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      DC磁控濺射設(shè)備和方法與流程

      文檔序號:12858420閱讀:381來源:國知局
      DC磁控濺射設(shè)備和方法與流程
      本發(fā)明涉及一種用于在基底上沉積膜的dc磁控濺射設(shè)備。本發(fā)明還涉及在基底上沉積膜的相關(guān)方法。
      背景技術(shù)
      :現(xiàn)今,許多mems(微機(jī)電系統(tǒng))裝置利用壓電材料,諸如氮化鋁(aln)以及二元金屬氮化物,諸如氮化鋁鈧(alscn)作為裝置控制中的組件。在許多裝置中,沉積的壓電薄膜的應(yīng)力裝置對裝置的性質(zhì)和有效性具有直接的影響。諸如膜狀物和懸臂(cantilever)的裝置是所沉積的壓電薄膜的應(yīng)力狀態(tài)極其重要的裝置的實(shí)例。一些裝置適用于具有適度壓縮應(yīng)力的膜,而其它裝置適用于具有適度拉伸應(yīng)力的膜。許多裝置僅要求存在小的應(yīng)力變化,而無關(guān)該應(yīng)力的性質(zhì)是壓縮性還是拉伸性。高度(002)取向的氮化鋁晶粒對于許多mems裝置的恰當(dāng)功能是關(guān)鍵的。為了實(shí)現(xiàn)良好的晶粒結(jié)構(gòu)(texture),重要的是利用高真空沉積環(huán)境和高晶片溫度。高的靶功率(對于200mm的晶片,大于5kw)導(dǎo)致由于氮化鋁冷凝的放熱焓而產(chǎn)生升高的溫度。理想地,沉積膜的應(yīng)力狀態(tài)在整個晶片是完全均勻的,值接近于零。這將產(chǎn)生適用于高產(chǎn)率裝置制造的均勻的裝置性能。然而,該理想狀態(tài)由于多種因素(諸如膜厚、粒子轟擊和溫度)的變化而未實(shí)現(xiàn)。通常來說,400℃或更高的相對高的晶片溫度對于形成具有良好結(jié)構(gòu)的氮化鋁晶體是必要的,但是該高溫導(dǎo)致形成處于拉伸狀態(tài)的膜。本質(zhì)上純的熱引起的氮化鋁沉積在所沉積的膜上具有相對均勻的應(yīng)力分布。然而,該膜被沉積成高度拉伸應(yīng)力狀態(tài)。該均勻性歸因于沉積期間的高度均勻的晶片溫度,其進(jìn)而由于沉積期間在晶片表面上等離子體物質(zhì)的溫和且均勻的冷凝而實(shí)現(xiàn)。然而,隨著晶片冷卻和松弛而由于收縮所引起的膜的裂縫是一個重大的問題。由于膜的裂縫而導(dǎo)致晶片的中心處應(yīng)力的崩塌。圖1示出了作為晶片上的徑向位置的函數(shù)的熱沉積的氮化鋁膜的應(yīng)力值。可以看出,膜的整個應(yīng)力狀態(tài)是高度拉伸的。還可以看出,在膜上,應(yīng)力值具有約100mpa的變化。如果利用rf功率(施加至晶片以產(chǎn)生dc偏壓)通過dc磁控濺射來沉積氮化鋁膜,則在所沉積的膜上觀察到不同的應(yīng)力特性。圖2示出了對于dc磁控濺射沉積(施加rf功率以產(chǎn)生dc偏壓)的氮化鋁膜,作為徑向位置的函數(shù)的應(yīng)力??梢钥闯觯c圖1相比,平均應(yīng)力值顯著降低。在圖2示出的應(yīng)力分布圖中,平均應(yīng)力為約50mpa且最大應(yīng)力值為約250mpa。圖2中的應(yīng)力分布圖的均勻性顯著低于圖1中的應(yīng)力分布圖的均勻性,其中,圖2中觀察到約500mpa的變化。因此,晶片上的應(yīng)力的變化為膜的平均應(yīng)力的約10倍??梢匀菀椎亟忉屵@些結(jié)果。該施加的rf功率產(chǎn)生dc偏壓并且在晶片表面上產(chǎn)生相關(guān)的電場。這就增加了從等離子體到晶片表面的離子轟擊。該離子轟擊使所沉積的膜壓實(shí)以產(chǎn)生更加壓縮的應(yīng)力狀態(tài)。