CN1914351A - 可选式双位置磁控管 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可绕一溅射靶材(16)后方的一中心轴(60)旋转的双位置磁控管(50)，尤其用于将一阻挡材料的靶材的一边缘溅射在一晶片(18)上，并清洁再沉积在靶材中心处的材料。在靶材清洁期间，晶片偏压会被降低。在一实施例中，一弧形磁控管(130)支撑于一枢转臂(90)，而该臂枢转于一固定至该旋转轴杆(62)的撑座(82)的一端。一弹簧(96)可偏压该枢转臂，以使该磁控管受迫移向该靶材中心上方。离心力于增加转速时会克服该弹簧偏压，并将该磁控管转移至一外侧位置，使长磁控管尺寸段对齐靶材边缘。机械阻挡物(100，102)可避免在任一方向的过量移动。其它机构则包括线性滑动件(180)以及致动器(208)。

Description

可选式双位置磁控管
技术领域
本发明通常涉及材料的溅射。尤其是，本发明涉及与磁控管形成磁场以增强溅射。
背景技术
溅射(sputtering)或称物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)者是集成电路制造中沉积金属层及相关材料最常见的方法。溅射原先是用于在晶片上沉积相当平坦的材料层，且特别是用于沉积铝电内连线。然而近年来，焦点及挑战皆在于将材料沉积在高深宽比介电层中之垂直内连线，以及介电层中(及通过介电层)之类似垂直向结构中。铜金属化则因大块铜可更轻易通过电化学电镀(Electrochemical plating，ECP)沉积而改变了重要性。然而，在电化学电镀之前会需要各种薄衬层，例如阻挡层(如Ta及TaN)以避免铜扩散至氧化物介电层及铜晶种层，以形成平板电极并进行铜电化学电镀层的成长。
现已发展出许多技术可让薄均匀层溅射沉积在高深宽比孔的壁上。此种商业上已成功的技术之一为自离子化等离子(Self-Ionizing Plasma，SIP)溅射，其中多数溅射原子会离子化并因而可静电吸附于窄开孔内。称为自离子化等离子是因为部分溅射离子会被吸回至溅射靶材，以溅射出更多原子或离子，从而降低氩工作气体的需求并可于低压下进行溅射。SIP的极限是持续自溅射(SustainedSelf-Sputtering，SSS)，其中溅射离子足以维持溅射等离子，因此去除氩气。
公知的PVD腔室10(对于SSS或SIP溅射稍微有些变化)示意性地示出在图1中。该示意图是以加州圣塔克拉拉市美商应用材料公司所上市的EnduraPVD反应器为基础。该腔室10包括一真空腔室本体12，其经由一陶瓷绝缘体14与一溅射靶材16相封隔，该靶材16具有至少一正面，该正面由欲溅射沉积在一晶片18(通过一晶片夹钳承载于一加热器基座20上)上的材料所组成，其通常为金属。除了晶片夹钳22，覆盖环或静电吸盘也可结合至基座20，或该晶片也可置于基座20上而无需适当承载。靶材材料可为铝、铜、钛、钽、钴、镍、钼、这些金属的含有少于10wt％合金元素的金属合金，或其它金属以及耐受DC溅射的金属合金。另一方面，RF溅射也可用于溅射来自介电质靶材之材料。设于腔室本体12内的接地档板24可保护腔室壁12不受溅射材料的影响，并作为一接地阳极。一可选择及控制之DC电源供应器26可相对于档板24将靶材14负电地偏压至约-600伏特DC。通常，基座20以及晶片18是维持电浮动的方式，但对于多数类型的SIP溅射而言，RF电源供应器28经由AC电容耦合电路30或更复杂的匹配及绝缘电路耦接至基座18，以使基座电极20在等离子存在下可形成DC自偏压电压。负DC自偏压可将高密度等离子中的正电荷溅射离子吸引至高级集成电路的高深宽比孔的深处。即使在基座20是电浮动，其亦可形成部分DC自偏压。
第一气体源34可经由质流控制器36将溅射工作气体(一般为氩气)供应至腔室本体12。在反应性金属氮化物(例如，氮化钛或氮化钽)溅射中，氮气是由另一气体源38经由其本身的质流控制器40进行供应。也可供应氧气以形成氧化物，如三氧化二铝。该气体可由该腔室本体12内不同位置进入。例如，位于靠近腔室本体12底部的一个或多个进气管可于档板24后方供应气体。气体会穿过该档板24底部的一孔径或通过在该覆盖环22与该档板24及该基座20间形成的一间隙24。经由一宽的抽吸口46连接至腔室本体12的真空抽吸系统44可将腔室本体12内部维持在低压。虽然基础压力可维持在约10-7托或甚至更低，但氩工作气体的通常压力通常是维持在约1至100毫托之间。然而对自离子溅射而言，压力可略小，例如低至0.1毫托。对持续自溅射而言，特别是溅射铜时，一旦等离子激发后，氩气的供应便可终止，且腔室压力可降至非常低。一基于计算机的控制器48包括DC电源供应器26及质流控制器36，40。
当氩气进入腔室时，靶材16及挡板24间的DC电压会使氩气成为等离子，且带正电荷的氩离子会吸附至负电偏压的靶材16。该离子会以相当大的能量撞击靶材16，并使靶材粒子由靶材16溅射出。若干靶材粒子会撞击晶片18并因而沉积于其上，由此形成一靶材材料薄层。在反应性溅射金属氮化物中，氮会同时进入腔室本体12，并与溅射金属原子反应而在晶片18上形成金属氮化物。
