CN1308146A - 包层的中空阴极磁控管溅射靶的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种比单片靶更轻和/或更廉价的中空阴极磁控管溅射靶的制造方法。先将溅射靶材料板连接在比溅射靶材料更轻和/或更廉价的包层材料片上。然后将这种包层靶组件成型为中空阴极磁控管溅射靶,例如通过深拉成型。这种包层中空阴极磁控管进一步提供了比单片靶更大的溅射靶材料的百分利用率。

Description

包层的中空阴极磁控管溅射靶的制造方法

本发明涉及一种阴极磁控管溅射靶的制造方法，该阴极磁控管溅射靶用于半导体装置上的薄膜的物理汽相沉积。

在半导体工业中，一直需要更快和更小的集成电路芯片来处理日益增长的各类复杂的应用程序。这样，半导体工业正朝具有低于0.25μm特性的电路装置大规模生产的边缘发展。为了生产这些装置，需要制造业在各方面有重要的变化，包括新材料和制造技术方面的变化。相对于现有的装置，低于0.25μm特性的装置随着它们纵横比的增加，对现有的物理汽相沉积(PVD)和金属喷镀技术提出了巨大的挑战。

针对低于0.25μm特性的装置的挑战，在物理汽相沉积(PVD)技术上发展出了一种新的中空阴极磁控管(HCM)，它是用作制造半导体装置的离子化PVD溅射靶源上的一种高密度等离子体装置。这种在离子化的PVD应用中的HCM溅射源相对传统PVD技术成本低、性能好。

当用于离子化PVD环境时，HCM技术能更有效地制造靶原料离子，它们直接以正确的角度到达通过加填被有效覆层的基片上。这种技术提供了十分有效的沉积，并相对地不受特性宽度的影响。在不使用平行光管的情况下，它也能提供优秀的高纵横比的底部覆盖度。现有设计的HCM溅射靶是杯型的。HCM对于平面阴极来说是有吸引力的选择对象，这是因为杯型设计能优质地完成对高纵横比特性地加填。定向永磁铁被特别设置在靶的外壁上，并在靶区域内产生高密度等离子体。这种HCM设计可以让沉积的中性物质(也就是说，中性原子)回收，直到它们被高密度等离子体离子化。这种回收效果延长了靶的寿命。其它HCM的优点包括更长的遮蔽寿命、延长维护间隔时间和比其它溅射技术更有效地降低成本。这种沉积技术达到和超过半导体工业对低于0.25μm装置的需要。特定地，HCM离子化源的技术能使高品质Ta、TaN、Cu、Ti、TiN和其它薄膜沉积在低于0.25μm双波纹(dual damascene)结构上。

HCM靶通常制成单片靶，其通过浇铸形成小胚的靶材料，然后由已知金属成型技术，如锻压或深拉成型形成小胚以制成专门设计的靶。然后形成的靶用机加工制造出最终尺寸。靶的原料通常是很昂贵和笨重的。由于尺寸持续增加以适应工业需要，单片靶变得更昂贵、更笨重和更难以处理。

进一步地，溅射靶表面的颗粒腐蚀通常发生在相对狭窄的环形区内，叫做“环形轨迹区”。在更换前，仅仅消耗掉了环形轨迹区的全部的靶材料，靶就需更换了。对于单片HCM溅射靶，典型地仅有25％或更低的在环形轨迹区内有用的靶材料脱落并因此而实际上被溅射。大量剩余的昂贵、有用的靶材料被浪费或必须被回收。

这样就需要开发一种方法，用于制造不昂贵、轻便的HCM靶以适应对于靶尺寸增长而产生的持续的需要，还需要开发一种使溅射靶材料利用率更高的制造靶的方法。

本发明提供一种包层的HCM溅射靶，该溅射靶将轻便和/或不昂贵、低纯度包层材料片附着在溅射靶材料板上，该溅射靶材料最好具有精细、均匀的微观结构。这种包层HCM溅射靶比单片HCM溅射靶更轻和/或造价较低，并且其溅射靶材料利用率更高。就此而言，根据本发明的原理，将溅射靶材料成型为板状，例如用压制和/或辊压，或最好用热处理的方法以形成精细的、均匀的微观结构。然后在该靶材料板上附着一层轻便的和/或不昂贵的包层材料片，例如通过扩散粘接、爆炸焊接、摩擦熔接、环氧树脂粘接、软钎焊或硬钎焊，以形成具有比相同尺寸单片溅射靶更轻重量和/或更低成本的包层靶组件。最好是用靶材料的微观结构基本上不改变的方法，如爆炸焊接方法来连接。

