CN1500908A - 磁控管溅镀装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁控管溅镀装置和方法。在所述磁控管溅镀装置中，真空室包括一个放电气体入口和一个放电气体出口。真空室中设有基板支撑器。磁路单元包括设置在基板对面的靶电极和固装于靶电极背部的磁控管，磁路单元与基板支撑器相对设置，并且绕着基板支撑器的中心轴旋转。驱动单元使磁路单元旋转，并调整靶电极和基板支撑器中心之间的距离。因此，可以提高薄膜的均匀度和阶梯覆盖度。

Description

磁控管溅镀装置和方法

技术领域

本发明涉及一种磁控管溅镀装置和方法，特别是在制造半导体器件和其它电子器件时在基板上形成薄膜的磁控管溅镀装置和磁控管溅镀方法。

背景技术

由于溅镀装置容易控制的优点，在制造半导体器件和其它电子器件时，常常采用磁控管溅镀在基板上形成薄膜。平板磁控管溅镀装置由于具有高沉积率、低生产成本、限制(restriction)电子发射、适用于难熔的金属和化合物等优点，因而在微电子器件以及光学器件的生产中得到了广泛应用。

在传统的溅镀装置中，沉积基板与由形成薄膜的材料制成的靶在真空反应器或者真空反应室中彼此相对设置，将放电气体，例如氩气注入处于高真空态的真空反应器中。对靶施加负压使放电气体开始放电。由于放电作用，气体分子电离为离子，离子被负电压加速并撞击靶。靶表面发射的原子向各个方向溅射，其中一部分溅射的原子沉积到基板上，从而形成一层薄膜。溅射原子的角度分布服从余弦定律。

图1表示一种典型的溅镀装置。在真空室11中，安装了支撑基板15的基板支撑器14，靶电极17与基板支撑器14相对设置。磁铁19设置在靶电极17的底部以产生磁力线20。在真空室11的外部设置电源供给单元21，以便在溅射时为基板支撑器14和靶电极17提供电压。为了保持真空状态，真空室11有一个接收放电气体的气体入口12，和一个排出放电气体或其他气体的出口13。所述出口13用于获得初始的高真空以及在溅射过程中保持一定的真空度，并且出口3与一个高压泵相连。

美国专利US5770025中公开了一种典型的溅镀过程，使靶18与基板15之间的距离设置为大约30～60nm，以便在10^-2～10^-3Pa的溅射压力下发射的靶原子可以在不与放电气体分子相撞的情况下到达基板15。靶18的直径比基板15的直径大1.5倍。在半导体器件或者其他电子器件的生产中，将靶的直径设置为比基板15的直径要大，因为这种靶易于得到厚度均匀的薄膜。但是，大直径的靶成本昂贵，另外，仅仅只有靶18的一部分被溅射，因而效率也低。在使用小直径的靶时，薄膜的均匀度又会下降。

图2示出了在传统的溅镀装置中，从圆柱形靶表面发射的原子在固定的基板支撑器上形成的薄膜的均匀度随基板与靶之间的距离的变化。其中，薄膜的均匀度由公式1确定。

其中，a代表基板中心处的薄膜厚度，b代表基板边缘处的薄膜厚度。因此，均匀度的数值越小意味着基板上沉积材料的均匀度越好。在为绘制图2所做的试验中，圆形靶的直径为8英寸，基板的直径为6英寸。

如图2所示，从曲线f1和f2可以得出，薄膜厚度的均匀度随着靶与基板的间距的增加而增加。但是，在传统的溅镀装置中，在靶粒子不与放电气体分子相撞而能够到达基板的情况下，靶与基板的距离为30～60mm。因此，在该距离内，并不足以形成厚度均匀的薄膜。

