專利名稱：采用磁桶和同心等離子體源及材料源的等離子體淀積方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及離子化物理氣相淀積(IPVD)，特別是涉及一種使涂敷材料離子化、以提高基片上的涂敷材料方向性的IPVD方法及設(shè)備。
本發(fā)明的技術(shù)背景離子化物理氣相淀積(IPVD)，在填充和鍍覆高尺寸比(aspect ratio)硅片結(jié)構(gòu)方面，是一種特別實用的方法。在給半導體晶片淀積薄膜的離子化物理氣相淀積的過程中，淀積材料是從涂敷材料源被濺射出來或蒸發(fā)出來，然后，蒸發(fā)材料的相當大一部分在抵達需要被涂敷的晶片之前，被轉(zhuǎn)變?yōu)檎x子。這個離子化過程是通過真空室內(nèi)的工作氣體(process gases)所產(chǎn)生的高密度等離子體來實現(xiàn)的。等離子體可通過磁耦合射頻(RF)能量經(jīng)射頻能量激勵線圈進入處理室的真空來產(chǎn)生。這樣所產(chǎn)生的等離子體位于涂敷材料源與晶片之間的區(qū)域。靜電的力影響涂敷材料的正離子，并將正離子引向處理室內(nèi)的各個表面。通過給晶片加負偏壓，正離子被從等離子體吸引到晶片上。這種負偏壓或者可以隨著晶片的絕緣而產(chǎn)生(由于晶片浸漬在等離子體中)，或者可以通過給晶片加一個射頻電壓而產(chǎn)生。這個偏壓使涂敷材料的離子朝著晶片方向加速，從而，更多的涂敷材料以近似垂直于晶片的角度淀積到晶片上。這就使得金屬能夠在表面帶有窄/深孔穴及溝槽的晶片結(jié)構(gòu)上淀積，從而可為這種晶片結(jié)構(gòu)的底面及側(cè)壁提供了良好的覆蓋薄膜。
在美國專利申請?zhí)枮?8/844,751、08/837,551及08/844,756的專利申請中，公開了一些IPVD系統(tǒng)，這些于1997年4月21日提出的專利申請已轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人。這些專利申請公開的內(nèi)容，在此被引用為參考文獻。在這類系統(tǒng)中，有一個真空室，真空室一般為圓柱形，并設(shè)有用絕緣材料或絕緣窗制成的曲面外壁。一個螺旋導電線圈被放置在絕緣窗的外面，而且螺旋導電線圈圍繞著真空室，并與真空室同軸，螺旋導電線圈的軸向長度等于絕緣外壁的軸向長度的很大一部分。工作時，螺旋導電線圈靠一個射頻能量源、經(jīng)過適當?shù)钠ヅ湎到y(tǒng)來提供能量。絕緣窗允許來自導電線圈的能量被耦合進入真空室，同時，把導電線圈與等離子體隔離，避免兩者直接接觸。通過設(shè)置保護屏，保護絕緣窗免遭金屬涂敷材料的淀積，保護屏一般是用金屬制成的，在避免金屬淀積到絕緣窗上的同時，也使射頻磁場能夠進入真空室內(nèi)，金屬淀積到絕緣窗上勢必會形成導電通路，流通由磁場所產(chǎn)生的電流。這類電流是人們所不希望有的，會產(chǎn)生電阻熱，并會降低從線圈到等離子體的等離子體激勵能量的磁耦合。這種激勵能量的用途是在真空室內(nèi)產(chǎn)生高密度的等離子體。磁耦合的降低，會造成等離子體密度的降低，從而使處理結(jié)果的品質(zhì)下降。
在這類IPVD系統(tǒng)中，淀積材料是從濺射靶上濺射出來的，相對于等離子體來說，濺射靶通常借助一個直流電源，被充以負電荷。濺射靶往往采用平面磁控設(shè)計，設(shè)計中引入一個將等離子體約束在濺射靶上方的磁路或其他磁性結(jié)構(gòu)，用于濺射靶的濺射。來自濺射靶的材料抵達支撐在晶片支撐架(support)或臺架上的晶片，晶片支撐架或臺架通常被施加一個偏壓，往往是借助于一個通過一個阻抗匹配線路連接基片支撐架(support)的射頻能量源。
一種稍有不同的IPVD幾何結(jié)構(gòu)，使用的是通過放置在真空室內(nèi)的線圈所產(chǎn)生的等離子體。這樣的系統(tǒng)既不需要絕緣的真空室室壁，也不需要專門的保護屏來保護絕緣的真空室室壁。在美國專利5,178,739中，Barnes等人公開了這樣的一種系統(tǒng)，該專利在此也被引用為參考文獻。線圈被放置在真空室外面的系統(tǒng)，以及Barnes等人在其專利中所公開的系統(tǒng)，均涉及到使用感應線圈或其他耦合元件，感應線圈或其他耦合元件不是放置在真空室的外面就是放置在真空室的里面，它們都屬于有形設(shè)置，占據(jù)濺射靶與晶片平面之間的空間。
