一种提高偏心旋转磁控溅射系统的准直性方法

日期:2019-07-16 03:03:20

一种提高偏心旋转磁控溅射系统的准直性方法
【专利摘要】本发明公开了属于电子机械领域的一种提高偏心旋转磁控溅射系统的准直性方法,该方法为:1)在具有小面积运动磁控管的SIP溅射腔室外部贴近壁面处添加辅助磁极,并设置辅助磁极的布置方式,确定相关结构参数,使辅助磁极在SIP溅射腔室内部产生轴向磁场;2)根据磁控管的结构特征确定任一时刻辅助磁极的通电方式;3)根据磁控管的运动特性设置辅助磁极不同时刻的通电组合切换规律。本发明通过在SIP溅射腔室外添加辅助磁极,产生了与磁控管形状相匹配的轴向磁场,在不同时刻采用不同的通电组合,可对不同区域提供局部轴向磁场,提高了溅射粒子的离化率,提高了离子飞向基片的准直性,减少侧壁损失,改善对高深宽比图形的镀膜效果。
【专利说明】一种提高偏心旋转磁控溅射系统的准直性方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体制造设备设计【技术领域】,特别涉及一种提高偏心旋转磁控溅射系统的准直性方法。
【背景技术】
[0002]溅射是在目前的集成电路镀膜过程中应用最广泛的一种物理气相沉积技术。传统的直流溅射(又称阴极溅射)基本原理如下:在真空腔室中通入工作气体(如氩气),使其在电场作用下电离成等离子体,其中的粒子在自身布朗运动与外加电场共同作用下飞向靶面,将靶材原子轰击出靶面飞向基片并沉积生长成薄膜。直流溅射的显著优点是设备结构简单,但它存在“三低”缺陷:靶材利用率低、溅射速率低、溅射产额低。因此,在原有基础上引入磁场形成的磁控溅射是 目前广泛用于商业的一种溅射方法。
[0003]磁控溅射的一般方法是在靶材背面设置一组或多组具有相反磁极的磁控管,从而提高靶面附近的水平磁场强度。这样可以将电子束缚在靶面附近,延长其运动路径,增加与氩原子的碰撞几率,提高溅射速率及产额。最初的外加磁极大多采用静止永磁体,其产生的静止磁场会引导等离子体在靶面轰击出“刻蚀隧道”,即靶面上不同区域的刻蚀程度差异较大,造成材料浪费。为了提高靶材利用率,运动磁控管的概念被提出,即通过小磁控管在靶材背面的往复运动得到靶面水平磁场的时间均匀性。核工业西南物理研究院的石中兵等人提出了针对矩形靶材的单轴双向直线运动的磁控管设计,日本NEC公司的安岛成雄提出适用于圆形靶材的双轴双向直线运动磁控管设计。随后,旋转磁控管设计逐渐取代了直线运动设计。江阴瑞兴塑料玻璃制品公司的黃福民等人设计使磁控管在靶材背后偏心旋转,美国应用材料公司的Xinyu Fu提出了绕腔室中轴线旋转的不规则形状磁电管设计。为了进一步提高靶面刻蚀均匀性,更加复杂的磁控管运动轨迹受到了研究人员的关注。Intel公司的Yigal Tomer等人通过内啮合行星齿轮机构获得了磁控管的花瓣形运动轨迹,应用材料公司的Richard Hong和Chang Yu等人先后提出了小行星式磁电管和双电机磁电管设计,清华大学胡伟等人针对小行星式磁电管进行了最佳关于电机速比选取与轨迹优化设计的进一步研究。
[0004]经优化的运动磁控管磁控溅射系统能够达到70%左右的最大靶材利用率,相较于固定磁极10%~30%的靶材利用率有较大提高,其各向同性的溅射特点对平面沉积效果较理想。但随着集成电路的发展,基片上的高深宽比图形为溅射镀膜技术带来了挑战。由于溅射出的靶原子速度方向与靶面水平线间的夹角在概率上近似呈余弦关系分布,因此在为高深宽比图形镀膜时会在台阶处出现过沉积的尖角,即靶原子准直性不佳,无法顺利进入通孔并在侧壁或底部沉积成膜。
