CN115956135A - 在基于物理气相沉积的超薄氮化铝薄膜中实现空前的结晶质量的系统和方法 - Google Patents

在基于物理气相沉积的超薄氮化铝薄膜中实现空前的结晶质量的系统和方法 Download PDF

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胡安·里奥斯雷耶斯
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Abstract

本发明提供一种用于将超薄薄膜沉积到晶片上的方法。该方法包括以下步骤。提供溅射室，其中，该溅射室由晶片处理设备和磁控管共同限定。晶片被放置到晶片处理设备的晶片卡盘上。将该晶片卡盘移动至与磁控管相距第一距离处。将气体引入到溅射室中，使得气体分离成等离子体，其中，该等离子体包括气体离子。当带有晶片的晶片卡盘处于与磁控管相距第一距离处时，向磁控管的至少一个溅射靶材施加第一负电势。将该晶片卡盘移动至与磁控管相距第二距离处。当带有晶片的晶片卡盘处于与磁控管相距第二距离处时，向磁控管的至少一个溅射靶材施加第二负电势。在对磁控管的至少一个溅射靶材施加第二负电势后，将晶片从晶片卡盘移除。

Description

在基于物理气相沉积的超薄氮化铝薄膜中实现空前的结晶质量的系统和方法
相关申请的交叉参照
本申请要求共同拥有的于2020年10月15日提交的、标题为“在基于物理气相沉积的超薄氮化铝薄膜中实现空前的结晶质量的系统和方法(SYSTEMS AND METHODS FORUNPRECEDENTED
CRYSTALLINE QUALITY IN PHYSICAL VAPOR
DEPOSITION-BASED ULTRA-THIN ALUMINUM NITRIDE FILMS)”的美国临时专利申请第63/092,207号的优先权并与该申请相关，该临时专利申请通过引用纳入本文。
技术领域
本发明总地涉及半导体制造；特别地涉及用于改善基于物理气相沉积的氮化铝薄膜的结晶质量的系统和方法。
背景技术
氮化镓(GaN)由于其宽带隙、已广泛用于LED和大功率微电子器件。硅(Si)晶片上的GaN薄膜集成为大规模CMOS器件提供了巨大的潜力。然而，由于较大的晶格失配和热膨胀系数的差异，使得外延GaN
薄膜直接生长在Si晶片上存在巨大的挑战。这个问题可以通过使用夹在Si和GaN之间的兼容缓冲层来克服，使得晶格失配最小化并允许外延GaN薄膜的生长。在诸如碳化硅(SiC)、氮化铝(AIN)、砷化镓(GaAs)和氮化硅(Si3N4)的各种缓冲层中，AIN被认为可以促进GaN薄膜的最高质量、无裂纹生长。由于AIN缓冲层的质量至关重要，因此已经采用了几种沉积技术，包括分子束外延(MBE)、原子层沉积和金属有机化学气相沉积(MOCVD)，这些技术要么性质上有毒，要么需要昂贵的设置。物理气相沉积(PVD)因其高生长速率而成为上述技术的一种更佳替代。也有必要确保基于PVD的AIN缓冲层的一致性和质量。
现有技术中均无法提供与本发明相伴随的益处。
因此，本发明的目的在于提供一种改进，该改进克服了现有技术装置的不足之处，并且对使用磁控管系统的发展有重大贡献。
本发明的另一目的在于提供一种用于将超薄薄膜沉积到晶片上的方法，包括：提供溅射室，该溅射室由晶片处理设备和磁控管共同限定；将晶片放置到晶片处理设备的晶片卡盘上；将带有晶片的晶片卡盘一起移动到与磁控管相距第一距离处；将气体引入到溅射室中，使得气体分离成等离子体，其中，该等离子体包括气体离子；当带有晶片的晶片卡盘处于与磁控管相距第一距离处时，向磁控管的至少一个溅射靶材施加第一负电势；在对磁控管的至少一个溅射靶材施加第一负电势期间，使用晶片处理设备的晶片卡盘，使得晶片以第一旋转速度旋转；以及在对磁控管的至少一个溅射靶材施加第一负电势后，将晶片从晶片卡盘移除。
本发明的又一目的在于提供一种用于将超薄薄膜沉积到晶片上的方法，包括：提供溅射室，该溅射室由晶片处理设备和磁控管共同限定；将晶片放置到晶片处理设备的晶片卡盘上；将带有晶片的晶片卡盘一起移动到与磁控管相距第一距离处；将气体引入到溅射室中，使得气体分离成等离子体，其中，该等离子体包括气体离子；以及当带有晶片的晶片卡盘处于与磁控管相距第一距离处时，向磁控管的至少一个溅射靶材施加第一负电势；将带有晶片的晶片卡盘一起移动到与磁控管相距第二距离处；当带有晶片的晶片卡盘处于与磁控管相距第二距离处时，向磁控管的至少一个溅射靶材施加第二负电势；以及在对磁控管的至少一个溅射靶材施加第二负电势后，将晶片从晶片卡盘移除。
本发明的进而又一目的在于提供一种用于将超薄薄膜沉积到晶片上的系统，包括：溅射室；磁组件，该磁组件定位在溅射靶材附近，并且被构造成用于操纵在溅射靶材的表面处的磁场；晶片处理设备，该晶片处理设备定位在溅射靶材的上方，并且具有竖直杆和晶片卡盘，该晶片卡盘具有热电组件，该热电组件被构造成向晶片施加热量；提升组件，该提升组件用于提升或降低晶片卡盘；旋转组件，该旋转组件与竖直杆连通，以用于使得晶片卡盘旋转；以及多个销组件，该多个销组件用于接纳晶片，并将晶片保持抵靠于该晶片卡盘的底面。
上述内容已经概述了本发明的一些相关目的。这些目的应理解为仅仅说明本发明的一些更突出的特征和应用。通过以不同的方式应用所公开的发明或在本公开范围内修改本发明，可以达到许多其它有益的结果。因此，除了由结合附图的权利要求书所限定的本发明范围外，通过参照本发明的发明内容和优选实施例的详细描述，可以获得本发明的其它目的和更全面理解。
