DE102014105947A1

DE102014105947A1 - Magnetronsputtervorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines dünnen Films unter Verwendung einer Magnetronsputtervorrichtung

Info

Publication number: DE102014105947A1
Application number: DE102014105947.6A
Authority: DE
Inventors: Kevin J. Grannen; Ivan Ionash; Phil Nikkel; Tangshiun Yeh; John Choy; Chris Feng
Original assignee: Avago Technologies General IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2014-04-28
Publication date: 2015-08-27
Also published as: US20150240349A1

Abstract

Ein Verfahren zum Abscheiden eines dünnen Films an Material auf einem Substrat (225) wird bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet das Bereitstellen des Substrats (225) auf einer Kathode (220) und eines Targets (235) auf einer Anode (230) in einer Reaktionskammer (210) einer Magnetronsputtervorrichtung (200), das Erzeugen eine magnetischen Felds unter Verwendung eines erweiterten Magnetrons (240), das eine obere Basisplatte (310) zum Erzeugen eines oberen magnetisches Felds mit einer Feldstärke von ungefähr 205 Gauss und eine untere Basisplatte (320) zum Erzeugen eines unteren magnetisches Felds mit einer Feldstärke in einem Bereich von ungefähr –215 Gauss bis ungefähr –370 Gauss beinhaltet, das Injizieren eines Sputtergases (215) bei einem niedrigen Druck in die Reaktionskammer (210) und das Anlegen von Leistung über der Anode (230) und der Kathode (220) zum Erzeugen von Plasma. Ionen von dem Plasma sputtern Atome mindestens eines Elements von dem Target (235), die auf dem Substrat (225) zur Bildung des dünnen Films abgeschieden werden. Die Leistungsdichte der Leistung liegt in einem Bereich von ungefähr 20 W/cm2 bis ungefähr 60 W/cm2.

Description

Hintergrund
Transducer wandeln im Allgemeinen elektrische Signale in mechanische Signale oder Vibrationen und/oder mechanische Signale oder Vibrationen in elektrische Signale um. Akustische Transducer wandeln insbesondere elektrische Signale in akustische Signale (akustische Wellen) um und wandeln empfangene akustische Wellen in elektrische Signale um über inverse und direkte piezoelektrische Effekte. Akustische Transducer beinhalten im Allgemeinen akustische Resonatoren, wie zum Beispiel akustische Oberflächenwellen (surface acoustic wave, SAW) Resonatoren und Bulkakustische Wellen bzw. Bulk-Akustik-Wave (bulk acoustic wave, BAW) Resonatoren, und können in einer breiten Vielfalt an elektronischen Anwendungen, wie zum Beispiel Mobiltelefone, persönliche digitale Assistenten (PDAs), elektronische Spielegeräte, Laptop-Computer und andere tragbare Kommunikationsgeräte, verwendet werden. BAW-Resonatoren beinhalten zum Beispiel Dünnschicht-Bulk-Akustik-Resonatoren (thin film bulk acoustic resonators, FBARs), die akustische Stapel beinhalten, die über einem Substrathohlraum gebildet sind, und fest montierte Resonatoren (solidly mounted resonators, SMRs), die akustische Stapel beinhalten, die über einem akustischen Reflektor (z. B. einem Bragg-Spiegel) gebildet sind. Die BAW-Resonatoren können zum Beispiel für elektrische Filter und Spannungstransformatoren verwendet werden.
Im Allgemeinen weist ein akustischer Resonator eine Schicht eines piezoelektrischen Materials zwischen zwei leitenden Platten (Elektroden), die auf einer dünnen Membran gebildet sein können, auf. Das piezoelektrische Material kann ein dünner Film von verschiedenartigen Materialen sein, wie zum Beispiel Aluminiumnitrid (AlN), Zinkoxid (ZnO) oder Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). Piezoelektrische dünne Filme, die aus AlN gemacht sind, sind vorteilhaft, da sie im Allgemeinen Piezoelektrische Eigenschaften bei hohen Temperaturen (z. B. über 400°C) beibehalten. Jedoch hat AlN einen niedrigeren piezoelektrischen Koeffizienten d₃₃ und einen niedrigeren elektromechanischen Kopplungskoeffizienten Kt² als zum Beispiel sowohl ZnO als auch PZT.
Ein dünner AlN-Film kann mit verschiedenartigen spezifischen Kristallorientierungen abgeschieden werden, einschließlich einer Wurtzit (0001) B4-Struktur, die aus einer hexagonalen Kristallstruktur mit abwechselnden Schichten von Aluminium (Al) und Stickstoff (N) besteht, und einer Zinkblende-Struktur, die aus einer symmetrischen Struktur von Al- und N-Atomen besteht, zum Beispiel. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines veranschaulichenden Modells der herkömmlichen Wurtzit-Struktur. Auf Grund der Natur der Al-N Bindung in der Wurtzit-Struktur gibt es eine Polarisation des elektrischen Felds in dem AlN-Kristall, was zu den piezoelektrischen Eigenschaften des dünnen AlN-Films führt. Um diese Polarisation und den entsprechenden piezoelektrischen Effekt auszunutzen, muss man das AlN mit einer spezifischen Kristallorientierung synthetisieren.
Unter Bezugnahme auf 1 sind die a-Achse und die b-Achse in der Ebene des Hexagons am oberen Ende, während die c-Achse parallel zu den Seiten der Kristallstruktur ist. Bei AlN beträgt der Piezoelektrische Koeffizient d₃₃ entlang der c-Achse ungefähr 3,9 pm/V und der elektromechanische Kopplungskoeffizient Kt² beträgt ungefähr 6,0, zum Beispiel. Im Allgemeinen sind ein hoher piezoelektrischer Kopplungskoeffizient d₃₃ und ein hoher elektromechanischer Kopplungskoeffizient Kt² erwünscht, da weniger Material benötigt wird, um für den gleichen piezoelektrischen Effekt zu sorgen. Um den Wert des piezoelektrischen Koeffizienten d₃₃ und/oder des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten Kt² zu verbessern, können einige der Al-Atome durch ein anderes metallisches Element ersetzt werden, was als „Dotieren” bezeichnet werden kann. Zum Beispiel haben frühere Bemühungen das Stören der stöchiometrischen Reinheit des AlN-Kristallgitters durch Zugabe eines Seltenerdelements, wie zum Beispiel Scandium (Sc) (z. B. in Mengen größer als 0,5 Atom-Prozent) oder Erbium (Er) (z. B. in Mengen von weniger als 1,5 Atom-Prozent), aber nicht beide, an Stelle einiger Al-Atome beinhaltet.
