CN105008582A - 具有增强的表面轮廓和改善的性能的硅溅射靶及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供了溅射靶组件以及所述溅射靶组件的制造方法。所述溅射靶组件可具有靶坯。所述靶坯可具有至少一个厚度T1的平坦表面和厚度T2的下凹中心，其中T2小于T1。

Description

具有增强的表面轮廓和改善的性能的硅溅射靶及其制造方法
相关申请的交叉引用
本PCT申请要求2013年1月4日提交的美国临时专利申请第61/848,472号的优先权，并将其在此全文引入作为参考。
技术领域
在此所公开的主题涉及用于物理气相沉积(PVD)工艺的溅射靶、更特别地为硅溅射靶。
背景技术
在典型的溅射工艺中，使来自溅射靶的硅原子在物理气相沉积(PVD)气氛中沉积在基板上。大部分的溅射原子如所期望地直接行进至所述基板。但是，显著部分的溅射颗粒在PVD工艺的过程中变成散射在气体中且能够沉积在腔室的各种非预期的表面(例如护罩以及靶的侧壁或凸缘)上。
沉积在溅射室的各种非期望的表面(例如护罩或者靶的侧壁和凸缘)上的所述散射的溅射颗粒在后面的溅射工艺过程中趋于积累和剥落。散射的溅射颗粒在所述靶上的沉积是特别麻烦的。举例来说，重复地加热和冷却包括在靶的侧壁上的非期望的沉积颗粒的靶使得所述颗粒的剥落甚至更为可能，或者可导致所述靶或再沉积颗粒的碎屑(chipping)或破裂。
在很多情况下，这些有害颗粒被驱使到基板。晶片上的这些颗粒可能在溅射图案中产生可导致失效电路的不均匀的溅射膜或缺陷。靶的寿命应当主要由靶厚度决定。然而，实际上，靶的寿命经常受到靶上(特别是在中心处、靠近边缘或者在侧壁部分上)的裂纹或沉积物累积的限制。
正常的硅(Si)溅射靶具有平坦的顶面和笔直的侧壁。在射频物理气相沉积(RF PVD)系统和工艺中，具有电阻率和无定形结构的再沉积的硅易于积累在所溅射的靶的表面中心和边缘区域处。这导致靶表面的碎屑或破裂并最终导致短的靶寿命。
发明内容
与之相对照，本发明的溅射靶具有增强的表面轮廓，其令人惊讶地降低了靶材料的再沉积并且抑制了靶碎屑，从而提高了靶的寿命、改善了靶的溅射性能和沉积膜的品质。
因此，在一个实施方案中，公开了具有增强的表面轮廓的溅射靶组件。所述靶组件可包含靶坯和背衬板。所述靶坯可具有至少一个厚度T1的平坦表面和厚度T2的下凹中心，其中T2可小于T1。在另一个实施方案中，所述靶坯可进一步包含围绕所述靶坯周边的厚度T3的斜切边缘。所述厚度T3可小于T1。在另一个实施方案中，所述溅射靶组件可通常为圆形的且所述第一斜切边缘可为围绕所述靶坯圆周的连续的斜切边缘。
在又一个实施方案中，所述靶坯可包含硅(Si)。所述硅靶坯可具有最高达550mm的直径且可为本征的、p-型掺杂的、或n-型掺杂的。所述硅坯可具有多晶、单晶、或半单晶结构。在又一个实施方案中，所述靶坯可包含n-型掺杂的硅或者具有n-型传导性的硅。
在另一个实施方案中，所述背衬板可由包括但不限于以下的材料制成：Al、Mo、Ti、Zr、Ta、Hf、Nb、W、Cu、它们的组合、以及它们的合金，例如Mo/Cu或Ti/Al复合物。在一个实施方案中，所述背衬板可为具有2N5或更高纯度的纯钼。在又一个实施方案中，所述靶背衬板可为具有扩散接合或涂覆至钼坯的铜的钼铜复合物。在另一个实施方案中，所述背衬板可为具有扩散接合或涂覆至钛坯的铝的钛和铝的复合物。
