CN102859028A - 使用远程等离子体源的介电沉积 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种溅射沉积系统，所述溅射沉积系统包括：真空腔室，所述真空腔室包括用于在所述真空腔室中维持真空的真空泵；进气口，所述进气口用于供应工艺气体到真空腔室；在真空腔室之内的溅射靶材和基板支撑器；和等离子体源，所述等离子体源附着于所述真空腔室且定位于距溅射靶材较远位置，所述等离子体源被配置为形成延伸至真空腔室中的高密度等离子体束。等离子体源可包括矩形截面源腔室、电磁铁和射频线圈，其中矩形截面源腔室和射频线圈被配置为使高密度等离子体束具有细长卵形截面。此外，溅射靶材表面可被设置为非平面形式，以提供均匀等离子体能量沉积至靶材中和/或在基板支撑器上的基板表面处提供均匀溅射沉积。溅射沉积系统可包括用于整形高密度等离子体束的等离子体扩散系统，从而完全且均匀覆盖溅射靶材。

Description

使用远程等离子体源的介电沉积

相关申请的交叉引用

本申请要求享有于2010年3月22日提交的美国临时申请第61/316,306号的权益，所述申请以引用的方式全部并入本文。

发明领域

本发明一般涉及溅射沉积工艺工具，且本发明尤其涉及用于介电材料的高生产率溅射沉积系统，所述系统配置有远离溅射靶材的等离子体源。

发明背景

在由于内部热应力的材料裂缝之前，在介电材料的常规射频（radiofrequency;RF）溅射中的沉积速率受到可施加于靶材的功率密度的限制。介电材料通常为不良的导热体。常规溅射源中的磁控管以跑道图案（racetrackpattern）约束Ar等离子体。如此横跨靶材产生不均匀功率密度，导致靶材的不均匀加热、靶材中的内应力累积以及甚至裂缝。

特别地，用于在制造薄膜电池时溅射沉积锂磷氮氧（LiPON）电解质材料的介电靶材对裂缝敏感。目前，将LiPON薄膜的沉积速率保持较低以避免使靶材材料裂化。存在对于用于沉积LiPON薄膜的改进方法和设备的需要。

发明概述

本发明的实施例提供溅射沉积工具和方法，所述溅射沉积工具和方法为使用Li₃PO₄（磷酸锂）溅射靶材的薄膜电池的LiPON沉积提供制造优点。通过使用诸如由英国的Plasma Quest Ltd.（等离子体快思特有限公司）提供且在美国专利第6,463,873号和第7,578,908号中描述且在www.plasmaquest.com.uk（最后一次于2010年3月19日访问）可知的远程等离子体源，可以实现横跨Li₃PO₄靶材的更均匀氩离子分布。如此产生Li₃PO₄靶材的更均匀加热，从而产生减少的热应力。因此，可以增加功率密度，从而产生较高LiPON沉积速率。

此外，在本文描述对等离子体源的改进和对沉积腔室的改进，所述改进允许使用一般用于半导体集成电路制造中的用于溅射大尺寸介电靶材的远程等离子体源，对于200mm基板的13英寸靶材和对于300mm基板的17英寸靶材。例如，代替圆柱形等离子体源，具有较大纵横比的等离子体源可用来产生适用于覆盖较大靶材尺寸的细长等离子体。可将靶材配置改进以提供更均匀的靶材腐蚀，例如通过将靶材整形以补偿不均匀腐蚀。可使用电磁铁和/或磁铁（永久磁铁或磁性材料）将等离子体在沉积腔室中扩散以覆盖较大靶材。

根据本发明的方面，提供一种溅射沉积系统，所述溅射沉积系统包括：真空腔室，所述真空腔室包括用于在所述真空腔室中维持真空的真空泵；进气口，所述进气口用于供应工艺气体到真空腔室；在真空腔室之内的溅射靶材；在真空腔室之内的基板支撑器；和等离子体源，所述等离子体源附着于真空腔室且定位于距溅射靶材较远位置，所述等离子体源被配置为形成延伸至真空腔室中的高密度等离子体束。等离子体源可包括：矩形截面源腔室；电磁铁；和射频线圈；其中矩形截面源腔室和射频线圈被配置为使高密度等离子体束具有细长卵形截面。此外，溅射靶材表面可被设置为非平面形式，以提供均匀等离子体能量沉积至靶材中和/或在基板支撑器上的基板表面处提供均匀溅射沉积。根据本发明的进一步方面，溅射沉积系统可包括用于整形高密度等离子体束的等离子体扩散系统，从而完全且均匀地覆盖溅射靶材。

