CN105682856A - 经优化的纹理化表面及优化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于处理溅射目标的纹理化表面以提高沉积于其上的颗粒的粘着性及保持力的方法。首先可通过诸如珠粒喷击、喷砂、等离子体喷雾或双丝电弧喷雾(TWAS)方法的前体纹理化方法将所述目标表面纹理化。随后以冰状颗粒喷雾或喷击该由此纹理化的表面以形成经优化的纹理化表面。所述冰状颗粒可包括可升华的颗粒，诸如冻结的二氧化碳或干冰。此外，氩气可用作示例性冰状颗粒。

Description

经优化的纹理化表面及优化的方法
相关申请案的交叉参考
本申请主张2013年10月22日提交的美国临时专利申请序列号61/894,019的优先权权益。
技术领域
本发明涉及用于溅射过程(sputteringprocess)中的遮罩以及目标侧壁和凸缘，且具体涉及使遮罩以及目标侧壁和凸缘的纹理化表面优化。
背景技术
在典型的溅射过程中，将来自金属或金属合金溅射目标的金属原子在物理气相沉积(physicalvapordeposition，PVD)氛围中沉积于基板上。按需要，大多数溅射的金属原子直接移动至基板。然而，在PVD过程期间，大部分溅射颗粒在气体中变得分散，且可沉积在腔室的各个意料之外的表面，诸如遮罩及目标侧壁或凸缘上。
沉积在溅镀腔室的各个不希望表面(诸如遮罩或目标侧壁及凸缘)上的分散的溅射颗粒在随后的溅射过程中易于积聚及剥落。分散的溅射颗粒在目标上的沉积尤其麻烦。例如，反复加热和冷却目标，包括在目标侧壁上的不希望的沉积颗粒，甚至更可能呈现颗粒剥落。
在许多情况下，这些有害颗粒被推动至基板。晶片上的这些颗粒可在溅射图案中产生缺陷，由此可导致故障电路。目标寿命应主要由目标厚度决定。然而，实际上目标寿命常常受沉积物在目标上的堆积限制，尤其是在侧壁部分上的堆积。
可使一部分目标外伸出侧壁表面以抑制分散颗粒在侧壁上沉积。任选地，遮罩或部分目标表面，诸如侧壁和凸缘可经纹理化。基本策略为简单调节表面的几何形状以仅提供用于应力在纹理化的表面上的任何所沉积的材料中积聚的短距离。
纹理化方法包括珠粒喷击(blasting)或喷砂。然而，这些喷击处理过程导致喷击材料嵌入待纹理化的表面中。由于颗粒产生中的热循环，嵌入的材料可被释放进处理腔室中，导致不良的性能。
改良的纹理化方法包括等离子体喷雾或双丝电弧喷雾(twin-wire-arcspraying，TWAS，或“电弧喷雾”)。在电弧喷雾及等离子体喷雾中，将金属涂料喷雾到目标表面上以更多地增加侧壁的粗糙度。在TWAS过程中，将具有相反电荷的两根电线(wire)馈送通过机动枪。在电线馈送通过枪时，它们几乎接触而产生电弧。馈送压缩气体通过电弧后的孔口，使金属雾化并将其推至待涂布的表面上。经电弧喷雾的表面提供大的表面积，由此限制应力积聚在应力敏感性沉积层(诸如氮化钛或氮化钼及其它应力敏感性膜)中。TWAS或等离子体喷雾可使用任何金属来涂布目标表面，但是铝是典型优选的，这归因于它的热膨胀系数，其具有良好的粘着强度，并且其产生粗糙表面。由于沉积层或膜为不连续的，故它们以与电弧喷雾铝大致相同的速率膨胀及收缩。这帮助在目标偏转期间减少颗粒剥落及不希望颗粒的产生，同时处理晶片。然而，电弧喷雾可导致表面金属涂层的不一致粗糙度。由于所述不一致粗糙度，涂层材料可因处理腔室中的应力或热循环而从原始的目标表面脱离。另外，电弧喷雾过程可截留污染物，其减小沉积颗粒的粘着性或产生过于不牢固而无法支撑沉积颗粒的悬臂式结构。