Ein Nebeneffekt des Dotierens mit Scandium zum Beispiel ist eine erhöhte Zugbelastung in dem resultierenden (ScAlN) dünnen Film. Diese Zugbelastung erhöht den elektromechanischen Kopplungskoeffizienten Kt² in den akustischen Resonatoren, die unter Verwendung des dünnen ScAlN-Films hergestellt werden. Zum Beispiel weist ein dünner AlN-Film, der mit ungefähr 5 Atomprozenten Scandium dotiert ist, eine signifikant erhöhte Empfindlichkeit des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten Kt² gegenüber Dünnfilmbelastung auf als bei undotiertem AlN. Zum Beispiel kann der elektromechanische Kopplungskoeffizient Kt² gegenüber Dünnfilmbelastung des dünnen ScAlN-Films einen positiven Steigungswert bzw. Steilheitswert von ungefähr 0,0006 haben, was ungefähr 50 Prozent höher als ein positiver Steigungswert bzw. Steilheitswert des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten Kt² gegenüber Dünnfilmbelastung von dünnem AlN-Film ist. Ein weiterer Nebeneffekt des Dotierens mit Scandium ist eine erhöhte Cross-Wafer Dünnfilmbelastung. Zum Beispiel kann ein dünner AlN-Film, der mit ungefähr 5 Atomprozenten Scandium dotiert ist, eine Cross-Wafer Dünnfilmbelastung im Bereich von etwa –700 MPa (z. B. an einem zentralen Teil des Wafers) bis etwa +300 MPa (z. B. an äußeren Kanten des Wafers) aufweisen, was eine Cross-Wafer Dünnfilmbelastungsvariation von ungefähr 1000 MPa bedeutet. Diese Belastungsvariation kann eine Variation bei dem elektromechanischen Kopplungskoeffizienten Kt² von 0,6 Prozent verursachen, z. B. unter Verwendung des Steigungswerts bzw. Steilheitswerts von 0,0006 und der 1000 MPa an Variation. Im Vergleich dazu weist ein standardmäßiger undotierter dünner AlN-Film eine Cross-Wafer Dünnfilmbelastungsvariation von ungefähr 200 MPa auf. Dementsprechend gibt es einen Bedarf, die Cross-Wafer Dünnfilmbelastung, die durchschnittliche Belastung und die Cross-Wafer Kopplungskoeffizientenvariation zu verringern, um die Wafer und Produktausbeute zu verbessern, insbesondere bei dotierten piezoelektrischen dünnen Filmen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die veranschaulichenden Ausführungsformen können aus der folgenden ausführlichen Beschreibung am besten verstanden werden, wenn sie mit den begleitenden Figuren gelesen werden. Es wird betont, dass die verschiedenen Merkmale nicht notwendiger Weise maßstabsgetreu dargestellt sind. Vielmehr können die Abmessungen beliebig vergrößert oder verkleinert sein, um Klarheit in der Diskussion zu haben. Wo immer anwendbar und zweckmäßig, beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines veranschaulichenden Modells einer Kristallstruktur von Aluminiumnitrid (AlN).
2 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Magnetronsputtervorrichtung zum Abscheiden eines dünnen Films eines Materials auf einem Substrat in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform.
3 ist eine perspektivische Draufsicht eines Magnetrons in einer Magnetronsputtervorrichtung zum Abscheiden eines dünnen Films eines Materials auf einem Substrat in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform.
4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren des Sputterns von Material auf einem Substrat unter Verwendung einer Magnetronsputtervorrichtung mit erweiterten magnetischen Feldstärken und Leistungsdichten zeigt in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform.
5 ist eine Tabelle, in der die Cross-Wafer Belastung und die piezoelektrischen Kopplungskoeffizienten (Kt²) eines dünnen Films, der unter Verwendung einer Magnetronsputtervorrichtung abgeschieden wurde, verglichen werden in Übereinstimmung mit repräsentativen Ausführungsformen.
Detaillierte Beschreibung
Es ist zu verstehen, dass die hierin verwendete Terminologie nur zum Zwecke der Beschreibung von besonderen Ausführungsformen ist, und nicht zur Beschränkung gedacht ist. Die definierten Begriffe sind zusätzlich zu den technischen und wissenschaftlichen Bedeutungen der definierten Begriffe, wie sie üblicherweise verstanden und akzeptiert sind in dem technischen Gebiet der vorliegenden Lehren.
Wie in der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen benutzt, beinhalten die Begriffe „ein”, „eine”, „eines”, „der”, „die” und „das” sowohl den Singular- als auch den Pluralbezug, sofern der Kontext nicht eindeutig anderes festlegt. Somit umfasst zum Beispiel „eine Vorrichtung” eine einzige Vorrichtung und auch mehrere Vorrichtungen. Wie in der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen benutzt und zusätzlich zu deren üblichen Bedeutungen, bedeuten die Begriffe „wesentlich” oder „im Wesentlichen” auch in annehmbaren Grenzen oder Ausmaß. Zum Beispiel bedeutet ”im Wesentlichen abgebrochen”, dass der Durchschnittsfachmann das Abbrechen als annehmbar erachten würde. Wie in der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen benutzt und zusätzlich zu ihrer gewöhnlichen Bedeutung, bedeuten die Begriffe „ungefähr” oder „etwa” dies innerhalb annehmbarer Grenzen oder Ausmaß für den gewöhnlichen Durchschnittsfachmann. Zum Beispiel bedeutet „ungefähr das Gleiche”, dass ein gewöhnlicher Durchschnittsfachmann die verglichenen Gegenstände als gleich erachten würde.
In der nachfolgenden detaillierten Beschreibung sind, zum Zwecke der Erklärung und nicht zur Beschränkung, spezielle Details dargelegt, um ein gründliches Verständnis von veranschaulichenden Ausführungsformen gemäß den vorliegenden Lehren bereitzustellen. Jedoch wird dem gewöhnlichen Durchschnittsfachmann, der den Vorteil der vorliegenden Offenbarung hatte, ersichtlich sein, dass andere Ausführungsformen gemäß den vorliegenden Lehren, die von den speziellen hierin offenbarten Details abweichen, innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche verbleiben. Darüber hinaus können Beschreibungen von wohlbekannten Vorrichtungen und Verfahren weggelassen werden, um die Beschreibung der veranschaulichenden Ausführungsformen nicht zu verschleiern. Solche Verfahren und Vorrichtungen befinden sich eindeutig innerhalb des Umfangs der vorliegenden Lehren.
Im Allgemeinen wird verstanden, dass die Zeichnungen und die darin dargestellten verschiedenen Elemente nicht maßstabsgetreu dargestellt sind. Darüber hinaus werden relative Begriffe, wie zum Beispiel „oberhalb”, „unterhalb” „obere”, „untere”, „oben”, „unten”, „über” und „unter”, verwendet, um die Beziehung der verschiedenen Elemente zueinander zu beschreiben, wie in den begleitenden Zeichnungen veranschaulicht. Es wird verstanden, dass diese relativen Begriffe dazu dienen, verschiedene Orientierungen der Vorrichtung und/oder von Elementen zu umfassen, zusätzlich zu den in den Zeichnungen dargestellten Orientierungen. Zum Beispiel, wenn die Vorrichtung in Bezug auf die Ansicht in den Zeichnungen umgedreht würde, würde ein Element, das als „oberhalb” eines anderen Elements beschrieben wird, sich nun beispielsweise „unterhalb” dieses Elements befinden.
Die vorliegenden Lehren betreffen im Allgemeinen BAW-Resonatorgeräte, die verschiedene Filter (z. B. Abzweigfilter) und andere Geräte bereitstellen können. Bestimmte Details über BAW-Resonatoren, einschließlich FBARs, SMRs und Resonatorfilter, deren Materialien und deren Herstellungsverfahren können in einer oder mehreren der folgenden, gemeinschaftlich gehörenden US-Patenten und Patentanmeldungen gefunden werden: US 6,107,721 von Lakin; US 5,587,620 , US 5,873,153 , US 6,507,983 , US 6,384,697 , US 7,275,292 und US 7,629,865 von Ruby et al.; US 7,280,007 von Feng et al.; US 2007/0205850 von Jamneala et al.; US 7,388,454 von Ruby et al.; US 2010/0327697 von Choy et al.; und US 2010/0327994 von Choy et al.. Die gesamten Inhalte dieser Patente und Patentanmeldungen werden hiermit unter Bezugnahme aufgenommen. Es wird betont, dass die Komponenten, Materialien und Herstellungsverfahren, die in diesen Patenten und Patentanmeldungen offenbart sind, stellvertretend sind und andere Herstellungsverfahren und Materialien werden innerhalb des Bereichs von einem Durchschnittsfachmann in Betracht gezogen.