無論耦合元件(例如線圈)是放置在真空室的外面還是里面，系統(tǒng)的外廓尺寸都要受到下述限制在涂敷材料源—基片之間需要足夠的間隔，以便在涂敷材料源與基片之間安裝射頻能量耦合元件。另外，為了安裝線圈或其他耦合元件，圍繞晶片還必須有足夠的直徑。因耦合元件需要空間而增大涂敷材料源—基片之間的間隔，其直接結(jié)果是利用這類系統(tǒng)，難以獲得足夠的淀積均勻性。如果降低真空室的高度來提高淀積的均勻性，則會降低真空室中心區(qū)域的等離子體密度，并會降低涂敷材料的離子化百分比。此外，整個系統(tǒng)實際上還必須處于一個受到限制的體積范圍之內(nèi)。因此，經(jīng)常有因為發(fā)熱所造成的問題，發(fā)熱是由于射頻線圈靠近壁面及其他金屬表面所引起的，這可能需要額外的冷卻，進而會提高工程及生產(chǎn)成本及能源的消耗。
線圈放置在真空室內(nèi)的IPVD設(shè)備還有其他缺點線圈被等離子體所浸蝕，因此，線圈必須由與從濺射靶所濺射的相同類型的靶級材料所構(gòu)成。此外，放置在真空室內(nèi)的線圈還需要不可忽視的冷卻。如果利用液體進行冷卻，則存在著線圈會因不均勻浸蝕而浸透或被電弧所擊穿的危險，造成冷卻液泄漏而進入系統(tǒng)，這是人們極為不希望發(fā)生的，它可能會造成需要對系統(tǒng)進行長時間的清潔及對系統(tǒng)重新進行合格鑒定。還有一點是，放置在真空室內(nèi)的激勵線圈還會與等離子體電容性偶合，造成激勵能量的利用率低和離子能譜的擴寬，從而，將對淀積過程產(chǎn)生不利的影響。
考慮到上述許多問題，Drewery和Licata在共同轉(zhuǎn)讓且共同懸而未決的美國專利申請?zhí)枮?9/073,144的專利申請中公開了一種IPVD方法和設(shè)備，該專利申請在此也被引用為參考文獻。Drewery等人的專利申請中所公開的方法及設(shè)備，保證了能量高效耦合進入濃密的等離子體，由此，涂敷材料在IPVD系統(tǒng)中被離子化，而且這是在既不影響真空室最佳幾何形狀、也不需要將線圈或其他耦合元件放置在真空室內(nèi)的情況下實現(xiàn)的。它使用了一種設(shè)有一個環(huán)形涂敷材料源(例如環(huán)形濺射靶)的裝置，在絕緣窗的后面，環(huán)形涂敷材料源的中央有一個耦合元件(例如平面線圈)，用于將射頻能量耦合進入真空室，以產(chǎn)生高密度的電抗偶合等離子體，例如感應耦合等離子體(ICP)。
前面所述的各種IPVD系統(tǒng)及方法，得益于高的等離子體密度及等離子體均勻性來有效地實現(xiàn)其目的，特別是涂敷亞微米高尺寸比器件的目的。較高的等離子體密度，能夠增進金屬離子化。提高的等離子體均勻性，能夠降低偏壓(例如由射頻能量源產(chǎn)生的射頻偏壓)對淀積均勻性的影響，并能夠擴寬其他處理參數(shù)的可接受范圍。前面所描述的各種系統(tǒng)，因離子傳給真空室壁面和提高等離子體均勻性的緣故，易于降低效率。
在沒有使用IPVD的等離子體系統(tǒng)中，已經(jīng)嘗試過各種技術(shù)，來降低對于真空室壁面的離子損失。例如，在低溫下產(chǎn)生等離子體時，提高等離子體均勻性和等離子體密度的一種方法是利用一個“磁桶(magnetic bucket)”?！按磐啊彼a(chǎn)生的磁場，通過一種形式的吸持(稱之為磁鏡吸持)，降低了對于處理室壁面的電通量。等離子體保持中性的傾向，即具有與正離子一樣多數(shù)量的電子的傾向，也降低了對于處理室壁面的離子通量。前面所描述的各種系統(tǒng)的不同處理室結(jié)構(gòu)，均提出了等離子體密度和等離子體均勻性的問題。磁鏡和磁桶，不僅會與磁控場相互之間產(chǎn)生不利影響，而且還會使靶的利用率降低。這使得其并不適用于等離子體密度及等離子體均勻性要求高的情況，例如IPVD。
出于上述原因及其他原因，需要提高IPVD系統(tǒng)中的淀積均勻性及等離子體密度，其中包括那些ICP等離子體源位于環(huán)形靶中央的IPVD系統(tǒng)。
發(fā)明的概述本發(fā)明的目的是提供一種IPVD方法及一種IPVD設(shè)備，其中，等離子體使涂敷的金屬離子化，它將更加充分、濃密及均勻地充滿處理室內(nèi)，由此將涂敷材料傳送到基片上。本發(fā)明的另一個目的是在不過度提高陰極和磁控設(shè)計復雜性的情況下，增加使涂敷材料離子化。本發(fā)明的又一個目的是提供一種方法及設(shè)備，其中，利用磁場作用來降低流入處理室壁面的等離子體流量，特別是，等離子體的密度及等離子體的均勻性也由此得以提高。
根據(jù)本發(fā)明的原理，一種離子化物理氣相淀積(IPVD)設(shè)備有一個外置的磁鐵陣列(array)，最好是一個永磁鐵的磁桶陣列，磁鐵陣列圍繞著涂敷室的圓周布置，以推斥來自等離子體的、正在朝著涂敷室壁面方向運動的運動帶電粒子。本發(fā)明最好使用一個圍繞IPVD涂敷室圓周布置的由永磁鐵組成的磁桶陣列，IPVD涂敷室的一端有一個環(huán)形涂敷材料源，另一端是面對著環(huán)形涂敷材料源的基片。在本發(fā)明的最佳實施例中，環(huán)形涂敷材料源在其中心或后面，有一個射頻耦合元件(例如線圈)，射頻耦合元件將能量電抗耦合進入涂敷室，以保持涂敷室內(nèi)的濃密等離子體，等離子體從涂敷材料源使涂敷材料離子化。涂敷材料源在其后面或附近，可以有一個磁控磁鐵，用來定形濺射等離子體并控制涂敷材料源的浸蝕形狀，特別是在采用環(huán)形濺射靶的時候。