[0005]提高高深宽比图形的沉积效果有多种措施。一种方法是长投掷溅射,即增加基片与靶材之间的垂直距离,该距离至少应为基片直径的50%,距离越大改善效果越好。另一种方法是准直仪,即在基片与靶材设置具有一系列高深宽比通孔的结构,这样能够保证通过准直仪的是准直性较好的靶原子,而出射角较大(速度方向接近靶面水平线)的靶原子则会打在准直仪侧壁上,无法到达基片。这两种方法的核心思想都是损失出射角较大的一部分靶粒子,这样提高沉积准直效果的代价是溅射沉积速率会降低。
[0006]另一种提高沉积准直性的方法是采用自离子化等离子体(SIP)溅射,即在靶面附近获得高密度等离子体,并将溅射出的靶原子电离,得到带正电的靶离子与电子。获得高密度等离子体的常见方法有两种,一种是添加射频线圈增加电离效率,一种是在靶面施加高功率。应用材料有限公司在申请公布号为CN101847598A的专利就采用了 SIP溅射,在其腔室结构中,靶材背面设置了一个绕腔室中轴线做圆周运动的磁控管。该磁控管面积较小,从而将施加在靶面上的功率集中在其对应区域内,实现小面积高功率;此外,该磁控管还具有非平衡磁场,即外部磁极明显强于内部磁极。非平衡磁场由平行于靶面的水平磁场与轴向磁场组成,其中水平磁场的作用是增加等离子体密度、溅射速率,促进靶原子离子化,轴向磁场则能够将等离子体延伸到基片附近,阻止其扩散到屏蔽罩,同时引导靶离子向基片运动。围绕靶材利用率及靶材刻蚀形貌进行的研究大多以水平磁场为主要研究对象,而对于靶离子的准直性来说,轴向磁场则是主要影响因素。为此,专利CN101847598A的结构中在腔室外侧设置了一系列周向排布的辅助磁极(永磁体或通电线圈允可),但辅助磁极的设置方法会使得辅助轴向磁场集中在腔室壁面附近,对基片上方区域粒子的准直效果欠佳。WeiWang在专利号为US6352629的专利中提出了同轴磁线圈的结构设计,通过增加腔室内部轴向磁场来提高对基片上高深宽比图形的镀膜效果。
[0007]以上专利中,辅助磁极均是静止设置在腔室外的,即其产生的轴向磁场也是静止的。考虑到磁控管是不断运动的,即靶面上向外溅射靶离子的区域是随时间不断变化的,若能时刻在对应区域正下方提供局部轴向磁场,则能够进一步提高离子飞向基片的准直性,改善对高深宽比图形的镀膜效果。

【发明内容】

[0008]针对上述现有技术存在的问题,本发明提出一种提高偏心旋转磁控溅射系统的准直性方法,其特征在于,该方法为:1)在具有小面积运动磁控管的SIP溅射腔室外部贴近壁面处添加辅助磁极,并设置辅助磁极的布置方式,选取电磁基本单元形式、确定相关结构参数,使辅助磁极在SIP溅射腔室内部产生轴向磁场;2)根据磁控管的结构特征确定任一时刻辅助磁极的通电方式;3)根据磁控管的运动特性设置辅助磁极不同时刻的通电组合切换规律。
[0009]所述磁控管为圆形磁控管、椭圆形磁控管、马蹄形磁控管或三角形磁控管。
[0010]所述辅助磁极为SIP溅射腔壁外一系列周向排列的电磁基本单元。
[0011]所述电磁基本单元为完整圆环螺线管或同轴圆弧电流环。
[0012]所述电磁基本单元的个数根据SIP溅射腔室实际特性决定。
[0013] 所述辅助磁极的布置方式根据SIP溅射腔室结构设置。
[0014]发明的有益效果:本发明通过在具有小面积运动磁控管的SIP溅射腔室外部贴近壁面处添加辅助磁极,在SIP溅射腔室中部产生了与磁控管形状相匹配的轴向磁场,在不同时刻采用不同的通电组合,可对不同区域正下方提供局部轴向磁场,进一步提高了溅射粒子的离化率,提高了离子飞向基片的准直性,减少侧壁损失,改善对高深宽比图形的镀膜效果。【专利附图】

【附图说明】
[0015]图1是本发明方法的设计流程图;
[0016]图2是SIP磁控溅射系统示意图;