为提供有效的溅射，磁控管50会置于靶材16后方。其包括相对的磁铁52，54，以一磁性轭(magnetic yoke)56耦接以在腔室内该磁铁52，54附近形成磁场。一般而言在SIP溅射中，磁控管50很小、套叠且具一或多个内磁铁52(磁力相对更大的外磁铁54所环绕)而不平衡。磁场会捕捉电子，且对电荷中性区而言，离子密度也会增加以在腔室内该磁控管50附近形成高密度等离子区58。为了能在晶片18上进行均匀溅射，磁控管50通常会通过马达64驱动的一轴杆62绕着靶材16中心60旋转。一般转速为50至100rpm。在公知的磁控管中，轴杆62相对于磁控管52，54固定且与靶材中心60一致，以使磁控管50掠过靶材中心60周围的一固定路径。
Fu在美国专利第6,306,265号中公开了数种用于SSS及SIP的磁控管设计。对此等应用而言，磁控管应可产生强磁场且具有小面积。旋转磁控管仍可提供均匀溅射沉积以及最大靶材侵蚀(若需要)。磁控管应包括与一个或多个内磁铁52相连的一内磁极，其中该内磁铁52由具相反磁性的一连续外磁极(与该外磁铁54相连)所环绕。该内及外磁极一般并不平衡，以使外磁极所形成的总磁通量为内磁极的至少约1.5倍。藉此，来自外磁极54的磁力线会延伸至腔室而朝向晶片16。由DC供应器26供应至靶材16的电源应够高，对200mm晶片而言约20kW等级。然而，调节电源供应器对300mm晶片而言有些困难。但高电源及小磁控管面积的结合可在磁控管50下方产生非常高的电源密度，并因此可形成一适度的高密度等离子区域58而无需使用附加的等离子源电源，例如RF感应线圈。磁控管50的形式及尺寸与本发明某些方面息息相关。
为抵销输至靶材的大量电源，靶材16后方可与背侧冷却腔室66封隔。经冷却的去离子水68或其它冷却液体经冷却腔室66内侧循环以冷却靶材16。磁控管50一般浸入冷却水68中，且靶材旋转轴杆62经一旋转密封件70贯穿背侧腔室66。
这种SIP腔室10可用于溅射阻挡层(例如来自钽靶材的TaN/Ta)及溅射来自铜靶材的薄铜晶种层。尤其对阻挡层而言，与该结构一起连续且对称沉积对达成最小侧壁覆盖要求及介层洞底部降低厚度/穿透工艺相当关键。阻挡层溅射已发现在相对较小的磁控管进行下有最佳效果，小磁控管可集中在靶材周围区域或边缘，而靶材中心仅有少许、或无任何溅射。由靶材周围区域侵蚀的材料可以较佳倾斜角达成对称的阶梯覆盖。此外，小磁控管可形成高电源密度且也因此可以相当低的DC电源供应形成高离子化碎片。然而，在靶材周围的靶材侵蚀会在靶材中心区域周围再沉积(中间未受侵蚀)。溅射或清洁处理期间需避免再沉积(re-deposition)。清洁工艺将于下文详述。在铜及铝沉积时，均匀的靶材侵蚀及高平均溅射率对各晶片上作为薄阻挡层或晶种层的少量溅射材料来说并非主要考虑。
对以非延伸在靶材16整个半径上的SIP溅射而言，旋转式磁控管50并未扫描整个靶材16，且溅射材料倾向再沉积在未扫描区域上。虽发生铜的再沉积，但通常并不将其视为问题的原因在于再沉积的铜会与铜靶材有良好键结。然而阻挡层沉积可能会出现相当大的问题。部分的阻挡层溅射会发生在一称为反应性溅射的工艺中氮的周围以于晶片上沉积金属氮化物层，例如TaN或TiN。氮化物也可再沉积在金属靶材上，并在多次晶片工艺循环后成长一厚度。前述再沉积材料倾向于剥落而形成粒子源。因此，通常需要避免再沉积的阻挡材料剥落，优选地避免其成长超过一关键厚度。
Rosentein等人在美国专利第6,228,236号已提出一种再沉积材料的解决方法。他们将磁控管50固定在一偏心臂，以控制离心力使磁控管依据磁控管驱动轴杆62的旋转方向假想两个径向位置。Rosenstein等人有效地将一径向移动机构74插入该旋转驱动轴杆62及磁控管50间，他们主要关注该靶材操作区域外侧靶材周围上的再沉积。Rosenstein等人的设计提出了一种小型径向移动的磁控管，且其磁控管对于旋转周围的方位则大致在两位置之间维持不变。同样的，移动至少部分地依靠流体动力学进行。Rosenstein的设计可作变化以清洁靶材中心，但这将依赖于颠倒磁控管的旋转。故需要一种可避免颠倒旋转磁控管方向的磁控管设计，藉以加快多径向旋转直径间的转变。这种设计可使实现清洁模式位置所需时间最小化，并最大化晶片沉积时间以提高产量。
现已提出不同类型的行星式磁控管，例如Hong等人2002年5月21日申请的美国专利申请第10/152,494号案，现已核发为美国专利第6,841,050号；以及Miller等人于2003年4月17日申请的美国专利申请第10/418,710号案，现已核发为美国专利第6,852,202号，前述两者均共同受让与本申请的受让人。所公开的行星式机构可使小磁控管以一行星式路径(由两旋转臂形成)扫描靶材表面的绝大部分。虽然以单一路径的行星式扫描也可采用回旋式路径以避免再沉积，但通常仍期盼能将主要溅射限定在较窄的靶材径向范围。
发明内容
根据本发明的一个方面，两步骤的溅射工艺包括一或多个将一阻挡金属溅射沉积在一基材上同时将一按外部环形路径移动的小型磁控管扫描一靶材外边缘的步骤，以及藉由将该磁控管移向靶材中心并将该按内环形路径移动的磁控管扫描至少该靶材中心的另一靶材清洁步骤。该清洁可在每一基材作沉积时进行、或在每隔一些基材或数百个千瓦小时的靶材电源后进行。