发明内容
这里描述的本发明提供了用于在基于物理气相沉积的超薄氮化铝薄膜中实现空前的结晶质量的系统和方法。
本发明的特征在于提供一种用于将超薄薄膜沉积到晶片上的方法。该方法包括以下步骤。提供溅射室，其中，该溅射室由晶片处理设备和磁控管共同限定。将晶片放置到晶片处理设备的晶片卡盘上。该晶片可以使用多个销组件固定抵靠于晶片处理设备的晶片卡盘的底面。将该晶片卡盘移动至与磁控管相距第一距离处。将气体引入到溅射室中，使得气体分离成等离子体，其中，该等离子体包括气体离子。当带有晶片的晶片卡盘处于与磁控管相距第一距离处时，向磁控管的至少一个溅射靶材施加第一负电势。在对磁控管的至少一个溅射靶材施加第一负电势期间，使用晶片处理设备的晶片卡盘，使得晶片以第一旋转速度旋转。在对磁控管的至少一个溅射靶材施加第一负电势后，将晶片从晶片卡盘移除。在对磁控管的至少一个溅射靶材施加第一负电势期间，可以使用晶片处理设备的晶片卡盘，使得晶片持续以第一旋转速度旋转。在对磁控管的至少一个溅射靶材施加第一负电势期间，可以使用晶片处理设备的晶片卡盘，使得晶片以不同的旋转速度可变地旋转。可以在向磁控管的溅射靶材施加第一负电势之前、向晶片施加原位蚀刻处理。该方法还可以包括：将带有晶片的晶片卡盘一起移动到与磁控管相距第二距离处；当带有晶片的晶片卡盘处于与磁控管相距第二距离处时，向磁控管的至少一个溅射靶材施加第二负电势；以及在对磁控管的至少一个溅射靶材施加第二负电势后，将晶片从晶片卡盘移除。该方法还可以包括：在对磁控管的至少一个溅射靶材施加第二负电势期间，使用晶片处理设备的晶片卡盘，使得晶片以第二旋转速度旋转。该方法还可以包括：在对磁控管的至少一个溅射靶材施加第二负电势期间，使用晶片处理设备的晶片卡盘，使得晶片持续以第二旋转速度旋转。该方法还可以包括：在对磁控管的至少一个溅射靶材施加第二负电势期间，使用晶片处理设备的晶片卡盘，使得晶片以不同旋转速度可变地旋转。可以通过晶片处理设备的晶片卡盘对晶片进行加热。该晶片可以加热到400-650摄氏度范围内的温度。该晶片卡盘可以由竖直杆降低到溅射室中，其中，该竖直杆与晶片处理设备的提升组件操作地相关联。该晶片卡盘可以通过竖直杆旋转，其中，该竖直杆与晶片处理设备的旋转组件操作地相关联。该晶片卡盘可以在每分钟10-50转之间旋转。所述多个销组件中的至少一个销可以进一步包括竖向部段和侧向部段。所述多个销组件中的至少一个销可以进一步包括帽。所述多个销组件中的每个销可以穿过相应的固定件设置。每个销的每个竖向部段可以由位于销帽和固定件之间的弹簧包覆。
本发明的另一特征在于提供一种用于将超薄薄膜沉积到晶片上的方法。该方法包括以下步骤。提供溅射室，其中，该溅射室由晶片处理设备和磁控管共同限定。将晶片放置到晶片处理设备的晶片卡盘上。该晶片可以使用多个销组件固定抵靠于晶片处理设备的晶片卡盘的底面。将该晶片卡盘移动至与磁控管相距第一距离。将气体引入到溅射室中，使得气体分离成等离子体，其中，该等离子体包括气体离子。当带有晶片的晶片卡盘处于与磁控管相距第一距离处时，向磁控管的至少一个溅射靶材施加第一负电势。将该晶片卡盘移动至与磁控管相距第二距离。当带有晶片的晶片卡盘处于与磁控管相距第二距离处时，向磁控管的至少一个溅射靶材施加第二负电势。在对磁控管的至少一个溅射靶材施加第二负电势后，将晶片从晶片卡盘移除。可以在向磁控管的溅射靶材施加第一负电势之前、向晶片施加原位蚀刻处理。该方法还可以包括：在对磁控管的至少一个溅射靶材施加第一负电势期间，使用晶片处理设备的晶片卡盘，使得晶片以第一旋转速度旋转。在对磁控管的至少一个溅射靶材施加第一负电势期间，可以使用晶片处理设备的晶片卡盘，使得晶片持续以第一旋转速度旋转。在对磁控管的至少一个溅射靶材施加第一负电势期间，可以使用晶片处理设备的晶片卡盘，使得晶片以不同的旋转速度可变地旋转。该方法还可以包括：在对磁控管的至少一个溅射靶材施加第二负电势期间，使用晶片处理设备的晶片卡盘，使得晶片以第二旋转速度旋转。在对磁控管的至少一个溅射靶材施加第二负电势期间，可以使用晶片处理设备的晶片卡盘，使得晶片持续以第二旋转速度旋转。在对磁控管的至少一个溅射靶材施加第二负电势期间，可以使用晶片处理设备的晶片卡盘，使得晶片以不同的旋转速度可变地旋转。可以通过晶片处理设备的晶片卡盘对晶片进行加热。该晶片可以加热到400-650摄氏度范围内的温度。该晶片卡盘可以由竖直杆降低到溅射室中，其中，该竖直杆与晶片处理设备的提升组件操作地相关联。该晶片卡盘可以通过竖直杆旋转，其中，该竖直杆与晶片处理设备的旋转组件操作地相关联。该晶片卡盘可以在每分钟10-50转之间旋转。所述多个销组件中的至少一个销可以进一步包括竖向部段和侧向部段。所述多个销组件中的至少一个销可以进一步包括帽。所述多个销组件中的每个销可以穿过相应的固定件设置。每个销的每个竖向部段可以由位于销帽和固定件之间的弹簧包覆。