附图简要说明

在阅读本发明的特定实施例的以下描述连同附图之后，本发明的这些及其他方面和特征将对本领域中的普通技术人员显而易见，在所述附图中：

图1为具有远程等离子体源的现有技术溅射沉积系统的透视图；

图2为第一现有技术溅射沉积系统的源腔室和工艺腔室的示意性截面图；

图3为图示由于腔室螺线管的磁通线的图2的示意性截面图。

图4为具有用于转向等离子体束的转向磁铁的第二现有技术溅射沉积系统的源腔室和工艺腔室的示意性截面图；

图5为具有用于转向等离子体束的转向磁铁的第三现有技术溅射沉积系统的源腔室和工艺腔室的示意性截面图；

图6为第四现有技术溅射沉积系统的源腔室和工艺腔室的示意性截面图；

图7为图6的溅射沉积系统的替代现有技术靶材部件的细节；

图8为根据本发明的某些实施例的远程等离子体源的第一实例的示意图；

图9为根据本发明的某些实施例的远程等离子体源的第二实例的示意图；

图10为产生非均匀膜厚度的靶材几何形状的实例的截面图；

图11为根据本发明的某些实施例的用于改进膜厚均匀性的靶材几何形状的实例的截面图；

图12为根据本发明的某些实施例用于整形等离子体的系统配置的第一实例的示意图；和

图13为根据本发明的某些实施例用于整形等离子体的系统配置的第二实例的示意图。

具体描述

现将参照附图详细描述本发明的实施例，所述附图作为本发明的说明性实例提供以便使所属领域技术人员能够实践本发明。明显地，下文的附图和实例并不意味将本发明的范围限于单个实施例，而通过互换所描述或图示的元件中的某些或所有元件，其他实施例也是可能的。此外，在本发明的某些元件可以部分或全部地使用已知部件实施的情况下，仅将描述对于理解本发明所必需的所述已知部件的那些部分，且将忽略所述已知部件的其他部分的详细描述以免模糊本发明。在本说明书中，展示单个部件的实施例应不会被视为限制；相反的是，本发明打算涵盖包括多个相同部件的其他实施例，且反之亦然，除非在本文中另外明确叙述。此外，申请者不打算使本说明书或权利要求书中的任何术语归属于罕见或特殊的意义，除非同样明确地阐述。进一步，本发明涵盖通过说明在本文中所指的已知部件的当前及未来的已知等同物。

Li₃PO₄（磷酸锂）溅射靶材用于薄膜电池的电解沉积。更具体地说，锂磷氮氧（LiPON）电解材料在氮环境中通过溅射沉积磷酸锂而沉积。为了减少靶材的不均匀加热，利用远程等离子体源来避免在靶材处将氩等离子体约束为跑道图案的常规磁控溅射源的不均匀功率密度。远程等离子体源横跨Li₃PO₄靶材提供更均匀氩离子分布。如此产生Li₃PO₄靶材的更均匀加热，从而产生减少的热应力。因此，可以增加功率密度，从而产生较高LiPON沉积速率。远程等离子体源的实例为由英国的Plasma Quest Ltd.提供且在美国专利第6,463,873号和第7,578,908号中描述且在www.plasmaquest.com.uk（最后一次于2010年3月19日访问）可知的等离子体源。

具有远程等离子体源的溅射沉积系统在受让给英国的Plasma Quest Ltd.的美国专利第6,463,873号中描述。在本文中参照图1至图5提供所述系统的细节。

