具有反向弯曲靶几何形状的溅射靶 |
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申请号 | CN201680012888.8 | 申请日 | 2016-02-23 | 公开(公告)号 | CN107406972A | 公开(公告)日 | 2017-11-28 |
申请人 | 东曹SMD有限公司; | 发明人 | R.S.贝利; J.严; M.K.霍尔库姆; A.莱博维奇; | ||||
摘要 | 提供大致平坦的溅射靶,其具有面向 磁控管 组件中的磁体的反向弯曲表面(即,凸部)。提供制造 铜 和铜 合金 靶的方法,其包括在1100-1300F的 温度 下进行 退火 步骤约1-2小时的时间。由所述方法制造的靶具有约30-90微米的增加的晶粒尺寸。 | ||||||
权利要求 | 1.大致平坦的溅射靶,其具有凸状表面形式的初始反向弯曲,所述初始反向弯曲呈现大于0.04%的弯曲百分比,所述反向弯曲适于在溅射期间继续弯曲。 |
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说明书全文 | 具有反向弯曲靶几何形状的溅射靶[0001] 相关申请的交叉引用 技术领域背景技术[0004] 具有面向常规磁控管组件中的磁体的平坦表面的靶典型地在使用期间朝向真空室弯曲。该条件导致升高的靶的电压放电。在一些情况下,如果放电电压达到电源的合规水平(compliance level),则电力无法维持。该“合规”水平有时被称作溅射系统阈值。 [0005] 有点类似的问题可发生在常规的Cu和Cu合金靶中。典型地,这些靶被制造成对于纯Cu具有20微米或更小的非常细的晶粒尺寸和对于Cu合金具有15微米以下的非常细的晶粒尺寸。如果这样的靶在高放电电压下溅射,则其可产生令人担忧的问题。发明内容 [0006] 在本发明的一个方面中,提供大致平坦的溅射靶,其具有凸状表面形式的初始反向弯曲(弓形)。该反向弯曲呈现大于0.04%的弯曲百分比。所述反向弯曲适于在溅射期间持续弯曲。 [0007] 弯曲百分比可如下计算: [0008] x/y×100=%靶弯曲 [0009] 其中x=在靶的中轴处测量的平坦靶表面和弯曲靶表面之间的距离(mm);其中y=靶直径(mm)。 [0010] 在其它实施方案中,所述反向弯曲具有在约0.04%至0.25%的范围内的弯曲百分比。在一些情况中,靶可包括Cu、Al、Ti、或Ta、或这些元素的合金。 [0011] 在一些示例性实施方案中,溅射靶可为单片式(整体式,monolithic)溅射靶,或在其它实施方案中,溅射靶可经由扩散连接、爆炸连接(explosion bonding)、或经由机械联锁(interlocking)型连接而连接至背板。 [0012] 本发明的其它实施方案旨在适于接纳(reception)在如下类型的溅射室中的溅射靶:所述溅射室具有将用从所述靶溅射的材料涂覆的基底。磁体源被定位成靠近靶以用于在所述室内产生磁场。所述溅射靶具有溅射表面,材料从所述溅射表面被溅射至所需的基底上,并且所述溅射靶具有靠近磁体源的相对表面。在某些实施方案中,所述靶的相对表面可包括面向磁体源的凸状表面。在其它实施方案中,所述靶的溅射表面可包括大致凹状的形状。 [0013] 在本发明的其它实施方案中,提供Cu或Cu合金溅射靶,其具有约30至90微米的晶粒尺寸。 [0014] 本发明的某些方面涉及用于由Cu或Cu合金原料制造Cu或Cu合金溅射靶的方法。所述方法可包括例如以下步骤: [0016] b)热机械加工所述铸锭以形成板; 附图说明[0020] 图1为与根据本发明的弯曲靶组合示出的磁控管溅射组件的示意图;和 [0021] 图2为与常规靶构造相比较的根据本发明的弯曲靶的一半的示意性横截面,其中常规靶轮廓以虚线示出。 具体实施方式[0022] 参照附图,在图1中显示阴极溅射室2的示意性横截面。所述室限定密封的壳体,密封的壳体由外壳26限定。