專利名稱：包層的中空陰極磁控管濺射靶的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陰極磁控管濺射靶的制造方法，該陰極磁控管濺射靶用于半導(dǎo)體裝置上的薄膜的物理汽相沉積。
在半導(dǎo)體工業(yè)中，一直需要更快和更小的集成電路芯片來處理日益增長的各類復(fù)雜的應(yīng)用程序。這樣，半導(dǎo)體工業(yè)正朝具有低于0.25μm特性的電路裝置大規(guī)模生產(chǎn)的邊緣發(fā)展。為了生產(chǎn)這些裝置，需要制造業(yè)在各方面有重要的變化，包括新材料和制造技術(shù)方面的變化。相對于現(xiàn)有的裝置，低于0.25μm特性的裝置隨著它們縱橫比的增加，對現(xiàn)有的物理汽相沉積(PVD)和金屬噴鍍技術(shù)提出了巨大的挑戰(zhàn)。
針對低于0.25μm特性的裝置的挑戰(zhàn)，在物理汽相沉積(PVD)技術(shù)上發(fā)展出了一種新的中空陰極磁控管(HCM)，它是用作制造半導(dǎo)體裝置的離子化PVD濺射靶源上的一種高密度等離子體裝置。這種在離子化的PVD應(yīng)用中的HCM濺射源相對傳統(tǒng)PVD技術(shù)成本低、性能好。
當(dāng)用于離子化PVD環(huán)境時，HCM技術(shù)能更有效地制造靶原料離子，它們直接以正確的角度到達通過加填被有效覆層的基片上。這種技術(shù)提供了十分有效的沉積，并相對地不受特性寬度的影響。在不使用平行光管的情況下，它也能提供優(yōu)秀的高縱橫比的底部覆蓋度。現(xiàn)有設(shè)計的HCM濺射靶是杯型的。HCM對于平面陰極來說是有吸引力的選擇對象，這是因為杯型設(shè)計能優(yōu)質(zhì)地完成對高縱橫比特性地加填。定向永磁鐵被特別設(shè)置在靶的外壁上，并在靶區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生高密度等離子體。這種HCM設(shè)計可以讓沉積的中性物質(zhì)(也就是說，中性原子)回收，直到它們被高密度等離子體離子化。這種回收效果延長了靶的壽命。其它HCM的優(yōu)點包括更長的遮蔽壽命、延長維護間隔時間和比其它濺射技術(shù)更有效地降低成本。這種沉積技術(shù)達到和超過半導(dǎo)體工業(yè)對低于0.25μm裝置的需要。特定地，HCM離子化源的技術(shù)能使高品質(zhì)Ta、TaN、Cu、Ti、TiN和其它薄膜沉積在低于0.25μm雙波紋(dual damascene)結(jié)構(gòu)上。
HCM靶通常制成單片靶，其通過澆鑄形成小胚的靶材料，然后由已知金屬成型技術(shù)，如鍛壓或深拉成型形成小胚以制成專門設(shè)計的靶。然后形成的靶用機加工制造出最終尺寸。靶的原料通常是很昂貴和笨重的。由于尺寸持續(xù)增加以適應(yīng)工業(yè)需要，單片靶變得更昂貴、更笨重和更難以處理。
進一步地，濺射靶表面的顆粒腐蝕通常發(fā)生在相對狹窄的環(huán)形區(qū)內(nèi)，叫做“環(huán)形軌跡區(qū)”。在更換前，僅僅消耗掉了環(huán)形軌跡區(qū)的全部的靶材料，靶就需更換了。對于單片HCM濺射靶，典型地僅有25％或更低的在環(huán)形軌跡區(qū)內(nèi)有用的靶材料脫落并因此而實際上被濺射。大量剩余的昂貴、有用的靶材料被浪費或必須被回收。