本发明的又一特征在于提供一种用于将超薄薄膜沉积到晶片上的系统。该系统包括溅射室和磁组件，该磁组件定位在溅射靶材附近，并且被构造成操纵在溅射靶材的表面处的磁场。晶片处理设备定位在溅射靶材的上方，并具有竖直杆和晶片卡盘。该晶片卡盘具有热电组件，该热电组件被构造成向晶片施加热量。提升组件用于提升或降低晶片卡盘。旋转组件与竖直杆连通，以用于使得晶片卡盘旋转。多个销组件用于接纳晶片，并将晶片保持抵靠于该晶片卡盘的底面。该磁组件可以进一步包括外磁组件、内磁组件以及多个磁极片，其中该外磁组件具有第一多个磁体对，该内磁组件具有第二多个磁体对，其中，每个磁组件与所述多个磁极片中的至少两个磁极片接触。该晶片处理组件可以进一步包括主板，该主板定位在磁组件上方，使得该晶片卡盘和竖直杆降低到主板下方和溅射靶材上方。所述多个销组件可以环形地限定在晶片卡盘周围，用于接纳晶片。所述多个销组件中的至少一个销可以进一步包括竖向部段和侧向部段。所述多个销组件中的至少一个销可以进一步包括帽。所述多个销组件中的每个销可以穿过相应的固定件设置。每个销的每个竖向部段可以由位于销帽和固定件之间的弹簧包覆。
前述内容相当广泛地概述了本发明更相关和更重要的特征，以便更好地理解下面对本发明的详细描述，从而更充分地理解本发明对本领域的贡献。此后将描述形成本发明权利要求书的主题的本发明的其它特征。本领域技术人员应当认识到所公开的原理和具体实施例可以易于用作更改或设计用于实现本发明相同目的的其它结构的基础。本领域技术人员同样应当认识到这种等效解释并不背离所附权利要求书所述的本发明的精神和范围。
附图说明
图1是示出用于物理气相沉积到任意晶片上的系统的透视图，该系统包括共同限定溅射室的晶片处理设备和磁控管；
图2是图1的系统的分解正视图，示出了晶片处理设备，该晶片处理设备限定了晶片卡盘，晶片卡盘与竖直杆接合，该竖直杆将晶片卡盘降低到磁控管的上方；
图3是图1的系统的截面图，示出了共同限定溅射室的晶片处理设备和磁控管；
图4是示出图1的系统的磁控管的透视图；
图5是示出图4的磁控管的内部组件的正视图；
图6是示出图5的内部组件的分解视图；
图7A和图7B是示出图5的内部组件的相应的外磁组件和内磁组件的透视图；
图8是示出图1的系统的晶片处理设备的透视图；
图9是示出图8的晶片处理设备的正视图；
图10是示出图8的晶片处理设备的仰视透视图；
图11是示出图8的晶片处理设备的晶片卡盘的正视图；
图12是示出图11的晶片卡盘的俯视透视图；
图13是示出图11的经加热的晶片卡盘的仰视透视图；
图14A和图14B是在晶片存在的情况下、图8所示的晶片处理设备的销组件在“晶片装载”位置(图14A)和“晶片处理”位置(图14B)的相应视图；
图15是示出与图8的晶片处理设备的上框架和下框架相关联的气体组件的正视图；
图16是示出图8的晶片处理设备的热电组件和屏蔽罩的正视图；并且
图17A和图17B是图8的晶片处理设备的晶片卡盘和图4的磁控管的基板的相应的部分分解视图和组装侧视图。
具体实施方式
这里公开了用于将超薄氮化铝(AIN)薄膜沉积到任意晶片上的系统和相关方法的各种实施例。特别地，该系统包括磁控管和具有热晶片卡盘的提升旋转式晶片处理设备，该磁控管和晶片处理设备共同限定了溅射室，该溅射室可操作，以用于接纳晶片，将晶片降低到溅射室上，然后将AIN薄膜沉积到晶片上。公开了一种薄膜沉积方法，其中，在溅射室内的特定条件下处理该晶片，以将AIN薄膜沉积到晶片上。该溅射室和薄膜沉积方法一起使用时，在30纳米AIN薄膜中产生约2.0度的半值全宽(FWHM)。参照附图，说明了用于将超薄氮化铝薄膜沉积到任意晶片上的系统和相关方法的实施例，并且其在图1至图17中总地表示为100和200。
系统总览
如图1至图3所示，用于将超薄AIN薄膜沉积到任意晶片10上的系统100示作包括磁控管102和定位在磁控管102上方的晶片处理设备104。在一些实施例中，如图3所示，溅射室103限定为在晶片处理设备104下方和磁控管102上方形成的封闭空间。在一些实施例中，溅射室103由溅射盒173封闭，该溅射盒可以包括一个或多个晶片槽177，用于将晶片10插入和移出溅射室103。在一种方法中，晶片10由晶片处理设备104降低到溅射室103中，并保持在磁控管102上方。系统100的磁控管102包括负偏压靶材120(图4)，该靶材120面向晶片10，用于将来自靶材120的材料沉积到晶片10上。在超高真空下，惰性气体引入系统100，使得气体通过自由电子电离成正电荷离子，并且这些离子朝向负偏压靶材120吸引。当气体离子撞击靶材120的表面时，材料分子从靶材120击落并粘附到晶片10。在一些实施例中，靶材系统100的晶片处理设备104可操作，以用于接合晶片10，并使得晶片10在磁控管102的靶材120上方提升、降低和/或旋转，从而在晶片10相对于靶材120的高度和旋转速度受控的情况下、沉积到晶片10上。在一些实施例中，晶片处理设备104包括晶片卡盘140，该晶片卡盘140用于接合晶片10，并且晶片卡盘140使用多个销组件150(图11)，以接纳晶片并使得晶片保持抵靠于晶片卡盘140的底面。当晶片10由晶片卡盘140接合时，该晶片卡盘140也有助于处理晶片10。在一些实施例中，晶片卡盘140可操作，以用于在溅射处理中，通过热电组件145(图15)向晶片10施加热量。在一些实施例中，系统100进一步包括计算系统300，该计算系统用于控制磁控管102和晶片处理设备104，并对晶片10提供实时应力控制和调节溅射处理。
方法总览
