用于物理氣相沉積腔室靶材的冷卻環(huán)的制作方法
【專利摘要】提供用于物理氣相沉積的設(shè)備和方法。在一些實(shí)施方式中，在物理氣相沉積腔室中冷卻靶材的冷卻環(huán)可包括環(huán)形主體，環(huán)形主體具有中心開口；入口端口，該入口端口耦接至主體；出口端口，該出口端口耦接至主體，冷卻劑通道，該冷卻劑通道設(shè)置在主體中并且具有第一端部和第二端部，該第一端部耦接至入口端口，該第二端部耦接至出口端口；以及帽件，該帽件耦接至主體并且實(shí)質(zhì)上跨越中心開口，其中該帽件包括中心孔。
【專利說明】用于物理氣相沉積腔室靶材的冷卻環(huán)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的實(shí)施方式大體涉及物理氣相沉積處理裝備。
【背景技術(shù)】
[0002]物理氣相沉積(PVD)是用于將材料沉積于基板頂上的傳統(tǒng)使用的工藝。傳統(tǒng)的物理氣相沉積工藝示例性地包括以來自等離子體的離子轟擊包含源材料的靶材，使源材料從靶材濺射出來。經(jīng)由形成于基板上的負(fù)電壓或偏壓，噴射出的源材料可朝基板加速，導(dǎo)致源材料沉積于基板頂上。在物理氣相沉積處理期間，磁控管(magnetixm)可在靠近靶材背側(cè)充滿水的腔體內(nèi)旋轉(zhuǎn)以促進(jìn)等離子體的均勻性。該充滿水的腔體用于除去在處理期間產(chǎn)生的熱。然而，該充滿水的腔體阻礙了磁控管的可維護(hù)性(serviceability)并且干擾了射頻能量通過周圍結(jié)構(gòu)向靶材饋送。
[0003]因此，本發(fā)明人提供了一種改良的設(shè)備以執(zhí)行物理氣相沉積處理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]提供用于物理氣相沉積的設(shè)備和方法。在一些實(shí)施方式中，在物理氣相沉積腔室中冷卻靶材的冷卻環(huán)可包括環(huán)形主體，環(huán)形主體具有中心開口；入口端口，該入口端口耦接至主體；出口端口，該出口端口耦接至主體，冷卻劑通道，該冷卻劑通道設(shè)置在主體中并且具有第一端部和第二端部，該第一端部耦接至入口端口，該第二端部耦接至出口端口；以及帽件，該帽件耦接至主體并且實(shí)質(zhì)上跨越中心開口，其中該帽件包括中心孔。
[0005]在一些實(shí)施方式中，在物理氣相沉積系統(tǒng)中使用的靶材組件可包括靶材，該靶材包括源材料，該源材料待沉積于基板上；冷卻環(huán)，該冷卻環(huán)耦接至靶材并且具有一個(gè)或更多個(gè)冷卻劑通道，這些冷卻劑通道設(shè)置在冷卻環(huán)中以使冷卻劑流動(dòng)通過冷卻環(huán)；中心腔體，中心腔體鄰近于靶材的背側(cè)，中心腔體至少部分地由冷卻環(huán)的內(nèi)壁界定；以及可旋轉(zhuǎn)的磁體組件，該可旋轉(zhuǎn)的磁體組件設(shè)置在腔體內(nèi)。
[0006]在一些實(shí)施方式中，一種在物理氣相沉積腔室中處理基板的方法可包括以下步驟:從靶材濺射材料以將該材料沉積于該基板上，該靶材設(shè)置于該物理氣相沉積腔室中并且該基板支撐在該物理氣相沉積腔室內(nèi)；以及使冷卻劑流動(dòng)通過冷卻劑通道，該冷卻劑通道設(shè)置于冷卻環(huán)的主體中，該冷卻環(huán)耦接至該靶材與該基板相對(duì)的一側(cè)。
[0007]本發(fā)明的其它和進(jìn)一步的實(shí)施方式將描述如下。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]可參照描繪于附圖中的本發(fā)明的說明性實(shí)施方式來理解以上簡(jiǎn)要概述的和以下更詳細(xì)地論述的本發(fā)明的實(shí)施方式。然而，應(yīng)注意的是附圖僅圖示本發(fā)明的典型實(shí)施方式并且因此不應(yīng)被視為對(duì)本發(fā)明范圍的限制，因?yàn)楸景l(fā)明可允許其他等效的實(shí)施方式。
