CN102246271A - 用于真空物理蒸汽沉积的成形阳极和阳极护罩连接 - Google Patents

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Abstract

一种物理蒸汽沉积设备，包括具有侧壁的真空室、阴极、射频电源、基底支架、护罩和阳极。阴极位于真空室的内部，并且阴极构造为包括溅射靶体。射频电源构造向阴极施加功率。基底支架位于真空室的内部并与真空室的侧壁电绝缘。护罩位于真空室的内部并电连接至真空室的侧壁。阳极位于真空室的内部并电连接至真空室的侧壁。阳极包括环状体和从环状体向内突出的环状凸缘，并且环状凸缘定位为在靶体下面限定用于生成等离子体的体积。

Description

用于真空物理蒸汽沉积的成形阳极和阳极护罩连接
技术领域
本公开大致涉及射频(RF)溅射物理蒸汽沉积(PVD)，且更特别地涉及用于RF溅射PVD设备的成形阳极和条带。
背景技术
射频溅射PVD是用于在基底上沉积薄膜的方法。基底放置在真空室中，面向连接至RF电源的靶体。当施加RF功率时，形成等离子体。正气体离子被拉向靶面，撞击靶体，并通过动量传递移除靶原子。被移除的靶原子随后沉积在基底上以形成薄膜层。
在物理蒸汽沉积期间，重要的是控制沉积的薄膜的特性。由于等离子体朝向真空室壁展开或反向沉积，在过程或薄膜的稳定性方面会出现问题。
发明内容
通常，在一个方面中，一种物理蒸汽沉积设备，包括具有侧壁的真空室、阴极、射频电源、基底支架、护罩和阳极。阴极位于真空室的内部，并且阴极被构造为包括溅射靶体。射频电源被构造为向阴极施加功率。基底支架位于真空室的内部并与真空室的侧壁电绝缘。护罩位于真空室的内部并电连接至真空室的侧壁。阳极位于真空室的内部并电连接至真空室的侧壁。阳极包括环状体和从环状体向内突出的环状凸缘，并且环状凸缘被定位为在靶体下面限定用于生成等离子体的体积。
这些和其它实施方式可以任选地包括下述特征中的一个或多个。环状体可以包括上部和下部，并且上部可以比下部更靠近阴极。环状凸缘可以从所述下部向内突出。阳极的上部上方的间隙可以构造为防止等离子体形成。
环状凸缘的环形开口可以具有与基底支架近似相同的半径。环状凸缘可以从环状体水平地突出。环状凸缘可以从环状体向下向内突出。环状凸缘的更靠近阴极的半径可以大于环状凸缘的更远离阴极的半径。
靶体可以包括锆钛酸铅(″PZT″)。真空室可以包括真空泵、过程气体控制装置或压力测量装置中的至少一个。阴极还可以包括构造为结合至靶体的金属支撑板。阴极还可以包括磁控管组件。
通常，在另一方面中，物理蒸汽沉积设备包括具有侧壁的真空室、阴极、射频电源、基底支架、护罩、阳极、以及穿过真空室直接连接阳极和护罩的导电体。阴极位于真空室的内部，并且阴极构造为包括溅射靶体。射频电源被构造为向阴极施加功率。基底支架位于真空室的内部并与真空室的侧壁电绝缘。护罩位于真空室的内部并电连接至真空室的侧壁。阳极位于真空室的内部并电连接至真空室的侧壁。导电体构造为允许气体在阳极和护罩之间流动。
这些和其它实施方式可以任选地包括下述特征中的一个或多个。导电体可以包括连接阳极和护罩的至少一根条带。导电体可以包括网状结构。
导电体可以连接在阳极的下表面和护罩的顶部之间。导电体可以连接在阳极的顶部和护罩的外表面之间。导电体可以在至少四个点处连接至阳极和护罩。
导电体可以包括铜。靶体可以包括锆钛酸铅(″PZT″)。
真空室可以包括真空泵、过程气体控制装置或压力测量装置中的至少一个。阴极还可以包括构造为结合至靶体的金属支撑板。阴极还可以包括磁控管组件。
某些实施方案可以具有下述优点中的一个或多个。阳极可以被设计为使得对于来自等离子体放电的返回RF电流的收集和电接地都具有足够的表面积。连接阳极和护罩的导电体可以通过使护罩与接地阳极相同的电势而降低等离子体向等离子体放电区域外面的流出。增加RF护罩表面积可以通过增加总的阳极表面积与阴极表面积比而稳定沉积过程。第二护罩可以降低室壁上的靶体材料沉积量。
在附图和下文的描述中提出了本发明的一个或多个方式。根据所述描述、附图和权利要求，本发明的其它特征、方面和优点将变得明显。
附图说明
图1为包括延伸阳极的物理蒸汽沉积设备的实施方式的剖视图。