本文公开了一种将超薄薄膜沉积到任意晶片10上的方法。晶片10由多个销组件150(图11)接纳，并且在降低到溅射室103中直至定位在磁控管102上方的第一距离处之前，被固定抵靠于晶片处理设备104的晶片卡盘140(图11)。然后，通过对晶片10施加原位蚀刻处理和预加热，来对晶片10进行预处理。晶片10由晶片卡盘140的热电组件145加热到400-650摄氏度范围内的温度。在一些实施例中，在蚀刻处理后立即执行通过晶片卡盘140(图13)对晶片10的预加热。一旦加热，晶片10就由晶片处理设备104以每分钟10-50转的第一旋转速度旋转。当晶片10由晶片处理设备104加热到400和650摄氏度之间的温度并旋转时，将超薄薄膜沉积到晶片10上。沉积包括将反应性气流引入到溅射室103中，并对磁控管102的至少一个溅射靶材施加第一负电势，以激活溅射处理。允许晶片10在薄膜沉积后冷却。将晶片10从晶片处理设备102的晶片卡盘140中释放，并且可以通过加载锁(loadlock)槽176从溅射室103中取出该晶片。
在本发明的另一实施例中，本文公开了将超薄薄膜沉积到任意晶片10上的另一种方法。晶片10由多个销组件150(图11)接纳，并且在降低到溅射室103中直至定位在磁控管102上方的第一距离处之前，固定抵靠于晶片处理设备104的晶片卡盘140(图11)。然后，通过对晶片10施加原位蚀刻处理和预加热，来对晶片10进行预处理。晶片10由晶片卡盘140的热电组件145加热到400-650摄氏度范围内的温度。在一些实施例中，在蚀刻处理后立即执行通过晶片卡盘140(图13)对晶片10的预加热。一旦加热，晶片10就由晶片处理设备104以每分钟10-50转的第一旋转速度旋转。当晶片10由晶片处理设备104加热到400和650摄氏度之间的温度并旋转时，将AIN薄膜沉积到晶片10上。沉积包括将反应性气流引入到溅射室103中，并对磁控管102的至少一个溅射靶材施加第一负电势，以激活溅射处理。然后，晶片10就由晶片处理设备104以每分钟10-50转的第二旋转速度旋转。当晶片10由晶片处理设备104加热到400和650摄氏度之间的温度并旋转时，将超薄薄膜沉积到晶片10上。沉积包括将反应性气流引入到溅射室103中，并对磁控管102的至少一个溅射靶材施加第二负电势，以激活溅射处理。允许晶片10在薄膜沉积后冷却。将晶片10从晶片处理设备102的晶片卡盘140中释放，并且可以通过加载锁槽176从溅射室103中取出该晶片。
在本发明的任何实施例中，晶片由晶片卡盘引起的第一旋转速度可以等于、大于或小于晶片由晶片卡盘引起的第二旋转速度。
在本发明的任何实施例中，晶片由晶片卡盘引起的旋转速度可以谨慎地、连续地和/或可变地调节。对由晶片卡盘引起的晶片的旋转速度的调节可以在向磁控管的至少一个溅射靶材施加负电势之前、期间和/或之后进行。
在本发明的任何实施例中，距磁控管的第一距离可以等于、大于或小于距磁控管的第二距离。
在本发明的任何实施例中，距磁控管的距离可以谨慎地、连续地和/或可变地调节。对距磁控管的距离的调节可以在向磁控管的至少一个溅射靶材施加负电势之前、期间和/或之后进行。
在本发明的任何实施例中，对磁控管的至少一个溅射靶材的第一负电势可以等于、大于或小于对磁控管的至少一个溅射靶材的第二负电势。
在本发明的任何实施例中，对磁控管的至少一个溅射靶材的负电势的施加可以谨慎地、连续地和/或可变地调节。
在本发明的任何实施例中，对至少一个溅射靶材的第一负电势施加和对至少一个溅射靶材的第二负电势施加可以是对同一溅射靶材或对不同溅射靶材进行的。
诸如分子束外延和金属有机化学气相沉积的先前技术采用昂贵的工具、使用有毒的前体或更高的生长温度(>1000℃)沉积AIN层来实现GaN外延。相比之下，系统100和相关方法200能够以相对较低的成本实现超薄AIN层的高质量生长，其中对CMOS集成具有很高的兼容性，热预算较低，并能够进行原位残余应力控制。
磁控管
参照图2至图7，磁控管102示作限定了基板组件107和负电荷靶材120(图4)，其中，靶材120驻留在基板组件107内。磁控管102进一步包括位于靶材120正下方的内部组件111，该内部组件111具有外磁组件112A和内磁组件112B(图6)、以及外水套组件135A和内水套组件135B(图6)。磁组件112A和112B能够精确控制靶材120处的磁场，从而使得电子被束缚于负电荷靶材120的表面。这些电子增强了靶材120附近的电离，并且新形成的离子朝向靶材120吸引，从而使得分子从靶材120喷出，并以薄膜的形式粘附到晶片。通过磁组件112A和112B对磁场的控制能够将电子束缚于靶材120的特定区域，从而实现对溅射处理的控制。在一些实施例中，磁组件112A和112B各自封围在树脂壳体118A和118B中(图7A和图7B)。如图所示，基板组件107进一步包括气体塔108(图4)以及电力馈通件(未示出)，该气体塔108延伸通过内部组件111和靶材120的相应中心，该电力馈通件用以在溅射室103处于超高真空下时，向磁组件112A和112B供电。磁控管102还包括冷却板137，该冷却板137用于冷却电力馈通件和定位在内部组件111下方的基板组件107。此外，当组装磁控管102时，磁控管气体分配系统132与气体塔108处于流体流连通，用于将惰性气体引入到溅射室103中。
