专利名称：一种微波真空金属镀膜装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种微波真空金属镀膜装置，具体地讲它是一种主要 适用于在半导体芯片、光电子芯片等基板上镀覆金属导电膜、光反射膜以 及金属化合物膜的装置，它属于金属淀积技术领域。
背景技术：
当前金属淀积的方法主要有化学法和物理法。化学法包括化学镀和电 镀两类，它们都属于传统的工艺方法，无法适合微器件高密度芯片的制造。 物理法当前主要有磁控—多弧法和金属有机物的热分解法，它们对现在特
征尺寸小于0. 13微米的金属淀积镀覆，也各存在着缺点，前者因为局部高 温产生金属液滴导致芯片短路，溅射粒子粗大无法完满充填大深寛比刻蚀 沟槽，加之因为弧光放电的局部刻蚀造成靶面出现 <跑道'而提前报废，
耙的利用率往往不到40%;而后者如美国新发展的有机铜虽然能够在热分
解后完满充填，可是合成有机铜工艺困难、有剧毒、成本高、污染重，它
必须使用的设备气相沉积炉(即M0CVD)价格高、耗能高。如果使用直流辉 光放电所属的DC-PECVD法或者双重辉光镀金属法等，因为溅射的粒子能量 过高，其'离子轰击效应'将伤及衬底的的晶体结构。
中华人民共和国国家知识产权局于2006年5月24日公开了一份申请 号为200510048154.9的发明专利申请，其名称为"微波等离子体增强弧辉 渗镀涂层的装置及工艺"，该装置以弧光溅射中的多弧技术为基础，并采用 ECR即电子回旋共振技术措施，追求快速厚膜和渗金属效果。但是它确存 在一些缺点和不足，如因为弧光放电的温度高，出现金属熔滴，等离子体 中含有固态粒子多，无论是多弧、磁控等溅射方法均难以解决当前的纳米 尺度淀积的要求；ECR技术即电子回旋共振技术虽然可以使等离子体的离 化率大幅度提高，甚至可能达到100%，但是它的冲刷力太强，足以将炉 壁的材料和吸附的杂质带入等离子体中，影响淀积膜的纯洁；该装置必须 采用高偏压，对供电设备要求较高；同时，该装置必须对靶进行水冷，增 加了结构的复杂性，整个装置的成本提高；另外该装置结构设计不完善， 存在着微波泄漏等隐患。
发明内容
本实用新型的目的就在于克服和避免己有技术的缺点和不足，而提供 一种新型的微波真空金属镀膜装置，它采用的原理是将辉光放电离子轰击 技术和微波技术相结合，即使用交流辉光放电一离子轰击的方法制造金属 气氛、用微波将其等离子化并使该金属淀积在基板成膜；为实现这一原理， 本实用新型设计了一种微波真空金属镀膜装置，该装置采用了诸如将直流 放电变为交流辉光放电、在靶所连接的输电杆和炉壁之间加上一段可以吸 收微波的石墨、在"微波头"处的石英玻璃周边使用金属条缠绕、将短路钣和加热托盘合而为一的设计、向装置内输入活性气体等技术措施，即将 交流辉光放电和微波放电集成在同一高真空炉体内的镀膜专用设备，实现 以镀纳米晶膜为主，也可以得到厚度为微米的金属淀积层，以保证等离子
淀积的细腻特性；同时简化设备结构，防止微波的漏泄，降低制作成本。 本实用新型是采用以下技术措施来实现其发明目的的。 一种微波真空金属镀膜装置，它是由等离子室、离子轰击室、过渡室、 镀膜室自上而下依次连接构成，等离子室的顶端封盖一个微波窗，镀膜室 的底端安置一个底盖，镀膜室的内部安置一个摇杆式升降机构，摇杆式升 降机构的上部连接一个托有加热盘的短路钣，摇杆式升降机构的摇杆穿过 镀膜室的底盖。
所述的微波窗是由石英玻璃制造，在石英玻璃外缘由能反射微波的金 属条缠绕，等离子室的顶端开有密封槽，石英玻璃与密封槽内的密封圈紧 密结合。
在离子轰击室的侧壁上安置一个与金属靶连接的交流轰击电极，交流 轰击电极中的输电杆和侧壁之间安置有绝缘材料。
所述的镀膜室内安置一个短路钣，它与镀膜室壁保持0. 8-1. 2mm的均 匀间隙，短路钣之上设置同样直径的加热托盘，短路钣底部安置一个固定 杆电极，套筒电极在固定杆电极上的滑动。
