TW507016B - Method and apparatus for increasing the metal ion fraction in ionized physical vapor deposition - Google Patents

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經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 507016 A7 B7_ 五、發明說明（1 ) 本發明係關於濺鍍塗佈，特別是關於可在基體上塗佈材 料之離子化物理蒸氣沉積（IPVD)。 發明背景： 在半導體之製造過程中，各種尺寸較小、縱橫比較高之 構造物（例如通道、渠溝、及接觸孔）對半導體處理設備之 要求亦較高。舉例而言，在以若干較佳之物理蒸氣沉積 (PVD)製程將襯隔層塗佈於該等構造物底部之接觸件上、 及以導電薄膜填充於該等構造物時，均要求材料在沉積至 基體之移動過程中須具有極高之定向性。尺寸較小、縱橫 比較高之構造物對於定向性之要求亦較高。舉例而言，爲 能將位於基體表面、高縱橫比之窄孔底部之接觸件作有效 之塗佈，塗佈材料之粒子在移動時與法線所形成之角度須 大致不大於該等構造物具稜角之開口，否則將有過多之沉 積物沉積於該等構造物之頂面，而構造物之開口亦有被封 閉之可能。 濺鍍塗佈製程之實施方式基本上係將一基體、及一由高 純度塗佈材料所製成之靶材置於一眞空室内，該眞空室内 裝滿一鈍氣（例如氬）、或一反應氣體（例如氮）；並在該氣 體中產生一電漿。該電漿之產生方式基本上係將該靶材恆 定維持（或間歇維持）在一負電位，使成一陰極，藉以提供 電子，激發該室内之氣體，並於鄰近該靶材表面處形成一 電漿。電漿之產生通常可使用一磁控管陰極總成加以強化 ，其中位於輕材後方之磁鐵可於靶材表面捕集高密度之電 子，電子即於該處與處理氣體產生撞擊，使電子脱離氣體 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 五、發明說明（2 ) 原子，因而產生正離子。氣體離子將朝帶自電 運動，並撞擊乾材之表面，將原子及原子群 材加迷 之粒子自乾材表面擊出；此外亦有二次電 2材材科 出，該等電子有助於電漿之維持。 材表兩擊 在傳統之濺鍍㈣製程巾，自料擊出 爲電中性，該等原子以多種方向在眞空之空間内y子= 中有部份原子擊中基體並黏著其上，因而形成—薄^自、 ::表面所擊出之粒子其行進方向與靶材表面所形 又付合-頗寬之統計分布。目前已有多種方式可使四散之 t子以較爲接近直線之方式，朝向乾材表面、並垂直於乾 材表面而運動。在離子化物理蒸氣沉積（IPVD)之製程中， 塗佈材料係以磁控管濺鍍技術、其他傳統之濺鍍、或蒸鍍 技術，自一靶材中濺擊而出，再將該等粒子離子化，以改 進其定向性，使該等粒子可以靜電方式促其加速、或以其 他I電力万式控制其方向，使其朝向基體、並垂直於基體 而移動。 在離子化物理蒸氣沉積製程中，另有一次要電漿產生於 沉積室内、靶材（或材料來源）與基體間之空間中。經濺擊 之材料粒子將穿過此一空間，並與離子化處理氣體之電子 或介穩中性粒子產生撞擊，如此將使電子脱離經濺擊之粒 子之原子，使剩下之粒子帶正電。經濺擊之材料之正離子 帶正電’可以電力方式使其朝基體之方向加速，例如可使 基體帶負電。離子化物理蒸氣沉積製程其「使塗佈粒子之 運動方向垂直於基體」之有效程度係與「次要電漿將經濺 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 507016 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（3 ) 擊之材料離子化之比例」成比例。 若欲使經濺擊之材料具有較高之離子比例，須使次要電 漿具有較高之電子密度。次要電漿之電子若流失至位於乾 材之主要電漿、或流失至沉積室之結構體（例如壁或遮罩） 中，將大幅降低次要電漿將經濺擊之材料離子化之有效程 度，並導致次要電漿之消失。因此，在離子化物理蒸氣沉 積製程中，須儘量減少電子自次要電漿之損耗，並以其他 方式使經濺擊之材料具有較高之離子化比例。 此外，諸如壁或遮罩···等包圍次要電漿之結構體會 與次要電漿在一稱作鞘層之區域内直接接觸。該鞘層之寬 度係部份決定於次要電漿與該結構體間之電位差。若該結 構體已接地，則基本之稍層寬度在電子密度與電子溫度分 別爲每立方公分101Q個及4伏特（舉例而言）時約爲若干電子 德拜長度（約0.14公厘）。但若該結構體上存在一直流負電 位，該直流負電位將因電漿鞘層之寬度增加而產生吸引電 漿内正離子之效應，導致「電漿使經濺擊之材料具有一較 咼之離子比例」之有效程度降低。爲利於將能量耦合至次 要電漿内（例如來自一外圍線圈），以形成一感應耦合電漿 ，可使圍繞電漿之遮罩及其他結構體作電浮動，此一作法 將增加電子（其在電漿中之速度大於正離子）在遮罩及其他 結構體上產生直流負電荷之傾向，進而使電漿稍層侵入應 爲次要電漿所在之空間。 因此，須有一種離子化物理蒸氣沉積之裝置及方法，可 使經賤擊之材料具有較南之離子化比例，特別是可減少電 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱) ""------ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

