具有旋转磁铁组件和中央馈送射频功率的物理气相沉积腔室

摘要

本发明的实施例提供用于物理气相沉积(PVD)处理基板的改善方法和装置。在某些实施例中，物理气相沉积装置(PVD)可包括：靶材组件，所述靶材组件具有包含待沉积于基板上的源材料的靶材、反向配置于靶材背面并沿靶材的周围边缘电耦接至靶材的相对源分配板、和配置在靶材背面与源分配板之间的空腔；在与靶材的中央轴重合的一点处耦接至源分配板上的电极；和包括可旋转磁铁的磁控管组件，可旋转磁铁配置于空腔内且具有与靶材组件的中央轴对齐的旋转轴，其中所述磁控管组件并非由电极驱动。

说明书

领域

本发明的实施例一般涉及物理气相沉积处理设备。

背景

在半导体处理中，物理气相沉积(PVD)是用于将材料沉积至在基板上面的 常规上使用的处理。常规物理气相沉积处理包括利用等离子体离子轰击包括源 材料的靶材，使得从所述靶材溅射出源材料。经由负电压或基板上形成的偏压， 溅射出的源材料可朝基板加速，而将源材料沉积在基板上面。在某些处理中， 在沉积源材料后，沉积的材料可通过利用等离子体离子轰击基板而再溅射，因 而促使基板上的材料重新分布。在物理气相沉积处理期间，磁控管可于靠近靶 材背面处旋转以提升等离子体的均匀性。

某些常规射频(RF)理气相沉积处理腔室经由耦接至靶材的电气馈送件 (electrical feed)以将射频能量提供至靶材。发明人发现，在常规物理气相沉积 腔室中的沉积处理经常在被处理的基板上产生不均匀的沉积分布，在所述常规 物理气相沉积腔室中具有耦接至靶材的射频能量。

因此，发明人提供物理气相沉积处理的改善方法和装置，可提供在物理气 相沉积处理腔室内被处理的基板上更均匀的沉积分布。

概述

本发明的实施例提供用于物理气相沉积(PVD)处理基板的改善方法和装 置。在某些实施例中，物理气相沉积装置可包括：靶材组件，所述靶材组件具 有包含待沉积于基板上的源材料的靶材、反向配置于靶材背面并沿靶材的周围 边缘电耦接至靶材的相对源分配板、和配置在靶材背面与源分配板之间的空 腔；在与靶材的中央轴重合的一点处耦接至源分配板上的电极；和包括可旋转 磁铁的磁控管组件，可旋转磁铁配置于空腔内且具有与靶材组件的中央轴对齐 的旋转轴，其中所述磁控管组件并非由电极驱动。

在某些实施例中，物理气相沉积装置可包括：处理腔室，所述处理腔室具 有配置在所述处理腔室内的基板支座；靶材组件，所述靶材组件具有包含待沉 积于基板上的源材料的靶材且配置在处理腔室内部面向基板支座的支撑表面、 反向配置于靶材背面并沿靶材的周围边缘电耦接至靶材的相对源分配板、和配 置在靶材背面与源分配板之间的空腔；在与靶材的中央轴重合的一点处耦接至 源分配板的电极；耦接至电极以提供射频能量至靶材的射频电源；和包括可旋 转磁铁的磁控管组件，可旋转磁铁配置于空腔内且具有与靶材组件的中央轴对 齐的旋转轴，其中所述磁控管组件并非由电极驱动。

