CN103374707A - 射频调谐基板偏压物理气相沉积装置和操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种物理气相沉积方法包括将射频信号施加到物理气相沉积装置中的阴极，其中，该阴极包括溅射靶；将物理气相沉积装置中的卡盘电连接到阻抗匹配网络，其中，该卡盘支撑基板，且其中，阻抗匹配网络包括至少一个电容器；以及将来自溅射靶的材料沉积到基板上。

Description

射频调谐基板偏压物理气相沉积装置和操作方法
技术领域
本公开内容通常涉及射频（RF）溅射物理气相沉积(PVD)。
背景技术
射频溅射PVD是在基板上沉积薄膜的方法。基板放置在真空室中，面向连接到RF电源的靶。当RF功率被启动时，形成等离子体。正气体离子被吸引到靶表面，撞击靶，并通过动量传递来移除靶原子。被移除的靶原子随后沉积在基板上形成薄膜层。在物理气相沉积期间，控制沉积薄膜的特性是重要的。
发明内容
通常而言，一方面，物理气相沉积的方法包括将射频信号施加至物理气相沉积装置的阴极，其中所述阴极包括溅射靶；通过阻抗匹配网络将物理气相沉积装置中的卡盘电连接到地，其中，所述卡盘支撑基板，且其中，所述阻抗匹配网络由与电容器串联的电感器组成；以及将来自所述溅射靶的材料沉积到所述基板上。
实现方式可包括下列特征中的一个或多个。电容器的电容可以被选择或调节为使得在基板上产生正自偏压直流电压。该正自偏压直流电压可以在10与100V之间，例如，在60与75V之间。选择或调节该电容器的电容可以包括选择或调节电容以具有10pF与1200pF之间的量值。该电感器的电感可以具有在300与600微亨之间的量值。射频信号可具有量值在1000W与5000W之间的射频功率。该靶可以是介电材料，例如，锆钛酸铅（“PZT”）。将来自溅射靶的材料沉积到该基板上包括产生具有厚度在与10μm之间的薄膜。该薄膜可以具有2μm与4μm之间的厚度。将来自溅射靶的材料沉积到该基板上可以包括产生具有（100）晶体结构的薄膜。
通常而言，在另一方面，物理气相沉积装置包括具有侧壁的真空室；在所述真空室内部的阴极，其中，所述阴极被配置为包括溅射靶；被配置成将射频信号施加到阴极的射频电源；在所述真空室内部并电连接到所述真空室的侧壁的阳极；在所述真空室内部的卡盘，其中，所述卡盘被配置成支撑基板；以及将所述卡盘电连接到地的阻抗匹配网络，其中，所述阻抗匹配网络由与电容器串联的电感器组成。
实现方式可以包括下列特征中的一个或多个。该电感器可以连接在电容器与卡盘之间。该电容器可以连接在电感器与地之间。该电容器可具有在10pF与1200pF之间的电容。该电感器可具有在300与600微亨之间的电感。该靶可以为介电材料，例如，锆钛酸铅（“PZT”）。该阴极可以包括磁控管组件。该阻抗匹配网络可以具有低于施加至阴极的射频信号的频率约1到2MHz的共振频率。该阻抗匹配网络可具有高于施加至阴极的该射频信号的频率约1至2MHz的共振频率。
简化的LC电路可更稳定并更易于调谐以提供期望的偏压。因为，简化的LC电路包括较少的部件，并具有较少变化源，且因此可以提高调谐中的一致性。另外，简化的LC电路对于电流具有单个路径；应当不会经受环电流。
通过将阻抗网络连接到卡盘产生正自偏压DC电压可以导致形成具有有利压电和介电特性的薄膜，例如具有在1000至1700范围内的介电常数、高d31系数以及高击穿电压的PZT薄膜。同样地，使用阻抗匹配网络产生负自偏压对于沉积薄膜（尤其是PZT薄膜）的再溅射或蚀刻将会是有利的。
在附图以及以下描述中阐述了一个或多个实施例的细节。根据描述、附图以及权利要求，其它特征、方面和优点将变得明显。
附图说明
图1是包括阻抗匹配网络的物理气相沉积装置的实施例的截面示意图。
图2A是图1的延伸的阳极的放大图。
图2B示出图2A的延伸的阳极的透视图。
图3是包括阻抗匹配网络和延伸的防护体的物理气相沉积装置的实施例的截面示意图。
图4A是图3的延伸的防护体的放大图。
图4B是图4A的延伸的防护体的示意性顶视图。
图5是用于卡盘和阴极的自偏压DC电压vs.Ar流的示例性曲线。
图6是用于使用具有连接到卡盘的阻抗匹配网络的物理气相沉积装置将薄膜沉积在基板上的处理的示例性流程图。
在不同附图中相同的附图标记和指示表示相同的元件。
具体实施方式
在RF物理气相沉积或溅射被用于在基板上产生薄膜时，可能难以控制沉积膜的特性。通过改变基板的DC自偏压，例如通过至卡盘的阻抗匹配网络将卡盘连接到地，可以更好地控制薄膜的特性。