所述的等离子室、离子轰击室、过渡室和镀膜室都是由内壁与外壁套 装构成，内外壁间的夹层串水冷却。
所述等离子室的内外壁上开有一个进气孔和一个放气孔，离子轰击室 内的两只圆弧形金属靶相对放置，过渡室的侧壁上设置一个小观察视窗， 镀膜室的底盖上开有电极密封穿入孔。
所述的摇杆式升降机构是一套由丝杆、杠杆、升降杆组成的内调谐机 构，丝杆的光滑段从安置于镀膜室底盖上的密封函中穿过。
所述的微波窗是由厚度为6-10毫米、直径为150-170毫米的石英玻璃 制造。
所述的绝缘材料为熔铸云母或聚四氟乙烯。
图1为本实用新型的结构剖视图。
如图所示，l为微波窗；2为等离子室；3为离子轰击室；4为过渡室； 5为镀膜室；6为短路钣；7为升降杆；8为离子轰击室的侧壁；9为绝缘 材料；IO为输电杆；ll为金属靶；12为串水口； 13为电极密封穿入孔； 14为底盖；15为分子泵接口； 16为摇杆式升降机构；17为密封函；18为 丝杆；19为杠杆；20为固定杆电极；21为套筒电极；22为加热盘；23为
大观察视窗；24为小观察视窗；25为进气孔；26为放气孔；27为外壁； 28为夹层；29为内壁；31为密封圈；32为密封槽。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本实用新型作进一步的描述。本实施例是由等离子室2、离子轰击室3、过渡室4、镀膜室5自上而 下依次连接构成，等离子室2的顶端封盖一个微波窗1，镀膜室5的底端 安置一个底盖14，镀膜室5的内部安置一个摇杆式升降机构16，摇杆式升 降机构16的上部连接一个托有加热盘22的短路钣6，摇杆式升降机构16 的丝(摇)杆18穿过镀膜室5的底盖14。
微波窗1是由石英玻璃制造，在石英玻璃外缘由能反射微波的金属条 缠绕，等离子室2的顶端开有密封槽32，石英玻璃与密封槽32内的密封 圈31紧密结合。
在离子轰击室3的侧壁8上安置一个与金属靶11连接的交流轰击电 极，交流轰击电极中的输电杆10和侧壁8之间安置有绝缘材料9。
镀膜室5内安置一个短路钣6，它与镀膜室5壁保持0.8-1.2mm的均 匀间隙，短路钣6之上设置同样直径的加热托盘22，短路钣6底部安置一 个固定杆电极20，套筒电极21在固定杆电极20上的滑动。
等离子室2、离子轰击室3、过渡室4和镀膜室5都是由内壁29与外 壁27套装构成，内外壁间的夹层28串水冷却。
等离子室2的内外壁上开有一个进气孔25和一个放气孔26，离子轰 击室3内的两只圆弧形金属靶11相对放置，过渡室4的侧壁上设置一个小 观察视窗24，镀膜室5的底盖14上开有电极密封穿入孔13。
摇杆式升降机构16是一套由丝杆18、杠杆19、升降杆7组成的内调 谐机构，丝杆18的光滑段从安置于镀膜室5底盖14上的密封函17中穿过。
微波窗1是由厚度为6-10毫米、直径为150-170毫米的石英玻璃制造。
绝缘材料9为熔铸云母或聚四氟乙烯。
更为具体的描述是等离子室2主要有微波头、内外壁29、 27、下法兰 和两个进出气口25、 26组成。内外壁夹层28串水冷却。氩气等气体进入 后被微波电离，因此称为等离子室2。微波头安置于等离子室2的顶部(附 图中省略微波头)。此处最容易泄漏微波，原因是微波窗1是厚8毫米直径 160毫米石英玻璃制造。当微波从波导管穿过石英玻璃时除去将等离子室2 中的氩气电离外，还有少量的微波从玻璃的外缘衍射出去，造成微波泄漏。 因此需要在玻璃外缘使用反射微波的金属圈缠绕，以保障微波不透过法兰 夹缝而漏出。此外玻璃需要将其下的橡胶密封圈31完全压入密封槽32内， 以防微波能烧毁密封圈31。
