DC磁控溅射设备和方法与流程

本发明涉及一种用于在基底上沉积膜的dc磁控溅射设备。本发明还涉及在基底上沉积膜的相关方法。
背景技术：
：现今，许多mems(微机电系统)装置利用压电材料，诸如氮化铝(aln)以及二元金属氮化物，诸如氮化铝钪(alscn)作为装置控制中的组件。在许多装置中，沉积的压电薄膜的应力装置对装置的性质和有效性具有直接的影响。诸如膜状物和悬臂(cantilever)的装置是所沉积的压电薄膜的应力状态极其重要的装置的实例。一些装置适用于具有适度压缩应力的膜，而其它装置适用于具有适度拉伸应力的膜。许多装置仅要求存在小的应力变化，而无关该应力的性质是压缩性还是拉伸性。高度(002)取向的氮化铝晶粒对于许多mems装置的恰当功能是关键的。为了实现良好的晶粒结构(texture)，重要的是利用高真空沉积环境和高晶片温度。高的靶功率(对于200mm的晶片，大于5kw)导致由于氮化铝冷凝的放热焓而产生升高的温度。理想地，沉积膜的应力状态在整个晶片是完全均匀的，值接近于零。这将产生适用于高产率装置制造的均匀的装置性能。然而，该理想状态由于多种因素(诸如膜厚、粒子轰击和温度)的变化而未实现。通常来说，400℃或更高的相对高的晶片温度对于形成具有良好结构的氮化铝晶体是必要的，但是该高温导致形成处于拉伸状态的膜。本质上纯的热引起的氮化铝沉积在所沉积的膜上具有相对均匀的应力分布。然而，该膜被沉积成高度拉伸应力状态。该均匀性归因于沉积期间的高度均匀的晶片温度，其进而由于沉积期间在晶片表面上等离子体物质的温和且均匀的冷凝而实现。然而，随着晶片冷却和松弛而由于收缩所引起的膜的裂缝是一个重大的问题。由于膜的裂缝而导致晶片的中心处应力的崩塌。图1示出了作为晶片上的径向位置的函数的热沉积的氮化铝膜的应力值。可以看出，膜的整个应力状态是高度拉伸的。还可以看出，在膜上，应力值具有约100mpa的变化。如果利用rf功率(施加至晶片以产生dc偏压)通过dc磁控溅射来沉积氮化铝膜，则在所沉积的膜上观察到不同的应力特性。图2示出了对于dc磁控溅射沉积(施加rf功率以产生dc偏压)的氮化铝膜，作为径向位置的函数的应力。可以看出，与图1相比，平均应力值显著降低。在图2示出的应力分布图中，平均应力为约50mpa且最大应力值为约250mpa。图2中的应力分布图的均匀性显著低于图1中的应力分布图的均匀性，其中，图2中观察到约500mpa的变化。因此，晶片上的应力的变化为膜的平均应力的约10倍。可以容易地解释这些结果。该施加的rf功率产生dc偏压并且在晶片表面上产生相关的电场。这就增加了从等离子体到晶片表面的离子轰击。该离子轰击使所沉积的膜压实以产生更加压缩的应力状态。具有较低拉伸应力的氮化铝膜可适用于用在许多mems装置中。对于许多应用，范围在-50mpa至+50mpa的应力值是可取的，但是膜上的高度的应力不均匀性是不可取的。应力的不均匀性归因于溅射系统中磁控管的经典设计，其配置用于在晶片上实现均匀的沉积厚度。这就导致了靶材在靶材边缘处比在靶材中心处侵蚀更多。进而导致与靶材中心相关的“次要”侵蚀区域，以及与靶材的边缘相关的“主要”侵蚀区域。尽管该配置对于保持均匀的膜厚是理想的，但是本发明人已经意识到当利用施加的rf功率来控制平均应力时，存在问题。与中心处相比，靶材边缘处的主要侵蚀区域的位置导致在靶材边缘处产生远远更大程度的电离。与中心处相比，晶片表面的电场则在边缘产生远远更大量的离子轰击，并且从而产生中心更拉伸且边缘更压缩的膜。对于给定的靶材尺寸，晶片尺寸的增加将由于主要侵蚀区的大的影响而导致晶片的中心处和晶片边缘处的应力之间的较大差异。