507016 A7 B7 五、發明說明（4 ) 濟 慧

I 漿心電子流失（該電漿係指用於將經濺擊之材料離子化之電 桌）。此外，須有一種離子化物理蒸氣沉積之裝置及方法， 其可使經濺擊之材料具有較高之離子化比例，其作法爲： 避免讓包圍一電漿之電漿鞘層（該電漿係指用於將經濺擊之 材料離子化之電漿）伸入次要電漿所在之空間。 發明總結: 一本發明之一主要目的係爲提供一種方法及裝置，藉以提 高離子化物理蒸氣沉積中經濺擊之材料之離子化比例。詳 。之本發月之目的係爲提供該種方法及裝置，可將帶 電粒子自電漿中流失之情形（該電漿係指用於使塗佈材料離 子化之電漿）減至最少或予以減少。 本發明之另一目的係爲提供一種離子化物理蒸氣沉積之 裝置及方法，其中構件之構造及操作可防止一電漿所在區 域内之電磁場受到反效果（該電漿係携用於使塗佈材料離子 化之電漿）。 本發明之另一目的係爲提供一種用於離子化物理蒸氣沉 積t裝置及方法，該種裝置及方法係利用一磁控管磁 產生一主要電漿，用於自一濺擊靶材上有效濺擊出塗佈材 料；該種裝置及方法並利用一次要電漿，使自靶材濺擊出 之材料具有較高之離子化比例。詳言之，本發明之一目的 係爲提供該種方法及裝置，可將次要電漿流失帶電粒子之 情形減至最少或予以減少。 本發明另一明確之目的係爲提供一種離子化物理蒸氣沉 積t万法及裝置，其具有壁、遮罩、或其他可包圍該次要 ---------------裝«I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂_ --線- 社 印 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -I . 507016 A7 _______B7_ ' 五、發明說明（5 ) 電漿之結構體，該等結構體可減少正離子自該次要電漿轉 向之情形。更明確言之，本發明之一目的係爲提供—種離 子化物理蒸氣沉積之裝置及方法，其中包圍一次要電漿之 遮罩或其他結構體可阻止負電位形成其上、或阻止正離子 自該次要電漿轉向，但不干擾能量耦合至電聚内。 本發明至少有部份係根據於下列之原理：若欲防止一次 要電聚發生帶電粒子大量流失之情形、並防止由該電漿所 賤擊出之材料其離子化之比例因而降低、甚至發生次要電 聚消失之情形，可將離子化物理蒸氣沉積製程所用之構件 加以設計，使其對該次要電漿所在區域内之電磁場產生影響 ，以便使帶電粒子留置於該電漿内之情形達最佳之狀況。 本發明另有部份係根據於下列之原理：若欲防止一次要 電漿發生帶電粒子大量流失之情形、並防止由該電漿所賤 擊出之材料其離子化之比例因而降低、甚至發生次要電聚 消失之情形，可使在離子化物理蒸氣沉積製程中、位於該 /人要電漿周圍之導電遮罩（其中該次要電漿係用於將經賤擊 之材料離子化）無法形成一大量之直流負電位。本發明另有 邵份係根據於下列之概念：若使包圍該次要電漿之導電遮 罩或室壁無法產生一強大之直流負電位、或使其遠離沉積 室之中心，則該等室壁或遮罩之存在將可減少該次要電裝 之正離子被導入該等室壁或遮罩内之情形，並可縮小電繁 稍層之寬度。本發明特別是植基於下列之概念··在提供上 列效果之同時應維持一射頻遮罩，該射頻遮罩可使能量以 有效且具有效率之方式搞合至該次要電漿内。 本紙張尺度適家標準（CNS)A4規格⑽X 297公爱） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂： -1線. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 507016 A7 _B7_ 五、發明說明（6 ) 在此根據本發明之若干原理，提供一離子化物理蒸氣沉 積（IPVD)之方法及裝置，其使用一靶材，該靶材之能量來 自於一直流電源、或脈動式直流電源，藉以將能量供應至 一鄰近濺擊靶材之主要電漿；及一射頻反應耦合能源，藉 以將能量供應至一位於該靶材與一基體間之空間内之次要 電漿，該基體係位於一濺鍍室内、與該靶材相對之一端， 且其方向最好係平行於該靶材。產生該次要電漿之空間係 由導電結構體所包圍，該結構體可電浮動，並對該射頻源 形成一高阻抗。該結構體另經由一可提供低阻抗直流電路 徑之低通濾波器而接地、或接至其他電位。 根據本發明之一較佳具體實例，一離子化物理蒸氣沉積 之方法及裝置係使用一直流式（DC)、可轉動之磁控管陰極 ，其包括一轉動磁鐵總成，位於一靶材後方，可在鄰近該 靶材之表面處產生一主要濺擊電漿。