离子轰击室3的主要作用是制造金属气氛，圆弧形的两只金属靶11 相对放置，侧边距离2厘米。通过交流轰击电极外加最高1500V的交流电。 输入的氩气压力为10" 102pa，发生交流辉光放电。氩离子轰击金属耙ll 溅射出金属粒子形成尘埃性的气氛，此时开启微波电源输入微波。在微波的 辐照下气氛电离，电离度可达20%，从而形成等离子气团，向加热盘22 方向输运。金属靶ll处于虚浮电位，可以将微波感应出来造成微波泄漏。 为此使用一段石墨9制造输电杆10，将微波吸收转化为热，再被冷却水带 走。而交流电仍然可以加在金属靶11之间，不影响辉光放电。操作时先辉光放电后微波放电的原因是辉光放电的等离子区可以吸收微波，减少感应 泄漏。
过渡室主要是扩大微波等离子气团的面积。可以设置一个小视窗以观 察加热盘上衬底发生的现象。
镀膜室4主要是在此室内沉积成膜，其下部与分子泵相连，将炉体抽 空到5X10—3Pa。加热电极、偏压电极、热电偶皆由室底密封穿入。
短路钣6之上是加热托盘22、电炉丝将加热托盘22加热达到的最高 温度为650°C。炉丝的接电极图中未画出。它是套筒电极21可以在固定杆 电极20上滑动，输入220V/3KW的加热电能。短路钣6和加热盘22的直径 相等，与镀膜室4之间有lmm的间隙，以利于它们的升降，达到调谐的目 的。而微波从间隙穿出的极小，且与炉底多次来回反射而消失。本室4有 大视窗23，可以观察短路钣6 —加热盘22上下的情况。偏压电极为钢管制 造，内放置弹簧，将插入管内的电极头顶在托盘22下，与短路钣6共同升 降，使托盘22和衬底都带负偏压，以吸引金属等离子气团在此消电离并淀 积成膜。
摇杆式升降机构16是一套由丝杆18、杠杆19、升降杆7组成的内调 谐机构，它能防止微波泄漏。丝杆18的光滑段从密封函17中穿出，保证 真空不泄漏。旋钮在丝杆18上旋转使其拉动升降杆7也随着上下移动，使 短路钣6 —加热托盘22升降，以达到调谐的目的(即入射微波反射微波的 波峰对波峰，波谷对波谷)。
本实用新型具有以下优点
一是将直流放电变为交流放电。如果使用的是单相交流电，位置相对 的圆弧金属靶11在不高于1500V的单相交流电场的离子轰击下起辉并溅 射；如果是三相交流电则应当是彼此成120°的三个金属弧形靶，轮流放电。 靶的间隙皆为20mm。由氩离子轰去溅射出的温度较低的粒子，在交流电场 间振荡。此时输入微波在靶间通过，粒子受到微波辐照而进一步电离，形 成离化率达到20%的等离子体，如果使用电子回旋共振(ECR)则离化率 可达100%。微波等离子气团在负偏压吸引下向衬底运动过程，因为有微波 能量的供给，不会结合成固态粒子。该过程叫做'微波等离子输运'。产生 离子的设备部件也可以称之为'交流离子轰击源'。
二是解决了交流输电系统极容易泄漏微波的问题。圆弧金属耙11所连 接的输电杆10和室壁8之间有绝缘材料9(熔铸云母、聚四氟乙烯)相隔， 它即不是正极也不是负极，不是火线也不是零线，也不是与地相连的零电 位，它虚悬在微波电场中间，被叫做'虚浮电位'，因此极容易感应出微波 造成伤害。解决的方法是在输电杆IO之间加上一段可以吸收微波的石墨 9，而石墨9又是电的良导体，不妨碍交流电源对靶的供电。这样，感应微 波就被石墨9所吸收并转化为热能，最后被水冷电极带走。
三是设计了防止微波泄漏的特殊结构的微波头。微波系统发出的 2450MHz的微波，通过波导穿透石英玻璃微波窗进入等离子室2。该部位称之为 <微波头'。它的结构关键在于石英玻璃必需将密封圈31正好压入密 封槽32内，以防止微波烧毁橡胶'0形圈'；有一定厚度的石英玻璃周边 需要使用可以反射微波的金属条缠绕，以防止微波从此处泄漏。
四是保证入射微波和反射微波间的波峰对波峰、波谷对波谷，即良好