图1图示具有工艺腔室3和源腔室2的Plasma Quest（等离子体快思特）的现有技术系统的外观，所述源腔室2具有相关的线圈10。

图2图示第一Plasma Quest的现有技术系统的示意图。在图2中图示大体上圆柱形真空腔室1，所述真空腔室1具有第一截面的源腔室2、较大截面的工艺腔室3和锥形截面的终止端4。源腔室具有可将被离子化的工艺气体引入的进口5。工艺腔室3具有用于排空真空腔室1的在7处附着于真空泵的出口6，在设备的使用时，引起工艺气体通过设备的流动。终止端4是被螺旋排列的水管8水冷；终止端4的端部包括用于观察在腔室中产生的等离子体“P”的玻璃观察孔9。螺旋缠绕的线圈环形天线10具有四匝且为黄铜带形式，且所述线圈环形天线的端部彼此电绝缘，其中一个端部连接到RF电源11且另一个端部连接到大地。四匝中的每一个与相邻匝以大约一厘米或两厘米间隔开。天线的全长度为大约六厘米至八厘米。射频电源的频率为13.56MHz。有一环形螺线管形式的源磁铁（source magnet）12围绕天线且与天线同轴，所述源磁铁12具有稍大于所述天线外径的内径且与所述天线电气隔离。螺线管磁铁12是通过连接至电源（未图示）而起动。有另一环形螺线管形式的腔室磁铁13围绕腔室1的终止端4，所述腔室磁铁13具有比源磁铁12更大的直径。

图2的示例性设备具有由石英制成的源腔室2和一百五十毫米的内径、较宽的工艺腔室3和具有与源腔室2的初始直径相同的初始直径的终止端4，但所述终止端4在远离工艺腔室3的方向中成锥形。在真空泵于7处开启的设备的使用时，源螺线管12和腔室螺线管13分别且都开启，其中两个螺线管的绕组在相同方向上产生平行于工艺腔室轴线的磁场，且腔室磁铁13产生比源磁铁的磁场效应（5×10^-3特斯拉）更大的个别磁场效应（5×10^-2特斯拉），但其中各个磁场的通量被连接以相对于螺旋缠绕线圈天线10的主轴（纵轴）整体产生非轴向磁场。所述非轴向磁场的典型通量线图示于图3中，所示图3图示与图2的设备相同类型的设备。然而，应当注意，因为通常将有关于磁场的某些不均匀性，所以使用均匀磁场并不是必需的。磁场如此形成意味在使用时存在以远离天线10方向增加的磁梯度3，并且所产生的RF电场必须与真空腔室中的磁通量线相互作用。另外，冷却水通过螺旋排列的管8并且氩（被离子化的）气存在于排空的真空腔室1中，腔室压力范围应优选介于7×10^-5mbar与2×10^-2mbar之间。

在图2中图示的设备的操作图示在低压下形成高密度等离子体束P。特别地，氩离子效率在5kW的功率及8×10^-4mbar的压力下经计算为超过百分之三十。

图4图示作为图2中所示的设备的添加的转向磁铁40的使用。所述转向磁铁为定位在工艺腔室3的一侧上的环形螺线管的形式（如图所示顶部）。在使用时，螺线管磁铁的极性确定等离子体束P是否朝向转向磁铁40偏斜或转向（如图所示），或者确定等离子体束P是否远离磁铁。转向等离子体束的能力在其中控制等离子体相对于基板的方向非常重要的某些涂布方法中可能具有相当大的好处，例如定位在工艺腔室3上部或下部中的基板。就此而言，图5图示具有与靶材的平面平行但不共线的中央纵轴的源腔室的使用。靶材被定位以使得从源腔室进入工艺腔室的等离子体需要大体上朝靶材偏斜。

图5的设备包括圆柱形真空腔室1，所述圆柱形真空腔室1具有工艺腔室51和源腔室52，在所述源腔室52中部署RF螺旋缠绕线圈天线53。在腔室1中还存在靶材54和基板55，所述靶材54具有待溅射的材料表面，且靶材材料将沉积在所述基板55中。在工艺腔室51顶部（如图所示）的电磁装置56与源腔室52相对或在天线的右侧，且定位在工艺腔室51周围的进一步电磁装置57在设备使用时提供磁性装置以产生磁场，所述磁场通过与设备使用时的RF天线53的电场分布（profile）相互作用，产生高密度等离子体波。

