CN1425187B - 离子化物理蒸汽沉积方法和离子化物理蒸汽沉积装置 - Google Patents

Abstract

装置(500)的一个方法提供离子化物理汽相沉积(IPVD)，该装置对从一个环形磁控管溅射靶(10)溅射导电金属镀膜材料特别有用。该被溅射材料在靶(10)与一个片基(100)之间的某个处理空间内被离子化，方法是利用位于真空室(501)外部、溅射靶开孔(421)中心处室壁(502)中绝缘窗(33)后面的某个线圈(39)耦合的能量在该空间生成一个稠密等离子体。一个法拉第型保护屏(26)物理屏蔽该窗口以防止镀膜材料覆盖该窗口，但允许能量从该线圈感应耦合到该处理空间。该线圈在该靶平面上或靶后的位置可以允许对靶到晶片的间距进行选择来优化薄膜的沉积率和均匀性，也提供了一个环形源的优点，即它不存在那些与该靶中心开孔内不希望的沉积有关的问题。

Description

离子化物理蒸汽沉积方法和离子化物理蒸汽沉积装置

本申请要求约翰·德鲁里(John Drewery)等人1999年11月18日申请的美国专利申请序列号09/442,600的优先权，特此明确参考编入。

技术领域

本发明涉及离子化物理蒸汽沉积(IPVD)，更特别的是涉及在半导体晶片片基上沉积薄膜(最特别的是金属薄膜)的方法和装置，办法是从某个靶溅射镀膜材料、将该溅射的材料离子化、然后将该离子化镀膜材料引导到该片基表面。

发明背景

离子化物理蒸汽沉积是一个在充填和衬镀硅晶片表面上高长宽比结构方面具有特别效果的过程。在IPVD中，为了在半导体晶片上沉积薄镀膜，可从某个源溅射或者蒸发要被沉积的材料，然后该被蒸发材料的主要部分在到达将要被镀膜的晶片之前被转变为正离子。这一离子化过程由某个真空室内的某种工艺气体内产生的一个高密度等离子体完成。可以通过一个RF供电激励线圈将RF能量磁耦合到该处理室的真空区域来产生该等离子体。如此产生的等离子体集中在该源和该晶片之间的一个区域内。然后，将电磁力施加到镀膜材料的正离子，譬如在该晶片上施加一个负偏置。对于该电气绝缘的晶片，因为该晶片淹没在某个等离子体内，或者是对该晶片施加一个RF电压，也许就会出现这样的一个负偏置。该偏置使镀膜材料的离子向该晶片加速，结果该镀膜材料有更多的部分以大致与该晶片垂直的角度沉积到该晶片。这就造成金属在包括深深浅浅的孔隙和沟堑的晶片表面的沉积，提供了对这种表面形状的底部和侧壁的良好覆盖。

本申请的受让人提议的某些系统在1997年4月21日申请的美国专利申请序列号08/844,751、08/837,551和08/844,756中公布，特此明确参考编入。这些系统包括一个通常为圆筒形的真空室，它的部分弯曲外壁由某种绝缘材料或窗口构成。一个螺旋形导电线圈安置在该绝缘窗的外部，围绕该室并与之同心，该线圈的轴向范围是该绝缘壁轴向范围的主要部分。运行时，通过一个合适的匹配系统提供RF电源来激励该线圈。该绝缘窗口允许能量从该线圈耦合到该室，但隔离该线圈使其不直接与该等离子体接触。某种通常由金属制造的保护屏装置保护该窗口以防金属镀膜材料的沉积，该保护屏能够让RF磁场进入该室的内部区域，但不让金属沉积到该绝缘窗，否则该沉积就会形成由这些磁场产生的循环电流的导电通道。这些电流是不受欢迎的，因为它们会导致电阻加热，并降低等离子体激励能量从该线圈到该等离子体的磁耦合。这一激励能量的目的是在该室内部区域产生高密度等离子体。耦合下降就会使等离子体密度降低，使过程结果恶化。

在这样的IPVD系统中，举例来说，材料从通常借助一个直流电源供电、相对该等离子体而言带负电的某个靶溅射。该靶通常是一个包括某个磁路或其他磁体结构的平面磁控管设计，它使某个等离子体被限制在该靶上方以便溅射该靶。该材料到达被支承在一个晶片支座或工作台上的一块晶片，RF偏置通常借助某个RF供电和匹配网络施加到该支座和工作台。

一个几何外形稍微不同的系统采用一个由位于该真空室内部的线圈产生的等离子体。这样的系统不需要绝缘室壁，也不需要特殊的保护屏来保护该绝缘壁。巴恩斯(Barnes)等人在美国专利No.5,178,739中描述了这样一个系统，特此明确参考编入。该室外部带有线圈的系统，以及巴恩斯等人专利中公布的系统都涉及感应线圈或其他耦合元件的使用，或者在该室内，或者在该室外，它们实体布局并占据该溅射靶平面和该晶片平面之间的空间。

不管一个耦合元件(譬如一个线圈)放在某个真空室的内部还是外部，该系统的尺寸都始终受到的限制是，源到片基间必须有适当的距离以便允许在该源和该片基之间安装RF能量耦合元件。围绕该晶片还必须有合适的直径来安装线圈或其他耦合元件。由于需要空间来安装耦合元件而增加源到片基距离的一个直接后果是，用这样的系统很难获得足够的沉积均匀性。如果降低该室高度来改善均匀性，就会降低该室中心区域的等离子体密度，镀膜材料离子化的百分比就会下降。实际上，该整个系统也必须安装在某个限定的半径范围之内。结果，经常会出现因该RF线圈接近金属表面而发热引起的问题，这就可能需要那种增加工程和生产成本并浪费能量的额外冷却。

一台将线圈装在该室内的IPVD装置具有另外的缺点，就是该线圈会被该等离子体腐蚀，所以必须采用与该靶溅射出的材料型号相同的靶基准材料。而且，需要在该真空室内进行相当可观的线圈冷却。如果采用液体进行线圈冷却，就有因不均匀腐蚀或电弧放电而穿透线圈的危险，使液体泄漏到该系统，这是极不希望的结果，它可能会导致该系统的长时间清洗和再次资格认定。另外，该室内的某个激励线圈也与该等离子体产生电容性耦合，使该激励功率不能有效利用，并加宽了离子能谱，这对过程会产生令人讨厌的影响。

半导体器件的小型化需要对直径不到1微米的高长宽比孔隙底部接点形成低阻连接。这就增加了使用导电性能比材料(如钽和氮化钽)阻挡层更高的金属(如铜)的需求。现有技术中沉积这类材料的技术一直不完全令人满意。

在现有技术中，用PVD方法沉积材料涉及苛刻的溅射源设计，以便在溅射室内产生具有一致几何形状的等离子体浓度，并直接影响该沉积膜的分布均匀性。对那些目的，现有技术方法的结果是对其他性能参数进行折中。

作为上述考虑和问题的结果，仍然需要更有效地将能量耦合到IPVD处理系统的稠密镀膜材料离子化等离子体，并且不得妨碍该室的最优尺寸，最好不要将一个线圈或其他耦合元件放入该真空室。

发明内容

本发明的一个目的是提供一个IPVD方法和一台IPVD装置，其中该线圈或其他耦合元件的放置对该处理装置的室的几何形状不产生不利影响。本发明的另一个目的是提供一个使IPVD的运行效率更高、效果更好的方法和装置。

根据本发明的原理，一个IPVD装置具有一个环状镀膜材料源，以便为某个真空室内的处理空间产生某种含有该镀膜材料原子或微小颗粒的蒸汽。在该环状源的中心有一个耦合元件，它电抗性地将RF能量耦合到该室，以便在该处理空间产生一个高密度、电抗性耦合的等离子体，从而将通过该处理空间的镀膜材料离子化。不管受静电场或电磁场影响还是不受这些因素影响，镀膜材料离子都向该室内该处理空间中与该材料源相反一头的一个片基漂移。那些到达该片基附近某个距离(譬如厘米数量级的距离)之内的离子，会碰到一个鞘场并向该片基加速，使得很高百分比的镀膜材料以垂直于该片基的角度到达该片基，从而更有效地衬镀该片基表面细小和高长宽比孔隙的底部和内壁，或者充填这些空隙。

