改进的pvd靶的制作方法

专利名称：改进的pvd靶的制作方法
技术领域：
本发明的实施方式主要涉及一种用于物理气相沉积(PVD)的方法和设备，更尤其 涉及一种改进的PVD靶及其操作方法。
背景技术：
平板显示器、太阳能面板和半导体器件的制造依赖于在衬底上沉积金属和非金属 薄膜的方法。PVD为一种所述方法。PVD 一般在高真空腔室中执行并通常包括磁控溅射工艺。通过将靶放置于衬底上 方，在靶和衬底之间导入诸如氩的气体，并利用高电压DC信号激发气体以产生轰击靶的离 子，执行溅射。靶包括待在衬底上沉积为薄膜的材料。由于离子轰击靶，靶原子离开原位并 沉积在衬底上。离开原位的靶原子通常具有相当大的动能并且当它们撞击衬底时，该原子 趋向强粘附到衬底上。磁控溅射进一步包括旋转或直线移动磁控管或磁控管组件的设置， 其适应于增加PVD腔室中的等离子体密度，并因此增加衬底上靶材的沉积速度。在一些应用中，例如，大面积衬底的处理，PVD靶安装在背板上，例如以改进靶的结 构刚度。由于与衬底尺寸相关的因素，适用于处理大面积衬底的PVD靶组件在设计上明显 不同于适用于处理200mm和300mm硅晶圆的靶组件。例如，靶弯曲、沉积均勻性和热问题 为处理大面积衬底相关的考虑事项。如本文所用的术语“大面积衬底”指的是具有，或约 1，000, OOOmm2和更大的“面积”的表面面积或“占用的空间”和/或具有至少为1米长的一 侧的衬底。如本文所用的术语“占用的空间(footprint)”，指的是衬底或靶的标称表面面 积而不是湿表面积(wetted surface area)，即，所有侧面和表面相加的总表面面积。例如， 1，000X1, OOOmm靶具有1，000, OOOmm2的标称尺寸，但基本上大于包括顶表面和底表面及侧 边的湿表面积。靶通常经由设置在二者之间的诸如粘接橡胶层或焊接层的粘接层安装在背板上。 利用粘接层将PVD靶安装在背板上的相关问题包括腔室的内部的敏感区域暴露于不必要 的污染中，与粘结层相关的电弧诱导特征的存在和粘接层的不良电导率影响电能到靶的流 动。图1示出了传统的PVD腔室100的示意性截面图。PVD腔室100包括靶组件110、 腔室主体120、衬底支架130、护板140、磁控组件(magnet assembly) 150和处理区160。靶组件110包括通过粘接层113粘接到背板112的靶111。DC电源连接(DC power connection) 114与背板112电连接。粘接层113将靶111与背板112粘接并提供二者之间 的导电路径，在PVD工艺期间，其允许靶111经过背板112致能。粘接层113可为弹塑性粘 接或焊接粘接。在PVD处理期间，衬底支架130在相邻PVD腔室100的处理区160设置衬底131。 护板140，还称之为暗区护板，设置在PVD腔室100内并接近靶侧壁115以防止主体120的 内表面和靶侧壁115的不必要沉积。护板140非常靠近靶侧壁115设置以使沉积在其上的 再溅射材料最少。另外，护板140—般电接地。由此，在高电压即约300到500V的靶111和护板140之间可能容易产生电弧。当靶侧壁115的表面上存在有任何尖点时，电弧更容 易产生，原因在于近似于带电导体，即电场强度的电场的电荷密度比靠近带电导体上的尖 点处的高得多。由于产生的大量污染衬底的微粒以及因此已形成在衬底上而破坏导电通路 的电势，因此在PVD腔室中总是需要要避免电弧。图2A为在图1中所示PVD腔室100的区域的部分截面图。在所示的实施例中，粘 接层113为橡胶粘接层，其可用于将靶111安装在背板112上。发明者已发现关于使用橡 胶材料作为粘接层113的一个问题，即通常在粘接层113内出现孔洞117、118。当PVD腔 室100抽至真空时，包含在大气压下的空气和/或其他气体的孔洞117、118可能破裂进入 PVD腔室100中，污染处理区160和包括侧壁115、护板表面141及衬底131的暴露的表面。 在靶组件110的整个寿命中，在PVD腔室的初始抽真空期间或由于处理衬底相关的靶组件 110的热循环，孔洞破裂可能发生。在衬底的PVD处理期间，处理区160的污染可通过破坏形成在衬底上的器件或通 过促使随后PVD沉积层从衬底分层而可能有害地影响衬底。另外，在靶组件的整个寿命中， PVD腔室100中其他表面的污染可导致许多衬底的污染。