這樣就需要開發(fā)一種方法，用于制造不昂貴、輕便的HCM靶以適應(yīng)對于靶尺寸增長而產(chǎn)生的持續(xù)的需要，還需要開發(fā)一種使濺射靶材料利用率更高的制造靶的方法。
本發(fā)明提供一種包層的HCM濺射靶，該濺射靶將輕便和/或不昂貴、低純度包層材料片附著在濺射靶材料板上，該濺射靶材料最好具有精細、均勻的微觀結(jié)構(gòu)。這種包層HCM濺射靶比單片HCM濺射靶更輕和/或造價較低，并且其濺射靶材料利用率更高。就此而言，根據(jù)本發(fā)明的原理，將濺射靶材料成型為板狀，例如用壓制和/或輥壓，或最好用熱處理的方法以形成精細的、均勻的微觀結(jié)構(gòu)。然后在該靶材料板上附著一層輕便的和/或不昂貴的包層材料片，例如通過擴散粘接、爆炸焊接、摩擦熔接、環(huán)氧樹脂粘接、軟釬焊或硬釬焊，以形成具有比相同尺寸單片濺射靶更輕重量和/或更低成本的包層靶組件。最好是用靶材料的微觀結(jié)構(gòu)基本上不改變的方法，如爆炸焊接方法來連接。
然后將該包層靶組件成型為HCM濺射靶，例如可以通過深拉成型、鍛壓、液壓成型、爆炸成型、沖壓、軋制、拉伸成形或電磁成型等方法成型。HCM濺射靶最好通過深拉成型，這樣就不會明顯改變靶材料的微觀結(jié)構(gòu)。用于形成本發(fā)明中包層HCM濺射靶的濺射靶材料的總量比單片組件低，然而濺射靶材料在環(huán)形軌跡區(qū)內(nèi)的濺射量是相同的。
然后將相對便宜、商品級材料的凸緣部分附著在HCM濺射靶上，其裝配方法可以是機械連接、電子束焊接、硬釬焊或環(huán)氧樹脂粘接方法。
于是，提供了這樣的HCM濺射靶組件，其能滿足增長的靶尺寸的需要而不受昂貴或笨重的制約。本發(fā)明進一步提供了一種能增加濺射靶材料的利用百分率的HCM濺射靶組件。
通過附圖以及對其所作的描述，本發(fā)明的這些和其它目的和優(yōu)點將更清楚。
附圖作為說明書的一部分，此處對其所作說明以及發(fā)明的實施例、上述對發(fā)明的一般描述和下面將給出的詳細描述，都是對本發(fā)明原理的解釋。


圖1是描述本發(fā)明連接步驟的透視圖圖2是本發(fā)明的包層靶組件的透視圖；圖3是本發(fā)明的包層中空陰極磁控管濺射靶的剖視圖。
一種包層的HCM濺射靶組件，最好具有精細、均勻的顆粒，其制造方法包括，將濺射靶材料板與輕質(zhì)和/或不昂貴包層材料連接在一起，并將包層組件成型為HCM組件。其中濺射靶上的精細、均勻的微觀結(jié)構(gòu)是在連接包層材料之前獲得的，將濺射靶材料連接在包層材料上并將包層組件成型為濺射靶組件的步驟最好通過基本上不改變?yōu)R射靶材料微觀結(jié)構(gòu)的方法來完成。另外，在連接之前精細、均勻的微觀結(jié)構(gòu)也可以不存在，而鐵通過連接方法本身可以改變微觀結(jié)構(gòu)，或可選擇將已形成的HCM濺射靶組件通過再結(jié)晶熱處理來獲取所需微觀結(jié)構(gòu)。
就此而言，根據(jù)本發(fā)明的原理，首先將濺射靶材料制成板狀，采用如壓制和/或輥壓或任何其它的合適、眾所周知的金屬加工操作，期間可以進行或不進行熱處理步驟。根據(jù)所使用的特定靶材料，壓制和/或輥壓可以在室溫或更高的溫度下進行。一般用于制造200毫米直徑半導(dǎo)體圓片的板的尺寸是635×635×7.62mm(25×25×3英寸)。用于300毫米直徑半導(dǎo)體圓片的板的尺寸將會達到更大。