在本發(fā)明的最佳實施例中，磁鐵陣列進一步包括許多個永磁鐵，其極軸相對于涂敷室軸線徑向取向。在磁鐵陣列中，磁鐵的極性方向是交錯的，以形成一個圍繞著涂敷室壁面的多交點磁場。磁鐵陣列可以呈籠狀，由多個軸向取向的磁條組成，這些磁條共同構(gòu)成一圈軸向延伸的緊接涂敷室壁面的磁力線通道，這與較為普通的磁桶結(jié)構(gòu)一樣。但是，在本發(fā)明的最佳實施例中，磁鐵陣列呈現(xiàn)為許多個軸向隔開的與涂敷室軸線同軸的多圓環(huán)形式，這些圓環(huán)構(gòu)成環(huán)繞涂敷室圓周的環(huán)形磁力線通道。在這種布置形式的情況下，磁場與陰極之間的相互作用在水平方向上是一致的。在涂敷室內(nèi)靠近涂敷室壁面的位置，磁力線匯聚，磁場強度加強，這對朝著涂敷室壁面方向運動的帶電粒子具有沿著磁力線的推斥作用。
這種磁鐵陣列產(chǎn)生的磁場強度，足以磁化位于等離子體邊緣的電子，也就是說，足以使磁場內(nèi)運動的電子發(fā)生偏轉(zhuǎn)。但另一方面，這種磁鐵陣列產(chǎn)生的磁場強度，并沒有強到磁場可以過深地穿入等離子體的體內(nèi)。在本發(fā)明所涉及的那些IPVD系統(tǒng)中，涂敷室內(nèi)的壓強一般必定高于1毫乇(mTorr)，通常是在10毫乇-100毫乇范圍內(nèi)。在氬氣壓強為10毫乇-20毫乇的情況下，磁場強度可以高達約50高斯-100高斯。在壓強約為100毫乇的情況下，磁場強度可以高達約200高斯-300高斯。但通常，壓強不應當高出需要，為的是不過深地穿入等離子體，但B場(以高斯為單位)應當至少約為這個壓強(以毫乇為單位)的1.3倍。最好的是，磁場強度比最低值大約高出30％。
磁鐵之間的間隔密集到足以產(chǎn)生“磁瓶”效果，磁鐵陣列中每個磁鐵的磁力線通過兩側(cè)相鄰的與其極性取向相反的磁鐵，從一極延伸到另一極。磁鐵之間的間隔過大，會破壞磁鐵陣列的效果；而磁鐵之間的間隔較為緊密，不僅能夠避免磁場過深地穿入等離子體，而且還可減小磁鐵陣列與陰極磁場的耦合。
磁鐵被設(shè)置在盡可能地靠近涂敷室壁面的位置，使磁鐵更為有效地防止帶電粒子損失到涂敷室壁面。最好的是，將磁鐵放置在涂敷室內(nèi)的涂敷室壁面襯套或保護屏后面的真空中，而不是放置在真空之外的涂敷室外壁的后面?？梢允褂美鋮s氣體或冷卻液體來對磁鐵進行冷卻。在磁鐵處于由線圈或其他元件所產(chǎn)生的射頻場內(nèi)的場合下，可以使用適當?shù)木哂凶銐蚝穸鹊姆髮?例如銅敷層或鋁敷層)來保護磁鐵，防止磁鐵由于射頻場而出現(xiàn)過熱。在13.56MHZ射頻能量的情況下，銅敷層或鋁敷層適用，敷層至少為20微米-50微米，最好為80微米-100微米。
在本發(fā)明的最佳實施例中，IPVD室設(shè)有一個環(huán)形靶，位于IPVD室的一端；一個基片支撐架(substrate support)，位于IPVD室的另一端；一個射頻線圈，位于靶中央的開口處。一個永磁鐵陣列，環(huán)繞著IPVD室的壁面。這個磁鐵陣列以貫穿靶心和基片中心的IPVD室的軸線為中心。這個磁鐵陣列最好是一個呈多個磁鐵環(huán)形式的磁桶陣列，相對于IPVD室的軸線而言，磁鐵環(huán)的極軸為徑向取向。這些磁鐵環(huán)是薄的平面磁鐵環(huán)，在軸線方向上間隔緊密，其極軸沿著IPVD室長度交替變化。這些磁鐵環(huán)最好是放置在IPVD室的真空中，在IPVD室的壁面與可拆卸的壁面襯層之間，壁面襯層通常是用來防止在壁面上形成淀積；便于IPVD室的內(nèi)部清潔。壁面襯層可以是利用金屬材料或其他導電但非磁性材料所制成的密閉圓柱體。
在本發(fā)明的另一個最佳實施例中，磁鐵陣列也可以呈現(xiàn)為一種由多個軸向延伸的平直永磁鐵窄條所構(gòu)成的磁桶陣列形式，這些平直的磁鐵窄條在圓周軸向方向上的間隔緊密，相對于IPVD室的軸線而言，其極軸是徑向取向。這種軸向磁鐵陣列，最好是放置在IPVD室的壁面和IPVD室的壁面襯層之間，不過，磁鐵也能夠放置在IPVD室的外面，但這種布置形式被認為效率低。在軸向延伸磁鐵陣列與圓周延伸磁鐵陣列之間進行比較，就磁鐵陣列的磁鐵與通常位于環(huán)形靶后面的陰極總成內(nèi)的磁控磁鐵之間的耦合來說，前一種情況的耦合效果更強。因此，在增加了磁鐵陣列之后，必須重新優(yōu)化設(shè)計陰極磁鐵，雖然可以使用普通的磁控優(yōu)化技術(shù)，但重新進行優(yōu)化設(shè)計是人們不太希望的事情。