在图5的设备使用时，例如再次将气体在箭头G的方向引入到腔室中将为通过真空泵（未图示）在箭头V的方向动作而排空腔室1，如此允许通过从螺旋缠绕线圈天线53传播的高密度等离子体波产生非常高强度的等离子体，且允许根据通常用在靶材54和基板55之间的参考字母P指示的虚线区域中的电磁装置56、57呈现非常高强度的等离子体。

在图5中，从存在于源腔室中的天线63在靶材54和基板55之间且因此远离腔室的涂布区域产生高强度等离子体P的能力清楚地得到避免或至少最小化来自天线的RF泄漏的可能性，因为大体上无腔室内壁的涂布将在天线53附近的源腔室中发生。

有可能通过使角度超过图5中所示的九十度，例如一百三十五度，使源腔室52具有对图5中所示的定向的不同定向。此举将给予避免从天线53的RF泄漏的更大可能性，因为甚至更少涂层应将对源腔室52的壁起作用。

具有远程等离子体源的溅射沉积系统的进一步细节在受让给英国的Plasma Quest Ltd.的美国专利第7,578,908号中描述。在本文中参照图6至图7提供所述系统的进一步细节。

图6图示第四Plasma Quest现有技术系统。在图6中，真空腔室101和由泵送系统102泵送腔室的可控制真空装置配备有远程等离子体产生系统103、圆柱形靶材部件104、直流电源105、环形电磁铁106和能够产生100高斯至500高斯的轴向磁场的相关联直流电源107、基板载体（substrate carrier）108、活门部件（shutter assembly）109和可控制工艺气体馈送系统110。远程等离子体产生系统103包括安装在真空腔室101上的石英管112外部的线圈天线111、围绕在石英管112与真空腔室101的连接处或附近的石英管112的环形电磁铁113、13.56MHz的交流射频发生器14和连接到线圈天线111的阻抗匹配网络15，和电气连接至环形电磁铁113且能够结合产生100高斯至500高斯的轴向磁场的直流电源16。圆柱形靶材部件104包括真空腔室通孔17，所述真空腔室通孔17馈送水和供电到安装部件18，从而所述安装部件18被水冷且能够具有从真空腔室外部的电源施加到所述安装部件18的电压。另外，将靶材材料19安装在安装部件18周围，从而通过本领域中众所周知的方法确保良好的电接触和热接触。另外地，为了避免通孔17和安装部件18的溅射，在所述通孔17和安装部件18安装到腔室的周围提供电接地的遮护板20。基板载体108本质上提供定位和支撑待在真空腔室之内涂布的基板21的方法。载体可被水冷或包括控制基板温度的加热器，载体可能够具有施加到所述载体的电压以协助控制沉积膜性质，且载体可包括旋转和/或倾斜基板以改进均匀性的装置，且载体自身能够在真空腔室之内移动和/或旋转。提供活门部件109以使得在“闭合”位置处，靶材溅射可在不涂布基板的情况下发生。工艺气体馈送系统110包括用于一种或多种工艺气体或工艺气体混合物的一个或多个进气口，每一气流例如使用商用质量流量控制器可控制，且工艺气体馈送系统110可选择地在真空腔室之内包括气体混合歧管和/或气体分配系统。可向真空腔室提供单个进气口，然后一种或多种工艺气体通过正常低压扩散工艺或定向管道分配给所有部分的真空。