[0009]圖1描繪根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的處理腔室的示意性剖視圖。
[0010]圖2A描繪根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的冷卻環(huán)的示意性俯視圖。[0011]圖2B描繪根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的冷卻環(huán)的側(cè)剖視圖。
[0012]為了便于理解，已盡可能地使用相同的參考數(shù)字來標(biāo)示各圖共有的相同元件。附圖未按比例繪制并且為了清楚起見可予以簡(jiǎn)化。預(yù)期一個(gè)實(shí)施方式的元件和特征結(jié)構(gòu)可有益地并入其他實(shí)施方式中而無需進(jìn)一步敘述。
【具體實(shí)施方式】
[0013]在此提供基板的物理氣相沉積(PVD)處理方法與設(shè)備。在一些實(shí)施方式中，經(jīng)改良的設(shè)備可消除對(duì)物理氣相沉積腔室中的水腔體的需求，從而提高射頻效率并且簡(jiǎn)化靶材和磁控管組件的除去，例如在維護(hù)期間或在安裝時(shí)和/或更換靶材時(shí)。
[0014]圖1描繪根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的物理氣相沉積(PVD)腔室100的示意性剖視圖。合適的物理氣相沉積腔室的實(shí)例包括ALPS? Plus和SlP ENCORE?物理氣相沉積處理腔室，兩者均可購(gòu)自位于美國(guó)California (加利福尼亞)州Santa Clara (圣克拉拉)市的Applied Materials, Inc.(應(yīng)用材料公司)。來自應(yīng)用材料公司或其他制造商的其他處理腔室亦可受益于本發(fā)明在此披露的設(shè)備。
[0015]在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，如圖1所示，物理氣相沉積腔室100包括靶材組件102，靶材組件102設(shè)置于處理腔室104頂上。處理腔室104包含可移動(dòng)的基板支撐件146，可移動(dòng)的基板支撐件146用于將基板148支撐在與靶材組件102相對(duì)的位置中。
[0016]靶材組件102可被并入處理腔室104的蓋體，并且靶材組件102通常包括靶材106和冷卻環(huán)118，冷卻環(huán)118耦接至靶材106。冷卻環(huán)118部分地界定腔體134，腔體134鄰近于靶材106的背側(cè)。靶材組件可進(jìn)一步包括可旋轉(zhuǎn)的磁控管組件136，磁控管組件136具有可旋轉(zhuǎn)的磁體組件168，磁體組件168設(shè)置于腔體134中。靶材組件102可進(jìn)一步包含射頻功率源108以在處理期間將射頻能量提供至靶材106。在一些實(shí)施方式中，可提供電極112(例如射頻施加桿(applicator rod)),電極112經(jīng)由冷卻環(huán)118將射頻功率源108 I禹接至靶材106。例如，在一些實(shí)施 方式中，電極112可穿過開口 150并且可耦接至冷卻環(huán)118，開口 150位于接地屏蔽(ground shield) 140的外側(cè),接地屏蔽140圍繞祀材組件102。射頻功率源108例如可包括射頻發(fā)生器和匹配電路，以在操作期間將反射回射頻發(fā)生器的反射射頻能量最小化。
