CN113316660B - 物理气相沉积装置 - Google Patents

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Abstract

提供用于物理气相沉积的方法及装置。举例而言，所述装置包括PVD装置，所述PVD装置包括：腔室，所述腔室包括腔室壁；磁控管，所述磁控管包括多个磁体，所述多个磁体配置成在腔室内产生磁场；底座，所述底座配置成支撑基板；以及靶组件，包括由金制成的靶，并且经由耦合至靶的背表面的背板支撑在腔室壁上，以使得靶的前表面面向基板，其中背板的凹槽中所形成的背表面与多个磁体的底表面之间的距离为约3.95mm至约4.45mm，并且其中靶的前表面与基板的前表面之间的距离为约60.25mm至约60.75mm。

Description

物理气相沉积装置
技术领域
本公开内容的实施例总体上涉及基板处理装备和技术，并且更特定而言，涉及用于经由物理气相沉积沉积材料的方法和装置。
背景技术
发明人已提供用于经由物理气相沉积(PVD)沉积材料的方法和装置。更特定而言，发明人已提供使用由金(Au)制成的靶材料的PVD装置。使用Au作为靶材料而非其他靶材料(例如，铜、钨等等)的优点可包括例如靶沉积均匀性，诸如当用于重新分布层、引线键合及凸点应用时。
各种因素可影响Au靶沉积的均匀性。举例而言，在PVD期间Au靶的侵蚀轮廓、Au靶的晶体纹理、基板与Au靶的距离、PVD期间的气体散射因素、执行PVD所使用的功率(千瓦-小时)、Au靶的厚度(例如，通常以微米或1微米沉积的数量来测量)、Au靶的几何形状、PVD装置的磁体设计、磁体与Au靶的距离等等。
发明人已经发现除了确定沉积均匀性为重要因素之外，Au靶的侵蚀轮廓也可影响Au靶的寿命。
因此，当与使用其他靶材料比较时，使用Au作为靶材料的花费可为相当高的，所以发明人已提供在PVD期间使用Au作为靶材料的改良的方法及装置。
发明内容
此处提供用于执行PVD的方法及装置。在一些实施例中，一种装置包括：腔室，所述腔室包括腔室壁；磁控管，所述磁控管包括多个磁体，所述多个磁体配置成在腔室内产生磁场；底座，所述底座配置成支撑基板；以及靶组件，所述靶组件包括由金制成的靶，并且经由耦合至靶的背表面的背板支撑在腔室壁上，使得靶的前表面面向基板，其中背板的背表面与多个磁体的底表面之间的距离为约3.95mm至约4.45mm，且其中靶的前表面与基板的前表面之间的距离为约60.25mm至约60.75mm。
根据本公开内容的实施例，提供一种与物理气相沉积(PVD)装置一起使用的靶组件。靶组件可包括：靶，所述靶由金制成，且经由耦合至靶的背表面的背板支撑在腔室壁上，使得当靶组件耦合至PVD装置时，靶的前表面面向基板，其中靶具有从靶的周围侧壁的上部角落测量且为约448.64mm的第一直径，及从周围侧壁的下部角落测量且为约443.73mm的第二直径。
根据本公开内容的实施例，提供一种使用物理气相沉积(PVD)装置在基板上执行物理气相沉积的方法。方法可包括：经由耦合至靶的背表面的背板将由金制成的靶支撑在PVD装置的腔室的腔室壁上，使得靶的前表面面向所述基板；将背板的背表面与PVD装置的多个磁体的底表面之间的距离维持在约3.95mm至约4.45mm；将靶的前表面与基板的前表面之间的距离维持在约60.25mm至约60.75mm；以及在基板上执行PVD。
以下说明本公开内容的其他及进一步实施例。
附图说明
以上简要概述且以下将更详细讨论的本公开内容的实施例，可通过参考描绘于附图中的本公开内容的说明性实施例而理解。然而，附图仅示出本公开内容的通常实施例，且因此不应考虑为范围的限制，因为本公开内容认可其他同等效果的实施例。
图1A为根据本公开内容的至少一些实施例的PVD装置的图。
图1B为根据本公开内容的至少一些实施例的图1A的细节1B的放大的指示区域。
图2为根据本公开内容的至少一些实施例与图1A的PVD一起使用的包括耦合至背板的靶的装置的等距视图。
图3为根据本公开内容的至少一些实施例的靶及背板的顶部平面视图。