根据本发明的一方面，提供了一个离子化物理蒸汽沉积装置，包括：

一个其室壁包围该室内的真空处理空间的真空室，该真空室壁在该室的一端有一个开孔；

一个离子化物理蒸汽沉积源组件位于该室壁开孔处，并形成该室壁开孔的真空密封盖板；

一个连接到该室以便向该处理空间供应气体的供气系统；

一个连接到该室，可进行操作将该处理空间的气体维持在一个真空压力水平的真空系统；

一个该室外部的射频能量源；

该离子化物理蒸汽沉积源组件包括：

一个向该处理空间提供镀膜材料的环形镀膜材料源，该环形源有一个开口的中心，并至少有一个表面与该真空处理空间连通；

一个窗口组件，它包括一个位于该环形源开口中心、并与该室壁构成一个真空密闭外罩一部分的绝缘窗口，它具有一个室内侧和一个外侧；

一个在该室上述一端的室外侧线圈，它邻近该绝缘窗口且在该绝缘窗口之外，它被连接到该射频能量源从而在被激活时将能量从射频能量源通过该窗口感应耦合到该处理空间，以便在该处理空间保持一个感应耦合的等离子体，该等离子体有足够高的密度将该处理空间内来自环形源的镀膜材料离子化；

一个该室内部的、从该环形镀膜材料源方向面对该处理空间的片基支座，其上有一个正对着处理空间的晶片支持表面；其中

该供气系统和该真空系统中的至少之一包括一个压力控制器，用来维持该室内的真空压力在50至120mTorr，以使该等离子体内的离子基本上在该处理空间中热能化，其程度可使该支座的晶片支持表面的某个晶片上这些离子的分布、能量和方向性都主要取决于穿过该高密度等离子体与该晶片之间等离子体鞘的电场。一种操作离子化物理蒸汽沉积装置的方法，该离子化物理蒸汽沉积装置包括：

一个其室壁包围该室内的真空处理空间的真空室，该真空室壁在该室的一端有一个开孔；

一个离子化物理蒸汽沉积源组件位于该室壁开孔处，并形成该室壁开孔的真空密封盖板；

一个连接到该室的供气系统；

一个连接到该室的真空系统；

一个该室外部的射频能量源；

该离子化物理蒸汽沉积源组件包括：

一个环形镀膜材料源，该环形源有一个开口的中心，并至少有一个表面与该真空处理空间连通；

一个窗口组件，它包括一个位于该环形源开口中心、并与该室壁构成一个真空密闭外罩一部分的绝缘窗口，它具有一个室内侧和一个外侧；

一个在该室上述一端的室外侧线圈，它邻近该绝缘窗口且在该绝缘窗口之外，它被连接到该射频能量源；

一个该室内部的、正对该环形镀膜材料源处理空间的片基支座，其上有一个正对着处理空间的晶片支持表面；及

该供气系统和该真空系统中的至少之一包括一个压力控制器，用来维持该室内的真空压力处于50至120mTorr，以使该等离子体内的离子基本上在该处理空间中热能化，其程度可使该支座的晶片支持表面的某个晶片上这些离子的分布、能量和方向性都主要取决于穿过该高密度等离子体与该晶片之间某个等离子体鞘的电场。

根据本发明的另一方面，提供了一种包括如下步骤的离子化物理蒸汽沉积方法：

将某个真空室压力维持在50至120mTorr；

从位于该真空室内的一个处理空间一端的一个镀膜材料环向该处理空间释放该材料的粒子，该镀膜材料选自一组包括铜或钽在内的材料；

通过该镀膜材料环中央的该镀膜材料的一个开孔，将射频能量从该室外部的一个线圈感应耦合到该处理空间；

利用该耦合射频能量，在该处理空间内形成一个感应耦合的等离子体，其密度足以热能化、并电离该处理空间内相当大部分的镀膜材料；

用电气方法将该镀膜材料的正离子从该等离子体引向并使其到达一片基。

在本发明的一个实施例中，某个镀膜材料源(最好是溅射靶)具有一个其内安置一个绝缘窗的中央开孔。窗的后面，在该室的真空外部有一个等离子体源，它包括一个连接到某个RF能量源输出的耦合元件(最好是一个线圈)。该耦合元件的结构可将该能量源提供的能量通过该材料源中央开孔处的窗口耦合到(最好是感应耦合到)该镀膜材料源与该室内该镀膜材料源相反一侧的片基支座上的片基(譬如一个半导体晶片)之间的室内区域。

本发明的装置包括一个围绕某个中央陶瓷窗口的环形溅射靶。这个环形靶形状最好是截头圆锥形。一个磁控管磁体组件放置在该靶的后面来在该靶之上产生一个限制该等离子体的磁场，磁场形状最好是该环形靶上方包围其中央开孔的一个环形隧道。

该耦合元件最好是位于该环形溅射靶中央开孔的绝缘窗口之后并紧挨其背面的一个线圈。举例来说，采用13.56MHz的RF能量加到线圈上在室内该靶和该片基之间激励一个高密度感应耦合等离子体。受该靶表面磁控管磁体磁场阻挡的一个主溅射等离子体从该靶将镀膜材料溅射到被某个稠密二级等离子体占据的处理空间区域，在这里很大一部分材料被剥夺电子而成为该镀膜材料的正离子。向片基固定器上的晶片施加一个负偏置电压，它从二级等离子体区域吸引溅射材料的正离子向该片基表面运动，并以垂直于该片基的入射角落在该片基表面，以便使它们能进入该晶片片基上的沟堑和孔隙从而喷涂这些沟堑和孔隙的底部。

本发明的该装置和方法的某些实施例包括一个采用一个三维线圈来激励该室内三维区域中一个稠密感应耦合三维等离子体的IPVD源。该室在30至130mTorr的真空压力下运行以使该等离子体基本上热能化，这样在该等离子体内就会形成镀膜材料的离子，它们被电力驱动垂直朝向并达到该片基，从而降低靶和磁体构造对镀膜均匀性的影响。该IPVD源通过一个窗口被耦合到该室，它先通过一种强绝缘材料(譬如一个特氟隆隔离层)，然后再通过一个绝缘窗口(譬如石英)，该绝缘窗口形成一个能封闭某个环形靶中心室壁上一个圆形开孔的真空阻挡层。该室内有一个其内带有的V形槽的窗口保护屏，槽的方向以该线圈导线为基准。该保护屏包护该窗口不产生沉积，特别是不产生金属镀膜材料的沉积，但能让感应耦合的RF能量进入该室。该保护屏还可以起一个法拉第屏的作用，阻止该线圈到该等离子体的电容性耦合，并避免磁通压缩发热。该保护屏具有整体式冷却，它由镀铝铸铜构成，这样可以用化学溶解铝镀膜除去沉积物的方法来使该保护屏复原，然后在该铜保护屏上镀铝再行使用。该窗口和保护屏组件形成一个可拆卸的组合体。该窗口和保护屏彼此隔离，所以该窗口能用狭缝处这一点形成的等离子体自己清洗该保护屏的相邻狭缝。

该靶最好是截头圆锥形，截断的圆锥壁与水平面或该窗口平面成大约35°倾斜角。采用一套永久磁体，它在该靶表面上形成三个(最好只形成三个)磁力隧道，在该靶寿命早期起主导作用的一条中央主隧道腐蚀该环形靶的平均半径，在该靶寿命的后期接管这一任务的两侧隧道腐蚀与该靶环面内、外边缘邻近的蚀槽。

该装置最好采用一个安装在某个Z形工作台运动驱动装置上进行垂直运动的晶片固定器，以提供15-23cm的靶至片基的间隔(TSS)，并提供从传送模件到传送臂的晶片传递。该支座有一个静电卡盘，采用一个帕尔帖(Peltier)装置从该支座以远程方法提供晶片的加热和冷却，该装置通过一个GALDEN液体回路与该支座相连，通过另一个液体回路与某个加热箱相连。该静电卡盘有三个极，卡盘栅格被用作电极来向该晶片提供2区偏置以便将该离子化镀膜材料吸引到该晶片。在该晶片的边缘有一个荫蔽环来提供非接触式边缘掩蔽。