在某些实施例中，物理气相沉积装置可包括：处理腔室，所述处理腔室具 有配置在所述处理腔室内的基板支座；靶材组件，所述靶材组件具有包含待沉 积于基板上的源材料的靶材且配置在处理腔室内部面向基板支座的支撑表面、 反向配置于靶材背面并沿靶材的周围边缘电耦接至靶材的相对源分配板、和配 置在靶材背面与源分配板之间的空腔；配置在靶材组件附近并且与所述靶材组 件间隔的接地屏蔽；耦接在接地屏蔽与源分配板之间的多个介电间隔物，所述 多个介电间隔物相对于靶材的中央轴以轴对称方式配置；电极，所述电极通过 接地屏蔽上的开孔并且在与靶材的中央轴重合的一点处耦接至源分配板；耦接 至电极以提供射频能量至靶材的射频电源；和包括可旋转磁铁的磁控管组件， 可旋转磁铁配置于空腔内且具有与靶材组件的中央轴对齐的旋转轴，其中所述 磁控管组件并非由电极驱动。

本发明的其它和更进一步实施例将如下所述。

附图简要说明

可参考描绘在附图中的本发明的图示实施例来理解以上简要概述的和以 下更详细讨论的本发明的实施例。然而应注意的是，附图仅图示本发明的典型 实施例，因此不应视为对本发明的范围的限制，因为本发明可允许其它同等有 效的实施例。

图1描绘根据本发明某些实施例的物理气相沉积腔室的简化截面图。

图2描绘根据本发明某些实施例的靶材组件的局部等距图。

图3描绘根据本发明某些实施例的物理气相沉积腔室的简化截面图。

为了帮助理解，在可能的情况下，将以相同标号来表示各附图中共同的相 同元件。附图未按比例绘制且可能为求清楚加以简化表示。预期一个实施例的 元件与特征可有利地合并于其它实施例中而无需进一步叙述。

具体描述

在此提供用于物理气相沉积(PVD)处理基板的方法和装置。在某些实施例 中，根据在此描述的本发明的方法和装置，改善的方法和装置可在被处理的基 板上产生更均匀的沉积分布。本发明装置的实施例可有益于使射频功率耦接至 物理气相沉积处理腔室中的靶材，使得腔室内接近靶材的电磁场更为均匀，因 而促使靶材材料更均匀地分布于被处理的基板上。

图1描绘根据本发明的某些实施例的物理气相沉积腔室100的简化截面 图。适用的物理气相沉积腔室的示例包括Plus和SIP物理 气相沉积处理腔室，所述两款腔室均购自加州圣克拉拉市的应用材料公司。出 产自应用材料公司或其它制造公司的其它处理腔室也可根据在此公开的本发 明的装置的修改而获益。

在本发明某些实施例中，物理气相沉积腔室100包括配置于在处理腔室 104上面的靶材组件102。处理腔室104包含用于上面容纳基板108的基板支 座106。基板支座106可位于接地围壁110内，此围壁可为腔壁(如所示)或接 地屏蔽，所述接地屏蔽诸如是在靶材114上方的至少部分靶材组件102的接地 屏蔽112。在某些实施例中(未图示)，接地屏蔽112也可延伸至靶材114下方 以围绕基板支座106。

基板支座106具有容纳材料表面，此表面面向靶材114的主表面且支撑待 溅射基板108(所述基板108位于面向靶材114主表面的平面位置)。基板支座 106可将基板108支撑在在处理腔室104的中央区域120内。中央区域120限 定为在处理期间基板支座106上方的区域(例如，当在处理位置时，位于靶材 114与基板支座106之间)。

在某些实施例中，基板支座106通过连接至底部腔壁124的波纹管122 可垂直移动而使基板108通过位于处理腔室104下部分的负载锁定阀(load lock valve)(未图示)而被转移至基板支座106上，而后上升至沉积或是处理位置。 通过流量控制器128，一种或更多种处理气体可从气体源126供应至处理腔室 104下部分。可提供排气口130(且所述排气口130耦接至泵(未图示))，经由用 于排放处理腔室104内部气体的阀门132，以有助于维持处理腔室104内部所 期望压力。

