CN105734511A

CN105734511A - 降低磁控溅射设备沉积速率的方法及磁控溅射设备

Info

Publication number: CN105734511A
Application number: CN201410757732.5A
Authority: CN
Inventors: 宿晓敖; 赵可可; 边国栋
Original assignee: Beijing North Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Beijing NMC Co Ltd; Beijing North Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2014-12-10
Filing date: 2014-12-10
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2034-12-10
Also published as: CN105734511B

Abstract

本发明提供一种降低磁控溅射设备沉积速率的方法及磁控溅射设备。该磁控溅射设备包括靶材、磁控管和功率源，功率源为靶材提供电能，磁控管扫描靶材的表面，通过降低功率源的功率的同时，提高磁控管的功率密度的方式降低薄膜沉积速率。本发明提供的降低磁控溅射设备沉积速率的方法，可以降低薄膜的沉积速率，适于制作厚度较薄的薄膜，而且可以提高靶材的利用率。

Description

降低磁控溅射设备沉积速率的方法及磁控溅射设备

技术领域

本发明属于磁控溅射领域，涉及一种降低磁控溅射设备沉积速率的方法及磁控溅射设备。

背景技术

磁控溅射是利用电子在电场的作用下向靶材移动过程中，与氩原子发生碰撞，使其电离产生Ar⁺离子和新的电子，Ar⁺离子在电场作用下加速飞向靶材，并以高能量轰击靶材表面，靶材被溅射出来，其中，被溅射出的中性靶原子或分子沉积在基片的表面。溅射过程中产生的二次电子受电场和磁场的共同作用而被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，并且在该区域又电离出大量的Ar⁺，这些Ar⁺离子又进一步轰击靶材表面，使其不断地被溅射下来，并沉积在基片的表面形成薄膜。

随着磁控溅射应用领域的扩大，对薄膜厚度的要求也呈现多样化，厚度从几纳米到几十微米，甚至要求范围更宽。采用现有工业用磁控溅射设备沉积厚度为几十纳米以下的薄膜，无法保证其工艺和性能要求。例如，沉积厚度20nm～30nm的铜薄膜，大约需要3～4s时间完成整个工艺，即沉积速率为8nm/s左右。然而，磁控管完成一次扫描至少需要5s。也就是说，在一个工艺时间内，部分靶材还未进行溅射，薄膜已经达到所需的厚度，工艺结束。因此，需要降低磁控溅射设备的沉积速率。

图1a为改进后工业用磁控溅射设备的结构简图；图1b为准直器的平面示意图。结合图1a和1b所示，在靶材1与基片3之间设置准直器2，同时提高DC功率源4的功率，借助准直器2过滤一部分铜原子和铜离子，以降低薄膜的沉积速率。但是，在实施工艺过程中，准直器2表面会沉积厚厚的铜薄膜，这不仅造成了靶材的浪费，增加了成本；而且，需要定期清洗准直器2，这又降低了磁控溅射设备的使用率。此外，准直器2对安装精度要求较高，稍有偏差就会影响薄膜的均匀性。

为此，需要对磁控溅射设备和/或工艺进行改进，以适应工业生产对薄膜不同厚度的要求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种降低磁控溅射设备沉积速率的方法及磁控溅射设备，其不仅可以降低沉积速率，而且可以提高靶材的利用率。

解决上述技术问题的所采用的技术方案是提供一种降低磁控溅射设备沉积速率的方法，所述磁控溅射设备包括靶材、磁控管和功率源，所述功率源为所述靶材提供电能，所述磁控管扫描所述靶材的表面，其特征在于，通过降低功率源的功率的同时，提高所述磁控管的功率密度的方式降低薄膜沉积速率。

其中，所述功率源的功率为15kW～25kW。

其中，通过减小所述磁控管尺寸的方式提高所述磁控管的功率密度。

其中，所述磁控管的功率密度高于8.5W/mm²。

其中，所述功率源采用直流功率源。

其中，所述薄膜沉积速率为3nm/s。

其中，所述方法适用于45nm以下工艺。

作为另外一个技术方案，本发明还提供一种磁控溅射设备，包括靶材、磁控管和功率源，所述功率源为所述靶材提供电能，所述磁控管扫描所述靶材的表面，通过降低功率源的功率的同时，提高所述磁控管的功率密度的方式降低薄膜沉积速率。

其中，所述功率源的功率为15kW～25kW。

其中，所述磁控管包括法兰、中心磁铁和多个边缘磁铁，所述中心磁铁固定于所述法兰的中心位置，所述多个边缘磁铁对称排列于所述中心磁铁的周围并固定于法兰；所述法兰的内径和外径分别为60～70mm和90～110mm，所述中心磁铁的直径为30～38mm，所述边缘磁铁的直径为11～19mm。