这些遮罩及目标的变化是为了改善目标的性能，同时抑制不希望的沉积颗粒在目标上的积聚且改善不希望的沉积颗粒在目标上的保持(保持力)(retention)，从而增加目标的使用寿命。所述变化提供纹理化表面，但未完全解决颗粒产生问题。在整个目标使用寿命期间，不希望的沉积物仍旧必定会粘着至目标。
发明内容
出人意料发现纹理化目标表面可优化以改善沉积颗粒的粘着性及保持力。因此，公开了用于使纹理化目标表面优化的方法。所述方法可用于已使用任何方法而被纹理化的目标表面，包括但不限于上文所描述的珠粒喷击(beadblasting)、喷砂、等离子体喷雾或双丝电弧喷雾(TWAS)方法。在一个实施方案中，该方法可包括用冰状颗粒喷射或喷击经纹理化表面以形成经优化的纹理化表面。所述冰状颗粒可为可升华的颗粒，诸如冻结的二氧化碳或干冰。在另一实施方案中，所述冰状颗粒可为氩气。在又一实施方案中，纹理化表面可使用颗粒喷击装置，以冰状颗粒喷击。所述冰状颗粒可夹带在诸如氮气或空气的载气中。在另一实施方案中，该方法可包括减少存在于纹理化表面中的任何悬臂式结构(cantileveredstructure)的量以形成经优化的纹理化表面。
在另一实施方案中，公开一种经优化的纹理化表面，其中使用了包括以冰状颗粒喷击纹理化表面以形成经优化的纹理化表面的方法来使该纹理化表面优化。纹理化表面可使用至少一种选自以下的方法进行纹理化：珠粒喷击、喷砂、等离子体喷雾、双丝电弧喷雾(TWAS)及其组合。在另一实施方案中，纹理化表面可包含铝、铝合金和/或其组合。
在本发明的另一实施方案中，公开一种目标组件，其包括具有至少一个具有经优化的纹理化表面的侧壁和/或凸缘的溅射目标。该侧壁和/或凸缘可使用包括以冰状颗粒喷击纹理化表面以形成经优化的纹理化表面的方法进行优化。该纹理化表面可使用至少一种选自以下的方法进行纹理化：珠粒喷击、喷砂、等离子体喷雾、双丝电弧喷雾(TWAS)及其组合。纹理化表面可包含铝、铝合金和/或其组合。在另一实施方案中，可减少存在于纹理化表面中的任何悬臂式结构的量以形成经优化的纹理化表面。
根据本发明以下实施方案的说明，本发明的优势对于本领域技术人员将变得更显而易见，所述实施方案借助于说明来展示和描述。如将认识到的，本发明能够存在其他及不同实施方案，且本发明细节能够在各方面进行修改。
附图简述
图1为用于测试对比例“样品A”与本发明的说明性实施例“样品B”的过程的流程图。
图2为样品A与样品B的能量色散X射线(energydispersiveX-ray，EDAX)分析及比较。
图3示出了在扫描电子显微镜(SEM)下获得的样品A的多个图像。
图4是除了在扫描电子显微镜(SEM)下获得的样品B的多个图像。
图5为样品A与样品B的孔区域的SEM比较。
实施方式
本发明的经优化的纹理化表面及方法可用于在溅射腔室内的任何纹理化表面。这样的表面包括，但不限于，遮罩及目标侧壁或凸缘。所述表面可使用任何方法，诸如珠粒喷击、喷砂、等离子体喷雾、电弧喷雾或双丝电弧喷雾(TWAS)进行纹理化。所述纹理化方法为本领域技术人员所熟知的且为简洁起见而不包括在本文内。
纹理化表面可为例如由A1或Cu或其合金构成的电弧喷雾的表面。纹理化表面也可由珠粒喷击、滚纹法、蚀刻、机械加工或其他常规方法提供。另外，可使用发泡金属。这些材料本身因其特有性质而具有纹理化表面。发泡Al、Ni及Cu金属为市售的。
纹理化表面典型地具有不一致粗糙度和从纹理化表面突出的悬臂式结构，如毛状物或晶须。这些悬臂式结构可捕捉灰尘或其它污染物，且在溅射期间可能会落在晶片表面而污染晶片表面。悬臂式结构常常过于不牢固而无法固持在溅射期间沉积于其上的颗粒。随着悬臂式结构上沉积的颗粒的质量增加，结构上的应力也增加。最终，悬臂式结构可能会断裂而污染晶片表面。