具有較低拉伸應(yīng)力的氮化鋁膜可適用于用在許多mems裝置中。對于許多應(yīng)用,范圍在-50mpa至+50mpa的應(yīng)力值是可取的,但是膜上的高度的應(yīng)力不均勻性是不可取的。應(yīng)力的不均勻性歸因于濺射系統(tǒng)中磁控管的經(jīng)典設(shè)計(jì),其配置用于在晶片上實(shí)現(xiàn)均勻的沉積厚度。這就導(dǎo)致了靶材在靶材邊緣處比在靶材中心處侵蝕更多。進(jìn)而導(dǎo)致與靶材中心相關(guān)的“次要”侵蝕區(qū)域,以及與靶材的邊緣相關(guān)的“主要”侵蝕區(qū)域。盡管該配置對于保持均勻的膜厚是理想的,但是本發(fā)明人已經(jīng)意識到當(dāng)利用施加的rf功率來控制平均應(yīng)力時,存在問題。與中心處相比,靶材邊緣處的主要侵蝕區(qū)域的位置導(dǎo)致在靶材邊緣處產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)更大程度的電離。與中心處相比,晶片表面的電場則在邊緣產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)更大量的離子轟擊,并且從而產(chǎn)生中心更拉伸且邊緣更壓縮的膜。對于給定的靶材尺寸,晶片尺寸的增加將由于主要侵蝕區(qū)的大的影響而導(dǎo)致晶片的中心處和晶片邊緣處的應(yīng)力之間的較大差異。非常希望提供一種沉積氮化鋁膜的方式,該氮化鋁膜在性質(zhì)上不具有強(qiáng)拉伸性,但是與利用dc偏壓的磁控濺射的現(xiàn)有技術(shù)方法(例如,用于產(chǎn)生圖2所示結(jié)果的方法)相比,在晶片上具有降低的應(yīng)力變化。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:本發(fā)明,至少在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中解決了這些問題和需要。盡管本發(fā)明尤其適用于沉積氮化鋁膜,但是也可適用于沉積其它材料。根據(jù)本發(fā)明的第一方面,提供了用于在基底上沉積膜的dc磁控濺射設(shè)備,所述dc磁控濺射設(shè)備包括:腔室;放置在所述腔室內(nèi)的基底支撐件;dc磁控管;以及用于提供電偏壓信號的電信號供應(yīng)裝置,在使用中所述電偏壓信號致使離子轟擊放置在所述基底支撐件上的基底;其中,所述基底支撐件包括被邊緣區(qū)域環(huán)繞的中心區(qū)域,所述中心區(qū)域相對于所述邊緣區(qū)域是凸起的。在使用期間,可將平整的基底放置在基底支撐件的中心區(qū)域上,從而該基底的一部分覆蓋邊緣區(qū)域。隨后,使基底的覆蓋邊緣區(qū)域的部分與邊緣區(qū)域間隔開。令人驚奇的是,已經(jīng)發(fā)現(xiàn),這種布置能夠在沉積膜上提供顯著改善的應(yīng)力均勻性。另一優(yōu)點(diǎn)是沉積膜的平均應(yīng)力可以相對較低。這使得沉積膜適合于許多有用的應(yīng)用,例如在mems中?;字渭砂◤乃鲞吘墔^(qū)域通向所述中心區(qū)域的臺階。臺階可具有0.1mm至1.0mm范圍內(nèi)的高度。優(yōu)選地,臺階具有在0.2mm至0.5mm范圍內(nèi)的高度。中心區(qū)域可限定基本上平整(planar)的高臺(plateau)區(qū)域。電信號供應(yīng)裝置可供應(yīng)rf偏壓信號。電偏壓信號可導(dǎo)致dc偏壓的產(chǎn)生,該dc偏壓將導(dǎo)致離子轟擊基底。通常,電偏壓信號被施加至基底支撐件。dc磁控管可為脈沖式dc磁控管。可替代地,dc磁控管可為非脈沖式dc磁控管。通常,dc磁控管包括靶材。該靶材由合適的材料制成,作為成膜工藝的一部分,可從靶材濺射出該合適的材料。