的u周谐'。常用的是在矩形波导外端的短路钣平动的调谐方法，(中间有 波导向炉内馈入微波)容易泄漏微波。我们设计在炉内安置短路钣6，它 与镀膜室5的内壁保持lmm的均匀间隙，利用杠杆等方法升降来调谐，而 升降杠杆旋钮穿出炉底，这样的调谐方法可以不泄漏微波。短路钣6之上 设置同样直径的加热托盘22,加热的方法可以使用各种电阻加热器、感应 加热器，根据不同的温区加以选择，托盘22的材质可以选用各种不同型号 的耐热不锈钢，最高达到1800°C。短路钣6和加热托盘22合而为一的设 计也是我们的'创新'。其技术关键是输电器、偏压电极均可以随短路钣一 起升降。电极的升降方法在于套筒电极在固定杆电极上的滑动。
五是可以选用不同的革巴材或改变气氛来获得不同的膜。耙材和与输电 器相连的靶钉，应当是相同的材料，使用氩气轰击溅射、微波辐照和输运 来淀积的金属膜、合金膜或者金属化合物膜。例如对靶中的一个是铜，另 一个是镍，则微波淀积的膜将是铜镍的合金；两个靶全是钛，则淀积出钛 膜；若是希望淀积氮化钛膜，则应当在气氛中加入活性元素氮。本法对耙 的选择除其纯度必须满足制造工艺的需要之外，必须保证进行离子轰击时 耙不被热能所熔化。如果使用合金靶，则耙中的低熔点金属成分可能引发 弧光放电，烧毁轰击电源，具体说来高于纯铝的熔点660°C， 一般不能发 生弧光放电。因此制造合金靶应当先进行试验，不能以磁控溅射耙的成分 制造辉光靶，因为两种工艺相差很大。非属必要不能进行纯铝的微波溅射， 包括低熔点的合金在内。而高熔点的合金耙材不受此限，且应当包括在本 专利的覆盖范围以内。
六是本设备溅射、淀积的金属粒子非常细腻，而且在微波的辐照下形 成电离率达20%的微波等离子气团，特别适合半导体芯片制造时的'金属 互连'，在特征尺寸小于O. 13微米时可以完满充填已经刻蚀的沟槽。这是 本设备研发的原始动力。微器件互连的主体金属是铜。可是铜容易侵入硅 晶内，为保护硅不受铜的侵蚀需要在硅晶片上的刻蚀沟槽的表面，淀积一 次氮化钛薄膜，氮化钽膜更好。而铜容易受到空气、潮气的腐蚀，在铜的 表面淀积一层镍就可以抗氧化。而且各层膜间应当具有良好的结合力。请 注意，如果在同一台设备中以换靶的方式完成三种膜的复合淀积就可能造 成膜材料成分的混乱如铜混入了氮化钛中，使氮化钛失去对硅的保护， 而镍混入铜中使铜的电阻加大，更为可怕的是因为"混相'破坏了膜间的 结合力造成膜的剥落。这些弊病都来自炉壁的'存储效应'，其原理是等离 子体气团对炉壁的冲刷导致'存储'的物质重新回到气团中所带来的'杂 质效应'。正确的做法是每台设备专用，不得混用。同一设备改换镀膜时即 使仔细清洗设备，'存储效应'所带来的杂质往往也会存在较长的时间。本实用新型使用交流辉光放电一氩离子轰击溅射金属靶制造金属气氛 的同时，以微波辐照使气团等离子化，并输运到衬底淀积成膜的设备。
向金属靶传输1500V的交流电的输电系统，为防止微波场对处于虚浮 电位的耙和输电杆向外感应微波，而专门设计的用石墨制造的微波吸收输 电器，是本设备创新的核心部件。
本设备的'微波头一微波窗'的防止真空密封圈的烧毁和防止微波从 石英玻璃外缘泄漏的金属圈。
本设备的'短路钣一加热托盘'二者合为一体，加热电极、偏压电极 和热电偶可以与短路钣共同升降，以达到即可'调谐'又能输电、加偏压 的目的，而升降旋钮设计在炉底之外，不但调谐方便，而且可以防止微波 的漏泄。
在向本设备内输入活性气体后，与溅射的金属粒子被微波辐照，可以 诱发等离子化学反应，生成金属的化合物。
微波金属镀膜机原理是将交流辉光放电和微波放电集成在同一个炉体 内进行金属以及化合物的淀积。
1500V的交流电加在弧形对靶上，使用氩气进行离子轰击、辉光放电 以制造金属气氛，在2450MHz的辐照下，生成电离率达20%的等离子气团。 在负偏压的吸引下，金属被微波输运至被加热的衬底上消电离，淀积成膜。
本设备专门设计的微波吸收输电器，系在输电杆中加一段石墨吸收装 置，将处于'虚浮电位'的靶和输电杆所感应的微波转化为热能，同时作 为电的良导体的石墨仍能够将交流电输送到靶上进行轰击溅射，而转化的 热量被串水电极带走。