可通过移除悬臂式结构及其它表面污染物，从而留下仍具有大的表面积以限制应力积聚在任何所沉积的材料中的清洁表面来使纹理化表面优化。所公开的方法在不干扰整体粗糙度的情况下移除纹理化表面的尖锐及突出特征，以使得经优化的纹理化表面仍具有供沉积颗粒粘着的表面积。所公开的方法也可提供测试以确保电弧喷雾表面完全粘着至基板。将不良粘着的电弧喷雾表面移除也帮助在PDV过程中减少不希望的颗粒产生。在优化之后，纹理化表面具有更少的不牢固的悬臂式结构和更好的表面清洁度供膜粘着。在溅射过程中，沉积在经优化的纹理化表面上的诸如氮化物和硅化物(包括氮化钛、氮化钽、硅化钽、硅化钨等)的脆性材料将更好地粘着至结构更坚固的基底。这导致在PVD溅射腔室中减少不希望的颗粒产生的量的遮罩及目标物。
纹理化表面通过用固体颗粒或冰状颗粒喷击进行优化，此将不残留诸如冻结水的干燥残留物。在一个实施方案中，冰状颗粒可以是可升华的固体颗粒，诸如冻结的二氧化碳或冻结的氩气。可升华的固体颗粒具有的优势在于，其从固体融化成气体，而不会在纹理化表面上形成液体。在纹理化表面上喷击冰状颗粒以从纹理化表面以物理方式移除悬臂式结构、松散材料及污染物。在喷击纹理化表面之后，任何嵌入其中的冰状颗粒均将熔化，或在可升华的固体颗粒情况下蒸发。
冰状颗粒可使用被设置用于颗粒喷击或颗粒喷击清洁的任何设备或装置来喷击。所述装置可为市售的干冰清洁机。以下段落中仅通过说明提供所这样的装置的简化描述，并提供这样的装置的一般理解。颗粒喷击装置的差异不影响本发明的范围。关于颗粒喷击装置的更多信息可见于2005年5月10日授权的标题为DRY-ICEBLASTDEVICE的美国专利6,890,246及2012年10月2日授权的标题为PARTICLEBLASTCLEANINGAPPARATUSWITHPRESSURIZEDCONTAINER的美国专利8,277,288中。两项专利均以引用的方式并入本文中。
颗粒喷击装置(未示出)可包含容器、馈送组件、驱动组件及出射口组件(exitportassembly)。该容器被设置成接收并保持用于喷击或清洁表面(包括上文所描述的纹理化表面)的固体颗粒，诸如二氧化碳冰状颗粒。该容器可为密封或加压的。该容器还被设置成将冰状颗粒从容器下端转移至馈送组件。馈送组件被设置成将冰状颗粒传送至出射口组件。馈送组件可具有在朝向出射口组件的方向上旋转以将冰状颗粒推向出射口组件的螺旋杆。出射口组件被设置成从该设备排出冰状颗粒。出射口组件可包括附接至用于引导及控制冰状颗粒流动的杆(wand)的喷嘴。喷嘴的差异不影响本发明的范围。关于用于颗粒喷击装置的喷嘴的更多信息可见于2008年10月28日授权的标题为NOZZLEFORSPRAYINGSUBLIMABLESOLIDPARTICLESENTRAINEDINGASFORCLEANINGSURFACE的美国专利7,442,112及2010年7月27日授权的标题为NOZZLEFORSPRAYINGSUBLIMABLESOLDPARTICLESENTRAINEDINGASFORCLEANINGSURFACE的美国专利7,762,869中。两项专利均以引用的方式并入本文中。冰状颗粒的流动或喷雾可通过在载气中夹带冰状颗粒来促进或控制。载气可为氮气(N2)或清洁、干燥空气。载气可从在任何适合的位置处以流体方式连接至颗粒喷击设备的供给源馈送。虽然并非必要，但典型地将载气引入出射口组件。