图1A为图1的延伸阳极的放大视图。
图2示出用在物理蒸汽沉积设备中的阳极的立体图。
图3为包括延伸护罩的物理蒸汽沉积设备的实施方式的剖视图。
图3A为图3的延伸护罩的放大视图。
图4为用在物理蒸汽沉积设备中的护罩的顶部的示意图。
图5图示了将自偏直流电压与用于不具有延伸阳极的物理蒸汽沉积设备的气体流量相关联的示例性曲线图。
图6图示了将自偏直流电压与用于包括延伸阳极的物理蒸汽沉积设备的气体流量相关联的示例性曲线图。
在各个附图中相同的附图标记和标号表示相同的元件。
具体实施方式
当RF物理蒸汽沉积或溅射用来在基底上形成薄膜时，等离子体密度会存在变化，或者等离子体会存在于真空室内的不希望的位置处，如在阳极和护罩之间，这会导致沉积膜特性的变化。通过改变阳极、护罩以及阳极和护罩之间的电连接的几何形状、尺寸和形状，可以控制沉积膜的特性。
参照图1，物理蒸汽沉积设备100可以包括真空室102。真空室102可以为圆筒形，并具有侧壁152、顶面154和底面156。磁控管组件118可以位于真空室102的顶部。磁控管组件118可以包括具有交替磁极的一组磁铁。磁控管组件118可以是固定的或者可以围绕垂直于真空室102的半径的轴线旋转。物理蒸汽沉积设备100还可以包括RF电源104和对应的负载匹配网络。
用于支撑一个或多个基底的卡盘或基底支架110可以容纳在真空室102内部，靠近真空室102的底面156，但从上面与底面156隔开。基底支架110可以包括基底固定机构122，如基底夹板，其被构造为固定基底116，以便在PVD过程期间可以用薄膜涂覆基底116。基底支架110可以与地电绝缘，使得它能够以功率源，如以直流电压或RF功率源120独立地偏压基底支架110。温度控制装置(未示出)可以位于基底支架110上，例如用于将基底116的温度维持在高达700℃的指定温度。
阴极组件106可以容纳在真空室102的内部并靠近真空室102的顶面154。阴极组件106可以包括可以结合至金属支撑板(未示出)的靶体126。靶体106可以为大致圆形，具有外边缘160。靶体例如可以由锆钛酸铅(″PZT″)制成。当由RF电源104施加RF功率时，阴极106可以用作用于RF电流的电极。阴极组件106可以通过绝缘环150与真空室102电绝缘。
阳极108也可以容纳在真空室102的内部。阳极108可以提供与阴极106配对的电极，以提供RF电流返回路径。在一些实施方式中，阳极108和基底支架110可以为相同的部件。然而，在其它实施方式，如图1所示，阳极108可以与基底支架110电绝缘，以便基底支架110可以浮动或者保持在与阳极108不同的电势。阳极可以接地，即，在本文中电连接(阳极不需要实际连接至地)至真空室侧壁152。
参照图1、1A和2，阳极108可以具有环状体302，并且可以由从环状体302向内突出的环状凸缘304延伸。环状凸缘304可以限定预期放电空间128(参见图1)，在PVD过程期间可以将等离子体限制在该预期放电空间128中。如图1A和2所示，环状体302可以包括上部306和下部308。上部306可以比下部308更靠近阴极106。上部306和真空室102的顶面154之间的间距148(参见图1)可以构造为防止在其间形成等离子体。
如图1A所示，阳极的上部306的顶部320可以从真空室的顶面154垂直地延伸，如，它可以为圆柱体。顶部320可以平行于并围绕靶体126的边缘160。上部306的底部322可以从顶部320的底边缘处的内表面向内例如垂直地延伸。底部322可以如水平环一样基本水平向内延伸。环322的内径可以具有与靶体126近似相同的半径。下部308可以从底部322的下表面和内边缘延伸。下部308可以从底部322垂直延伸，并且可以向圆筒一样垂直延伸。该圆筒的侧壁可以具有与靶体126近似相同的半径。虽然未示出，其它凸起可以从底部322的下表面靠近外边缘向下延伸，以便形成用于放置护罩124的上部的间隙。