IPVD處理裝置在環(huán)形靶中央有一個用來激勵高密度低能等離子體的射頻元件(例如線圈)，給該IPVD處理裝置提供一個磁桶，這樣就能夠提高等離子體的效能。磁桶對電子的推斥，能夠阻止等離子體的電子的損失(loss)，否則的話，將會有等離子體的電子逃逸到涂敷室的壁面上。高的離子密度，能夠提高金屬的離子化，并降低對射頻RF源的能量需求。等離子體均勻性的提高，能夠減小射頻RF偏壓對淀積均勻性的影響，并降低對其他處理參數(shù)的限制。
本發(fā)明的上述目的及優(yōu)點，通過參看對附圖的詳細說明，將變得明顯易懂。
附圖的簡要說明

圖1為透視圖，表示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的一種IPVD處理裝置。
圖2為局部剖面圖，剖面線為圖1中的2-2。
圖3為透視圖，表示根據(jù)本發(fā)明另一個最佳實施例的一種IPVD處理裝置。
圖4為剖面圖，剖面線為圖3中的4-4。
圖5為放大的剖面圖，表示圖4所示IPVD裝置的磁桶結(jié)構(gòu)的一部分。
附圖的詳細說明圖1表示一種離子化物理氣相淀積(IPVD)裝置10，該裝置包括一個磁桶磁鐵總成20，磁桶磁鐵總成20與美國專利申請?zhí)枮?9/073,144的專利申請中所公開的IPVD處理裝置30結(jié)合在一起，該專利申請在此被引用為參考文獻。處理裝置30有一個真空室31，真空室31被密封壁面32所包圍，真空室31的一端有環(huán)形濺射靶及陰極總成33，真空室31的另一端有基片支撐架(圖中未示出)。真空室31有一個中心軸線35，這個軸線貫穿陰極總成33的中心和基片支撐架的中心。真空室31通常為圓柱形，而且與軸線35同軸。在環(huán)形靶及陰極總成33的中央，是一個射頻發(fā)生器34，以軸線35為中心，用于耦合高密度低能等離子體進入真空室31。
典型的IPVD處理裝置，在壁面的內(nèi)側(cè)，設(shè)有一個可拆裝的襯層，用來阻止涂敷材料淀積到壁面上及簡化真空室的清潔工作(將襯層拆下來進行清潔)。在IPVD裝置10中，處理裝置30設(shè)有一個襯層21，襯層位于壁面32的內(nèi)側(cè)，兩者之間有小的間隔距離，最好是約為1/2英寸，在此，壁面32的直徑大約為15英寸。
磁桶20包括一個磁鐵陣列22，這個磁鐵陣列是由多個磁鐵23構(gòu)成，每個條形磁鐵23的長度稍稍短于真空室31的高度。相對于真空室31來說，每個磁鐵都有一個徑向取向的極軸，正如圖2中符號N和符號S所表示的那樣。這也就是說，磁鐵23的一個磁極在徑向方向上位于磁鐵的內(nèi)側(cè)邊緣，另一個磁極在徑向方向上位于磁鐵的外側(cè)邊緣。因此，磁鐵23的數(shù)量為偶數(shù)。磁條可以用整塊磁鐵制成，也可以用一排小的獨立磁鐵裝在一個公用窄條上來制成，例如，公用窄條可以用鐵來制成。
就最佳尺寸而言，磁鐵23在徑向方向的厚度大約為3/8英寸，在圓周(切線)方向上的厚度大約1/8～3/16英寸。磁鐵23之間的最佳間隔大約為1/4～4/8英寸，從而，圍繞真空室31的磁鐵23的數(shù)量大約為120塊。磁鐵23位于壁面32與保護屏21之間，壁面32與保護屏21可以用非磁性的但可以是導電的材料來制成。在任何情況下，具有足夠的面積接近等離子體的真空室，這些足夠的面積應該接地或是保持真空室的陽極電位。
如圖2所示，每一個磁鐵23的磁力線25，從其內(nèi)側(cè)邊緣拱形連接到與其直接相鄰的極性相反的磁鐵23的內(nèi)側(cè)邊緣。當磁力線25接近磁鐵23時，磁力線25出現(xiàn)匯聚，從而，當電子運動到較為靠近磁極時，與磁力線平行運動的電子會受到推斥力，由此，電子被偏轉(zhuǎn)返回到真空室31中。
圖3和圖4表示一種離子化物理氣相淀積(IPVD)裝置10a的一個最佳實施例，該裝置包括一個改進的磁桶型磁鐵總成40，磁桶型磁鐵總成40與美國專利申請?zhí)枮?9/073,144的專利申請中所公開的IPVD處理裝置30結(jié)合在一起，雖然這個專利申請中的所有實施例都是適用的，但是本發(fā)明的專利申請僅僅描述了其中之一。處理裝置30有一個真空室31，真空室31被密封壁面32所包圍。真空室31的一端有環(huán)形濺射靶及陰極總成33，真空室31的另一端有基片支撐架36，基片支撐架36平行于環(huán)形濺射靶及陰極總成33。中心軸線35，貫穿陰極總成33的中心和基片支撐架36的中心。真空室壁面32最好是對稱于軸線35并以軸線35為中心，而且通?？梢允桥c軸線35同軸。在環(huán)形靶及陰極總成33的中央，以軸線35為中心，是射頻發(fā)生器34。
