CN118076763A - 具有旋转底座的倾斜pvd源 - Google Patents

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H·S·杨
S·帕兰尼萨米
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Abstract

本文提供在物理气相沉积(PVD)工艺中提高膜均匀性的装置和方法。在一些实施例中，PVD腔室包含：底座，所述底座设置在PVD腔室的处理区域内，所述底座具有被配置成在其上支撑基板的上表面；第一电机，所述第一电机耦接至底座；盖组件，所述盖组件包含第一靶；第一磁控管，所述第一磁控管设置在第一靶的一部分上方并且在盖组件的维持在大气压下的区域中；第一致动器，所述第一致动器被配置成在第一方向上平移第一磁控管；第二致动器，所述第二致动器被配置成在第二方向上平移第一磁控管；以及系统控制器，所述系统控制器被配置成通过使第一致动器和第二致动器同时平移第一磁控管来使第一磁控管沿第一路径的至少一部分平移。

Description

具有旋转底座的倾斜PVD源
背景
领域
本公开的实施例总体涉及电子元件制造工艺中基板上的物理气相沉积(physicalvapor deposition；PVD)膜形成，并且更具体地涉及具有紧凑阴极设计的提高膜均匀性的装置和方法。
背景技术
当今电子元件制造工艺常常涉及在专用物理气相沉积(PVD)腔室中使用PVD或溅射工艺。溅射材料源可以是由纯金属、合金或陶瓷材料形成的平面或旋转溅射靶。使用磁体阵列在靶附近产生磁场，通常将磁体阵列设置在常称为磁控管的组件中。在处理期间，对靶施加高电压，以产生等离子体并实现溅射工艺。由于电压源被负偏压，因此还可将靶称为“阴极”。高电压在PVD腔室内产生电场，所述电场用于实现靶材料的溅射并且从靶产生并发射电子，所述电子用于在靶的下侧附近产生并且维持等离子体。磁体阵列施加外部磁场，所述外部磁场捕捉电子并将等离子体限制于目标附近。经捕捉的电子随后可与设置在PVD腔室的处理区域中的气体原子碰撞并使气体原子离子化。(多个)经捕捉电子与气体原子之间的碰撞将使气体原子发射电子，所述电子用于维持并进一步增加PVD腔室的处理区域中的等离子体密度。等离子体可包括氩原子、正电荷的氩离子、自由电子以及从靶溅射的离子化和中性的金属原子。氩离子因负偏压而朝向靶加速，并与靶的表面碰撞，从而使靶材料的原子从靶材料射出。射出的靶材料原子随后向基板和腔室屏蔽件行进，以掺入到基板上正在生长的薄膜中。
在处理大面积基板(诸如面板)时，PVD溅射和膜均匀性控制尤其有挑战性。本文使用的术语“面板”可指含有大表面积的大面积基板。举例而言，常见的面板尺寸可为600mm×600mm。在一些封装应用中，常见的面板材料可包括聚合物材料，诸如味之素积聚膜(Ajinomoto Build-up Film；ABF)、覆铜箔层压板(Copper Clad Laminate；CCL))、顶部有聚合物的面板、玻璃或其他类似的材料。
可用上文描述的平面或旋转靶对大面积基板执行PVD膜形成。在任一情况下，靶尺寸的长度可大于800mm，并在一些情况下超过1000mm。换言之，靶的尺寸可比所处理的基板的尺寸大约20％至约40％左右。对此类大面积靶的需求对PVD溅射工艺提出了特定的挑战。举例而言，对于贵金属，制造此类大面积靶所需的原料量是高成本的。另一方面，由相对脆的材料(诸如硅)形成的大面积单片靶由于所述材料易于破裂或断裂而难以制造并且高成本。另外，大面积靶的功率密度相对低。因此，需要极高的功率消耗来实现合适的沉积速率。另外，常规的PVD腔室仅被尺寸设计成一次容纳一个大面积靶，因此与多个靶定位在工艺腔室中时可达到的处理量相比，这降低了处理量。腔室中存在多个靶可允许形成多种纯的和组成不同的材料。然而，处理腔室中存在多个靶常导致沉积不均匀的问题，这是因为需将靶中的每个靶定位在基板表面的仅一部分上方，使得每个靶具有相似的在基板表面上形成膜的能力。
因此，本领域需要在使用紧凑的阴极和腔室设计的同时提高膜沉积均匀性的装置和方法。
发明内容
本文描述的实施例总体涉及电子元件制造工艺中基板上的物理气相沉积(PVD)膜形成。更具体地，本文描述的实施例提供具有紧凑阴极设计的提高膜均匀性的制造和方法。
在一个实施例中，PVD腔室包含：底座，所述底座设置在PVD腔室的处理区域内，所述底座具有被配置成在其上支撑基板的上表面；第一电机，所述第一电机耦接至底座，所述第一电机被配置成使底座围绕与底座的上表面的至少一部分垂直的第一轴线旋转；以及盖组件，所述盖组件容纳第一靶。第一靶的表面限定处理区域的一部分，并且包含第一靶材料。底座的上表面的表面积大于第一靶的表面的表面积。第一靶的表面相对于底座的上表面的平面以第一角度倾斜。第一靶包含被配置成接收从中穿过的冷却剂的一个或多个冷却通道以用于冷却第一靶。PVD腔室包含：第一磁控管，所述第一磁控管设置在第一靶的一部分上方并且在盖组件的维持在大气压下的区域中；第一致动器，所述第一致动器被配置成在第一方向上平移第一磁控管；第二致动器，所述第二致动器被配置成在大约垂直于第一方向的第二方向上平移第一磁控管，其中通过第二致动器使第一磁控管平移的工艺包括使第一磁控管围绕第二轴线旋转；以及系统控制器，所述系统控制器被配置成通过使第一致动器和第二致动器同时平移第一磁控管来使第一磁控管沿第一路径的至少一部分平移。
本公开的实施例可包括物理气相沉积(PVD)腔室，所述物理气相沉积(PVD)腔室包含：底座，所述底座设置在PVD腔室的处理区域内，所述底座具有被配置成在其上支撑基板的上表面；第一电机，所述第一电机耦接至底座；盖组件，所述盖组件包含第一靶；第一磁控管，所述第一磁控管设置在第一靶的一部分上方并且在盖组件的维持在大气压下的区域中；第一致动器，所述第一致动器被配置成在第一方向上平移第一磁控管，其中通过第一致动器平移第一磁控管包括使第一磁控管围绕第二轴线旋转；第二致动器，所述第二致动器被配置成在第二方向上平移第一磁控管；以及系统控制器，所述系统控制器被配置成通过使第一致动器和第二致动器同时平移第一磁控管来使第一磁控管沿第一路径的至少一部分平移。第一电机被配置成使底座围绕与底座的上表面的至少一部分垂直的第一轴线旋转。盖组件包含第一靶，其中第一靶的表面限定处理区域的一部分，并且包含第一靶材料，底座的上表面的表面积大于第一靶的表面的表面积，并且第一靶的表面相对于底座的上表面的平面以第一角度倾斜。