参照图1，物理气相沉积装置100可以包括真空室102。真空室102可以是圆柱形且具有侧壁152、顶面154和底面156。磁控管组件118可位于真空室102的顶部。磁控管组件118可以包括具有交变磁极的一组磁体。磁控管组件118可以是固定的或可以绕垂直于真空室102半径的轴来旋转。物理气相沉积装置100还可以包括RF电源104和对应的负荷匹配网络，该负荷匹配网络可以将电源104的阻抗与真空室102的阻抗相匹配。
阴极组件106可以容纳在真空室102内并位于真空室102的顶面154附近。阴极组件106可包括能够结合至金属垫板（未示出）的靶126。靶126通常可以是圆形的，具有外边缘160。靶可以例如由诸如锆钛酸铅（“PZT”）的介电材料制成。当由RF电源104施加RF功率时，阴极106可以用作RF电流的电极。阴极组件106可以通过绝缘环150与真空室102电绝缘。
支撑一个或多个基板的基板支架或卡盘110可以容纳在真空室102内的真空室102的底面156附近，但在该底面156之上留有间隔。卡盘110可以包括诸如基板夹持板的基板保持机构122，其被配置来保持基板116，以使得可以在PVD处理期间给基板116涂覆薄膜。基板116可以例如是微机电系统(MEMS)晶片。温度控制（未示出）可以位于卡盘110上，例如用以将基板116的温度维持在25℃与800℃之间（例如，650℃到700℃）的规定温度。
在图1所示的一实施例中，卡盘110可以通过阻抗匹配网络107电连接到地。根据阻抗匹配网络的特性，卡盘110自身可以视为相对于地绝缘或浮动。例如，卡盘110可以对DC电流而与地绝缘，但就RF电流而言则仍电连接到地，而RF阻抗取决于电路元件的电感和电容。没有二级RF电源连接至卡盘110。输入端子109可以将阻抗匹配网络107电连接到卡盘110。
阻抗匹配网络107可以包括可变调谐电容器111和电感器113。该可变调谐电容器111和电感器113可以串联连接。可变调谐电容器111可以电连接到地。电感器113可以电连接在输入端子109与可变调谐电容器111之间。电感器可以具有约300到600微亨的电感。该阻抗匹配网络107可以被调谐到约5至100MHz的频率。
在一些实现中，阻抗匹配网络107仅由可变调谐电容器111和电感器113组成。具有额外的电气元件可能会在装置100的电气性能中引入额外的变化源，并因此，仅具有可变调谐电容器111和电感器113的简化LC电路能够更加稳定并更易于调谐以提供期望的偏压。另外，简化的LC电路对于从输入端子109到地的电流具有单个路径，因此应当不会经受环电流。
阳极108也可以被容纳在真空室102内。阳极108可以向阴极106提供对应的电极，以便提供RF电流回路。在一些实施例中，阳极108和卡盘110可以是同一部件。然而，在其它实施例中，如本文所述，阳极108可以与卡盘110电绝缘，以使得卡盘110可以是浮动的或保持在相比阳极108不同的电位。阳极可被接地，即在此情况（阳极不需要实际连接到地）下电连接到真空室侧壁152。
参照图1和图2A-2B，阳极108可以具有环形体302并可以通过从环形体302向内突出的环形凸缘304来延伸。环形凸缘304可以限定在PVD处理期间可以保持等离子体的预期放电空间128（参见图1）。如图2A和图2B所示，环形体302可以包括上部306和下部308。上部306可以比下部308更接近阴极106。上部306与真空室102的顶面154之间的间隔148（参见图1）可以被配置成防止在其间形成等离子体。
如图2A所示，阳极上部306的顶部320可以从真空室的顶面154垂直延伸，例如，其可以是圆筒状。顶部320可以平行并包围靶126的边缘160。上部306的底部322可以从顶部320的底边缘处的内表面向内例如垂直延伸。底部322可以基本水平向内延伸，例如，像水平环。环322的内径可以具有与靶126的外边缘160大约相同的半径。下部308可以从底部322的下表面且内边缘延伸。下部308可以垂直于底部322来延伸并可以垂直延伸，例如，像圆筒状。该圆筒的内壁可以具有与靶126的外边缘160大约相同的半径。虽然未示出，另一突出可以从底部322的下表面在外边缘附近向下延伸，从而形成间隙来放置防护体124的上部。