如圖4所示，環(huán)形濺射靶及陰極總成33，最好是含有一個一般的環(huán)形靶51，工作時，環(huán)形靶51通過一個陰極電源52被帶上負電，陰極電源52最好是一個直流電源或脈沖直流電源，也可以是一個通過適當匹配電路與環(huán)形靶51相連的射頻源。環(huán)形靶51的浸蝕，通過內(nèi)側(cè)暗區(qū)環(huán)(dark space ring)53及外側(cè)暗區(qū)環(huán)54來進行控制，而且最好還通過在區(qū)域55中示意說明的磁控磁鐵總成59所產(chǎn)生的磁場來進行控制。環(huán)形靶51的冷卻，可以通過使用內(nèi)置水道或其他冷卻液端口(圖中未示出)來實現(xiàn)，或者通過浸入適當?shù)耐庵美鋮s系統(tǒng)(圖中未示出)來實現(xiàn)，這些冷卻方法均屬于常規(guī)的冷卻方法。環(huán)形靶51，通過絕緣體56和57，與接地表面相絕緣。環(huán)形靶51有一個內(nèi)開口58，在開口58中，設(shè)有一個射頻等離子體激勵系統(tǒng)34。通常，給處理裝置30提供有一個氣源37，用來給真空室31提供工作氣體(例如；氬氣)，而真空泵38用來將真空室31保持在所希望的真空度。
射頻激勵系統(tǒng)34最好包括一個平面絕緣窗61，平面絕緣窗61密封環(huán)形靶51的開口。平面絕緣窗61面向支撐架36上的基片39的那一面，與真空室31的真空相接觸；而平面絕緣窗61的另一面(即外表面)，與標稱的大氣環(huán)境相接觸?？拷^緣窗61的外表面，是一個激勵線圈65，這個激勵線圈最好是在平行于絕緣窗61的方向上延展，線圈可以是平面的或近乎平面的。舉例來說，在授予Ogle的美國專利4,948,458中及授予Ashtiani的美國專利5,669,975中，就公開有多種適用的線圈，這兩個專利在此均被引用為參考文獻。在絕緣窗61的內(nèi)側(cè)一面上，是一個或多個保護屏66和67，保護屏不僅在物理上保護絕緣窗61免于淀積濺射材料，同時，還起著“法拉第屏”(Faraday shield)的作用，允許來自線圈65的感應耦合射頻能量進入真空室31。保護屏66和67有一個小的間隔距離，并且是安裝在靠近絕緣窗61內(nèi)表面的位置。保護屏66和67最好是開槽的，而且可以接地到暗區(qū)保護屏53并保持與暗區(qū)保護屏53的良好熱接觸，暗區(qū)保護屏53最好是采用水冷?；蛘?，保護屏66和67中的一個或兩個可以為電浮動型(electrically floating)，至少是根據(jù)線圈65上的射頻能量進行電浮動。在這個最佳實施例中，保護屏66和67的冷卻，是通過邊緣導熱來實現(xiàn)的，將熱量傳遞給采用水冷的暗區(qū)保護屏53，或者通過一個絕緣且導熱的的支撐環(huán)(圖中未示出)，如果希望的話，這種支撐環(huán)不僅能夠?qū)ΡＷo屏66和67進行冷卻，同時還能夠使保護屏66、67和暗區(qū)保護屏53絕緣。其他的保護屏冷卻技術(shù)及保護屏布置形式，也可以使用。
工作時，電源72經(jīng)過匹配線路71，將射頻電壓施加給激勵線圈65。在授予Ashtiani的美國專利5,669,975中，公開了匹配單元及一些連接裝置的設(shè)計技術(shù)，可將不受歡迎的對于保護屏66和67的電容耦合降低到最低限度。給真空室提供工作氣體，以將真空室內(nèi)的壓強提高到大約10-100毫乇。這時，可以點燃真空室內(nèi)的高密度等離子體。給濺射靶51提供直流能量或射頻能量，濺射靶51在來自主等離子體的粒子的轟擊下被侵蝕。被主等離子體所濺射出的靶材料，在路經(jīng)得到感應耦合能量(來自線圈65)支持的高密度等離子體時，被離子化。這種離子化濺射涂敷材料被加速飛向基片或晶片39，基片或晶片39最好被施加負偏壓，例如利用高頻射頻發(fā)生器83通過匹配電路84連接到基片支撐架36。
在實施例10a中，磁桶40包括一個磁鐵陣列42，這個磁鐵陣列是由多個環(huán)形磁鐵43構(gòu)成，環(huán)形磁鐵43的外徑，近似等于或者稍稍小于真空室壁面32的內(nèi)徑；環(huán)形磁鐵43的內(nèi)徑近似等于或者稍稍大于保護屏21的外徑。環(huán)形磁鐵43采用層疊布置方式，其層疊高度稍稍低于真空室31的高度。相對于真空室31來說，每個磁鐵43都有一個徑向取向的極軸，正如圖5中符號N和符號S所表示的那樣。這也就是說，磁鐵43的一個磁極在徑向方向上位于磁鐵的內(nèi)側(cè)邊緣，另一個磁極在徑向方向上位于磁鐵的外側(cè)邊緣。就最佳尺寸而言，環(huán)形磁鐵43在徑向方向上大約為3/8英寸，在軸線方向上的厚度大約1/8～3/16英寸，磁鐵43之間在軸線方向上的間隔大約為3/16英寸，根據(jù)真空室31的高度，圍繞真空室31的環(huán)形磁鐵43的數(shù)量大約為16塊-24塊。同在前面實施例中所描述過的磁鐵20一樣，環(huán)形磁鐵40可以用整塊磁鐵制成，也可以用一排小的獨立磁鐵裝在一個公用窄條上來制成。這種公用窄條可以用鐵來制成，小磁鐵或機械固定或磁性吸引在公用窄條上。
