Hipims溅射的方法和hipims溅射系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种溅射涂覆的方法，特别是HIP頂S溅射涂覆基底的方法，并且涉及 一种HIP頂S溅射系统。
【背景技术】
[0002] 定义 在本发明中，加工包括作用于基底的任何化学、物理或机械作用。
[0003] 在本发明中，基底是加工设备中待处理的部件、零件或工件。基底包括但不限于具 有矩形、正方形或圆形形状的平坦板状零件。在优选实施例中，本发明主要处理平面圆形基 底，诸如半导体晶片。
[0004] 真空加工或真空处理系统或设备包括至少一个外壳，其用于将在低于环境大气压 力的压力下处理的基底。
[0005] CVD或化学气相沉积是容许将多个层沉积在热基底上的化学过程。一种或多种挥 发性前体材料被供给到加工系统，在其中，它们在基底上反应和/或分解，以产生期望的沉 积物。CVD的变型包括低压CVD (LPCVD)-在低于大气压的压力下进行的CVD过程；超高真 空CVD (UHVCVD)-通常低于10 6Pa/10 7Pa的CVD过程；等离子体方法，如微波等离子体辅 助的CVD (MPCVD);等离子体增强CVD (PECVD)-利用等离子体提高前体的化学反应速率的 CVD过程。
[0006] 物理气相沉积（PVD)是用于描述通过将蒸汽形式的材料冷凝到基底表面上(例如， 半导体晶片上)来沉积薄膜的各种方法的通用术语。与CVD不同，所述涂覆方法仅涉及物理 过程，诸如高温真空蒸发或等离子体溅射轰击。PVD的变型包括阴极电弧沉积、电子束物理 气相沉积、蒸发沉积、溅射沉积（即，辉光等离子体放电，其通常被限定在位于靶材材料表面 上的磁性隧道中，在该情形中也被称作磁控溅射)。
[0007] 用语层、涂层、沉积物和膜在本发明中可互换使用，用于表示在真空加工仪器中沉 积的膜，可以是CVD、LPCVD、等离子体增强CVD (PECVD)或PVD (物理气相沉积)。 技术背景
[0008] 利用PVD沉积技术在真空处理系统中加工基底是众所周知的。在被设计用于磁控 溅射沉积的这种系统中，已知将磁体系统布置在溅射靶材后面，以限定位于靶材材料表面 (溅射表面)上的磁性隧道，该隧道在操作期间限制等离子体。在靶材的使用寿命内，磁控溅 射引起的靶材侵蚀会形成所谓的跑道，靶材材料中的沟槽。如果沟槽已耗尽了靶材的厚度， 则需要更换靶材；这也限定靶材使用寿命。
[0009] 为了容许更好地利用靶材材料并且提高基底上的沉积一致性，已知在沉积过程操 作期间移动磁体系统。这可机械地(部分地或整体地旋转、移动磁体系统）实现或利用调节 磁场的位置和/或强度的线圈电气地实现。
[0010] 已经提出了在旋转磁控溅射系统中在靶材的使用寿命内均匀地侵蚀靶材的若干 构思，这些构思包括如 US_6821397_B2、TO0163643A1、US_05171415_A、US_05833815_A、 US_20040050690_A1及其他申请中那样进行横向磁体移动的构思，以及如DE_03908252_ A1、EP_00945524_A1和EP_01908090_B1中那样进行轴向磁体移动的构思。
[0011] 现有技术的缺点 如上所述，在靶材的使用寿命内，在溅射靶材的溅射表面上形成侵蚀凹槽。侵蚀图案可 由朝向靶材中心的外部主侵蚀凹槽和一个或多个较弱内部侵蚀凹槽构成。外部主侵蚀凹槽 需要具有良好的沉积均匀性，以应付有限的靶材直径。与基底直径相比的靶材直径越小，外 部侵蚀凹槽必须越明显，从而补偿边缘效应。由于在靶材使用寿命内侵蚀将专门影响外部 主凹槽，因此在此位置磁场的作用因该处的靶材变得越来越薄的事实而变强。结果是，对于 固定的放电功率，放电电流增大并且电压减小。通常，溅射沉积系统的控制系统执行用户定 义的程序或方法，并容许调整沉积时间或放电功率，以在整个靶材使用寿命内获得相同的 膜厚度。在许多应用中，可以改变电压/电流比率，因为该比率由放电功率限定。在一些设 施中，在靶材使用寿命内，可通过横向的磁体移动调整均匀性，如US 6 821 397 B2中所描 述的。
[0012] 然而，在若干其他应用中，增加磁场会显著改变过程调节。一个例子是铁磁材料的 溅射，其中，磁场因靶材的变薄而剧烈增加。
[0013] 另一个应用是利用具有极高电流和低占空比的脉冲式DC的溅射，也被称作 HIP頂S或HPPMS。此时，通常使用持续时间在50至300微秒范围内的电流脉冲。尽管可瞬 时地应用电压，但电流的增大取决于若干参数，如脉冲供应单元的输出性质、腔阻抗、磁场、 电缆和靶材电压。如果靶材电压因靶材侵蚀而改变，并且磁场改变，则可能变得难以在整个 靶材使用寿命内进行稳定的HIP頂S过程。