该室有一个可拆卸的保护屏插件，它由机械上相互浮动的两部分组成以适应不同加热情况下的不同膨胀。该保护屏组件是一个可更换的二级组合。该装置特别被用来在钽和氮化钽上沉积铜，以及在绘有集成电路图的晶片上沉积底层钽和氮化钽阻挡层，其方法是用离子化PVD沉积Ta，用同一室内的PVD沉积TaN，然后在附接到该同一设备的某个传送模件内的一个类似模件中用离子化PVD沉积铜。这样沉积的铜适合于采用许多铜填充方法中的任何一种继续加工，特别是电镀技术。这些过程最好用工艺参数来实现，包括下面将要说明的压力、温度、气体、偏置功率和/或电压电平、溅射功率电平、IC功率电平等等。

采用符合本发明的装置结构，该处理室尺寸可以设计得能提供该镀膜材料源和该片基之间的最佳距离，从而既能很好地将各种镀膜材料离子化，又能提供该晶片上的良好沉积均匀性。

本发明在构造处理室以优化该IPVD工艺方面提供了更大的设计选择自由度，与此同时也克服了在前述背景中提到的各种困难。

根据下面对例图的详细描述，本发明的这些和其他目的以及优点将会变得更加明显。

附图说明

图1是一幅符合本发明的IPVD装置的一个实施例的示意剖面图。

图1A是一幅与图1类似的剖面图，但该装置的IPVD源已被移开。

图1B是一幅与图1A类似的显示该装置IPVD源的图，但该源的法兰和靶组件已被移开。

图1C是一幅图1装置IPVD源的部分剖面图，取该剖面图的直线见下面的图13。

图1D是一幅图1C中IPVD源的分解透视图。

图2是一幅图1C和图1D中IPVD源的外壳部分的分解透视图。

图3是一幅图1C和图1D中IPVD源的靶组件部分的分解透视图。

图3A是一幅图3中靶组件盖板部分的局部透视图。

图4是一幅图1C和图1D中IPVD源的磁控管磁体组件的放大示意剖面图。

图5是一幅与图4类似的显示另一种磁体组件的放大剖面图。

图6是一幅图1C和图1D中IPVD源的保护屏和窗口组件的分解透视图。

图6A是一幅图6中画圈部分的剖面图。

图7是一幅图1C和图1D中IPVD源的RF源组件的剖面图。

图8是一幅图7所示RF源组件的一个分解透视图。

图9是一幅图1C和图1D中IPVD源的冷却汇流管安装组件的一个轴向剖面图。取该剖面图的直线见下面的图13。

图10是一幅图9组件的某个液体连接组件的一个实施例的放大剖面图，取该剖面图的直线见下面的图13。

图11是一幅图6所示窗口和保护屏组件所用的图9所示组件的某个安装接头组件的放大剖面图，取该剖面图的直线见下面的图13。

图12是一幅图1C和1D所示IPVD源组件所用的图9所示组件的某个DC接点连杆部分的一个放大剖面图，取该剖面图的直线见下面的图13。

图13是一幅图1C和1D所示IPVD源组件的磁体和冷却汇流管组件的顶视图。

图13A是一幅图13中标有“13A”的圈定部分的放大视图。

图14是一幅图1C和1D所示IPVD源组件的IPVD源法兰和暗区保护屏的分解透视图。

图15是一幅图1所示装置的静电卡盘晶片支座组件的底视图。

图16是一幅图15所示晶片支座所用的图1装置的晶片支座和提升组件部分的侧向分解透视图。

图17是一幅图16所示晶片支座组件部分的一个轴向剖面图。

图18是一幅图1所示装置的晶片支座垂直部分调整组件的透视图。

图19是一幅图1所示装置的真空室壁组件的顶部透视图。

图20是一幅图1所示装置的下方侧向透视图，特别表示图19的真空室壁组件和该装置的气体真空系统部分。

图21是一幅图20所示气体真空系统的示意图。

图22是一幅图1所示装置的室壁组件的溅射保护屏的分解透视图。

图23是一幅图1所示装置的IPVD源升降机构的分解透视图。

具体实施方式

根据本发明的一个实施例的离子化物理蒸汽沉积(IPVD)装置500如图1所示。IPVD装置500包括一个被某室壁组件502包围的真空室501。室501有一个以蒸汽形式向溅射室501容积内供应镀膜材料并电离该镀膜材料蒸汽的IPVD源503；一个在加工过程中固定晶片的静电卡盘晶片支座系统507；一个装、卸晶片以供加工的晶片操作系统504及504a；一个将室501抽成真空压力水平的真空和气体操作系统505(图20和21)；一个拆卸和更换该靶并进行其他源维护的IPVD源升降机460；一个依照此处描述的方法和工艺或者其他通过装置500实现的方法和工艺来操作装置500其他系统的控制系统509。

装置500是一个能够提供如下特点和运行条件的可维护模件：(1)基准真空低于10^-8Torr；(2)工作惰性气体压力为30到130mTorr；(3)提供分压为0～50mTorr的活性气体；(4)片基至靶距离在6～9英寸之间可变；(5)带有背部气体加热和冷却的静电卡盘夹持功能；(6)为防产生颗粒而对表面具有良好溅射材料附着性的可拆卸、可清洗部件上的沉积加以限制的保护作用。

IPVD源503的一般概念如美国专利申请序列号09/073,141所述，特此明确参考编入。源503的该特定实现包括一个在那个申请中设计的环形靶10，特别是具有截头圆锥形状的一种。实际上，IPVD源503的主要目的是提供如下特点和性质：(1)需要最少的操作员参与和最小可能的一组设备来执行常规任务；(2)尽最大可能提供RF以及DC电源对于任何水以及其他冷却液的隔离；(3)提供相对简单的设计和操作；(4)允许对源的快速修理和更换，包括快速更换整个内部源组件、快速调换靶和各种室保护屏；(5)提供模件化的内部组件；(6)维护RF保护整体性以防止对工作环境的辐射泄漏。

IPVD源503放置在室壁502的顶部，它有一个源法兰和暗区环组件470，该组件与室壁502在室壁502顶部的一个圆形开孔412周围形成一个真空密封。该IPVD源包括环形靶10和一个为室501内某个感应耦合等离子体供电的RF源组件450。该RF源组件位于靶10环面内部某个开孔421之内，正对着一个要安装在晶片支座系统507的静电卡盘97上的晶片100(譬如一个200mm或300mm的晶片)。源503包括一个源外壳组件410，该组件又包括一个最好由某个铝焊件构成的源外壳1(见图2)。源外壳1包括安装源503工作部件的机构和连接机构411，该连接机构能够使源503可以用源升降组件460进行连接和升降以便安装到装置500或从装置500拆卸，如图1A所示。IPVD源503一旦被源升降机构460升起，就可以旋转，从而被升降机460将它从面朝下的工作方向(图1和1A)翻转为图1B的面朝上方向，这时可以对源503进行维护，譬如更换靶10或拆卸源503的其他部件进行清洗和维修。

如图2所示，IPVD源503是镀膜材料源，是IPVD装置500产生离子化镀膜材料进行沉积的离子化能量源。靶溅射电源通过一个接头2送到外壳1。为了沉积金属或其他导电镀膜材料，该靶溅射电源是装置500中某个DC供电电源(未画)提供的DC电源。在沉积非导电材料的场合，靶电源由一个RF供电源提供。当源503安装到室501顶部它的工作位置时，电源接头2与永久性地安装在室壁502上的接头2a紧密配合。所以，如果源503不在室501上的适当位置，靶10上就不会有靶电源。一个负的DC馈电147经防水出气冒口套管149连接到安装在外壳1内部某个绝缘块4上的插口3，而正馈电148直接连接到通常保持在系统接地电位的外壳1。