环形凸缘304可以从下部308向内突出，使得至少部分凸缘延伸到靶126的下面。如图1所示，凸缘304可以从环形体302向内并向下延伸，使得更靠近阴极106的凸缘304的半径大于远离阴极106的凸缘304的半径，即凸缘可以为漏斗形。可替换地，如图3所示，凸缘304可以从环形体302水平延伸。在一些实施例中，凸缘304从下部308的最低边缘延伸。
环形开口310（参见图2B）可以具有与卡盘110大约相同的直径，从而在PVD处理期间基本未遮蔽基板116，即，使得可以用薄膜覆盖基板116的整个顶面。
真空室102也可以包括PF防护体124，以保护真空室102的侧壁不被薄膜材料涂覆。防护体124可以由例如非磁性的不锈钢或铝制成，并可以被接地至真空室102的侧壁152。
在如图1所示的一些实施中，防护体124可以包括垂直延伸的环形体402，例如，以圆柱形。水平延伸凸缘146可以从环形体402的底边缘向内延伸。水平延伸凸缘146可以位于真空室102的底部附近，并可以延伸超过凸缘304以包围并与阳极108的下部308局部垂直重叠。在一些实施例中，垂直延伸凸缘146可以延伸到阳极108的下部308与基板保持机构122之间的间隙中。凸缘146可以与基板保持机构122局部水平重叠。
图4B中在防护体124的环形凸缘146内部的环形开口406可以具有与卡盘大约相同的半径，从而基本未遮蔽基板116。间隙132可以存在于防护体124与阳极108之间，以允许处理气体从预期放电空间128疏散。
在一些实施例中，如图3和图4A-图4B所示，该防护体可以延伸，使得一组同心环形突出404从环形凸缘146例如朝向阴极106突出。环形突出404可以平行于环形体402延伸。如图3和图4A-图4B所示，可以沿着从真空室102的中心到侧壁152的半径来增加环形突出404的高度。环形体402所具有的高度可以高于环形突出404的高度。
物理气相沉积装置100还可以包括直接连接阳极108与防护体124的诸如带状物的电导体130。电导体130可以是柔性的并可以被配置成允许气体在阳极108与防护体124之间流动。例如，电导体130可以是网状物或带状导线。电导体130可以由例如铜或铝制成。
在阳极108与防护体124之间可以有多个连接。例如，电导体130可以在至少四个点处连接到阳极108与防护体124。电导体130可以连接在阳极108的下表面与防护体124的顶部之间。电导体130也可以连接在阳极108的顶部与防护体124的外表面之间。
物理气相沉积装置100还可以包括二级室防护体134。该室防护体可以由例如非磁性的不锈钢或铝制成。室防护体的上部可以定位在阳极108与真空室102的侧壁之间。室防护体134的下部可以定位在真空室102的侧壁与防护体124之间。室防护体134可以与防护体124和/或阳极108同心并包围该防护体124和/或阳极108。室防护体134的高度可以等于或大于防护体124的高度。室防护体134可以包括垂直环形体142和从环形体142向内延伸（例如，从该垂直环形体142的下边缘）的环形凸缘144（如图1所示）。室防护体134的环形凸缘144可以在防护体124的环形凸缘146的下面延伸，但会具有短于环形凸缘146的半径长度。环形凸缘144可以比卡盘110更接近该室的底部。室防护体的凸缘144的内边缘可以垂直对准卡盘110的外边缘。
物理气相沉积装置100还可以包括处理气体入口112、处理气体控制设备（未示出）、真空出口114、压力测量和控制设备（未示出）以及真空泵（未示出）。室防护体134可被配置成使得处理气体仍可以被泵入或泵出真空室102。例如，室防护体134可以足够短，以便不覆盖处理气体入口112或真空出口114。可替换地，室防护体134可以在与处理气体入口112和真空出口114的位置相对应的位置中具有孔（未示出）。而且，室防护体134可以是可单独拆装的，并可易于清洗，并随着时间重复使用。
室防护体134可以采用电导体136而电结合至防护体124。电导体136可以具有与电导体130相类似的材料和形状。因此，电导体136可以被配置成允许防护体124与室防护体134之间的气体流动。同样地，电导体136可以由网状物组成，可以是一个或多个带状物，并可以包括铜或铝。而且，电导体136可以被连接在防护体124的底表面与室防护体134的内表面之间。