本公开的实施例可进一步包括物理气相沉积(PVD)腔室，所述物理气相沉积(PVD)腔室包含：底座，所述底座设置在PVD腔室的处理区域内，所述底座具有被配置成在其上支撑基板的上表面；第一电机，所述第一电机耦接至底座，所述第一电机被配置成使底座围绕与底座的上表面的至少一部分垂直的第一轴线旋转；盖组件，所述盖组件包含第一靶；第一磁控管，所述第一磁控管设置在第一靶的一部分上方并且在盖组件的维持在大气压下的区域中；第一致动器，所述第一致动器被配置成在第一方向上平移第一磁控管；以及计算机可读介质，所述计算机可读介质存储指令，所述指令在由系统的处理器执行时使系统同时使第一致动器围绕第一轴线旋转底座并且使第一致动器在第一方向上平移第一磁控管。第一靶的表面限定处理区域的一部分。第一靶包含第一靶材料。第一靶的表面相对于底座的上表面的平面以第一角度倾斜。
本公开的实施例可进一步包括处理系统，所述处理系统包含传送腔室和耦接至传送腔室的物理气相沉积(PVD)腔室。PVD腔室包含：底座，所述底座设置在PVD腔室的处理区域内，所述底座具有被配置成在其上支撑基板的上表面；第一电机，所述第一电机耦接至底座，所述第一电机被配置成使底座围绕与底座的上表面的至少一部分垂直的第一轴线旋转；盖组件，所述盖组件包含第一靶；第一磁控管，所述第一磁控管设置在第一靶的一部分上方并且在盖组件的维持在大气压下的区域中；第一致动器，所述第一致动器被配置成在第一方向上平移第一磁控管；第二致动器，所述第二致动器被配置成平移第一磁控管，其中通过第二致动器平移第一磁控管包括围绕第二轴线旋转第一磁控管；以及系统控制器，所述系统控制器被配置成通过使第一致动器和第二致动器同时平移第一磁控管来使第一磁控管沿第一路径的至少一部分平移。盖组件包含第一靶，其中第一靶的表面限定处理区域的一部分，并且包含第一靶材料，底座的上表面的表面积大于第一靶的表面的表面积，第一靶的表面相对于底座的上表面的平面以第一角度倾斜，并且第一靶包含被配置成接收从中穿过的冷却剂的一个或多个冷却通道以用于冷却第一靶。
附图说明
为了详细地理解本公开的上述特征的方式，可通过参考实施例来获得以上简要概述的本公开的更具体描述，所述实施例中的一些实施例在附图中说明。然而，应注意，附图仅图示本公开的典型实施例，并且因此不应认为其限制本公开的范围，因为本公开可承认其他等效的实施例。
图1是根据某些实施例的示例性基板处理系统的示意性俯视图。
图2A是根据某些实施例的可在图1的基板处理系统中使用的PVD腔室的侧截面图。
图2B是根据某些实施例的图2A的PVD腔室的一部分的放大的截面图。
图2C是根据某些实施例的图2A的一部分的俯视图，图示了叠加的靶和基板。
图2D是根据某些实施例的图2A的一部分的俯视图，图示了叠加的磁控管和靶。
图3A是根据某些实施例的可在图1的基板处理系统中使用的另一PVD腔室的侧截面图。
图3B是根据某些实施例的图3A的PVD腔室的示意性俯视图。
图4是根据某些实施例的图示使用PVD腔室处理基板的方法的图。
为便于理解，在可能的情况下使用相同的附图标记来标明图中共有的相同要素。设想一个实施方式的要素和特征可有益地包括在其他实施方式中，而无需进一步叙述。
具体实施方式
本文提供的公开的实施例总体涉及电子元件制造工艺中基板上的薄膜的物理气相沉积(PVD)。更具体地，本文描述的实施例提供在使用紧凑靶(或在本文中也称为紧凑阴极、阴极或靶)时提高膜沉积均匀性的装置和方法。在一些实施例中，装置可包含基板支撑元件，所述基板支撑元件被配置成在处理期间旋转基板，以使用紧凑靶提高膜均匀性，与上文描述的大面积靶相比，这降低了靶的成本。本文提供的公开的实施例可提供靶，所述靶相对于正处理的基板倾斜，以便提高膜均匀性。本文提供的公开的实施例还可通过同时使用两个或更多个阴极实现共溅射，与使用单个阴极相比，这可提高处理量，并且使得可调整所沉积膜的组成。本文提供的公开的实施例还可使磁控管在两个大约垂直的方向上振荡，从而使磁场在靶的溅射服务区域上延伸，以实现全面侵蚀。大体而言，与仅靶的某些区域受到侵蚀的固定磁体相比，振荡有助于管理诸如颗粒和电弧之类的缺陷，并且延长靶的寿命。本文提供的公开的实施例还可使得能够在靶的背侧表面上沿一个-或多个路径扫描磁控管，使得可控制所沉积膜的均匀性。举例而言，在沉积工艺期间可调整磁控管的扫描，以补偿基板的不同区域上的任何膜厚度变化。
示例性基板处理系统
图1是根据某些实施例的示例性基板处理系统100(也称为“处理平台”)的示意性俯视图。在某些实施例中，基板处理系统100特别配置用于处理大面积基板，诸如上文描述的面板。基板处理系统100大体而言包含：设备前端模块(equipment front-end module；EFEM)102，用于将基板装载至处理系统100中；耦接至EFEM 102的第一装载锁定腔室104；耦接至第一装载锁定腔室104的传送腔室106；以及耦接至传送腔室106的多个其他腔室，如下文详细描述的。EFEM 102大体而言包含一个或多个机器人105，一个或多个机器人105被配置成将基板从FOUP 103传送至第一装载锁定腔室104或第二装载锁定腔室120中的至少一者。从第一装载锁定腔室104围绕传送腔室106逆时针行进而言，处理系统100包含第一专用除气腔室108、第一预清洁腔室110、第一沉积腔室112、第二预清洁腔室114、第二沉积腔室116、第二专用除气腔室118和第二装载锁定腔室120。在某些实施例中，将传送腔室106和耦接至传送腔室106的每个腔室维持在真空态。本文使用的术语“真空”可指低于760托的压力，并且通常将保持于接近10-5托(即～10-3帕)的压力。然而，一些高真空系统可在近10-7托(即～10-5帕)以下操作。在某些实施例中，使用耦接至传送腔室106和耦接至一个或多个工艺腔室(例如工艺腔室108至118)中的每一者的粗抽泵和/或涡轮分子泵产生真空。然而，还考虑其他类型的真空泵。