一机构可将磁控管中心相对于靶材半径作有效移动，并同时令一旋转轴以不同靶材半径绕该靶材中心旋转该磁控管。
一用于双位置磁控管的单向、多速度离心力机构可将该磁控管支撑于一枢轴上，该枢轴枢接在一托座上，藉一机械驱动轴杆绕一溅射靶材的中心轴旋转。一弹簧或其它偏压装置可相对于该中心轴将该磁控管以一径向方向偏压。取决于驱动轴杆转速的离心力可设定在足以克服偏压力的高速态。藉此，转速的选择可使磁控管以不同半径(指距中心轴)作旋转。较佳而言，连接在撑座及枢接板间的张力弹簧可将磁控管偏压向中心轴，同时磁电管上的离心力可迫使其向外移动。
机械阻挡物可用以避免枢转至其它方向，藉以明确控制旋转半径。该等阻挡物应可吸震，例如弹性缓冲物或吸震物。
该撑座与枢接臂间的该枢接机构也可包括两个水密封式轴承，其具有至少一动力密封物以让该双位置磁控管操作在该靶材后方的冷却水浴中。
离心力的双位置机构可或者于一线性滚动物中进行，其中该旋转撑座形成有一径向延伸的狭缝。一用于磁控管的支撑物系固定在狭缝中，并可于其中径向滑动。一或多个弹簧可用以将该磁控管偏压向该旋转中心，同时离心力可迫使磁控管远离中心。支撑物与该狭缝任一端的啮合可作为一正向机械阻挡物。
该磁控管的一枢轴移动无论是透过离心力或以致动器进行，均可有利地应用在一加长的磁控管(具有一短尺寸及一长尺寸)上。对靶材的边缘溅射而言，该磁控管以垂直于一半径(距该旋转中心)的长尺寸而位于邻近靶材边缘处。对中心清洁而言，该磁控管则以一较小角度(如少于60°)倾斜于该半径(距该旋转中心)的长尺寸而位于该靶材中心处。
外部控制的致动器可用以选择性将一磁控管以一旋转板(磁控管支撑于其上)的至少部分的径向方向移动。例如，一液体或气动式致动器，其系位于该板上并藉一液体供应经该旋转轴的方式驱动，以与位于该板上的被动偏压装置(例如弹簧)相反的方式作动，同时该致动器及偏压装置以相对的径向方向压迫该磁控管。该磁控管可线性移动于该板(与该板的旋转轴偏移)上或绕该板上的一枢轴枢转。
附图说明
图1所示为一自离子化等离子(SIP)溅射反应器的示意性截面图；
图2所示本发明一离心双位置磁控管机构之一实施例的概要图；
图3所示为图2的双位置磁控管在其外侧位置时的示意性平面图；
图4所示为图2的该磁控管在其内侧位置时的示意性平面图；
图5所示为用于解释移动该双位置磁控管的运动的图表；
图6所示为枢转机构的一实施例的截面图，其用于一双位置磁控管中；
图7所示为一用于本发明的磁控管的第一实施例的垂直视图；
图8所示为该磁控管的第二实施例的垂直视图；
图9所示为说明一枢转式弧形双位置磁控管的两位置的示意图；
图10所示为本发明的一双位置磁控管的一离心滚动物的示意图；
图11所示为机构的示意性截面图，其包括一用于移动一磁控管的径向位置的致动器。
具体实施方式
本发明的一通常方面至少包括一两步骤工艺，包括交替一由一溅射靶材的一环形区域(特别是一种由一耐火阻挡材料所组成者，且一般至少部分用于反应性溅射沉积)溅射的第一步骤，以及一由该溅射靶材的至少一剩余部分溅射的第二步骤。两个步骤均藉由移转两步骤间旋转磁控管的径向位置的方式使用相同磁控管。第二步骤特别有用于清洁再沉积材料的靶材。优选地，在两步骤中该磁控管以绕该靶材中心的相同方向作旋转。
对于将阻挡物溅射沉积于高深宽比孔时，该第一步骤优选地将该磁控管绕靶材的中心轴旋转的方式扫描一相当小且不平衡的磁控管(靠近靶材周围边缘)。继而，该磁控管移向该靶材中心轴以扫描接近该靶材中心的区域，且该磁控管以相同方位但不同半径的方式扫描。随着磁控管接近该靶材中心，其会绕着该靶材中心旋转以提供更均匀的清洁。虽然一般在径向移动期间持续旋转该磁控管，但边缘溅射以及中心清洁两者都需要较一秒更长的时间以使磁控管在其两位置的各处旋转数十秒。
该用以移动磁控管的机构可有许多不同形式。
本发明的一方面包括一双位置离心枢转磁控管组件80，其说明于图2的垂直视图中，该组件依据单一旋转方向的转速可转换于两旋转半径间。该磁控管组件80包括一固定在旋转驱动轴杆62(绕该反应器的中心转轴60)上的撑座(bracket)82。该撑座82的一臂的一端由下方一枢转板84藉一枢转机构86作旋转支撑，该枢转机构可使枢转板84绕一枢转轴88枢转。该枢转板84可支撑一背板90，其由一强磁性材料组成以形成该磁控管50的磁性轭。考虑结构，该背板90可视为该枢转板84的一部份，因其与绕该枢转轴88一起枢转。一轴衬92固定在该撑座82，介于该转轴60及该枢转机构86之间；而另一轴衬94是固定于该背板90上的一安装件95。一张力弹簧96的两端接附于两轴衬92，94。一第一尼龙阻挡物100是螺附(screwed)在该撑座82一侧上的该枢转板84，而一第二尼龙阻挡物102则螺附在该撑座82另一侧上的该背板90。各阻挡物100，102包括一具有通孔的金属圆形突出物，供设螺丝及一管形的软、弹性尼龙护套，从而可安装于其外侧以缓冲对该撑座82的突然冲击及震动。弹簧96可将该具有第二阻挡物102的背板90的一侧偏压向该撑座82，并因此将该磁控管偏压向该转轴60。不过，内侧方向的枢转会受限于邻接且啮合该撑座82之第二阻挡物102。另一方面，该驱动轴杆62的旋转可施加足够的离心力于重的磁控管50及相关组件上，并将具有第二阻挡物102之该档板90的一侧以远离该转轴60之外径向方向推离该撑座82。不过，向外方向的枢转会受限于邻接且啮合该撑座82的第一阻挡物100。转速可决定是否向内弹簧偏压或向外离心力何者较占优势。