参照图4，靶材120包括外同心靶材121和内同心靶材122，在一些实施例中，靶材120是负偏压的。当在溅射室103内使用时，正电荷气体离子朝向负电荷的外同心靶材121和内同心靶材122吸引。具体地，正电荷气体离子被吸引到靶材120。这导致来自外同心靶材121和内同心靶材122的材料通过来自正电荷气体离子的动量传递，从而从它们相应的表面喷出，并粘附到溅射室103内的晶片10。
在一些实施例中，为了将AIN薄膜沉积到晶片10上，外同心靶材121和内同心靶材122由铝构成。在一些实施例中，外同心靶材121和内同心靶材122由环形靶材屏蔽罩124隔开或以其它方式彼此电隔离。环形靶材屏蔽罩124位于外同心靶材121和内同心靶材122之间，以提供结构支承和/或电隔离。
如上所述并如图5和图6所示，内部组件111进一步包括磁组件112A和112B，这些磁组件被构造成诱发磁场，以将负电荷电子束缚于外同心靶材121和内同心靶材122的表面，由此通过控制靶材120附近的气体电离来维持较高的溅射速率。磁组件112A和112B反映了靶材120的同心构造。
参照图5至图6B，示出了外磁组件112A和内磁组件112B。如上所述，外磁组件112A和内磁组件112B在溅射室103(图3)内感应出磁场。如图6所示，内磁组件112B的直径小于外磁组件112A的直径。在一些实施例中，外磁组件112A的直径为11英寸，而内磁组件112B的直径为7英寸；然而，磁组件112的实施例不限于这些直径。外磁组件112A包括围绕中心轴线Z同心布置的多个磁体对113(图7A)。类似地，内磁组件112B包括围绕中心轴线Z同心布置的多个磁体对114(图7B)。
参照图7A和图7B，外磁组件112A的每个磁体对113包括与中心轴线Z对准的相应的竖直定向磁体113A和垂直于与中心轴线Z对准的相应的竖直定向磁体113A定向的相应的水平定向磁体113B。类似地，内磁组件112B的每个磁体对114包括与中心轴线Z对准的相应的竖直定向磁体114A和垂直于与中心轴线Z对准的相应的竖直定向磁体114A定向的相应的水平定向磁体114B。每个磁体113A、113B、114A和114B均是永磁体。
在图6至图7B所示的一些实施例中，磁组件112A和112B限定了磁路，该磁路通过外磁组件112A和内磁组件112B的部件之间的连接而完成。在一些实施例中，外磁组件112A包括第一外极片116A，该第一外极片116A位于每个竖直定向磁体113A下方，并相对于每个水平定向磁体113B定位在外部，以用于结构支承并用于完成每个竖直定向磁体113A和每个水平定向磁体113B之间的磁性连接。此外，外磁组件112A包括第一内极片115A，该第一内极片115A位于每个水平定向磁体113B的内部，用于附加的结构支承，并用于完成外磁组件112A的每个水平定向磁体113B和内磁组件112B的每个竖直定向磁体113A之间的磁性连接。类似地，内磁组件112B包括第二外极片116B以及第二内极片115B，其中该第二外极片116B位于每个竖直定向磁体114A的下方，并相对于每个水平定向磁体114B定位在外部，用于完成每个竖直定向磁体114A和每个水平定向磁体114B之间的磁性连接，该第二内极片115B位于每个水平定向磁体114B的内部，以用于结构支承和完成磁性连接。在一些实施例中，在外磁组件112A的上方包括上极片117，用于完成磁路。在一些实施例中，包括上极片117、第一和第二外极片116A和116B以及第一和第二内极片115A和115B在内的每个极片都包括多个自对准凹痕119，用于接纳和对准每个磁体113A、113B、114A和114B。每个极片117、115A、115B、116A和116B均迫使每个磁体113A、113B、114A和114B与极片117、115A、115B、116A和116B磁性地对准，以改善通过永磁体113A、113B、114A和114B的磁均匀性和磁通量。
为了形成外磁组件112A，外磁组件112A的每个磁体对113被封围在不导电的树脂118A中(未示出)，以提供结构支承以及防止磁体对113移位。类似地，为了形成内磁组件112B，内磁组件112B的每个磁体对114被封围在不导电的树脂118B中，以提供结构支承以及防止磁体对114移位。此外，在一些实施例中，每个极片117、115A、115B、116A和116B都封装在不导电的树脂118A和118B内。
晶片处理设备
参照图2和图8至图16，晶片处理设备104示作包括晶片卡盘140，晶片卡盘140被限定在竖直杆182的下端处，并且可操作以接纳晶片10。如图所示，竖直杆182通过馈通件181、提升组件172以及旋转组件170与馈通板180相关联，其中该提升组件172用于提升或降低馈通板180，并且由此使得晶片卡盘140相对于主板185沿轴向方向A或B提升或降低，该旋转组件170与馈通件181和竖直杆182连通，用于使得竖直杆182和晶片卡盘140旋转。如图14A具体所示，提升组件172可操作，用于将晶片卡盘140提升到“晶片装载”位置，从而使得设置在晶片卡盘140周围的多个销组件150打开并接纳晶片10。如图14B所示，提升组件172也可操作，以用于将晶片卡盘140降低到“晶片处理”位置，从而使得所述多个销组件150将晶片10固定抵靠于晶片卡盘140的底面。
晶片处理设备104进一步包括热电组件145和晶片卡盘气体组件146，其与馈通件181、竖直杆182和晶片卡盘140相关联，用于向晶片卡盘140引入电力和气体。晶片处理设备104被构造成定位在磁控管102(图4)的靶材120上方，用于将材料物理气相沉积到晶片10上。如图所示，屏蔽罩175被包括在磁控管102的靶材120和晶片处理设备104的封闭溅射室103的主板185之间。