在某些实施例中，经由第一装载锁定腔室104中的门(也称为“出入口”)将基板装载至处理系统100中，并且经由第二装载锁定腔室120中的门从处理系统100卸除基板。在某些实施例中，设置在FOUP中的盒支撑基板堆叠，并且通过机器人105将基板堆叠从所述盒传送至第一装载锁定腔室104。一旦在第一装载锁定腔室104中抽出真空，即使用位于传送腔室106中的机器人107从第一装载锁定腔室104一次检取一个基板。在某些实施例中，盒设置在第一装载锁定腔室104和/或第二装载锁定腔室120内，以允许在由传送腔室106中的机器人107或EFEM 102中的机器人105接收多个基板之前在盒中堆叠并且保持所述多个基板。然而，还考虑其他装载和卸除配置。
基板的预清洁对于从基板表面移除杂质(诸如氧化物)至关重要，使得沉积腔室中沉积的膜(例如金属膜)不因杂质层而与基板的导电金属表面区域电绝缘。通过与第一沉积腔室112和第二沉积腔室116类似地共享真空环境的第一预清洁腔室110和第二预清洁腔室114中执行预清洁，可将基板在不暴露于大气的情况下从清洁腔室传送至沉积腔室。这防止在传送期间基板上形成杂质。另外，由于在将经清洁的基板传送至沉积腔室期间基板处理系统100中保持真空，因此真空抽气循环减少。在一些实施例中，当第一装载锁定腔室104或第二装载锁定腔室120中的盒为空的或满的时，处理系统100可使装载锁定腔室中的任一者打破真空，使得可向所述装载锁定腔室添加一个或多个基板或从所述装载锁定腔室中移除一个或多个基板。
在某些实施例中，每个预清洁和沉积腔室中一次仅处理一个基板。替代地，可一次处理多个基板，诸如四个至六个基板。在此类实施例中，可将基板设置在相应腔室内的可旋转托板上。在某些实施例中，第一预清洁腔室110和第二预清洁腔室114是用于蚀刻基板表面的电感耦合等离子体(inductively coupled plasma；ICP)腔室。然而，还考虑其他类型的预清洁腔室。在某些实施例中，用膜沉积腔室替换预清洁腔室中的一者或两者，所述膜沉积腔室被配置成执行PVD、化学气相沉积(chemical vapor deposition；CVD)或原子层沉积(atomic layer deposition；ALD)工艺，诸如沉积氮化硅。
在包含ICP源的预清洁腔室中，用外部RF源激励腔室顶部的线圈，以在腔室中产生激励场。预清洁气体(例如，氩、氦)从外部气体源流过腔室。通过输送的RF能量使腔室中的预清洁气体原子离子化(带电)。在一些实施例中，通过RF偏压源使基板偏压。将带电原子吸引至基板，以引起对基板表面的轰击和/或蚀刻。取决于期望的蚀刻速率和待蚀刻的材料，可使用除氩以外的其他气体。
在某些实施例中，第一沉积腔室112和第二沉积腔室116是PVD腔室。在此类实施例中，PVD腔室可被配置成沉积铜、钛、铝、金和/或钽。然而，还考虑其他类型的沉积工艺和材料。
示例性PVD腔室及其使用方法
图2A是根据某些实施例的可在图1的基板处理系统100中使用的PVD腔室200的侧截面图。举例而言，PVD腔室200可表示图1所示的第一沉积腔室112或第二沉积腔室116中的任一者。替代地，PVD腔室200可表示另外的沉积腔室。图2B是根据某些实施例的图2A的PVD腔室200的一部分的放大的截面图。因此，为清楚起见，本文对图2A至图2B一起描述。
PVD腔室200大体而言包含：腔室主体202；耦接至腔室主体202的盖组件204；耦接至盖组件204的磁控管208；设置在腔室主体202内的底座210；以及设置在磁控管208与底座210之间的靶212。在处理期间，将PVD腔室200的内部或处理区域237维持在真空压力下。处理区域237大体而言由腔室主体202和盖组件204限定，使得处理区域237主要设置在靶212与底座210的基板支撑表面之间。
电源206电连接至靶212，以对靶212施加负偏压的电压。在某些实施例中，电源206是直线DC模式源或脉冲DC模式源。然而，还考虑其他类型的电源，诸如射频(radiofrequency；RF)源。
靶212包含靶材料212M和背板218，并且是盖组件204的一部分。靶212的靶材料212M的前表面限定处理区域237的一部分。背板218设置在磁控管208与靶212的靶材料212M(图2B)之间，其中，在一些实施例中，靶材料212M粘合到背板218。通常，背板218是靶212的不可或缺的一部分，并因此为易于讨论，可将背板218和靶212统称为“靶”。通过使用电绝缘体215使背板218与盖组件204的支撑板213电绝缘，从而防止背板218与接地盖组件204的支撑板213之间产生电短路。如图2A所示，背板218具有多个冷却通道233，多个冷却通道233被配置成接收从中穿过的冷却剂(例如DI水)，以冷却或控制靶212的温度。在某些实施例中，背板218可具有一个或多个冷却通道。在一些示例中，多个冷却通道233可互连，和/或形成穿过背板218的主体的蛇形路径。护板223耦接至支撑板213。护板223防止从靶212溅射的材料在支撑板213上沉积膜。在一些实施例中，磁控管208和包含靶材料212M和背板218的靶212各自具有三角形或三角(delta)形状，使得靶212的侧缘包含三个角(例如图2C至图2D所示的三个圆角)。如图2C所示，靶212被定向为使得三角形或三角形状的靶的角的尖端在中心轴线291处或邻近中心轴线291。如图2C所示，当以平面定向的视角观察时，靶212的表面积小于基板216的表面积。在一些实施例中，底座的上表面的表面积大于靶212的前表面的表面积。在一些实施例中，靶212的前表面与基板216的沉积表面(例如基板的上表面)的表面积比在约0.1与约0.4之间。