虽然旋转驱动轴杆62的旋转与枢转板84的枢转其两者移动相当类似，但仍赋予不同名称。然而，两种移动间较明显的差异在于磁控管50是固定旋转，但于工艺期间会为大角度的360°转动选择转轴60的半径，同时枢转板84以约小于90°角改变由一者至另一者的半径位置。机械偏压的术语应可了解指一预先决定之力施加于一物体，以迫使其移向该偏压力之方向，但实际移动一般仍取决于与该移动相对的抵抗力。
平衡锤(counterweight)104固定在该撑座82的另一臂，且设计以具有如该磁控管50及相关组件般相同的惯性移动，以减少旋转期间的震动。然而，由于磁控管的惯性移动取决于其径向位置，若平衡锤受到相对于该转轴60的相同径向移动时，平衡力会改善。一位置标106(例如磁铁)固定在背板90上，且一位置感应器108(例如磁性霍尔(Hall)感应器，如图1所示)设于该转动磁控管50上方顶部，以使控制器48在该旋转磁铁106通过或未通过磁性感应器108下方时判断该磁控管的当时径向位置。
在本发明的该实施例中，改变旋转驱动轴杆62的转速可使离心力克服弹簧偏压力而将该磁控管置于一第一径向外侧位置、或支配弹簧偏压力而将该磁控管50置于一第二径向内侧位置。图2所示的该磁控管位置是离心力较大所致的外侧位置(OUT position)。该外侧位置以平面方式示意性地图标在图3中，其中较为简化的表示出该枢转板84。当该旋转驱动轴杆62以够高之速率fOUT作一旋转方向的转动时，磁控管50上的离心力会大于弹簧张力，并使该枢转板84及接附磁控管50绕该撑座82的枢转轴88向外枢转。反之，在位于图4的平面图的内侧位置(IN position)时，该旋转驱动轴杆62会以相同旋转方向、但一相当低的速率fIN旋转，使弹簧96的弹簧张力大于离心力而拉动该枢转板84及接附磁控管50，以绕该枢转轴88向内枢转，移向撑座82而抵达所示的内侧位置。无论磁控管位置如何，驱动轴杆62会绕该中心转轴60持续转动该磁控管50，但该磁控管50于内侧位置的径向位移会大于外侧位置。藉此，磁控管50在其位于不同半径位置时将可扫描靶材不同区域。
参照图5说明磁控管移动的运动。线条110、111、112示出了施于枢转板84上的力矩(即以重的磁控管50绕该枢转轴88所施加的离心力)与枢转角(指该枢转板84及撑座82之间对三个旋转轴杆转速值50rpm、68rpm及85rpm的枢转角)的函数。在所示的该机构配置中始终位于向外方向的该枢转力矩随转速而增加，且当枢转板84将该磁控管50移离该转轴杆62时亦随枢转角而增加。虚线113示出了弹簧96张力绕该枢转轴88所施加的力矩与枢转角的函数。弹簧力矩始终位于内侧方向。净力矩即为离心力矩及弹簧力矩间的差，且该差值可决定该枢转板82向内或向外枢转。应注意的是离心力与弹簧力矩两者均受枢转角影响，此不仅是因为偏压的差异及改变弹簧长度与磁控管半径的离心力，也是因为改变力矩臂相对于撑座纵轴的几何所致。双稳定态操作(Bistable operation)是可以达成的，只要所选择的两转速fIN及fOUT(例如图中50rpm及68rpm)可完全涵盖该弹簧力矩113(即两阻挡物间枢转角的所有值)，以让低速fIN旋转之该磁控管可旋转至内侧阻挡物，并让较高速fOUT旋转的该磁控管可旋转至外侧阻挡物。
然动力学会因该相对旋转之枢转板84以及撑座82间之封闭旋转所施加的力矩(其本身是由摩擦产生且可阻碍任何移动)而更显复杂。在没有相对移动时封闭力矩具最大值，一旦开始移动才会变小。假设磁控管因撑座82抵邻该第一阻挡物100而处于稳定的外侧位置1，其在以速率fOUT＝68rpm旋转时，需进一步减少会克服该封闭力矩的旋转以使转速低于平衡点(即离心力力矩等于弹簧力矩的点)。该磁控管接着会暂时处于位置2，在该处磁控管位于外侧位置但以fIN＝50rpm作旋转。若50rpm低于无法克服封闭力矩的挣脱点(breakaway point)时，磁控管会在转速到达50rpm前开始移至位置3。同样的，当需要由稳定的位置3向外移动时，转速须为离心力力矩及弹簧力矩间的差距作充分提升以超过封闭力矩，藉以将磁控管暂时推向位置4，使其以68rpm转速于内侧位置旋转。该磁控管接着会快速向外移至稳定的外侧位置1。
该两位置间的转换在转速高于或低于其恰巧可开始移动所需的转速时可予以加速。例如，当由外侧位置移至内侧位置时，转速可由68rpm降至50rpm，以明显增加不平衡的力矩。当磁控管抵达内侧位置时，转速可降至50rpm。同样的，当由内侧位置移至外侧位置时，转速可由50rpm明显提升至高于68rpm以激活并完成移动，并于其后降至68rpm或甚至更低的转速。
该磁控管移动中参照图2、3及4无流体影响下作描述，然而流体影响在转速改变时、以及在冷却水的打旋移动趋于平稳(通常在旋转撑座82及磁控管50后)之前会变得相当重要。旋转方向示出在图3及图4中，用以将磁控管50拉引通过粘性冷却水。取决增加转速的额外流体力可用以加速朝向外侧位置的移动。反之，若旋转方向与所示相反，它会将磁控管50推过液体。当转速减缓时，流体力可较快将磁控管50压向中心位置。