射频偏压电源134可耦接至基板支座106以在基板108上诱发负直流偏 压。此外，在某些实施例中，负直流自偏压(negative DC self-bias)在处理期间 可形成在基板108上。例如，由射频偏压电源134提供的射频能量可在约2MHz 至约60MHz的频率范围内，例如可使用非限定(non-limiting)频率如2MHz、 13.56MHz或是60MHz。在其它应用上，基板支座106可接地或保持在电浮动 (electrical floating)下。若以另一方式或加以结合，电容调谐器136可耦接至基 板支座106，用于调整基板108上的电压，用于无射频偏压电源需求的应用。

在某些实施例中，处理腔室104可进一步包括接地底部屏蔽138，接地底 部屏蔽连接至接地导电铝转接器116的突部(ledge)140。暗区屏蔽（dark space shield）142可被支撑在接地底部屏蔽138上并可通过螺丝或其它适合方式固 定于接地底部屏蔽138上。接地底部屏蔽138与暗区屏蔽142之间的金属螺纹 连接(metallic threaded connection)使两个屏蔽138、142接地至接地导电铝转接 器116。接地导电铝转接器116继而被密封并被接地至铝腔侧壁110。屏蔽138、 142通常皆由坚硬而无磁性的不锈钢制成。

底部屏蔽138向下延伸而可包括通常具有一般常数直径的管状部分144。 底部屏蔽138沿着接地导电铝转接器116及腔壁110的壁面向下延伸至基板支 座106顶面下方，而后转向上直至到达基板支座106顶面(例如在底部形成u 形部分)。当基板支座106处于低负载位置时，盖环148会依靠在底部屏蔽138 向上延伸内部分150的顶端，而当基板支座106处于高沉积位置时，盖环148 会依靠在基板支座106的外环上以保护基板支座106免遭溅射沉积。另有沉积 环(未图示)则用来遮蔽基板108外围防止遭沉积。

在某些实施例中，磁铁152可配置于在处理腔室104附近以选择性提供基 板支座106与靶材114之间的磁场。例如，如图1所示，当基板支座106在处 理位置时，磁铁152可配置于所述基板支座106上方腔壁110外附近。在某些 实施例中，磁铁152可另外或替换成配置于其它地点，所述地点例如是接地导 电铝转接器116附近。磁铁152可为电磁铁而可耦接至电源(未图示)以控制电 磁铁产生的电磁场强度。

靶材组件102具有连接至电极154的射频电源182。射频电源182可包括 射频产生器和匹配电路。例如在操作期间将反射回射频产生器的射频反射能量 降至最小。例如由射频电源182所供给的射频能量可在约13.56MHz至约 162MHz或以上的频率范围内。例如，可使用非限定频率如13.56MHz、 27.12MHz、60MHz或162MHz。发明人已发现即使通过将射频能量耦接至管 状轴环可改善处理的均匀性(此管状轴环围绕于集中配置的磁控管轴件)，然而 在当耦接射频能量具有更高的频率时，处理的均匀性便意外地恶化。特别地， 当施加射频能量的频率增加，则处理均匀性会恶化。发明人已发现，使用配置 为与靶材中央轴轴向对齐的较小直径的电极、通过将射频能量耦接至靶材组 件，即使磁控管驱动机构移至相对于靶材组件非轴对称的地点，也可获得提高 的处理的均匀性。

在某些实施例中，第二电源183可耦接至靶材组件102以在处理期间将额 外能量提供给靶材114。在某些实施例中，第二个电源183可以是提供直流能 量的直流电源，例如提高靶材材料溅射速率(因此提高基板沉积速率)。在某些 实施例中，第二电源183可以是第二射频电源，如同射频电源182，例如，提 供(与射频电源182提供的射频能量的第一频率不同的)第二频率的射频能量。 在第二电源183为直流电源的实施例中，第二电源可耦接至靶材组件102在任 何适合将直流能量电耦接至靶材114的地点，如在电极154或某些其它导电构 件(如以下讨论的源分配板158)。在第二电源183为射频电源的实施例中，第 二电源可经由电极154耦接至靶材组件102。