非常希望提供一种沉积氮化铝膜的方式，该氮化铝膜在性质上不具有强拉伸性，但是与利用dc偏压的磁控溅射的现有技术方法(例如，用于产生图2所示结果的方法)相比，在晶片上具有降低的应力变化。技术实现要素：本发明，至少在本发明的一些实施方式中解决了这些问题和需要。尽管本发明尤其适用于沉积氮化铝膜，但是也可适用于沉积其它材料。根据本发明的第一方面，提供了用于在基底上沉积膜的dc磁控溅射设备，所述dc磁控溅射设备包括：腔室；放置在所述腔室内的基底支撑件；dc磁控管；以及用于提供电偏压信号的电信号供应装置，在使用中所述电偏压信号致使离子轰击放置在所述基底支撑件上的基底；其中，所述基底支撑件包括被边缘区域环绕的中心区域，所述中心区域相对于所述边缘区域是凸起的。在使用期间，可将平整的基底放置在基底支撑件的中心区域上，从而该基底的一部分覆盖边缘区域。随后，使基底的覆盖边缘区域的部分与边缘区域间隔开。令人惊奇的是，已经发现，这种布置能够在沉积膜上提供显著改善的应力均匀性。另一优点是沉积膜的平均应力可以相对较低。这使得沉积膜适合于许多有用的应用，例如在mems中。基底支撑件可包括从所述边缘区域通向所述中心区域的台阶。台阶可具有0.1mm至1.0mm范围内的高度。优选地，台阶具有在0.2mm至0.5mm范围内的高度。中心区域可限定基本上平整(planar)的高台(plateau)区域。电信号供应装置可供应rf偏压信号。电偏压信号可导致dc偏压的产生，该dc偏压将导致离子轰击基底。通常，电偏压信号被施加至基底支撑件。dc磁控管可为脉冲式dc磁控管。可替代地，dc磁控管可为非脉冲式dc磁控管。通常，dc磁控管包括靶材。该靶材由合适的材料制成，作为成膜工艺的一部分，可从靶材溅射出该合适的材料。dc磁控管可为平衡式磁控管或非平衡式磁控管。该设备可包括旋转装置，用于在膜沉积期间使所述基底旋转。该旋转装置可形成该基底支撑件的一部分。该旋转装置可为位于基底支撑件中的盘状物(puck)。基底支撑件可为平台。可以多种方式常规地制造包括中心区域和边缘区域的本发明的基底支撑件。可使用研磨工艺来制造基底支撑件。当基底支撑件在边缘区域和中心区域之间包括台阶时，这是非常便利的。根据本发明的第二方面，提供了一种用于在基底上沉积膜的方法，所述方法包括以下步骤：将所述基底放置在腔室内的基底支撑件上；以及利用dc磁控溅射工艺在所述基底上沉积所述膜，在所述dc磁控溅射工艺中，电偏压信号致使离子轰击所述基底；其中，所述基底支撑件包括被边缘区域环绕的中心区域，所述中心区域相对于所述边缘区域是凸起的，以及所述基底被放置在所述中心区域，从而所述基底的一部分覆盖所述边缘区域并且与所述边缘区域间隔开。该膜可为金属氮化物膜。该膜可为氮化铝膜。该膜可为(002)取向的氮化铝膜。该膜可为二元金属氮化物膜，诸如alscn膜。然而，原则上，该膜可为可通过dc磁控溅射沉积的任意膜。本发明尤其适用于沉积这样的膜：公差严格且需要严格控制应力均匀性。膜可通过反应性溅射来沉积。所述电偏压信号可产生dc偏压。所述电偏压信号可为rf偏压信号。通常，基底延伸超过边缘区域。通常，基底支撑件具有相关的直径，并且基底具有相关的直径。在这些实施方式中，基底的直径通常大于基底支撑件的直径。基底可在膜的沉积期间旋转。据发现，这可在膜上进一步改善膜应力的均匀性。该膜可为薄膜。在沉积已经完成后，该膜可具有100微米或更小的厚度。然而，本发明也可用于沉积任意所需厚度的膜。dc磁控溅射工艺可在范围在1至20mt的腔室压力下进行。