如圖5所示，每一個磁鐵43的磁力線45，從其內(nèi)側(cè)邊緣拱形連接到與其直接相鄰的極性相反的磁鐵43的內(nèi)側(cè)邊緣。當磁力線45接近磁鐵43時，磁力線45出現(xiàn)匯聚，從而，當電子運動到較為靠近磁極時，與磁力線平行運動的電子會遭受到推斥力，由此，電子被偏轉(zhuǎn)返回到真空室31中。就實施例10a中的磁鐵43而言，磁力線45在襯層21周圍構(gòu)成密閉圓弧，而且磁鐵的磁力線是位于貫穿真空室軸線35的平面之內(nèi)。而就實施例10中的磁鐵23而言，磁力線25在真空室31周圍構(gòu)成隧道形的扇形，平行延伸到真空室軸線35，而且磁鐵的磁力線是位于垂直于真空室軸線35、基片支撐架及陰極總成33的平面之內(nèi)。因此，實施例10a對于陰極總成33的磁控磁場具有較小的影響，從而，針對給裝置增加磁桶，所需要的專門的重新優(yōu)化設(shè)計較少。
對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，很明顯，本發(fā)明是以最佳實施例的形式來進行描述的，本發(fā)明的實現(xiàn)可以有所變化，能夠在不偏離本發(fā)明的原理及概念的情況下，進行補充和改進。
權(quán)利要求
1.一種離子化物理氣相淀積裝置，包括一個真空室，它有一個真空處理空間，其中，真空壓強被保持為適于在真空室內(nèi)進行離子化物理氣相淀積，真空室軸線穿過真空處理空間，真空室壁面的內(nèi)表面環(huán)繞著真空處理空間及真空室軸線；一個涂敷材料源，它通常以真空室軸線為中心，位于真空室的一端，涂敷材料從這里被提供給真空處理空間；一個基片支撐架，它位于在真空室的內(nèi)部，通常以真空室軸線為中心，位于真空處理空間的另一端，與涂敷材料源相對；一個射頻能量源；一個射頻耦合元件，與射頻能量源相連，它通常以真空室軸線為中心，位于靠近涂敷材料源的真空室的那一端，使用電抗耦合能量來在真空處理空間內(nèi)形成足夠密度的等離子體，使來自涂敷材料源并經(jīng)過真空處理空間的運動的涂敷材料離子化；一個磁桶，通常以真空室軸線為中心，環(huán)繞著真空室軸線及真空處理空間，這個磁桶包括一個由多個軸向間隔布置的環(huán)形永磁鐵所構(gòu)成的磁鐵陣列，這些環(huán)形磁鐵以真空室軸線為中心，在真空室壁面的內(nèi)表面的后面和真空處理空間的外面圍繞著真空室，每個磁鐵都有一個徑向取向的極軸，磁鐵陣列中的磁鐵采取極性交變的布置形式而且間隔緊密，以產(chǎn)生一個環(huán)繞真空室、靠近真空室壁面內(nèi)表面的多環(huán)形磁力線交點的磁場，由此，推斥來自等離子體的接近真空室壁面的帶電粒子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，由磁桶所產(chǎn)生的磁場，在真空室壁面內(nèi)表面的內(nèi)側(cè)，有一個近似的高斯強度，從大約1.3倍壓強(以毫乇為單位)到不超過5倍壓強(以毫乇為單位)或300高斯。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，磁鐵陣列中的磁鐵為平面環(huán)形磁鐵，軸向厚度約為1/8～1/4英寸，徑向?qū)挾燃s為3/8～3/4英寸，磁鐵的間隔距離約為1/8～1/4英寸，磁鐵陣列的軸向延伸長度超過真空室在涂敷材料源與基片之間的軸向長度的2/3。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，每個磁鐵都涂敷有一層非磁性高導電性材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，涂敷材料源為環(huán)形涂敷材料源，涂敷材料從這里被提供給真空處理空間，涂敷材料源有一個中央開口而且至少有一個表面與真空處理空間相通；射頻耦合元件位于環(huán)形涂敷材料源的中央開口位置，以使用電抗耦合能量來在真空處理空間內(nèi)形成足夠密度的等離子體，使來自涂敷材料源并經(jīng)過真空處理空間的運動的涂敷材料離子化。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中，射頻耦合元件是一個線圈，位于環(huán)形涂敷材料源的中央開口位置，用來感應耦合能量進入真空室，以在真空處理空間內(nèi)形成感應耦合等離子體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，還包括一個絕緣窗，位于涂敷材料源的中央開口位置；以及一個射頻耦合元件，位于真空室真空以外絕緣窗的外側(cè)，耦合射頻能量經(jīng)過絕緣窗進入真空室，以激勵真空室內(nèi)的等離子體。