这种较长期的污染问题由当一层 粘接层污染物出现在其上时，PVD沉积的材料的颗粒从护板表面141和靶侧壁115的剥落导致。在PVD工艺期间，在靶111的靶表面119的瞄准线中的任何表面将具有靶材沉积 在其上，诸如衬底131和护板140。另外，由于来自诸如护板表面141的表面的“再溅射”材 料，不直接在靶表面119瞄准线中的表面也可能进行PVD沉积。以该方式，靶侧壁115虽然 不在靶表面119的瞄准线中，但其也使来自沉积靶111的材料沉积在其上。在任一情况下， 在表面例如护板表面141或靶侧壁115和沉积的PVD材料层之间的粘接必须最大化。所述 表面上存在的例如来自孔洞破裂的任何污染物，充分降低所述表面和所沉积材料之间的粘 接，从而产生衬底污染微粒。发明者发现粘接层113相关的另一问题，其为在靶111和护板表面141之间的电 弧。带电导体表面上的尖点或特征的存在导致相当强的电场。在靶111在PVD工艺期间维 持高电压的情况下，这可导致靶111上的尖锐特征和通常接地的护板表面141之间的电弧。 当粘接层113用于将靶111安装在背板112上时，难以提供靶111和背板112之间的平滑 过渡表面，并因此，可能包括电弧诱导的特征。例如，来自粘接层113的孔洞破裂在接近护板表面141可形成尖点。图2B为在孔 洞117 (图2A中所示)破裂进入处理区160之后，在图1中示出的PVD腔室100区域的部 分截面图。从而间隙117A形成在靶111和背板112之间，产生靠近护板表面141的尖点 116，其促使产生电弧。当粘接层113为焊接粘接时，电弧可由焊接粘接的表面中的褶皱引 起。电弧还可由靶111和背板112之间的不完全焊接覆盖的区域引起，其可形成类似于间 隙117A和尖点116的间隙。因此，需要一种改进的PVD靶及其操作方法。

发明内容
本发明的实施方式主要涉及一种用于PVD的设备并尤其涉及一种PVD靶组件。在 一实施方式中，PVD靶组件包括背板、具有密封构件设置在第一表面上的靶，以及设置在背板和靶的第二表面之间的粘接层。靶还进一步包括暴露于空气中具有设置在其上的电源连 接的侧表面。靶组件可进一步包括背板延伸构件、具有设置在其表面上的第二密封构件的 第二靶，以及设置在背板和未设置密封构件的靶表面之间的粘接层。根据第二实施方式，PVD靶组件包括第一靶和第二靶，其中每个靶利用粘接层与各 自背板相粘接。在远离其各自背板方向的表面上每个靶具有密封构件容纳区域。靶组件进 一步包括具有紧接第一靶的密封构件容纳区域的密封构件容纳区域和第二靶的密封构件 容纳区域的靶支撑构件。根据第三实施方式，一种方法包括提供具有第一表面和第二表面的靶，接近并基 本平行于第一表面设置衬底，密封靶的第一表面的边缘部分，利用粘接层将背板与靶的第 二表面耦接，将工艺气体流入在靶的第一表面和衬底之间限定的处理区域中，以及在处理 区域中产生等离子体以溅射靶的第一表面而在衬底上沉积层。


因此为了更详细地理解本发明的以上所述特征，将参照附图中示出的实施例对以 上简要所述的本发明进行更具体描述。然而，应该注意，附图中只示出了本发明典型的实施 例，因此不能认为是对本发明范围的限定，因为本发明可以允许其他等同的有效实施例。图1(现有技术)示出了传统的PVD腔室的截面示意图；图2A、图2B (现有技术)为在图1中示出的PVD腔室的区域的部分截面图；图3为根据本发明的一实施方式的PVD腔室的截面示意图；图4为在图3中示出的PVD腔室的区域的部分截面图；图5A为根据本发明的一个实施方式并具有多个靶的PVD腔室的示意性平面图；图5B为根据本发明的一个实施方式并具有多个靶的PVD腔室的截面示意图。为清楚起见，尽可能采用相同的附图标记表示图之间共有的相同元件。
