工或能避免侧壁材料的不需要的栅栏。
长的标靶至基板距离（TSD）的一个缺点是最终在基板上沉积材料的均匀性很差。此结果一般仅可通过增加标靶的直径来补偿。然而，增加标靶的直径可能是麻烦和不实际的。例如，若基板是300mm的晶片，那么将需要非常大和不经济的标靶尺寸。
长的TSD溅镀的另一个缺点是严重减少的溅射率。除此之外，由于气体在增加的距离中扩散，因此，减轻了角度分布狭窄化的作用。事实上，在1-2mTorr的实际压力下，即使在标靶至基板的距离低至150mm，方向性溅镀的作用也几乎消失。
图1至图5示出了目前溅镀标靶的上述问题。尤其是，图1示出了现有技术标靶的溅镀侵蚀曲线。在图1的曲线中，Y变量是标靶中心区域的侵蚀百分比，且X变量是标靶上一点以cm表示的标靶半径。计算是根据400mm标靶直径及300mm基板直径在变化的标靶基板距离下进行，标靶中心有10%的侵蚀百分比。在标靶半径为10-15cm之间时，侵蚀百分比开始增加直到最后达到100%为止。此增加的侵蚀代表环形轨道式凹槽。图1示出了虽然环形轨道式凹槽周围的材料完全被侵蚀，但是在标靶中心附近残留很多有用的材料。
对于图1中的侵蚀曲线，图2绘出在标靶至基板距离（TSD）为从120mm至800mm时，沉积在基板上的层的均匀性。Y变量为在基板上的层的均匀性百分比，而X变量是以mm表示的基板半径。图2的曲线示出，最平坦并因此最理想的沉积曲线是在TSD为150mm下达成。对于较低距离如120m时，曲线具有凹面状。对于较高距离如175mm、200mm、300mm、400mm或500mm时，曲线成为凸面状。但是对很长的距离如800mm，凸面度减小，原因是标靶可能被越来越看作点源。
在图3中，图2的特性被绘成TSD的函数。Y变量是在基板上沉积的层的表面起伏百分比，且X变量是以mm表示的TSD。与图2类似，图3指出最佳的均匀性大约在TSD为150mm处。
图4示出了基于与图1-3相同条件下的溅镀效率。在图4中，Y变量是沉积效率百分比，而X变量是以mm表示的TSD。当TSD增加时，沉积效率减少。
须了解的是，这些计算是在0.1mTorr的很低压力下进行的。当为支撑稳定的等离子可能是必须的而增加压力时，均匀性变差很多。图5示出了在500mm的TSD时，在均匀性上的压力效应。Y变量是在基板上沉积的层的表面起伏百分比，而X变量为以dm表示的基板半径。
因而，有需要改善溅镀标靶，以在具有完全均匀性及效率特征下量更均匀地侵蚀标靶。
发明内容
下列概要是简化的概要，以对本文讨论的系统和/或方法的一些方面提供基本了解。本概要并非是对本文讨论的系统和/或方法的广泛概述并不意图指出主要/关键元件或描述此系统和/或方法的范围。其唯一目的是以简化方式提供一些观念，以作为随后将呈现的更详细说明的序文。
根据一个方面，本发明提供了一种用于物理气相沉积系统的标靶。标靶包括顶部、底部及连接顶部和底部的倾斜的边缘。倾斜的边缘具有第一部分，其从顶部延伸第一竖直距离。第一部分和顶部限定第一钝角。倾斜的边缘还具有第二部分，其从第一部分延伸第二竖直距离。第二部分和顶部限定第二钝角。第一竖直距离大于第二竖直距离。
根据另一方面，本发明提供了一种用于物理气相沉积系统的标靶。标靶包括具有中心及边缘的基部、从基部延伸的内环及从基部延伸的外环。
根据再一方面，本发明提供了一种溅镀室。溅镀室包括外壳；基板支撑构件，在外壳内面对基板支撑构件的溅镀标靶，以及磁控管。溅镀标靶具有基部、从基部延伸的内环以从基部延伸的外环。
附图说明
在参照附图阅读下列说明之后，对于与本明相关的技术领域的技术人员，本发明的前述以及其他方面将变得显而易见，在附图中：
图1是现有技术的标靶的溅镀侵蚀曲线。
图2是现有技术的标靶的沉积均匀性曲线。
图3是类似于图2的均匀性曲线，但是作为TSD的函数绘出；
图4是现有技术标靶的溅镀效率的曲线图；
图5是类似于图2的均匀性曲线，但是在较高压力下算出；
图6是溅镀室的示意性示图；
图7a是根据本发明一个方面的标靶的透视图；