其中，所述边缘磁铁的数量为13～18个。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的降低磁控溅射设备沉积速率的方法是通过降低功率源的功率的同时，提高磁控管的功率密度，以降低薄膜沉积速率，而且，以磁控管的功率密度是通过减小磁控管尺寸的方式来提高。虽然降低功率源的功率可以降低薄膜的沉积速率，然而，降低功率源的功率又会使靶材的离化率降低，这将影响薄膜的质量。实际上，优选地方案是降低功率源的功率的同时，提高靶材的离化率。本发明是通过提高磁控管的功率密度的方式来提高离化率，靶材的离化率提高，可以使更多的靶材被溅射下来，但同时也可使更多的靶材离子作用于基片表面，起到刻蚀薄膜的作用，即已经沉积于基片表面的靶材被再次溅射下来，落到腔室的侧壁，减薄了薄膜的厚度，从而变相地降低了薄膜的沉积速率，进而实现了降低薄膜厚度的目的。而且，该降低磁控溅射设备沉积速率的方法不再设置准直器，因此，减少了清洗、保养准直器的时间和成本，同时提高了靶材的利用率，降低了材料成本，以及提高了磁控溅射设备的利用率。

本发明提供的磁控溅射设备，可降低薄膜的沉积速率，而且，不再设置准直器，减少了清洗、保养准直器的时间和成本，同时提高了靶材的利用率，降低了材料成本，以及提高了磁控溅射设备的利用率。

附图说明

图1a为改进后工业用磁控溅射设备的结构简图；

图1b为准直器的平面示意图；

图2为本发明实施例磁控溅射设备的结构示意图；

图3为本发明实施例磁控管的结构示意图；

图4为本发明实施例磁控管的三维磁场分布图；

图5a为采用现有磁控管填洞试验后基片的截面形貌图。

图5b为采用本发明实施例提供的磁控管填洞试验后基片的截面形貌图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的降低磁控溅射设备沉积速率的方法及磁控溅射设备进行详细描述。

本发明是针对目前工业用磁控溅射设备提出的一种改进方案，用以制备厚度为几十纳米以下的薄膜。

如图2所示，磁控溅射设备包括腔体21、靶材22、基片台23、磁控管24以及功率源25，其中，靶材22和基片台23分别固定于腔体21的顶端和底端且相对设置。磁控管24设于靶材22的上方，磁控管24在驱动装置(图中未示出)的驱动下扫描靶材22的表面。功率源25采用直流功率源，为靶材22提供电能。

图3为本发明实施例提供的磁控管的结构示意图。如图3所示，磁控管包括法兰31、中心磁铁32和多个边缘磁铁33，其中，中心磁铁32固定于法兰31的中心位置，如将中心磁铁32固定于法兰31的对称中心。多个边缘磁铁33固定于法兰31，并对称排列于中心磁铁32的周围，即将多个边缘磁铁33沿中心磁铁32对称排列。边缘磁铁33的数量可以为13～18个。在本实施例中，边缘磁铁33的数量为13个。

下面以沉积铜薄膜为例，介绍本发明降低磁控溅射设备沉积速率的方法。不难理解，铜薄膜需要铜靶材。

本实施例首先是通过降低功率源的功率的方式来降低薄膜的沉积速率，即，将功率源的功率由传统的38kW降低至15kW～25kW。然而，功率源的功率的降低，会导致离化率的降低，而且，离化率的降低幅度与功率源功率的降低幅度并不是等比例的，无法满足降低薄膜沉积速率的要求。因此，为了满足工艺的要求，在降低功率源的功率的同时，还需要改进磁控管，以保持或提高靶材的离化率。

本实施例是通过提高磁控管功率密度的方式来提高靶材的离化率。功率密度是指在磁控管的有效面积区域，施加在单位面积上的功率大小。靶材的离化率的提高，可以加大刻蚀能力，使更多的铜离子作用在基片表面，对已经沉积在基片表面的铜薄膜进行刻蚀，实现沉积和刻蚀同时进行，从而降低薄膜的沉积速率。

本发明是通过减小磁控管尺寸的方式来提高功率管的功率密度。参照附图3，磁控管的尺寸设计为：法兰31的内径和外径分别为60～70mm和90～110mm，中心磁铁32的直径为30～38mm，边缘磁铁33的直径为11～19mm。该磁控管的三维磁场发布如图4所示，由图4可知，该磁控管的磁场密度能够满足本发明对磁控管的使用要求。该磁控管的功率密度可以达到8.6W/mm²，远高于现有最大功率密度7.6W/mm²。