在dc磁控溅射工艺期间，基底支撑件可处于范围在100℃至400℃的温度下。电偏压信号可具有范围在-20v至50v的电压。通常，该基底为平的基底，诸如晶片。该基底可为半导体基底，诸如，半导体晶片。该基底可为硅基底。尽管如上描述了本发明，但是本发明扩展至上文或下文、附图或权利要求所述的特征的任意创造性组合。例如，结合本发明的第二方面，还公开了与本发明的第一方面相关的任意特征，反之亦然。附图说明现将参照所附附图来描述根据本发明的设备和方法的实施方式，其中：图1示出了对于热磁控沉积工艺，作为晶片径向位置的函数的aln膜应力；图2示出了对于磁控沉积工艺，作为晶片径向位置的函数的aln膜应力，在磁控沉积工艺中，rf功率被施加至晶片；图3示出了本发明的装置；图4为本发明的基底支撑件的侧视图；图5示出了利用两个台阶式基底支撑件得到的作为晶片径向位置的函数的aln膜应力；图6示出了作为晶片径向位置的函数的不对称aln膜应力分布图；图7为具有基底旋转装置的台阶式基底支撑件的剖视立体图；以及图8示出了对于在沉积期间旋转的晶片，作为晶片位置的函数的ain膜应力。具体实施方式图3示出了本发明的设备(总体标记为30)。该设备30包括腔室32，该腔室32容纳有dc磁控装置34；靶材36；通过磁控装置34从该靶材36溅射出材料；以及基底支撑件38，该基底支撑件38支撑在其上沉积所需材料的基底(未示出)。在图3所示的实施方式中，腔室是圆柱形的，然而原则上也可利用其它腔室形状。为了简化说明，图3中未示出磁控溅射装置的其它常见部分，诸如气体入口和出口。dc磁控装置34包括靶材背板34a，其用作腔室32的盖。使靶材36结合至靶材背板34a。将可旋转的磁体34b放置为靠近且与靶材背板34a和靶材36的面相反。从dc功率供应源40将脉冲式dc功率施加至靶材36。将rf功率从rf功率供应源42施加至基底支撑件38以将dc电偏压提供至基底支撑件。通常，尽管本发明在该方面不受限制，但是根据常规，在13.56mhz下驱动基底支撑件38。利用控制器44来控制功率供应源40、42的操作。控制器44可为具有合适图形用户界面的计算机。在使用中，将晶片放置在基底支撑件38上，驱动该基底支撑件以产生负dc偏压。将合适的气体混合物引入到腔室中，并且将脉冲式负的高dc电压施加至靶材背板34a/靶材36，其中，靶材背板34a/靶材36从而用作阴极。这就产生了高密度的等离子体。晶片位于阴极的主侵蚀路线(track)内，其中该主侵蚀路线由磁体34b的旋转路径决定。不希望受任何特定的理论或猜想的限制，据认为，靶材的边缘处的电离程度远远大于中心处的电离程度，晶片上的dc偏压在晶片的边缘处所产生的离子轰击多于晶片的中心处所产生的离子轰击。这被认为在晶片上通常产生高度的应力不均匀性。图4更详细地示出了基底支撑件38。可以看出，基底支撑件是台阶式平台的形式，具有边缘区域38a，该边缘区域38a经由台阶38c与凸出的中心区域38b相连。边缘区域38a和中央区域38b被支撑在支撑结构38d上。如本领域所熟知的，支撑结构38d能够使平台升高和降低。图4还示出了放置在基底支撑件38上的平的基底晶片46。如图4所示，平的基底晶片46与中心区域38b平齐，因此相对于边缘部分38a是凸出的。定制基底晶片46的尺寸使得伸出边缘区域38a并与其间隔开。不希望受任何特定的理论或猜想的限制，据认为，基底支撑件38的台阶式轮廓具有两个效果。首先，rf耦合在晶片基底的边缘处降低，从而离子轰击相对于晶片的中心降低。这使得沉积膜的边缘轮廓更具拉伸性。由于晶片的中心也是拉伸的，因此晶片上的应力的变化减小。