外壳1的顶部有一组接口5，RF连接器152的导线40(图7)通过它们连接到源外壳1顶部某个感应耦合等离子体(ICP)发生器(图6至8)的一个RF调谐器96(图2)。自动调谐器96是一个安装在源外壳1(图2)顶部的工业设备。大型内螺纹接头40a通过接头40(图7和8)向RF线圈组件450供电。在外壳1的外部，RF电缆将RF调谐器96连接到装置500上的一个RF发生器(未画)。外壳1也具有一个检测RF调谐器单元96和线圈组件450是否存在的联锁开关6。

联锁开关7由一个推杆机构7a操纵，在靶10安装正确时，一个弹簧压紧的销钉166(图9和13)驱动7a来操纵开关7。联锁开关7是为了保证如果靶10不在位而且未被锁定就不能供应水和电。一个斜卷簧8构成连接到包围室501的壁502顶部的圆形开孔412的某个源法兰和暗区环形组件470的电气连接。一组(譬如3到6个)手动操作的卡夹9在外壳1周围等距离分布，松开卡夹就可以允许拆卸源法兰和暗区环形组件470并调换靶10或进行其他维修，或者，允许拆卸和更换靶10或维修源外壳1内的其他部件。接口150可用作水的进口和出口，接口151则用来将某个外部供水回路连接到主源外壳1。

靶10是靶组件420的一部分，如图3所示。靶10为截头圆锥形，它的设计使制造成本最小。它具有一个构成上部真空连接的单个上部O环形槽11和一个构成下部连接的精制表面427。靶10的背面428是光滑的。在通常靶10用铜制造的情况下，靶10可以是一个整体结构，但也可以用喷镀工程师熟知的许多技术之一将一个源材料层固定到一个结构底板上。靶的各对边构成一个圆锥形的扩散夹角，最好是大约110°。

锥形靶10的110°夹角是用库什纳(Kushner)等人的HPEM程序经大量计算机建模后确定的。这一角度可以获得各种压力、功率和靶-片基间距(最好是6至9英寸)下的最佳沉积均匀性。夹角也许可以小一点，但低于90°的角度会降低沉积速率，而均匀性却并没有多少改善。更大的夹角将不利于靶的利用，并使均匀性变差。

在靶10中央开孔421周围靶环面的内边缘处，靶10最上端是O形环槽11。O形环槽11外部的城堡状部件12可以不用螺钉就将靶10组装到某个冷却水系统422(图9)。沿开孔421的内径有一个台阶结构154，它与下面要讲述的窗口保护屏和窗口组件440(图6)的类似台阶结合，可以防止金属沉积在下面也要讲述的、覆盖开孔421的绝缘窗口33上。

靶10和一个构成冷却水系统422的冷却盖13紧密配合。盖13在某个通道16每边的内侧有“X形圈”水密封14和15。当靶10和盖13组装到一起时，密封圈14和15与靶10的背面接触。卡口组件结构153与靶10上的城堡部件12紧密配合，将盖13连接到靶10。为了将靶10和盖13连接到一起，盖13上带有槽17，它能使盖13落到城堡部件12上，然后靶10和盖13被相对转动产生“果酱瓶”效果，它们转过大约20°就将部件10和13拧紧，这大概不到城堡部件12和匹配卡口组件153之间角度间距的一半。

进行靶冷却的水通过一组接口155进出冷却盖13，并进入盖13前表面上某个环形通道16中形成的汇流管18，如图3A所示。这些接口155和汇流管18沿盖13的通道16彼此相隔180°。汇流管18比通道16深，每个管占据通道16的10°扇形区域。各汇流管18的每一侧有一个容纳排管19的槽19a。每个排管19是具有一系列槽口19b的薄金属插件。这些槽口19b使水在进入主通道16时分成分散的水流，避免在水流中形成导致冷却效率下降或可能导致水局部沸腾的停滞区域。槽口19b的设计根据计算水流动力学建模确定。不需要拆除和更换整个盖13就能够拆除槽口19b并代之以针对不同流率压强关系的其他设计。在靶寿命终结时，盖13可以从告终的靶上拆下并再次使用。借助下面将要讲述的弹簧压紧的水连接器69(图9和10)，水通过盖13被连接到汇流管18。DC电源通过下面要讲述的一个弹簧压紧的连杆80(图12)接入。

IPVD源503包括一个图4所示的磁控管磁体组件430，而组件430又包括一个连接到靶组件420背面的磁体组20。磁体组20包括一个钢制磁轭21和一组磁铁22，磁铁如图所示排成3个圆环：内环22a、中环22b和外环22c。磁铁22产生的磁力线包括一个主磁力隧道24a，它在某个靶寿命的开始阶段影响靶的腐蚀并沿环形靶10某个中间半径的一个环形通路中运动，磁力线还分别包括内、外磁力隧道24b和24c，它们在靶寿命趋于终结时使靶的腐蚀向靶环面的内边缘和外边缘扩散。由于这种布局造成的蚀槽随靶的腐蚀而加宽，所以提高了靶材料的利用率。磁铁22用粘合剂结合法固定在它们的位置上。非磁性环23可以用来正确隔离磁铁，该组件也可以组装在其外形便于安装到源外壳1的注塑材料整体24中。

另一个磁体方案如图5所示。这个比较简单的设计对靶的利用比图4要差。磁体组件20最好设计得使某个磁力隧道至少有一部分能阻挡靶10上方的等离子体，这样在整个靶寿命的所有时间都发生靶10的净腐蚀，所以在靶10上不会发生净再沉积。做到这点的一个方法是使中磁体环22b离该靶足够远，这样它的磁场就不会与主隧道26在内、外磁体环22a和22c之间相反磁极之间的场线形成的隧道相消。

该磁体组包括一组平行于轴的钻孔25，它们能将水和DC电源管线连接到该靶。磁体22的组件上覆盖一层如聚亚安酯那样的硬聚合物涂层，或者被封入固定成磁体组20的非磁性金属或塑料覆盖块中。这一涂层防止磁体22和磁轭21在空气中氧化，也防止那些可能是用烧结方法制造的磁体22成为污染微粒源。

IPVD源503也包括一个如图6所示的窗口和窗口保护屏组件440。保护屏和窗口组件440包括一个由叠放的高纯度7mm氧化铝板构成的绝缘窗口33和一个由导电材料(如铝和铜)构成的窗口保护屏26。对金属镀膜材料，保护屏26最好用金属制造，其功能可以像一个法拉第屏。保护屏26有一个内部形成的整体冷却水通道27，它位于保护屏26的某个环形边缘部分和钎焊(braised)或熔焊到保护屏26的边缘27a的某个环形通道覆盖环27a之间。保护屏26上轧制了许多槽28。槽28最好有如图6A所示的V形剖面，或者具有能够阻挡视线通道和防止窗口33上直接沉积来自室501内镀膜材料的某些其他剖面。为平衡保护屏26对RF能量的透明度，槽28经过计算机建模优化，以使溅射材料从室501的处理区域向绝缘窗口33的输送最少。

通往保护屏26中通道27的水连接是通过若干不锈钢短管29实现的，它们被拧入保护屏26，并利用O形环30构成一个水密封圈。每个短管29有外螺纹31和一个锥形渐细、涂有一层光滑涂层的端头32。将短管29插入绝缘窗口33的孔34，带有短管29的保护屏组件26就被组装到窗口33，孔34与沿保护屏26边缘间隔180°并与通道27相连的孔34a对齐。水短管穿过两个孔34，一个是进水孔，一个是出水孔。特氟隆垫圈35和铝制滚花螺母36拧到短管29上，并挤压窗口保护屏26和窗口33之间的O形环37，构成水短管29周围的一个真空密封圈。螺母36中有O形环38，它们没有密封功能但起弹簧作用，有助于防止螺母36过紧。

将靶10溅射出的材料离子化的一个稠密二级等离子体由图7所示的某个RF线圈组件450激励，它包括一个三维线圈39，线圈结构、电气性能及特性已在1999年3月26日归档的美国专利申请序列号09/277,526中说明，其标题为“在一个感应耦合等离子体中改善等离子体分布和性能的工艺装置和方法”(Process Apparatus And Method For ImprovingPlasma Distribution And Performance in an Inductively CoupledPlasma)，发明人之一为乔泽夫·布雷卡(Jozef Breka)，特此明确参考编入。该线圈的RF馈送由一对拧入线圈终端片42的插口41内的外螺纹接头提供。供水则通过一对螺纹管连接器43。这些连接器周围有一个带有O形环槽45的法兰44。