該靶材係位於一沉積 ，室之一端，並與一基體支撑件相對；該基體支撑件係與該 靶材平行，且位於該沉積室之另一端，最好係以該靶材與 該沉積室之軸爲中心。一射頻源可感應耦合至該室中、該 靶材與該基體間之容積内，以產生一感應耦合電漿（ICP)， 該感應耦合電漿最好係產生於該主要電漿與一安裝於該基 體支撑件上之基體間之容積内。該感應耦合電漿之側向邊 界係由該室之室壁及一石英電介質視窗或隔離件所構成， 其後方則設有一線圈，圍繞該室内之容積，可將能量耦合 至該室之容積内，以支援該次要電漿。該視窗最好係密封 於室壁之一開口中，並構成該室眞空隔堵結構之一部份， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -----:---------裝·'I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· •線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 507016 A7 _B7_ 五、發明說明（7 ) 至於該線圈則係位於該室之眞空環境外之大氣壓力環境中 。一位於該視窗内側之金屬遮罩可保護該視窗，使具導電 性之經濺擊材料不致沉積於該視窗上；經濺擊之材料若任 其累積於視窗上，將使沉積室與線圈隔離。若線圈係置於 沉積室内，且至少有部份能量係以電容之方式耦合至次要 電漿内，則用以產生磁控管磁場（MMF)之磁鐵之性質亦爲 有用。 該遮罩可相對於射頻電漿而電浮動，對射頻電漿形成一 高阻抗。一低通濾波器（例如採用電感電容電路之形式）係 連接於該遮罩與地面、或其他預定之固定電位（或作他種控 制之電位）之間，一方面對該遮罩形成一低直流阻抗，一方 面則對該電漿之射頻能量維持高阻抗。此外，該遮罩最好 係位於該輕材邊緣之徑向外侧，兩者之間距最好爲一至二 英吋。如此一來，負電位便無法在該乾材與該基體之間、 靠近該沉積室容積之表面上累積，此一位置應爲次要電漿 所在之位置。直流電位若無法累積於該表面，將造成近鞘 層（或稱前鞘層）之長度縮減、及次要電漿其電漿電位之提 升。前鞘層長度之縮減、及次要電漿與基體間電位差之擴 大將可提高轟擊基體之離子密度。 本發明可維持一高密度之次要電漿，舉例而言，其離子 密度可爲基本濺擊電漿其離子密度之1000倍，且此一高密 度之次要電漿將佔據靶材與基體間之容積，如此一來，該 次要電漿即可使自靶材移至基體之經濺擊材料具有較高之 離子化比例。電場或磁場之施加可對帶電粒子施力，使帶 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐^ ---------------------訂 i J —-—線—AWI (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 507016 A7 五、發明說明（8 ) 電粒子可經由電力而導向基體。詳言之 、 右在基體上建二 一偏壓電位，將增加離子化之經濺擊材 土 苴码主工4士 W升運勤万向中血 基奴表面垂直之分量，使基體上高縱橫比之 獲得較佳之塗佈。 構造物〈辰部 藉由本發明，吾人即可有效填充高縱橫比之孔，亦可以 更爲有效之方式塗佈該等構造物底部之接觸件。 經由以下本發明較佳具體實例之詳細說明，本發明之上 述及其他優點將更爲明顯。 圖示簡單説明: 圖1爲立面示意圖，顯示根據本發明若干具體實例之一 子化物理蒸氣沉積裝置。 、 圖1 A爲沿圖1中i A _ i A剖面之局部剖面圖。 圖2爲一磁控管磁鐵總成沿圖1中2-2剖面之剖面圖。 圖3爲沿圖2中3-3剖面之剖面圖，顯示圖2所示之裝置其 磁控管磁鐵總成之磁場形狀。 固爲圖1所示裝置其滤波器電路一具體實例之電路圖。 &JLA體實例之詳細説明： 、圖1以示意之方式顯示根據本發明之原理而製成之一濺鍍 塗佈裝置1 0。裝置1 〇包括一眞空密閉室J 2，該室係由一室 壁13所包圍。在室12内具有一電漿處理空間11。室。之 一挪安裝有一晶圓支撑件（晶圓座）14，用於支撑安裝其上 之晶圓15，晶圓置於此處之目的係爲在一離子化物理蒸氣 沉積製程中接受一塗層或薄膜之塗佈。晶圓j 5在安裝於支 撑件1 4後係平行於且面向一靶材1 6，該靶材係位於室1 2内 本紙張尺度顧巾關家鮮（CNS)A4娜（21G x_297公·· -----------------I----訂-------: (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) •線^—— -11 - 507016 A7 -----— R7_ 五、發明說明（9 ) 與該基體固定件14相對之一端，並安裝於一安裝於室12内 之一陰極總成1 7上，且爲該陰極總成之一部份。靶材丨6可 包括一靶材支撑板18，靶材16即固定其上。陰極總成17包 括磁鐵結構體’其形式爲一磁鐵總成2 〇，基本上係設於乾 材16後方、與it間11相反之一面上。沿輕材16之周圍亦可 没置一黑暗空間遮罩（未圖示）。室12、乾材16、及基體支 撑件1 4均係對準一共同軸2 9。 