Im Allgemeinen wird in Übereinstimmung mit diversen Ausführungsformen ein Sputtern von Material auf ein Substrat unter Verwendung von Magnetronsputtern erweitert bzw. verstärkt, indem die Stärke eines magnetischen Felds, das durch ein Magnetron der Magnetronsputtervorrichtung erzeugt wird, erhöht wird und indem die Leistungsdichte einer über der Anode und der Kathode der Magnetronsputtervorrichtung angelegten Leistung erhöht wird. Zum Beispiel weist ein oberes magnetisches Feld des Magnetrons eine magnetische Feldstärke von größer als oder gleich ungefähr 205 Gauss auf und ein unteres magnetisches Feld des Magnetrons weist eine magnetische Feldstärke in einem Bereich von ungefähr –215 Gauss bis ungefähr –370 Gauss auf. Auch die Leistungsdichte liegt in einem Bereich von ungefähr 20 W/cm² bis ungefähr 60 W/cm². Als ein Ergebnis wird die Cross-Wafer Dünnfilmbelastung wesentlich verbessert, die durchschnittliche Dünnfilmbelastung ist verringert und der piezoelektrische Kopplungskoeffizient (Kt²) des dünnen Films ist gleichförmiger bzw. einheitlicher.
Somit beinhaltet in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform eine Magnetronsputtervorrichtung zum Abscheiden eines dünnen Films (einer Dünnschicht) eines Compoundmaterials auf einem Substrat eine Reaktionskammer und ein Magnetron. Die Reaktionskammer ist konfiguriert, das Substrat, ein Target und ein Sputtergas zu enthalten. Das Magnetron ist angrenzend zu dem Sputtertarget positioniert und ist konfiguriert, ein magnetisches Feld in der Reaktionskammer zu erzeugen. Das Magnetron beinhaltet eine obere Basisplatte, die horizontale Oberbasisplattenmagnete und vertikale Oberbasisplattenmagnete umfasst, wobei die horizontalen und vertikalen Oberbasisplattenmagnete konfiguriert sind, ein oberes magnetisches Feld mit einer Feldstärke von ungefähr 205 Gauss zu erzeugen; und eine untere Basisplatte, die horizontale Unterbasisplattenmagnete und vertikale Unterbasisplattenmagnete umfasst, wobei die horizontalen und vertikalen Unterbasisplattenmagnete konfiguriert sind, ein unteres magnetisches Feld mit einer magnetischen Feldstärke von weniger als –200 Gauss zu erzeugen. Das Anlegen von Leistung über einer Anode und einer Kathode des Magnetrons erzeugt ein Plasma aus dem Sputtergas in der Reaktionskammer, wobei das Plasma Atome von dem Target sputtert, die auf dem Substrat zur Bildung des dünnen Films des Compoundmaterials abgeschieden werden.
In Übereinstimmung mit einer weiteren repräsentativen Ausführungsform wird ein Verfahren zum Abscheiden eines dünnen Films eines Compoundmaterials auf einem Substrat unter Verwendung von Sputterabscheidung bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet das Bereitstellen des Substrats auf einer Kathode und eines Targets auf einer Anode in einer Reaktionskammer einer Magnetronsputtervorrichtung; das Erzeugen eines magnetischen Felds in der Reaktionskammer unter Verwendung eines erweiterten Magnetrons der Magnetronsputtervorrichtung, wobei das erweiterte Magnetron eine obere Basisplatte, die konfiguriert ist, ein oberes magnetisches Feld mit einer Feldstärke von ungefähr 205 Gauss zu erzeugen, und eine untere Basisplatte, die konfiguriert ist, ein unteres magnetisches Feld mit einer Feldstärke in einem Bereich von ungefähr –215 Gauss bis ungefähr –370 Gauss zu erzeugen, umfasst; das Injizieren eines Sputtergases bei einem niedrigen Druck in die Reaktionskammer; das Anlegen von Leistung über der Anode und der Kathode der Magnetronsputtervorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas aus dem Sputtergas in der Reaktionskammer, wobei Ionen von dem Plasma Atome mindestens eines Elements von dem Target sputtern, die auf dem Substrat zur Bildung des dünnen Films des Compoundmaterials abgeschieden werden. Eine Leistungsdichte der über der Anode und der Kathode angelegten Leistung liegt in einem Bereich von ungefähr 20 W/cm² bis ungefähr 60 W/cm².
2 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Magnetronsputtervorrichtung zum Abscheiden eines dünnen Films eines Compoundmaterials auf einem Substrat in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform.
Unter Bezugnahme auf 2 beinhaltet die Magnetronsputtervorrichtung 200 eine Reaktionskammer 210, die eine Kathode 220, auf der ein (positiv geladenes) Substrat 225 montiert ist, und eine Anode 230, auf der ein (negativ geladenes) Sputtertarget 235 montiert ist, enthält. Leistung bzw. Spannung wird über der Kathode 220 und der Anode 230 durch eine Gleichspannungsquelle 205 angelegt. In diversen Ausführungsformen ist die Leistungsdichte der über der Kathode 220 und der Anode 230 angelegten Leistung wesentlich erhöht gegenüber der Leistungsdichte von herkömmlichen Sputtervorrichtungen. Das heißt, die Leistungsdichte der Magnetronsputtervorrichtung 200 liegt in einem Bereich von ungefähr 20 W/cm² bis ungefähr 60 W/cm². Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform die Leistungsdichte der Magnetronsputtervorrichtung 200, die über der Kathode 220 und der Anode 230 angelegt ist, ungefähr 40 W/cm² betragen. Im Vergleich dazu ist die Leistungsdichte, die bei einer herkömmlichen Magnetronsputtervorrichtung verwendet wird, üblicherweise weniger als 20 W/cm² zum Beispiel, auch wenn die Leistungsdichte in Abhängigkeit von diversen Faktoren, wie zum Beispiel die Art der Ausrüstung, variieren kann.
Die Reaktionskammer 210 enthält ferner ein Magnetron 240, das angrenzend zu dem Sputtertarget 235 positioniert ist. Das Magnetron 240 ist zum Erzeugen eines erweiterten bzw. verstärkten magnetischen Felds in der Reaktionskammer 210 konfiguriert, das im Wesentlichen parallel zu einer oberen Oberfläche des Targets 235 verläuft. Das Magnetron 240 wird im Allgemeinen durch die Nord (N)/Süd (S) Pol-Anordnungen 241 und 243 an den äußeren Abschnitten der Anode 230 und die entgegengesetzt polarisierte S/N Pol-Anordnung 242 an einem inneren Abschnitt der Anode 230 angezeigt. Im Allgemeinen lenkt das magnetische Feld das in der Reaktionskammer 210 gebildete Plasma zu dem Target 235 hin, wie unten besprochen. In den verschiedenen Ausführungsformen ist das Magnetron 240 insofern erweitert bzw. verstärkt, als es eine wesentlich erhöhte magnetische Feldstärke verglichen mit herkömmlichen Magnetronen bereitstellt, wie unten im Detail unter Bezugnahme auf 3 besprochen.