[0017]在操作期間，處理所產(chǎn)生的熱由冷卻環(huán)118除去。雖然本文是關(guān)于環(huán)的描述，冷卻環(huán)118卻不必是圓形的并且可具有其他幾何形狀，諸如矩形或其它多邊形形狀，根據(jù)需要用于特定處理腔室的配置。通過經(jīng)由冷卻環(huán)將來自處理過程的熱除去，與充滿水的腔體相t匕，該設(shè)計(jì)能有利地除去來自具有充滿水的腔體所致的不期望的結(jié)果。例如，通過消除為了維護(hù)而將冷卻劑從靶材后面的封閉腔體排出的需求，冷卻環(huán)的使用導(dǎo)致靶材源以及磁體源的更換明顯的簡(jiǎn)化。此外，在祀材燒穿(burn through)的情況下,不致有冷卻劑充滿腔室的危險(xiǎn)。另外，由于射頻能量不會(huì)被在靶材后面的充滿水的腔體吸收而浪費(fèi)，使得射頻效率提聞。
[0018]在一些實(shí)施方式中，冷卻環(huán)118包括主體125，主體125具有一個(gè)或更多個(gè)冷卻劑通道116、117，冷卻劑通道116、117設(shè)置于主體125中。在一些實(shí)施方式中，主體125可以是環(huán)形的。在一些實(shí)施方式中，冷卻劑通道116、117設(shè)置成鄰近主體125的周圍。冷卻劑通道的數(shù)量和冷卻劑通道的幾 何形狀可根據(jù)特定工藝的需要確定，亦考慮到冷卻環(huán)的結(jié)構(gòu)要求以支撐任何其他部件。
[0019]冷卻劑源110可經(jīng)由一個(gè)或更多個(gè)導(dǎo)管114耦接至冷卻環(huán)118，導(dǎo)管114設(shè)置成通過接地屏蔽140中的開口以將冷卻劑提供至冷卻劑通道116、117。冷卻劑可以是任何工藝兼容的冷卻劑，諸如乙二醇、去離子水、全氟聚醚(perfluorinated polyether)(諸如Galden⑧，可購(gòu)自Solvay S.A.公司)或類似物，或以上各者的組合。在一些實(shí)施方式中，盡管精確流量將取決于待執(zhí)行的工藝、冷卻劑通道的配置、可用的冷卻劑的壓力或類似條件，通過冷卻劑通道116、117的冷卻劑流量可為約I加侖至約7加侖每分鐘。
[0020]在一些實(shí)施方式中，帽件122可耦接至主體125以覆蓋冷卻劑通道116、117。帽件122可以任何合適的方式耦接至主體125以防止冷卻劑的泄漏。在一些實(shí)施方式中，帽件122可通過真空或非真空硬焊(brazing)、電子束焊接、粘合劑或其他接合劑或類似物稱接至主體125。在一些實(shí)施方式中，帽件122可以是具有中心開口 124的盤(disc)或板(plate)，以便于容納磁控管組件136的軸170。或者，可以提供插入物(insert)(未示出)以密封一個(gè)或更多個(gè)冷卻劑通道116、117。在一些實(shí)施方式中，插入物可以任何合適的方法被焊接到帽件122下方的一個(gè)或更多個(gè)冷卻劑通道116、117中，所述方法諸如電子束焊接、鶴極惰性氣體保護(hù)電焊接(tig welding)、激光焊接、硬焊或類似方法。
[0021]在一些實(shí)施方式中，主體125和帽件122可由以下至少之一制造:銅、鋁、青銅(bronze)、黃銅(brass)、不銹鋼、以上各者的的合金(諸如銅鉻合金)或類似物。主體125和帽件122可由相同的材料制成，或由不同的材料制成。在主體125和/或帽件由鋁制成的實(shí)施方式中，可將防腐蝕涂層施加到冷卻劑通道116、117，和視情況施加到暴露于冷卻劑通道116、117的帽件122的表面以防止冷卻劑的腐蝕。一個(gè)這種涂層的實(shí)例是Henkel
Technologies (漢高科 技)的注冊(cè)商標(biāo)-Alodine⑧。在一些實(shí)施方式中，帽件122和主
體125的外表面例如可以是鍍銀的，以增強(qiáng)主體125和帽件122的射頻導(dǎo)電性。