参照图2、图14A和图14B，在一些实施例中，多个销组件150包括“L”形销153，这些“L”形销153包括竖向部段153A和横向部段153B。如图14A具体所示，每个竖向部段153A包括销帽156，该销帽在“晶片装载”位置时与主板185的底面186(图10)接触。每个销组件150穿过相应的固定件155设置，每个固定件155与晶片卡盘140的周向边缘接合。在一些实施例中，如图14B所示，销153的每个竖向部段153A由位于销帽156和固定件155之间的弹簧154包覆，以允许每个销组件150在处于“晶片处理”位置时将晶片10夹持抵靠于晶片卡盘140的底面。参照图14A，当将竖直杆182和晶片卡盘140提升到“晶片装载”位置时，每个销帽156与主板185的底面186接触，并压缩每个弹簧154，从而使得每个相应的销153降低到“晶片装载”位置，这使得每个销153的横向部段156与晶片卡盘140的底面之间的传递间隙最大化，从而使得可以插入或移除晶片10。如图14B所示，竖直杆182和晶片卡盘140下降离开装载位置，销帽156不再与主板185的底面186接触，并且每个弹簧154将被允许采取减压状态，并将每个销153提升到“晶片处理”位置。在这个"晶片处理"位置，晶片10相对于晶片卡盘140的底面夹持就位，用于由每个销组件150的横向部段153B处理。
图11至图13说明了限定在竖直杆182的下端处的晶片卡盘140。如图所示，晶片卡盘140包括多个销组件150，这些销组件可操作，以用于接纳电子晶片10并将其固定抵靠于晶片卡盘140的底面。在一些实施例中，晶片卡盘140与用于向晶片10施加热量的热电组件145电气连通，并且可以包括用于生成热量的一个或多个加热元件(未示出)。如图15所示，晶片卡盘140包括限定在晶片卡盘部件141上方的上屏蔽罩142、限定在晶片卡盘部件141下方的下屏蔽罩143以及封装晶片卡盘部件141的外罩144，所有这些都是为了保存热量并将热量引向晶片卡盘部件141，并由此引向电子晶片10。晶片卡盘140还包括用于电和热绝缘的多个间隔件148。在一些实施例中，所述多个间隔件148中的每个都具有热和电绝缘材料、例如陶瓷。
直接参照图16，晶片卡盘气体组件146包括进气口194，该进气口194与外部气体源(未示出)处于流体流连通，用于引入非反应性气体(通常为氩气)，例如用于物理气相沉积到晶片10上。进气口194将气体从外部来源(未示出)传送到气体管路195。在一些实施例中，沿着气体管路195包括低温断路196，从而如果气体管路195断裂或以其它方式损坏，则提供安全措施。如图所示，气体管路195终止在旋转接头192处，用于在经加热的卡盘140和竖直杆182由旋转组件170旋转时，维持与经加热的卡盘140的流体流连通。旋转接头192和气体管路195由上框架187支承在馈通板180上方。副气体管路197将旋转接头192连接到晶片卡盘140，并且在一些实施例中，该副气体管路穿过竖直杆182向下延伸，以终止于限定在晶片卡盘140的底面上的一个或多个小孔147(图13)中。在晶片卡盘140处引入气体，同时并行地向晶片10施加热量，这使得晶片110上的热分布均匀性得到改善。
参照图17A和图17B，晶片卡盘10设置在磁控管102的靶材120上方，以限定溅射室103。屏蔽罩175固定在晶片处理设备104的主板185下方，并封装晶片卡盘10，从而使得溅射室103内的环境在气体流量和压力方面得到控制，这例如在图17B的组装视图中具体示出。如图所示，屏蔽罩175包括用于在处于“晶片装载”位置时供晶片10插入的槽176。当处于“晶片处理”位置，在晶片10在溅射室103内正处理时，槽176由槽护罩175密封，该槽护罩175可操作，以移入和移出位置，从而当晶片卡盘140处于“晶片装载”位置时，允许晶片10插入和移除，并且当晶片卡盘140处于“晶片处理”位置时，密封该槽176。
物理气相沉积方法
在使用溅射室103将超薄AIN薄膜沉积到任意晶片10上的一种方法中，晶片10首先由晶片处理设备102接纳并下降到溅射室103中，在溅射室103内进行预处理，由晶片处理设备104的晶片卡盘140加热并由晶片处理设备104旋转。在这些预备步骤之后，晶片10经受溅射处理，在这个处理中，对磁控管102施加电力。在溅射处理之后，将晶片进行冷却并移除。
晶片10由多个销组件150接纳，并被夹持抵靠于晶片处理设备104的晶片卡盘140，并且下降到溅射室103中和磁控管102上方。在一些实施例中，晶片10通过槽176插入到溅射室103中，并由所述多个销组件150接纳。一旦得以接纳，通过提升组件172，竖直杆182就将晶片卡盘140提升到相对于主板185的最大高度，进入“晶片装载”位置。当处于“晶片装载”位置时，如图14A所示，所述多个销组件150可操作，以打开并接纳晶片10。竖直杆182将晶片卡盘10下降到溅射室103内相对于主板185的可变“晶片处理”位置，如图14B所示。在该位置，所述多个销组件150将晶片10物理地夹持抵靠于晶片卡盘140的底面。