图3A-3C示出了采用传统的溅镀方法在基板上填充精细沟槽的工艺。近来，沟槽发展得越来越精细，采用传统的溅镀技术不能完全填充精细沟槽。如图3A所示，靶材料33以一定的角度进入基板31上的沟槽32。如图3B所示，靶材料33沉积在沟槽32的入口周围。如图3C所示，由于靶材料33不能完全填充沟槽32，因而形成了空洞。因此，在传统的溅镀装置中，采用比基板31大的靶降低了阶梯(step)覆盖度。

发明内容

本发明提供了一种磁控管溅镀装置和方法，其采用小尺寸靶和大尺寸基板来提高阶梯覆盖度和薄膜厚度的均匀度。

根据本发明的第一方面，提供了一种磁控管溅镀装置，在该装置中，真空室包括一个放电气体入口和一个放电气体出口。真空室中设有基板支撑器。磁路单元包括设置在基板对面的靶电极和安装在靶电极背部的磁控管。磁路单元面向基板支撑器，并且绕着基板支撑器的中心轴旋转。驱动单元使磁路单元旋转，并调整靶电极和基板支撑器中心的距离。

优选的是，基板支撑器相对于靶电极上下移动。

优选的是，磁路单元和基板支撑器呈偏心设置，磁路单元在围绕基板支撑器的中心轴的圆周路径上运动。

优选的是，靶电极比基板小。

在此，磁控管溅镀装置还包括设置在基板和靶电极之间的挡板，以便通过挡住靶电极来防止在基板上的过早沉积。

驱动单元包括驱动轴、波纹管和滑动支撑。驱动轴的一端与磁路单元相连。波纹管将驱动轴密封，并且重复膨胀和收缩，以使驱动轴进出真空室。滑动支撑与波纹管相连并且与驱动轴的另一端耦合，因而使驱动轴可以左右、前后运动以使磁路单元旋转。

磁控管溅镀装置还包括设置在真空室外的支撑单元，它插入真空室以支撑磁路单元。

所述支撑单元包括：插入真空室的支撑轴，所述支撑轴的一端与磁路单元相连；安装在真空室外部的齿轮单元，齿轮单元与支撑轴的另一端相连，以便帮助磁路单元作圆周运动。

所述齿轮单元包括中心在支撑轴上的支撑齿轮和与支撑齿轮啮合的啮合齿轮，以便将驱动力传递给支撑轴。

驱动轴包括电气线和冷却线，所述电气线和冷却线插入真空室并与靶电极相连。

磁控管溅镀装置还包括一个气缸，用来补偿当驱动轴进出真空室时真空室内压力的变化。

根据本发明的另一方面提供了一种磁控管溅镀方法，其中，第一步，在真空室内安装磁路单元，使其距基板设置成预定的距离h。磁路单元包括与基板相对的靶电极和固定在靶电极背部的磁控管。第二步，向真空室通入放电气体，磁路单元与基板中心轴的预定偏移量为A，磁路单元围绕基板的中心轴以预定的速度v做圆周运动。第三步，通过放电气体的电离使放电气体处于等离子状态，从而使靶电极上溅射的粒子沉积在基板上。

优选的是，靶电极比基板小。

优选的是，在磁路单元安装步骤中，通过基板支撑器的上下驱动来调节磁路单元和基板之间的距离h。

优选的是，在磁路单元做圆周运动的步骤中，为了避免过早沉积，磁路单元被挡板隔开。

沉积在基板上的薄膜的均匀度可以通过改变距离h、偏移量A和旋转速度v来提高。

基板的阶梯覆盖度可以通过调节磁路单元暴露的时间t和靶电极的尺寸s来控制。

射频(RF)值和直流电(DC)功率的数值连续或周期性地变化，并且施加在磁路单元上。

如上所述，根据本发明的磁控管溅镀装置和溅镀方法中，沉积在基板上的薄膜的均匀度可以通过控制基板与磁路单元之间的距离h、磁路单元与基板中心轴的偏移量A，磁路单元圆周运动的速度v来提高。另外，基板的阶梯覆盖度可以通过调节磁路单元暴露在放电气体中的时间t、基板与磁路单元之间的距离h和靶电极的尺寸s来控制。