[0022]圖2A描繪根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的冷卻環(huán)118的示意性底視圖，其中冷卻環(huán)118包括冷卻劑通道116。圖2B描繪根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的冷卻環(huán)118的側(cè)剖視圖，其中冷卻環(huán)118包括冷卻劑通道116。
[0023]參照?qǐng)D2A-B，在一些實(shí)施方式中，可提供通過帽件122和/或主體125的一個(gè)或更多個(gè)冷卻劑入口端口(圖2A示出一個(gè)入口端口 210)和一個(gè)或更多個(gè)冷卻劑出口端口(圖2A示出一個(gè)出口端口 214)以促進(jìn)冷卻劑循環(huán)通過冷卻劑通道116。在一些實(shí)施方式中，冷卻劑通道116可包括導(dǎo)管204，導(dǎo)管204與主體125緊密熱接觸以容納冷卻劑。在一些實(shí)施方式中，導(dǎo)管204可由不銹鋼、銅、黃銅、青銅或類似物制成。在一些實(shí)施方式中，可將導(dǎo)管204設(shè)置在外部包覆件(cladding)或主體(未示出)內(nèi)，主體可被壓配合(press fit)到冷卻劑通道116中以確保導(dǎo)管204與冷卻劑通道116側(cè)壁之間優(yōu)越的熱接觸。例如，在一些實(shí)施方式中，可使不銹鋼管嵌入鑄件中并且壓配合到冷卻劑通道116中。在一些實(shí)施方式中，導(dǎo)管204可被鍛壓(swaged)或硬焊到某一部分(諸如鋁主體)中，以提高熱連接。在一些實(shí)施方式中，冷卻劑通道116或設(shè)置在冷卻劑通道116中的導(dǎo)管204，可被設(shè)置成回路(loop)或其它類似配置，該配置在鄰近的冷卻劑通道116或?qū)Ч?04中提供了冷卻劑逆流。這種逆流配置可有利于增進(jìn)從冷卻環(huán)118除去熱。
[0024]主體125可以任何合適的方式耦接至靶材106以提供穩(wěn)健(robust)的熱耦接，諸如通過螺栓或其它緊固件、夾子、彈簧、重力或類似者。在一些實(shí)施方式中，在主體125中可提供多個(gè)孔206 (如圖2B所示)，以便于將靶材106拴(bolting)至主體125。在一些實(shí)施方式中，將熱箔(thermal foil)作為熱導(dǎo)體使用可增進(jìn)部件之間的熱連接，所述熱箔諸如經(jīng)圖案化的銅或招箔、grafoil.? (可購(gòu)自GrafTech International)或類似物。經(jīng)圖案化的銅或鋁箔可在絲網(wǎng)(screen)上受壓而形成經(jīng)圖案化的表面，該經(jīng)圖案化的表面包括多個(gè)凸起的表面，以將共形(conformal)形態(tài)添加至所述箔。
[0025]返回到圖1，冷卻環(huán)118可在主體125的第二端部130處耦接至靶材106。在一些實(shí)施方式中，主體125可以是具有第一端部126的管狀構(gòu)件，該第一端部126耦接至帽件122的面向祀材的表面128,該第一端部126鄰近帽件122的周圍邊緣。在一些實(shí)施方式中，主體125進(jìn)一步包括第二端部130，第二端部130耦接至靶材106的面向帽件的表面132 (或耦接至靶材106的背板)，第二端部130鄰近靶材106的周圍邊緣。在一些實(shí)施方式中，與靶材周圍接觸的第二端部130的寬度在0.75英寸至2英寸的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施方式中，當(dāng)位于處理腔室中的適當(dāng)位置時(shí)，祀材106可進(jìn)一步通過介電隔離器(dielectricisolator) 144而被支撐在接地的導(dǎo)電招適配器(adapter) 142上。