线圈39安装在一个用特氟隆这类材料制造的强电介质绝缘杯46内。杯46表面不同区域的材料厚度经过计算，使其尽可能地薄，并能抑制对最近导电表面的电弧放电。为进行这一计算，应对包括特氟隆、一个空气隙以及任何其他电介质(譬如源窗口33)在内的装置计算空气中的有效电磁场以及压力距离乘积。特氟隆的厚度可以设置得使该场强永远低于气隙值适当时引起空气击穿所需的场强。这种计算可以使该杯的厚度能安全地最小化。某个最小厚度可以获得对等离子体的最佳耦合，并降低对线圈39尺寸的限制。

杯46安装在一个铝环47内。这个环用有肩螺钉62和弹簧63安装到水冷却组件422，它们在运行时使该环压紧到作为上述窗口和保护屏组件440之一部分的绝缘窗口33。窗口33又被压紧到位于槽11内的靶的上方O形环48。这一弹簧施加的负载补偿了公差失配和机械变形，所以能将真空密封结合到一起，并允许系统被抽真空。

环47也有一个斜卷簧49和一个供冷却水的管道50。环47上有两个轴向孔51，从窗口保护屏来的保护屏供水短管29可以穿过该孔(图8)。环47背面的孔51四周有凹槽52，供放置垫圈53。

一个铝制外罩54安装在线圈39之上，并用一个螺栓分布圆周向下固定到铝环47，以保证通过斜卷簧49维持电气连贯性。它的目的是如果发生任何水泄漏，不要到达线圈上的高电压处，并且使它成为对该源的RF发射的一个主要阻挡层。RF能量只能通过绝缘窗口逸出到达室501的处理空间。该外罩有4处穿孔，两个容纳RF馈送的接口55，两个容纳线圈39供水的接口56。特氟隆零件57穿过供水接口56，并越过O形环45构成一个水密封。这提供了一个第二道封锁，使得线圈的水连接器中的水泄漏不会导致水和RF元件接触。特氟隆绝缘部件58被用来使该线圈和RF接头对该外罩电气隔离。特氟隆排管59和绝缘螺钉一道用来将线圈固定到杯46。这使得不同源之间有一致的工况。

如图9所示，冷却水是通过安装在大型塑料板60上的部件分配的，板60也支承安装在隔离装置61上的磁体组件430和用有肩螺钉62安装的RF源组件450。一个主要的铝制汇流管部件64安装在板60上，并从源的外部通过螺纹连接将水引进。第二个汇流管65允许采用安装在该源外部的流量传感器检查流经该线圈的水流，也允许将水流连接到源法兰和暗区环组件470的冷却通道。

靶10的冷却水流过短管组件68，如图10所示。组件68设计得使水连接器69能够通过不大于连接短管本身外径的孔组装，这就使磁体部件中的孔25的直径最小，从而使这些孔可能造成的磁场干扰最小。组件68是由弹簧压紧的，弹簧70在压入塑料安装组件60的金属杯71和用定位弹簧73固定在水管69上适当位置的垫圈72之间起作用。这样在运行时，冷却水管的下端压在某个O形环74之上，它又施力于靶冷却盖13中的一个特别设计的细部。该细部是一个双锥形的钻孔，类似于ISO和SAE标准的液体连接密封管。

窗口保护屏26通过专门连接器75冷却，连接器75也构成到保护屏的DC连接423，如图11所示。该连接器的特点是一个锥形凹座带有面朝内的O形环76。整个装置由弹簧77压紧；组装时，短管29的锥形表面紧压O形环76；形成一个水密封。斜卷簧77起双重功能。首先，它构成到保护屏26的电气连接。其次，它起一个锁定作用，在它被安装到水外壳422之后，它与能将保护屏26大概定位的短管29中的浅凹槽咬合。最后，这一连接器有一个分接孔78实现电气连接。该连接器通过特氟隆垫圈53插入该RF组件。若干支承块79安装在块60上，并支承该连接器，它们也向弹簧77施加压力。这些块的上端和指形触点156连接，在对源进行组装时，触点连接到源外壳1为整个组件接地，并通过它为法拉第屏接地。

块60也包括对两个与水无关的部件的支承。一个是如图12所示的DC接点连杆80，它也类似地被弹簧压紧到靶供水连接器。这时，连杆80被压到靶的冷却盖上，用另一个斜卷簧81保证接触。该杆的上部连接到一个接头158。这个DC接头杆组件外面包围一个塑料管159，它在源中存在水泄漏的情况下能保护它不被水喷溅。另一个部件是一个弹簧加压的细杆166(图9)，它穿过磁体部件，压在靶冷却盖13上(图3)。在组装源503时，细杆166的上部涉及另一个前述的柱塞组件7a，7a又启动一个微型开关7。开关7的启动表明，靶组件420已被正确安装，所以打开冷却水是安全的。

水分配组件422包括一组连接器和一个相当长的特氟隆软管。当泄漏发生时，希望水能够被排到源的外部，并被引到某个可以检测的地方。所以块60有一个终止于源外壳1上若干小孔83(图2)的辐射排水槽82。

应当进行源的真空泄漏检查。内部的靶O形环和窗口密封O形环都是相当难以接触的。所以块60也具有埋入某些槽82内的不锈钢毛细管84，如图13A所示。在泄漏检查过程中，这些细管84可以用来将氦气输送到不可接触的O形环附近。

图14表示源法兰和暗区环组件470。这一组件470包括一个源法兰67，其上安装与卡夹9对应的固定部件86。该组件有一个型锻冷却水管471。其上端承接带有O形环槽88的凹座87，槽内插入一个本身带有O形环槽90的特氟隆绝缘圈89。流出孔472从凹座87连通到该法兰的外径，它在冷却水泄漏时提供排水口和可视警告。O形环槽90带有一个与靶10接触的O形环90a，形成一个外部真空密封。源法兰67的下侧有另一个凹座，供安装暗区保护屏91。该保护屏91用拧紧到槽形部件93中去的有肩螺钉92固定在位。为拆卸保护屏91，可略为拧松螺钉92，将保护屏91稍加转动既可抬起。保护屏91的设计使它在邻近O形环槽88的区域内不接触源法兰67，从而避免该O形环过热。源法兰67利用一个斜卷簧94与处理室产生电气接触。一个O形环95构成真空密封圈。

关于IPVD源503有几个特点或几点考虑。为修理而进行组装和拆卸则是其一。在组装时，将完全组装的源内部组件(除去法拉第屏蔽440和靶组件420)降落到向上翻转的源外壳组件中，以使DC接头158(图12)插入插口4(图2)。插入6根螺钉，将水连接到4个接口151和152。插入供电接头。源503就可以使用。拆除过程和组装相反。这种简单组装技术正是源的模块化结构的一个优点。例行的靶更换是另一个这样的特点或考虑。在冷却水被吹泄后，源503就被倒置，卡夹9则被松开。然后抬起法兰组件。然后抬起靶，就可拆除该法拉第屏组件。除了拆卸暗区保护屏91外，不需要任何工具。

静电卡盘507和晶片传送系统504协同工作完成晶片在它们之间的传送。卡盘组件507包括一个如图15所示的维护支承组件480，组件480又包括晶片支座、固定器或卡盘97。从INVAX公司或其他来源可以获得合适的卡盘97。一个流体通道可供冷却液流动，譬如GALDEN牌全氟化液。卡盘是三极形式，有两个嵌入式的、电气绝缘的电极用来施加某个夹持电压，而RF偏置也可以借助这些静电卡盘电极施加到卡盘本体。从而RF被耦合到该嵌入式电极，并进而耦合到该晶片。该卡盘的所有金属部件都是外镀某种专利绝缘物的铝制品。通过一个中心孔可以提供背面气体。该卡盘的后部装有一支热电偶。