Das Substrat 225 kann ein Chip oder ein Wafer (der anschließend in mehrere Chips getrennt werden kann) sein. Das Substrat 225 kann aus verschiedenartigen Materialien gebildet sein, einschließlich Materialien, die mit Halbleiterverfahren kompatibel sind, wie zum Beispiel Silicium (Si), Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP) oder dergleichen, die zum Integrieren von Verbindungen und Elektronik verwendbar sind. Das Target 235 kann ebenfalls aus verschiedenartigen Materialien gebildet sein, abhängig von der gewünschten Zusammensetzung des resultierenden dünnen Films. Zum Beispiel kann das Target 235 vollständig aus einem einzigen Element gebildet sein, oder kann eine Verbindung bzw. ein Verbund sein, die bzw. der aus einem Basiselement mit einem oder mehreren dotierenden Elementen (Dotanden bzw. Dopanten) gebildet sein. Zum Beispiel, wenn die gewünschte Zusammensetzung des dünnen Films, der auf dem Substrat 225 gebildet werden soll, Aluminiumnitrid (AlN) ist, ist das Target 235 vollständig aus Aluminium (Al) gebildet, wobei der Stickstoff (N) als ein in dem Sputtergas 215 enthaltenen Reaktionsgas bereitgestellt wird, wie unten besprochen. Wenn es gewünscht ist, einen dünnen Film zu sputtern, der aus einer Verbindung von Aluminiumnitrid (AlN), das zum Beispiel mit einem Seltenerdelement, wie zum Beispiel Scandium (Sc), Erbium (Er) oder Yttrium (Y), dotiert ist, besteht, kann das Target 235 aus Aluminium und einem oder mehreren Seltenerdelementen in Proportionen (Anteilen), die im Wesentlichen den gewünschten Anteilen in dem gesputterten dünnen Film entsprechen, gebildet sein. Alternativ können mehrere Targets bereitgestellt werden, einschließlich des Targets 235, das aus einem ersten als dünner Film abzuscheidenden Material gebildet ist, und einem weiteren Target (nicht gezeigt), das aus einem zweiten als dünner Film abzuscheidenden Material gebildet ist. Die relativen Größen der mehreren Targets würden den gewünschten anteilmäßigen Mengen der Materialien in dem gesputterten dünnen Film entsprechen. Weitere Seltenerdelemente beinhalten Lanthan (La), Cer (Ce), Praseodym (Pr), Neodym (Nd), Promethium (Pm), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb) und Lutetium (Lu), wie einem Durchschnittsfachmach bekannt ist. Die verschiedenen Ausführungsformen sehen die Aufnahme von jedem Seltenerdelement vor. Weiterhin können andere Materialen zur Bildung des Substrat 225 und des Targets 235 vorgesehen sein, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen.
In einer Ausführungsform kann das Target 235 eine vorher gebildete Legierung von Materialien sein, die in den gewünschten Proportionen bereitgestellt sind. Zum Beispiel kann das Target 235 eine Legierung sein, die aus Aluminium und einem oder mehreren Seltenerdelement(en) sein, das bzw. die bereits mit dem Aluminium in den gewünschten Proportionen eingemischt sind. In einer alternativen Ausführungsform kann das Target 235 ein Verbundtarget sein, das aus einem Block eines Basismaterials gebildet ist, der Einfügungen oder Stopfen von Dotierelement(en) enthält. Zum Beispiel kann das Dotierelement bzw. können die Dotierelemente durch Bohren eines oder mehrerer Löcher in dem Basiselement und Einfügen von Stopfen von dem Dotierelement bzw. den Dotierelementen in entsprechende Löcher in den gewünschten Proportionen eingeführt werden. Zum Beispiel kann das Target 235 im Wesentlichen aus einem Block von Aluminium als dem Basiselement gebildet sein und Stopfen von Dotierelementen (z. B. Scandium, Erbium und/oder Yttrium) können in vorher in dem Aluminiumblock gebildeten Löchern eingefügt werden. Der prozentuale Anteil von jedem der Dotierelemente in dem fertig gestellten dünnen Film entspricht dem gesamten Volumen von diesem in ein oder mehreren entsprechenden Löchern eingeführten Element, das ein entsprechendes Volumen des Basiselements ersetzt. Beispiele für das Dotieren mit Seltenerdelementen werden durch Grannen et al. in der US-Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 13/662,460 (eingereicht am 27. Oktober 2012) und Bradley et al. in der US-Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 13/662,425 (eingereicht am 27. Oktober 2012), deren gesamte Inhalte hiermit unter Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen werden, bereitgestellt.
Die Größe und Anzahl der Löcher sowie die Menge und die Art des Dotierelements, das jedes der Löcher füllt, kann von Fall zu Fall bestimmt werden, abhängig von den gewünschten prozentualen Anteilen der Dotierelemente. Zum Beispiel können die Löcher teilweise oder vollständig durch das Basiselement des Targets 235 in den gewünschten Größen und Anzahl in verschiedenen Mustern gebohrt werden. In ähnlicher Weise können in alternativen Ausführungsformen die Dotierungsmittel zu dem Basiselement des Targets 235 in den gewünschten Proportionen hinzugegeben werden unter Verwendung diverser alternative Einbringungsarten, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen. Zum Beispiel können ganze bzw. partielle Ringe, die aus den Dotierungsmitteln gebildet sind, in das Target 235 eingelegt werden. Die Anzahl, Breite, Tiefe und der Umfang von jedem Ring kann angepasst werden, um die gewünschte Proportion von jedem einzelnen Element bereitzustellen. Die Strukturen und Techniken zum Bereitstellen eines geeigneten Sputtertargets 235 können variieren, um einmalige Vorteile für jede bestimmte Situation bereitzustellen oder um anwendungsspezifische Designanforderungen von verschiedenen Implementierungen zu erfüllen, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen, wie es einem Fachmann ersichtlich ist.
Im Betrieb tritt Sputtergas 215 durch einen Eingang 211 ein und tritt durch einen Ausgang 212 der Reaktionskammer 210 aus. Das Sputtergas 215 beinhaltet zumindest ein Inertgas an neutralen Atomen, wie zum Beispiel Argon (Ar). Im Allgemeinen wird Leistung (Spannung) über der Anode 230 und der Kathode 220 durch die Gleichspannungsquelle 205 angelegt, um ein elektrisches Feld innerhalb der Reaktionskammer 210 zu erzeugen, was bewirkt, dass das Sputtergas 215 ein Plasma bildet. Das heißt, das elektrische Feld ionisiert die neutralen Atome des Inertgases. Die resultierenden Ionen von dem Plasma bombardieren das negativ geladene Target 235 auf der Anode 230. Die Kollisionen zwischen den Ionen und der Oberfläche des Targets 235 bewirken, dass Atome und Elektronen aus dem Target 235 herausgeschleudert (gesputtert) werden. Ein Teil der herausgeschleuderten Atome (oder Elemente) fliegt durch die Reaktionskammer 210 und wird auf der Oberfläche des Substrats 225 abgeschieden, wodurch nach und nach eine Schicht von gesputtertem Material unter Ausbildung des dünnen Films aufgebaut wird. Währenddessen werden die herausgeschleuderten Elektronen nahe der Oberfläche des Targets 235 gehalten durch das magnetische Feld (die magnetischen Hülle), das durch das Magnetron 240 erzeugt wird. Das Vorhandensein dieser gefangenen Elektronen erhöht im Allgemeinen die Ankunftsenergie und Plasmadichte, was die Sputterabscheidungsraten verbessert. Es sei darauf hingewiesen, dass das Sputtergas 215 auch ein oder mehrere Reaktionsgase enthalten kann, wie zum Beispiel Stickstoff im Fall des Sputtern eines dünnen Films an AlN. Atome des Reaktionsgases werden auch auf der Oberfläche des Substrats 225 abgeschieden, zusammen mit den aus dem Target 235 herausgeschleuderten Atomen. Selbstverständlich können verschiedene Mischungen und Arten von Inert- und/oder Reaktionsgas beinhaltet sein, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen.