[0026]在一些實(shí)施方式中，可將隔離器板138設(shè)置于帽件122與接地屏蔽140之間，以防止射頻能量被直接發(fā)送(route)到地。隔離器板138可包含合適的介電材料，諸如陶瓷、塑料或類似材料。 或者，可提供空氣間隙來代替隔離器板138。在提供空氣間隙代替隔離器板的實(shí)施方式中，接地屏蔽140可具良好結(jié)構(gòu)而足以支撐設(shè)于接地屏蔽140上的任何部件。
[0027]在一些實(shí)施方式中，腔體134可由主體125的面向內(nèi)部的壁、帽件122的面向靶材的表面128、以及靶材106的面向帽件的表面132界定。腔體134和中心開口 115可用來至少部分地容納可旋轉(zhuǎn)的磁控管組件136的一個(gè)或更多個(gè)部分。如本文所用，諸如當(dāng)主體125是環(huán)形時(shí)，會(huì)以復(fù)數(shù)描述面向內(nèi)部的壁，但也包括單數(shù)情況。
[0028]例如，可旋轉(zhuǎn)的磁控管組件136可被定位成鄰近靶材106的背面(例如，面向帽件的表面132)(或鄰近背板，當(dāng)存在時(shí))?？尚D(zhuǎn)的磁控管組件136包括旋轉(zhuǎn)磁體組件168，旋轉(zhuǎn)磁體組件168包含多個(gè)布置在底板(base plate)上的磁體。該旋轉(zhuǎn)磁體組件168耦接至軸170以提供旋轉(zhuǎn)。在一些實(shí)施方式中，軸170可與物理氣相沉積腔室100的中心軸線重合。在一些實(shí)施方式中(未示出)，旋轉(zhuǎn)軸170可被設(shè)置成相對(duì)于物理氣相沉積腔室100的中心軸線偏離中心。電動(dòng)機(jī)172可耦接至旋轉(zhuǎn)軸170的上端，以驅(qū)動(dòng)磁控管組件136旋轉(zhuǎn)。接地屏蔽140具有中心開口 115，以允許旋轉(zhuǎn)軸170穿過帽件122中的孔124并且連接到底板168。在一些實(shí)施方式中，旋轉(zhuǎn)軸170包含絕緣體120，以防止射頻能量向上傳播(propagating up)至軸170而至電動(dòng)機(jī)172。旋轉(zhuǎn)磁體組件168在物理氣相沉積腔室100內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)，通常平行于和靠近靶材106的表面以捕獲(trap)電子并且增加局部等離子體密度，進(jìn)而增加濺射速率。旋轉(zhuǎn)磁體組件168在物理氣相沉積腔室100的頂部周圍產(chǎn)生電磁場(chǎng)，并且旋轉(zhuǎn)磁體組件168會(huì)旋轉(zhuǎn)以使電磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，這會(huì)影響處理過程的等離子體密度以更均勻地濺射靶材106。
[0029]在一些實(shí)施方式中，圖1示出接地屏蔽140覆蓋物理氣相沉積腔室100的位于靶材106上方的至少某些部分。在一些實(shí)施方式中(未示出),接地屏蔽140亦可延伸至革巴材106下方以包圍處理腔室104。接地屏蔽140可包含任何合適的導(dǎo)電材料，諸如鋁、銅或類似物。提供絕緣間隙139以防止射頻能量被直接發(fā)送到地。絕緣間隙139可被填充空氣或其他合適的介電材料，諸如陶瓷、塑料或類似材料。[0030]雖然前述為關(guān)于本發(fā)明的實(shí)施方式，但在不背離本發(fā)明基本范圍的情況下，亦可設(shè)計(jì)出本發(fā)明的其他和進(jìn)一步的實(shí)施方式。
【權(quán)利要求】