此外，公开了具有增强的表面轮廓的硅溅射靶的制造方法。所述方法可包括机械加工靶坯以得到经机械加工的表面，所述经机械加工的表面具有至少一个厚度T1的平坦表面和厚度T2的下凹中心，其中T2可小于T1。在另一个实施方案中，所述方法可进一步包括机械加工围绕所述靶坯周边的厚度T3的第一斜切边缘。所述厚度T3可小于T1。
在另一个实施方案中，可将所述靶坯焊料接合和/或铜焊接合至背衬板以形成靶组件。在又一个实施方案中，所述焊料可为，但不限于，铟、锡-银、层压箔和铜焊箔。
在另一个实施方案中，所述靶坯通常可为圆形的且所述第一斜切边缘可为围绕所述靶坯圆周的连续的斜切边缘。在机械加工至所需平滑度之后，可对所述经机械加工的表面进行清洗和抛光。所述靶坯可通过以下获得：从Si锭切割出硅(Si)切片，并然后如前所述地机械加工靶坯。因此，在另一个实施方案中，所述靶坯可包含硅(Si)。
附图说明
图1是本发明的靶的一个实施方案的横截面视图说明。
图1A是本发明的靶的一个实施方案的顶视图说明。
图1B是1A中所示的靶的横截面视图说明。
图1C是图1B中所示的实施方案的一部分的详细视图。
图1D是图1B中所示的实施方案的另一部分的详细视图。
图2A是现有技术的靶的横截面说明。
图2B是现有技术的靶的侵蚀轮廓的横截面说明。
图3A示出了在20kW·h后的现有技术的试验靶。
图3B示出了在178kW·h后的3A中的相同的现有技术的试验靶。
图3C示出了在201kW·h后的3A中的相同的现有技术的试验靶。
图4示出了3C中所示的在201kW·h后的现有技术的试验靶的侵蚀轮廓。
图5示出了在201kW·h后的3A中的相同的现有技术的试验靶，其中，使用所示的电子背散射衍射(EBSD)对部分该靶进行分析。
图5A示出了对于图5中所示的“E”部分的EBSD结果。
图6A是对于图5中所示的“D”部分的极像图(pole figure)。
图6B示出了对于图5中所示的“C”和“D”部分的详细极像图。
图7A示出了在201kW·h后的3A中的相同的现有技术的试验靶的说明，其中，测量所述靶的多个部分的电阻率。
图7B是电阻率测量结果的表。
图8A是用于模拟在RF PVD工艺中的在201kW·h后的3A中所示的现有技术的试验靶的性能的实验室试验的示意图。
图8B是示出了在实验室试验过程中对于现有技术的试验靶的不同部分的输入电流相对于输出电压的图。
图9示出了在对3A中所示的靶实施实验室试验后的现有技术的试验靶。
图10示出了本发明的靶的一个实施方案的颗粒性能。
具体实施方式
本发明的溅射靶组件可包含靶坯和背衬板。所述靶坯可具有至少一个厚度T1的平坦表面和厚度T2的下凹中心，其中T2小于T1。在另一个实施方案中，所述靶坯可进一步包含围绕所述靶坯周边的厚度T3的斜切边缘。所述厚度T3可小于T1。
所述靶坯可为矩形或圆形，具有相对于所述平面凹陷的厚度T2的下凹中心4。所述下凹中心4可为具有平坦底面以及通常相对于所述底面垂直的侧面的凹坑。在一个实施方案中，所述靶坯可具有矩形横截面。在另一个实施方案中，所述靶坯可为圆形的。所述靶坯可具有围绕所述靶坯的外部周边或圆周的厚度T3的第一斜切边缘。所述厚度T3可小于T1。在另一个实施方案中，所述溅射靶组件可通常为圆形的且所述第一斜切边缘可为围绕所述靶坯圆周的连续的斜切边缘。现参照图1，示出了根据本发明的靶2的一个实施方案的横截面视图说明。所述靶可为具有至少一个平的或平坦表面5的厚度T1的圆形靶。所述靶2可具有增强的表面轮廓，所述增强的表面轮廓包含厚度T2的相对于所述靶2的平坦表面5凹陷的下凹中心或“凹地(pocket)”4。所述靶2还可具有平均厚度T3的第一斜切边缘6。所述下凹中心4和第一斜切边缘6的厚度T2和T3可小于靶厚度T1，从而当在PVD系统中使用RF功率溅射所述靶时增强溅射率和降低在这些表面处的再沉积。该增强的表面轮廓可抑制或降低靶碎屑和/或破裂，由此提高靶的寿命并改善沉积膜的均匀性。
