TWI557251B - 用於物理氣相沉積腔室靶材之冷卻環、用於在物理氣相沉積系統中使用之靶材組件以及在物理氣相沉積腔室中處理基板的方法 - Google Patents

Description

用於物理氣相沉積腔室靶材之冷卻環、用於在物理氣相沉積系統中使用之靶材組件以及在物理氣相沉積腔 室中處理基板的方法

本發明的實施例大致與物理氣相沉積處理設備相關。

物理氣相沉積(PVD)為傳統沉積處理方法，用於將材料沉積於基板上。傳統的物理氣相沉積處理示意性地包括以來自電漿的離子轟擊包含源材料的靶材，使源材料從靶材濺射出來。透過形成於基板上的負電壓或偏壓，噴射出的源材料可朝基板加速而在基板上沉積。在物理氣相沉積處理期間，磁控管可在靠近靶材背側充滿水的腔室內轉動以促進電漿的均勻性。該充滿水的腔室用於排除在處理期間產生的熱。然而，該充滿水的腔室阻礙磁控管的可維護性且干擾了饋送通過周圍結構至靶材的射頻能量。

因此，本發明提供了一種改良的裝置以執行物理氣相沉積處理。

在此提供用於物理氣相沉積的裝置和方法。在一些實施例中，在物理氣相沉積腔室中冷卻靶材的冷卻環可以包括一個環形主體，環形主體具有中心開口；一入口埠，該入口埠耦合至主體；出口埠，該出口埠耦合到主體，一冷卻劑通道，該冷卻劑通道設置在主體中且具有第一端和一 第二端，該第一端連接到入口埠，該第二端耦合到出口埠；以及帽件，該帽件耦合到主體且實質上跨越中心開口，其中，該帽件包括一個中心孔。

在一些實施例中，在物理氣相沉積系統中使用的靶材組件可包括一靶材，該靶材包括源材料，該源材料被沉積在基板上；一冷卻環，該冷卻環耦合到靶靶材且具有一或更多個冷卻劑通道，該等冷卻劑通道設置在冷卻環中以將冷卻劑流動通過冷卻劑環；一中心腔體，中心腔體鄰近於靶材的背側，且至少部分地由冷卻環的內壁定義出；以及一可轉動的磁體組件，該可轉動的磁體組件設置在腔體中。在一些實施例中，一種在物理氣相沉積腔室中處理基板的方法可包括以下步驟：從一靶材濺射出材料以將該材料沉積於該基板上，該靶材配置於該物理氣相沉積腔室中且該基板在該物理氣相沉積腔室內受支撐；以及將一冷卻劑流動通過一冷卻劑通道，該冷卻劑通道配置於冷卻環的主體中，該冷卻環耦合至該靶材與該基板相對的一側。

本發明的其它和進一步的實施例將於以下描述。

在此提供基板的物理氣相沉積(PVD)處理方法與裝置。在一些實施例中，經改良裝置可消除對物理氣相沉積腔室中的水腔室的需求，而改良射頻效率且簡化靶材與磁 控管組件的除去方式，例如在維護期間或在當安裝與/或更換靶材時。

第1圖根據本發明一些實施例圖示物理氣相沉積(PVD)腔室100的示意性斷側視圖。合適的物理氣相沉積腔室的範例包含ALPS® Plus and SIP ENCORE®物理氣相沉積處理腔室，兩者可自位於美國加利福尼亞州聖克拉拉市之應用材料公司取得。應用材料公司或其他製造商出品之其他處理腔室亦可受益於本發明在此揭露之裝置。

在本發明的一些實施例，如在第1圖中所描繪的，物理氣相沉積腔室100包含靶材組件102，該靶材組件102配置於處理腔室104上。處理腔室104包含可移動的基板支撐座146，可移動的基板支撐座146用於支撐基板148，基板148與靶材組件102相對。