卡盘97有一组埋头钻孔，并用螺钉安装到不锈钢基座98；聚酰亚胺‘vespel’(即“聚酰亚胺树脂系统”)绝缘套可以防止该卡盘不受螺钉损伤，并提供电气绝缘。绝缘块99则使该卡盘与该基座绝缘。

图16表示该卡盘到它的支承结构的安装。不锈钢基座98与支承某个环102的支承爪101装配在一起。该环的外廓可以和支承爪外廓一道使该环和该卡盘准确对齐。这个环有一组与穿过该卡盘孔的陶瓷起模顶杆104配合的插口103。在处理过程中环102停留在支承爪101上。当工作台下降到晶片传输位置时，该环与一个后面将要加以说明的单独组件相遇，被从该支承爪升起，使得该顶杆上升穿过该卡盘，并将该晶片顶离该卡盘以便传送到某个装卸设备。该基座有一个向下延伸的短管，其末端是一个法兰119，它可以被卡夹到后面将要说明的Z形驱动组件490。

图22所示为该工作台的两个保护屏结构。最简单的情形是，不锈钢保护屏放置在基座98的一个台阶结构上，并防止该卡盘产生金属沉积。另一种结构是，一个接地的保护屏上加一个直接安放在该卡盘上的环。这个环可以用铝或不锈钢制造，可以没有涂层，也可以覆盖某种和卡盘绝缘材料类似的高介电常数的绝缘材料。这个环连接到通过卡盘绝缘材料施加到卡盘的RF电源。它的优点是该保护屏可以非常贴近卡盘，从而能更有效地阻挡金属沉积；RF电源施加到该环就使它能够获得和晶片一样的偏置，这会减少晶片边缘电场的畸变。该环与接地保护屏叠置，但与它隔离。这就为金属沉积提供了一条盘旋的通路，并使金属不沉积到该卡盘上。

图18所示的晶片传送机构504用螺钉108附接到室壁组件502(图19)的基座。某个环109由弹簧110固定在某个被升高的位置上。它被外廓111和112固定在一个精确的位置。带槽的栓钉113就安装到这个环上。当工作台或卡盘下降时，爪101下降到该带槽栓钉的槽114内。环102被提升，顶杆104上升。当顶杆被提升11mm时，爪101达到槽114的底部。通常运输系统会在这时插入一个抓取器取走该晶片。工作台的进一步下降会压缩弹簧110，使包括顶杆上的晶片在内的整个系统下落到该抓取器上。该抓取器则带着该晶片被移开。波纹管在允许工作台升降的同时形成一个真空屏障。维护支承组件480包括一个刚性组件116，它由3个镀银黄铜管117组成，尼龙垫片118按相等间隔安放，每头的一块镀银板用螺钉固定到该卡盘上。它有三重功能：(1)卡盘电压接线、热电偶接线、温度控制液管道和背面气管的机械支持；(2)RF电源到卡盘本体的连接；(3)清扫氮气到该卡盘后空间的连接。在低的工作温度下，水的凝结会妨碍卡盘运行，除非用气体清洗方法吹扫湿气。在这种情况下，支承管道在接近卡盘的连接处有一些小的十字孔。清扫气体则连接到该管道的下端。

供垂直移动和调节卡盘97高度的垂直升降机构或Z型驱动系统490如图18所示。它包括一根管120，其上端法兰用夹具121连接到工作台法兰119。一个导轨122安装到该管，它在支架124所支承的滑动机构123内运动。一个安装到管120下端法兰126的球状螺母125由一个导螺杆127驱动。一个马达齿轮箱组合128驱动这一螺杆。该马达装有一个防止马达断电时反向驱动的制动器(未画)。电机控制系统是常规的。该工作台位置采用安装在该导螺杆上端的某个解码器确定。支架124安装到该处理室。

一个背面气体输送系统和部件外罩129安装在法兰126下方。该外罩包括调节进出卡盘信号的电子元件。工作台RF自动调谐器130是一个工业产品，安装在其外表面。

在一个实施例中，阀门和通用压力控制器(UPC)安装在外罩129的外表面。这些部件控制背面气体的输送。将来，这些部件会被移到某个其他位置。一个等离子体挡板被用来在该背面气体系统中构成一个隔离断面，并避免在该气体管线中形成等离子体。

真空和气体处理系统505如图21所示。它包括一个室和泵压系统。室501被包围在室壁组件502内，组件502特别包括一个图19和20所示的常规不锈钢设计的真空密封室外壳131。外壳131由一个内部绝缘阀132连接到传送系统504的装卸装置。系统中有上下法兰来连接该源和工作台组件，还有合适的法兰连接真空表、工艺气体输入等等。基座内有一个8英寸合并(conflat)法兰连接到隔离阀142，它又连接到一个110K低温冷却控制盘143和一个涡轮分子泵144。该涡轮泵的转速可以控制，以便在低速(大约24000RPM)运行时在相对高的气体压力下工作，而在高泵速时迅速从大气压力降压(在大约56000RPM时标称值为350ls^-1)。该涡轮泵有一台用来在排空后将室压下降到100mTorr左右的无油标定螺旋泵145，在这一压力下隔离阀就会打开。除了采用水泵/变速涡轮泵组合之外，这种真空方案是十分常规的。

在室501排空后恢复时，内部卤素灯泡提供烘干能力。工艺等离子体也被用来升高模件内部的温度，辅助烘干。这样，在典型的换靶过程后几个小时内，就能达到10^-8Torr或更低的压力。

该室有供正常工作时冷却用的外部水冷却通道。一个法兰用来安装该源升降机。该室在这个法兰附近通过附加外部焊接肋板来增加强度，以便支承升降机提升该源时所施加的负载。该源所用的DC接头162的外壳也安装在该室上。

图21是有或没有活性气体的模件的气体系统示意图。氩气通过一个普通法兰输送到室内。如果采用活性气体，该气体则通到一个分支辐射管133，辐射管再将它输送到工艺空间。该管道的两端在该工作台组件相对侧的两个位置上。该气体管道端头有小盖134防止喷镀材料沉积在该气体管道上。

图22是一个溅射保护屏组件495。有5个保护屏需要拆卸和清洗。它们是上述的法拉第屏和暗区被护屏、上述的工作台保护屏、以及两个室保护屏136和137。这些室保护屏被支承在一个转子138上。通常比下保护屏137升到更高温度的上保护屏136在3处地方支承在从转子伸出的支柱139上。保护屏136的外廓部件140就安放在这些支柱上，使该防护屏在室的中央但允许径向运动。这就避免了由于热膨胀和热金属沉积造成的不均匀热膨胀所引起的保护屏内的应力上升。这样的应力能够使粒子被放进该系统。拆卸该保护屏不需要工具。下保护屏137被插入转子138并由它支承。自我对中特性来自转子的斜面141。拆卸该保护屏也不需要工具。

各保护屏内空间的抽气应在某个溅射靶寿命的全过程中受到控制，而不管该室内的沉积历史，就是说，不管已镀膜晶片的数量，抽气都按同样速率进行。在大多数溅射系统中，这都未得到良好的控制。这些系统中，或许因出现尺寸随该室温度而变化的间隙而进行抽气，或许因保护屏上有用于其他目的的孔而进行抽气。这会引起工艺问题，特别是电抗性溅射的情况。这一设计避免了这些问题，因为该间隙由支柱139的长度设定。它们很窄，且在最高热负荷区域之外，所以其长度不会因热膨胀而显著变化。结果，保护屏136和137之间的间隙得到良好控制，而且在整个工艺区域周围的抽气以受控的方法进行。保护屏136的高度可控制源暗区保护屏和保护屏136之间的间隙。这一间隙设计得很小，最好在1mm数量级，以便减小金属穿过该间隙的通道。保护屏136与暗区保护屏的某个凹座配合，形成一条盘旋的通路，它能在到达该室非防护区域之前截断进入这些保护屏之间间隙的金属。考虑到部件的热膨胀，必须有很好的尺寸规范才能做到这一点。

晶片是通过下保护罩137的某个槽146装载的。在加工过程中，槽146由工作台保护罩105或106关闭。槽146也可以有一个包围层147来更有效地截断已溅射的金属。