[0014] 图1通过示例示出了 100微秒的脉冲作用于Ti靶材(其他条件不变）时电流增加 量和脉冲峰值随靶材电压的显著变化。
[0015] 单脉冲的功率由下式给出：
由于图1所示的脉冲的高度动态情况，显然从靶材使用寿命的开始到结束脉冲功率 可经历显著的变化。但是，必须注意，HIP頂S过程在其使用寿命内尤其需要恒定的峰电 流，因为峰电流与放电电离度直接相关，并且电离度本身是使得能够进行深特征中的通道 填充（via filling in deep features)的驱动参数（参见：Society of Vacuum Coaters 505/856-7188,52nd Annual Technical Conference Proceedings,Santa Clara,CA, 2009 年 5 月 9-14 日，ISSN 0737-5921)。
[0016] 在标准DC溅射中，有若干种控制靶材使用寿命内的恒定膜厚度和均匀性的方法。 可通过调整靶材使用寿命内的溅射功率或通过调整过程时间来完成膜厚度控制。通常，必 须增加溅射功率或过程时间，因为靶材侵蚀使靶材表面"远离"基底移动，导致有效地增大 了靶材与基底的距离。此外，在标准DC溅射系统中，由于侵蚀，驱动等离子体的磁场增大， 这导致靶材电流增大和靶材电压减小。对于许多应用，电流/电压比率不重要。但是，具 体对于高度动态的脉冲过程，如HIP頂S，在靶材的使用寿命内电压和电流需要保持恒定，因 为： 1. 电流增大显著依赖于靶材电压，如图1所绘。对于固定的脉冲长度，这影响脉冲功 率； 2. 峰值电流脉冲值，如所述的，是在深通道的金属镀层中实现HIP頂S的金属电离的 关键参数。它需要在靶材使用寿命内保持恒定。峰值电流脉冲值必须尽可能高，但它必须 低于检测到电弧的脉冲源的极限值。
[0017] 图2示意性地描绘了在靶材使用寿命内100微秒脉冲的脉冲形状和峰值电流脉冲 值的改进的一个例子。可以看到，在靶材电压保持恒定的情况下，电流峰值随磁场的增加而 增大。最后一个图示出电流因接近利用电流检测感测到的电弧水平而被切断。
【发明内容】
[0018] 上述问题由根据本发明的HIP頂S溅射涂覆基底方法解决，所述方法包括： 提供具有溅射表面和后表面的靶材。
[0019] 沿所述后表面提供磁体结构。
[0020] 围绕垂直于靶材的所述后表面的旋转轴线枢转或旋转所述磁体结构。
[0021] 所述磁体结构包括沿一对闭环布置的磁极。所述一对闭环中的外部闭环完全围绕 所述一对闭环中的内部闭环，并且远离所述闭环中的所述内部闭环。
[0022] 朝向靶材的后侧并且沿所述一对闭环中的一个布置的所述磁极的磁极性与朝向 所述靶材的后侧并且沿所述一对闭环中的另一个布置的所述磁极的磁极性相反。
[0023] 所述一对闭环被细分成第一部分和第二部分。由此所述一对闭环中的外部闭环被 细分成在所述第一部分中的第一外部部段和在所述第二部分中的第二外部部段。由此在其 一侧的所述内部闭环被细分成在所述第一部分中的第一内部部段和在所述第二部分中的 第二内部部段。
[0024] 所述外部闭环的第一外部部段比所述第二闭环的第二外部部段距离所述旋转轴 线更远，都是相对于所述旋转轴线沿径向方向考虑的。
[0025] 当所述靶材的HIP頂S操作时间增加时，可控制地增加至少主要数量的磁极沿第 一部分中的所述第一外部部段和第一内部部段中的至少一个相对于靶材的后侧的距离，该 距离大于第二部分中的所述第二外部部段和第二内部部段的至少主要数量的磁极与所述 后侧的距离。
[0026] 在根据本发明的方法的一个实施例中，除非矛盾，其可与待描述的任何实施例结 合，以下述方式执行所述可控制地增加所述至少主要数量的磁极沿所述第一外部部段和所 述第一内部部段中的至少一个的所述距离，即，从而在所述靶材的使用寿命内保持HIP頂S 操作的峰值电流脉冲值至少近似恒定。
[0027] 在根据本发明的方法的实施例中，除非矛盾，其可与已经描述和随后描述的任何 实施例结合，所述磁体结构包括一对所述闭环。
[0028] 在根据本发明的方法的实施例中，除非矛盾，其可与已经描述和随后描述的任何 方法实施例结合，通过沿从所述后侧开始并平行于所述旋转轴线的方向的相等移动，增加 在第二部分中的所述第二外部部段和所述第二内部部段的所述至少主要数量的磁极与所 述后侧的距离。这表示，即使所述磁极与所述后侧的初始距离不同，各自的距离也相等地增 加所述相等移动量。
[0029] 在本发明的另一实施例中，除非矛盾，其可与已经描述和随后描述的任何方法实 施例结合，在所述靶材的HIPIMS