靶材組件102可被併入於處理腔室104的頂蓋，且大致包含靶材106以及冷卻環118，冷卻環118耦合至靶材106。冷卻環118部分地定義出腔體134，腔體134鄰近於靶材106的背側。靶材組件可進一步包含可旋轉的磁控管組件136，磁控管組件136具有可旋轉的磁體組件168，磁體組件168配置於腔體134內。靶材組件102可進一步包含射頻電源108以在處理期間提供射頻能量至靶材106。在一些實施例中，可提供電極112(例如射頻敷貼桿)，電極112透過冷卻環118將射頻電源108耦合至靶材106。例 如，在一些實施例中，電極112可穿過開口150，開口150位於接地屏蔽140外側，接地屏蔽140圍繞於靶材組件102且電極112可耦合至冷卻環118。射頻電源108可包含射頻產生器以及匹配電路，例如，在操作期間將反射回射頻產生器的反射射頻能量極小化。

在操作期間，處理時所產生的熱經由冷卻環118除去。雖然本文係關於環的描述，冷卻環118卻不必是圓形的且可具有其他幾何形狀，例如矩形或其它多邊形形狀會如所希望地用於特定處理腔室的配置。藉由透過冷卻環將來自處理過程的熱排除，此設計相較於充滿水的腔室能具優勢地移除源自具有充滿水腔室所致不期望的結果。例如，藉由為了維護而將冷卻劑自靶材後密閉腔室排出的需求消除，冷卻環的使用導致靶材源以及磁鐵源的更換明顯的簡化。此外，在靶材燒盡的情況下，不致有冷卻劑流出造成腔室淹水的危險。另外，因射頻能量不會被在靶材後的充滿水的腔室吸收而浪費，使得射頻效率提升。

在一些實施例中，冷卻環118包含主體125，主體125具有一個或更多冷卻劑通道116、117，冷卻劑通道116、117配置於主體125內。在一些實施例中，主體125可以是環形的。在一些實施例中，冷卻劑通道116、117配置於靠近主體125的周圍。冷卻劑通道和冷卻劑通道的幾何形 狀可依期望的方式決定而用於特定處理上，亦考慮到冷卻環的結構要求以支撐任何其他組件。

冷卻劑源110可藉由一個或多個導管114耦合至冷卻環118，導管114配置成通過接地屏蔽140內的開口以提供冷卻劑至冷卻劑通道116、117。冷卻劑可以為與任何處理兼容的冷卻劑，如乙二醇、去離子水、全氟聚醚(如加爾登®，可從Solvay SA公司)，或類似物，或以上各者之組合。在一些實施例中，即使精確流量將取決於正在執行的處理過程、冷卻劑通道的配置，以及可用的冷卻劑的壓力，或類似條件，通過冷卻劑通道116、117的冷卻劑流之流速可為約1至約7加侖每分鐘。

在一些實施例中，帽件122可耦合至主體125以覆蓋冷卻劑通道116、117。帽件122可以任何適合的方式耦合至主體125以防止冷卻劑的洩漏。在一些實施例中，帽件122可藉由真空或非真空銅焊、電子束焊接、粘合劑或其他接合劑，或類似物耦合至主體125。在一些實施例中，帽件122可為平板或具有一個中心孔124的盤，以易於容納磁控管組件136的軸170。或者，可以提供插入物(未示出)以密封一個或多個冷卻劑通道116，117。在一些實施例中，插入物可以任何合適的方法被焊接到帽件122下方的一個或多個冷卻劑通道116，117，如電子束焊接、鎢極惰性氣體保護電焊接、雷射焊接、銅焊，或類似物。

在一些實施例中，主體125與帽件122可從下列至少一者中製造：銅、鋁、青銅、黃銅、不銹鋼、以上各者的的合金如銅鉻合金，或相似物。主體125和帽件122可由相同的材料，或由不同的材料製得。在主體125和/或帽件由鋁製得之的實施例中，防腐蝕塗層可以施加到冷卻劑通道116，117，和選擇性地施加到暴露於冷卻劑通道116，117的帽件122的表面以防止冷卻劑的腐蝕。這樣一個塗層的一個例子是漢高科技的註冊商標-ALODINE®。在一些實施例中，主體125和帽件122的外表面可以是鍍銀的，例如，增強主體125和帽件122的RF導電性。

第2A圖根據本發明的一些實施例示出冷卻環118示意性的底視圖，其中冷卻環118包括冷卻劑通道116。第2B圖示出了根據本發明的一些實施例示出冷卻環118示意性的側視圖，其中冷卻環118包括冷卻劑通道116。