在图6的Plasma Quest现有技术系统中，将靶材部件构造以便提供直径为12mm且暴露长度为大约275mm的不锈钢靶材材料表面，且所述不锈钢靶材材料表面放置在真空腔室中的等离子体汽缸之内。将在此实例中由玻璃制成的待涂布的基板21以离靶材的110mm的距离装入基板载体108中。将活门部件109设置到闭合位置。然后，将真空腔室1由泵送系统102泵送到适合于工艺的真空压力，例如低于1×10^-5托的压力。然后，使用工艺气体馈送系统110流动至少一种工艺气体（例如氩气）至真空腔室中。流率和选择性的真空泵送速率被调节以提供溅射工艺的适当工作压力，例如3×10^-3托的工作压力。电磁铁106和113连同所述电磁铁106和113各自的电源107和16然后用来横跨真空腔室产生强度大约100高斯至300高斯的磁场。所述磁场的精确形状和强度将达到通过系统的其余部分的精确几何形状和要求决定的程度。在此实例中，环形电磁铁113被通电以在环形电磁铁113中心产生200高斯的磁场强度；环形电磁铁106被通电以在环形电磁铁106中心产生200高斯至250高斯的磁场强度。每一环形电磁铁的磁“极”相同（即磁“极”吸引），产生横越腔室的大约圆柱形磁通量。远程等离子体是通过经由匹配网络15从发生器14施加例如2kW的射频功率到线圈天线111产生。与如上所述产生的磁场相结合，此举导致横跨腔室且围绕靶材部件104产生高密度等离子体。在此实例中，等离子体状态被设置为18.5sccm的氩气流、4×10^-3托的真空系统压力、施加到线圈天线的0.75kW射频功率，线圈电磁铁113的轴向磁场为大约200高斯且线圈电磁铁106的轴向磁场为大约250高斯。如此产生具有特有淡蓝色显色的强烈氩等离子体，表示大约1×10¹³cm^-3的等离子体密度的存在。在此实例中的远程等离子体产生系统产生直径大约80mm的圆柱形等离子体，所述圆柱形等离子体可通过环形电磁铁106和113引导到真空腔室中且约束为相同的大约圆柱形和直径。来源于远程等离子体产生源的等离子体可使用环形电磁铁6和13引导且整形以完全覆盖整个靶材材料表面，无等离子体密度的损失或不均匀性，即靶材材料的存在不阻碍或有害地影响等离子体。

图6的Plasma Quest现有技术系统的进一步优点在于尽管放置在高密度等离子体之内，靶材部件也大体上不加热，即使在无水冷的情况下。通过远程等离子体系统产生且被磁场约束的等离子体不由靶材的存在而被破坏。如此是由于尽管等离子体整体为圆柱形，等离子体产生区域为管状且具有类似于石英管112的直径的直径，因此等离子体产生区域不由较小直径靶材截取。由于等离子体产生区域也为大部分远程等离子体产生系统能量引导至的区域，所以仅截取所述区域的项目大体上加热。然后，直流电源105可用来施加负极性电压到圆柱形靶材部件104。如此从吸引到靶材的靶材附近的等离子体中产生离子，如果电压超过靶材材料的溅射阈值（一般地超过65伏特），那么将发生靶材材料溅射。由于所述示例性系统的溅射速率大约与超过所述阈值的电压成比例，所以通常将施加600伏特或600伏特以上的电压；对于极高速率的应用，可以使用较高的电压，例如1200伏特的电压。在此实例中，使用直流电源105将500V的负极性直流电压施加于靶材部件（且从而施加于靶材材料）达一分钟的时段。产生所述电流所需的等离子体密度大约为1.76×10¹³cm^-3。在允许靶材表面清洁和稳定的例如5分钟的可选时间延迟之后，可将活门部件109设置为开启位置，以将面对圆柱形靶材部件的基板21的表面暴露于溅射材料，从而将基板表面涂布靶材材料19的薄膜。在通过基板表面处的所需薄膜厚度和沉积速率确定的时间之后，可设置活门部件109到闭合位置并且到基板上的沉积终止。因此，可根据需要关闭各种电源和气流，且使用例如氮气或空气的适当气体将真空系统通向大气压力，以允许被涂布基板的恢复和后续使用。

使用诸如图6中所示的现有技术Plasma Quest系统，且使用如靶材材料的不锈钢，对应于1.17nm.s^-1的沉积速率，基板可涂布有厚度为70nm的不锈钢薄膜，其中沉积区域围绕对于大约150mm纵向长度的沉积均匀的靶材部件限定汽缸。因此，基板可以放置于其上用于均匀涂布的区域为大约1×10⁵mm²。

在其他现有技术系统中，通过磁性感应的90度弯曲且电压偏压至500V的负极性、在相似条件下操作且引导至平面100mm直径靶材的如上所述用于图6的相同等离子体源将在大约8×10³mm²的均匀沉积区域上产生低于0.3nm.s^-1的沉积速率。