在溅射或PVD处理期间，通过处理气体入口112以10-200sccm/0.2至4sccm（诸如10至60sccm/0.5至2sccm）的流速来供应诸如氩气和氧气的气体。真空泵（未示出）通过真空出口114维持例如10-7Torr或以下的基本真空以及例如0.5mTorr至20mTorr（尤其是4mTorr）的等离子体操作压力。当来自RF电源104的RF功率以500W至5000W的量级（例如，2000W到4000W，或者3000W）施加到阴极组件106时，靶126被负偏压，而阳极108被正偏压，从而使等离子体形成在阴极106与阳极108之间的预期放电空间128中。磁控管组件118在阴极106的前表面处或附近产生例如50Gauss至400Gauss（诸如200Gauss至300Gauss）的磁场。该磁场限制电子做平行于靶126的前表面的螺旋运动。
靶126上的负自偏压DC电压结合在靶表面附近由磁场限制的电子有利于等离子体的高能正离子对靶126的轰击。动量转移导致诸如PZT分子的中性靶材料从靶126中脱离并沉积在基板116上，从而在基板116上产生薄膜。所产生的薄膜可以具有的厚度为至10μm，例如，2-4μm。
在图1和图3所示的实施例中，当RF电源104施加至阴极106，且阻抗匹配网络107连接到卡盘110时，可以在基板上产生DC自偏压。可变调谐电容器111的电容可以选择或调节到例如在10pF与1200pF之间，使得在基板上产生期望的DC自偏压。如在上述实施例中的那样，基板可以具有产生的负、正或零电荷，例如，-300V至+300V，特别是-100V至+100V。
作为示例，在图5中示出了基板的正自偏压vs气流的曲线图。
该DC自偏压的电荷除了由阻抗匹配网络107的阻抗控制外，还可由施加至基板116的RF功率的量来控制。通常而言，为了采用阻抗匹配网络获得正DC自偏压，共振频率应设定为稍小于临界共振频率。例如，共振频率可以设定为小于临界共振频率的1-2MHz。至阴极的RF功率的频率可以与临界共振频率相同，例如，13.56MHz。在所设定的阻抗匹配网络的共振频率稍小于临界共振频率的情况下，可以在基板116上产生例如10V-100V（诸如60V）的正DC自偏压。另一方面，阻抗匹配网络107不应被设定具有与靶RF频率的共振频率相同或太接近的共振频率，因为这可能会导致偏压DC电压在正负之间振荡的不稳定状况。
正电压导致来自等离子体的电子吸引并加速到基板116的表面。这些具有足够能量的电子将造成溅射材料特性发生改变，而不会因其低动量造成任何实质性的再溅射。而且，正电压可以防止等离子体离子轰击基板116的表面并因此避免对表面的蚀刻。负电压可以使等离子体离子朝向基板被吸引并加速，这会导致表面的再溅射。再溅射可以例如用于蚀刻基板表面。对于给定的实现（诸如室构造、气体组分和流速、压力、磁场以及电压），则需要通过实验来获得产生正或负自偏压电压所必需的RF功率和在阻抗匹配网络107中的元件的阻抗值。
在图6中示出了用于使用图1和图3的装置形成薄膜处理的流程图。在物理气相沉积装置中将射频信号施加至阴极（步骤610）。阴极包括溅射靶。在物理气相沉积装置中支撑基板的卡盘电连接到阻抗匹配网络（步骤612）。阻抗匹配网络由电感器和电容器组成。来自溅射靶的材料沉积到基板上（步骤614）。虽然未在图6中示出，该处理还可以包括选择或调节电容器的电容，使得在基板上产生正自偏压DC电压。
在物理气相沉积装置中任一阻抗匹配网络的使用对于产生诸如PZT薄膜的压电式薄膜将会是特别有利的。具体来说，使用阻抗匹配网络107以在基板或沉积膜上产生间接偏压是有利的，因为外部DC偏压不能直接施加至诸如PZT的介电材料。而且，阻抗匹配网络107可以改变基板116与预期放电空间128之间的暗区中的电场强度，由此改变沉积处理的再溅射效果。相比之下，在对基板进行直接偏压可能将整个系统电压转换成对于靶和/或基板这两者的偏移值时，则无法改变基板116与预期放电空间128之间的暗区。
如果使用本文所述的具有带正DC自偏压的基板的物理气相沉积装置来溅射PZT膜，吸引至基板表面的电子可以使电子加热，这可以增加薄膜原子的迁移率。而且，表面上的电子可有助于从表面排斥等离子体离子，以避免表面的再溅射。因此，可以形成具有优选结构的膜，例如，具有（100）晶体结构的薄膜。溅射在具有正DC自偏压的基板上的这种膜（例如，具有钙钛矿PZT（100）/（200）晶体取向的PZT膜）可具有有利的介电和压电特性，例如，在1000至1700的范围内的介电常数、高d31系数（例如，约250pm/V或更大）以及高击穿强度（例如，1MV/cm或更大）。例如，具有（100）晶体取向的PZT薄膜可以用作MEMS设备，例如油墨分配设备的致动器。