參照第2A-B圖，在一些實施例中，可提供通過帽件122和/或主體125的一個或多個冷卻劑入口埠(一個入口埠210，如第2A圖中所示)和一個或多個冷卻劑出口埠(在第2A圖中所示的一個出口埠214)以促進冷卻劑循環通過冷卻劑通道116。在一些實施例中，冷卻劑通道116可包括導管204，導管204緊密熱接觸於主體125以包含冷卻劑。在一些實施例中，導管204可以由不銹鋼、銅、黃銅、青銅，或類似物製得。在一些實施例中，導管204可設置在 一個外部包層或主體(未示出)內，主體可以是壓配合到冷卻劑通道116中以確保導管204和冷卻劑通道116側壁之間優異的熱接觸。例如，在一些實施例中，不銹鋼管可以嵌入到鑄件且壓合進入冷卻劑通道116。在一些實施例中，導管204可被擠壓或針焊到某一個部分，如鋁主體，以提高熱連接。在一些實施例中，冷卻劑通道116，或設置在冷卻劑通道116中的導管204，可設置成一個迴路或其它相似的配置，該配置提供了冷卻劑逆流，冷卻劑逆流相鄰於冷卻劑通道116或導管204。這種逆流配置，可以有利地增進將來自冷卻環118的熱加以移除。

主體125可以任何合適的方式耦合到靶材106以提供一個可靠的熱耦合，如藉由螺栓或其它緊固件、夾子、彈簧、重力，或類似物。在一些實施例中，可提供複數孔206至主體125(第2B圖中所示)中，以便將靶材106拴至主體125。在一些實施例中，熱元件之間的連接可將熱箔作為熱導體使用而增進，所述熱箔如經圖案化的銅或鋁箔，GRAFOIL®(可從GrafTech International取得)，或類似物。經圖案化的銅或鋁箔可在一個絲網上受壓而形成經圖案化的表面，該表面包括複數個凸起的表面，如此便將共形態樣添加至所述箔層。

返回到第1圖，冷卻環118可耦合到靶材106，靶材106在主體125的第二端130上。在一些實施例中，主體 125可以是一個具有第一端126的管狀構件，該第一端126耦合到帽件122的面向靶材的表面128，該第一端126靠近帽件122的周邊。在一些實施例中，主體125進一步包括一個第二端部130，第二端部130耦合至靶材106的一個面向帽件的表面132(或耦合至靶材106的背板)，第二端部130接近靶材106的周邊。在一些實施例中，接觸靶材周長的第二端130的寬度為0.75英寸至2英寸的範圍內。在一些實施例中，當位於處理腔室中適當位置時，靶材106可進一步藉由介電質隔離器144而被支撐在一個接地的導電鋁轉接器142上。

在一些實施例中，隔離器平板138可以被設置於帽件122和接地屏蔽140之間，以防止射頻能量被直接路由到接地。隔離器平板138可包括一個合適的介電質材料，如陶瓷，塑料，或類似物。或者，可提供空氣間隙代替隔離器平板138。在提供空氣間隙代替隔離器平板的實施例中，接地屏蔽接地屏蔽140可具良好結構而足以支撐設於接地屏蔽140上的任何組件。

在一些實施例中，腔體134可以由主體125的面向內的側壁、帽件122的面向靶材的表面128，以及靶材106的面向帽件的表面132所定義出。腔體134和中心開口115可用來至少部分地容納可轉動磁控管組件136之一個或多 個部分。如本文所用，例如當主體125是環形時，會以複數描述面向內的側壁，但也包含單數情況。