[0017]其中,101为小面积磁控管,102为待溅射靶材,103为设置于腔室外部的辅助磁极区域,104为基片;
[0018]图3是单匝通电圆环不同高度的轴向磁场强度随中心距的变化规律图;
[0019]图4(a)是圆周均分成4段及对应圆弧编号;
[0020]图4 (b)是圆周均分成6段及对应圆弧编号;
[0021]图4(c)是圆周均分成20段及对应圆弧编号;
[0022]图5(a)是四等分圆周-1号圆弧通电时轴向磁场分布等值线图;
[0023]图5(b)是四等分圆周-2号圆弧通电时轴向磁场分布等值线图;
[0024]图5(c)是四等分圆周-3号圆弧通电时轴向磁场分布等值线图;
[0025]图5(d)是四等分圆周-4号圆弧通电时轴向磁场分布等值线图;
[0026]图5(e)是四等分圆周_1、2号圆弧通电时轴向磁场分布等值线图;
[0027]图5(f)是四等分圆周_1、3号圆弧通电时轴向磁场分布等值线图;
[0028]图5(g)是四等分圆周_1、2、3号圆弧通电时轴向磁场分布等值线图;
[0029]图5(h)是四等分圆周-全部圆弧通电时轴向磁场分布等值线图;
[0030]图6(a)是六等分圆周_1、2号圆弧通电时轴向磁场分布等值线图;
[0031]图6(b)是六等分圆周_1、3号圆弧通电时轴向磁场分布等值线图;
[0032]图6(c)是六等分圆周_1、4号圆弧通电时轴向磁场分布等值线图;
[0033]图6(d)是六等分圆周_1、2、3号圆弧通电时轴向磁场分布等值线图;
[0034]图6(e)是六等分圆周_1、2、4号圆弧通电时轴向磁场分布等值线图;
[0035]图6(f)是六等分圆周_1、3、5号圆弧通电时轴向磁场分布等值线图;
[0036]图6(g)是六等分圆周_1、2、3、4号圆弧通电时轴向磁场分布等值线图;
[0037]图6(h)是六等分圆周_1、2、3、5号圆弧通电时轴向磁场分布等值线图;
[0038]图6(i)是六等分圆周_1、2、4、5号圆弧通电时轴向磁场分布等值线图;
[0039]图6(j)是六等分圆周_1、2、3、4、5号圆弧通电时轴向磁场分布等值线图;
[0040]图7 (a)是六等分圆周_1、2、3号圆弧通IA电流时轴向磁场分布等值线图;
[0041]图7(b)是六等分圆周-2号圆弧通IA电流,1、3号圆弧通0.5A电流时轴向磁场分布等值线图;
[0042]图7(c)是六等分圆周-2号圆弧通IA电流,1、3号圆弧通-1A电流时轴向磁场分布等值线图;
[0043]图7(d)是六等分圆周-2号圆弧通IA电流,1、3号圆弧通-0.5A电流时轴向磁场分布等值线图;
[0044]图8(a)是六等分圆周-1号圆弧通电时轴向磁场分布等值线图;、
[0045]图8(b)是八等分圆周-1号圆弧通电时轴向磁场分布等值线图;
[0046]图8(c)是二十等分圆周-1号圆弧通电时轴向磁场分布等值线图;
[0047]图9是椭圆形磁控管;[0048]图10是椭圆形磁控管辅助磁极轴向磁场分布等高线图;
[0049]图11是椭圆形磁控管辅助磁极参数η为偶数;
[0050]图12是圆形磁控管;
[0051]图13(a)是中国专利CN1914351A中提出的一种马蹄形磁控管;
[0052]图13(b)是美国专利第7686928Β2中提出的一种马蹄形磁控管;
[0053]图14是马蹄形磁控管辅助磁极轴向磁场分布等高线图;
[0054]图15是将祀面均分30段圆周并标号不意图;
[0055]图16是马蹄形磁控管通电波形图;
[0056]图17(a)是马蹄形磁控管对应编号I的圆弧通电波形;
[0057]图17 (b)是马蹄形磁控管对应编号2的圆弧通电波形;