dc磁控管可為平衡式磁控管或非平衡式磁控管。該設(shè)備可包括旋轉(zhuǎn)裝置,用于在膜沉積期間使所述基底旋轉(zhuǎn)。該旋轉(zhuǎn)裝置可形成該基底支撐件的一部分。該旋轉(zhuǎn)裝置可為位于基底支撐件中的盤狀物(puck)?;字渭蔀槠脚_??梢远喾N方式常規(guī)地制造包括中心區(qū)域和邊緣區(qū)域的本發(fā)明的基底支撐件??墒褂醚心スに噥碇圃旎字渭.?dāng)基底支撐件在邊緣區(qū)域和中心區(qū)域之間包括臺階時,這是非常便利的。根據(jù)本發(fā)明的第二方面,提供了一種用于在基底上沉積膜的方法,所述方法包括以下步驟:將所述基底放置在腔室內(nèi)的基底支撐件上;以及利用dc磁控濺射工藝在所述基底上沉積所述膜,在所述dc磁控濺射工藝中,電偏壓信號致使離子轟擊所述基底;其中,所述基底支撐件包括被邊緣區(qū)域環(huán)繞的中心區(qū)域,所述中心區(qū)域相對于所述邊緣區(qū)域是凸起的,以及所述基底被放置在所述中心區(qū)域,從而所述基底的一部分覆蓋所述邊緣區(qū)域并且與所述邊緣區(qū)域間隔開。該膜可為金屬氮化物膜。該膜可為氮化鋁膜。該膜可為(002)取向的氮化鋁膜。該膜可為二元金屬氮化物膜,諸如alscn膜。然而,原則上,該膜可為可通過dc磁控濺射沉積的任意膜。本發(fā)明尤其適用于沉積這樣的膜:公差嚴(yán)格且需要嚴(yán)格控制應(yīng)力均勻性。膜可通過反應(yīng)性濺射來沉積。所述電偏壓信號可產(chǎn)生dc偏壓。所述電偏壓信號可為rf偏壓信號。通常,基底延伸超過邊緣區(qū)域。通常,基底支撐件具有相關(guān)的直徑,并且基底具有相關(guān)的直徑。在這些實(shí)施方式中,基底的直徑通常大于基底支撐件的直徑。基底可在膜的沉積期間旋轉(zhuǎn)。據(jù)發(fā)現(xiàn),這可在膜上進(jìn)一步改善膜應(yīng)力的均勻性。該膜可為薄膜。在沉積已經(jīng)完成后,該膜可具有100微米或更小的厚度。然而,本發(fā)明也可用于沉積任意所需厚度的膜。dc磁控濺射工藝可在范圍在1至20mt的腔室壓力下進(jìn)行。在dc磁控濺射工藝期間,基底支撐件可處于范圍在100℃至400℃的溫度下。電偏壓信號可具有范圍在-20v至50v的電壓。通常,該基底為平的基底,諸如晶片。該基底可為半導(dǎo)體基底,諸如,半導(dǎo)體晶片。該基底可為硅基底。盡管如上描述了本發(fā)明,但是本發(fā)明擴(kuò)展至上文或下文、附圖或權(quán)利要求所述的特征的任意創(chuàng)造性組合。例如,結(jié)合本發(fā)明的第二方面,還公開了與本發(fā)明的第一方面相關(guān)的任意特征,反之亦然。附圖說明現(xiàn)將參照所附附圖來描述根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備和方法的實(shí)施方式,其中:圖1示出了對于熱磁控沉積工藝,作為晶片徑向位置的函數(shù)的aln膜應(yīng)力;圖2示出了對于磁控沉積工藝,作為晶片徑向位置的函數(shù)的aln膜應(yīng)力,在磁控沉積工藝中,rf功率被施加至晶片;圖3示出了本發(fā)明的裝置;圖4為本發(fā)明的基底支撐件的側(cè)視圖;圖5示出了利用兩個臺階式基底支撐件得到的作為晶片徑向位置的函數(shù)的aln膜應(yīng)力;圖6示出了作為晶片徑向位置的函數(shù)的不對稱aln膜應(yīng)力分布圖;圖7為具有基底旋轉(zhuǎn)裝置的臺階式基底支撐件的剖視立體圖;以及圖8示出了對于在沉積期間旋轉(zhuǎn)的晶片,作為晶片位置的函數(shù)的ain膜應(yīng)力。具體實(shí)施方式圖3示出了本發(fā)明的設(shè)備(總體標(biāo)記為30)。