图4A为根据本公开内容的至少一些实施例的沿着图3的线4A-4A截取的剖面视图。
图4B为根据本公开内容的至少一些实施例的图4A的细节4B的放大的指示区域。
图5为根据本公开内容的至少一些实施例的使用图1A的PVD装置执行PVD的方法的流程图。
为了促进理解，已尽可能地使用相同的附图标记代表附图中共用的相同元件。附图并非按照比例绘制，且可为了清楚而简化。一个实施例的元件及特征可有益地并入其他实施例中而无须进一步说明。
具体实施方式
此处说明用于执行PVD的方法及装置的实施例。更特定来说，此处所述的方法及装置包括耦合至背板的Au靶，且Au靶及背板的侵蚀轮廓被考虑用于改善沉积均匀性及Au靶的寿命。此外，当与使用Au靶的常规PVD装置相比较，此处所述的用于执行PVD的方法及装置：相对非昂贵、相对为轻质的(由于相对高强度的背板耦合(接合)至Au靶的结果)、提供更高产量(由于相对高功率、Au靶及背板的稳健配置、以及Au靶及背板的能够在相对凉的温度下操作而不会脱离的结果)、以及使用更少粒子(由于Au靶的组件设计的结果，减少靶变形)、而进而增加可执行PVD工艺的量而无须改变Au靶。
图1A为根据本公开内容的至少一些实施例的为PVD装置100的图，且图1B为图1A的细节1B的放大的指示区域。此处使用相对的术语(诸如顶部、底部、前侧或后侧)以为了清楚起见，且与附图中所示出的视图一致，且并非意味着本公开内容的范围的限制，举例而言，本公开内容可由除了此处所描绘之外的其他配置实施。
适合的PVD装置的示例为
Figure GDA0004086384640000031
凸点下金属化(UBM)PVD装置及
Figure GDA0004086384640000032
2PVD装置，两者可从应用材料公司商业上取得。
一般而言，PVD装置100包含溅射源，诸如靶组件200(图1B)，所述靶组件200包括靶202(例如，源材料)及背板204，以下将更详细说明；以及基板支撑底座(底座102)，用于在其上容纳基板104(例如，半导体基板)且定位于腔室106的接地侧的腔室壁105(例如，以铝制成)内。
底座102支撑在与靶202的主面(底部或前表面210)相对的平面中待溅射涂布的基板104。底座102具有相对于且大致平行于靶202的溅射表面的平面基板容纳表面。底座102经由连接至底部腔室壁108的风箱(bellow)(未示出)可竖直移动，以允许基板104在腔室106的下部部分中经由狭缝阀(未示出)传送至底座102上，且接续抬升至沉积位置。更特定来说，沉积位置为从靶202的前表面210测量至基板104的顶表面103(例如，基板的工作表面，在所述工作表面处进行溅射沉积材料)，且等于约60.25mm(2.37英寸)至约60.75mm(2.39英寸)的距离d1。发明人已发现相对于靶202的前表面210定位基板104的顶表面103在距离d1的范围内对基板104的顶表面103提供改善的溅射覆盖，并且可增加靶202的寿命。
耦合至与侧腔室壁105耦合的接地的导电阴极组件107的可旋转磁控管118定位在背板204及靶202的背侧，且可包括通过连接至符合腔室106及基板104的中心轴的旋转杆124的底板122支撑的多个磁体120(例如，概要地示出的磁体)。磁体120可安排成封闭的图案，举例而言，具有肾形的形状。磁体120在腔室106内产生磁场，大致平行于靶202的前侧面且靠近靶202的前侧面，以捕捉电子且增加局部等离子体密度，这进而可增加溅射率。磁体120在腔室106的顶部四周产生电磁场，且磁体120可旋转以旋转电磁场，这影响所处理的等离子体密度以更均匀地溅射靶202。从多个磁体120的底表面121测量至背板204的凹槽230内的背侧(或顶部)表面207的距离d2为约3.95mm(0.155英寸)至约4.45mm(0.175英寸)。发明人已发现相对于背板204的背表面207定位多个磁体120的底表面121在距离d2的范围内提供改善的等离子体密度(和/或溅射率)且增加靶202的寿命。