枢转机构必须按若干要求进行设计：其通常浸于冷却水中，其亦必须转动以最小的下垂及震动方式支撑重的磁控管，特别是由于磁控管可能需要旋转接近靶材背侧。该枢转机构应施加最小的封闭力矩及其它摩擦作用以降低转速的所需差值。图6中以截面图方式示出的该枢转机构86具有良好效能。至少一螺栓可将一心轴(spindle)114固定至枢转板84以与枢转轴88对准。一对以一管状间距物117分隔之经封闭润滑轴承115，116的内环是藉一凸缘118(螺附于该心轴114)安设于该心轴114上。该轴承115，116的内环并以一环形预负载弹簧(其以一藉螺栓固定在撑座82的盖体122压抵于该上方轴承115的外环的轴端)120安设于撑座82上。该含有轴承115，116的腔体系以其两端封闭于水态环境，此封闭方式乃藉由：该撑座82及盖体122间的一静态O形环封闭件124、该盖体122、以及该心轴114下方外围及该撑座82的一内延伸唇部128间的一动力封闭件126等方式为之。为降低摩擦封闭力矩，该动力封闭件126的直径应缩至最小。
在重磁控管以及强磁性材料(如NdFeB)易脆性的情况下，尼龙阻挡物100，102的防震性仍嫌不足。因此，需要以弹簧负载吸震体替换尼龙阻挡物，其类似车用吸震体，可安装在撑座或枢转板及背板上，以更滑顺地啮合其它组件上的阻挡物。
一第一较佳实施例的不平衡、弧形磁控管139以垂直视图示出在图7中，大致来自图1及图2的底部。二十个具第一磁极性的柱形永久磁铁132沿着柱形轴配设于该背板90上一闭合的外部地带，其作为磁性轭以及一固定于该枢转板84的支撑件。十个相同设计但具有相反的第二磁极性的磁铁134则以弧形配设于该外部地带内。该外部磁性地带的磁性强度高于内侧磁性弧段两倍，以使该磁控管不平衡，如先前于Fu案专利中所讨论者。然而，为更加强该靶材外围的离子化溅射并进一步界定磁性侧的范围，靠近靶材边缘的弧形侧的不平衡程度可大于靠近中心的相反弧形侧。该外部磁铁132以一带形磁极片138覆盖，而内部磁铁134以弧形磁极片138覆盖。在磁控管130位于外侧位置且以靠近靶材圆周的位置旋转时，该带形磁极片136的平滑凸面侧140通常会与靶材的外围对齐。一类似的平滑凸面侧则设于背板90。另一方面，一小的凹侧系位于该带形磁极片136的另一侧。该凹侧可为平滑外型或形成尖端。磁极片136，138系经配置以具有大致固定的间隙，在其间可界定出一磁场区，平行于该靶材的内侧面并形成一邻近靶材正面的等离子回路。一非磁性分隔板142固定于该背板90及该磁极片136，138之间，其包括数个孔径以让磁铁132，134可适配于其中以作校准。该磁控管30的操作中心接近磁铁132，134的重心，即位于弧形内磁极片138内。
虽然磁控管130已有令人满意的效果，但在重心径向地向外转换时两磁控管位置间的运动变化会更为改善，以在磁控管径向移动时在惯性移动上有较大变化。一具有向外设置重心之磁控管150的第二实施例以分解底部垂直视图示出在图8中。非磁性校准以及重量档块152(例如非磁性不锈钢)可取代图7的分隔板142。档块152中定位销可使其与档板90及磁极片136，138对齐。螺栓154通过背板90及档块152并螺入磁极片136，138中一起固定磁控管。
档块152包括一重量部156，其延伸至该带形磁极片136之外凸面部140，亦即，再磁控管150位于外侧位置时是径向朝外。该重量部156的厚度大致等于磁铁长度，且除轴向通孔158(乃形成以供未示出的内部磁铁及未示出的外部磁铁的径向外半部通过)外大致连续。该档块152也包括一半环部160，其厚度较小且具有数个孔径供其余十个外磁铁132通过。
该弧形磁控管150的重心较图7的该磁控管130靠近该平滑凸面边缘140，且也具有较少部件的简易设计以易于组装。该重量部156约2千克的额外重量可帮助两稳定位置间的移动。然而，因额外重量必须于两个不同径向位置旋转支撑在可移式悬臂结构上，故下垂及震动的问题会较图8中较轻设计明显。此外，额外重量也会增加阻挡物处的冲击。
弧形磁控管130或150具有一大致由两磁极片136，138间的间隙外围所界定的形状，其于一方向上的长度实质上大于另一方向。此形状有利于两步骤溅射沉积以及清洁工艺。如图9中底部平面图所示，在溅射沉积期间，该以实线示出的弧形磁控管130以其长尺寸(或称长尺寸段，即与该靶材16的圆周对齐并垂直于该旋转轴60延伸至磁控管中心的半径者)以及其短尺寸(或称短尺寸段，即大致对齐靶材半径者)邻设于该靶材16的有效边缘170。更明确而言，该外磁极136的外侧部于溅射沉积中可位于该靶材的有效边缘170上。两磁极136，138间的间隙172可大致界定出该溅射腔室内的一等离子回路，该腔室可溅射邻近等离子回路(由靶材边缘170向内径向延伸)的靶材16的环形区域。在边缘溅射的一实施例中，该等离子路径会扫描该靶材半径的外半部延伸的环形带，但不会扫描到内半部内侧的靶材。
在溅射沉积期间，RF源28会强烈地偏压晶片18以加速溅射离子于高深宽比开孔内，而使之更均匀覆盖阻挡材料。该磁控管130很小，但绕该靶材中心60旋转以于靶材中心60周围(包括磁控管间隙172)环形带中形成相当均匀的溅射侵蚀。磁控管的小尺寸会使该环形带中的平均溅射率相对较小。然而，对高深宽比开孔中的阻挡层而言低沉积仍可接受，其需够薄以使大多数的开孔可用于铜或其它金属化。