該設(shè)備30包括腔室32,該腔室32容納有dc磁控裝置34;靶材36;通過磁控裝置34從該靶材36濺射出材料;以及基底支撐件38,該基底支撐件38支撐在其上沉積所需材料的基底(未示出)。在圖3所示的實(shí)施方式中,腔室是圓柱形的,然而原則上也可利用其它腔室形狀。為了簡化說明,圖3中未示出磁控濺射裝置的其它常見部分,諸如氣體入口和出口。dc磁控裝置34包括靶材背板34a,其用作腔室32的蓋。使靶材36結(jié)合至靶材背板34a。將可旋轉(zhuǎn)的磁體34b放置為靠近且與靶材背板34a和靶材36的面相反。從dc功率供應(yīng)源40將脈沖式dc功率施加至靶材36。將rf功率從rf功率供應(yīng)源42施加至基底支撐件38以將dc電偏壓提供至基底支撐件。通常,盡管本發(fā)明在該方面不受限制,但是根據(jù)常規(guī),在13.56mhz下驅(qū)動基底支撐件38。利用控制器44來控制功率供應(yīng)源40、42的操作??刂破?4可為具有合適圖形用戶界面的計(jì)算機(jī)。在使用中,將晶片放置在基底支撐件38上,驅(qū)動該基底支撐件以產(chǎn)生負(fù)dc偏壓。將合適的氣體混合物引入到腔室中,并且將脈沖式負(fù)的高dc電壓施加至靶材背板34a/靶材36,其中,靶材背板34a/靶材36從而用作陰極。這就產(chǎn)生了高密度的等離子體。晶片位于陰極的主侵蝕路線(track)內(nèi),其中該主侵蝕路線由磁體34b的旋轉(zhuǎn)路徑?jīng)Q定。不希望受任何特定的理論或猜想的限制,據(jù)認(rèn)為,靶材的邊緣處的電離程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中心處的電離程度,晶片上的dc偏壓在晶片的邊緣處所產(chǎn)生的離子轟擊多于晶片的中心處所產(chǎn)生的離子轟擊。這被認(rèn)為在晶片上通常產(chǎn)生高度的應(yīng)力不均勻性。圖4更詳細(xì)地示出了基底支撐件38??梢钥闯?,基底支撐件是臺階式平臺的形式,具有邊緣區(qū)域38a,該邊緣區(qū)域38a經(jīng)由臺階38c與凸出的中心區(qū)域38b相連。邊緣區(qū)域38a和中央?yún)^(qū)域38b被支撐在支撐結(jié)構(gòu)38d上。如本領(lǐng)域所熟知的,支撐結(jié)構(gòu)38d能夠使平臺升高和降低。圖4還示出了放置在基底支撐件38上的平的基底晶片46。如圖4所示,平的基底晶片46與中心區(qū)域38b平齊,因此相對于邊緣部分38a是凸出的。定制基底晶片46的尺寸使得伸出邊緣區(qū)域38a并與其間隔開。不希望受任何特定的理論或猜想的限制,據(jù)認(rèn)為,基底支撐件38的臺階式輪廓具有兩個效果。首先,rf耦合在晶片基底的邊緣處降低,從而離子轟擊相對于晶片的中心降低。這使得沉積膜的邊緣輪廓更具拉伸性。由于晶片的中心也是拉伸的,因此晶片上的應(yīng)力的變化減小。其次,在晶片基底的邊緣處,基底支撐件和晶片基底之間沒有直接的接觸,這被認(rèn)為能夠減少基底支撐件對晶片的接觸冷卻。晶片基底在整個沉積過程因離子轟擊而被加熱。由于晶片的中心與基底支撐件的中心區(qū)域38b熱接觸,所以晶片的中心區(qū)域被基底支撐件冷卻。晶片基底的邊緣不會受到直接接觸冷卻,因此經(jīng)受較高的溫度。這使得襯底的邊緣更具拉伸性,從而再次起到減小晶片上應(yīng)力的總體變化的作用。應(yīng)當(dāng)知曉的是,常規(guī)現(xiàn)有技術(shù)的基底支撐件是平的,其中晶片與基底支撐件在其整個區(qū)域內(nèi)接觸。表1提供了常規(guī)現(xiàn)有技術(shù)的平的平臺以及本發(fā)明兩個實(shí)施方式中的平臺(表示為標(biāo)記1和標(biāo)記2)的尺寸。在表1中,x對應(yīng)于臺階的高度,y對應(yīng)于中心區(qū)域的直徑,z對應(yīng)于邊緣區(qū)域的直徑。