腔室106还可适以在基板104上提供更具方向性的材料溅射。举例而言，方向性溅射可通过将准直器(未图示)定位于靶202及底座102之间来达成，以在基板104上提供沉积材料的更均匀且对称的通量。
底座102可包括具有加热元件的加热部分(未示出)、可耦合至加热部分且配置成提供底座102的加热或冷却中的任一者的流体通道(未示出)、及可附接至或安装于底座102上或中以常规方式监控温度的温度传感器(未示出)，诸如热电耦。
处理气体可从气源110经由质量流量控制器112而供应至与底座102相邻的腔室106的下部部分中。RF功率供应116可连接至底座102以在基板104上感应负的DC自偏压–但是在其他应用中，底座102可接地或保留电浮动–且耦合至腔室106的可控制DC功率源114可用以施加负的电压或偏压至靶202。
继续参照图1A，腔室106包括接地的屏蔽件126，接地的屏蔽件126具有包括凸缘129的上部部分128，凸缘129支撑在侧腔室壁105的壁架130上并且电连接到侧腔室壁105的壁架130。屏蔽件126还包括从上部部分128沿侧腔室壁105向下延伸的拉长的部分125，以及经由一个或多个适合的耦合设备(例如，螺钉、螺栓、夹子等等)耦合至底座102的底表面101的底部部分127。屏蔽件126可以例如由硬的、非磁性的不锈钢形成。
参照图1B，屏蔽件126的上部部分128紧密配合于背板204的前表面206与靶202的有角度的周围侧壁208之间所形成的环状凹槽132中。上部部分128的顶表面133距背板204的前表面206的距离d3为约2.92mm(0.115英寸)至约3.17mm(0.125英寸)。此外，从屏蔽件126的上部部分128的内侧角落134至周围侧壁208的上部角落203(与背板204的前表面206相邻)的距离d4为约2.73mm(0.107英寸)至约3.23mm(0.127英寸)。另外，从上部部分128的内侧角落134至周围侧壁208的下部角落205的距离d5为约1.52mm(0.06英寸)至约1.77mm(0.07英寸)。距离d3-d5在上部部分128的内侧角落134与靶202的周围侧壁208之间界定窄的间隙。此外，屏蔽件126的上部部分128的内侧角落134距靶202的周围侧壁208的距离为约1.84mm至约2.34mm。间隙足够窄以避免等离子体在内侧角落134与周围侧壁208之间穿透，因此保护腔室106内的其他的部件(例如，介电绝缘器123(图1A及图1B))免受金属层(例如，以Au层)的溅射涂布，这可造成靶202电短路。
图2是根据本公开内容的至少一些实施例的与图1A的PVD装置100一起使用的包括耦合至背板204的靶202的靶组件200的等距视图。靶202以具有99.99％的最小纯度的Au制成，并且在溅射期间沉积于基板104上。靶202具有大致圆形的配置，但可具有其他几何配置，例如椭圆形、长方形、方形、矩形等等。靶202的前表面210为大致平面，且可纹理化212(为了说明的目的，部分的纹理化212表面示出为具有交叉线(hatching))以具有从约27微英寸至约37微英寸的范围的表面粗糙度，然而本公开内容并非如此限制，并且可提供具有其他纹理或不具有纹理化212的前表面210。
靶202可具有约2.925mm(0.115英寸)至约3.425mm(0.134英寸)的厚度t1，举例而言，参见图1A和图4B。在一些实施例中，靶202可具有约12.45mm(0.490英寸)至约12.95mm(0.509英寸)的厚度(未示出)。
靶202使用一个或多个适合的耦合方法耦合至背板204。举例而言，在一些实施例中，金属表面层209(参见图4B)，例如铟焊料接合(indium solder bond)可用以将靶202接合至背板204。
背板204包括大致圆形的配置，但不像靶202，且由以下中的至少一者制成：铜、氮、锌、铬或硅。在最厚的点处的背板204具有约12.45mm(0.490英寸)至约12.95mm(0.509英寸)的厚度t2，举例而言，参见图1A及图4B。