沉積在半導(dǎo)體圓片上的濺射靶材料是金屬、金屬氧化物、金屬硅化物或合金，材料純度越高越好，純度最好為99％至99.99999％。這些材料包括如鉭、鉭、鎢、銅、鎳、鉻、鋁、鈷、鉬、銀、金、鉑、釕、銠、鈀、鐵、鉍、鍺、鈮和釩的純金屬、合金、硅化物和氧化物。優(yōu)選鉭、鈦、鎢、鎳、鉻、鈷、鉬和鉑的硅化物。例如板可以是由鉭、鈦、鎢、銅或鋁制成，用于沉積Ta、TaN、Ti、TiN、W、AlCu和Cu薄膜。這些濺射靶可以應(yīng)用在，例如，將Ti/TiN襯底/隔離層沉積在鎢針接頭和鋁制墊板上，也可以用于銅連接的進一步TaN/Cu隔離/晶粒處理上。
參照圖1和2，將濺射靶材料板10與包層材料片12連接來形成包層靶組件14。包層材料優(yōu)選輕質(zhì)材料如銅、鋁或鈦，和/或比用于濺射靶的材料更廉價的材料，例如具有較低純度的商品級物質(zhì)。包層材料優(yōu)選具有優(yōu)異熱傳導(dǎo)性的物質(zhì)，以使濺射靶表面16上產(chǎn)生的熱能很快散掉。包層材料最好還具有柔韌性，使被連接的材料能形成HCM濺射靶典型的杯型結(jié)構(gòu)。最優(yōu)的結(jié)果是包層材料片12應(yīng)與濺射靶材料板10具有相似的尺寸。
任何已知的連接技術(shù)都可以用于連接濺射靶材料板10與包層材料片12。這些技術(shù)包括擴散粘接、爆炸焊接、摩擦熔接、環(huán)氧樹脂粘接、軟釬焊和硬釬焊。
本發(fā)明的一個具體實施例中，濺射靶材料板在連接前進行熱處理以形成一種精細、均勻的微觀結(jié)構(gòu)。眾所周知精細、均勻的顆粒提高了靶的性能和改良了薄膜的均勻性。在這個實施例中，連接步驟最好不會明顯改變微觀結(jié)構(gòu)。在爆炸焊接中，沒有足夠的時間將從炸藥的爆炸中產(chǎn)生的熱量擴散到整個濺射靶材料上，這樣就不會在靶材料中產(chǎn)生可感知的溫度增加來導(dǎo)致晶粒的生長。這樣，采用爆炸焊接技術(shù)來將濺射靶材料板10與包層材料片12連接在一起，不會明顯改變先前熱處理過的濺射靶材料的微觀結(jié)構(gòu)。在摩擦熔接中，濺射靶材料板10被壓在包層片12上并在高壓下旋轉(zhuǎn)，在交界面18上產(chǎn)生熱，并用摩擦來將材料熔化在一起。盡管在包層靶組件14的交界面18的區(qū)域里微觀結(jié)構(gòu)會有一些改變，這種在微觀結(jié)構(gòu)上的改變通常不會滲透濺射靶材料的整個厚度。這樣，在連接之前要使濺射靶材料達到精細、均勻的顆粒結(jié)構(gòu)，將濺射靶材料板10連接到包層片12上優(yōu)選的方法是爆炸焊接和摩擦熔接。
本發(fā)明的另一個實施例中，在連接包層材料之前濺射靶材料板不進行熱處理。而是在連接過程中獲得精細、均勻的微觀結(jié)構(gòu)。例如，在擴散粘接中就使用到了高溫來改變被連接材料的微觀結(jié)構(gòu)。在將靶材料與包層材料連接起來的同時，設(shè)計溫度和連接加工的持續(xù)時間就可以改變?yōu)R射靶材料以達到精細、均勻的顆粒的效果。
然后，參照圖3，包層靶組件14通過適當(dāng)?shù)慕饘偌庸げ僮餍纬山咏罱K形狀的HCM濺射靶20。接近最終形狀的意思是濺射靶20僅需最小的最終機加工就能達到所需的最終尺寸的接近最終形狀。適當(dāng)?shù)慕饘偌庸げ僮靼ㄉ罾尚?、鍛壓、液壓成型、爆炸成型、沖壓、軋制、拉伸成形或電磁成型。通過在連接之前對濺射靶材料的熱處理或連接加工本身在濺射靶材料中獲得精細、均勻的微觀結(jié)構(gòu)，深拉成型是優(yōu)選的形成方法，因為采用這種方法沒有明顯的濺射靶材料微觀結(jié)構(gòu)的改變發(fā)生。深拉成型操作可以在室溫下進行以進一步確保微觀結(jié)構(gòu)不發(fā)生改變，或如果材料的類型需要的話可以在較高的溫度下進行。