电极154可为圆柱状或棒状的，且所述电极154可与物理气相沉积腔室 100的中央轴186对齐(例如电极154可在与靶材中央轴重合的一点处耦接至靶 材组件，其中该靶材中央轴与中央轴186重合)。与物理气相沉积腔室100的 中央轴186对齐的电极154促使从射频电源182以轴对称方式将射频能量施加 至靶材114(例如电极154可在与物理气相沉积腔室的中央轴对齐的“单点”位 置，将射频能量耦接至靶材)。电极154的中央位置有助于消除或减少在基板 沉积处理时的不对称沉积。电极154可具有任何适当的直径，然而电极154 的直径越小，将越趋近于射频能量应用上的真实单点。例如，在某些实施例中， 即使电极154直径可为其它尺寸，但所述直径仍会是约0.5英寸至约2英寸范 围之间。电极154一般而言根据物理气相沉积腔室的形态可具有任何适当长 度。在某些实施例中，电极长度介于约0.5英寸至约12英寸之间。电极154 可由任何适合的导电材料制造，所述导电材料例如是铝、铜、银或类似物质。

电极154可穿过环形接地平板156且耦接至源分配板158。接地平板156 可包含任何适当的导电材料，所述导电材料例如是铝、铜或类似物质。多个绝 缘体160将源分配板158耦接至接地平板156。绝缘体160提供组件的稳定性 和刚性而未将源分配板158电耦接至接地平板156。绝缘体160之间的开放空 间则顾及到射频电波沿着源分配板158表面传播。在某些实施例中，绝缘体 160可相对于物理气相沉积腔室100的中央轴186对称配置。如此配置可促使 对称射频电波沿着源分配板158表面传播，而最终至靶材114，该靶材114耦 接至源分配板158。

靶材114可由一元体或由多种成分制造而可进一步被耦接至背板162。背 板162(或直接是靶材114)经由导电构件164被耦接至源分配板158以接收靶 材114邻近外围边缘的射频能量。至少从部分角度而言，因电极154的中央位 置，因此相较于传统常规物理气相沉积腔室，可以更对称及更均匀的方式供给 射频能量

靶材114可通过介质隔离器118支撑在接地导电铝转接器116上。靶材 114包括在溅射期间待沉积在基板(未图示)上的材料，所述材料例如是金属或 金属氧化物。在某些实施例中，背板162可被耦接至靶材114的面向源分配板 的表面。背板162可包含导电材料，所述导电材料例如是锌铜(copper-zinc)、 铬铜(copper-chrome)或与靶材相同材料，如此射频电源可经由背板162被耦接 至靶材114。此外，背板162可为非导电性且可包含导电元件(未图标)，例如 电馈通线(feedthrough)或其它相似元件，用于将靶材114的面向源分配板的表 面耦接至导电构件164的第二端部168。可包括背板162，用以改善诸如靶材 114的结构稳定性之类。靶材114部分地形成处理腔室104的顶板（ceiling）。

具有第一端部166与第二端部168的导电构件164可为圆柱状，其中临近 于源分配板158外围边缘的第一端部166耦接至源分配板158面向靶材的表 面；而临近于靶材114外围边缘的第二端部168耦接至靶材114面向源分配板 的表面。在某些实施例中，临近于背板162外围边缘的第二端部168耦接至背 板162面向源分配板的表面。绝缘间隙180介于接地平板156、源分配板158 外部表面、导电构件164与靶材114(与/或背板162)之间。绝缘间隙180可以 空气或其它适当的介电材料(例如陶瓷、塑料或类似材料)填充。接地平板156 与源分配板158之间的距离取决于接地平板156与源分配板158之间的介电材 料。当上述其中的介电材料大多为空气时，则接地平板156与源分配板158 之间的距离应介于5毫米至40毫米之间。