源升降机460如图23所示。源升降机460是一台能提升约200磅重物的气动升降机。需要将源提升离开该室，然后必须沿垂直轴旋转。还必须有一个让该源翻转过来拆卸靶的运动。该源必须能够下降以便接近该靶。该组件必须有相当的刚度，以便在该源被抬离室501的壁502顶部时保持水平。在所采用的方案中，有一个固定的垂直轴170，它负担上下两个组件171和172。这两个组件都包括可以沿轴170滑动和转动的直线轴承。一个气动气缸173允许该源的升降。部件171需要垂直运动，也需要转动，而部件172只需转动，以便通过该活塞与部件171对齐。滚筒174就像轴承，上方组件172就在上面转动。这些滚筒可以落入这些凹座结构174。这就在某些点提供了对该组件旋转的阻力，可允许操作员检测正确的工作位置。

组件176包括两个相对的角面轴承。轴177穿过这些轴承，并由一个端帽178和一个向该轴承预加载的弹簧垫圈179保持。这个方案产生一个具有很高径向刚度的旋转连接。组件176也包括一个凸轮外廓，该凸轮外廓和一个插塞180一道保证该源只能向一个方向转动，并能将该源锁定在它的直立方向和翻转方向。该升降机用法兰181安装到该源。

该IPVD源采用一个三维线圈来激励该室内三维区域中一个稠密感应耦合三维等离子体。该室在30至130mTorr的真空压力下运行以使该等离子体基本上热能化，这样在该等离子体内就会形成镀膜材料的离子，它们被电力驱动垂直朝向并达到该片基，从而降低靶和磁体构造对镀膜均匀性的影响。作为这样一热能化等离子体中固有的，该支座的晶片支持表面的某个晶片上这些离子的分布、能量和方向性都主要取决于穿过该高密度等离子体与该晶片之间某个等离子体鞘的电场。

在一个模件500中沉积鉭和氮化钽，然后在相同一组设备的另一个模件500中沉积铜的首选工艺参数如下：

熟悉本技术领域的人将会理解，这里本发明的实现是可以变化的，本发明是按希望的实施例加以说明的。相应地，可以进行增加和修改而不偏离本发明的原理和意图。

Claims (39)

1.一个离子化物理蒸汽沉积装置，包括：

一个其室壁包围该室内的真空处理空间的真空室，该真空室壁在该室的一端有一个开孔；

一个离子化物理蒸汽沉积源组件，位于该室壁开孔处，并形成该室壁开孔的真空密封盖板；

一个连接到该室以便向该处理空间供应气体的供气系统；

一个连接到该室，且进行操作将该处理空间的气体维持在一个真空压力水平的真空系统；

一个该室外部的射频能量源；

该离子化物理蒸汽沉积源组件包括：

一个向该处理空间提供镀膜材料的环形镀膜材料源，该环形源有一个开口中心，并至少有一个表面与该真空处理空间连通；

一个窗口组件，它包括一个位于该环形源开口中心、并与该室壁构成一个真空密闭外罩一部分的绝缘窗口，它具有一个室内侧和一个外侧；及

一个在该室上述一端的室外侧线圈，它邻近该绝缘窗口且在该绝缘窗口之外，它被连接到该射频能量源从而在被激活时将能量从射频能量源通过该窗口感应耦合到该处理空间，以便在该处理空间保持一个感应耦合的等离子体，该等离子体有足够高的密度将该处理空间内来自环形源的镀膜材料离子化；

一个该室内部的、从该环形镀膜材料源方向面对该处理空间的片基支座，其上有一个正对着处理空间的晶片支持表面；其中

该供气系统和该真空系统中的至少之一包括一个压力控制器，用来维持该室内的真空压力在50至120mTorr，以使该等离子体内的离子基本上在该处理空间中热能化，其程度使得该支座的晶片支持表面的某个晶片上这些离子的分布、能量和方向性都主要取决于穿过该高密度等离子体与该晶片之间等离子体鞘的电场。

2.根据权利要求1所述的装置，其中：

该环形镀膜材料源包括一个截头圆锥状溅射靶，它有一个背面，一个位于室内的、面向该处理空间的截锥状前溅射表面，一个内边缘和一个距该片基支座的晶片支持表面所在平面比内边缘更近的外边缘。

3.根据权利要求2所述的装置，其中该溅射靶外径大于该片基支座的晶片支持表面直径。

4.根据权利要求2所述的装置，其中该离子化物理蒸汽沉积源组件还包括：

一个邻近该靶背面的截锥形永久磁体组件，其被配置用于产生一个邻近该靶前表面的限制该溅射等离子体的磁场。

5.根据权利要求2所述的装置，其中所述靶的各对边构成一个110°的圆锥形的扩散夹角。

6.根据权利要求2所述的装置，其中该溅射靶与该室壁构成该真空密闭外罩的一部分，该靶的背面不接触该处理空间。

7.根据权利要求6所述的装置，其中该离子化物理蒸汽沉积源组件还包括该溅射靶与该室壁之间以及该溅射靶与该窗口之间的真空密封设备。

8.根据权利要求1所述的装置，还包括：

一个该处理空间与该室壁之间的可更换的薄金属室保护屏，该室保护屏包括：

一个为圆筒形的部分，它包围该处理空间并在许多远离该处理空间并受处理空间的发热影响的点由细长支持杆支承，

一个包围该片基支座的环形端部，它和该圆筒形部分叠置但不接触，用以保护该室壁不在室壁附近沉积镀膜材料，并防止上述圆筒形的部分和环形端部之间由于其中所述圆筒形的部分和所述环形端部中的一个的热膨胀而发生滑动接触，

该离子化物理蒸汽沉积源组件包括一个包围该环形镀膜材料源、与该室保护屏的圆筒形部分隔离且严密覆盖其附近的环形暗区保护屏，以便保护该室壁不在该室壁附近沉积镀膜材料。

9.根据权利要求1所述的装置，其中：

该窗口和该处理空间之间的设备，用于物理保护该窗口内部，使得窗口上不沉积导电镀膜材料，并维持该线圈到该处理空间的有效的射频能量感应耦合。

10.根据权利要求1至9中任何一项所述的装置，其中：

该线圈是一个三维射频线圈，其被配置以使经过该线圈的线匝延伸的磁力线弯曲通过该绝缘窗口和该处理空间。

11.根据权利要求1至8中任何一项所述的装置，其中该离子化物理蒸汽沉积源组件还包括：

一个该室内的、与该绝缘窗口平行且距离很近的窗口保护屏，其被配置用于充分保护该窗口不沉积镀膜材料，并允许该射频能量有效地从该线圈通过该窗口和保护屏感应耦合到该处理空间。

12.根据权利要求11所述的装置，其中：

该窗口保护屏是一个导电法拉第屏，它内部有许多不导电的部件，这些部件被配置成与该线圈相配合，从而允许该射频能量从该线圈通过该窗口和保护屏有效地感应耦合到该处理空间，但同时阻止该射频能量从该线圈有效地电容耦合到该室。

13.根据权利要求11所述的装置，其中：

该窗口保护屏内有许多V形槽，它们的配置与该线圈相配合，以允许射频能量从该线圈通过该窗口和保护屏有效地感应耦合到该室，但不提供一个镀膜材料穿过这些槽从该室运动到该窗口的视线通路。