图7b是图7a中标靶的截面图；
图7c是图7a和7b中标靶的放大视图；
图7d是图7a-7c中标靶的具体尺寸的图表；
图8a是具有不同倾斜外形的标靶的截面图；
图8b是图8a中标靶的均匀性曲线；
图8c是图7a-7c中的标靶的侵蚀曲线；
图9是图7a-7c中的标靶的放射特征的示意性图示；
图10是根据本发明另一方面的标靶的截面图；
图11a是根据本发明再一方面的标靶的截面图；
图11b是图11a中该截面图的右半部的放大视图；
图12是图11a中的标靶的放射特征的示意性图示；
图13a是图11a和11b中的标靶的侵蚀轨道；
图13b是图11a和11b中的标靶的侵蚀曲线；
图14a是根据本发明的又一方面的标靶的截面图；以及
图14b是图14a的截面图的放大视图；以及
图15是图14a和14b中的标靶均匀性曲线。
具体实施方式
结合一个或多个方面的示例性实施例并不意图作为本发明的整体限制。例如，本发明的一个或多个方面可应用于其他实施例，甚至是其他类型的装置中。而且，某些名词在本文中仅为方便而使用，并不构成本发明的限制。而且，在附图中，相同的参考标记用来标示相同元件。
图6示意性地示出了根据本发明一个方面的示例性溅镀室10。溅镀室10包括具有至少一个气体入口30的室的壳壁20。基板40及基板支撑台座50被放置室的下端，并且标靶60被容纳在室的上端。
图7a示出了根据本发明第一实施例的标靶60的简化的透视图。应理解的是，此视图中（并且在除了图9和12以外的随后的视图中）的标靶与图6相比是颠倒的。标靶一般是具有倾斜外缘的盘形，以使其成为截锥体或平截头圆锥体的形状。标靶具有顶部或基板侧61及底部或壁侧62。倾斜区域或“斗篷”65连接顶部61和底部62，并且是侵蚀发生之处。
图7b是标靶60的截面图。在图7b中，顶部线是标靶的初始截面，且随后的线表示由于溅镀而侵蚀后的截面。Y变量是以mm表示的标靶与基板的距离，而X变量是以mm表示的标靶上一点的标靶半径。如下将要详细讨论的，标靶的具体斗篷形状会在高的沉积率下造成基板上的材料的最佳均匀性。
在图7c中，示出了图7b的截面图的放大图。如在图7b中一样，Y变量是以顶表面为参考点的标靶表面高度，以mm表示，且X变量是以mm表示的标靶半径。斗篷具有10mm的高度，其是标靶半径的1/20或5%，且包括两个倾斜部分。第一部分66最靠近标靶中心并且以第一角度A倾斜。第二部分68在表面高度为6mm与7mm之间的位置7处开始。第二部分68以第二角度B倾斜，且第二角度B大于第一角度A。第一部分66具有陡峭的斜率，且第二部分具有较不陡的斜率。从标靶的顶部到倾斜的部分66的转换被圆形化，而从倾斜的部分66到倾斜的部分68的转换也被圆形化。
标靶的具体尺寸显示在图7d的表中。
现在说明标靶形状的基础。图8a显出了具有不同倾斜的斗篷及其对应的理想化的侵蚀截面的标靶。0mm至30mm的测量值是指标靶表面高度，其是从斗篷的顶部至其底部的竖直距离。具有30mm表面高度的标靶有最陡峭的倾斜度，且具有0mm表面高度的标靶有最不陡峭的倾斜度，因为其是平的圆盘。与图7b类似，每个标靶的顶部线都是其初始截面，且随后的线表示由于溅镀而侵蚀后的截面。这些标靶是以120-150mm的距离与基板相对。
由图8a的标靶导致的均匀性在图8b中绘出。在图8b中，Y变量是均匀性百分比，而X变量是以mm表示的基板半径。理想的标靶具有100%的均匀性。曲线显示，将标靶连缘轮廓定为10mm可显著地改善140mm基板半径下的均匀性。因而，本发明采用该尺寸。
图8c描绘了标靶60的侵蚀曲线。Y变量是以mm表示的标靶中心区域的侵蚀，而X变量是以mm表示的标靶上一点的标靶半径。与图1一样，在靠近标靶边缘处有增强的侵蚀。虽然对应的磁铁被最优化以主要侵蚀靠近边缘处，但是10%至20%的某些侵蚀实际上对保持标靶中心区域的清洁有利。
现在参照图9说明本发明的标靶的操作。溅镀微粒的放射特征常为余弦（cosine）或比余弦稍宽，