仍參照圖3，HCM靶20典型地提供了凸緣22以使濺射靶20掛接在濺射機(未示出)上。已知的或?qū)戆l(fā)展的凸緣22的結(jié)構(gòu)可以通過任何容許的方式掛接在接近最終形狀的HCM濺射靶20上，包括電子束焊接、硬釬焊、環(huán)氧樹脂粘接或機械連接。凸緣22可以被永久性地或可松開地與HCM濺射靶掛接。凸緣22優(yōu)選商品級材料，該種材料應(yīng)具有足夠結(jié)構(gòu)完整性來固定在濺射機內(nèi)，如商品級銅和鈦。
然后將本發(fā)明的HCM濺射靶20機加工至最終尺寸以用于在半導(dǎo)體圓片上薄膜的物理汽相沉積。
還有在本發(fā)明的另一個實施例中，如果在連接之前的熱處理或連接加工過程中不能在濺射靶材料中獲得精細、均勻的微觀結(jié)構(gòu)，可以通過對HCM濺射靶進行再結(jié)晶熱處理來使微觀結(jié)構(gòu)細化。這可以發(fā)生在掛接凸緣之前、最終機械加工之前或最終機械加工之后。根據(jù)此處描述的任何實施例的理論，本發(fā)明的包層HCM濺射靶可以制成在濺射靶材料中具有精細、均勻顆粒的微觀結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的濺射靶的整個尺寸與以往的單片組件保持相同，但是本發(fā)明濺射靶材料的百分利用率增加了。僅僅為了舉例，而不是試圖來表示出精確的商業(yè)價值，期望尺寸的單片組件含有20磅(9.07公斤)的濺射靶材料，只有在環(huán)形軌跡區(qū)濺射的5磅(2.27公斤)的濺射靶材料是可利用的。這樣，濺射靶材料的百分利用率只有25％。本發(fā)明的包層靶組件具有同樣期望的尺寸，僅有10磅(4.54公斤)濺射靶材料被用于板上，其連接在7磅(3.18公斤)包層材料的片上，同樣環(huán)形軌跡區(qū)濺射的5磅(2.27公斤)的濺射靶材料是可利用的。這樣，本發(fā)明中濺射靶材料的百分利用率增加了50％。
根據(jù)本發(fā)明的原理，HCM濺射靶包含一種材料，該濺射材料被連接到輕質(zhì)和/或不昂貴的包層材料，整個組件能以比單片靶組件較少的成本和低重量滿足大靶尺寸的需要，而且提供了增加的靶材料百分利用率。
本發(fā)明已由其實施例描述，并且實施例的重要細節(jié)已被描述，因此并不會以如此詳細的方式來約束或以任何方式限制附加的權(quán)利要求的范圍。例如，本發(fā)明的原理可以用于任何期望材料的濺射靶，不僅僅是那些在此特定列出的。因此本發(fā)明在更廣的范圍內(nèi)是不限定在特定的細節(jié)、描寫的儀器、方法、例證和描述之中的。因此，在不背離申請人的總體發(fā)明構(gòu)思的范圍和精神的前提下，可以對這些細節(jié)進行擴展。
權(quán)利要求
1.一種制造HCM濺射靶的方法，包括如下步驟將濺射靶材料板連接在包層材料片上以形成包層靶組件；將包層靶組件通過金屬加工技術(shù)成型為中空陰極磁控管濺射靶。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該濺射靶材料選自鉭、鈦、鎢、銅、鎳、鉻、鋁、鈷、鉬、銀、金、鉑、釕、銠、鈀、鐵、鉍、鍺、鈮和釩，以及它們的氧化物、合金或硅化物；其中連接步驟使用選自擴散粘接、爆炸焊接、摩擦熔接、環(huán)氧樹脂粘接、軟釬焊和硬釬焊的加工方法；其中成型步驟選自深拉成型、鍛壓、液壓成型、爆炸成型、沖壓、軋制、拉伸成形和電磁成型的加工方法；并且還進一步包括將濺射靶材料加工成板的步驟，該步驟使用選自按壓、熱壓、冷軋、熱軋以及上述步驟的組合的加工方法。