可使用喷嘴将冰状颗粒喷击至遮罩或目标侧壁及凸缘的纹理化表面上。冰状颗粒可以足以研磨纹理化表面中的悬臂式结构及其它污染物的动量进行喷击。冰状颗粒的流量可在喷嘴中建立，同时，使所述杆及附接的喷嘴瞄准远离目标组件之处。一旦颗粒的稳定流移动通过喷嘴，即可使所述杆以大致70°的角度瞄准纹理化表面且左右摆动。目标组件可置放于自动旋转台或盘上且以约1rpm连续旋转。目标组件在旋转台上可经历两次完全旋转，同时，喷嘴瞄准目标组件的纹理化表面。若纹理化表面具有底切、垂直部分(verticalsection)，则可采用以不同喷嘴进行的两次或两次以上的额外旋转。底切垂直部分可用具有圆形末端和较低馈送速率的喷嘴进行清洁。喷击产生具有更少不牢固的悬臂式结构和供膜粘着的更好的表面清洁度的经优化的纹理化表面。在以冰状颗粒喷击目标组件之后，可通过在去离子水中进行超声波清洁来精修(finish)该目标组件。
除上文所描述者之外，若干过程参数也可改变。所述参数包括，但不限于喷嘴类型及馈送速率和/或颗粒馈送速率及喷击压力和/或载气压力。所述过程参数的最佳值可取决于纹理化表面和/或颗粒喷击装置。馈送速率可在约0.0kg/min至约2.0kg/min的范围内。在另一实施方案中，馈送速率可在0.1kg/min至约1.0kg/min的范围内。在另一实施方案中，馈送速率可为0.18kg/min。喷击压力可随载气的压力而变化。该空气压力可在约50psi至约250psi的范围内。在另一实施方案中，该空气压力可在约75psi至约150psi的范围内。在又一实施方案中，该空气压力可为约110psi。在另一实施方案中，空气和/或喷击压力可在约0至约140psi的范围内。适合的喷嘴包括，但不限于，扇形喷嘴、分段喷嘴(fragmentingnozzle)或多膨胀斜面喷嘴(multipleexpansionrampnozzle，MERN)。喷嘴的体积容量可在约20cfm至60cfm的范围内。在一个实施方案中，该容量可在25cfm至约50cfm的范围内。或者，喷嘴的体积容量可为约25cfm。
据此，公开用于使纹理化目标表面优化的方法。所述方法可用于已使用任何方法经纹理化的目标表面，包括，但不限于上文所描述的珠粒喷击、喷砂、等离子体喷雾或双丝电弧喷雾(TWAS)方法。在表面经纹理化之后，可调节目标组件以移除垫板(packingplate)和/或其他目标组件表面上的任何氧化物或污点。在一个实施方案中，该方法可包括以冰状颗粒喷雾或喷击纹理化表面以形成经优化的纹理化表面。所述冰状颗粒可以是可升华的颗粒，诸如冻结的二氧化碳或干冰。在另一实施方案中，所述冰状颗粒可为氩气。在另一实施方案中，纹理化表面可使用颗粒喷击装置，以冰状颗粒进行喷击。所述冰状颗粒可夹带在诸如氮气或空气的载气中。在另一实施方案中，该方法可包括减少存在于纹理化表面中的任何悬臂式结构的量以形成经优化的纹理化表面。
在另一实施方案中，公开一种经优化的纹理化表面，其中使用包括以冰状颗粒喷击纹理化表面以形成经优化的纹理化表面的方法来使纹理化表面优化。纹理化表面可使用至少一种选自以下的方法进行纹理化：珠粒喷击、喷砂、等离子体喷雾、双丝电弧喷雾(TWAS)及其组合。在又一实施方案中，纹理化表面可包含铝、铝合金和/或其组合。
在本发明的另一实施方案中，公开一种目标组件，其包括具有至少一个含经优化的纹理化表面的侧壁和/或凸缘的溅射目标。侧壁和/或凸缘可使用包括以冰状颗粒喷击纹理化表面以形成经优化的纹理化表面的方法进行优化。纹理化表面可使用至少一种选自以下的方法进行纹理化：珠粒喷击、喷砂、等离子体喷雾、双丝电弧喷雾(TWAS)及其组合。纹理化表面可包含铝、铝合金和/或其组合。在又一实施方案中，减少存在于纹理化表面中的任何悬臂式结构的量以形成经优化的纹理化表面。
实施例
转向图1，其显示被称为样品A及样品B的试样(testcoupons)。该试样用于辅助测试及分析。虽然样品A及样品B为试样，但在本发明中可使用任何纹理化表面，包括遮罩以及目标侧壁及凸缘。样品A及样品B均使用喷砂和电弧喷雾进行纹理化。