已描述了许多实施例。然而，可以理解的是，在不背离所描述的这些精神和范围的情况下，可以做出各种修改。例如，应当理解的是，定位和取向（例如，顶部，垂直）的术语被用于描述在该物理气相沉积装置内的部件的相对定位和取向，但该物理气相沉积装置自身可以保持在垂直或水平取向或一些其它取向中。作为另一示例，图6的示例性流程图的步骤可以以其它顺序来执行，可以去除一些步骤，并可以添加其它步骤。因此，其它实施例也在下列权利要求的范围内。

Claims (22)

1.一种物理气相沉积的方法，包括：
将射频信号施加到物理气相沉积装置中的阴极，其中，所述阴极包括溅射靶；
通过阻抗匹配网络将所述物理气相沉积装置中的卡盘电连接到地，其中，所述卡盘支撑基板，并且其中，所述阻抗匹配网络由与电容器串联的电感器组成；以及
将来自所述溅射靶的材料沉积到所述基板上。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：选择或调节所述电容器的电容，使得在所述基板上产生正自偏压直流电压。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述正自偏压直流电压在10与100V之间。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述正自偏压直流电压在60与75V之间。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，选择或调节所述电容器的电容包括选择或调节所述电容以具有10pF与1200pF之间的量值。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述电感器的电感具有在300与600微亨之间的量值。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述射频信号具有量值在1000W与5000W之间的射频功率。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述靶包括介电材料。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述介电材料包括锆钛酸铅（“PZT”）。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，将来自所述溅射靶的材料沉积到所述基板上包括产生具有厚度在与10μm之间的薄膜。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述薄膜所具有的厚度在2μm与4μm之间。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，将来自所述溅射靶的材料沉积到所述基板上包括产生具有（100）晶体结构的薄膜。
13.一种物理气相沉积装置，包括：
真空室，其具有侧壁；
在所述真空室内部的阴极，其中，所述阴极被配置为包括溅射靶；
射频电源，其被配置成将射频信号施加到所述阴极；
阳极，其在所述真空室内部并电连接到所述真空室的所述侧壁；
在所述真空室内部的卡盘，其中，所述卡盘被配置为支撑基板；以及
阻抗匹配网络，其将所述卡盘电连接到地，其中，所述阻抗匹配网络由与电容器串联的电感器组成。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述电感器连接在所述电容器与所述卡盘之间。
15.根据权利要求13所述的装置，其中，所述电容器连接在所述电感器与地之间。
16.根据权利要求13所述的装置，其中，所述电容器所具有的电容在10pF与1200pF之间。
17.根据权利要求13所述的装置，其中，所述电感器所具有的电感在300与600微亨之间。
18.根据权利要求13所述的装置，其中，所述靶包括介电材料。
19.根据权利要求18所述的装置，其中，所述介电材料包括锆钛酸铅（“PZT”）。
20.根据权利要求13所述的装置，其中，所述阴极还包括磁控管组件。
21.根据权利要求13所述的装置，其中，所述阻抗匹配网络所具有的共振频率低于施加至所述阴极的所述射频信号的频率约1至2MHz。
22.根据权利要求13所述的装置，其中，所述阻抗匹配网络所具有的共振频率高于施加至所述阴极的所述射频信号的频率约1至2MHz。
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