环状凸缘304可以从下部308向内突出，使得凸缘的至少一部分延伸到靶体126的下面。如图1所示，凸缘304可以从环状体302向内向下延伸，使得凸缘304的靠近阴极106的半径大于凸缘304的远离阴极106的半径，即凸缘可以具有漏斗形状。可替换地，如图3所示，凸缘304可以从环状体302水平地延伸。在一些实施方式中，凸缘304从下部308的最低边缘延伸。环形开口310(参见图2)可以具有与基底支架110近似相同的半径，使得在PVD过程期间不存在基底116的实质屏蔽，即，使得基底116的整个顶面可以由薄膜覆盖。
真空室102还可以包括用于防止真空室102的侧壁被薄膜材料涂覆的RF护罩124。护罩124例如可以由非磁性不锈钢或铝制成，并且可以被接地至真空室102的侧壁152。
在一些实施方案中，护罩124包括垂直(如以圆筒形状)延伸的环状体402。水平延伸的凸缘146可以从环状体402的底边缘向内延伸。水平延伸的凸缘146可以靠近真空室102的底部，并且延伸越过凸缘304以围绕并部分地垂直覆盖阳极108的下部308。在一些实施方式中，垂直延伸的凸缘146可以延伸到阳极108的下部308和基底固定机构122之间的间隙中。凸缘146可以部分地水平覆盖基底固定机构122。
护罩124的环状凸缘146内部的环形开口406(参见图4)可以具有与基底支架近似相同的半径，以便不存在基底116的实质屏蔽。间隙132可以存在于护罩124和阳极108之间，以允许过程气体从预期放电空间128中排出。
参照图3、3A和4，在一些实施方式中，护罩可以延伸使得一组同心环状凸起404从环状凸缘146上例如向阴极106突出。环状凸起404可以平行于环状体402延伸。如图3所示，环状凸起404的高度可以沿着从真空室的中心到侧壁的半径增加。环状体402可以具有高于环状凸起404的高度的高度。
返回参照图1，物理蒸汽沉积设备102可以包括导电体130，例如条带，其直接连接阳极108和护罩124。导电体130可以是柔性的且可以构造为允许气体在阳极108和护罩124之间流动。例如，导电体130可以为网状结构或金属丝条带。导电体130例如可以由铜或铝制成。
在阳极108和护罩124之间可以存在多个连接。例如，导电体130可以在至少四个点连接至阳极108和护罩124。如图1所示，导电体130可以连接在阳极108的下表面和护罩124的顶部之间。导电体130还可以连接在阳极108的顶部和护罩124的外表面之间。
返回参照图1，物理蒸汽沉积设备100还可以包括辅助室护罩134。该室护罩例如可以由非磁性不锈钢或铝制成。该室护罩的上部可以定位在阳极108和真空室102的侧壁之间。室护罩134的下部可以定位在真空室102的侧壁和护罩124之间。室护罩134可以与护罩124和/或阳极108同心并围绕护罩124和/或阳极108。室护罩134的高度可以等于或大于护罩124的高度。室护罩134可以包括垂直环状体142和环状凸缘144，环状凸缘144从环状体142，如，从垂直环状体142的下边缘向内延伸。室护罩134的环状凸缘144可以延伸到护罩124的环状凸缘146的下面，但可以具有短于环状凸缘146的径向长度。环状凸缘144可以比基底支架122更靠近室的底部。室护罩的凸缘144的内边缘可以与基底支架122的外边缘垂直对齐。
室护罩130可以构造为使得过程气体仍然可以被泵送进出真空室102。例如，室护罩134可以足够短，从而不覆盖气体进口142或真空进口114。可替换地，室护罩134在对应于气体进口142或真空进口114的位置的位置处可以具有孔(未示出)。而且，室护罩134可被独立地拆卸，并且可以被容易地清洗，并且随着时间的过去可以被重新使用。
如图1所示，室护罩134可以用导电体136电接合至护罩124。导电体136可以具有与导电体130类似的材料和形状。因此，导电体136可以构造为允许气体在护罩124和室护罩134之间流动。同样地，导电体136可以由网状结构构成，可以为一根或多根条带，并且可以包括铜或铝。而且，导电体136可以连接在护罩124的底面和室护罩134的内表面之间。物理蒸汽沉积设备100还可以包括过程气体进口112、过程气体控制装置(未示出)、真空进口114、压力测量和控制装置(未示出)和真空泵(未示出)。