典型地,对所述室抽真空,并且在整个室(横跨室)施加电压,使得溅射靶4设置有负电压并且正电压被施加在所述室(或室护罩-未显示)的靠近基底(例如,晶片)基座8的部分上。工作气体例如Ar被允许进入所述室。密封件22、24被设置成在外壳26内在靶的支撑(mount)处围绕所述靶。 [0023] 当氩被允许进入所述室中、DC电压被施加在带负电荷的靶和所述室的带正电荷的部分之间时,Ar被激发成等离子体,其中带正电荷的氩离子被吸引至带负电荷的靶4。靶4可由Cu、Al、Ti、或Ta、或这些金属的合金构成。离子以巨大的能量撞击靶,使得靶原子从靶溅射表面18被溅射至位于基座8上的晶片等,从而使靶材料的膜形成在所需基底例如晶片等上。 [0025] 将结合图2进一步说明本发明,图2为图1中所显示的靶的一半的示意性横截面图。此处,靶的中轴由Y轴限定,其中X轴指靶表面的径向位置。注意,实际靶将由如下表示:两个该图中所显示类型的靶的一半的对称性组合,其中Y轴作为中轴延伸穿过靶。 [0026] 靶的面向磁体6的侧20设置有弯曲横截面,其沿着该表面20限定凸状形状。如相对于由靶表面20的径向边缘30所限定的平面测量的,在一个实施方案中,在中轴处,该凸部在其尖顶处超过约0.2至0.4mm的阈值。在其它实施方案中,所述靶具有约0.4至1mm的弯曲。虽然申请人不受任何特定操作理论约束,但是据认为,当在标准条件下溅射平坦溅射靶时,靶的磁体侧20的弯曲(即,面向磁体的凸状几何形状)对于等离子体放电电压具有显著影响。大多数靶在溅射期间自然弯曲进入真空室。可通过改变初始形状而改变靶弯曲的方向。通过对靶的磁体侧提供初始向外弯曲,所述靶在其升温(加热)和膨胀时(在溅射期间)将在该向外的方向上继续弯曲。计算机建模已经显示,如果初始向外弯曲超过阈值(~0.2至 0.4mm),则靶将在溅射期间继续向外弯曲。 [0027] 相比于向内弯曲的靶,向外弯曲的靶将以低放电电压溅射(在相同条件下)。在其中等离子体阻抗问题限制靶寿命的某些溅射系统中,较低的放电电压可为合乎需要的。相比于向内弯曲的靶,向外弯曲的靶在寿命期间将为更稳定的,因为弯曲量在整个靶寿命期间不继续增加。 [0028] 已经制造一些常规的扩散连接的靶,其由于溅射初始阶段期间的应力消除(减轻)而向外弯曲。在这些常规情况中,靶最初是平的。向外弯曲的方向为将初始几何形状改变为倾向于(favour)向外弯曲的几何形状的应力消除的结果。本发明的目的为提供沿着靶的磁体侧20倾向于向外弯曲方向的初始形状(在低应力组件中,例如单片式)。这样的设计会更容易控制,并且可应用于许多不同的组件方法(单片式、扩散连接、机械连接等)。 [0029] 如所显示的,沿着磁体侧20的向外弯曲使该表面定位成更接近磁控管源,这将在靶表面处产生较强的磁场并且容许靶以较低的放电电压溅射。在某些情况下,如果放电电压达到电源的合规限值,则电力无法维持。向外弯曲靶将有助于避免那样的失效模式。 [0030] 进一步参照图2,常规平坦靶的轮廓在100、102处以虚线显示。常规靶的面向磁体6的表面100大致平坦。其与显示面向磁体的凸状面或表面的本发明的靶表面20形成对比,并且如箭头所示,在靶中心处或表面20的向外弯曲的尖顶处,常规表面100和表面20之间的距离超过0.2mm至0.4mm的阈值。在一些情况中,该距离(如箭头所示)为约0.4至1mm。 [0031] 在一些示例性实施方案中,靶4适于溅射涂布在基座8上的晶片,其中所述晶片具有拥有约300mm直径的圆形形状。在一些实施方案中,靶4可具有拥有约450mm直径的圆形形状。在一些实施方案中,如在靶中轴(即,图2中的y轴)处测量的表面20的弯曲则等于或超过靶直径的0.04%或更多。在其它实施方案中,如沿着靶中轴(参见图2中的y轴)测量的表面6的凸状弯曲大于靶直径的0.08%。本发明的其它实施方案具有约0.04%至0.25%或0.08%至0.25%的向外弯曲/靶直径范围。这些均以“向外弯曲%”提及。 [0032] 换而言之,弯曲百分比可如下计算: [0033] x/y×100=%靶弯曲 [0034] 其中x=在靶的中轴处测量的平坦靶表面和弯曲靶表面之间的距离(mm);其中y=靶直径(mm)。 [0035] 在本发明的其它实施方案中,靶溅射表面侧18设置有凹状表面。在某些实施方案中,该凹部为沿着磁体侧20存在的凸部的镜像。沿着靶的溅射表面侧18的凹部有助于迫使靶朝磁体源弯曲。 [0036] 对于表面18的向内(凹状表面形状)弯曲而言,向内距离百分比可在与先前针对凸状表面20所述的相同的范围内。例如,表面的向内弯曲百分比可大于0.04%,或在一些实施方案中大于0.08%。在其它实施方案中,向内弯曲百分比可在约0.04-0.25%的范围内。在一个实施方案中,表面18的向内弯曲百分比与凸状表面20的向外弯曲百分比相同。 [0037] 如所显示的,根据本发明的靶适于用在溅射室中,位于所述室中,介于所需基底和磁体源之间。在优选的实施方案中,靶为没有单独的背板构件的一片式组件。这样的靶在设计上可被称作单片式。本发明的其它实施方案预见如下的靶/背板构造:其中靶经由连接技术(例如扩散、爆炸连接、或机械联锁型连接)连接至背板。 [0038] 在本发明的另一方面中,提供铜(或铜合金)溅射靶,其以比常规靶低的放电电压溅射。在其中等离子体阻抗问题限制靶寿命的某些溅射系统中,较低的放电电压可为合乎需要的。如果电压增加至电源的限值,则电力无法维持。 [0039] 常规的Cu靶被制造成具有非常细的晶粒尺寸,典型地对于纯铜而言在20微米以下,并且对于铜合金而言在15微米以下。作为本发明的一部分,已通过实验确定,如下可降低溅射放电电压:将Cu溅射靶退火以使晶粒尺寸生长超过30微米。一个示例性晶粒尺寸范围为约30至约90微米。电压降低是与通过升温退火产生的微结构改变相关的二次电子产额增加的结果。 [0040] 当靶在溅射期间升温并且膨胀时,其将典型地弯曲进入溅射室中,这增加离磁控管源磁体的距离。该弯曲动作降低在靶表面处的磁场,这导致较高的电压。本发明的第二部分为提供具有朝磁体弯曲的初始形状的靶。这有助于减少溅射期间远离磁体弯曲的量。常规靶为平的。 [0041] 初步测试已制造如下的测试靶:其通过退火以达到>30微米的晶粒尺寸而实现30至40伏特的电压降低。在这点上,我们也已通过如下实现30至40伏特的降低:提供具有初始反向弯曲的几何形状的靶。 [0042] 退火温度为Cu合金组成的函数。对于在这点上测试的Cu 0.5重量%Mn的靶,约大于1100°F的退火温度持续两小时已经被证实是有效的。优选的退火温度为约1100至1292°F。 [0043] 为了形成本发明的Cu靶和Cu合金靶,将原料(即,Cu和合金金属)熔化和铸造以形成铸锭。使所述铸锭经受热机械加工,例如锻造和冷轧,以形成板。然后使所述板经受在约1100至1300°F的温度下进行1至2小时的退火步骤。然后,使所述靶经受表面处理,例如研磨、抛光、搪磨、机械加工等。经如此表面处理的板自身可用作单片式靶,或其可经由常规技术例如扩散连接、爆炸连接、或机械联锁型连接而连接至背板。在一些方面中,该机械联锁型连接工艺可在室温下进行。合适的机械连接技术公开于美国专利6,749,103;6,725,522; 和7,114,643中,在此全部引入作为参考。所有这些专利公开了沿着靶和背板的界面配合表面形成的机械联锁连接。 [0044] 对于可与铜一起存在的合金元素,在一些实施方案中,这些可包括1)Co、Cr、Mo、W、Fe、Nb、或V。在其它实施方案中,合金元素可为2)Sb、Zr、Ti、Ag、Au、Cd、In、As、Be、B、Mg、Mn、Al、Si、Ca、Ba、La、和Ce。组1)和2)中的任何合金元素的混合物也可被认为是示例性的。在大多数情况下,合金元素将以30%或更少的量(原子%)存在。 [0045] 虽然已结合本发明的具体形式描述本发明,但阅读本发明的前述描述的人员将意识到,在全部不偏离所附权利要求中所限定的本发明的精神和范围的情况下,各种各样的等价物可替换在此显示和描述的那些具体要素(元件)和操作步骤,某些特征可独立于其它特征而使用。 |