磁鐵結構體20最好包括可在靶材16之表面上產生封閉磁 通道之磁鐵；當陰極總成17已經由熟知此項技藝之人士所 熟知之方式通電、使其具有一負電位時，靶材16可捕集由 陰極總成17釋出至室12内之電子。該磁鐵結構體（或稱磁 鐵總成、磁鐵包）20可包括固定磁鐵或轉動磁鐵（或作其他 運動之磁鐵），該等磁鐵可爲永久磁鐵亦可爲電磁鐵；及任 一種（或多種）現有技藝中磁控管濺鍍總成之其他構件，其 符合本文之説明者。 一乾材電源21可舄乾材16提供電能。乾材電源21通常係 一固定式或脈動式直流電源，且係連接於陰極總成17與某 一元件之間，该元件屬接地電位、且係作爲系統之陽極， 例如室壁1 3。陰極總成1 7係與室1 2之室壁絕緣。電源2 j 最好係經由一射頻濾波器22而連接至陰極總成17。一替代 電源（例如一射頻產生器24)可視需要經由一匹配網路25而 連接至陰極總成17。另設有一偏壓電路27，經由一匹配網 路28而連接至基體固定件14。偏壓電路27可對安裝於固定 件14上之晶圓15施加一偏壓電位。爲達此_目的，可使用 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規^各(210 X 297公釐） ^--------- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· --線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ^>07016 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Α7 Β7 五、發明說明（10) 一雙極直流電供應器或一射頻供應器。 來自穩定式或脈動式直流電源2 1及/或射頻產生器2 4之 電能可在靶材16上產生一負電位。該負電位將使離子朝靶 材之表面加速移動，當兩者相互撞擊時，靶材16將自其表 面釋放出電子。藉由磁鐵包20所產生之磁場，靶材16之表 面可捕集該等電子，直到該等電子撞擊到鄰近靶材表面之 處理氣體之原子、並將其離子化爲止，此時將在容積^1其 鄰近靶材表面之一區域23内形成一主要電漿。位於區域23 内之主要電漿成爲氣體正離子之來源，該等氣體正離子將 朝向輕材16·其帶負電之表面加速移動，並與之產生撞擊， 因而使塗佈材料之粒子自靶材16射出。 位於靶材1 6之表面與基體支撑件1 4間之空間i ]L可視爲係 由兩部份所形成。一部份23主要爲主要電漿所佔據，其形 狀係由磁鐵總成2 0所決定，藉以在靶材i 6之濺擊表面上形 成所需之腐蝕圖樣；空間n之第二部份則爲一剩餘容積26 ，位於王要電漿區23與支撑件14上之基體15之間。自靶材 I6濺擊出之材料粒子在離開靶材16之表面時通常係電中性 之粒子，僅藉由其動量而穿梭於空間11中。在一傳統之濺 鍍裝置中，經濺擊而穿過主要電漿區23之中性粒子其離子 化<程度並不顯著，其原因爲：主要電漿之密度並不高； 主要％漿在鄰近靶材1 6之表面處所佔之空間較小；及經濺 擊產生之中性粒子在濺鍍時所使用之低操作壓力下極少與 主要電漿之粒子產生撞擊。因此，經濺擊之粒子在離開^ 要電漿區23時大部份均爲電中性，且在傳統之錢嫂製程中 -13- 本紙張尺度適用中關家標準（CNS)A4規格咖χ 297 _ -----_---------— (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁) ·' ί線- 507016 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（11 ) ’ Μ等粒子在沉積於基體15上並形成一薄膜時仍維持電中 性。 對某些濺鍍製程而言（例如用於塗佈位於高縱橫比之孔之 底部之接觸件、及基體15上其他構造物之製程；及用於以 經濺鏡之導電材料填充該等孔，藉以對該等孔作金屬塗佈 之製程），在製造超大型積體電路之過程中，粒子在撞擊基 體1 5時之分佈狀況最好係圍繞該基體之法線、形成一狹窄 之角度分佈，如此一來，粒子便可直接進入構造物内，並 到達構造物之底部，而不致撞擊到構造物之側面、或受構 造物侧面之阻礙。在裝置10中，使粒子垂直撞擊基體15之 作法爲：將經濺擊之粒子在其穿過容積26時加以離子化， 使其帶正電。經濺擊之粒子在帶有正電後即可以靜電方式 使其加速，或以其他電力或磁力之方式引導其方向，使其 運動路徑係平行於室12之軸29、且垂直於基體15之表面。 至於如何使基體15吸引經濺擊粒子之正離子？舉例而言， 可經由一偏壓電源27之操作，使基體15具有一負電位:此 一負電位可吸引經濺擊之正離子，並在基體固定件14前方 之電漿鞘層中形成一電位梯度，藉以提高經濺擊及離子化 之粒子在朝基體15移動時之定向性，該電位梯度可提供一 力，藉以加速經濺擊及離子化後帶正電之粒子，使其朝基 體表面移動，並到達基體之表面。就半導體矽晶圓而言， 偏壓電源27最好係一射頻產生器，其操作頻率範圍約爲 〇.