如图1A和1B中所示的，所述靶2的下凹中心4可在所述靶2的外部边缘8内形成同心圆。图1C和1D是图1B中所示的实施方案的一部分的详细视图。所述下凹中心4可为具有平坦底面以及通常相对于所述底面垂直的侧面的凹坑。任选地，所述下凹中心4可为球形形状或者如直角截头圆锥(right frustum cone)的形状。所述下凹中心4可任选地具有围绕所述下凹中心的外部周边的第二斜切边缘10。所述下凹中心或“凹地(pocket)”4的第二斜切边缘10的角度可为85°至约5°。如可在图1C中所看到的，所述下凹中心的第二斜切边缘10可具有约8°的角度。
所述边缘8可具有围绕所述靶圆周的第一斜切边缘6。如图1D中所示的，斜面无需在所述靶的整个厚度T1上延伸，但可形成经倒角的边缘。所述靶边缘8处的第一斜切边缘6的角度可为约85°至约5°。如可在图1D中所看到的，所述靶边缘8处的第一斜切边缘6可具有约10°的角度。
所述第一和第二斜切边缘6和10的长度可相同或不同。所述斜切边缘(6或10)的长度可变且可为本领域普通技术人员所预期的任何适宜长度。
在一个实施方案中，所述靶坯可具有外径OD1。在一个实施方案中，所述OD1可小于或等于550mm。所述第一斜切边缘6的斜面可自距所述圆形靶2的中心的距离D开始，并延伸至所述靶的外径OD1，而且，在所述靶的外径OD1内形成内径ID1的同心圆。ID1可等于或大于所述靶坯外径OD1的约81％至约99％。在另一个实施方案中，ID1可为所述靶坯外径OD1的约85％至约95％。在又一个实施方案中，ID1可为所述靶坯外径OD1的约88％。
所述下凹中心4可具有外径OD2。OD2可为所述靶坯直径OD1的约50％至约80％。在所述下凹中心4的外径OD2与内径ID1之间的靶的剩余区域可为平的或平坦的表面5。具有平的或平坦的表面5的靶的剩余区域可具有厚度T1。
这是与现有技术或者图2A中所示的具有在整个靶表面上均为平的平坦表面14的平坦靶12相反的。所述现有技术的靶12还具有围绕整个靶边缘的笔直的边缘16。现参照图2B，当在RF PVD工艺中进行溅射时，所述平坦靶的由虚线18示出的原始表面倾向于在磁铁20的磁极附近发生再沉积。
本公开内容不受限于某一操作理论，考虑到，相比于靶基体材料，再沉积层具有不同的结构和更高的电阻率以及不同类型的传导性(例如可在P-型靶材料上形成n-型再沉积或者与此相反)。这可导致在积累的再沉积层上产生局部性电流或能量，从而导致再沉积层和靶材料自身在溅射工艺过程中的碎屑或破裂。试验结果显示，再沉积的材料主要包含n-型硅，然而，空白靶材料主要包含p-型硅。在所述空白靶材料和所述n-型再沉积材料之间的n-型与p-型的连接也可倾向于发生碎屑或破裂。
因此，在另一个实施方案中，所述靶坯可包含硅且可为本征的、p-型掺杂的、或n-型掺杂的或者具有n-型传导性。所述硅坯可具有多晶、单晶、或半单晶结构。在又一个实施方案中，所述硅坯可由n-型掺杂的硅制成以避免在多于一种的硅类型之间形成连接，从而降低碎屑或破裂。
所述背衬板可由包括但不限于以下的材料制成：Al、Mo、Ti、Zr、Ta、Hf、Nb、W、Cu、它们的组合、以及它们的合金。背衬板材料的示例性组合包括Mo/Cu或Ti/Al复合物。在一个实施方案中，所述背衬板可为纯度2N5或更高的纯钼。在又一个实施方案中，所述背衬板坯可为具有扩散接合或涂覆至钼坯的铜的钼铜复合物。在另一个实施方案中，所述背衬板可具有扩散接合或涂覆至钛坯的铝的钛和铝的复合物。