然后将该包层靶组件成型为HCM溅射靶，例如可以通过深拉成型、锻压、液压成型、爆炸成型、冲压、轧制、拉伸成形或电磁成型等方法成型。HCM溅射靶最好通过深拉成型，这样就不会明显改变靶材料的微观结构。用于形成本发明中包层HCM溅射靶的溅射靶材料的总量比单片组件低，然而溅射靶材料在环形轨迹区内的溅射量是相同的。

然后将相对便宜、商品级材料的凸缘部分附着在HCM溅射靶上，其装配方法可以是机械连接、电子束焊接、硬钎焊或环氧树脂粘接方法。

于是，提供了这样的HCM溅射靶组件，其能满足增长的靶尺寸的需要而不受昂贵或笨重的制约。本发明进一步提供了一种能增加溅射靶材料的利用百分率的HCM溅射靶组件。

通过附图以及对其所作的描述，本发明的这些和其它目的和优点将更清楚。

附图作为说明书的一部分，此处对其所作说明以及发明的实施例、上述对发明的一般描述和下面将给出的详细描述，都是对本发明原理的解释。

图1是描述本发明连接步骤的透视图：

图2是本发明的包层靶组件的透视图；

图3是本发明的包层中空阴极磁控管溅射靶的剖视图。

一种包层的HCM溅射靶组件，最好具有精细、均匀的颗粒，其制造方法包括，将溅射靶材料板与轻质和/或不昂贵包层材料连接在一起，并将包层组件成型为HCM组件。其中溅射靶上的精细、均匀的微观结构是在连接包层材料之前获得的，将溅射靶材料连接在包层材料上并将包层组件成型为溅射靶组件的步骤最好通过基本上不改变溅射靶材料微观结构的方法来完成。另外，在连接之前精细、均匀的微观结构也可以不存在，而铁通过连接方法本身可以改变微观结构，或可选择将已形成的HCM溅射靶组件通过再结晶热处理来获取所需微观结构。

就此而言，根据本发明的原理，首先将溅射靶材料制成板状，采用如压制和/或辊压或任何其它的合适、众所周知的金属加工操作，期间可以进行或不进行热处理步骤。根据所使用的特定靶材料，压制和/或辊压可以在室温或更高的温度下进行。一般用于制造200毫米直径半导体圆片的板的尺寸是635×635×7.62mm(25×25×3英寸)。用于300毫米直径半导体圆片的板的尺寸将会达到更大。

沉积在半导体圆片上的溅射靶材料是金属、金属氧化物、金属硅化物或合金，材料纯度越高越好，纯度最好为99％至99.99999％。这些材料包括如：钽、钽、钨、铜、镍、铬、铝、钴、钼、银、金、铂、钌、铑、钯、铁、铋、锗、铌和钒的纯金属、合金、硅化物和氧化物。优选钽、钛、钨、镍、铬、钴、钼和铂的硅化物。例如板可以是由钽、钛、钨、铜或铝制成，用于沉积Ta、TaN、Ti、TiN、W、AlCu和Cu薄膜。这些溅射靶可以应用在，例如，将Ti/TiN衬底/隔离层沉积在钨针接头和铝制垫板上，也可以用于铜连接的进一步TaN/Cu隔离/晶粒处理上。

参照图1和2，将溅射靶材料板10与包层材料片12连接来形成包层靶组件14。包层材料优选轻质材料如铜、铝或钛，和/或比用于溅射靶的材料更廉价的材料，例如具有较低纯度的商品级物质。包层材料优选具有优异热传导性的物质，以使溅射靶表面16上产生的热能很快散掉。包层材料最好还具有柔韧性，使被连接的材料能形成HCM溅射靶典型的杯型结构。最优的结果是包层材料片12应与溅射靶材料板10具有相似的尺寸。