在清洁阶段的初期，转速会减缓且磁控管130会绕该枢转点88旋转至一位置(以虚线示出，靠近靶材中心60)。在此位置，该磁控管130的长尺寸段经对齐后与靶材圆周相比，较接近靶材16半径，因此可让靶材16的较长半径得以清洁。如图所示，长尺寸段倾斜于转轴60半径至磁控管中心约45°，但倾斜角较佳可为0°至60°。同样有利的是，在清洁位置的磁控管间距172由靶材中心60延伸至间距172，而界定出沉积位置的等离子回路。因此，于沉积步骤溅射的所有靶材径向向内区域会在清洁步骤中被溅射。在清洁步骤期间晶片偏压可甚至降为零，以最小化晶片基座处的荷能离子通量。
除了图2所示弹簧96外，也可使用其它类型的偏压装置。压缩弹簧可藉由将其移至撑座82的其它侧的方式取代。可使用一活动弹簧或螺旋弹簧，例如，一端固定接近该枢转轴且另一端位于枢转板84或背板90者。一轴固定于一组件的弹簧卷曲轮(spring-wound wheel)可绕覆以缆线，另一端固定于另一组件。前述该偏压装置均为被动式，然主动式偏压亦可行。
在图10所示平面图的一离心磁控管的另一实施例中，线性滑动机构180包括该固定于该旋转驱动轴杆62并可绕该靶材中心轴60旋转的撑座82。一径向延伸狭缝182形成于该撑座82中，用以容纳并校准一椭圆形支撑柱184，其可径向滑动于该狭缝182内。该支撑柱184可支撑该撑座82下的磁控管50，同时两支撑梁186可藉由低摩擦接口将该支撑柱184滑动支撑于该撑座82上表面上。一未示出的平衡锤可接附于该撑座82的一端与该狭缝182相对，其接附乃藉由与之固定或径向移动以对应该磁控管50的移动的方式为之。两弹簧188，190两端部分别连接至一第一横臂192(固定于该撑座82)及一第二横臂194(固定于该支撑柱184)，藉以将该磁控管50偏压向该靶材中心60。然而，在足够高的转速下，施加在旋转磁控管50上的离心力将足以克服偏压力，并使该磁控管以该支撑柱(啮合该狭缝162的外侧端196)的外侧端进入所示的外侧位置。然而在低转速下，偏压力可克服离心力，使磁控管以该支撑柱184(由该狭缝182之内侧端198阻挡)的内侧端移至其内侧位置。
然亦可能设计出一种离心力驱动的磁控管，其可藉由偏压装置及低转速配合下移至该外侧位置，以及藉由增加之离心力于高转速下移至该内侧位置。
该阻挡物具有双稳定操作效果，然而其亦可更适当的平衡施加于该偏压装置的离心力，以使磁控管可以多于两个径向位置作旋转，而无需使用中间阻挡物。
调整磁控管的另一位置也可应用于本发明中。例如，Fu等人在美国专利第6,692,617号中公开了一活动控制的可调式磁控管200，其示意性截面图示出在图11中。一支撑板202固定在该旋转驱动轴杆62(沿靶材轴60延伸)的一端，以支撑该磁控管50。一支撑柱204将磁控管50支撑在旋转支撑板202上，滑动在用以导引该支撑柱204于径向方向之径向狭缝206中。一气压或液压式致动器208(其具有一连接至该支撑柱204的致动器臂)支撑在该支撑板202上，其经由该旋转轴杆62中的一液体线210驱动，并经由一未示出的旋转耦合件连接至一液体动力源。连接在该支撑柱204及该支撑板202间的一弹簧210或其它偏压装置可使用以对抗该致动器208施加至支撑柱204的力。然而，在该致动器208用以对抗离心力时，也可省略独立的偏压装置。在任何情况下，经由致动器208所施加的流体力均可以该旋转撑座82的径向方向移动该磁控管，以使磁控管位于至少两处径向位置，一位置利于边缘溅射，且另一位置则利于靶材16中心处的溅射。该活动控制的可调式磁控管200无论转速如何均可径向调整磁控管。若该可调式磁控管200具有多于两处的位置时，该磁控管50的径向位置可更精确地控制。
一基于致动器的设计包括图2的该枢转式弧形磁控管，其几何形状大致与双稳定模式所需相当。反之，非依靠转速的改变以控制旋转半径者，例如一外部控制致动器，其连接在该阻挡物100的顶部上以及该撑座82的一侧上(与该枢轴88相对)的各个枢轴间，并经由旋转轴杆62中的液体线210选择性供应气压力或液压力，如先前图11所述。该弹簧96也可能不需要。然而若该致动器仅凭借张力施力，弹簧可以相反方向偏压该背板90，例如，藉由连接在前述枢轴间的方式进行。然而，离心力本身即可提供所需的偏压。
其它调整机构亦为可行，例如，两共轴杆，一者控制旋转而另一者作径向调整。Rosenstein的双向离心力磁控管可用以交替于溅射沉积及靶材清洁间，然而相反方向会影响操作产量。
单向双位置磁控管的快速移动速度可使其用以清洁各晶片的靶材，而不会过度影响产量。该清洁可在加工处理过的晶片移出反应器后、以及新的晶片送入反应器之前实施。另一方面，仅有在一非常短溅射时间的溅射材料已存在阻挡层时才需要各晶片的清洁。因此，清洁可在晶片位于反应器中时原位(in-situ)实施。更明确而言，对一双层阻障层而言(例如TaN/Ta)，其溅射可利用因低转速靠近靶材中心的磁控管而在氮存在下进行一非常短，如2或3秒的反应性溅射。在多次工艺循环后，短暂的初始内溅射应避免TaN累积在靶材中心。其后，增加的转速可将磁控管移至靶材周围同时持续溅射TaN。可利用较靠近靶材周围的磁控管进行最后的Ta溅射。