附图说明

本发明的上述特征和优点将通过以下实施例详细描述，所参考的附图如下：

图1是典型溅镀装置的截面示意图；

图2是在传统溅镀装置中，在固定基板支撑器上形成的薄膜厚度均匀度随着基板与靶之间的距离的变化曲线图；

图3A-3C示出了根据传统的溅镀方法的基板上精细沟槽的填充过程；

图4是本发明一个实施例的磁控管溅镀装置的截面示意图；

图5A是本发明一个实施例的磁控管溅镀装置的平面图；

图5B是本发明一个实施例的磁控管溅镀装置的侧视图；

图6简要示出了本发明一个实施例的磁控管溅镀装置的驱动原理；

图7A和7B示出了根据本发明一个实施例的磁控管溅镀装置和方法在带有沟槽的基板上沉积靶粒子的过程的截面图；

图8示出了根据本发明的磁控管溅镀装置和方法的第一个实施例形成薄膜的情况下，薄膜厚度的变化与基板中心之间距离的关系；

图9示出了根据本发明的磁控管溅镀装置和方法的第二个实施例形成薄膜的情况下，薄膜厚度的变化与基板中心之间距离的关系。

具体实施方式

图4是本发明一个实施例的磁控管溅镀装置的截面示意图。如图4所示，真空室101有气体入口和气体出口(图中均未示出)；设置在真空室101外部的驱动单元107，其与设置在真空室101内部的磁路单元105相连以便驱动磁路单元105的圆周运动。用来支撑基板100的基板支撑器103位于真空室105的底部空间。用于支撑基板支撑器103的支撑轴128插入真空室101内部并且可以使基板支撑器103上下移动，以便控制基板支撑器103与磁路单元105之间的距离。磁路单元105和基板100彼此相对并且偏心设置。磁路单元105包括由欲沉积在基板100上的材料制成的靶电极102，和多个固定在靶电极102背部的磁控管104。

为了避免从靶电极102溅射的粒子过早沉积在基板100上，在基板100和靶电极102之间设置了挡板109。

下面简要描述根据本发明的溅镀装置的溅射机制。首先，将真空室101抽真空到预定压力的真空状态。然后，通过放电气体入口向真空室101中通入放电气体，从外部给靶电极102施加电压。当靶电极102表面上产生放电气体的电离时，等离子体气体离子通过撞击靶电极102将能量传递给靶电极102。当靶电极102的晶格结构被破坏时，从靶电极102释放出离子。在放电气体放电的同时，磁路单元105沿着预定的路径做圆周运动，为了得到某种沉积轮廓，通过控制几个参数在基板100上沉积靶粒子。在沉积过程中，射频(RF)值或直流电(DC)功率的数值连续或周期性地变化。通过控制几个参数进行的溅射过程将结合附图6详细描述。

当挡板109关上时，沉积发生在挡板109上，而不是在基板100上。这样，清理靶电极102，稳定沉积。当挡板109打开时，沉积发生在基板100上，磁路单元105做圆周运动以便在一个沉积循环中可以回到在挡板109上方的同一个位置。挡板109所在区域是磁路单元105的停泊区域。

图5A和图5B分别是根据本发明一个实施例的溅镀装置的平面图和侧视图。

如图4、5A、5B所示，驱动单元107包括驱动轴114，所述驱动轴114用来支撑磁路单元105并使其做圆周运动。驱动轴114插入真空室101，并且与外部的滑动支撑106耦合。滑动支撑106由电机(图中未示出)驱动前后左右移动，相应地带动驱动轴114以预定的速度和预定的圆周直径转动。