背板204包括用于将靶202接合至背板204的内部部分215、以及外部部分217。外部部分217可包括沿其设置的多个特征，诸如孔洞218、缺口220(例如，三个)、狭缝216(例如，两个)等。举例而言，孔洞218配置成容纳一个或多个类型的紧固件，例如螺钉、螺栓等等，用于将包括靶202的背板204固定至阴极组件107(例如，参见图1B)。缺口220配置成当将背板204固定至阴极组件107时，帮助将背板204的孔洞218与阴极组件107上的相对应孔洞对齐。适合的配置的环状O形环沟槽219提供于内部部分215及外部部分217之间且分开内部部分215及外部部分217，且配置成容纳用以提供背板204与介电绝缘件123之间的密封的O形环221(例如，参见图1B)。O形环沟槽219的更详细说明也于以下说明。狭缝216配置成当安装靶组件200时，提供来自O形环沟槽219的气体的出口路径。
图3为根据本公开内容的至少某些实施例的包括靶202及背板204的靶组件200的顶部平面视图，且图4A为沿图3的线4A-4A截取的剖面视图。为了说明的目的，靶组件200示出为与图2及图3相反。如图4A中所示出的，靶202具有从周围侧壁208的上部角落203测量的第一直径DIA1(第一直径DIA1大约等于约448.38mm(17.65英寸)至约448.89mm(17.67英寸))及从下部角落205测量的第二直径DIA2(第二直径DIA2大约等于约443.48mm(17.45英寸)至约443.98mm(17.47英寸))。凹槽230可沿着背板204的背侧提供，并且如上所述，距离d2从凹槽230内的背表面207测量至多个磁体120的底表面121。凹槽230可具有大约等于469.65mm(18.49英寸)至约470.15mm(18.50英寸)的直径DIA3。凹槽230的周围具有耦合凹槽230的实质上平面内部表面(例如，凹槽230内背板的背表面207)与背板的实质上平面的周围表面的曲率半径R1。靶202的前表面210可纹理化212，具有约27微英寸至约37微英寸的表面粗糙度。
图4B为根据本公开内容的至少一些实施例的图4A的细节4B的放大的指示区域。背板207的凹槽230可具有大约等于约2.92mm(.114英寸)至约3.42mm(.134英寸)的深度D1。另外，下部角落205及上部角落203具有大致弯曲的配置。靶202的周围侧壁208具有角度，且在下部角落205及上部角落203之间为大致线性的，且以约14至约16度的角度α设置，例如约15度。
图5为根据本公开内容的至少一些实施例的使用图1A的PVD装置执行PVD的方法500的流程图。在502处，经由可操作地耦合至靶202的背表面(未图示)的背板204将由金制成的靶202支撑在PVD装置100的腔室106的侧腔室壁105上。背板204的背表面207面向包括PVD装置的多个磁体120的磁控管118，且靶202的前表面210面向在PVD装置100的腔室106中待执行PVD的基板104。
在504处，背板的背表面207至多个磁体120的底表面121维持在从约3.95mm至约4.45mm的范围的距离d2。在506处，靶202的前表面210至基板104的顶表面103维持在从约60.25mm至约60.75mm的范围的距离d1。
此后，在508处，在基板104上执行PVD。举例而言，在PVD工艺期间，用于溅射靶202的功率可为约2.5kW(+/-0.5kW)，且压力可为约2mTorr(毫托)(+/-0.5mTorr)，提供约55A/s的可达成沉积率。
发明人已发现此处所公开的靶和工艺腔室可具有无法预期且大幅增加的可使用寿命。举例而言，安装于工艺腔室中而具有靶相对于基板的间距(例如，d1)及靶相对于磁体的间距(例如，d2)的靶可具有约180kWh的靶寿命，相比较下常规靶寿命小于100kWh。此外，可以以非常均匀的方式在基板上沉积材料，例如，通过片电阻(Rs)测量小于1％的变化。
尽管以上针对本公开内容的实施例，但是可在不背离其基本范围的情况下设计本公开内容的其他和进一步的实施例。