虽然本发明系描述在溅射沉积及靶材清洁步骤间改变磁控管位置，但磁控管可因其它目的而移动，例如为激发等离子或为改变以作晶片的溅射蚀刻。Gung等人于2004年5月26日所申请的临时申请案第60/574,905号，以及于2004年9月23日申请的专利申请案第10/950,349号，标题为“VARIABLEQUADRUPLE ELECTROMAGNET ARRAY IN PLASMA PROCESSING”中公开了一种可配置不同操作模式的溅射反应器，其包括具控制差异的四电磁数组(quadruple electromagnet array)，其等全文均合并于此以供参考。本发明也利于以一磁控管实施，以改变靶材及磁控管间的间距，如Subramani等人于2004年3月24日所申请的临时申请案第60/555,992号所公开的。Hong等人于2004年9月16日申请的美国专利申请案第10/942,273号，标题为“MECHANISMFOR VARYING THE SPACING BETWEEN SPUTTER MAGNETRON ANDTARGET”中公开了一较普遍的机构及工艺，其全文均合并于此以供参考。
虽然本发明所描述是关于溅射一耐火阻挡金属，特别是钽及其氮化物，但本发明也可应用于其它阻挡金属(例如钛及钨)，以及用于硅化物(例如钴、镍及钼)。本发明也可应用于金属化的金属及其晶种层，特别是铝(其受到剥落的再沉积)，且也可应用于铜，因其在多步骤工艺中会需要不同的溅射特性。双位置磁控管的灵活性也可用于溅射其它类型的材料，包括RF溅射金属或绝缘层。
本发明可额外控制溅射及靶材清洁，且通过略为改变磁控管扫描机构使其易于结合目前反应器设计的方式即可控制地改变溅射特性。

Claims (35)

1.一种在一等离子溅射反应器中溅射的方法，该等离子溅射反应器绕一中心轴配置且具有一与一基座相对的靶材，该基座可支撑一欲溅射涂覆该靶材的一材料的基材，而该方法至少包含下述步骤：
一第一步骤，以一第一半径绕该中心轴旋转一套叠不平衡的磁控管，以将沉积材料溅射于该基材的开孔中；以及
一第二步骤，以一小于该第一半径的第二半径绕该中心轴旋转该磁控管，以清洁该第一步骤中来自该靶材且沉积其上的材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该磁控管的一等离子回路位于通过该中心轴的该第二半径。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该靶材至少包含一耐火阻挡金属。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，该第一步骤包括将氮流入该腔室中，但于该第二步骤期间并未有氮流入该腔室。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该第一步骤期间以RF电源的第一位准偏压该基座，且于该第二步骤期间以一大致低于该第一位准的第二位准偏压该基座。
6.根据权利要求1至5中任意之一所述的方法，其特征在于，在该第一及第二步骤期间该磁控管以一相同方向绕该中心轴旋转。
7.一种多位置磁控管，其至少包含：
一旋转轴杆，沿一旋转轴延伸；
一板，固定于该旋转轴杆；
一臂，可在该板上绕一枢转轴枢转而由该旋转轴的旋转轴杆移开，且枢转不受该旋转轴杆的一旋转角影响；
一磁控管，固定在该板上，该磁控管的一中心系偏移该枢转轴，藉由该臂的枢转，该旋转轴杆可使该中心以距该旋转轴的数个半径中一选定半径而以一单一方向绕该旋转轴旋转。
8.根据权利要求7所述的磁控管，其特征在于：
其中该磁控管是一非圆形对称且具有一长尺寸段及一短尺寸段；
其中当该中心以一第一半径旋转时，该长尺寸会垂直延伸至一线，该线是由该旋转轴延伸至该中心；以及
其中当该中心以一小于该第一半径的第二半径旋转时，该长尺寸倾斜于一线不超过60°，该线是由该旋转轴延伸至该中心。
9.根据权利要求8所述的磁控管，其特征在于：
其中该磁控管是套叠且包括一具第一磁极性的内磁极，一第二磁极性的外磁极，其环绕该内磁极且磁极性与该第一磁极性相反，并以一环形间隙将其分隔；
其中当该中心以该第一半径旋转时，该环形间隙可扫描一与该旋转轴分离的环形带；以及
其中当该中心以该第二半径旋转时，该环形间隙可扫描一圆形区域，其包括该旋转轴，并可径向向外延伸到至少该环形带。
10.根据权利要求7所述的磁控管，其特征在于，其更至少包含一外部控制的致动器，连接在该板及该臂之间以控制该臂绕该枢转轴的枢转。
11.根据权利要求10所述的磁控管，其特征在于，该旋转轴杆包括一连接至该致动器的液体线。
12.一种用于一等离子溅射反应器的多位置磁控管，其至少包含：
一撑座，固定于一旋转驱动轴杆，该旋转驱动轴杆沿一中心轴延伸并与之旋转；
一枢转机构，固定于该撑座，且可绕一枢转轴而枢转地支撑一枢转臂；
一磁控管，支撑于该枢转臂上，而与该枢转轴相隔一距离；以及
偏压装置，耦接该撑座及该枢转臂，用以对抗因该旋转驱动轴杆的旋转而施加在该磁控管上的离心力。
13.根据权利要求12所述的磁控管，其特征在于，该偏压装置至少包含一弹簧。
14.根据权利要求13所述的磁控管，其特征在于，该弹簧是一张力弹簧，其一端固定在该撑座，另一端则固定在该枢转板。