〇5至80百萬赫。此種「利用經濺擊之粒子在離子化後所 生成炙力」之方法即爲離子化物理蒸氣沉積（Ιρν〇Κ或稱離 ---------------— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂- -丨線- 14- 507016 A7 B7 五、發明說明（12 ) 經濟部智慧財產局員JL·消費合作社印製 子輔助濺鍍塗佈）之特徵。 如何在經濺擊之粒子穿 丁牙過丄間11之過程中將其離子化？ 其方法係在容積2 6中產生一 ★要心蹐止义 · 座生，人要電漿。先前技藝中已有多 種用以產生此一電漿之方法。在裝置1〇中，此一電漿之產 ^方式最好爲：將射頻能量自—射頻線圈3()感㈣合至容 =26内’其中該線圈係環繞於容料之周圍，最好係位於 具空1： 12之外。'線圈3〇係環繞於室12之周圍，並中心對準 一軸，該軸即對應於室12之軸29。、線圈3〇之形式最好爲一 螺旋形線圈，但亦可使用其他之線圈構造。射頻能量可經 由跨接於線·圈3 0之末端間之引線而饋入該線圈，如圖工所 π、，其作、法爲··增設一中央射頻分接頭，連接至線圈中央 ，並將另兩條引線接地，亦可將前者與後者之連接方式對 調。線圈30可將能量感應耦合至容積26内之處理氣體中， 因而生成一高密度電漿，充滿於空間26中。一射頻產生器 3 2、，二由匹配網路3 3而連接至線圈3 0，以便爲線圈3 〇提 供能量，藉以在空間26中形成電漿，該射頻產生器之操作 頻率最好約爲2百萬赫。 一處理氣體供應源40係經由一流量控制裝置41而連接接 至室12。就濺鍍製程而言，供應源4〇所供應之氣體基本 係一鈍氣，例如氬。在進行反應製程時則可經由輔助流 控制器另行導入諸如氮、氫、氨、氧···等其他氣體 罜12亦連接有一眞空泵39，可將該室之眞空狀態抽至1〇 至1 〇托之範圍，並在沉積過程中，將眞空狀態維持在 托之範圍内。就大部份之製程而言，壓力基本上最好係 上 量 毫 落 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁；> 訂· · 線· 15- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 507016 A7 B7 五、發明說明（13 ) 於1至50毫托之範圍内。舉例而言，泵39可以每秒1至5〇〇 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 標準立方公分（sccm)之氣體流量進行調節，使處理壓力維 持在0.5至40毫托之範園内。 一電介質視窗60係設於室12之壁内、線圈3〇與空間n I間。視窗60係由一可適用於眞空狀態之電介質材料製成 ，斜如石英、或其他不致阻擋環繞線圈3 〇之磁場進入容積 26内之材料。視窗6〇之安裝方式可使該視窗與室12之室壁 形成眞空密封，使位於視窗60外一環形穴62中之線圈3〇係 處於大氣壓力下。視窗6 0最好係一絕緣、且可供磁力穿過 之單一圓柱形材料；但亦可由多塊材料接合而成，其排列 方式可形成一大致爲圓柱形之保護性結構體，成爲一包圍 結構體内之絕緣視窗。一可導電之金屬外罩6 i形成密封之 環形穴62之外壁，可使線圈30與外部環境產生電隔離，並 防止電磁能自線圈3 0及室1 2之内部輻射至室丨2之外。外罩 61内之空間可與外界之大氣互通，亦可充滿同大氣壓力（ 或低壓）之純氣，其限制條件爲：在線圈3 〇獲得能量供應 時，環形穴62内之氣體不可支援電漿之形成。該空間内亦 可包括用以冷卻遮罩70之裝置。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 視窗60本身雖不導電，但自靶材16濺擊出之導電材料卻 有可能累積其上’形成一覆蓋層。視窗6〇内或視窗6〇上若 具有導電性，將有助於沉積室周圍方位電流之感應，此一 電流將降低、抵銷、或以其他方式破壞能量自線圈3 〇射頻 耦合至容積26内次要電漿之有效程度。視窗6〇上之導電性 ’特別是沿方位（圓周）方向（亦即環繞室1 2之軸2 9而延伸 -16- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公爱） 507016 -—-----_B7______ 五、發明說明（14 ) 之方向）之導電性，將使電子流產生感應耦合短路，因而抵 销感應_合至容積2 6内之所有或大部份能量。 爲防止具導電性之經濺擊材料累積於視窗6〇上，在室12 心眞2郅份内設有一遮罩7 〇，位於空間〗〗與視窗6 〇之間， 且緊鄰視窗60之内側。遮罩7〇最好大致爲圓柱形。遮罩7〇 可爲視W60提供遮擋，使其不致曝露於自靶材16濺擊出之 材料中，最好可完全遮斷靶材16其表面任一點與視窗6〇間 t直線路徑。遮罩70與視窗6〇相同，其本身絕不可在置於 罜12内後產生一導電之‘’圓周方向短路。爲此，遮罩7〇設有 一縱向開縫> 3，平行於室1 2之軸2 9。