例如，可轉動磁控管組件136可以被定位成接近靶材106的背面(例如，面向帽件的表面132)(或背板，當存在時)。可轉動磁控管組件136包括一個旋轉磁體組件168，旋轉磁體組件168包括複數個設置在一個底座平板的磁鐵。該旋轉磁體組件168耦合到軸170以提供旋轉。在一些實施例中，軸170可與物理氣相沉積腔室100的中心軸線重合。在一些實施例中(圖中未示出)，旋轉軸170可被設置成偏離中心於物理氣相沉積腔室100的中心軸線。電動機172可以耦合到的旋轉軸170的上端，以驅動磁控管組件136。接地點屏蔽140具有一個中心開口115，以允許旋轉軸170通過帽件122中的孔124且連接到底座平板。在一些實施例中，在旋轉軸170包含一個絕緣體120，以防止射頻能量向上傳播至軸170而至馬達172。旋轉磁體組件168在物理氣相沉積腔室100內產生磁場，大致平行於和靠近靶材106的表面以捕捉電子且增加區域電漿密度，繼而增加濺射速率。旋轉磁體組件168在物理氣相沉積腔室100的頂部周圍產生電磁場，且旋轉磁體組件168會旋轉以旋轉電磁場，電磁場會使處理過程的電漿密度更均勻地濺射於靶材106。

在一些實施例中，所示之接地屏蔽140覆蓋物理氣相沉積腔室100的至少某些部分，物理氣相沉積腔室100位於第1圖中靶材106上方。在一些實施例中(圖中未示出)，接地屏蔽140亦可以往下擴展至靶材106下方以包圍處理腔室104。接地屏蔽140可包括任何合適的導電材料，如鋁、銅，或類似物。提供絕緣間隙139以防止射頻能量被直接發送到地。絕緣間隙139可填充空氣或其他適合的介電材料，例如陶瓷、塑膠，或其他類似物，以防止射頻能量被直接路由到接地。

雖然前述為關於本發明之實施例，本發明的其他和進一步的實施例在不脫離其基本範圍的情況下，亦可以設計出。

100‧‧‧物理氣相沉積腔室

102‧‧‧靶材組件

104‧‧‧處理腔室

106‧‧‧靶材

108‧‧‧射頻電源

110‧‧‧冷卻劑源

112‧‧‧電極

114‧‧‧導管

116‧‧‧冷卻劑通道

117‧‧‧冷卻劑通道

120‧‧‧絕緣體

118‧‧‧冷卻環

124‧‧‧中心開口

122‧‧‧帽件

126‧‧‧第一端

125‧‧‧主體

130‧‧‧第二端

128‧‧‧面向靶材的表面

134‧‧‧腔體

132‧‧‧面向帽件的表面

138‧‧‧隔離器平板

136‧‧‧可旋轉的磁控管組件

140‧‧‧接地屏蔽

139‧‧‧絕緣間隙

144‧‧‧介電質隔離器

142‧‧‧接地的導電鋁轉接器

148‧‧‧基板

146‧‧‧可移動的基板支撐座

168‧‧‧可旋轉的磁體組件

150‧‧‧開口

172‧‧‧電動機

170‧‧‧軸

206‧‧‧孔

204‧‧‧冷卻劑通道

214‧‧‧出口埠

210‧‧‧入口埠

為了詳細地理解本案內容的上述特徵，藉由參考本案內容的實施例(其中一些圖示在附圖中)，可以得到上文所簡要概括的內容的更為具體的描述。然而，應注意的是附圖僅圖示本發明之典型實施例且因此不應被視為對本發明範圍的限制，因為本發明可承認其他具等價有效性的實施例。

第1圖為根據本發明一些實施例之處理腔室的示意性斷側面視圖。

第2A圖為根據本發明一些實施例之冷卻環的示意性上視圖。

第2B圖為根據本發明一些實施例之冷卻環的示意性斷側面側視圖。

為使更容易瞭解本發明，在可能的情況下，相同的元件符號會指定在不同圖式中共用之相同元件。附圖未按比例會制且可能為清楚圖示而簡化。需瞭解的是，一實施例中揭示的元件可有益地合併於其他實施例中而無須進一步敘述。

116‧‧‧冷卻劑通道

118‧‧‧冷卻環

124‧‧‧中心開口

122‧‧‧帽件

134‧‧‧腔體

204‧‧‧冷卻劑通道

206‧‧‧孔

210‧‧‧入口埠

214‧‧‧出口埠

Claims (20)