如图2A所示，将磁控管208设置在靶212的一部分上方并且在盖组件204的维持在大气压下的区域中。磁控管208包含磁板209(或轭)和附接至分流板的多个永磁体。磁板209具有包含三个角的三角形或三角形状(图2C)。将永磁体211布置在一个或多个闭环中。一个或多个闭环中的每一者将包含磁体，所述磁体被相对于磁体的极(即北(N)极和南(S)极)定位和定向，使得磁场从一个环路延展至下一环路，或在环路的不同部分之间延展。通常将各个永磁体211的大小、形状、磁场强度和分布选择为在结合下文描述的磁控管208的振荡使用时，在靶212的表面上产生期望的侵蚀图案。在某些实施例中，磁控管208可包含代替永磁体211的多个电磁体。
底座210具有支撑基板216的上表面214。使用夹子224固持上表面214上的基板216。在某些实施例中，以机械方式操作夹子224。举例而言，夹子224的重量可使基板216保持就位。在某些实施例中，用销升降夹子224，所述销可相对于底座210移动，以接触夹子224的下侧。
在此示例中，基板216的背侧与底座210的上表面214接触。在一些示例中，基板216的整个背侧可与底座210的上表面214发生电接触和热接触。可使用温度控制系统232控制基板216的温度。在某些实施例中，温度控制系统232具有向底座210供应冷却剂的外部冷却源。在一些实施例中，外部冷却源被配置成将低温冷却流体(例如)输送至底座210的邻近上表面214的基板支撑部分内的热交换元件(例如冷却剂流路)，以便将基板的温度控制在低于20℃的温度，诸如低于0℃，诸如约-20℃或更低。在某些实施例中，温度控制系统232包括在底座210内的热交换器和/或背侧气流。在一些实施例中，可用加热源替换或增强冷却源，从而在不依赖溅射工艺期间产生的热量的情况下提高工件的温度。在溅射工艺期间控制基板216的温度对于得到可预测且可靠的薄膜至关重要。在某些实施例中，在溅射工艺期间使RF偏压源234电耦接至底座210，以使基板216偏压。替代地，可使底座210接地、浮动，或仅通过DC电压源使底座210偏压。使基板216偏压可提高基板表面上的膜密度、粘附力和材料反应性。
底座轴221耦接至底座210的下侧。将旋转活接头219耦接至底座轴221的下端，以提供与温度控制系统232的旋转流体耦合和与RF偏压源234的旋转电耦合。在某些实施例中，铜管设置成穿过底座轴221以将流体和电两者耦合至底座210。旋转活接头219包含用于真空旋转馈通的磁性液体旋转密封机构(也称为“密封”)。
在此示例中，基板216是面板。在某些实施例中，底座210的上表面214适合具有约500mm或更大(诸如510mm×515mm或600mm×600mm)的边的单个正方形或矩形面板基板。然而，可用许多不同类型和大小的基板实施本公开的装置和方法。
在某些实施例中，底座210可围绕与底座210的上表面214的至少一部分垂直的中心轴线291旋转。在此示例中，底座210可围绕垂直轴线(对应于z轴而言)旋转。在某些实施例中，底座210的旋转是连续的而没有分度。换言之，驱动底座210旋转的电机231没有用于将基板216旋转至某些固定旋转位置的编程的停止。相反，底座210相对于靶212连续旋转，以提高膜均匀性。在某些实施例中，电机231是电动伺服电机。可用单独的电机235升高和降低电机231。电机235可为电动线性致动器。波纹管217包围底座轴，并且在升高和降低底座210期间在腔室主体202与电机231之间形成密封。
由靶材料212M的表面限定的靶212的下侧表面面向底座210的上表面214并且面向基板216的前侧。靶212的下侧表面背离背板218，背板218面向PVD腔室的大气区域或外部区域。在某些实施例中，靶212的靶材料212M由金属形成，以用于在基板上溅射对应的膜成分。在一个示例中，靶材料212M可包含纯的材料或含有选自铜(Cu)、钼(Mo)、镍(Ni)、钛(Ti)、钽(Ta)、铝(Al)、钴(Co)、金(Au)、银(Ag)、锰(Mn)和硅(Si)的群组的元素的合金。通过本文描述的方法沉积在基板216上的材料可包括含有这些元素的纯金属、掺杂金属、金属合金、金属氮化物、金属氧化物、金属碳化物，以及含硅的氧化物、氮化物或碳化物。
在所说明的实施例中，如图2B所示，与靶212的下侧平行的平面相对于支撑板213的上表面倾斜角度282。换言之，靶212的平面相对于底座210的上表面214的平面倾斜，并且由此相对于基板216的前侧倾斜。由于底座210和靶212中的每一者的相应主体为大致平面的，因此还可将靶212称为相对于底座210倾斜，反之亦然。在某些实施例中，角度282为约2°至约10°，诸如约3°至约5°。如图2A所示，角度282为约4°。如图2A所示，靶212在从靶212的内径向边缘212C至靶212的外径向边缘212A的方向上向下倾斜。与外径向边缘212A相比，内径向边缘212C距底座210的上表面214(例如垂直方向上)更远。在一个示例中，靶212包含包括三个角的边缘，并且由于形成的倾斜角，三个角中的与内径向边缘212C重合的一个角定位成与其他两个角中的每一者相比距底座210的上表面更远。据信，超过本文提供的范围的倾斜角可能具有从内径向边缘212C至外径向边缘212A变化太大的靶至基板间距，这可导致膜质量出现不期望的变化。在一个示例中，膜质量的不期望变化将包括膜粗糙度或晶粒大小或者基板的中心至边缘的均匀性的不期望变化。在另一示例中，膜质量的不期望变化可包括在PVD工艺期间提供至基板表面的溅射材料量与提供至包围基板的护板的溅射材料量的不期望比率。低于本文提供的范围的倾斜角导致膜出现不期望的非均匀性。因此，相比于其他常规的设计，本文提供的倾斜角窗能够实现改良的膜沉积结果。
在此示例中，底座210是基本上水平的，或平行于x-y平面，而靶212是非水平的，或相对于x-y平面倾斜。然而，还考虑底座210的其他非水平定向。