開缝7 3可中斷環繞 軸29之圓周方向電流路徑。可使用具有單一開縫之遮罩， 亦可使用具有複數條開缝之遮罩，藉以中斷遮罩上之電流（ 例如圓周方向之電流及渦電流），亦可將遮罩製成一分段式 之遮罩、或一遮罩陣列。在一原本大致爲圓柱形之遮罩上 I單一開缝73係遮罩70—適當之具體實例，該開缝可大致 中斷遮罩70上環繞室12之圓周方向路徑，藉以防止遮罩” 上圓周方向電流（方位電流）之感應。遮罩7〇其鄰近開缝73 處之邊緣最好相互重疊，使開缝73 一方面可中斷環繞室Η I圓周万向電流路徑，一方面亦使空間丨i内以直線路徑運 動之經濺擊粒子無法到達視窗60上。開縫73之寬度係:一 對電介質珠或間隔件74加之維持，該對電介質珠或間隔件 係位於遮罩70其鄰近開缝73處之相對邊緣間，如圖iAK 示。若設有多條開缝，該等開缝之延伸範固最好超過線圈 迴圈之上、下端，且其間距最好約等於與之正交之線圈間 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐 ----：--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂-----------線--- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -17- 507016 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ____B7_ 五、發明說明（15 ) 距。 遮罩70之軸向範園最好超過線圈3〇之軸向範圍，且大致 可達線圈3 0所生場之整個有效軸向範圍。如此一來，可導 電之遮罩70便可有效壓制射頻電漿内與室12之軸平行之電 場，防止此一軸向電場以電容之方式將線圈3 〇與容積2 6隔 離，否則將對能量自線圈3 0耦合至容積26之效率產生不利 之影響。遮罩70最好係從靶材16其表面所在平面之後方起 ，軸向延伸至超過視窗60及線圈30之位置。 遮罩70與視窗60所保持之距離最好不大於氣體原子或分 子之平均自甾路徑、或室12内電漿之最小擴散長度。在裝 置10中所使用處理氣體之壓力約可在5至5〇毫托之範圍内 。在此一壓力範圍内，氬之平均自由路徑爲11至1〇公厘（ 對應於上列之壓力範圍）。因此，遮罩7 〇與視窗6 〇之較佳 間距約爲1至3公厘。 離子化物理蒸氣沉積裝置10其具選擇性之細節可見於同 在審理中、且係共同讓與之美國專利第5,8〇〇,688號、及美 國專利申請案序號第〇8/844,756及第〇8/844,757號，三者均 係於一九九七年4月2 1日提出申請，在此特別以提及之方 式併入本文。 在裝置10中，在將經濺擊之粒子離子化時是否能以有效 之方式使到達基體1 5之塗佈材料具有所需之定向性端賴離 子比例之大小，亦即經濺擊之粒子在穿過容積26内之電漿 時，被離子化之粒子所佔之百分比。較高之離子比例可使 到達基體15之正離子通量較大，並提高沉積過程之定向性 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) . 線· 18- 507016 A7 五、發明說明（16 ) 。基體15上離子通量之一直接指標爲：偏壓電源”在基體 1 5及基體固定件1 4上維持一固定電位所需之功率大小。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 電子自次要電漿脱離之比率對於「次要電漿是否能以有 效之方式使到達基體15之經濺擊材料具有高離子比例」有 直接影響。可將線圈30(或次要電漿之其他能量來源）加以 没計’使電子留置在次要電襞内之情形達最佳化。 電子在脱離次要電漿後，或進入室壁13、遮罩7〇、或包 圍次要電漿之其他結構體内，抑或進入由陰極總成2 〇捕集 於空間23内之主要電漿中。若欲量測流失至主要電漿2〇内 之電子數量，可在感應轉合電漿之單獨作用下量測乾材工6 所獲得之電流，所謂「在感應耦合電漿之單獨作用下」係 指：線圈30可獲得來自能源32之能量，而靶材之電源21則 係關閉，但磁鐵總成2 0之磁鐵仍置於定位。若係採用轉動 式之陰極磁鐵總成，則量測時應將該磁鐵總成加以轉動， 使其產生與靶材濺鍍時所用相同之磁控管磁場。在此種條 件下，於靶材16所測得之電流係來自於次要電漿内剩餘電 子所產生之離子。電流愈大代表次要電漿内之電子數愈多。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 由較佳之陰極磁鐵總成2 0所產生之磁控管磁場係侷限於 靶材1 6之附近。該磁控管磁場之強度不足以大幅穿入室i 2 之容積26内、並將線圈30之場自陰極磁鐵總成2〇之場加以 有效耦合。因此，該磁控管磁場之結合強度與範圍可將主 要電漿自次要電漿有效去耦。磁鐵總成2 0之整體磁場大致 係由總成2 0之所有磁鐵所提供，該等磁鐵之南北向極軸最 好大致垂直於室12與線圈3 0之軸29。