具体实施例方式图3为根据本发明的一个实施方式的PVD腔室300的截面示意图。PVD腔室300 可包括靶组件310、腔室主体320、衬底支架330、护板340和处理区域360。靶组件310包括安装在磁控腔室309中的磁控组件350和通过粘接层313与背板 312粘接的靶311。磁控组件350可为旋转靶或平行于靶311直线移动的多个磁铁的阵列 从而改善沉积速率和在衬底331上的PVD沉积膜的均勻性。磁控腔室309可在大气压下， 抽真空至低于大气压的压力，或用诸如去离子水的绝缘冷却流体填充。电源经由电连接提 供给靶311。在一个方案中，电连接314A可电性耦合至背板312以致能靶311。在另一方 案中，电连接314B可直接电性耦合至与靶311。电源可为DC、AC或脉冲电源。靶311包括 通常为高纯态的材料，其将在PVD腔室300中沉积在衬底331上。粘接层313可为橡胶粘 接或金属粘胶粘接，诸如含铟的粘接层。在后面的情况中，靶的表面和背板的表面沉积铟基 的涂层，其也称之为铟焊接，并在升高的温度下压制在一起。在冷却下，含铟层固化靶311 并将靶311粘接到背板312。在一结构中，其中电源通过电连接314A提供给靶311以及粘接层313为橡胶粘接 材料，粘接层313可包括附加的诸如铜网的导电构件(为清楚起见未示出)，以提供背板和靶之间改善的电接触。然而，在优选的实施方式中，靶311直接经由电连接314B致能从而 消除了经由背板312和粘接层313间接致能靶311的必要。衬底支架330设置在PVD腔室300内，并且在PVD处理期间邻近PVD腔室300的 处理区域360放置衬底。护板340，也称之为暗区护板，可安装在PVD腔室300内并靠近靶 侧壁315以在PVD处理期间防止主体320的内表面和侧壁315的不必要沉积和/或提供电 接地阳极区域。处理区360为PVD腔室300中包括由衬底支架330、靶311和护板340限定 的区域。靶组件310为以真空密封的方式密封地安装在主体320的上表面323上。通过经 由可密封安装将靶组件310安装在上表面323上，靶组件310可在PVD腔室300的最小拆 卸下进行移除用于修理或置换。真空紧密密封通常利用密封构件321的方式，诸如0型圈， 其设置在密封表面322中或顶着密封表面，诸如0型圈凹槽而形成。图3示出了当0型圈 凹槽形成作为主体320的上表面323的特征时的密封表面322。在替代的结构中，密封表 面322可取代为在靶311的相应表面上的特征。在任一情况下，真空紧密密封形成在上表 面323和靶311之间。以该方式，背板312不用于形成在靶组件310和主体320之间的真 空紧密密封，从而消除了将粘接层313暴露于处理区域360的必要。因此，设计靶组件310 从而暴露于处理区域360的其唯一表面为靶311的表面。可选地，本发明的方案考虑密封安装靶组件310在上表面323上的结构，其中密封 构件321不是0型环以及密封表面302不是0型环凹槽。例如，靶311可利用全金属的真 空密封可密封地安装在上表面323上，其中密封构件321可为按压向密封表面322诸如铜 条的金属垫圈，所述密封表面322为不锈钢的刀型(knife-edge)座。在另一实施例中，密 封构件321可为诸如类似垫圈的G-IO材料的聚合密封。在一结构中，靶311由单种材料制造。以该方式，与处理区域360流体接触的靶 311的唯一表面为单个机械加工的表面，即在两种或多种材料之间没有过渡以产生尖锐的、 引起电弧的特征。图4为在图3中所示的PVD腔室300的区域的部分截面图。由于背板 312和粘接层313没有暴露于处理区域360中，因此在靶材料、粘接层或背板材料之间没有 突变的过渡。取代地，光滑的机械加工半径325或其他合适的过渡可实施在靶侧壁315和 护板表面341之间。以及由于粘接层313未暴露于处理区域360，因此粘接层材料不可能污 染所述区域。本发明的方案进一步提出在处理期间使用直接电连接314B(参见图3)用于致能 靶311。由于靶311的侧表面暴露于空气中，功率在不经过背板312和粘接层313的情况下 可直接提供至靶311，并减小DC电路的电阻。在本发明的一个方案中，背板312包含多个冷却管道308，通过该冷却管道，可流 入冷却流体以防止在处理期间靶311和背板312过热。本发明的方案可同样对靶组件包括多个靶的PVD腔室具有优势。图5A示出了根 据本发明的一个实施方式并具有多种靶的PVD腔室500的平面示意图。在该方案中，PVD腔 室500包括具有三个靶511A、511B、511C的多件(multi-piece)靶组件510，然而，本发明 的方案可有利地应用于具有两个、三个或更多靶的多靶组件中。为简单起见，图5A中仅示 出了多件靶组件510和靶511A、511B、511C。图5B为在图5A的PVD腔室500中在截面A-A 处的横截面示意图。