第一致动器220耦接至盖组件204且耦接至磁控管208，以用于在第一致动器220的旋转轴线293为中心的周向方向B(图2C所示)上振荡磁控管208，第一致动器220定位在中心轴线291附近并且与中心轴线291成角度283。在一些实施例中，旋转轴线293垂直于靶212的表面。在一些实施例中，如图2B所示，当相对于与旋转轴线293垂直的平面测量时，旋转轴线293设置成与磁控管208(例如磁控管208的最近的边缘208C)相距一距离。第一致动器220具有转子225和定子227。定子227耦接至支撑柱290，支撑柱290耦接至盖组件204的支撑板213。转子225耦接至安装板229，安装板229经由铰链228(下文详细描述)耦接至磁控管208。在一些配置中，支撑柱290的中心轴线291相对于腔室主体202和盖组件204居中。在某些实施例中，第一致动器220是电动机。替代地，可使用气动电机。在一些示例中，第一致动器220可为伺服电机或步进电机。在一些示例中，第一致动器可为直接驱动电机、皮带驱动电机或齿轮驱动电机。在某些实施例中，第一致动器具有对应于周向振荡角的程序停止。在某些实施例中，第一致动器220是对应于周向振荡角的电动或气动旋转致动器。然而，还考虑其他类型的电机/致动器。
在所说明的实施例中，铰链228用于将磁控管208的支撑主体230耦接至第一致动器220。铰链228使得能够将磁控管208升高并旋转离开背板218。这使得可容易地进入磁控管208的下侧和背板218的顶侧，以执行维护，诸如更换靶212。
如上文所指出，在一些实施例中，第一致动器220相对于盖组件204倾斜。如图2B所示，第一致动器220的旋转轴线293相对于支撑柱290的中心轴线291倾斜角度283。中心轴线291和旋转轴线293在枢转点295相交。在此示例中，第一致动器220的旋转轴线293垂直于安装板229，安装板229相对于支撑板213的上表面倾斜角度281。将了解，角度281、283相等，使得在处理期间通过使用第一致动器220和第二致动器222来使磁控管208在背板218的表面上方平移时，磁控管208的下表面与背板218的上表面之间的距离保持不变。在此示例中，第一致动器220平行于靶212的背板218，使得靶212的角度282等于第一致动器220的角度281。在一些其他示例中，第一致动器220可垂直定向(图3A)，诸如与中心轴线291平行或共线，而非倾斜(图2A至图2B所示)。
返回参考图2A至图2B，第二致动器222耦接在磁控管208与第一致动器220之间，以允许磁控管208相对于靶212和PVD腔室200在径向方向“A”(图2C)上振荡。第二致动器222是电动线性致动器，所述电动线性致动器具有与期望的径向振荡距离相对应的冲程距离。替代地，可使用气动线性致动器。在某些实施例中，第二致动器222是电动或气动旋转电机，所述电动或气动旋转电机具有对应于径向振荡距离的程序停止。在一些示例中，第二致动器222可为耦接至导螺杆组件的直接驱动电机、皮带驱动电机或齿轮驱动电机，所述电机可包含用于引导磁控管在期望径向方向上的运动的滑块。然而，还考虑其他类型的电机/致动器。
磁控管208在背板218的表面上方的平移用于实现靶212的下侧的全面侵蚀，并且有助于缺陷管理。另外，与其中仅靶212的某些区域受到侵蚀的固定磁体相比，这有助于延长靶212的寿命。在某些实施例中，使第一致动器220和第二致动器222同步，以控制磁控管208在背板218的背侧上在一个或多个方向上的扫描路径，如下文结合图2D更详细地描述的。
系统控制器250(诸如可编程计算机)耦接至PVD腔室200，以用于控制PVD腔室200或其部件。举例而言，系统控制器250可使用对电源206、磁控管208、底座210、背板218的冷却、第一致动器220、第二致动器222、温度控制系统232和/或RF偏压源234的直接控制或通过对与上述各项相关联的其他控制器的间接控制来控制PVD腔室200的操作。在操作中，系统控制器250实现来自各个部件的数据采集和反馈，以协调PVD系统200中的处理。
系统控制器250包含可编程中央处理单元(central processing unit；CPU)252，CPU 252可与存储器254(例如非易失性存储器)和支持电路256一起操作。支持电路256(例如高速缓存、时钟电路、输入/输出子系统、电源等以及以上各项的组合)以常规方式耦接至CPU 252，并且耦接至PVD腔室200的各个部件。
在一些实施例中，CPU 252是用于工业设置中的任何形式的通用计算机处理器中的一者，诸如可编程逻辑控制器(programmable logic controller；PLC)，以用于控制各个监测系统部件和子处理器。耦接至CPU 252的存储器254是非瞬态的，并且通常为一种或多种容易获得的存储器，诸如随机存取存储器(random access memory；RAM)、只读存储器(read only memory；ROM)、软盘驱动器、硬盘或任何其他形式的本地或远程的数字存储。
本文中，存储器254是包含指令的计算机可读存储介质的形式(例如非易失性存储器)，所述指令在由CPU 252执行时促进PVD腔室200的操作。存储器254中的指令是程序产品的形式，诸如实施本公开的方法的程序(例如中间软件应用、装备软件应用等)。程序代码可符合多种不同编程语言中的任一者。在一个示例中，本公开可实施为用于与计算机系统一起使用的计算机可读存储介质上存储的程序产品。程序产品的(多个)程序定义实施例的功能(包括本文描述的方法)。
说明性计算机可读存储介质包括但不限于：(1)非可写存储介质(例如计算机中的只读存储器装置，诸如CD-ROM驱动器可读的CD-ROM碟、闪存、ROM芯片或任何类型的固态非易失性半导体存储器)，其上永久存储信息；以及(2)可写存储介质(例如磁盘驱动器或硬盘驱动器或任何类型的固态随机存取半导体存储器)，其上存储可变信息。当携载引导本文描述的方法的功能的计算机可读指令时，此类计算机可读存储介质是本公开的实施例。