驱动轴114由波纹管108密封。波纹管108随着滑动支撑106的往复运动重复地膨胀和收缩。因此，驱动轴114前后移动进出真空室101。为了补偿真空室101内由于驱动轴114进出真空室引起的压力的变化，在驱动轴114的两侧设置气缸110。当驱动轴114围绕磁路单元105旋转时，气缸110向真空室101充气或者从真空室抽气，用来补偿由于驱动轴114进出运动引起的真空室101内的压力变化。真空室101的内部压力保持在大约0.1～1Pa。

支撑单元112设置在真空室101的上方，用来支撑真空室101内部的磁路单元105。与磁路单元105相连的支撑轴126设置在支撑单元112的中心和内部。齿轮单元设置在真空室101的外部并与支撑轴102相连，以使用来支持磁路单元105的圆周运动。齿轮单元包括支撑齿轮120和与支撑齿轮120啮合的啮合齿轮122，以便将驱动力传递给支撑轴126。附图标记116代表放电气体线路，附图标记118代表放电气体线路支撑部分。

图6简要示出了本发明一个实施例的磁控管溅镀装置的驱动原理。靶电极102比基板100小，当其围绕基板100的中心轴做偏心旋转时，在基板100上沉积一层均匀的薄膜。沉积在基板100上的薄膜的均匀度对薄膜的物理性能有直接的影响。如果沉积多层膜或者是生产某种器件，膜的均匀度将大大影响多层膜或者器件的性能。因此，均匀地控制沉积膜的厚度显得非常重要。如果沉积在基板100上的膜的厚度与分子大小比较接近，那么，即使细小的突起都会大大降低表面粗糙度。

假设基板100的半径为R，基板100与靶电极102之间的距离为h，靶电极102与基板100中心轴之间的偏移量为A，溅射粒子的总质量为m，靶电极102的质量密度为ρ，则沉积在基板100上的膜的厚度可以由公式2来计算：

$t\left(A\right)=t(d,h,\mathrm{\τ},d)=\stackrel{m^2\mathrm{\τ}}{-}\frac{h^2+A^2+R^2}{{(h^2+A^2+R^2+2\mathrm{AR})}^{3/2}{(h^2+A^2+R^2-2\mathrm{AR})}^{3/2}}----\left(2\right)$

如果磁控管做多种偏移量的运动，假设沉积在基板100上的薄膜厚度为多个偏移量的运动形成的多个薄膜的厚度之和，则可以从公式2推导出公式3，

$t(d,h,\mathrm{\τ},d)=\frac{{\mathrm{mh}}^2\mathrm{\τ}}{{\mathrm{\ρ\π}}^2}{\∫}_0^{\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{\ψ}(h,A,d,R,\mathrm{\θ})}{[\mathrm{\ψ}(h,A,d,R,\mathrm{\θ})+2A{(\mathrm{\Θ}(d,r,\mathrm{\θ})}^{1/2}{]}^{3/2}\·{[\mathrm{\ψ}(h,A,d,R,\mathrm{\θ})-2A(\mathrm{\Θ}{(d,r,\mathrm{\θ})}^{1/2}]}^{3/2}}----\left(3\right)$

其中，Θ(d，r，θ)＝d²+r²+2drcosθ，Ψ(h，A，d，r，θ)＝h²+A²+Θ(d，r，θ)，τ代表沉积持续时间(秒)，d代表磁控管的偏移量(mm)。

根据本发明的溅镀方法，用来支撑基板100的基板支撑器103上下移动来控制基板100和靶电极102之间的距离h。通过驱动轴114从真空室101的进出来控制靶电极102的中心相对于基板100中心轴的偏移量A。与此同时，控制靶电极102的驱动速度v。在这种情况下，可以提高沉积在基板100上的薄膜的均匀度。