参照图5B，PVD腔室500在结构上基本类似于以上结合图3和图4所述的PVD腔室300。除多靶之外，二者之间的差别包括多个背板512A-C、靶支撑构件513A、 513B、中心护板540和密封构件521A-C。在图5B所示的结构中，各个靶522A-C分别安装在独立的背板，即背板512A-C上。 靶支撑构件513A分别支撑靶511A、511B的内边缘550A、550B。类似地，靶支撑构件513B 分别支撑靶511B、511C的内边缘551B、551C。靶支撑构件513A、513B可结构性地耦接至腔 壁527、528。图5A中示出了腔壁527、528。背板512A-C可由腔壁527、528支撑，或由主体 320和靶支撑构件513A、513B和/或两者组合支撑，其取决于腔室的结构要求。如图5A中 所示，各个靶511A-C分别经由电性连接514A-C致能。参照图5B，靶支撑构件513A、513B允许围绕各个靶511A-C外围形成密封，即使各 个靶51IA-C具有没有通过主体320的上表面323支撑的一个或多个侧边。靶51IA的内边 缘550A，靶511B的内边缘550B和551B，以及靶511C的内边缘551C没有通过主体320支 撑。但是具有靶支撑构件513A、513B的多靶腔室可具有靠着各个靶511A-C的表面外围设 置的密封构件，利用完整的密封或罩包围每个靶。例如，外围密封限定靶511A的一部分通 过靶支撑构件513A和内边缘550A的表面之间的密封构件521A形成。该密封的其余部分 由上表面323和靶511A的靶表面326之间的密封构件521A形成。以类似的方式，密封构 件521C形成对靶51IC的外围真空紧密密封。在靶51IB的情况中，外围密封限定靶51IB 的两部分由内边缘的表面和靶支撑构件的表面之间的密封构件521B形成。围绕各个靶511A-C形成的外围密封可为真空紧密密封，例如上表面323和靶表面 326之间形成的密封的部分，其防止空气漏入至处理区域360。所述密封的其它部分可能不 是真空紧密密封，例如当密封的各侧处的体积(volume)在真空时。这可为当区域581为抽 成真空的区域以及仅要求区域581和处理区域360之间的密封以防止污染进入处理区域 360的情况。应当重点注意由密封构件521A-C分别靠向靶511A-C形成的外围密封将粘接 层313与处理区域360隔离。这种结构消除了粘接层313对处理区域360的污染以及由于 尖点和/或与粘接层313相关的皱褶引起的电弧。中心护板540保护表面使其没有不必要的沉积，所述表面例如靶中心侧壁515A、 515B和靶支撑构件513A、513B。如以上结合图4对靶311的所述，靶51IA-C可分别由单物 种材料制造，其从处理区域移除粘接层、靶和背板之间的突然过渡。对于多靶结构，本发明已发现靶侧壁的法线方向使其上的沉积最小并减少随后衬 底的颗粒污染。因此，在一个方案中，靶511A、511B的一个或多个侧壁，诸如内边缘550A、 550B的侧壁，分别定向于基本垂直于为衬底支撑表面的方向。 发明者还发现本发明的技术方案可有利用于适于处理大面积衬底的PVD腔室。材 料大面积衬底要求较大的PVD靶组件。较大的PVD组件更有可能受益于由粘接到靶的背板 提供的结构刚度，并因此受益于本发明的方案。另外，大面积衬底可能要求多靶组件，其也 可受益于本发明的方案。本发明的衬底可为任意形状(例如，圆形、正方形、矩形、多边形等)和尺寸。另 外，衬底的类型不限定并可为由硅材料、含碳聚合物、化合物、金属、塑料或玻璃组成的任意 衬底。虽然前述针对本发明的实施方式，但在不偏离本发明的基本范围下，可设计本发 明的其他和进一步的实施方式，并且其范围由以下的权利要求书限定。
权利要求
一种物理气相沉积腔室，包括具有多个腔壁的腔室主体，所述腔壁具有内表面和外表面，所述内表面暴露于处理区域；设置在所述腔室主体上方的背板；耦接到所述背板并延伸超出一个或多个所述腔壁的内表面的靶，所述靶具有远离所述背板定向的第一表面，所述第一表面具有密封构件容纳区域；朝所述背板定向的第二表面；以及侧表面；设置在所述腔室主体内的护板，所述靶的所述侧表面朝向一个或多个所述腔壁的外表面延伸到越出所述护板的位置，所述第一表面远离所述背板延伸到所述护板的上部下方的位置；设置在所述靶的所述侧表面上的电功率连接；以及在所述第二表面和所述背板之间设置的粘接层。