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，還包括保護屏結(jié)構(gòu)，位于絕緣窗內(nèi)側(cè)、絕緣窗與真空處理空間之間，保護屏被配置成能夠高效地將來自耦合元件的射頻能量耦合進入真空處理空間，并能夠在物理上保護絕緣窗(61)避免來自真空處理空間的涂敷材料的淀積。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，還包括一個偏壓電源，它與基片支撐架相連，以在基片支撐架上面的基片上形成一個直流偏壓，這個相對于等離子體的負偏壓高到足以將來自真空處理空間的涂敷材料射向基片。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，環(huán)形涂敷材料源至少包括一個用導電涂敷材料制成的環(huán)形濺射靶，環(huán)形濺射靶帶有一個濺射表面，濺射表面與真空室內(nèi)部相通；一個靶電源，靶電源與靶相連，以在濺射表面上形成一個直流偏壓，這個相對于等離子體的負偏壓高到足以將靶的濺射表面的材料濺射進入真空處理室。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，還包括一個磁控磁鐵，位于靶的后面、真空室的外部，用于有效地將濺射等離子體約束在非常接近于靶的濺射表面的區(qū)域。
12.一種離子化物理氣相淀積裝置，包括一個真空室，其中有一個真空處理空間，真空室軸線穿過真空處理空間，真空室壁面的內(nèi)表面環(huán)繞著真空處理空間及真空室軸線；一個環(huán)形涂敷材料源，以真空室軸線為中心，位于真空室的一端，涂敷材料從這里被提供給真空處理空間，這個環(huán)形涂敷材料源有一個中央開口，而且至少有一個表面與真空處理空間相通；一個基片支撐架，在真空室的內(nèi)部，以真空室軸線為中心，位于真空處理空間的另一端，與涂敷材料源相對；一個射頻能量源；一個射頻耦合元件，與射頻能量源相連，它通常以真空室軸線為中心，位于環(huán)形涂敷材料源的中央開口位置，使用電抗耦合能量來在真空處理空間內(nèi)形成足夠密度的等離子體，使來自涂敷材料源并經(jīng)過真空處理空間的運動的涂敷材料離子化；一個磁桶，通常以真空室軸線為中心并環(huán)繞著真空處理空間，這個磁桶包括一個由多個磁鐵所構(gòu)成的磁鐵陣列，這些磁鐵在真空室壁面的內(nèi)表面的后面和真空處理空間的外面而環(huán)繞著真空室，每個磁鐵都在縱向方向上延伸，其極軸為橫向取向并且垂直于真空室壁面的內(nèi)表面，磁鐵陣列中的磁鐵采取極性交變的布置形式而且間隔緊密，以產(chǎn)生一個環(huán)繞真空室、靠近真空室壁面內(nèi)表面的多環(huán)形磁力線交點的磁場，由此，推斥來自等離子體的接近真空室壁面的帶電粒子。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中，永磁鐵陣列包括多個軸向延伸的條形磁鐵，這些條形磁鐵在圓周方向上以緊密的間隔環(huán)繞著真空室壁面，每個磁鐵都在軸向上縱向延伸，其極軸為橫向取向并且垂直于真空室壁面的內(nèi)表面，磁鐵陣列中的磁鐵采取極性交變的布置形式而且間隔緊密，以產(chǎn)生一個環(huán)繞真空室、靠近真空室壁面內(nèi)表面的多環(huán)形磁力線交點的磁場。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中，永磁鐵陣列包括多個環(huán)形磁鐵，這些環(huán)形磁鐵在軸向方向上以緊密的間隔環(huán)繞著真空室壁面，每個環(huán)形磁鐵都在圓周上縱向延伸，其極軸為橫向取向并且垂直于真空室壁面的內(nèi)表面，磁鐵陣列中的磁鐵采取極性交變的布置形式而且間隔緊密，以產(chǎn)生一個環(huán)繞真空室、靠近真空室壁面內(nèi)表面的多環(huán)形磁力線交點的磁場。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中，真空室壁面包括一個絕緣窗，絕緣窗靠近環(huán)形靶的中央開口；射頻電極包括一個線圈，線圈位于真空室的外部、靠近絕緣窗，該線圈與射頻能量源相連，感應耦合能量通過絕緣窗進入真空室，以在真空處理空間內(nèi)形成足夠密度的感應耦合等離子體，由此，使來自真空處理空間內(nèi)的環(huán)形靶的涂敷材料離子化；該裝置還包括保護屏結(jié)構(gòu)，位于絕緣窗內(nèi)側(cè)、絕緣窗與真空處理空間之間，保護屏被配置成能夠高效地將來自線圈的射頻能量耦合進入真空處理空間，并能夠在物理上保護絕緣窗避免淀積來自真空處理空間的涂敷材料。