在操作中，PVD腔室200被抽空并回填有氩气。电源206对靶212施加负偏压电压，以在腔室主体202内部产生电场。电场用于吸引气体离子，气体离子因与靶212的暴露表面碰撞而产生电子，所述电子使得能够在靶212的下侧附近产生并且维持高密度等离子体。等离子体因磁控管208产生的磁场而在靶材料212M的表面附近聚集。磁场形成用作电子陷阱的闭环环形路径，所述电子陷阱将从靶材料212M射出的二次电子的轨迹的整形为摆线路径，从而显著提高限制区中的溅射气体的离子化概率。被限制于靶212的下侧附近的等离子体含有氩原子、正电荷氩离子、自由电子以及从靶材料212M溅射的中性原子(即未离子化的原子)。等离子体中的氩离子撞击靶表面，并且使靶材料的原子射出，所述原子朝向基板216加速，以在基板表面上沉积薄膜。
惰性气体(诸如氩)常用作溅射气体，因为惰性气体倾向于不与靶材料反应或与任何工艺气体结合，并且因为惰性气体由于其相对高的分子量而产生较高的溅射和沉积速率。
图2C是根据某些实施例的俯视图，图示了与图2A的腔室主体202相关的靶212和基板216。在某些实施例中，靶212的外径向边缘212A在基板216的角之外延伸约1英寸至约3英寸(例如约1.5英寸)的距离。在某些实施例中，靶212的内径向边缘212C与支撑柱290的中心轴线291相隔约0.25英寸至约0.75英寸(例如约0.5英寸)的距离，所述中心轴线291可与腔室主体202的径向中心重合。
图2D是根据某些实施例的俯视图，其图示图2A的叠加的磁控管208和靶212。应指出包围图2D中的靶212的周边的结构是背板218的一部分。如图2C至图2D所示，靶材料212M、背板218和磁控管208各自具有包含三个圆角的三角形或三角形状，其中三个圆角中的一者定位在中心轴线291附近或基本上邻近中心轴线291。如图2D所示，靶212和磁控管208成形和定向为使得磁控管208能够在靶212的基本上整个有效区域(诸如靶的靶材料212M部分)上方平移。在一些实施例中，如下文更详细地描述，靶212和磁控管208具有基本上相同的形状。如图2D所示，磁控管208的半径R1小于靶212的对应半径R2，使得磁控管208能够在如上文描述的径向方向上平移。如图2D所示，磁控管208的外径向边缘208A的曲率半径小于或等于靶212的对应外径向边缘212A。在一些实施例中，曲率半径相差约40％或更小，诸如约20％或更小。磁控管208的外径向边缘208A的弧长小于靶212的外径向边缘212A的对应弧长，使得磁控管208可在如上文描述的周向方向上平移。如图2D所示，磁控管208的相应的相对边缘208B和208D以及靶212的对应的相对边缘212B和212D分别定向为接近彼此平行。在一些实施例中，各个边缘208B、212B以及208D、212D之间的角度在约5°或更小的范围内，诸如约0°至约5°，诸如约0°(即彼此平行)。
如图2D所示，可使第一致动器220和第二致动器222同步，以沿扫描路径226扫描磁控管208。第一致动器220和第二致动器222可被同步(例如通过系统控制器250)，以控制磁控管208的平移，使得磁控管208遵循扫描路径226。应指出，仅出于说明性的目的，将扫描路径226图示为在顺时针方向上一次进行一个步骤。然而，在不偏离本文提供的公开的基本范围的情况下，扫描路径226可包含在任何期望的方向上沿扫描路径226的任何部分进行的一个或多个来回运动。在一些实施例中，扫描路径226包含在如上文描述的径向和周向方向中的至少一者上平移磁控管208的工艺，并且由此包含在本文中常称为环形路径的扫描路径226(例如图2D所示的扫描路径)。在一些实施例中，磁控管208的平移运动不包括磁控管208的旋转运动，诸如磁控管208在处理期间围绕定位在磁控管208的范围内的旋转轴线的旋转或扭转运动，所旋转运动在包含PVD腔室设计的常规圆形靶中常见。由于第一致动器220的致动提供的周向运动，扫描路径226包含周向分量B(图2C所示)，所述周向分量B为弧形且大体而言与图2C中的y轴的方向基本对准。另外，扫描路径226包含径向分量“A”(图2C所示)，由于在扫描路径226完成期间的一瞬间第二致动器222与x轴对准，径向分量“A”在图2C图示为在x轴方向上对准。在图2D所示的示例中，扫描路径226形成图示为一系列扫描路径区段的复杂环形扫描路径226，用一系列相联的箭头表示这些扫描路径区段。在一些实施例中，扫描路径226包含两个区段(例如一次来回运动)，但扫描路径226将通常包含多于两个区段，这些区段用于确保在处理期间磁控管208在靶212上的平移使得从靶面的所有区域去除靶材料212M，从而减少颗粒产生并且提高靶材料利用率。可精确控制扫描路径226，并使扫描路径226基于各个电机的振荡频率和冲程长度符合各种不同形状的区段。在某些实施例中，可控制磁控管208的扫描，以增加靶212的下侧的总侵蚀面积。在某些实施例中，可编程磁控管208的扫描，以控制沉积在基板表面上的膜的均匀性。在某些示例中，可调整磁控管208的扫描路径，以补偿基板表面上的沉积膜的厚度的任何变化。
在某些实施例中，除了同步在一起以外，第一致动器220和第二致动222还可与底座210的旋转同步，从而进一步控制沉积在基板表面上的膜的均匀性。
替代的PVD腔室及其使用方法
图3A是PVD腔室300的截面图，所述截面图由对图3B所示的PVD腔室300的俯视图应用剖切线形成。根据某些实施例，PVD腔室300可在图1的基板处理系统100中使用。举例而言，PVD腔室300可表示图1所示的第一沉积腔室112或第二沉积腔室116中的任一者。替代地，PVD腔室300可表示另外的沉积腔室。图3B是根据某些实施例的图3A的PVD腔室300的示意性俯视图。因此，为清楚起见，本文对图3A至图3B一起描述。