空腔170至少部分由导电构件164的内表面、源分配板158的面向靶材的 表面、及靶材114(或背板162)的面向源分配板的表面所限定。在某些实施例 中，空腔170可至少部分地以冷却液192填充，所述冷却液192例如是水(H2O) 或其它类似物质。在某些实施例中，可提供分隔器194以将冷却液192容置于 空腔170的所期望部分内(如所示的下部分)，以防止冷却液192接触到配置于 分隔器194另一边的部件，如以下讨论。

磁控管组件196的一个或多个部分可至少部分地配置于空腔170内。磁控 管组件提供靶材附近的旋转磁场以协助处理腔室104内的等离子体处理。在某 些实施例中，磁控管组件196可包括电机176、电机轴件174、变速箱178、 变速箱轴件184以及可旋转磁铁(例如耦接至磁铁支座构件172的多个磁铁 188)。

在某些实施例中，磁控管组件196在空腔170内旋转。例如，在某些实施 例中，可提供电机176、电机轴件174、变速箱178、变速箱轴件184使磁铁 支座构件172旋转。在具有磁控管的常规物理气相沉积腔室中，磁控管驱动轴 件一般沿腔室的中央轴配置，阻止射频能量在位于与腔室中央轴对齐的位置耦 接。相反地，在本发明的实施例中，电极154与物理气相沉积腔室的中央轴 186对齐。如此一来，在某些实施例中，磁控管的电机轴件174可配置通过在 接地平板156的离心(off-center)开孔。电机轴件174从接地平板156突出的末 端被耦接至电机176。电机轴件174被进一步配置通过相应的离心(off-center) 开孔，该开孔通过源分配板158(例如第一开孔146)并耦接至变速箱178。在某 些实施例中，一个或多个第二开孔198可与第一开孔146以对称关系配置于通 过源分板盘158，有利维持沿源分配板158的射频成轴对称分布。一个或多个 第二开孔158还可容许诸如光学传感器等得以进出空腔170。

可通过耦接至源分配板158底表面之类的任何适当方式支撑变速箱178。 通过以介电材料制造变速箱178的至少上表面或通过在变速箱178与源分配板 158之间置入隔绝层190等方式，变速箱178可与源分配板158隔绝。变速箱 178更进一步经由变速箱轴件184而被耦接至磁铁支座构件172，以将电机176 提供的旋转运动转移至磁铁支座构件172(也因此转移至多个磁铁188)。

磁铁支座构件172可由任何适当的材料建造以提供适当的机械力而牢固 地支撑多个磁铁188。例如，在某些实施例中，磁铁支座构件172可由非磁性 金属建造，所述非磁性金属例如是非磁性不锈钢。磁铁支座构件172可为任何 适于在需要位置，将多个待被耦接至磁铁支座构件的磁铁188得以进出的形 状。例如，在某些实施例中，磁铁支座172可包括平板、圆盘、横梁构件(cross member)以及类似构件。可以任何形式配置多个磁铁188以提供具有所期望形 状与强度的磁场。

或者，例如由于空腔170内存在冷却液192时，磁铁支座172可通过任何 带有(足以抵抗来自所述磁铁支座172与所述磁铁支座172所附的多个磁铁188 的阻力的)转矩的其它手段而旋转。例如，在某些实施例中，如图3描绘，磁 控管组件196可于空腔170内使用配置于所述空腔170内、且直接连结至磁铁 支座172的电机176和电机轴件174(例如扁平形电机(pancake motor))而被旋 转。电机176的尺寸必须足以符合腔体170内空间，或在有分隔器194下符合 腔体170的上部分。电机176可为气压或液压驱动的电动电机或任何可提供所 需转矩的处理兼容机构。

因此，上述提供为用于物理气相沉积处理的方法和装置。在某些实施例中， 发明方法和发明装置提供中央馈送射频能量至处理腔室内的靶材，相较于常规 物理气相沉积处理装置，此物理气相沉积的处理腔室有助于提供在被处理基板 上更均匀的沉积分布。

尽管上述为涉及本发明的实施例，但在不违背本发明的基本范围下的情况 下，可设想本发明其它或进一步的实施例。