[0058]图17 (C)是马蹄形磁控管对应编号3的圆弧通电波形;
[0059]图17 (d)是马蹄形磁控管对应编号4的圆弧通电波形;
[0060]图17 (e)是马蹄形磁控管对应编号5的圆弧通电波形;
[0061]图18是三角形磁控管;
[0062]图19是三角形磁控管辅助磁极轴向磁场分布图;
[0063]图20是三角形磁控管通电波形图。
【具体实施方式】
[0064]下面通过实施例,并结合附图,对本方法做进一步具体的说明。
[0065]如图1所示为本发明方法的设计流程图;本发明方法的过程如下:1)在具有小面积运动磁控管的SIP溅射腔室外部贴近壁面处添加辅助磁极,并设置辅助磁极的布置方式,确定相关结构参数,使辅助磁极在SIP溅射腔室内部产生轴向磁场;2)根据磁控管的结构特征确定任一时刻辅助磁极的通电方式;3)根据磁控管的运动特性设置辅助磁极不同时刻的通电组合切换规律。
[0066]以圆形平面SIP磁控溅射系统为例,其模型示意图如图2所示。图3是单匝通电圆环不同高度的轴向磁场强度随中心距的变化规律图,可以看出磁场集中于电流环附近区域,随着中心距的增大,磁场强度衰减速度快。若选用完整圆环螺线管作为辅助磁极,其产生的轴向磁场将非常贴近腔室壁面。在上述圆形平面SIP溅射腔室外部贴近壁面设置20个完整圆环螺线管,当选择其中的一个或多个螺线管通电时,产生的轴向磁场为对应位置的近似圆环柱。由此可知,以完整圆环螺线管作为基本单元的辅助磁极产生的轴向磁场在形状变化上较为单一,较难实现对不同磁控管的形状匹配。因此,下文着重分析另一种电磁基本单元一同轴圆弧电流环的磁场分布特性。
[0067]如美国专利US6352629所述,在腔室外部设置同轴电磁线圈可以在腔室内部产生轴向磁场,现将完整圆线圈平均划分成多段圆弧并对不同段圆弧编号,如图4(a)所示为将圆周均分成4段及对应圆弧编号。当把线圈均分成4段时,共有15种
【权利要求】
1.一种提高偏心旋转磁控溅射系统的准直性方法,其特征在于,该方法为:1)在具有小面积运动磁控管的SIP溅射腔室外部贴近壁面处添加辅助磁极,并设置辅助磁极的布置方式,确定相关结构参数,使辅助磁极在SIP溅射腔室内部产生轴向磁场;2)根据磁控管的结构特征确定任一时刻辅助磁极的通电方式;3)根据磁控管的运动特性设置辅助磁极不同时刻的通电组合切换规律。
2.根据权利要求1所述的一种提高偏心旋转磁控溅射系统的准直性方法,其特征在于,所述磁控管为圆形磁控管、椭圆形磁控管、马蹄形磁控管或三角形磁控管。
3.根据权利要求1所述的一种提高偏心旋转磁控溅射系统的准直性方法,其特征在于,所述辅助磁极为SIP派射腔壁外一系列周向排列的电磁基本单兀。
4.根据权利要求3所述的一种提高偏心旋转磁控溅射系统的准直性方法,其特征在于,所述电磁基本单元为完整圆环螺线管或同轴圆弧电流环。
5.根据权利要求3所述的一种提高偏心旋转磁控溅射系统的准直性方法,其特征在于,所述电磁基本单元的个数根据SIP溅射腔室实际特性决定。
6.根据权利要求1所述的一种提高偏心旋转磁控溅射系统的准直性方法,其特征在于,所述辅助磁极的布置方式·根据SIP溅射腔室结构设置。
【文档编号】C23C14/35GK103572239SQ201310575131
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年11月15日 优先权日:2013年11月15日
【发明者】王人成, 张若凡, 程嘉, 阎绍泽, 季林红 申请人:清华大学


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