任何已知的连接技术都可以用于连接溅射靶材料板10与包层材料片12。这些技术包括扩散粘接、爆炸焊接、摩擦熔接、环氧树脂粘接、软钎焊和硬钎焊。

本发明的一个具体实施例中，溅射靶材料板在连接前进行热处理以形成一种精细、均匀的微观结构。众所周知精细、均匀的颗粒提高了靶的性能和改良了薄膜的均匀性。在这个实施例中，连接步骤最好不会明显改变微观结构。在爆炸焊接中，没有足够的时间将从炸药的爆炸中产生的热量扩散到整个溅射靶材料上，这样就不会在靶材料中产生可感知的温度增加来导致晶粒的生长。这样，采用爆炸焊接技术来将溅射靶材料板10与包层材料片12连接在一起，不会明显改变先前热处理过的溅射靶材料的微观结构。在摩擦熔接中，溅射靶材料板10被压在包层片12上并在高压下旋转，在交界面18上产生热，并用摩擦来将材料熔化在一起。尽管在包层靶组件14的交界面18的区域里微观结构会有一些改变，这种在微观结构上的改变通常不会渗透溅射靶材料的整个厚度。这样，在连接之前要使溅射靶材料达到精细、均匀的颗粒结构，将溅射靶材料板10连接到包层片12上优选的方法是爆炸焊接和摩擦熔接。

本发明的另一个实施例中，在连接包层材料之前溅射靶材料板不进行热处理。而是在连接过程中获得精细、均匀的微观结构。例如，在扩散粘接中就使用到了高温来改变被连接材料的微观结构。在将靶材料与包层材料连接起来的同时，设计温度和连接加工的持续时间就可以改变溅射靶材料以达到精细、均匀的颗粒的效果。

然后，参照图3，包层靶组件14通过适当的金属加工操作形成接近最终形状的HCM溅射靶20。接近最终形状的意思是溅射靶20仅需最小的最终机加工就能达到所需的最终尺寸的接近最终形状。适当的金属加工操作包括深拉成型、锻压、液压成型、爆炸成型、冲压、轧制、拉伸成形或电磁成型。通过在连接之前对溅射靶材料的热处理或连接加工本身在溅射靶材料中获得精细、均匀的微观结构，深拉成型是优选的形成方法，因为采用这种方法没有明显的溅射靶材料微观结构的改变发生。深拉成型操作可以在室温下进行以进一步确保微观结构不发生改变，或如果材料的类型需要的话可以在较高的温度下进行。

仍参照图3，HCM靶20典型地提供了凸缘22以使溅射靶20挂接在溅射机(未示出)上。已知的或将来发展的凸缘22的结构可以通过任何容许的方式挂接在接近最终形状的HCM溅射靶20上，包括电子束焊接、硬钎焊、环氧树脂粘接或机械连接。凸缘22可以被永久性地或可松开地与HCM溅射靶挂接。凸缘22优选商品级材料，该种材料应具有足够结构完整性来固定在溅射机内，如商品级铜和钛。

然后将本发明的HCM溅射靶20机加工至最终尺寸以用于在半导体圆片上薄膜的物理汽相沉积。

还有在本发明的另一个实施例中，如果在连接之前的热处理或连接加工过程中不能在溅射靶材料中获得精细、均匀的微观结构，可以通过对HCM溅射靶进行再结晶热处理来使微观结构细化。这可以发生在挂接凸缘之前、最终机械加工之前或最终机械加工之后。根据此处描述的任何实施例的理论，本发明的包层HCM溅射靶可以制成在溅射靶材料中具有精细、均匀颗粒的微观结构。

本发明的溅射靶的整个尺寸与以往的单片组件保持相同，但是本发明溅射靶材料的百分利用率增加了。仅仅为了举例，而不是试图来表示出精确的商业价值，期望尺寸的单片组件含有20磅(9.07公斤)的溅射靶材料，只有在环形轨迹区溅射的5磅(2.27公斤)的溅射靶材料是可利用的。这样，溅射靶材料的百分利用率只有25％。本发明的包层靶组件具有同样期望的尺寸，仅有10磅(4.54公斤)溅射靶材料被用于板上，其连接在7磅(3.18公斤)包层材料的片上，同样环形轨迹区溅射的5磅(2.27公斤)的溅射靶材料是可利用的。这样，本发明中溅射靶材料的百分利用率增加了50％。