2.根据权利要求1所述的物理气相沉积腔室，其特征在于，所述密封构件容纳区域适 于容纳密封构件。
3.根据权利要求2所述的物理气相沉积腔室，其特征在于，所述密封构件选自橡胶0型 环、金属垫圈和聚合物垫圈。
4.根据权利要求2所述的物理气相沉积腔室，其特征在于，所述密封构件形成围绕所 述靶的外围密封。
5.根据权利要求4所述的物理气相沉积腔室，其特征在于，所述外围密封为真空紧密 密封。
6.根据权利要求1所述的物理气相沉积腔室，其特征在于，其中所述侧表面暴露于空 气中。
7.根据权利要求1所述的物理气相沉积腔室，其特征在于，所述靶的所述第一表面主 要包括单个机械加工的表面。
8.根据权利要求1所述的物理气相沉积腔室，其特征在于，所述粘接层选自含铟粘接 材料、橡胶以及含金属网的橡胶。
9.根据权利要求8所述的物理气相沉积腔室，其特征在于，所述靶的一侧的长度至少 为约1米。
10.根据权利要求1所述的物理气相沉积腔室，其特征在于，所述靶的侧壁基本垂直于 衬底支架表面定向。
11.根据权利要求1所述的物理气相沉积腔室，其特征在于，所述背板包含冷却管道。
12.—种物理气相沉积设备，包括具有多个腔壁的腔室主体，所述腔壁具有外表面和暴露于处理区域中的内表面；设置在所述腔室主体上方的背板；密封到所述腔室主体的靶，所述靶具有第一表面；第二表面，其中所述第一表面与所述处理区域流体接触以及所述第二表面朝所述背板 定向；以及具有耦合到其上的电功率连接的侧表面，所述侧表面延伸到超出所述腔壁的内表面的 位置；设置在所述腔室主体内的护板，所述靶的所述侧表面朝向所述腔壁的外表面延伸到超 出所述护板的位置，所述靶的所述第一表面延伸到所述护板的上部下方的位置；以及 设置在所述背板和所述靶的所述第二表面之间的粘接层。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述靶的第一表面主要包括单个机械 加工的表面。
14.一种PVD靶组件，包括 背板；具有第一表面和第二表面的靶，其中所述第一表面与处理区域流体接触以及所述第二 表面朝所述背板定向；以及设置在所述背板和所述靶的所述第二表面之间的粘接层， 进一步包括设置在所述第一表面上的密封构件。
15.一种PVD靶组件，包括 背板；具有第一表面和第二表面的靶，其中所述第一表面与处理区域流体接触以及所述第二 表面朝所述背板定向，其中所述靶进一步包括 侧表面，其中所述侧表面暴露于空气中；以及设置在所述靶的所述侧表面上的电功率连接；以及设置在所述背板和所述靶的所述第 二表面之间的粘接层。
16.一种PVD靶组件，包括 背板；具有第一表面和第二表面的靶，其中所述第一表面与处理区域流体接触以及所述第二 表面朝所述背板定向；以及设置在所述背板和所述靶的所述第二表面之间的粘接层， 其中所述靶组件进一步包括 靶支撑构件；具有第三表面和第四表面的第二靶，其中所述第三表面与所述处理区域流体接触以及 所述第四表面朝所述背板定向；以及设置在所述第四表面和所述背板之间的粘接层。
17.—种处理衬底的方法，其特征在于，包括 提供具有第一表面和第二表面的靶；靠近并基本平行于所述第一面设置衬底； 密封所述靶的所述第一表面的边缘部分； 利用粘接层将背板耦接至所述靶的所述第二表面；将所述工艺气体流入在所述靶的所述第一表面和所述衬底之间限定的处理区域中；以及在所述处理区域中产生等离子体以溅射所述靶的所述第一表面而在所述衬底上沉积层。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述密封构件将所述靶的边缘与所述 处理区域隔离。
全文摘要
本发明公开了配置一种物理气相沉积靶组件以使靶粘接层与处理区域隔离。在一实施方式中，所述靶组件包括背板，具有第一表面和第二表面的靶，以及设置在所述背板和所述第二表面之间的粘接层。所述靶的第一表面与处理区域流体接触以及所述靶的第二表面朝所述背板定向。所述靶组件可包括多个靶。
文档编号C23C14/34GK101979705SQ201010518678
公开日2011年2月23日 申请日期2007年6月22日 优先权日2006年6月23日
发明者吉瑞伊恩·杰里·陈, 布拉德利·O·斯廷森, 希恩米恩·赫·李, 稻川真, 细川昭弘 申请人:应用材料股份有限公司