晶片10在沉积AIN薄膜之前进行预处理。晶片10经受原位蚀刻处理，并且对晶片10进行预加热。在原位蚀刻处理中，使用原位蚀刻配方在氩气等离子体中以300W对晶片10进行蚀刻。将晶片10加热到400和650摄氏度之间的温度。加热是在蚀刻处理之后执行的，并且将晶片10从室温逐渐加热到400-650摄氏度。经由晶片卡盘140的热电组件145向晶片10施加热量。在一些实施例中，如上所述，由晶片卡盘气体组件146在晶片卡盘140处引入气体，同时并行地加热晶片10，以允许在晶片10上的热量分布均匀。该热电组件145在溅射处理中，继续将晶片10的温度维持在400-650摄氏度的范围内。
晶片10由晶片处理设备104的旋转组件170在溅射室103内旋转。竖直杆182通过旋转组件170的操作使得晶片卡盘140和晶片10旋转，从而使得晶片10可以在晶片10旋转的同时，由来自磁控管102的靶材120的分子接触。在一些实施例中，旋转速率是每分钟10-50转(rpm)范围内的速率。旋转组件170在溅射处理中继续使得晶片10旋转，使得晶片在高温下进行原位晶片加热的情况下旋转。磁控管102对晶片10施加溅射处理。惰性气体经由磁控管102的气体塔108引入到溅射室103中。在一些实施例中，气体是氩气(Ar)和氮气(N2)，并且分别以5-10cm3/min和10-20cm3/min的相应速率引入。对溅射室103内的气氛进行控制，使得惰性气体分离成正电荷离子和负电荷电子，由此产生等离子体。将3-5千瓦的范围内的交流电施加到磁控管102，从而对靶材120进行负充电。引入的正电荷离子加速进入到负偏压靶材120中。正电荷离子加速，并以足够的力来撞击负电荷靶材120，从而使得靶材120中材料的微观分子移位和喷出。这些材料分子然后凝结到晶片表面上。由内部组件111的磁组件112A和112B生成的磁场通过将负电荷电子束缚于靶材120的表面处来辅助这一处理。受束缚的负电荷电子将正电荷离子吸引到靶材120的表面，然后这些正电荷离子使靶材材料的分子移位。在一些实施例中，将磁场调整为使得负电荷电子最佳地布置在靶材120上，用于实现来自靶材120的分子到晶片10上的均匀沉积且更快沉积速率。
一旦晶片10已处理，就允许晶片10冷却，然后将晶片10从溅射室103移除。竖直杆182将晶片卡盘140提升并返回到“晶片装载”位置，在该位置，多个销组件150释放晶片10，并保持打开且就位以接纳另一晶片10。晶片10能够通过槽176从溅射室103移除。
在一些实施例中，系统100与用于控制磁控管102和晶片处理设备104的计算系统进行通信。在一些实施例中，该计算系统可以接收来自磁控管102和晶片处理设备104的反馈，以调节用于实时控制晶片140的参数，包括但不限于：晶片温度、晶片位置、指示磁控管功能的参数，以及与薄膜厚度、均匀性和/或完整性有关的数据。该计算系统还可操作，以存储和执行用于控制磁控管102和晶片处理设备104的指令，并且特别地控制晶片处理设备104的旋转组件170和提升组件172，以及控制磁控管102的靶材120及磁组件112A和112B。在一些实施例中，该计算系统还可操作，以控制热电组件145，并控制来自晶片处理设备104的气体组件146和磁控管102的气体分配系统132的气体流。
结果和测试数据
系统100采用带有晶片卡盘140的晶片处理设备104，来实现超薄AIN薄膜的高质量，提供晶片10在高温下进行原位加热情况下的旋转。高温为AIN吸附原子(AIN ad-atoms)提供了高活化能，导致更佳的表面扩散，由此在超薄AIN薄膜中形成良好的晶体。晶片到靶材的距离也可以通过将晶片10下降到溅射室103中，使其相对于靶材120到达选定的高度来调节。溅射室103能够在30nm的薄膜中实现约2.0度的摇摆曲线的半值全宽(FWHM)，与以前报道的结果相比，这是空前的。由系统100实现的FWHM值与其它传统系统相比具有很强的竞争力，特别是在考虑到超薄的30nm厚度的薄膜的情况下。
本发明包括所附权利要求中包含的内容，以及前文描述中的内容。尽管本发明已经以其优选形式进行了一定程度的描述，但应理解的是，本发明对优选形式的披露仅仅以举例的方式进行，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对构造的细节以及部件的组合和布置进行许多改变。

Claims (20)

1.一种用于将超薄薄膜沉积到晶片上的方法，包括：
提供溅射室，所述溅射室由晶片处理设备和磁控管共同限定；
将所述晶片放置到所述晶片处理设备的晶片卡盘上；
将带有所述晶片的所述晶片卡盘移动到与所述磁控管相距第一距离处；
将气体引入到所述溅射室中，使得所述气体分离成等离子体，其中，所述等离子体包括气体离子；
当带有所述晶片的所述晶片卡盘处于与所述磁控管相距所述第一距离处时，向所述磁控管的至少一个溅射靶材施加第一负电势；
在对所述磁控管的至少一个溅射靶材施加所述第一负电势期间，使用所述晶片处理设备的晶片卡盘，使得所述晶片以第一旋转速度旋转；以及