在溅射或PVD过程期间，可以通过气体进口112供给诸如氩和氧之类的气体。真空泵(未示出)可以通过真空进口114维持例如10-7或更低的基础真空和例如0.5mTorr-20mTorr的等离子体操作压力。当500W-5000W(例如2000W-4000W，或3000W)级的RF电源104施加至阴极组件106时，靶体126被负向偏压，且阳极108被正向偏移，导致等离子体在阴极104和阳极108之间的预期放电空间128中形成。磁控管组件118可以在阴极106正面处和附近产生例如50高斯-400高斯，如200高斯-300高斯的磁场。该磁场可以将电子约束成平行于靶体126正面的螺旋运动。
靶体126上的负自偏直流电压，与由磁场约束在坝体126的表面附近的电子一起引起溅射气体离子化，以产生非反应气体的正离子，便于由高能正离子对靶体126的轰击。动量传递可以使中性靶材料(如PZT分子)从靶体106脱离并沉积在基底116上，在基底116上形成薄膜。
可以由基底RF偏压电源120相对于地负向偏压基底116。这种偏压对于将额外的靶原子击出表面会是有好处的，如用于刻蚀基底表面。
由于被溅射材料沿所有方向从靶体射入真空室102中，因此除基底116的表面之外的表面都可能被涂覆。因此，例如，当靶体126为介电材料时，阳极108和护罩124表面可能变为由电绝缘材料覆盖。结果，用于将RF返回电流传递到地的电连接差，导致在阳极108、护罩124和真空室102的侧壁152的多个部分之间形成间歇的二次等离子体。这种不稳定的等离子体条件会导致靶体材料进一步沉积在不希望的表面上。
此外，当涂覆过程要求高电平的RF功率施加至阴极106或宽范围的溅射气压时，等离子体可以形成在预期放电空间128外面的区域中，导致靶体材料沉积在不希望的表面上。例如，在高RF功率下，如2000W及以上，由于等离子体密度的增加，等离子体会向真空室102延伸。作为另一个例子，在从3.0毫托-7.0毫托的压力范围内，等离子体会开始在靶体106正下面的上部空间和整个预期放电空间128之间振荡。这会导致不稳定的等离子体条件和溅射沉积模式的反向，使得来自基底116的材料沉积在靶体126，而不是来自靶体126的材料沉积在基底116上。然而，如下文所述，采用阳极凸缘和导电条带可以改善这些问题。
通过采用合适的溅射气压、至阴极的RF功率和基底上的偏压功率，可以控制等离子体的物理特性。此外，通过在真空室内部形成由阴极106、阳极108、晶片支架110上的基底晶片116的形状、尺寸和相对位置限定的空间体积，可以控制等离子体的分布。
例如，如果阳极108总表面积比阴极106总表面积大很多，则RF电流可以被更好地传导至地，且等离子体形成可以更稳定。因此，如上所述，如果延伸阳极108，则可以增加阳极表面积，以收集等离子体通过阳极108和护罩124之间的间隙132的任何潜在泄漏。增加的阳极表面积及其物理形状可以进一步用作用于等离子体放电的空间准直器，以便可以改善基底116上的沉积均匀性。
如图5所示，如果阳极不具有延伸的表面积，则靶体偏压502和基底支架偏压504在功能上可以不与3.0毫托-7.0毫托之间的气压相关联(参见区域506)。如上所述，这个压力范围可以对应于不稳定等离子体的形成。另一方面，如图6所示，如果阳极具有延伸的表面积，则靶体偏压502和基底支架偏压504每一个在功能上都与该气压相关联，且等离子体形成在整个过程中可以是稳定的。
同样，护罩124上的环状凸起404可以有效地增加与等离子体接触的阳极面积，以便充分增加总的阳极与阴极的比。
作为另一个例子，如果使护罩124与阳极108的电势相同，则护罩除了在物理上阻挡等离子体向壁散布之外，还可以用作辅助阳极。在一些实施方式中，护罩可以扩大局部电荷变化部分，特别是在最远离电连接的区域中。因此，阳极108和护罩124之间的空间可以形成电容电桥，这会导致等离子体振荡。然而，如果所述，如果将导电体130放置在阳极108和护罩124之间，则使护罩124具有与阳极108的RF电势近似相同的电势，使得在护罩和阳极之间存在很少的中断或变化。结果，可以抑制等离子体向等离子体放电区域外面的流出，从而降低靶体材料在真空室102的内表面上的沉积。