1. 一種冷卻環，該冷卻環用以在一物理氣相沉積腔室內冷卻一靶材，該冷卻環包括：一環形主體，該主體具有一中心開口；一入口埠，該入口埠耦合到該主體；一出口埠，該出口埠耦合到該主體；一冷卻劑通道，該冷卻劑通道設置在該主體中且具有一第一端與一第二端，該第一端耦合到該入口埠且該第二端耦合到該出口埠；一帽件，該帽件耦合到該主體且實質上跨越該中心開口，其中該帽件包括一中心孔。
2. 如請求項1所述之冷卻環，其中該主體由銅、鋁，或青銅中至少一者所製得。
3. 如請求項2所述之冷卻環，其中該帽件由銅、鋁，或青銅中至少一者所製得。
4. 如請求項3所述之冷卻環，其中該主體與該帽件有鍍銀。
5. 如請求項1至4之任一項所述之冷卻環，其中該冷卻劑通道沿該主體的一外圍而設置。
6. 如請求項1至4之任一項所述之冷卻環，其中一冷卻劑 流通過該冷卻劑通道以冷卻該靶材，該冷卻劑包括乙二醇溶液、去離子水，或一全氟聚醚中之至少一者。
7. 如請求項5所述之冷卻環，其中該冷卻劑通道被配置為將冷卻劑以每分鐘約1至約7加侖的流速流通過該冷卻劑通道。
8. 如請求項1至4之任一項所述之冷卻環，更包含：複數個配置於該主體的冷卻劑通道。
9. 如請求項1至4之任一項所述之冷卻環，其中該帽件耦合到該主體以充分密封該冷卻劑通道。
10. 一種靶材組件，該靶材組件用於在一物理氣相沉積系統中使用，該靶材組件包括：一靶材，該靶材包含一源材料，該源材料待沉積於一基板上；一冷卻環，該冷卻環耦合至該靶材且具有一或更多個冷卻劑通道，該等一或更多個冷卻劑通道被配置於冷卻環內以將冷卻劑流通過該冷卻環；一中心腔體，該中心腔體相鄰於該靶材的一背側且該中心腔體至少由該冷卻環的內側壁部分地定義出來；以及一可轉動的磁體組件，該可轉動的磁體組件配置在 該腔體內。
11. 如請求項10所述之靶材組件，其中該冷卻環更包含：一主體；一冷卻劑入口埠，該冷卻劑入口埠耦合至該主體；一冷卻劑出口埠，該冷卻劑出口埠耦合至該主體；以及一帽件，該帽件耦合至該主體，其中該帽件覆蓋該等一個或多個冷卻劑通道。
12. 如請求項11所述之靶材組件，其中該靶材耦合到該主體。
13. 如請求項11所述之靶材組件，其中該腔體的以該帽件的一面對靶材的表面、該靶材的一面對帽件的表面、以及該冷卻環的該主體做為邊界。
14. 如請求項11至13之任一項所述之靶材組件，更包含一冷卻劑源，該冷卻劑源耦合至該冷卻劑入口埠。
15. 如請求項14所述之靶材組件，其中該冷卻劑源將乙二醇溶液、去離子水，或全氟聚醚中之至少一者施加於一或更多個冷卻劑通道。
16. 如請求項11至13之任一項所述之靶材組件，更包含 一射頻源，該射頻源耦合至該冷卻環。
17. 一種在一物理氣相沉積腔室中處理一基板的方法，該方法包含以下步驟：從一靶材濺射出材料以將該材料沉積於該基板上，該靶材配置於該物理氣相沉積腔室中且該基板在該物理氣相沉積腔室內受支撐；以及將一冷卻劑流動通過一冷卻劑通道，該冷卻劑通道配置於一冷卻環的一主體中，該冷卻環耦合至該靶材與該基板相對的一側。
18. 如請求項17所述之方法，其中該冷卻劑通道將冷卻劑在該冷卻環的該主體一周圍附近循環。
19. 如請求項17至18之任一項所述之方法，其中該冷卻劑以每分鐘約1至約7加侖的流速流通過該冷卻劑通道。
20. 如請求項17至18之任一項所述之方法，其中流通過該冷卻劑通道的該冷卻劑包括乙二醇溶液、去離子水，或一全氟聚醚中之至少一者。