14.根据权利要求11所述的装置，其中：

该窗口保护屏内有许多槽且与该窗口相隔开，这些槽的尺寸有利于在这些槽和该窗口之间形成等离子体，该等离子体将会清除这些槽中向该窗口沉积的材料。

15.根据权利要求11所述的装置，其中：

该窗口保护屏由金属铸造且包括整体的冷却流体通道。

16.根据权利要求1至9中任何一项所述的装置，其中该靶离该片基支座的距离为6至9英寸。

17.根据权利要求1至9中任何一项所述的装置，其中该离子化物理蒸汽沉积源组件还包括该线圈与该窗口之间的一个强绝缘材料制造的隔离层。

18.根据权利要求17所述的装置，其中该隔离层由特氟隆制成并充分地填充了该线圈与该绝缘窗口之间的空间。

19.根据权利要求1至9中任何一项所述的装置，其中该片基支座以可拆卸方式安装到该室壁，并用于在6至9英寸的距离范围内相对该靶定位。

20.根据权利要求1至9中任何一项所述的装置，其中：

该片基支座包括一个将一个晶片片基固定在晶片支持平面上进行加工的静电卡盘，该静电卡盘包括一个双极网格和连接到该双极网格的多区晶片偏置系统。

21.根据权利要求1至9中任何一项所述的装置，还包括下列一项或多项部件：

该片基支座中的加热和冷却设备；

背面导气设备，位于晶片支持平面中的该晶片支持表面与该晶片支持表面上支持的晶片之间；

一个覆盖在该片基支座上一个片基的周围边缘的非接触式遮蔽环。

22.根据权利要求1所述的装置，其中：

在该室一端的所述开孔位于该室的顶部；该离子化物理蒸汽沉积源组件包括：

一个外壳组件，它又包括：

一个外部接地接头，

一个外部靶电源接头，

一个射频电源接头，

若干外部冷却液再循环接口，

一个内部靶电源端子，

至少两个内部射频接头，

一组内部冷却液接口，

非导电支持结构；

以可拆卸方式牢固安装到该外壳的该射频线圈组件，其中该线圈是以可拆卸方式跨接到该内部射频接头的三维线圈，该线圈具有一个穿过其中的以可拆卸方式直接跨接到至少两个该内部冷却液接口的冷却通道；

一个以可拆卸方式牢固安装到该外壳、并包围该射频线圈组件的环形永久磁体组件；

该窗口组件以可拆卸方式牢固安装到该外壳或该线圈组件；

该环形镀膜材料源包括一个以可拆卸方式连接到该外壳的环形靶组件，且具有在如此连接时与该窗口构成一个真空密封的设备，该靶组件包括一个可消耗的环形溅射靶和能为该靶构成一个以可拆卸方式跨接到至少两个该内部冷却接口的液体密封冷却通道的设备，该靶组件具有一个以可拆卸方式连接到该外壳上的该内部靶电源端子的电气接头；

当该离子化物理蒸汽沉积源组件连接到该真空室时形成一个该靶组件与该真空室壁之间真空密封的设备。

23.根据权利要求22所述的装置，其中：

构成该靶组件的液体密封冷却通道的设备包括一个可以从该靶拆卸的靶后背盖并确定该靶后背盖与该靶之间的液体密封冷却通道。

24.根据权利要求23所述的装置，其中：

该靶组件包括一个安装在该液体密封冷却通道中的、可更换的冷却液流控制设备，以允许改变流经该通道的该冷却液流。

25.根据权利要求22所述的装置，其中：

该射频线圈组件包括一个牢固安装到该线圈、并从该线圈延伸到该窗口的强绝缘隔离层。

26.根据权利要求22所述的装置，其中：

该窗口组件包括一个其内具有一组不导电部件、并连接到该绝缘窗口的导电保护屏，该保护屏电气接地或者电气连接到该外壳，它具有以可拆卸方式直接跨接至少两个内部冷却接口的穿过其中的冷却通道。

27.根据权利要求26所述的装置，其中：

该导电保护屏是一个带槽法拉第屏，其中该多个不导电部件被配置成与该线圈配合，以允许该射频能量从该线圈通过该窗口与保护屏充分感应耦合，但同时防止该射频能量从该线圈通过该窗口与保护屏充分电容耦合。

28.根据权利要求26所述的装置，其中：

该导电保护屏被连接到该绝缘窗口，以使它可以从该外壳连同该窗口一道拆卸。

29.根据权利要求26所述的装置，其中：

该窗口组件包括使该保护屏与该窗口保持一个很近距离的设备。

30.根据权利要求26所述的装置，其中：

该靶电源接头是一个连接到某个DC电源的DC接头；

该靶是一个金属靶。

31.根据权利要求22所述的装置，其中：

该靶组件与该真空室壁之间的真空密封成形设备包括一个以可拆卸方式连接到该外壳的环形法兰，法兰上有一个在连接到该外壳时能形成一个与该靶组件密封的设备，以及一个当该离子化物理蒸汽沉积源组件安装到该真空室时能与该真空室壁形成一个真空密封的设备。

32.根据权利要求31所述的装置，其中：

该环形法兰包括在该室内的真空受到影响时，若该离子化物理蒸汽沉积源组件由重力和由大气压力支承在该真空室壁上，则将该源组件有效地连接到该真空室壁的设备，该真空室壁在其顶部有源开孔。

33.根据权利要求22所述的装置，其中：

该外壳组件的外部接地接头包括一个连接到源外壳的正的DC供电，并用于连接到该离子化物理蒸汽沉积装置的一个接地接头；

该外部靶电源接头包括一个安装在该外壳组件上的负的DC电源接头，当该离子化物理蒸汽沉积源组件被安装到该真空室的室壁上时，其被定位连接到该真空室壁上的一个负端子接头；

该内部靶电源端子包括一个固定到该外壳组件、且与地绝缘的负的DC供电；

该射频电源接头包括一个安装在该源外壳上的射频调谐器，该调谐器的射频导线用于连接到一个射频电源，并有内部射频接头与它连接；

该外壳组件上面有联锁开关设备，用来通过与该线圈的适当连接调整施加到该线圈的射频功率和冷却水，该外壳组件上还有用来根据与该靶组件的适当连接调整施加到该靶组件的DC功率和冷却水的联锁设备；

该靶组件是一个截头圆锥形的环形靶组件，它包括一个截头圆锥形溅射靶、一个其结构与该截锥靶形成一个水密封来封闭自己与该靶之间的冷却水通道的靶后背盖、和该盖与该靶周围的能通过旋转在该盖上装卸该靶的卡口连接结构；

该窗口组件包括一个其内具有一组V形槽的导电保护屏，槽的结构能阻挡镀膜材料从该室通过该槽运动到该窗口的视线通道，该保护屏被连接到该窗口并保持一定距离，该槽的尺寸有利于形成该槽与该窗口之间、能清除在该槽向该窗口沉积的材料的等离子体；

该线圈组件包括一个包围该线圈的导电外罩，以便提供一道防止射频从该线圈向该外罩外部窗口外侧发射的屏障，该外罩有供冷却液接口和该线圈的射频端子穿过的开孔。

34.根据权利要求31所述的装置，还包括：

一组将该环形法兰牢固安装到该外壳、并以可拆卸方式将该靶组件牢固安装到该离子化物理蒸汽沉积源的手动紧固装置。

35.根据权利要求1所述的装置，还包括一个保护该绝缘窗口、同时允许射频能量通过它耦合的镀膜材料保护屏，该保护屏包括：

一个平坦的金属圆盘，它具有一个前面、一个背面、一个其内封闭了某个冷却液通道的环形边缘部分、一组在背面上能连接该冷却液通道的冷却液接口和一个圆形平坦中心部分，该部分具有一组通过其中的平行槽，其内包含能与该边缘中的冷却液通道相连的冷却液通道。

36.根据权利要求35所述的装置，其中该槽的剖面为V形。

37.根据权利要求35所述的装置，其中该圆盘由表面镀铝的铜构成。

38.根据权利要求35所述的装置，其中：该绝缘窗口是平坦且圆形的，并具有通过其的一组通孔，该窗口在从该保护屏延伸并构成该冷却液接口的一构件上且从而连接至该保护屏，该窗口与该保护屏保持距离且与其平行，该窗口还具有一个围绕与该屏相反一侧的边缘的环形真空密封表面。

39.一个包括如下步骤的离子化物理蒸汽沉积方法：

将某个真空室压力维持在50至120mTorr；

从位于该真空室内的一个处理空间一端的一个镀膜材料环向该处理空间释放该材料的粒子，该镀膜材料选自一组包括铜或钽在内的材料；

通过该镀膜材料环中央的该镀膜材料的一个开孔，将射频能量从该室外部的一个线圈感应耦合到该处理空间；

利用该耦合射频能量，在该处理空间内形成一个感应耦合的等离子体，其密度足以热能化并电离该处理空间内相当大部分的镀膜材料；

用电气方法将该镀膜材料的正离子从该等离子体引向并使其到达一片基。

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