同样地，辅助室护罩134在真空室102的壁和护罩124之间的布置可以降低沉积在真空室壁上的靶体材料的量。而且，通过由导电体136将室护罩134电接合至阳极124，室护罩可以处于与阳极108和护罩124相同的电势。因此，可以降低在预期放电空间129的外面形成偏离等离子体的可能性。
应当理解，定位和方位(如，顶部、垂直)术语已经用来描述物理蒸汽沉积设备内的部件的相对定位和方位，但物理蒸汽沉积设备本身可以保持在垂直或水平方位或某种其它方位。
已经描述了本发明的特定实施方式。其它实施方式落入接下来的权利要求的保护范围之内。

Claims (27)

1.一种物理蒸汽沉积设备，包括：
真空室，所述真空室具有侧壁；
阴极，所述阴极位于真空室内部，其中所述阴极构造为包括溅射靶体；
射频电源，所述射频电源被构造为向阴极施加功率；
基底支架，所述基底支架位于真空室的内部并与真空室的侧壁电绝缘；
护罩，所述护罩位于真空室的内部并电连接至真空室的侧壁；和
阳极，所述阳极位于真空室的内部并电连接至真空室的侧壁，其中所述阳极包括：
环状体；和
从所述环状体向内突出的环状凸缘，其中所述环状凸缘被定位为在靶体下面限定用于生成等离子体的空间体积。
2.根据权利要求1所述的物理蒸汽沉积设备，其中环状体包括上部和下部，并且其中上部比下部更靠近阴极。
3.根据权利要求2所述的物理蒸汽沉积设备，其中环状凸缘从所述下部向内突出。
4.根据权利要求2所述的物理蒸汽沉积设备，其中阳极的上部上方的间隙被构造为防止等离子体形成。
5.根据权利要求1所述的物理蒸汽沉积设备，其中环状凸缘内的环形开口具有与基底支架近似相同的半径。
6.根据权利要求1所述的物理蒸汽沉积设备，其中环状凸缘从环状体水平地突出。
7.根据权利要求1所述的物理蒸汽沉积设备，其中环状凸缘从环状体向下向内突出。
8.根据权利要求1所述的物理蒸汽沉积设备，其中更靠近阴极的环状凸缘的半径大于更远离阴极的环状凸缘的半径。
9.根据权利要求1所述的物理蒸汽沉积设备，其中靶体包括锆钛酸铅(″PZT″)。
10.根据权利要求1所述的物理蒸汽沉积设备，其中真空室包括至少一个真空泵。
11.根据权利要求1所述的物理蒸汽沉积设备，还包括至少一个过程气体控制装置。
12.根据权利要求1所述的物理蒸汽沉积设备，还包括至少一个压力测量装置。
13.根据权利要求1所述的物理蒸汽沉积设备，其中阴极还包括构造为结合至靶体的金属支撑板。
14.根据权利要求1所述的物理蒸汽沉积设备，其中阴极还包括磁控管组件。
15.一种物理蒸汽沉积设备，包括：
真空室，所述真空室具有侧壁；
阴极，所述阴极位于真空室内部，其中所述阴极构造为包括溅射靶体；
射频电源，所述射频电源被构造为向阴极施加功率；
基底支架，所述基底支架位于真空室的内部并与真空室的侧壁电绝缘；
护罩，所述护罩位于真空室的内部并电连接至真空室的侧壁；和
阳极，所述阳极位于真空室的内部并电连接至真空室的侧壁；以及
导电体，所述导电体穿过真空室直接连接阳极和护罩，该导电体构造为允许气体在阳极和护罩之间流动。
16.根据权利要求15所述的物理蒸汽沉积设备，其中导电体包括连接阳极和护罩的至少一根条带。
17.根据权利要求15所述的物理蒸汽沉积设备，其中导电体包括网状结构。
18.根据权利要求15所述的物理蒸汽沉积设备，其中导电体连接在阳极的下表面和护罩的顶部之间。
19.根据权利要求15所述的物理蒸汽沉积设备，其中导电体连接在阳极的顶部和护罩的外表面之间。
20.根据权利要求15所述的物理蒸汽沉积设备，其中导电体在至少四个点连接至阳极和护罩。
21.根据权利要求15所述的物理蒸汽沉积设备，其中导电体包括铜。
22.根据权利要求15所述的物理蒸汽沉积设备，其中靶体包括锆钛酸铅(″PZT″)。
23.根据权利要求15所述的物理蒸汽沉积设备，其中真空室包括至少一个真空泵。
24.根据权利要求15所述的物理蒸汽沉积设备，还包括至少一个过程气体控制装置。
25.根据权利要求15所述的物理蒸汽沉积设备，还包括至少一个压力测量装置。
26.根据权利要求15所述的物理蒸汽沉积设备，其中阴极还包括构造为结合至靶体的金属支撑板。
27.根据权利要求15所述的物理蒸汽沉积设备，其中阴极还包括磁控管组件。
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