在图6的现有技术Plasma Quest系统中，将适当大小的大体上圆柱形靶材放置在来源于远程等离子体源的圆柱形等离子体之内，所述远程等离子体源在沉积速率和沉积区域中给出显著改进。由于处于在靶材之外和靶材周围的等离子体产生管，圆柱形等离子体并非通过将靶材放置在圆柱形等离子体之内而熄灭。所述配置将等离子体使用的效率最大化，因为靶材表面邻近于横跨真空腔室传播的整个等离子体产生管。

在图6的Plasma Quest系统的第一现有技术替代实施例中，靶材材料19和安装部件18具有例如六角形的非圆形外部截面。此截面可能优于原始实施例的大体上圆形截面，以例如使构造更容易或者向基板提供改进的沉积均匀性。

在图示于图7中的图6的Plasma Quest系统的第二现有技术的替代实施例中，单个靶材材料19是由例如六角形截面安装部件18上的两种或两种以上不同靶材材料，例如三种靶材材料22和23和24替代，以便将不同材料涂层引导至真空腔室的不同区域。

图6的靶材部件4可选择性地包括将靶材部件4围绕靶材部件4的纵轴旋转的装置。所述装置允许例如可随意选择地将材料重新引导至不同基板位置，因此所述装置提供将不同薄膜材料连续沉积到基板上的基础。或者，旋转可为连续的且足够快速的，例如100rpm，以致基板有效地接收作为靶材材料混合物的薄膜涂层。所述两种能力在薄膜涂层工业中都有广泛应用。

在图6的Plasma Quest系统的第三现有技术替代实施例中，靶材遮护板20被延伸以覆盖靶材材料和安装部件的全长，且靶材遮护板20包括孔从而允许等离子体仅在那些位置与靶材相互作用且溅射靶材，由此限制和限定待溅射的目标区域和溅射发生至其中的真空腔室的区域。所述替代实施例当与包含若干靶材材料的靶材结合时尤为有用且意味着如先前所述的旋转，因为所述替代实施例能够降低材料在基板处的交叉沾污。

设想Plasma Quest系统的进一步替代现有技术实施例。例如，远程等离子体产生源仅需要在所述远程等离子体产生源的出口向真空腔室提供管状产生区域，并且因此远程等离子体产生源可例如由“helicon（螺旋波）”天线源提供。替代的例如40MHz的射频可用来将远程等离子体源天线通电。多于两个电磁铁或永久磁铁可用来引导和约束等离子体；例如放置在图6中所示的那些电磁铁之间的附加电磁铁可用来改进磁约束并且由此允许使用较长靶材长度，同时在基板可以放置的沉积区域中有相应增加。

已经认识到，图6的现有技术Plasma Quest系统还可以用于反应溅射工艺，所述反应溅射工艺为其中经由气体馈送系统110引入反应气体或蒸气以与一种或更多种溅射靶材材料反应，且因此在基板上沉积化合物薄膜的工艺。例如，可参照图6将氧气引入如上所述的溅射工艺和替代实施例以沉积氧化物薄膜，例如在存在氧气的情况下通过溅射铝靶材以沉积氧化铝，或在存在氧气的情况下通过溅射硅靶材以沉积二氧化硅。

英国的Plasma Quest Ltd.公开溅射沉积以下材料的Plasma Quest现有技术系统的使用/潜在使用：金属Ag、Al、Au、Bi、Co、Cr、Cu、Fe、Hf、In、Mg、Mn、Mo、Nb、Ni、Pb、Pt、Sn、Ta、Ti、W、Y，Zn和Zr；电介质AlN、Al₂O₃、PbO、SiO₂、Ta₂O₅、NbO₅、TiO₂、Ti_xO_2x-1、TiN、HfO₂、CuO、In₂O₃、MgO和氮氧化物及次氧化物；透明传导氧化物Sn:InO(ITO)、In:ZnO(IZO)、Al:ZnO (AZO)和ZnO；和磁性材料Co、CoFe、Fe和NiFe。请参见www.plasmaquest.com.uk（最后一次访问于2010年3月19日）。然而，未公开LiPON的溅射沉积和/或Li₃PO₄靶材材料的使用。