图5a、图5b分别为采用现有磁控管和本发明实施例提供的磁控管在填洞试验后基片的截面形貌图。从图5a可清晰地看到洞口出现封口现象，这是由于缺少铜离子，无法刻蚀洞口多余的铜薄膜，形成了Overhang现象。如图5b所示，使用本发明提供的磁控管制作薄膜时，洞口没有封口现象。这正是由于铜离子的浓度较高，在制作铜薄膜时，铜离子起到很好的刻蚀作用。

本发明提供的降低磁控溅射设备沉积速率的方法适用于45nm以下工艺。利用本发明提供的磁控管扫描靶材，薄膜的沉积速率可以降低至3nm/s，完全能够满足制作厚度为几十纳米(如32nm～45nm)薄膜的制程需求。

本实施例提供的降低磁控溅射设备沉积速率的方法是通过降低功率源的功率的同时，提高所述磁控管的功率密度，以降低薄膜沉积速率，而且，磁控管的功率密度是通过减小磁控管尺寸的方式来提高。虽然降低功率源的功率可以降低薄膜的沉积速率，然而，降低功率源的功率又会使靶材的离化率降低，这将影响薄膜的质量。实际上，优选地方案是降低功率源的功率的同时，提高靶材的离化率。本发明是通过提高磁控管的功率密度的方式来提高离化率，靶材的离化率提高，可以使更多的靶材被溅射下来，但同时也可使更多的靶材离子作用于基片表面，起到刻蚀薄膜的作用，即已经沉积于基片表面的靶材被再次溅射下来，落到腔室的侧壁，减薄了薄膜的厚度，从而变相地降低了薄膜的沉积速率，进而实现了降低薄膜厚度的目的。而且，该降低磁控溅射设备沉积速率的方法不再设置准直器，因此，减少了清洗、保养准直器的时间和成本，同时提高了靶材的利用率，降低了材料成本，以及提高了磁控溅射设备的利用率。

本发明提供的磁控溅射设备，通过降低功率源的功率的同时，提高所述磁控管的功率密度的方式降低薄膜沉积速率，提高磁控管的功率密度可提高靶材的离化率，更多的靶材被溅射下来，同时也使更多的靶材离子作用于基片表面，使先期沉积于基片表面的靶材被再次溅射下来，起到刻蚀薄膜的作用，减薄了薄膜的厚度，从而变相地降低了薄膜的沉积速率，进而实现了降低薄膜厚度的目的。另外，该磁控溅射设备不再设置准直器，因此，减少了清洗、保养准直器的时间和成本，同时提高了靶材的利用率，降低了材料成本，以及提高了磁控溅射设备的利用率。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种降低磁控溅射设备沉积速率的方法，所述磁控溅射设备包括靶材、磁控管和功率源，所述功率源为所述靶材提供电能，所述磁控管扫描所述靶材的表面，其特征在于，通过降低功率源的功率的同时，提高所述磁控管的功率密度的方式降低薄膜沉积速率。

2.根据权利要求1所述的降低磁控溅射设备沉积速率的方法，其特征在于，所述功率源的功率为15kW～25kW。

3.根据权利要求1所述的降低磁控溅射设备沉积速率的方法，其特征在于，通过减小所述磁控管尺寸的方式提高所述磁控管的功率密度。

4.根据权利要求3所述的降低磁控溅射设备沉积速率的方法，其特征在于，所述磁控管的功率密度高于8.5W/mm²。

5.根据权利要求1所述的降低磁控溅射设备沉积速率的方法，其特征在于，所述功率源采用直流功率源。

6.根据权利要求1-5任一项所述的降低磁控溅射设备沉积速率的方法，其特征在于，所述薄膜沉积速率为3nm/s。

7.根据权利要求1所述的降低磁控溅射设备沉积速率的方法，其特征在于，所述方法适用于45nm以下工艺。

8.一种磁控溅射设备，包括靶材、磁控管和功率源，所述功率源为所述靶材提供电能，所述磁控管扫描所述靶材的表面，其特征在于，通过降低功率源的功率的同时，提高所述磁控管的功率密度的方式降低薄膜沉积速率。

9.根据权利要求8所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述功率源的功率为15kW～25kW。

10.根据权利要求8所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述磁控管包括法兰、中心磁铁和多个边缘磁铁，所述中心磁铁固定于所述法兰的中心位置，所述多个边缘磁铁对称排列于所述中心磁铁的周围并固定于法兰；

所述法兰的内径和外径分别为60～70mm和90～110mm，所述中心磁铁的直径为30～38mm，所述边缘磁铁的直径为11～19mm。

11.根据权利要求10所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述边缘磁铁的数量为13～18个。