使用购自ColdJetLLC(Loveland，OH)的i3MicroCleanTM喷击设备，以干冰颗粒喷击样品B的纹理化表面。当使用MicroCleanTM喷击设备及类似装置时，可改变喷击过程的各种参数，诸如喷嘴类型、喷击颗粒馈送速率及喷击压力。使用的喷嘴为25cfm(0.7m3/min)扇形喷嘴(型号MC35)。可调整的参数包括馈送速率及空气压力。馈送速率为0.18kg/min且空气压力为110psi。样品A不接受优化处理。
样品A及样品B的表面粗糙度(Ra)使用表面光度仪(profilometer)量测。样品A的表面粗糙度为565μin。在干冰喷击之后，样品B的表面粗糙度为481μin。随后使用能量色散X射线(EDAX)分析法及扫描电子显微镜(SEM)分析样品。
样品A及样品B的EDAX结果及比较显示于图2中。样品A及样品B的表面组成也显示于图2中。图3显示了在扫描电子显微镜(SEM)下获取的样品A的多个图像。图3中圈出的区域显示了可在溅射过程中收集污染物和/或断裂物(break-off)的悬臂式结构。图4显示了在扫描电子显微镜(SEM)下获取的样品B的多个图像。悬臂式结构及其它可能的污染物已从样品B的经优化的纹理化表面移除。图5为样品A与样品B的孔区域的SEM比较。
虽然已结合上文所描述的各种示例性实施方案及实施例对本发明进行了描述，但显然许多替代物、组合、修改及变更对于本领域技术人员是明显的。因此，上文阐述的本发明的示例性实施方案意欲为说明性而非限制性的。在不背离本发明的精神和范围的情况下，可作出各种变化。

Claims (14)

1.一种使纹理化表面优化的方法，该方法包括以冰状颗粒喷击该纹理化表面以形成经优化的纹理化表面。
2.如权利要求1的方法，其中所述冰状颗粒为可升华的二氧化碳或氩气颗粒。
3.如权利要求1的方法，其中所述纹理化表面使用至少一种选自以下的方法进行了纹理化：珠粒喷击、喷砂、等离子体喷雾、双丝电弧喷雾(TWAS)、及其组合。
4.如权利要求1的方法，其中所述纹理化表面使用颗粒喷击装置，以冰状颗粒进行喷击。
5.如权利要求4的方法，其中所述冰状颗粒夹带在载气中。
6.如权利要求5的方法，其中所述载气为氮气或空气。
7.如权利要求1的方法，其中该方法包括减少存在于所述纹理化表面中的任何悬臂式结构的量。
8.一种经优化的纹理化表面，其使用包括以冰状颗粒喷击纹理化表面以形成所述经优化的纹理化表面的方法进行优化。
9.如权利要求8的经优化的纹理化表面，其中所述纹理化表面使用至少一种选自以下的方法进行了纹理化：珠粒喷击、喷砂、等离子体喷雾、双丝电弧喷雾(TWAS)、及其组合。
10.如权利要求9的经优化的纹理化表面，其中所述纹理化表面包含铝、铝合金、和/或其组合。
11.一种目标组件，其包括具有至少一个侧壁和/或凸缘的溅射目标，其中所述侧壁和/或凸缘具有经优化的纹理化表面，所述经优化的纹理化表面使用包括以冰状颗粒喷击至少一个纹理化表面以形成所述经优化的纹理化表面的方法进行优化。
12.如权利要求11的目标组件，其中所述纹理化表面使用至少一种选自以下的方法进行了纹理化：珠粒喷击、喷砂、等离子体喷雾、双丝电弧喷雾(TWAS)、及其组合。
13.如权利要求12的目标组件，其中所述纹理化表面包含铝、铝合金、和/或其组合。
14.如权利要求11的目标组件，其中使存在于所述纹理化表面中的任何悬臂式结构的量减少以形成所述经优化的纹理化表面。
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