其中指数n是放射的定向性。从0.5至1.0的n的值经常被报为试验性放射特征。放射特征在图9中被绘成椭圆。
对于平坦标靶，来自标靶的放射可到达基板上任一处。靠近标靶边缘的放射将大部分沉积在边缘对面最靠近的基板位置。但是，边缘放射会以减少速率沉积在基板中心附近。一些边缘放射可能结合高放射及入射角度而沉积在基板的远处边缘位置，然而放射率因随着距离的平方减小而大幅减小。
这些沉积性质随倾斜的标靶边缘而改变。如平坦标靶一样，来自标靶边缘的放射有助于在边缘对面的沉积。但是，却因遮蔽而使得在晶片的相对侧的沉积为零。甚至到晶片的中心位置的沉积也由于高放射角度而减少。详细的计算显示，在基板中心位置的沉积率的减小会比基板边缘更显著，从而导致改善的薄膜均匀性。
图10示出了根据本发明的标靶的第二实施例。图10是标靶的截面图，其与中空半球体或反过来的碗类似。顶部线是标靶的初始截面，而随后的线代表侵蚀后的截面。Y变量是以mm表示的标靶与基板的距离，而X变量是以mm表示的标靶上一点的标靶半径。类似于截锥体形标靶，半球体形标靶具有多个倾斜部分。由于在此实施例中的倾斜部分较大且较多，因此比图9中有更多遮蔽。此会造成在基板上更均匀地沉积溅射材料。
图10中的半球体形标靶需要三维磁铁的配置。比较而言，截锥体形标靶仅需二维的磁铁。除此之外，半球体形标靶更难制造而导致高成本。
图11a示出了根据本发明的第三实施例。图11a是标靶的截面图，而图11b是该截面图的右半部的放大图。标号207表示标靶的表面侧，而208表示标靶的材料（主体）侧。参考标号205是指所述标靶的参考平面或基部，独立于标靶的任何表面结构。如图10一样，顶部线是标靶的初始截面，而随后的线代表侵蚀后的截面。Y变量是以mm表示的标靶与基板的距离，而X变量是以mm表示的标靶上一点的标靶半径。标靶包括具有朝向外的倾斜侧壁的同心环，且形状上类似于Fresnel透镜。第一环200与第二环210同心且具有相同的高度。第一凹槽220形成于第一环200之内，而第二凹槽230形成于第一环200和第二环210之间。平坦边缘240形成在标靶的边缘周围。
第一环200具有第一侧201，其从凹槽220的底部倾斜角度C。第一环200还具有第二侧202，其从凹槽230的底部倾斜角度D。角度D稍大于角度C。
类似地，第二环210具有第一侧211，其从凹槽220的底部倾斜角度E。第二环210还具有第二侧212，其从边缘240倾斜角度F。角度F大于角度C，D和E。因此，角度E小于角度C及角度D。角度C-F均为90度或更大。
图12是图11a和图11中的标靶的放射特征的示意性图示。与图9一样，图9示出了截锥体形标靶的放射特征，有来自倾斜区域的遮蔽。但是，由于在此实施例中有更多的倾斜区域，故有更多遮蔽。
图13a示出了图11a和11b的Fresnel透镜形标靶的实施例的示例性侵蚀轨道设计。旋转磁铁配置沿着封闭的侵蚀轨道而行。主要的侵蚀集中在倾斜侧壁的下方，以从面向外的放射得益（图12）。侵蚀主要是保持在半径R1及R2上，其中R1相当于第一环200的半径，而R2是相当于第二环210的半径。侵蚀得跳动于这些局部的同心轨道之间且在标靶的中心部形成条纹，以减少再沉积。
图13b示出了图11a中的Fresnel透镜形标靶的侵蚀曲线。Y变量是侵蚀百分比，而X变量是以mm表示的标靶上一点的标靶半径。侵蚀百分比达到相当于侵蚀环形轨道的3个峰值，其中最大值是在标靶半径为170mm与180mm之间。
图14a示出了根据本发明的标靶的第四实施例。图14a是标靶从半径至边缘的截面图，且图14b是该截面的放大图。如前述附图一样，顶部线是标靶的初始截面，且随后的线表示侵蚀后的截面。Y变量是以mm表示的标靶与基板的距离，而X变量是以mm表示的标靶上的一点的标靶半径。与第三实施例类似，第四实施例的标靶有朝向外的倾斜侧壁的同心环，且形状上与Fresnel透镜相似。第一环300、第二环310、第三环320、第四环330以及第五环340为同心且具有相同的高度。第一凹槽350形成于第一环300的之内，第二凹槽360形成于第一环300与第二环310之间，第三凹槽370形成于第二环310和第三环320之间，第四凹槽380形成于第三环320和第四环330之间，且第五凹槽390形成于第四环330和第五环340之间。边缘400形成于标靶的边缘周围。