3 ist eine perspektivische Draufsicht eines erweiterten Magnetrons in der in 2 gezeigten Magnetronsputtervorrichtung in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform.
Unter Bezugnahme auf 3 beinhaltet das Magnetron 240 eine obere Basisplatte 310 und eine untere Basisplatte 320. In der dargestellten Ausführungsform hat das Magnetron 240 eine im Wesentlichen kreisförmige Form. Somit ist die obere Basisplatte 310, zusätzlich dazu, dass sie oberhalb der unteren Basisplatte 320 ist, auch konzentrisch um den äußeren Umfang der unteren Basisplatte 320 herum gebildet.
Jede von der oberen und der unteren Basisplatte 310 und 320 beinhaltet mehrere Magnete zum Erzeugen des magnetischen Felds. Insbesondere beinhaltet die obere Basisplatte 310 mehrere Oberbasisplattenmagnete (angezeigt durch einen repräsentativen Oberbasisplattenmagnet 315), die umlaufend um die obere Basisplatte 310 herum angeordnet sind, wobei die Oberbasisplattenmagnete zwischen einem oberen Ring 331 und einem mittleren Ring 332 des Magnetrons 240 verbunden sind. In der dargestellten Ausführungsform hat jeder der Oberbasisplattenmagnete 315 eine Nord/Süd Pol-Anordnung und umfasst einen horizontalen Oberbasisplattenmagnet (z. B. repräsentativer horizontaler Oberbasisplattenmagnet 315h) und einen vertikalen Oberbasisplattenmagnet (z. B. repräsentativer vertikaler Oberbasisplattenmagnet 315v). Die untere Basisplatte 320 beinhaltet mehrere Unterbasisplattenmagnete (angezeigt durch einen repräsentativen Unterbasisplattenmagnet 325), die umlaufend um die untere Basisplatte 320 herum angeordnet sind, wobei die Unterbasisplattenmagnete zwischen dem mittleren Ring 332 und einem unteren Ring 333 des Magnetrons 240 verbunden sind. In der dargestellten Ausführungsform hat jeder der Unterbasisplattenmagnete 325 eine Süd/Nord Pol-Anordnung und umfasst einen horizontalen Unterbasisplattenmagnet (z. B. repräsentativer horizontaler Unterbasisplattenmagnet 325h) und einen vertikalen Unterbasisplattenmagnet (z. B. repräsentativer vertikaler Unterbasisplattenmagnet 325v). Eine Öffnung ist durch den unteren Ring 333 an dem Zentrum der unteren Basisplatte 320 gebildet, in der die Anode 230 und das Target 235 (nicht gezeigt in 3) gelegen sind.
Noch detaillierter betrachtet unter Bezugnahme auf den repräsentativen Oberbasisplattenmagnet 315 hat der horizontale Oberbasisplattenmagnet 315h einen Südpol, der mit dem mittleren Ring 332 verbunden ist, und einen Nordpol, der mit einem horizontalen Polstück 314 verbunden ist, während der vertikale Oberbasisplattenmagnet 315v einen Südpol hat, der mit einem vertikalen Polstück 316 verbunden ist, und einen Nordpol, der mit dem oberen Ring 331 verbunden ist. Unter Bezugnahme auf den repräsentativen Unterbasisplattenmagnet 325 hat der horizontale Unterbasisplattenmagnet 325h einen Nordpol, der mit dem unteren Ring 333 verbunden ist, und einen Südpol, der mit einem horizontalen Polstück 324 verbunden ist, während der vertikale Unterbasisplattenmagnet 325v einen Nordpol hat, der mit dem horizontalen Polstück 314 verbunden ist, und einen Südpol, der mit dem mittleren Ring 332 verbunden ist. Selbstverständlich können andere Anordnungen von Ober- bzw. Unterbasisplattenmagneten beinhaltet sein, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen.
Die Ober- und Unterbasisplattenmagnete des Magnetrons 240 erzeugen gemeinsam ein magnetisches Feld, das im Wesentlichen parallel zu der oberen Oberfläche des Targets 235 in 2 verläuft, wie oben erwähnt. Zum Zwecke der Veranschaulichung kann das magnetische Feld im Sinne einer Kombination eines oberen magnetischen Felds, das durch die Oberbasisplattenmagnete 315 erzeugt wird, und eines unteren magnetischen Felds, das durch die Unterbasisplattenmagnete 325 erzeugt wird, beschrieben werden. In Übereinstimmung mit diversen Ausführungsformen hat das obere magnetische Feld eine magnetische Feldstärke von gleich oder größer als ungefähr 205 Gauss und das untere magnetische Feld hat eine magnetische Feldstärke von gleich oder weniger als ungefähr –210 Gauss. Zum Beispiel können die Oberbasisplattenmagnete 315 konfiguriert sein, ein oberes magnetisches Feld mit einer magnetischen Feldstärke von gleich oder größer als ungefähr 205 Gauss zu erzeugen und die Unterbasisplattenmagnete 325 können konfiguriert sein, ein unteres magnetisches Feld mit einer magnetischen Feldstärke in einem Bereich von ungefähr –215 Gauss bis ungefähr –370 Gauss zu erzeugen. Im Vergleich dazu erzeugt ein herkömmliches Magnetron mit einer ähnlichen Anordnung von oberen und unteren Basisplatten obere und untere magnetische Felder mit magnetischen Feldstärken von ungefähr 200 Gauss bzw. ungefähr –200 Gauss.
Um die magnetischen Feldstärken der oberen und unteren magnetischen Felder des Magnetrons 240 zu erhöhen, werden die Abmessungen von einem oder mehreren der horizontalen und vertikalen Oberbasisplattenmagnet 315h und 315v bzw. der horizontalen und vertikalen Unterbasisplattenmagnet 325h und 325v geändert. Zum Beispiel hat in einer Ausführungsform jeder der horizontalen und vertikalen Oberbasisplattenmagnete 315h und 315v eine Länge von ungefähr 0,49 Inch, eine Breite von ungefähr 0,75 Inch und eine Dicke von ungefähr 0,19 Inch und jeder der horizontalen und vertikalen Unterbasisplattenmagnete 325h und 325v hat eine Länge von ungefähr 0,98 Inch, eine Breite von ungefähr 0,75 Inch und eine Dicke von ungefähr 0,19 Inch. Dies führt zu einer oberen magnetischen Feldstärke von ungefähr 205 Gauss und einer unteren magnetischen Feldstärke von ungefähr –230 Gauss.