所述靶2可具有超过现有技术的靶12的改善的靶寿命。因此，在一个实施方案中，溅射靶组件可具有超过250kW·h或超过5,000个晶片的寿命。
此外，公开了具有增强的表面轮廓的硅溅射靶的制造方法。所述方法包括机械加工靶坯以得到具有至少一个厚度T1的平坦表面和厚度T2的下凹中心的经机械加工的表面，其中T2可小于T1。在另一个实施方案中，所述方法可进一步包括机械加工围绕所述靶坯周边的厚度T3的第一斜切边缘。所述厚度T3可小于T1。
在另一个实施方案中，可将所述靶坯焊料接合和/或铜焊接合至背衬板以形成靶组件。在又一个实施方案中，所述焊料可为，但不限于，铟、锡-银、铜焊箔和层压箔。示例性的层压箔为可得自纽约尤蒂卡的Indium Corporation的
在另一个实施方案中，所述靶坯通常可为圆形的且所述边缘可为围绕所述靶坯圆周的连续的斜切边缘。在机械加工至所需平滑度后，可对所述经机械加工的表面进行清洗和抛光。所述靶坯可通过以下获得：从Si锭切割出硅(Si)切片，并然后如前所述地机械加工靶坯。因此，在另一个实施方案中，所述靶坯可包含硅(Si)。
相对于由现有技术的靶12制造的膜的约5％的膜均匀度，使用所述靶2制备的膜可具有约1～2％的膜均匀度。在本发明的一些实施方案中，所述靶2可产生具有等于或小于5个颗粒/晶片的低颗粒数的膜。所述靶2还可具有小于或等于8小时的短的烧入时间(burn-in time)。
实施例
在PVD系统中使用RF功率，对图2A中所示的平坦的现有技术的试验靶32进行溅射。图3A示出了在20kW·h后的试验靶。所述试验靶最倾向于发生再沉积的部分是中心的再沉积区域22、中心的再沉积和碎屑区域24、以及边缘的再沉积和碎屑带26。经溅射的痕迹28并不倾向于发生再沉积。图3B示出了在178kW·h后的相同的试验靶32。所述试验靶32在201kW·h后开始有碎屑或破裂30并示于图3C中。在所述试验靶32开始有碎屑后，其不再适合用在溅射工艺中，并且，将其移出以用于分析和在实验室设备中进一步试验。
测量并绘制在201kW·h后的试验靶32的厚度，从而产生图4中所示的侵蚀轮廓。在测量了所述试验靶32的厚度之后，使用电子背散射衍射(EBSD)分析所述试验靶32以确定靶材料的晶体取向。分析所述试验靶32的C、D和E部分并示于图5中。图5A中示出了E部分的详细图片。如可在图5A中所看出的，E部分中的硅具有无定形结构且不具有Kikuchi图案。然而，来自所述经溅射的痕迹区域28的C和D部分显示出晶体硅Si(100)取向，如可在图6A和6B中所看出的。
测量在201kW·h后的所述试验靶32的在图7A中所示的各部分(A-I)的电阻率。结果示于图7B中。如可在图7B中所看出的，经再沉积的区域相比于经溅射的痕迹区域具有提高的电阻率。所述电阻率可为再沉积于所述靶上的材料量的指示。
图8A是用于模拟在RF PVD工艺中的在201kW·h后的3A中所示的试验靶32的性能的实验室试验的示意图。图8A中的位点1和4位于具有p-型硅的经溅射的痕迹区域中。图8A中的位点2和3位于包含n-型硅的再沉积区域中。向位点1和4施加电流并且测量在201kW·h后的在所述试验靶32的位点2和3处的输出电压。图8B是示出了在所述实验室试验过程中所述试验靶32的输入电流相对于输出电压的图。当施加20mA时，在所述边缘的再沉积和碎屑带26处开始发生破裂34。当施加100mA时，在所述中心的再沉积和碎屑区域24中发生灾难性的破裂36(图9)。靶材料的经溅射的痕迹28保持原样且在施加100mA时不破裂。