英国的Plasma Quest Ltd.也公开了以下应用领域中的Plasma Quest现有技术系统的使用/潜在使用：柔性电子、透明传导氧化物、磁性媒体、高移动性薄膜晶体管（Thin Film Transistor;TFT）、光子学和精密光学装置、滤光器、波导材料、光致发光装置、场致发光装置、阻挡层、保护和耐磨涂层和湿涂层的替代。请参见www.plasmaquest.com.uk（最后一次访问于2010年3月19日）。然而，未公开薄膜电池的应用领域。

本发明包括对如上所述系统的改进以能够有效地利用远程等离子体源在较大基板上溅射沉积，诸如200mm和300mm的基板。

对远程等离子体源的改进

现有技术中使用的圆柱形远程等离子体源只可产生相对受限的等离子体区域。所述区域将可被溅射的靶材的尺寸限制为直径为几英寸，或宽度为几英寸且长度低于40英寸的矩形靶材。通过将等离子体产生区域的截面改变为细长形状，来源应能够覆盖更通常用于IC处理的靶材尺寸（200mm为13"且300mm为17"）。参见图8和图9，图8和图9图示用于延长等离子体截面的远程等离子体腔室配置的实例。

图8图示具有矩形截面源腔室802和第一RF线圈810的远程等离子体源的示意图。可见等离子体880具有细长卵形截面。

图9图示具有矩形截面源腔室902和第二RF线圈910的远程等离子体源的示意图。可见等离子体980具有细长卵形截面。请注意RF线圈810和910等同于由Plasma Quest所描述的RF天线，所述RF天线与电磁铁结合使用以形成高密度等离子体束。

图8和图9的矩形截面源腔室的预期尺寸的一些实例对于200mm的扩散光束在宽度上为200mm至250mm，而对于300mm的扩散光束在宽度上为300mm至350mm。所述源腔室的高度和深度可分别大约为50mm和200mm至300mm。

靶材改进

在溅射腔室中，沉积层的膜厚度均匀性是由腔室几何形状（靶材和基板大小，以及靶材到基板间距）、靶材表面上的腐蚀图案，以及工艺和材料因素确定。均匀的靶材腐蚀是合乎需要的，因为均匀的靶材腐蚀提供靶材材料的高利用率，且显著地降低可最终导致沉积膜中的缺陷的溅射靶材材料再沉积的机会。然而，除非靶材大体上大于基板，否则所述排列的膜厚度均匀性将受损，如此会降低整体材料利用率。

此外，理想的是将等离子体能横跨靶材表面均匀地沉积以减少靶材之内的热应力，并且降低靶材开裂和微粒产生的机会。此举可如下所述通过将靶材整形以及通过扩散等离子体来实现。

通过将靶材整形，可以由于两个因素将膜厚度均匀性最佳化：增加靶材到基板间隔降低沉积速率；将靶材表面的部分远离等离子体区域移动将降低腐蚀速率。在由于磁控管的所得复杂形状的常规溅射源的情况下，非平面靶材排列非常难以设计和制造。因为当使用远程等离子体源时不需要磁控管，所以唯一的困难是靶材的可制造性，所述靶材可被锻造、铸造或铺砌而成。图10和图11提供改进膜厚均匀性的整形靶材的实例。图10图示使用等离子体1065从靶材1070将具有不均匀厚度的溅射的薄膜1075沉积在基板1060上的图。当与图10的薄膜1075相比，图11图示具有改进膜厚均匀性的薄膜1085，所述薄膜1085从具有等离子体1067的整形靶材1080沉积在基板1060上。整形靶材1080图示具有凹面。

覆盖整个靶材区域的等离子体扩散

在诸如半导体晶片的环形基板的情况下，最高的材料利用率是由圆形溅射靶材提供。然而，由远程等离子体源产生的等离子体束将通常仅覆盖靶材的总区域的一部分。为了覆盖整个靶材区域，由电磁铁产生作用于沉积腔室上的磁场必须以引起等离子体扩散开的方式改变。此举可以分别通过使用如图12和图13中所示的附加电磁铁或可能通过永久磁铁或磁性材料完成。

图12图示在除使用电磁铁1291和1293之外还使用电磁铁1295的沉积腔室中，在具有RF线圈1210的源腔室中产生的被扩散以形成等离子体1283的等离子体1281。磁场线1285图示于沉积腔室中。