15.根据权利要求12所述的磁控管，其特征在于，其更至少包含第一及第二阻挡装置，用以避免该枢转板以各自相反方向绕该枢转轴作相对于该撑座的进一步枢转。
16.根据权利要求12至15任意之一所述的磁控管，其特征在于，采一第一转速的该磁控管的该旋转轴杆位于距该中心轴的一第一半径处，且采一小于该第一转速的第二转速的该磁控管的该旋转轴杆位于距该中心轴的一第二半径处，且该第二半径小于该第一半径。
17.根据权利要求12至15任意之一所述的磁控管，其特征在于，其中该磁控管为一不平衡磁控管，其包括一沿该中心轴具第一磁极性的第一磁极，以及一环绕该第一磁极且磁性强度大于该第一磁极的第二磁极，其具有与该第一磁极性相反的第二磁极性。
18.根据权利要求12至15任意之一所述的磁控管，其特征在于，其中当该磁控管位于该第一半径处，该中心轴会通过该第二磁极的一周围的外侧，而当该磁控管位于该第二半径处，该中心轴会通过该第二磁极的该外围的内侧。
19.一种用于一等离子溅射反应器的多位置磁控管，其至少包含：
一撑座，固定于一旋转驱动轴杆，该旋转驱动轴杆沿一中心轴延伸并与之旋转；
一磁控管；
一支撑机构，将该磁控管支撑于该撑座上，并使该磁控管绕该中心轴径向移动；以及
偏压装置，耦接该撑座及该支撑机构，用以对抗因该旋转驱动轴杆的旋转而施加在该磁控管上的离心力。
20.根据权利要求19所述的磁控管，其特征在于，其中该偏压装置至少包括一弹簧。
21.根据权利要求20所述的磁控管，其特征在于，其中该支撑机构至少包含一枢转臂，枢转支撑于该撑座上并支撑该磁控管，且该至少一弹簧耦接在该撑座及该枢转臂之间。
22.根据权利要求20所述的磁控管，其特征在于，其中该支撑机构至少包含一安设其中并沿一形成于该撑座中的狭缝滑动的支撑组件，且该至少一弹簧耦接在该撑座及该支撑组件间。
23.一种在一等离子溅射反应器中用以扫描一具有一中心轴的靶材的双位置磁控管，其至少包含：
一撑座，可固定于一旋转轴杆而绕该中心轴旋转；
一枢转机构，固定于该撑座上，且可绕一枢转轴枢转地支撑一枢转板；
一磁控管，固定于该枢转板，而与该枢转轴相隔一距离；
一弹簧，耦接该撑座及该枢转板，并可以与该旋转轴杆的旋转所施加于该磁控管上的离心力相反的力迫使该磁控管朝向该中心轴。
24.根据权利要求23所述的磁控管，其特征在于，其更至少包含：
一第一机械阻挡物，用以避免该枢转板以一第一枢转方向绕该枢转轴而相对于该撑座的进一步枢转；以及
一第二机械阻挡物，用以避免该枢转板以一与该第一枢转方向相反的第二枢转方向相对于该撑座的进一步枢转。
25.根据权利要求24所述的磁控管，其特征在于，其中该第一及第二机械阻挡物固定在该枢转板，并依据该枢转板绕该枢转轴的预定枢转啮合于该撑座。
26.根据权利要求23至25中任意之一所述的磁控管，其特征在于，其中该枢转机构包括环绕该磁控管的防水轴承。
27.一种磁控管溅射反应器，其至少包含：
一真空腔室，绕一中心轴配置；
一溅射靶材，可密封该真空腔室的一端；
一基座，用以支撑一与该靶材的一前侧相对的基材；
一旋转驱动轴杆，沿该中心轴延伸并可绕该中心轴旋转；
一撑座，固定于该旋转驱动轴杆，并可与之旋转；
一枢转板；
一枢转机构，固定于该撑座，且可绕一枢转轴枢转地支撑该枢转板，而该枢转轴偏移该中心轴；
一磁控管，支撑于该枢转板上，邻近该靶材的一背侧；以及
一弹簧，耦接该撑座及该枢转板，且可偏压该磁控管绕该枢转轴枢转以朝向该中心轴。
28.根据权利要求27所述的反应器，其特征在于，其中该旋转驱动轴杆的旋转可迫使该磁控管远离该中心轴。
29.根据权利要求27所述的反应器，其特征在于，其更至少包含第一及第二机械阻挡物，用以避免该枢转板以各自相反的枢转方向绕该枢转轴作相对于该撑座的进一步枢转。
30.根据权利要求27所述的反应器，其特征在于，其更至少包含一液体围封物，以供一冷却液体冷却该靶材，其中该撑座、枢转机构、磁控管以及弹簧均设在该液体围封物内侧。
31.一种操作一磁控管溅射反应器的方法，该磁控管至少包括一与一撑座连接的旋转驱动轴杆，用以支撑一枢转支撑于该撑座上并偏压向该中心轴的磁控管，该方法至少包含下列步骤：
一第一步骤，以一第一转速及一第一方向绕该中心轴旋转该旋转驱动轴杆，以使该磁控管移至一第一位置，而该磁控管在该处以一第一半径绕该中心轴旋转；及
一第二步骤，以一不同于该第一转速的第二转速及该第一方向旋转该旋转驱动轴杆，以使该磁控管移至一远离该第一位置的第二位置，该磁控管在该处以一不同于该第一半径的第二半径绕该中心轴旋转。
32.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，其中该第一转速大于该第二转速，且该第一半径大于该第二半径。
33.根据权利要求31或32所述的方法，其特征在于，其更至少包含改变由该第一旋转步骤至该第二旋转步骤的一第一转移步骤，以一小于该第二转速的第三转速旋转该旋转驱动轴杆。
34.根据权利要求31至33中任意之一所述的方法，其特征在于，其中该磁控管机械地且被动地被偏压向该中心轴。
35.根据权利要求31至34中任意之一所述的方法，其特征在于，其中藉由旋转所产生的离心力可迫使该磁控管远离该中心轴。
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