第一环300具有第一侧301，其从凹槽350的底部倾斜角度G。第一环300还具有第二侧302，其从凹槽360的底部倾斜角度H。角度H大于角度G。
第二环310具有第一侧311，其从凹槽360的底部倾斜角度I。第二环310还具有第二侧312，其从凹槽370的底部倾斜角度J。角度J大于角度I。
第三环320具有第一侧321，其从凹槽370的底部倾斜角度K。第三环320还具有第二侧322，其从凹槽380倾斜角度L。角度L大于角度K。
第四环330具有第一侧331，其从凹槽380的底部倾斜角度M。第四环330还具有第二侧332，其从凹槽390倾斜角度N。角度N大于角度M。
第五环340具有第一侧341，其从凹槽390的底部倾斜角度O。第五环340还具有第二侧342，其从边缘400倾斜角度P。角度P大于角度O。
整体上，角度O最小，而角度P最大。每一个环的面对中心侧上的这些角度从标靶的中心，即第一环300的角度G朝标靶的边缘（即第五环340的角度O）减小。因而，角度G大于角度I，角度I大于角度K，角度K大于角度M，而角度M大于角度O。类似地，每一环的面对边缘侧上的这些角度从标靶的中心，即第一环300的角度H朝标靶的边缘（即第五环340的角度P）增加。因而，角度H小于角度J，角度J小于角度L，角度L小于角度N，而角度N小于角度P。角度G-P均为90度或更大。
对于图14a及图14b示出的实施例，图15绘出了TSD为200mm时沉积的层的均匀性曲线。Y变量是层的均匀性百分比，而X变量是以mm表示的基板半径。薄膜在整体基板上几乎完全是均匀的，且仅稍微向基板的边缘逐渐减少。

Claims (7)

1.一种用于物理气相沉积系统的标靶，标靶包括：
基部(205)，具有中心和边缘(240)；
从基部(205)延伸的第一内环(200)，具有第一内侧(201)，第一内侧(201)与基部(205)限定朝向基部(205)的中心开放的第一钝角(C)；以及第二外侧(202)，第二外侧(202)与基部(205)限定朝向基部(205)的边缘(240)开放的第二钝角(D)；
从基部(205)延伸的第二外环(210)，具有第一内侧(211)，第一内侧(211)与基部(205)限定朝向基部(205)的中心开放的第三钝角(E)；以及第二外侧(212)，第二外侧(212)与基部(205)限定朝向基部(205)的边缘(240)开放的第四钝角(F)；
第一内环(200)和第二外环(210)是同心的；
其特征在于，其中第四钝角(F)大于第二钝角(D)，第二钝角(D)又大于第三钝角(E)。
2.如权利要求1所述的标靶，其中第二钝角(D)大于第一钝角(C)。
3.如权利要求1或2所述的标靶，其中第二外环(210)的第二外侧(212)比第二外环(210)的第一内侧(211)长。
4.如权利要求1或2所述的标靶，其中在第二外环(210)的第二外侧(212)上由溅镀产生的侵蚀比在第二外环的第一内侧(211)上更多。
5.如权利要求1或2所述的标靶，其中在第二外环(210)的第二外侧(212)上由溅镀产生的侵蚀比在第一内环(200)的第二外侧(202)上更多。
6.一种溅镀室，包括：
外壳；
基板支撑构件；
如权利要求1至5中任一项所述的标靶，在外壳内面对基板支撑构件，
永久磁铁阵列，配置在标靶的后面，用于在标靶表面之上建立封闭的磁性隧道。
7.如权利要求6所述的溅镀室，其中所述永久磁铁阵列将所述封闭的磁性隧道主要集中于半径R1和R2上，其中R1相当于第一内环(200)的半径，而R2相当于第二外环(210)的半径。
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