防止微波泄漏是本设备的重点。其一是'微波头'的石英玻璃外缘应 当使用反射微波的金属圈缠绕，以防止微波衍射漏出。其二是调谐器部位 容易泄漏微波。我们专门设计了 '内调谐'，方法是在炉内将短路钣和衬底 加热托盘合而为一。短路钣在下位。输电极和偏压电极由固定杆和滑动套 筒插在一起，可以与短路钣共同升降。升降杠杆穿出炉底与调谐螺旋相连， 扭动螺旋则杠杆带动短路钣一加热托盘升降反射微波，就可以很容易进行 调谐，实测微波不发生泄漏。
溅射出的金属等离子气团中如果含有活性源气将生成金属化合物，淀 积在衬底上成膜。
在炉壁上消电离的固态物质会发生沉积的现象被称为'附壁效应'。它 被等离子体冲刷后将会回到等离子体中，给淀积的膜带来杂质，因此在同 一个设备中淀积多重膜时受到限制。无论是单质靶还是合金靶，其组分的 熔点均应当高于70(TC，否则会导致熔靶或强烈的弧光放电，损坏轰击电 源。
权利要求1、一种微波真空金属镀膜装置，它是由等离子室、离子轰击室、过渡室、镀膜室自上而下依次连接构成，其特征在于等离子室的顶端封盖一个微波窗，镀膜室的底端安置一个底盖，镀膜室的内部安置一个摇杆式升降机构，摇杆式升降机构的上部连接一个托有加热盘的短路钣，摇杆式升降机构的摇杆穿过镀膜室的底盖。
2、 根据权利要求1所述的一种微波真空金属镀膜装置，其特征在于 所述的微波窗是由石英玻璃制造，在石英玻璃外缘由能反射微波的金属条 缠绕，等离子室的顶端开有密封槽，石英玻璃与密封槽内的密封圈紧密结 合°
3、根据权利要求2所述的一种微波真空金属镀膜装置，其特征在于在 离子轰击室的侧壁上安置一个与金属靶连接的交流轰击电极，交流轰击电 极中的输电杆和室壁之间安置有绝缘材料。
4、 根据权利要求3所述的一种微波真空金属镀膜装置，其特征在于 所述的镀膜室内安置一个短路钣，它与镀膜室壁保持0. 8-1. 2mm的均匀间 隙，短路钣之上设置同样直径的加热托盘，短路钣底部安置一个固定杆电 极，套筒电极在固定杆电极上的滑动。
5、 根据权利要求4所述的一种微波真空金属镀膜装置，其特征在于 所述的等离子室、离子轰击室、过渡室和镀膜室都是由内壁与外壁套装构 成，内外壁间的夹层串水冷却。
6、 根据权利要求5所述的一种微波真空金属镀膜装置，其特征在于所 述等离子室的内外壁上开有一个进气孔和一个放气孔，离子轰击室内的两 只圆弧形金属靶相对放置，过渡室的侧壁上设置一个小观察视窗，镀膜室 的底盖上开有电极密封穿入孔。
7、 根据权利要求6所述的一种微波真空金属镀膜装置，其特征在于所 述的摇杆式升降机构是一套由丝杆、杠杆、升降杆组成的内调谐机构，丝 杆的光滑段从安置于镀膜室底盖上的密封函中穿过。
8、 根据权利要求7所述的一种微波真空金属镀膜装置，其特征在于所 述的微波窗是由厚度为6-10毫米、直径为150-170毫米的石英玻璃制造。
9、 根据权利要求8所述的一种微波真空金属镀膜装置，其特征在于所 述的绝缘材料为熔铸云母或聚四氟乙烯。
专利摘要本实用新型涉及一种微波真空金属镀膜装置，具体地讲它是一种主要适用于在半导体芯片、光电子芯片等基板上镀覆金属导电膜、光反射膜以及金属化合物膜的装置，它属于金属淀积技术领域。本实用新型是由等离子室、离子轰击室、过渡室、镀膜室自上而下依次连接构成，等离子室的顶端封盖一个微波窗，镀膜室的底端安置一个底盖，镀膜室的内部安置一个摇杆式升降机构，摇杆式升降机构的上部连接一个托有加热盘的短路钣，摇杆式升降机构的摇杆穿过镀膜室的底盖。
文档编号C23C14/24GK201390780SQ20082022556
公开日2010年1月27日 申请日期2008年11月15日 优先权日2008年11月15日
发明者张敬祎, 高秀敏 申请人:张敬祎;高秀敏