1.一種冷卻環(huán)，所述冷卻環(huán)用于在物理氣相沉積腔室中冷卻靶材，所述冷卻環(huán)包含: 環(huán)形主體，所述環(huán)形主體具有中心開口 ； 入口端口，所述入口端口耦接至所述主體； 出口端口，所述出口端口耦接至所述主體； 冷卻劑通道，所述冷卻劑通道設(shè)置在所述主體中以使冷卻劑流動(dòng)通過所述冷卻環(huán)，并且所述冷卻劑通道具有第一端部和第二端部，所述第一端部耦接至所述入口端口并且所述第二端部耦接至所述出口端口；以及 帽件，所述帽件耦接至所述主體并且實(shí)質(zhì)上跨越所述中心開口，其中所述帽件包括中心孔。
2.如權(quán)利要求1所述的冷卻環(huán)，其中所述主體由以下至少之一制成:銅、鋁或青銅。
3.如權(quán)利要求2所述的冷卻環(huán)，其中所述帽件由以下至少之一制成:銅、鋁或青銅。
4.如權(quán)利要求3所述的冷卻環(huán)，其中所述主體和所述帽件是鍍銀的。
5.如權(quán)利要求1所述的冷卻環(huán)，其中所述冷卻劑通道沿所述主體的外周圍設(shè)置。
6.如權(quán)利要求1所述的 冷卻環(huán)，進(jìn)一步包含: 多個(gè)冷卻劑通道，所述多個(gè)冷卻劑通道設(shè)置于所述主體中。
7.如權(quán)利要求1所述的冷卻環(huán)，其中所述帽件耦接至所述主體以充分密封所述冷卻劑通道。
8.一種靶材組件，所述靶材組件在物理氣相沉積系統(tǒng)中使用，所述靶材組件包含: 靶材,所述靶材包含源材料,所述源材料待沉積于基板上； 如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所描述的冷卻環(huán)，所述冷卻環(huán)耦接至所述靶材；以及中心腔體，所述中心腔體鄰近于所述靶材的背側(cè)并且所述中心腔體至少部分地由所述冷卻環(huán)的內(nèi)壁界定，其中所述中心腔體被調(diào)整尺寸以容納可旋轉(zhuǎn)的磁體組件。
9.如權(quán)利要求8所述的靶材組件，其中所述靶材包含背板，所述背板耦接至所述原材料并且支撐所述原材料，其中所述冷卻環(huán)耦接至所述靶材的所述背板。
10.如權(quán)利要求8所述的靶材組件，其中所述腔體以所述帽件的面向靶材的表面、所述靶材的面向帽件的表面以及所述冷卻環(huán)的所述主體做為邊界。
11.如權(quán)利要求8所述的靶材組件，進(jìn)一步包含冷卻劑源，所述冷卻劑源耦接至所述冷卻劑入口端口。
12.如權(quán)利要求8所述的靶材組件，進(jìn)一步包含射頻源，所述射頻源耦接至所述靶材組件。
13.如權(quán)利要求8所述的靶材組件，進(jìn)一步包含: 可旋轉(zhuǎn)的磁體組件，所述可旋轉(zhuǎn)的磁體組件設(shè)置在所述腔體內(nèi)；以及軸，所述軸耦接至所述可旋轉(zhuǎn)的磁體組件，其中所述軸設(shè)置成通過所述帽件的所述中心孔。
14.一種在物理氣相沉積腔室中處理基板的方法，所述方法包含以下步驟: 從靶材濺射材料以將所述材料沉積于所述基板上，所述靶材設(shè)置于所述物理氣相沉積腔室中，所述基板支撐在所述物理氣相沉積腔室內(nèi)；以及 使冷卻劑流動(dòng)通過冷卻劑通道，所述冷卻劑通道設(shè)置于冷卻環(huán)的主體中，所述冷卻環(huán)耦接至所述靶材與所述基板相對(duì)的一側(cè)。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述冷卻劑通道使冷卻劑圍繞所述冷卻環(huán)的所述主體周圍 循環(huán)。
【文檔編號(hào)】C23C14/35GK103764869SQ201280042073
【公開日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2012年8月28日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月2日
【發(fā)明者】布賴恩·韋斯特, 吉留剛一, 拉爾夫·霍夫曼 申請(qǐng)人:應(yīng)用材料公司