根据本发明的一个方面，还在RF PVD工艺中对具有包括下凹中心4和第一斜切边缘6的改善的轮廓的靶2进行溅射。所述靶2拥有超过具有轮廓12的试验靶32的改善的靶寿命。所述靶具有超过250kW·h或者超过5,000个晶片的寿命。通过减少在所述靶上的再沉积材料量，可提高靶的寿命。减少再沉积材料量可降低靶中的剥落或碎屑的量，从而减少驱使到基板或晶片的颗粒量。因此，在本发明的一些实施方案中，所述靶2可产生具有等于或小于5个颗粒/晶片的低颗粒数的膜。图10示出了本发明的靶的一个实施方案的颗粒性能。
同样地，相对于由现有技术的靶12制造的膜的约5％的膜均匀度，使用本发明的靶制备的膜可展现出约1-2％的膜均匀度。相比于现有技术的靶12，本发明的靶还可具有更短的烧靶时间(burn-in time)。所述靶2的烧靶时间可小于或等于8小时。图10示出了本发明的靶的一个实施方案的颗粒性能。
本书面说明采用实施例来公开本发明(包括最佳模式)，并且还使得任何本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及实施任何所并入的方法。本发明的专利范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员所想到的其它实例。如果这样的其它实例具有无异于权利要求书的文字语言的结构要素或者如果它们包括具有并非实质性地异于权利要求书的文字语言的等价的结构要素，则这样的其它实例应在所述权利要求书的范围内。

Claims (14)

1.包含靶坯和背衬板的溅射靶组件，其中，所述靶坯具有至少一个厚度T1的平坦表面、厚度T2的下凹中心且其中T2小于T1。
2.权利要求1的溅射靶组件，其中，所述靶坯进一步包含围绕所述靶坯周边的厚度T3的第一斜切边缘，而且其中T3小于T1。
3.权利要求2的溅射靶组件，其中，所述靶组件通常为圆形的且其中所述第一斜切边缘为围绕所述靶坯圆周的连续的斜切边缘。
4.权利要求1的溅射靶组件，其中，所述靶坯包含硅(Si)。
5.权利要求1的溅射靶组件，其中，所述背衬板由选自Al、Mo、Ti、Zr、Ta、Hf、Nb、W、Cu、它们的组合、以及它们的合金的材料制成。
6.权利要求5的溅射靶组件，其中，所述背衬板为纯度等于或大于2N5的钼。
7.权利要求6的溅射靶组件，其中，所述背衬板为具有扩散接合或涂覆至所述纯钼坯的铜的钼铜复合物。
8.溅射靶的制造方法，所述方法包括机械加工靶坯以得到经机械加工的表面，所述经机械加工的表面具有至少一个厚度T1的平坦表面、厚度T2的下凹中心且其中T2小于T1。
9.权利要求8的方法，进一步包括机械加工围绕所述靶坯周边的厚度T3的第一斜切边缘，并且其中T3小于T1。
10.权利要求8的方法，进一步包括将所述靶坯焊料接合和/或铜焊接合至背衬板以形成靶组件。
11.权利要求10的方法，其中，所述焊料接合和/或铜焊接合进一步包括使用选自铟、锡-银、层压箔和铜焊箔的焊料。
12.权利要求8的方法，进一步包括抛光所述经机械加工的表面。
13.权利要求8的方法，其中，所述靶坯通常为圆形的且其中所述第一斜切边缘为围绕所述靶坯圆周的连续的斜切边缘。
14.权利要求8的方法，其中，所述靶坯包含硅(Si)。
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