其次，在晶片基底的边缘处，基底支撑件和晶片基底之间没有直接的接触，这被认为能够减少基底支撑件对晶片的接触冷却。晶片基底在整个沉积过程因离子轰击而被加热。由于晶片的中心与基底支撑件的中心区域38b热接触，所以晶片的中心区域被基底支撑件冷却。晶片基底的边缘不会受到直接接触冷却，因此经受较高的温度。这使得衬底的边缘更具拉伸性，从而再次起到减小晶片上应力的总体变化的作用。应当知晓的是，常规现有技术的基底支撑件是平的，其中晶片与基底支撑件在其整个区域内接触。表1提供了常规现有技术的平的平台以及本发明两个实施方式中的平台(表示为标记1和标记2)的尺寸。在表1中，x对应于台阶的高度，y对应于中心区域的直径，z对应于边缘区域的直径。这些尺寸适用于支撑直径为200mm的晶片。通常，台阶的高度小于1.0mm，但是应当知晓的是，基底支撑件的台阶高度和其它尺寸可以适当地变化，以便对于所需的基底尺寸产生加热和rf条件的最佳组合，并且使得所沉积的膜具有所需的平均应力特性，同时保持晶片下方的“暗空间”，即没有等离子体。使用标记1和标记2基底支撑体，进行在晶片上沉积aln膜的实验。相关的工艺条件如下表2所示。表1.用于200mm晶片的标准型和2个台阶型的平台尺寸。工艺步骤参数范围脉冲式dc功率(kw)1～10脉冲频率(khz)&持续时间(μsec)5～100，1～10腔室压力(mt)1～12气体流量(sccm)5～40ar/5～80n2平台温度(℃)100～400基底偏压(伏特)-20～45靶材与晶片之间的间隔(cm)3～9表2.用于aln沉积的工艺参数范围图5示出了使用本发明的标记1平台和标记2平台获得的作为晶片径向位置的函数的应力分布图。曲线50示出了使用标记1平台获得的应力分布图，曲线52示出使用标记2平台获得的应力分布图。可以看出，两种情况下的平均应力均具有适度的拉伸性，其中标记2平台在沉积的aln膜中产生的平均应力具有略微更大的拉伸性。对于标记1平台，膜上的应力变化为约140mpa，对于标记2平台，膜上的应力变化为约100mpa。相比之下，使用常规平的平台沉积的aln膜表现出约250mpa的膜上的应力变化。已经观察到，影响沉积膜中的应力不均匀性的另一因素是晶片上非径向分量的存在。在某些情况下，已经发现，从晶片基底的一半到另一半的应力可能存在很大的变化。图6示出了应力分布图60，其表现出从晶片的一半到另一半的不对称轮廓。不希望受任何特定的理论或猜想的限制，据认为上述不对称性可能归因于通过腔室的等离子体电位的小的变化。晶片表面上1v至2v的电位变化可导致约100mpa的应力差。在实践中，由于硬件的小的不对称性，难以避免该量级的电压变化。该问题可通过使用本发明的基底支撑件并且在沉积工艺期间旋转晶片来克服。旋转可以以各种方式完成，然而优选的是在该工艺中，使晶片进行360度全转动。尽管原则上在沉积期间能够连续地旋转晶片，但是一个实际的解决方案是在数个步骤中沉积膜并且在沉积步骤之间旋转该晶片。这在晶片上产生平均效应，但是改善了厚度均匀性和应力均匀性。图7示出了台阶式平台70，该平台70具有位于平台中心的盘状物72，其在沉积步骤之间使晶片升高和旋转。这是使晶片能够通过沉积工艺旋转的便利方式。图8示出了利用图7所示的基底支撑件获得的作为晶片径向位置的函数的应力分布图80。可以看出，获得了优异的且几乎完全对称的分布图，其中，晶片的应力的变化相对较小(约90mpa)。本发明可应用于包括其它金属氮化物在内的一系列膜。本发明特别适用于公差严格的沉积工艺，特别是要求所沉积的膜应力高度均匀的沉积工艺。当前第1页12