另外，为了提高沉积在基板100上的靶材料的均匀度并提高阶梯覆盖度，靶电极102的尺寸可以调节到基板100尺寸的大约20％～50％，优选大约为30％。

图7A和7B示出了根据本发明一个实施例的磁控管溅镀装置和方法，在带有沟槽的基板96上沉积靶粒子过程的截面图。如图7A所示，在基板96上形成多个沟槽98。在沟槽98上方，等离子态的惰性气体(例如氩气)的离子撞击靶电极。由于撞击，从靶电极上分离的靶粒子94沉积在基板96上。由于靶电极102比基板100小，分离的靶粒子94几乎垂直地入射沟槽98，而不是象在传统的溅射方法中，靶粒子以一定的角度入射到沟槽中。因此，如图7B所示，靶粒子94在基板96包括阶差部分(step difference portion)表面的沟槽98的整个表面上形成厚度均匀的薄膜。从而得到了厚度均匀度和阶梯覆盖度均得到提高的薄膜94a。

特别是，阶梯覆盖度可以通过调整靶电极的半径r、基板和靶电极之间的距离h和由挡板的开关来控制的靶电极暴露的时间t得到改善。

图8示出了根据本发明磁控管溅镀装置和方法的第一个实施例形成薄膜的情况下，薄膜厚度的变化与基板中心之间距离的关系。在第一个实施例的条件下，溅射材料的质量设为5g，溅射材料的质量密度设为2.7g/cm³，磁控管的半径设为25mm，基板的直径设为150mm，基板与靶电极之间的距离设为50mm，靶电极的旋转速度设为10rpm。在上述设置下，首先，将靶电极与基板中心轴之间的偏移量设为107mm，将靶电极暴露43秒。然后，将偏移量设为85mm，将靶电极暴露137秒。然后，将偏移量更改为3mm，将靶电极暴露20秒。

如图8所示，由于薄膜厚度轮廓的误差范围不超过0.83％，因而薄膜的均匀度得到了很大程度的改善。

图9示出了根据本发明磁控管溅镀装置和方法的第二个实施例形成薄膜的情况下，薄膜厚度的变化与基板中心之间距离的关系。在第二实施例的条件下，将磁控管的半径设为2英寸，基板的直径设为6英寸。在上述设置的条件下，首先，将基板与靶电极之间的距离设为60mm，靶电极与基板中心轴之间的偏移量设为20mm。在上述条件下，将靶电极暴露336秒。然后，将基板与靶电极之间的距离设为40mm，偏移量调整至74mm。在上述条件下，将靶电极暴露432秒。然后，将基板与靶电极之间的距离更改为4mm，而偏移量保持不变，将靶电极暴露432秒。

如图9所示，由于薄膜厚度轮廓的误差范围不超过2.8％，因而薄膜的均匀度得到了很大程度的改善。

根据本发明的磁控管溅镀装置和方法，采用比基板小的靶电极和驱动单元，在大基板上沉积得到一层厚度均匀的薄膜，所述驱动单元在使靶电极相对于基板旋转时可以控制一些参数(例如：距离、偏移量、旋转速度、或暴露时间)。另外，阶梯覆盖度也得到了提高。

除了本发明结合其具体实施例所详细描述的内容之外，可以理解，对于本领域的普通技术人员来说，各种形式上和细节上的修改都不脱离本发明所附的权利要求书所限定的宗旨和范围。

如上所述，根据本发明的溅镀装置通过采用驱动单元可以提高薄膜的均匀度和沟槽的阶梯覆盖度，所述驱动单元可以使比基板小的靶电极围绕基板偏心旋转。

根据本发明的溅镀方法通过控制一些参数，例如：基板与靶电极之间的距离、靶电极与基板中心轴之间的偏移量和靶电极的旋转速度，来提高薄膜的均匀度。另外通过控制一些参数，例如：基板与靶电极之间的距离、靶电极的暴露时间和靶电极的半径，来提高带沟槽的基板的阶梯覆盖度。

Claims (18)