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進一步包括在連接之前對濺射靶材料板進行熱處理以形成精細、均勻的微觀結(jié)構(gòu)的步驟。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，連接步驟將濺射靶材料的微觀結(jié)構(gòu)變得精細、均勻的細粒結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進一步包括將一個凸緣安裝在中空陰極磁控管濺射靶上的步驟。
6.一種制造HCM濺射靶的方法，包括如下步驟熱處理濺射靶材料板以形成精細、均勻的微觀結(jié)構(gòu)；將該板連接在包層材料片上以形成包層靶組件，此連接步驟不會明顯改變從熱處理步驟中獲得的濺射靶材料的微觀結(jié)構(gòu)；通過金屬加工方法將包層靶組件成型為中空陰極磁控管濺射靶；將一個凸緣安裝在中空陰極磁控管濺射靶上。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，該濺射靶材料選自鉭、鈦、鎢、銅、鎳、鉻、鋁、鈷、鉬、銀、金、鉑、釕、銠、鈀、鐵、鉍、鍺、鈮和釩，以及它們的氧化物、合金或硅化物；其中成型步驟使用選自深拉成型、鍛壓、液壓成型、爆炸成型、沖壓、軋制、拉伸成形和電磁成型的加工方法；并且還進一步包括將濺射靶材料加工成板的步驟，該步驟使用選自按壓、熱壓、冷軋、熱軋以及上述步驟的組合的加工方法。
8.一種制造HCM濺射靶的方法，包括如下步驟熱處理濺射靶材料板以形成精細、均勻的微觀結(jié)構(gòu)；通過爆炸焊接將板連接在包層材料片上以形成包層靶組件，此連接步驟不明顯改變從熱處理步驟中獲得的濺射靶材料的微觀結(jié)構(gòu)；通過深拉成型將包層靶組件成型在中空陰極磁控管濺射靶上，由此濺射靶材料的微觀結(jié)構(gòu)基本保持不變。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，濺射靶材料選自鉭、鈦、鎢、銅、鎳、鉻、鋁、鈷、鉬、銀、金、鉑、釕、銠、鈀、鐵、鉍、鍺、鈮和釩，以及它們的氧化物、合金或硅化物；并且還進一步包括將濺射靶材料加工成板的步驟，該步驟使用選自按壓、熱壓、冷軋、熱軋以及上述步驟的組合的加工方法。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，進一步包括將一個凸緣掛接在中空陰極磁控管濺射靶上的步驟。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種比單片靶更輕和/或更廉價的中空陰極磁控管濺射靶的制造方法。先將濺射靶材料板連接在比濺射靶材料更輕和/或更廉價的包層材料片上。然后將這種包層靶組件成型為中空陰極磁控管濺射靶,例如通過深拉成型。這種包層中空陰極磁控管進一步提供了比單片靶更大的濺射靶材料的百分利用率。
文檔編號B23K20/08GK1308146SQ0010985
公開日2001年8月15日 申請日期2000年7月10日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月3日
發(fā)明者沙伊勒施·庫爾卡尼, 托尼·西卡, 雷蒙德·K·F·拉姆 申請人:普拉克斯埃阿St技術(shù)公司