In anderen Ausführungsformen können die Abmessungen der horizontalen und vertikalen Oberbasisplattenmagnete 315h und 315v unterschiedlich voneinander sein und/oder die Abmessungen der horizontalen und vertikalen Unterbasisplattenmagnete 325h und 325v können unterschiedlich voneinander sein. Zum Beispiel hat in einer veranschaulichenden Ausführungsform jeder der horizontalen und vertikalen Oberbasisplattenmagnete 315h und 315v eine Länge von ungefähr 0,49 Inch, eine Breite von ungefähr 0,75 Inch und eine Dicke von ungefähr 0,19 Inch, jeder der horizontalen Unterbasisplattenmagnete 325h hat eine Länge von ungefähr 0,98 Inch, eine Breite von ungefähr 0,75 Inch und eine Dicke von ungefähr 0,19 Inch und jeder der vertikalen Unterbasisplattenmagnete 325v hat eine Länge von ungefähr 0,98 Inch, eine Breite von ungefähr 0,75 Inch und eine Dicke von ungefähr 0,25 Inch. Dies führt zu einer oberen magnetischen Feldstärke von ungefähr 205 Gauss und einer unteren magnetischen Feldstärke von ungefähr –250 Gauss.
Ebenfalls in einer weiteren veranschaulichenden Ausführungsform hat jeder der horizontalen und vertikalen Oberbasisplattenmagnete 315h und 315v eine Länge von ungefähr 0,49 Inch, eine Breite von ungefähr 0,75 Inch und eine Dicke von ungefähr 0,19 Inch, jeder der horizontalen Unterbasisplattenmagnete 325h hat eine Länge von ungefähr 2,48 Inch, eine Breite von ungefähr 0,75 Inch und eine Dicke von ungefähr 0,19 Inch und jeder der vertikalen Unterbasisplattenmagnete 325v hat eine Länge von ungefähr 0,98 Inch, eine Breite von ungefähr 0,75 Inch und eine Dicke von ungefähr 0,19 Inch. Dies führt zu einer oberen magnetischen Feldstärke von ungefähr 205 Gauss und einer unteren magnetischen Feldstärke von ungefähr –300 Gauss. Selbstverständlich können verschiedene andere Kombinationen an Abmessungen beinhaltet sein, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen.
4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren des Abscheidens eines dünnen Films an Compoundmaterial auf einem Substrat unter Verwendung einer Sputterabscheidung in Übereinstimmung mit einer repräsentativen Ausführungsform zeigt.
Unter Bezugnahme auf 4 werden verschiedene Dinge, die für ein Abscheiden eines dünnen Films an Compoundmaterial auf einem Substrat unter Verwendung einer Magnetronsputtervorrichtung benötigt werden, in Block S411 bereitgestellt. Zum Beispiel kann ein Substrat 225 an einer Kathode 220 angebracht sein und ein Target 235 kann an einer Anode 230 angebracht sein in einer Reaktionskammer 210 einer Magnetronsputtervorrichtung 200. Wie oben besprochen, kann das Target 235 ein einzelnes Element (z. B. Aluminium) oder eine Kombination von Elementen (z. B. Aluminium, das mit einem oder mehreren Seltenerdelementen, wie zum Beispiel Scandium, Erbium und Yttrium, dotiert ist) sein. Zum Beispiel kann das Target 235 eine vorgeformte Legierung aus Aluminium und mindestens ein Seltenerdelement in gewünschten Proportionen sein. Alternativ kann das Target 235 ein Block aus Aluminium mit mindestens einem Loch, in das ein oder mehrere Stopfen aus mindestens einem Seltenerdelement einführbar ist bzw. sind. Die Menge an Aluminium in dem Aluminiumblock und die gesamte Menge an Seltenerdelement(en), das bzw. die als Stopfen in den Aluminiumblock eingefügt werden, werden in den gewünschten Proportionen bereitgestellt.
In Block S412 wird ein magnetisches Feld in der Reaktionskammer 210 erzeugt zum Beispiel unter Verwendung eines Magnetrons 240 der Magnetronsputtervorrichtung 200. Das Magnetron 240 ist erweitert bzw. verstärkt, insofern als es eine größere magnetische Feldstärke als ein herkömmliches Magnetron erzeugt. Das heißt, das Magnetron 240 beinhaltet eine obere Basisplatte 310, die zum Erzeugen eines oberen magnetischen Felds konfiguriert ist, und eine untere Basisplatte 320, die von der oberen Basisplatte 310 umgeben ist und zum Erzeugen eines unteren magnetischen Felds konfiguriert ist. In einer Ausführungsform hat das obere magnetische Feld eine Feldstärke von ungefähr 205 Gauss und das untere magnetische Feld hat eine Feldstärke in einem Bereich von ungefähr –215 Gauss bis ungefähr –370 Gauss zum Beispiel. Im Vergleich dazu haben obere und untere magnetische Felder, die in einem herkömmlichen Magnetronsputterverfahren angelegt werden, Feldstärken von ungefähr 200 Gauss bzw. ungefähr –200 Gauss.
Sputtergas 215 wird in die Reaktionskammer 210 bei niedrigem Druck in Block S413 injiziert. Zum Beispiel kann das Sputtergas 215 bei einem Druck von ungefähr 2 mTorr bis ungefähr 5 mTorr in der Reaktionskammer 210 gehalten werden. Wie oben besprochen, kann das in der Reaktionskammer 210 enthaltene Sputtergas 215 ein Inertgas (z. B. Argon) oder ein Inertgas (z. B. Argon) kombiniert mit einem Reaktionsgas (z. B. Stickstoff) beinhalten. In dem letzteren Szenarium wird zumindest ein Teil des Reaktionsgases auf dem Substrat 225 zusammen mit dem mindestens einen Element von dem Target 235 zur Bildung des dünnen Films des Compoundmaterails auf dem Substrat 225 abgeschieden.
In Block S414 wird Leistung bzw. Spannung über der Kathode 220 und der Anode 230 der Magnetronsputtervorrichtung 200 angelegt, um ein Plasma aus dem in Block 5413 in die Reaktionskammer 210 injizierten Sputtergas 215 zu erzeugen. Das Plasma umfasst Ionen, die das Target 235 bombardieren, was bewirkt, dass Atome von mindestens einem Element (zusammen mit Elektronen) aus dem Target 235 herausgeschleudert werden. Zumindest manche der herausgeschleuderten Atome werden auf das Substrat 225 gesputtert, um den dünnen Film des Compoundmaterails zu bilden. Die angelegte Leistung über der Kathode 220 und der Anode 230 der Magnetronsputtervorrichtung 200 ist erweitert bzw. erhöht gegenüber einer in einem herkömmlichen Verfahren angelegten Leistung, insofern als die Leistungsdichte der über der Kathode 220 und der Anode 230 angelegten Leistung in einem Bereich von ungefähr 20 W/cm² bis ungefähr 60 W/cm² liegt. In einer Ausführungsform kann die angelegte Leistung eine Leistungsdichte von ungefähr 40 W/cm² aufweisen zum Beispiel.
Das in Block S412 erzeugte magnetische Feld verläuft im Allgemeinen im Wesentlichen parallel zu der oberen Oberfläche des Sputtertargets 235. Dementsprechend werden die aus dem Target 235 in Antwort auf das Ionenbombardement herausgeschleuderten Elektronen nahe der Oberfläche des Targets 235 gehalten durch das magnetische Feld, das durch das Magnetron 240 erzeugt wird. Das Vorhandensein dieser gefangenen Elektronen erhöht im Allgemeinen die Ankunftsenergie und Plasmadichte, was die Sputterabscheidungsraten verbessert, wie oben erwähnt.