16.一種離子化物理氣相淀積方法，步驟包括將真空處理室內(nèi)真空處理空間的真空壓強保持在高于1毫乇的水平；將涂敷材料環(huán)放置在真空處理空間一端、真空處理室的軸線上，釋放材料的粒子進入真空處理空間；電抗耦合射頻能量，使它通過涂敷材料環(huán)內(nèi)側(cè)的開口從真空處理室外側(cè)的源進入真空處理空間；利用耦合的射頻能量，在真空處理空間內(nèi)形成足夠密度的電抗耦合等離子體，使真空處理空間內(nèi)相當一部分涂敷材料離子化；利用磁桶，產(chǎn)生一個環(huán)繞真空室、靠近真空室壁面內(nèi)表面的多環(huán)形磁力線交點的磁場，由此，推斥來自等離子體的接近真空室壁面的帶電粒子，所述的磁桶通常以真空室軸線為中心，并環(huán)繞真空室軸線及真空處理空間；給位于真空處理空間內(nèi)另一端內(nèi)、與涂敷材料環(huán)相對的基片施加偏壓，在基片上產(chǎn)生一個相對于等離子體來說足夠高的負偏壓，使來自真空處理空間的涂敷材料以幾乎與基片相垂直的角度射向基片。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，釋放粒子的步驟包括將一個環(huán)形的涂敷材料濺射靶放置到與基片支撐架相對的真空處理空間的開口位置；利用靶電源給濺射靶施加電壓，在濺射表面上形成一個相對于等離子體來說足夠高的直流負偏壓，使濺射靶的濺射表面的材料朝著基片支撐架方向濺射進入真空處理室；以及在濺射靶的濺射表面的上方產(chǎn)生一個磁場，磁場圍繞著濺射靶的中央開口，將濺射的等離子體約束在非常接近于濺射靶的濺射表面的區(qū)域。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，耦合步驟包括將一個線圈放置在環(huán)形涂敷材料內(nèi)側(cè)的開口位置，并且將射頻能量感應耦合進入真空室，從而在真空處理空間內(nèi)形成等離子體；產(chǎn)生多磁力線交點磁場的步驟包括構(gòu)成一個圍繞真空處理空間的、在軸向上間隔布置的軸向取向磁鐵陣列，磁鐵的極軸為徑向取向，磁鐵采用極性交變的布置形式。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，耦合步驟包括將一個線圈放置在環(huán)形涂敷材料內(nèi)側(cè)的開口位置，并且感應耦合射頻能量進入真空室，以便在真空處理空間內(nèi)形成等離子體；以及產(chǎn)生多磁力線交點磁場的步驟包括構(gòu)成一個圍繞真空室的、在圓周上間隔布置的環(huán)形磁鐵陣列，磁鐵的極軸為徑向取向，磁鐵采用極性交變的布置形式。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，耦合步驟包括將一個線圈放置在環(huán)形涂敷材料內(nèi)側(cè)的開口位置，并且感應耦合射頻能量進入真空室，以便在真空處理空間內(nèi)形成等離子體；以及產(chǎn)生多磁力線交點磁場的步驟包括構(gòu)成一個圍繞真空處理空間的、位于真空室內(nèi)表面后面的、磁鐵間隔布置的磁鐵陣列，磁鐵的極軸為徑向取向，磁鐵采用極性交變的布置形式。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，保持真空壓強的步驟包括將真空處理空間內(nèi)的真空壓強保持為大約10毫乇-100毫乇范圍內(nèi)的一個壓強。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，保持真空壓強的步驟包括將真空處理空間內(nèi)的真空壓強保持為大約10毫乇-20毫乇范圍內(nèi)的一個壓強。
全文摘要
將導電金屬涂敷材料從磁控濺射靶(51)上濺射出來,利用帶有射頻能量的高密度等離子體使濺射出的導電金屬涂敷材料在真空處理空間內(nèi)離子化,射頻耦合能量來自線圈(65),線圈(65)位于真空室(31)外面、絕緣窗(61)后面,真空室壁面(32)上的絕緣窗(61)位于濺射靶(51)的開口(58)的中央位置。真空室的壓強為10－100毫乇。磁桶(20)由永磁鐵(23)所組成的磁鐵陣列(22)形成,在真空室壁面(32)后面,產(chǎn)生一個多磁力線交點的磁場,推斥來自等離子體、朝著真空室壁面(32)方向運動的帶電粒子,從而,增強了對等離子體的約束,提高了等離子體密度、等離子體的均勻性及涂敷材料的離子化比例。
文檔編號H01L21/203GK1341159SQ00803981
公開日2002年3月20日 申請日期2000年2月2日 優(yōu)先權(quán)日1999年2月19日
發(fā)明者米爾科·武科維奇 申請人:東京電子有限公司