图13图示在除使用电磁铁1291和1293之外还使用永久磁铁（或磁性材料）1397的沉积腔室中，在具有RF线圈1210的源腔室中产生的被扩散以形成等离子体1383的等离子体1281。磁场线1385图示于沉积腔室中。

图12和图13中页面（page）的平面穿透靶材和定位在基板支撑器上的基板之间的等离子体。页面的平面平行于基板表面，且页面的平面平行于具有平面表面的靶材的靶材表面。附加磁铁的磁场线应与电磁铁1283和1291产生的磁场线平行。请注意，对于磁铁1397，所述片磁性材料（钢或永久磁铁）可用来扭曲由电磁铁1291和1293产生的磁场。此外，不同的磁铁和电磁铁可放置在真空腔室的内部之外，或不同的磁铁和电磁铁可适当地封装且放置在工艺配件（process kit）外部的真空腔室之内。

尽管本发明已在本文中参照LiPON描述，但是本发明适用于各种各样的介电靶材，诸如在半导体工业中使用的那些介电靶材。在本文描述对等离子体源的改进和对沉积腔室的改进允许使用一般用于半导体集成电路制造中的用于溅射大尺寸介电靶材的远程等离子体源，对于200mm基板的13英寸靶材和对于300mm基板的17英寸靶材。

尽管本发明已参照本发明的某些实施例特定描述，但是应对本领域中的普通技术人员显而易见的是，可在不背离本发明的精神和范围的情况下进行形式和细节上的变化和修改。

Claims (15)

1.一种溅射沉积系统，所述溅射沉积系统包括：

真空腔室，所述真空腔室包括用于在所述真空腔室中维持真空的真空泵；

进气口，所述进气口用于供应工艺气体到所述真空腔室；

在所述真空腔室之内的溅射靶材；

基板支撑器；和

等离子体源，所述等离子体源附着于所述真空腔室且定位于距所述溅射靶材较远位置，所述等离子体源被配置为形成延伸至所述真空腔室中的高密度等离子体束，所述等离子体源包括：

矩形截面源腔室；

电磁铁；和

射频线圈；

其中所述矩形截面源腔室和所述射频线圈被设置为使所述高密度等离子体束具有细长卵形截面。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述射频线圈螺旋缠绕所述矩形截面源腔室。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述射频线圈是以螺旋形成在所述矩形截面源腔室的较长侧上。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述基板支撑器被设置为用于圆形基板且所述溅射靶材是圆形。

5.一种溅射沉积系统，所述溅射沉积系统包括：

真空腔室，所述真空腔室包括用于在所述真空腔室中维持真空的真空泵；

进气口，所述进气口用于供应工艺气体到所述真空腔室；

在所述真空腔室之内的溅射靶材；

基板支撑器；

等离子体源，所述等离子体源附着于所述真空腔室且定位于距所述溅射靶材较远位置，所述等离子体源被配置为形成延伸至所述真空腔室中的高密度等离子体束；和

等离子体扩散系统，所述等离子体扩散系统用于整形所述高密度等离子体束，从而完全且均匀地覆盖所述溅射靶材。

6.如权利要求5所述的系统，其中所述基板支撑器被设置为用于圆形基板且所述溅射靶材是圆形。

7.如权利要求4或6所述的系统，其中所述溅射靶材具有大约十三英寸的直径。

8.如权利要求4或6所述的系统，其中所述溅射靶材具有大约十七英寸的直径。

9.如权利要求5所述的系统，其中所述等离子体扩散系统包括第一多个电磁铁。

10.如权利要求5所述的系统，其中所述等离子体扩散系统包括永久磁铁和第二多个电磁铁。

11.如权利要求5所述的系统，其中所述等离子体源包括射频天线和电磁铁。

12.如权利要求1或5所述的系统，其中所述溅射靶材的表面被配置为非平面形式，以在所述基板支撑器上的基板表面处提供均匀溅射沉积。

13.如权利要求12所述的系统，其中所述溅射靶材的表面为凹形。

14.如权利要求1或5所述的系统，其中所述溅射靶材的表面被配置为非平面形式，以提供均匀等离子体能量沉积到所述溅射靶材中。

15.如权利要求1或5所述的系统，其中所述溅射靶材包含磷酸锂。

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