Ein Erhöhen der magnetischen Feldstärken der durch das Magnetron 240 erzeugten oberen und unteren magnetischen Felder sowie ein Erhöhen der Sputterleistungdichte der über der Kathode 220 und der Anode 230 angelegten Leistung und Flüsse bzw. Strömungen des Sputtergases 215 erzeugen ein verbessertes Cross-Wafer Belastungsprofil und somit eine viel bessere Variation des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten Kt² und damit verbundene Waferausbeute. In einem Experiment, das zum Zwecke der Veranschaulichung durchgeführt wurde, erzeugte ein herkömmliches Magnetronsputterverfahren zum Bereitstellen eines dünnen ScAlN-Films (mit ungefähr 5 Atomprozent Scandium) einen Cross-Wafer Dünnfilmbelastungsbereich von etwa 800 MPa, wobei ungefähr zwei Drittel der Wafer Belastungswerte zwischen ungefähr Null und –500 MPa aufwiesen. Das Magnetronsputterverfahren zum Bereitstellen eines dünnen ScAlN-Films (mit ungefähr 5 Atomprozent Scandium) unter Verwendung einer erweiterten magnetischen Feldstärke und Leistungsdichte gemäß einer repräsentativen Ausführungsform erzeugte einen Cross-Wafer Dünnfilmbelastungsbereich von etwa 500 MPa, wobei zwei Drittel der Wafer Dünnfilmbelastungswerte zwischen ungefähr –100 und –400 MPa aufwiesen. Die Optimierung des magnetischen Felds verringerte somit insgesamt die durchschnittliche Dünnfilmbelastung und den Dünnfilmbelastungsbereich sowie die Standardabweichung der Dünnfilmbelastung.
Wie oben besprochen, auf Grund der Abhängigkeit des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten Kt² von der beobachteten Dünnfilmbelastung, ist die Verbreitung (Ausbreitung, Spanne) des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten Kt² (Kopplungskoeffizientenverbreitung) über den Wafer verringert, wenn die erweiterte magnetische Feldstärke und Leistungsdichte gemäß repräsentativer Ausführungsformen verwendet wird im Vergleich zu einer herkömmlichen magnetischen Feldstärke und Leistungsdichte.
5 ist eine Tabelle, in der die Cross-Wafer Belastung und die elektromechanischen Kopplungskoeffizienten Kt² eines dünnen Films, der unter Verwendung einer Magnetronsputtervorrichtung abgeschieden wurde, verglichen werden in Übereinstimmung mit repräsentativen Ausführungsformen.
Unter Bezugnahme auf 5 werden fünf Verfahrensgruppen an Daten dargestellt. Die obere Verfahrensgruppe ALN_AMS bezieht sich auf einen standardmäßigen undotierten dünnen AlN-Film, der gemäß einem standardmäßigen Sputterverfahren unter Verwendung einer herkömmlichen Magnetronsputtervorrichtung abgeschieden wurde. Die untere Verfahrensgruppe StdMagnetron bezieht sich auf einen dünnen AlN-Film, der mit ungefähr 5 Atomprozent Scandium dotiert ist, um einen dünnen ScAlN-Film bereitzustellen, der gemäß einem standardmäßigen Sputterverfahren unter Verwendung einer herkömmlichen Magnetronsputtervorrichtung abgeschieden wurde. Die drei mittleren Verfahrensgruppen HTM_8/52/7kw, HTM_8/52/8kw und HTM_8/52/9kw beziehen sich auf dünne AlN-Filme, die mit ungefähr 5 Atomprozent Scandium dotiert sind, um dünne ScAlN-Filme bereitzustellen, die gemäß erweiterter bzw. verstärkter Sputterverfahren und Magnetronsputtervorrichtungen in Übereinstimmung mit repräsentativen Ausführungsformen bereitgestellt wurden. HTM_8/52/7kw, HTM_8/52/8kw und HTM_8/52/9kw entsprechen erweiterten oberen magnetischen Feldern von ungefähr 205 Gauss, unteren magnetischen Feldern von ungefähr –230 Gauss und angelegten Leistungen von ungefähr 7 kW, 8 kW bzw. 9 kW (entsprechend Leistungsdichten von ungefähr 43, 49 bzw. 56). Darüber hinaus stellt 5 die resultierende durchschnittliche Dünnfilmbelastung über den Wafer („Belastung”) und die Standardabweichung der Dünnfilmbelastung („Std Belastung”) dar, die für jede von den fünf Verfahrensgruppen bereitgestellt wird. Als ein Beispiel beinhaltet die Verfahrensgruppe HTM 8/52/9KW zwei Wafer, die eine durchschnittliche Belastung von 156 bzw. 177 MPa und Standardabweichungen von 81 bzw. 73 MPa aufweisen.
Es ist von 5 ersichtlich, dass die Anwendung der erweiterten magnetischen Feldstärken und Leistungsdichten wirksam bei der Verringerung der Variation des Cross-Wafer elektromechanischen Kopplungskoeffizienten Kt² um fast 50 Prozent ist, wie durch die horizontalen Balken unter „KT2” angezeigt. Zum Beispiel unter erneuter Bezugnahme auf die Verfahrensgruppe HTM 8/52/9KW liegt der Cross-Wafer elektromechanische Kopplungskoeffizient Kt² im Bereich von ungefähr 7,0 bis ungefähr 7,5 bei einer Variation von ungefähr 0,5. Im Vergleich dazu unter Bezugnahme auf jeder der StdMagnetron Verfahrensgruppen liegt die Cross-Wafer elektromechanischen Kopplungskoeffizienten Kt² im Bereich von ungefähr 6,5 bis ungefähr 7,5 bei einer Variation von ungefähr 10. Somit legt die Verfahrensgruppe HTM 8/52/9KW eine Verbesserung um ungefähr 50 Prozent dar. Darüber hinaus kann dieser Effekt bei den verschiedenen Sputterleistungsdichten realisiert werden. Durch Ausnutzen des kombinierten Effekts der erhöhten magnetischen Feldstärke und Leistungsdichten werden dünne Filme von dotiertem piezoelektrischen Material mit niedrigerer und gleichförmigerer bzw. einheitlicherer Dünnfilmbelastung und elektromechanischer Kopplungskoeffizienten gebildet.
In alternativen Ausführungsformen können piezoelektrische dünne Filme, die mit einem oder mehreren Seltenerdelementen dotiert sind, in Resonatorstapeln von verschiedenen anderen Arten an Resonatorgeräten gesputtert werden, ohne dass der Umfang der vorliegenden Lehren verlassen wird. Zum Beispiel kann eine piezoelektrische Schicht, die mit einem oder mehreren Seltenerdelement dotiert ist, in Resonatorstapeln eines fest montierten Resonator (SMR) Geräts, eines gestapelten Bulk-Akustik Resonator (stacked bulk acoustic resonator, SBAR) Geräts, eines Doppel-Bulk-Akustik Resonator (double bulk acoustic resonator, DBAR) Geräts oder eines gekoppelten Resonatorfilter (coupled resonator filter, CRF) Geräts gesputtert werden.