与仅能够执行单靶溅射的PVD腔室200(图2A所示)相比，PVD腔室300可实现同时从一个或多个不同的靶进行共溅射。PVD腔室300包含耦接至盖组件204的第二磁控管308以及设置在第二磁控管308与底座210的上表面214之间的第二靶312。铰链328用于将第二磁控管308的支撑主体330耦接至第一致动器320。第二靶312以类似于上文描述的第一靶212的方式倾斜。在某些实施例中，第一靶212和第二靶312由相同的材料形成。在某些实施例中，第一靶212和第二靶312由不同材料形成。在某些实施例中，第一靶212和第二靶312能够将相同的溅射材料同时提供到基板的不同区域上。虽然图2A仅图示一个靶而图3A图示两个靶，但本公开的实施例不特别受限于所说明的实施例。在一些其他实施例中，PVD腔室包含多于两个的靶。在此类实施例中，PVD腔室包含定位在靶上方的磁控管，使得至少一个磁控管定位在一个靶上方。在某些实施例中，每个靶在朝向中心轴线291、393的径向方向上倾斜，这类似于如上文描述的第一靶212和第二靶312。
在PVD腔室300中，第一致动器320耦接至盖组件204并且耦接至磁控管208、308两者，以用于使磁控管208、308两者在围绕中心轴线291、392的周向方向“B”、“B’”上并且相对于对应的靶212、312振荡。磁控管208、308在与转子225相同的方向上旋转(例如顺时针或逆时针)。如图3A所示，第一致动器320与盖组件204对准，并且磁控管208、308各自相对于第一致动器320倾斜角度282，以使磁控管208、308与对应靶212、312的背板218、318平行。在此示例中，第一致动器320的中心轴线393与支撑柱290的中心轴线291重合。在一些实施例中，这与PVD腔室200(图2A至图2B所示)相反，PVD腔室200中第一致动器220相对于盖组件204倾斜角度283。
在PVD腔室300中，第二致动器322耦接在磁控管308与第一致动器320之间，使得磁控管308相对于靶312和PVD腔室300在径向方向“A’”(图3B)上振荡。第二致动器322独立于第一致动器320被致动，类似于上文描述的第二致动器222的致动。在一些实施例中，每个磁控管208、308在如上文描述的径向和周向方向中的至少一者上平移。由于第一致动器320的致动提供的周向运动，每个磁控管208、308的扫描路径包含周向分量“B”、“B’”，所述周向分量“B”、“B’”为弧形且大体而言与图3B中的y轴的方向基本对准。另外，每个磁控管208、308的扫描路径包含来自对应的第二致动器222、322的致动的在x轴的方向上对准的径向分量“A”、“A’”。精确控制扫描路径，使得磁控管可沿一个或多个路径平移，所述一个或多个路径可基于各个电机的振荡频率和冲程长度而有多种不同的形状。磁控管208的径向分量“A”和磁控管308的径向分量“A’”被彼此独立地控制。然而，磁控管208的周向分量“B”和磁控管308的周向分量“B’”经由耦接至如上文描述的第一致动器320而链接。
图4是根据某些实施例的图示使用PVD腔室处理基板的方法400的图。应注意，仅出于说明的目的在以下示例中描述PVD腔室200。在操作402中，将基板216设置在底座210的上表面214上，并且使基板216通过使用电机231围绕旋转轴线并且相对于一个或多个靶(例如靶212或靶212和312)旋转。在一些实施例中，使底座210相对于一个或多个靶连续旋转，以提高膜均匀性。
在操作404中，在旋转期间，来自第一靶212的材料被溅射，以将膜沉积到基板216上。第一靶212相对于底座210倾斜角度282(图2B所示)。当使用PVD腔室300的配置时，在基板旋转期间，来自第二靶312的材料也可被溅射至基板216上。来自第一靶212和第二靶312中的每一者的材料可同时被溅射至基板216的不同区域上。
在操作406中，第一磁控管208通过使用第一致动器220相对于第一靶212在周向方向B上平移，第一致动器220经由铰链228和支撑主体230耦接至磁控管208。当使用PVD腔室300的配置时，第一磁控管208和第二磁控管308两者通过使用第一致动器320同时在周向方向B上平移，第一致动器320分别通过铰链228、328和支撑主体230、330耦接至第一磁控管208和第二磁控管308。
在操作408中，第一磁控管208通过使用第一致动器220相对于第一靶212在径向方向A上平移，第一致动器220经由支撑主体230耦接至磁控管208。当使用PVD腔室300的配置时，第一磁控管208和第二磁控管308两者可通过使用系统控制器250、经由支撑主体230耦接至第一磁控管208的第二致动器222以及经由支撑主体330耦接至第二磁控管308的第二致动器322同时在径向方向A上平移。可通过使用系统控制器250使一个或多个磁控管的平移的周向方向B和径向方向A的分量彼此独立地受控制。在方法400的一些实施例中，基本上同时执行操作406和408。
另外，在方法400的一些实施例中，基本上同时执行操作402、404、406和408。在方法400的一些实施例中，在启动操作404之前，启动操作402、406和408。在方法400的一些实施例中，依序启动操作402、404、406和408。在方法400的一些实施例中，不依序启动操作402、404、406和408。
虽然前述内容涉及本公开的实施例，但可在不脱离本公开基本范围的情况下设计本公开的其他和进一步实施例，并且本公开的范围由所附权利要求书确定。

Claims (20)

1.一种物理气相沉积(PVD)腔室，包含：
底座，所述底座设置在所述PVD腔室的处理区域内，所述底座具有被配置成在其上支撑基板的上表面；
第一电机，所述第一电机耦接至所述底座，所述第一电机被配置成使所述底座围绕与所述底座的所述上表面的至少一部分垂直的第一轴线旋转；
盖组件，所述盖组件包含第一靶，其中
所述第一靶的表面限定所述处理区域的一部分，并且包含第一靶材料；
所述底座的所述上表面的表面积大于所述第一靶的所述表面的表面积；以及
所述第一靶的所述表面相对于所述底座的所述上表面的平面以第一角度倾斜；
第一磁控管，所述第一磁控管设置在所述第一靶的一部分上方并且在所述盖组件的维持在大气压下的区域中；