1.一种磁控管溅镀装置，包括：

真空室，所述真空室中形成有放电气体入口和放电气体出口；

设置在所述真空室内部的基板支撑器；

磁路单元，所述磁路单元包括设置在基板对面的靶电极和安装在靶电极背部的磁控管，

其特征在于，磁路单元面对基板支撑器并且绕着基板支撑器的中心轴旋转；以及

驱动单元，所述驱动单元使磁路单元旋转，并调整靶电极和基板支撑器中心之间的距离。

2.如权利要求1所述的磁控管溅镀装置，其特征在于：基板支撑器相对于靶电极上下移动。

3.如权利要求1所述的磁控管溅镀装置，其特征在于：磁路单元和基板支撑器单元是偏心的，磁路单元在围绕基板支撑器的中心轴的圆周路径上运动。

4.如权利要求1所述的磁控管溅镀装置，其特征在于：靶电极比基板小。

5.如权利要求1所述的磁控管溅镀装置，其特征在于：还包括设置在基板和靶电极之间的挡板，通过挡住靶电极来防止基板上的过早沉积。

6.如权利要求1所述的磁控管溅镀装置，其特征在于：所述驱动单元包括：

驱动轴，所述驱动轴的一端与磁路单元相连；

用于密封驱动轴的波纹管，所述波纹管重复膨胀和收缩，以使驱动轴进出真空室；以及

与波纹管相连的滑动支撑，所述滑动支撑与驱动轴的另一端耦合，以便使驱动轴左右、前后运动，使磁路单元循环。

7.如权利要求1所述的磁控管溅镀装置，其特征在于：还包括设置在真空室外的支撑单元，该支撑单元插入真空室以支撑磁路单元。

8.如权利要求7所述的磁控管溅镀装置，其特征在于：所述支撑单元包括：

插入真空室的支撑轴，所述支撑轴的一端与磁路单元相连；

设置在真空室外部的齿轮单元，所述齿轮单元与支撑轴的另一端相连，以支持磁路单元的旋转运动。

9.如权利要求8所述的磁控管溅镀装置，其特征在于：所述齿轮单元包括：

中心在支撑轴上的支撑齿轮；和

与所述支撑齿轮啮合的啮合齿轮，以便将驱动力传递给支撑轴。

10.权利要求6所述的磁控管溅镀装置，其特征在于：所述驱动轴包括电气线和冷却线，所述电气线和冷却线插入真空室并与靶电极相连。

11.如权利要求6所述的磁控管溅镀装置，其特征在于：还包括气缸，其用来调节当驱动轴进出真空室时真空室内压力的变化。

12.一种磁控管溅镀方法，包括：

在真空室内安装磁路单元，使其与基板之间设置成预定的距离(h)，该磁路单元包括与基板相对的靶电极和固定在靶电极背部的磁控管；

向真空室通入放电气体，使磁路单元与基板中心轴的偏移量设置为预定值(A)，使磁路单元围绕基板的中心轴以预定速度(v)做圆周运动；和

通过放电气体的电离使放电气体处于等离子体态使从靶电极上溅射的粒子沉积在基板上。

13.如权利要求12所述的磁控管溅镀方法，其特征在于：靶电极比基板小。

14.如权利要求12所述的磁控管溅镀方法，其特征在于：在所述磁路单元安装步骤中，基板支撑器上下移动来调节磁路单元和基板之间的距离(h)。

15.如权利要求12所述的磁控管溅镀方法，其特征在于：在所述磁路单元做圆周运动的步骤中，为了避免过早沉积，磁路单元被挡板隔开。

16.如权利要求12所述的磁控管溅镀方法，其特征在于：沉积在基板上的薄膜的均匀度通过改变距离(h)、偏移量(A)、旋转速度(v)来提高。

17.如权利要求12所述的磁控管溅镀方法，其特征在于：基板的阶梯覆盖度通过调节磁路单元暴露的时间(t)和靶电极的尺寸(s)来控制。

18.如权利要求12所述的磁控管溅镀方法，其特征在于：射频值或直流功率的数值连续或周期性地变化，并且施加在磁路单元上。

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