Ein gewöhnlicher Durchschnittsfachmann würde es zu würdigen wissen, dass viele Variationen, die in Übereinstimmung mit den vorliegenden Lehren sind, möglich sind und innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche sind. Diese und weitere Variation werden einem gewöhnlichen Durchschnittsfachmann bewusst nach Durchsicht der vorliegenden Beschreibung, Zeichnungen und Ansprüche. Die Erfindung soll daher nicht beschränkt sein, außer innerhalb des Geistes und Umfangs der beigefügten Ansprüche.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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Claims

Magnetronsputtervorrichtung (200) zum Abscheiden eines dünnen Films eines Materials auf einem Substrat (225), wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: eine Reaktionskammer (210), die konfiguriert ist, das Substrat (225), ein Target (235) und ein Sputtergas (215) zu enthalten; und ein Magnetron (240), das angrenzend zu dem Sputtertarget (235) positioniert ist und konfiguriert ist, ein magnetisches Feld in der Reaktionskammer (210) zu erzeugen, wobei das Magnetron (240) Folgendes umfasst: eine obere Basisplatte (310), die eine Vielzahl an horizontalen Oberbasisplattenmagnete (315h) und eine Vielzahl an vertikalen Oberbasisplattenmagnete (315v) umfasst, wobei die horizontalen und vertikalen Oberbasisplattenmagnete (315h und 315v) konfiguriert sind, ein oberes magnetisches Feld mit einer Feldstärke von ungefähr 205 Gauss zu erzeugen; und eine untere Basisplatte (320), die eine Vielzahl an horizontalen Unterbasisplattenmagnete (325h) und eine Vielzahl an vertikalen Unterbasisplattenmagnete (325v) umfasst, wobei die horizontalen und vertikalen Unterbasisplattenmagnete (325h und 325v) konfiguriert sind, ein unteres magnetisches Feld mit einer magnetischen Feldstärke von weniger als –200 Gauss zu erzeugen, wobei das Anlegen von Leistung über einer Anode (230) und einer Kathode (220) des Magnetrons (240) ein Plasma aus dem Sputtergas (215) in der Reaktionskammer (210) erzeugt, wobei das Plasma Atome von dem Target (235) sputtert, die auf dem Substrat (225) zur Bildung des dünnen Films des Materials abgeschieden werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Leistungsdichte der über der Anode (230) und der Kathode (220) angelegten Leistung in einem Bereich von ungefähr 20 W/cm² bis ungefähr 60 W/cm² liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Leistungsdichte der über der Anode (230) und der Kathode (220) angelegten Leistung ungefähr 40 W/cm² beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die horizontalen und vertikalen Unterbasisplattenmagnete (325h und 325v) konfiguriert sind, das untere magnetische Feld so zu erzeugen, dass es eine magnetische Feldstärke in einem Bereich von ungefähr –215 Gauss bis ungefähr –370 Gauss aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Sputtergas (215) ein Inertgas und ein Reaktionsgas umfasst, wobei zumindest ein Teil des Reaktionsgases auf dem Substrat (225) zur Bildung des dünnen Films des Materials abgeschieden wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Inertgas Argon ist und das Reaktionsgas Stickstoff ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Target (235) Aluminium und mindestens ein Seltenerdelement umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das mindestens eine Seltenerdelement Scandium ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jeder der horizontalen und vertikalen Oberbasisplattenmagnete (315h und 315v) eine Länge von ungefähr 0,49 Inch, eine Breite von ungefähr 0,75 Inch und eine Dicke von ungefähr 0,19 Inch hat.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei jeder der horizontalen und vertikalen Unterbasisplattenmagnete (325h und 325v) eine Länge von ungefähr 0,98 Inch, eine Breite von ungefähr 0,75 Inch und eine Dicke von ungefähr 0,19 Inch hat.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei jeder der horizontalen Unterbasisplattenmagnete (325h) eine Länge von ungefähr 0,98 Inch, eine Breite von ungefähr 0,75 Inch und eine Dicke von ungefähr 0,19 Inch hat und jeder der vertikalen Unterbasisplattenmagnete (325v) eine Länge von ungefähr 0,98 Inch, eine Breite von ungefähr 0,75 Inch und eine Dicke von ungefähr 0,25 Inch hat.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei jeder der horizontalen Unterbasisplattenmagnete (325h) eine Länge von ungefähr 2,48 Inch, eine Breite von ungefähr 0,75 Inch und eine Dicke von ungefähr 0,19 Inch hat und jeder der vertikalen Unterbasisplattenmagnete (325v) eine Länge von ungefähr 0,98 Inch, eine Breite von ungefähr 0,75 Inch und eine Dicke von ungefähr 0,19 Inch hat.
Verfahren zum Abscheiden eines dünnen Films eines Materials auf einem Substrat (225) unter Verwendung von Sputterabscheidung, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen des Substrats (225) auf einer Kathode (220) und eines Targets (235) auf einer Anode (230) in einer Reaktionskammer (210) einer Magnetronsputtervorrichtung (200); Erzeugen eine magnetischen Felds in der Reaktionskammer (210) unter Verwendung eines erweiterten Magnetrons (240) der Magnetronsputtervorrichtung (200), wobei das erweiterte Magnetron (240) eine obere Basisplatte (310), die konfiguriert ist, ein oberes magnetisches Feld mit einer Feldstärke von ungefähr 205 Gauss zu erzeugen, und eine untere Basisplatte (320), die konfiguriert ist, ein unteres magnetisches Feld mit einer Feldstärke in einem Bereich von ungefähr –215 Gauss bis ungefähr –370 Gauss zu erzeugen, umfasst; Injizieren eines Sputtergases (215) bei einem niedrigen Druck in die Reaktionskammer (210); und Anlegen von Leistung über der Anode (230) und der Kathode (220) der Magnetronsputtervorrichtung (200) zur Erzeugung eines Plasmas aus dem Sputtergas (215) in der Reaktionskammer (210), wobei Ionen von dem Plasma Atome mindestens eines Elements von dem Target (235) sputtern, die auf dem Substrat (225) zur Bildung des dünnen Films des Materials abgeschieden werden, wobei eine Leistungsdichte der über der Anode (230) und der Kathode (220) angelegten Leistung in einem Bereich von ungefähr 20 W/cm² bis ungefähr 60 W/cm² liegt.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Sputtergas (215) ein Inertgas und ein Reaktionsgas umfasst, wobei zumindest ein Teil des Reaktionsgases auf dem Substrat (225) zusammen mit dem mindestens einen Element von dem Target (235) zur Bildung des dünnen Films des Materials abgeschieden werden.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Inertgas Argon ist, das Reaktionsgas Stickstoff ist und wobei das Target (235) Aluminium und mindestens ein Seltenerdelement umfasst
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das mindestens eine Element von dem Target (235) und das Reaktionsgas auf dem Substrat (225) in proportionalen Mengen abgeschieden werden.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das magnetische Feld das Plasma in Richtung des Targets (235) lenkt.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Leistungsdichte ungefähr 40 W/cm² beträgt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Target (235) eine vorgeformte Legierung aus Aluminium und Scandium in gewünschten Proportionen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Target (235) einen Block aus Aluminium mit mindestens einem Loch und mindestens einen in das mindestens eine Loch einführbaren Stopfen aus Scandium umfasst, wobei das Aluminium und Scandium in gewünschten Proportionen vorliegen.