一較佳之磁鐵總成可 -19- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 五、發明說明（17) 見於美國專利第5，130,005號，該項專利特別以提及之方式 併入本文。最好係使用本發明所説明之帶狀磁鐵，其不需 使用與磁鐵總成之轉動平面形成極大傾角之輔助磁鐵，2 圖2所示。 圖2中，磁鐵總成2〇包括一可轉動之載具75，該載具可 繞轴29而轉動，其上並設有一形成封閉迴圈之連續帶狀磁 鐵76。帶狀礴鐵76係由複數層77所形成，每—層均具有— 側邊作局孩層之北極、及一與之相反之側邊作爲該帶之南 極，因而形成一複合式帶狀磁鐵76，其南北向極轴係位於 -與轴29垂-直之平面。磁鐵76可由—或多條單獨之條狀磁 鐵或電磁鐵所形成，亦可爲一或多條屬於其他形式、但極 軸大致平行於載具75之轉動平面之磁鐵所形成。除本文所 説明之磁鐵外，.亦可改用、或同時使用其他之磁鐵結構， 唯其磁力線應係沿革巴材16其表面所在之平面而成爲平狀、 抑或其磁力線不致於以較大之強度延伸至容積26内。圖3 以示意之方式顯示由較佳磁鐵總成之磁鐵76所產生之磁場。 若欲強化次要電漿所在區域内之離予留置於鄰近遮罩7〇 處疋狀況，可設置一濾波器電路8〇，連接於遮罩7〇與—電 壓控制電路81之間，該電壓控制電路可維持一受控之電: ’在-具體實例中，該電壓控制電路僅爲接地連接。滹波 器電路80可防止遮罩7〇因來自次要電漿之電子之累積而生 成：直流負電位，但難免總有某—程度之直流負電位產生 將，罩上右生成一顯著疋直流負電位，將吸引來自次要電 水”稱層區或補層區之正離子，如此將使次要電聚 ^16 ^16 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（18 ) 予密度降低。此一直流負電位亦將改變沉積室内之場，進 而影響離子在該室内之行進路徑，並提高電漿之電位，造 成電漿與晶圓間電位差之擴大。濾波器電路8 〇可使遮罩7 〇 相對於自線圈30耦合至次要電漿之能量之射頻頻率而浮動。 基本上，遽波器電路8 0係一低通滤波器，其設計可對上 述之控制電壓形成低直流阻抗，因而將遮罩7〇之平均電位 固定爲接地電位、或相對於電漿電位而言大致不爲負電位 之其他電位。對於自線圈30之射頻耦合產生之電位而言， 濾波器電路8 0則形成一高阻抗，可避免對線圈3 〇產生電遮 蔽作用，若產生此一作用，將降低射頻能量自線圈3〇耦合 至次要電漿内之效果。 在圖4中以示意之方式表示之濾波器電路8〇係一電感電 容電路，其包括一電感器8 2。濾波器電路8 〇之設計若係在 遮罩70與電壓維持電路81間採串聯之形式，且電路網之總 電感爲2 0毫亨利（Henries)，則該濾波器電路已證實有 效。一 〇 · 1微法拉（microfarad)、800伏特之電容器8 3係以並 聯之方式跨接於電壓來源8丨與地面之間。一範例中所使用 之濾、波器80可對遮罩70上2百萬赫之射頻能量產生約 250,000歐姆之阻抗。在該例中，電感器82係由三個線圈組 85串聯而成，每一線圈組係由三個並聯之2〇毫亨利線圈86 所構成，每一線圈之額定電流爲2安培。由此產生之線圈 82之散熱容量可處理約18安培之直流電流。濾波器8〇最好 可對射頻產生器（射頻源）2 4之頻率形成500千歐姆之整體阻 抗，若爲750千歐姆則更佳。此一數値之選擇將隨線圈上射 -21 - 本紙張尺度適用I國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公""" ： -------訂· —τ —-—線—AW. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 507016 A7 五、發明說明（19 ) 頻能量之頻率、及其他設計參數之選擇而有所不同。 維持基體1 5上之偏壓電壓所需之電功率經測得後可作爲 到達基體15上之離子通量之指標，如表1所示： 表1 ---------------— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 一5J· 直流乾材功率 (千瓦） 基體功率 (無濾波器；瓦） 基體功率 (有滤汝哭：贯、 1 39 82 2 34 67 2.5 33 63 3 32 59 4 29.5 53 5 28.5 48 6 27.5 42 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 此一數據亦顯示出：隨靶材功率之增加，經濺擊之材料量 亦將增加，但到達基體15之材料其離子化之比例則將下降 。在求取此一數據時係使用初步操作時之參數，包括：遮 罩70上頻率爲2百萬赫之2.2千瓦功率，產生約64〇伏特之 學至峰電壓；室12内之壓力爲毫托；1〇英吋之革巴材；室 1 2之尺寸如前述。若設有遽波器8 0，則遮罩7 〇上之直流電 位基本上即接地之電位，此一接地電位亦即電壓控制電路 8 1之設定電位。若不設濾波器8 〇，則當靶材功率爲丨8至 -22- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 x 297公釐） --線· 507016