根据本发明的原理，HCM溅射靶包含一种材料，该溅射材料被连接到轻质和/或不昂贵的包层材料，整个组件能以比单片靶组件较少的成本和低重量满足大靶尺寸的需要，而且提供了增加的靶材料百分利用率。

本发明已由其实施例描述，并且实施例的重要细节已被描述，因此并不会以如此详细的方式来约束或以任何方式限制附加的权利要求的范围。例如，本发明的原理可以用于任何期望材料的溅射靶，不仅仅是那些在此特定列出的。因此本发明在更广的范围内是不限定在特定的细节、描写的仪器、方法、例证和描述之中的。因此，在不背离申请人的总体发明构思的范围和精神的前提下，可以对这些细节进行扩展。

Claims (10)

1、一种制造HCM溅射靶的方法，包括如下步骤：

将溅射靶材料板连接在包层材料片上以形成包层靶组件；

将包层靶组件通过金属加工技术成型为中空阴极磁控管溅射靶。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，该溅射靶材料选自钽、钛、钨、铜、镍、铬、铝、钴、钼、银、金、铂、钌、铑、钯、铁、铋、锗、铌和钒，以及它们的氧化物、合金或硅化物；

其中连接步骤使用选自扩散粘接、爆炸焊接、摩擦熔接、环氧树脂粘接、软钎焊和硬钎焊的加工方法；

其中成型步骤选自深拉成型、锻压、液压成型、爆炸成型、冲压、轧制、拉伸成形和电磁成型的加工方法；

并且还进一步包括将溅射靶材料加工成板的步骤，该步骤使用选自按压、热压、冷轧、热轧以及上述步骤的组合的加工方法。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括在连接之前对溅射靶材料板进行热处理以形成精细、均匀的微观结构的步骤。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，连接步骤将溅射靶材料的微观结构变得精细、均匀的细粒结构。

5、如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括将一个凸缘安装在中空阴极磁控管溅射靶上的步骤。

6、一种制造HCM溅射靶的方法，包括如下步骤：

热处理溅射靶材料板以形成精细、均匀的微观结构；

将该板连接在包层材料片上以形成包层靶组件，此连接步骤不会明显改变从热处理步骤中获得的溅射靶材料的微观结构；

通过金属加工方法将包层靶组件成型为中空阴极磁控管溅射靶；

将一个凸缘安装在中空阴极磁控管溅射靶上。

7、如权利要求6所述的方法，其特征在于，该溅射靶材料选自钽、钛、钨、铜、镍、铬、铝、钴、钼、银、金、铂、钌、铑、钯、铁、铋、锗、铌和钒，以及它们的氧化物、合金或硅化物；

其中成型步骤使用选自深拉成型、锻压、液压成型、爆炸成型、冲压、轧制、拉伸成形和电磁成型的加工方法；

并且还进一步包括将溅射靶材料加工成板的步骤，该步骤使用选自按压、热压、冷轧、热轧以及上述步骤的组合的加工方法。

8、一种制造HCM溅射靶的方法，包括如下步骤：

热处理溅射靶材料板以形成精细、均匀的微观结构；

通过爆炸焊接将板连接在包层材料片上以形成包层靶组件，此连接步骤不明显改变从热处理步骤中获得的溅射靶材料的微观结构；

通过深拉成型将包层靶组件成型在中空阴极磁控管溅射靶上，由此溅射靶材料的微观结构基本保持不变。

9、如权利要求8所述的方法，其特征在于，溅射靶材料选自钽、钛、钨、铜、镍、铬、铝、钴、钼、银、金、铂、钌、铑、钯、铁、铋、锗、铌和钒，以及它们的氧化物、合金或硅化物；

并且还进一步包括将溅射靶材料加工成板的步骤，该步骤使用选自按压、热压、冷轧、热轧以及上述步骤的组合的加工方法。

10、如权利要求8所述的方法，进一步包括将一个凸缘挂接在中空阴极磁控管溅射靶上的步骤。

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