這些尺寸適用于支撐直徑為200mm的晶片。通常,臺階的高度小于1.0mm,但是應(yīng)當(dāng)知曉的是,基底支撐件的臺階高度和其它尺寸可以適當(dāng)?shù)刈兓?,以便對于所需的基底尺寸產(chǎn)生加熱和rf條件的最佳組合,并且使得所沉積的膜具有所需的平均應(yīng)力特性,同時保持晶片下方的“暗空間”,即沒有等離子體。使用標(biāo)記1和標(biāo)記2基底支撐體,進(jìn)行在晶片上沉積aln膜的實(shí)驗(yàn)。相關(guān)的工藝條件如下表2所示。表1.用于200mm晶片的標(biāo)準(zhǔn)型和2個臺階型的平臺尺寸。工藝步驟參數(shù)范圍脈沖式dc功率(kw)1~10脈沖頻率(khz)&持續(xù)時間(μsec)5~100,1~10腔室壓力(mt)1~12氣體流量(sccm)5~40ar/5~80n2平臺溫度(℃)100~400基底偏壓(伏特)-20~45靶材與晶片之間的間隔(cm)3~9表2.用于aln沉積的工藝參數(shù)范圍圖5示出了使用本發(fā)明的標(biāo)記1平臺和標(biāo)記2平臺獲得的作為晶片徑向位置的函數(shù)的應(yīng)力分布圖。曲線50示出了使用標(biāo)記1平臺獲得的應(yīng)力分布圖,曲線52示出使用標(biāo)記2平臺獲得的應(yīng)力分布圖??梢钥闯觯瑑煞N情況下的平均應(yīng)力均具有適度的拉伸性,其中標(biāo)記2平臺在沉積的aln膜中產(chǎn)生的平均應(yīng)力具有略微更大的拉伸性。對于標(biāo)記1平臺,膜上的應(yīng)力變化為約140mpa,對于標(biāo)記2平臺,膜上的應(yīng)力變化為約100mpa。相比之下,使用常規(guī)平的平臺沉積的aln膜表現(xiàn)出約250mpa的膜上的應(yīng)力變化。已經(jīng)觀察到,影響沉積膜中的應(yīng)力不均勻性的另一因素是晶片上非徑向分量的存在。在某些情況下,已經(jīng)發(fā)現(xiàn),從晶片基底的一半到另一半的應(yīng)力可能存在很大的變化。圖6示出了應(yīng)力分布圖60,其表現(xiàn)出從晶片的一半到另一半的不對稱輪廓。不希望受任何特定的理論或猜想的限制,據(jù)認(rèn)為上述不對稱性可能歸因于通過腔室的等離子體電位的小的變化。晶片表面上1v至2v的電位變化可導(dǎo)致約100mpa的應(yīng)力差。在實(shí)踐中,由于硬件的小的不對稱性,難以避免該量級的電壓變化。該問題可通過使用本發(fā)明的基底支撐件并且在沉積工藝期間旋轉(zhuǎn)晶片來克服。旋轉(zhuǎn)可以以各種方式完成,然而優(yōu)選的是在該工藝中,使晶片進(jìn)行360度全轉(zhuǎn)動。盡管原則上在沉積期間能夠連續(xù)地旋轉(zhuǎn)晶片,但是一個實(shí)際的解決方案是在數(shù)個步驟中沉積膜并且在沉積步驟之間旋轉(zhuǎn)該晶片。這在晶片上產(chǎn)生平均效應(yīng),但是改善了厚度均勻性和應(yīng)力均勻性。圖7示出了臺階式平臺70,該平臺70具有位于平臺中心的盤狀物72,其在沉積步驟之間使晶片升高和旋轉(zhuǎn)。這是使晶片能夠通過沉積工藝旋轉(zhuǎn)的便利方式。圖8示出了利用圖7所示的基底支撐件獲得的作為晶片徑向位置的函數(shù)的應(yīng)力分布圖80。可以看出,獲得了優(yōu)異的且?guī)缀跬耆珜ΨQ的分布圖,其中,晶片的應(yīng)力的變化相對較小(約90mpa)。本發(fā)明可應(yīng)用于包括其它金屬氮化物在內(nèi)的一系列膜。本發(fā)明特別適用于公差嚴(yán)格的沉積工藝,特別是要求所沉積的膜應(yīng)力高度均勻的沉積工藝。當(dāng)前第1頁12
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