Claims (15)

1.一种PVD装置，包括：
腔室，所述腔室包括腔室壁；
磁控管，所述磁控管包括多个磁体，所述多个磁体配置成在所述腔室内产生磁场；
底座，所述底座配置成支撑基板；
屏蔽件；以及
靶组件，所述靶组件包括由金制成的靶，并且经由耦合至所述靶的背表面的背板支撑在所述腔室壁上，使得所述靶的前表面面向所述基板，
其中从所述屏蔽件的上部部分的内侧角落至所述靶的周围侧壁的上部角落的距离为2.73mm至3.23mm，所述上部角落与所述背板的前表面接触，
其中所述背板的背表面与所述多个磁体的底表面之间的距离为3.95mm至4.45mm，并且
其中所述靶的所述前表面与所述基板的前表面之间的距离为60.25mm至60.75mm。
2.如权利要求1所述的PVD装置，其中所述背板由铜、锌、铬或硅中的至少一者所制成。
3.如权利要求2所述的PVD装置，其中所述背板经由铟焊料接合而耦合至所述靶。
4.如权利要求1所述的PVD装置，其中所述靶的所述前表面纹理化以具有从27微英寸至37微英寸的范围的表面粗糙度。
5.如权利要求1所述的PVD装置，其中所述屏蔽件的所述上部部分配合在所述背板的所述前表面与所述靶的所述周围侧壁之间所形成的环状凹槽中。
6.如权利要求1至5中任一项所述的PVD装置，其中所述屏蔽件的所述上部部分的所述内侧角落距所述靶的所述周围侧壁的距离为1.84mm至2.34mm。
7.如权利要求1至5中任一项所述的PVD装置，其中所述屏蔽件的所述上部部分的顶表面距所述背板的所述前表面的距离为2.92mm至3.17mm。
8.如权利要求5所述的PVD装置，其中所述周围侧壁在所述周围侧壁的下部角落与所述上部角落之间大致为线性的，并且以14度至16度的角度设置。
9.如权利要求8所述的PVD装置，其中所述靶具有从所述周围侧壁的所述上部角落测量并且为448.64mm的第一直径、以及从所述下部角落测量并且为443.73mm的第二直径。
10.如权利要求1所述的PVD装置，其中所述背板具有12.45mm至12.95mm的厚度。
11.如权利要求1所述的PVD装置，其中所述靶具有以下项中的一者：
2.925mm至3.425mm的厚度；或
12.45mm至12.95mm的厚度。
12.如权利要求1所述的PVD装置，其中在所述背板的所述背表面中形成的凹槽具有2.92mm至3.42mm的深度。
13.如权利要求12所述的PVD装置，其中在所述背板的所述背表面中形成的所述凹槽具有469.65mm至470.15mm的直径。
14.一种与物理气相沉积(PVD)装置一起使用的靶组件，包括：
靶，所述靶由金制成，并且经由耦合至所述靶的背表面的背板支撑在腔室壁上，使得当所述靶组件耦合至所述PVD装置时，所述靶的前表面面向基板，
其中所述靶具有从所述靶的周围侧壁的上部角落测量并且为448.64mm的第一直径、以及从所述周围侧壁的下部角落测量并且为443.73mm的第二直径，所述上部角落延伸至所述背板的前表面，且
其中当所述靶组件安装在PVD装置中时，从所述靶的所述周围侧壁的所述上部角落至所述PVD装置的屏蔽件的上部部分的内侧角落的距离为2.73mm至3.23mm，所述上部角落与所述背板的所述前表面接触。
15.一种使用物理气相沉积(PVD)装置在基板上执行物理气相沉积的方法，包括：
经由耦合至由金制成的靶的背表面的背板将所述靶支撑在所述PVD装置的腔室的腔室壁上，使得所述靶的前表面面向所述基板；
将所述背板的背表面与所述PVD装置的多个磁体的底表面之间的距离维持在3.95mm至4.45mm；
将所述靶的所述前表面与所述基板的前表面之间的距离维持在60.25mm至60.75mm；
将屏蔽件的上部部分的内侧角落与所述靶的周围侧壁的上部角落之间的距离维持在2.73mm至3.23mm，所述上部角落与所述背板的前表面接触；以及
在所述基板上执行PVD。
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