第一致动器，所述第一致动器被配置成在第一方向上平移所述第一磁控管，其中通过所述第一致动器平移所述第一磁控管包括使所述第一磁控管围绕第二轴线旋转；
第二致动器，所述第二致动器被配置成在第二方向上平移所述第一磁控管；以及
系统控制器，所述系统控制器被配置成通过使所述第一致动器和所述第二致动器同时平移所述第一磁控管来使所述第一磁控管沿第一路径的至少一部分平移。
2.如权利要求1所述的PVD腔室，其中所述第一磁控管和所述第一靶是三角形状的。
3.如权利要求1所述的PVD腔室，进一步包含耦接至所述底座的旋转活接头，所述旋转活接头被配置成在所述底座围绕所述第一轴线旋转期间提供对所述底座的流体耦合。
4.如权利要求1所述的PVD腔室，其中所述底座的所述上表面被配置成接收正方形或矩形基板，所述正方形或矩形基板的边的长度为约500mm或更大。
5.如权利要求1所述的PVD腔室，其中所述第一靶的边缘包含三个角，并且所述三个角中的一者定位成与其他两个角相比在径向上更接近所述第一轴线。
6.如权利要求5所述的PVD腔室，其中所述第一靶的所述三个角中的所述一者与所述其他两个角相比距所述底座的所述上表面更远。
7.如权利要求1所述的PVD腔室，其中：
所述第一靶包含被配置成接收从中穿过的冷却剂的一个或多个冷却通道以用于冷却所述第一靶，并且
所述PVD腔室进一步包含：
第二靶，其中
所述第二靶的表面限定所述处理区域的不同的部分，并且包含第二靶材料；
所述底座的所述上表面的所述表面积大于所述第二靶的所述表面的表面积；
所述第二靶的所述表面相对于所述底座的所述上表面的所述平面以第二角度倾斜；以及
所述第二靶包含被配置成接收从中穿过的冷却剂的一个或多个冷却通道以用于冷却所述第二靶；以及
第二磁控管，所述第二磁控管设置在所述第二靶的一部分上方并且在所述盖组件的维持在大气压下的所述区域中。
8.如权利要求7所述的PVD腔室，其中所述第一靶材料和所述第二靶材料包含相同的材料。
9.如权利要求7所述的PVD腔室，其中所述第一靶材料和所述第二靶材料包含不同的材料。
10.如权利要求7所述的PVD腔室，其中所述第一靶和所述第二靶被配置成将所述相同的材料同时沉积到基板的不同区域上。
11.如权利要求1所述的PVD腔室，其中所述第一方向是径向方向，并且所述第二方向是周向方向。
12.如权利要求1所述的PVD腔室，其中：
所述第二轴线相对于所述第一轴线倾斜，并且
所述第二轴线在与所述第一靶的所述表面垂直的方向上延伸。
13.如权利要求1所述的PVD腔室，其中所述系统控制器被配置成使所述第一致动器和所述第二致动器同步，以维持所述第一磁控管沿所述第一路径的平移。
14.一种物理气相沉积(PVD)腔室，包含：
底座，所述底座设置在所述PVD腔室的处理区域内，所述底座具有被配置成在其上支撑基板的上表面；
第一电机，所述第一电机耦接至所述底座，所述第一电机被配置成使所述底座围绕与所述底座的所述上表面的至少一部分垂直的第一轴线旋转；
盖组件，所述盖组件包含第一靶，其中
所述第一靶的表面限定所述处理区域的一部分，并且包含第一靶材料；以及
所述第一靶的所述表面相对于所述底座的所述上表面的平面以第一角度倾斜；以及
第一磁控管，所述第一磁控管设置在所述第一靶的一部分上方并且在所述盖组件的维持在大气压下的区域中；
第一致动器，所述第一致动器被配置成在第一方向上平移所述第一磁控管；以及
计算机可读介质，所述计算机可读介质存储指令，所述指令在由系统的处理器执行时使所述系统同时使得：
所述第一电机围绕所述第一轴线旋转所述底座；以及
所述第一致动器在第一方向上平移所述第一磁控管。
15.如权利要求14所述的PVD腔室，包含可执行指令，所述可执行指令被进一步配置成同时使得：
第二致动器平移所述第一磁控管，其中
平移所述第一磁控管包括围绕第二轴线旋转所述第一磁控管，其中当相对于与所述第二轴线垂直的平面测量时，所述第二轴线设置成与所述第一磁控管相距一距离。
16.如权利要求15所述的PVD腔室，其中所述第一方向是从所述PVD腔室的中心轴线延伸的径向方向。
17.如权利要求15所述的PVD腔室，其中所述第一致动器和所述第二致动器被配置成通过使所述第一致动器和所述第二致动器同时平移所述第一磁控管来使所述第一磁控管沿第一路径的至少一部分平移。
18.如权利要求14所述的PVD腔室，其中所述第一靶的边缘包含三个角，并且所述三个角中的一者定位成与其他两个角相比在径向上更接近所述第一轴线。
19.如权利要求18所述的PVD腔室，其中所述第一靶包含被配置成接收从中穿过的冷却剂的一个或多个冷却通道以用于冷却所述第一靶。
20.一种处理系统，包含：
传送腔室；以及
物理气相沉积(PVD)腔室，所述PVD腔室耦接至所述传送腔室，所述PVD腔室包含：
底座，所述底座设置在所述PVD腔室的处理区域内，所述底座具有被配置成在其上支撑基板的上表面；
第一电机，所述第一电机耦接至所述底座，所述第一电机被配置成使所述底座围绕与所述底座的所述上表面的至少一部分垂直的第一轴线旋转；
盖组件，所述盖组件包含第一靶，其中
所述第一靶的表面限定所述处理区域的一部分，并且包含第一靶材料；
所述底座的所述上表面的表面积大于所述第一靶的所述表面的表面积；
所述第一靶的所述表面相对于所述底座的所述上表面的平面以第一角度倾斜；以及
所述第一靶包含被配置成接收从中穿过的冷却剂的一个或多个冷却通道以用于冷却所述第一靶；
第一磁控管，所述第一磁控管设置在所述第一靶的一部分上方并且在所述盖组件的维持在大气压下的区域中；
第一致动器，所述第一致动器被配置成在第一方向上平移所述第一磁控管；
第二致动器，所述第二致动器被配置成平移所述第一磁控管，其中
通过所述第二致动器平移所述第一磁控管包括使所述第一磁控管围绕第二轴线旋转；以及
系统控制器，所述系统控制器被配置成通过使所述第一致动器和所述第二致动器同时平移所述第一磁控管来使所述第一磁控管沿第一路径的至少一部分平移。
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