在对所述磁控管的至少一个溅射靶材施加所述第一负电势后，将所述晶片从所述晶片卡盘移除。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括在对所述磁控管的至少一个溅射靶材施加所述第一负电势期间，使用所述晶片处理设备的晶片卡盘，使得所述晶片持续以所述第一旋转速度旋转。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括在对所述磁控管的至少一个溅射靶材施加所述第一负电势期间，使用所述晶片处理设备的晶片卡盘，使得所述晶片以不同旋转速度可变地旋转。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括在向所述磁控管的溅射靶材施加所述第一负电势之前，向所述晶片施加原位蚀刻处理。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括使用多个销组件将所述晶片固定抵靠于所述晶片处理设备的晶片卡盘的底面。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括：
将带有所述晶片的所述晶片卡盘移动到与所述磁控管相距第二距离处；
当带有所述晶片的所述晶片卡盘处于与所述磁控管相距所述第二距离处时，向所述磁控管的至少一个溅射靶材施加第二负电势；以及
在对所述磁控管的至少一个溅射靶材施加所述第二负电势后，将所述晶片从所述晶片卡盘移除。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括在对所述磁控管的至少一个溅射靶材施加所述第二负电势期间，使用所述晶片处理设备的晶片卡盘，使得所述晶片以第二旋转速度旋转。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括在对所述磁控管的至少一个溅射靶材施加所述第二负电势期间，使用所述晶片处理设备的晶片卡盘，使得所述晶片持续以所述第二旋转速度旋转。
9.根据权利要求7所述的方法，还包括在对所述磁控管的至少一个溅射靶材施加所述第二负电势期间，使用所述晶片处理设备的晶片卡盘，使得所述晶片以不同旋转速度可变地旋转。
10.一种将超薄薄膜沉积到晶片上的方法，包括：
提供溅射室，所述溅射室由晶片处理设备和磁控管共同限定；
将所述晶片放置到所述晶片处理设备的晶片卡盘上；
将带有所述晶片的所述晶片卡盘移动到与所述磁控管相距第一距离处；
将气体引入到所述溅射室中，使得所述气体分离成等离子体，其中，所述等离子体包括气体离子；以及
当带有所述晶片的所述晶片卡盘处于与所述磁控管相距所述第一距离处时，向所述磁控管的至少一个溅射靶材施加第一负电势；
将带有所述晶片的所述晶片卡盘移动到与所述磁控管相距第二距离处；
当带有所述晶片的所述晶片卡盘处于与所述磁控管相距所述第二距离处时，向所述磁控管的至少一个溅射靶材施加第二负电势；以及
在对所述磁控管的至少一个溅射靶材施加所述第二负电势后，将所述晶片从所述晶片卡盘移除。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括使用多个销组件将所述晶片固定抵靠于所述晶片处理设备的晶片卡盘的底面。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括在向所述磁控管的溅射靶材施加所述第一负电势之前，向所述晶片施加原位蚀刻处理。
13.根据权利要求10所述的方法，还包括在对所述磁控管的至少一个溅射靶材施加所述第一负电势期间，使用所述晶片处理设备的晶片卡盘，使得所述晶片以第一旋转速度旋转。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括在对所述磁控管的至少一个溅射靶材施加所述第一负电势期间，使用所述晶片处理设备的晶片卡盘，使得所述晶片持续以所述第一旋转速度旋转。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括在对所述磁控管的至少一个溅射靶材施加所述第一负电势期间，使用所述晶片处理设备的晶片卡盘，使得所述晶片以不同旋转速度可变地旋转。
16.根据权利要求13所述的方法，还包括在对所述磁控管的至少一个溅射靶材施加所述第二负电势期间，使用所述晶片处理设备的晶片卡盘，使得所述晶片以第二旋转速度旋转。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括在对所述磁控管的至少一个溅射靶材施加所述第二负电势期间，使用所述晶片处理设备的晶片卡盘，使得所述晶片持续以所述第二旋转速度旋转。
18.根据权利要求16所述的方法，还包括在对所述磁控管的至少一个溅射靶材施加所述第二负电势期间，使用所述晶片处理设备的晶片卡盘，使得所述晶片以不同旋转速度可变地旋转。
19.一种用于将超薄薄膜沉积到晶片上的系统，包括：
溅射室；
磁组件，所述磁组件定位在溅射靶材附近，并且被构造成用于操纵在所述溅射靶材的表面处的磁场；
晶片处理设备，所述晶片处理设备定位在所述溅射靶材的上方，并且具有竖直杆和晶片卡盘，所述晶片卡盘具有热电组件，所述热电组件被构造成向所述晶片施加热量；
提升组件，所述提升组件用于提升或降低所述晶片卡盘；
旋转组件，所述旋转组件与所述竖直杆连通，以用于使得所述晶片卡盘旋转；以及
多个销组件，所述多个销组件用于接纳所述晶片，并将所述晶片保持抵靠于所述晶片卡盘的底面。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述多个销组件被环形地限定在所述晶片卡盘周围，用于接纳晶片。
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