五、發明說明（20) 2.5千瓦時，遮罩70上之電位約爲_6〇伏特。在不設濾波器 80之情況下_，基體15上高縱橫比構造物（例如：寬度爲 0.39微米，高度爲〇·9微米，亦即縱橫比爲2· 3)之底部填充 百分比約爲5 0 - 5 5 %，若設有濾波器8 〇 ,此一百分比將由 於電漿密度之增加而變爲85-90 %。 此外，據觀察結果顯示，當濾波器8〇其電感器82之電感 小於1〇毫亨利時，遮罩70上2百萬赫之電能與接地電位（舉 例而吕）之父互作用將使入射於基體15上之材料之離子密 度降至一無效値。 本發明之優點已藉由電漿特性（例如電漿電位、離子密度 、及電子溫度）之量測結果而加以説明，在量測電漿特性時 係使用一朗、纟妥爾探針，並使用1 · 8千瓦之直流磁控管法。遽 波器80約可將到達基體15之離子密度增爲三倍，其原因在 於遮罩上直流電位之降低。一般均相信，遮罩上直流電位 之降低可減少遮罩對離子之吸引力，並增加基體對離子之 吸引力’因而長:鬲到達基體之金屬及氬離子數。在增設濾、 波器8 0之後，原本在無濾波器時爲2 4伏特之電漿電位將增 至3 9伏特。在將遮罩上由電漿感應而成之直流電位降低後 ’導致電漿電位之增加，同時亦使電漿與基體間之電位差 擴大。由於基體之順向功率係與「離子密度」與「電漿與 基體間之電位差」兩者成比例，因此，撞擊基體之離子數 亦因而增加。電子溫度約爲2電子伏特；在磁控管之功率爲 1.8千瓦時，濾波器80之增設大致上並未使電子溫度產生 變化；但在磁控管功率較低、且小於1千瓦時，濾波器8 〇 -23 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公爱） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) · --線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 507016 A7 _B7_ 五、發明說明（21 ) 之增設使電子溫度提高約1電子伏特。一般均相信，此一現 象之成因在於：在鞘層-前鞘層介面之電漿電位等於電子 溫度之一半。若減少前鞘層之擾動，則電漿之電位將增加 ，其原因在於：一般均相信，在此一狀況下，前鞘層之電 位可視爲整體電漿之電位。此一機構在功率較低時十分重 要。在功率較高時，其效果則較不明顯，此時，原子通量 及主要磁控管電漿與次要電漿間之交互作用則較爲重要。 凡熟知此項技藝之人士均可明瞭：可將本發明在本文中 之實施方式加以變化，而本文所述則爲本發明之較佳具體 實例。因此 '，在不脱離本發明之原理及目的之情況下仍有 增添與修改之可能。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) · 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -24- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐^

Claims (1)

1. 507016 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ：. : i 丨 A8 K > 蕾 ▲丨 g_J_ ! D8___、申請專利範圍 1. 一種離子化物理蒸氣沉積裝置，包括： 一可密封之眞空室，其中具有一容積，用於容納一處 於眞空壓力下之處理氣體； 一濺鍍陰極，位於該室内容積之一端，包括一靶材支 撑件，可將一藏擊乾材固定其上，使該輕材面向該室之 容積； ——陰極電源，連接於該濺鍍陰極，用於爲該陰極供電： 一基體支撑件，位於該室内容積與該靶材支撑件相對 之一端，可將一基體支撑其上，使該基體面向位於該容 積另一端之輕材，以便以藏擊自一 材之材料加以塗佈 ，該靶材係支撑於該靶材支撑件上； 一射頻能源，耦合至該容積内，可爲一次要射頻電漿 供應能量，該次要射頻電漿係位於該容積内之氣體中， 其密度足以將離開該靶材並穿過該容積之經濺擊材料離 子化；該射頻能源至少包括一線圈，圍繞該室在該基體 支撑件與該靶材支撑件間之容積，以便將射頻能量感應 耦合至該容積内，爲該次要電漿提供能量； 可導電之遮罩結構體，圍繞該室而延伸於該線圈與該 眞空區之間，該遮罩結構體之構造及位置可攔截自該眞 空區以徑向向外移動之經濺擊材料，該遮罩結構體上至 少具有一軸向不連續處，可中斷該遮罩結構體上之導電 路徑，使之無法園繞該室作圓周方向之延伸；及 一濾波器，連接於該遮罩與一電壓控制電路之間，在 該射頻源之頻率下具有一高阻抗；並具有一低阻抗； (請先閱讀背面之注意事項再填寫 .. -丨裝 訂： •線· -25- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 507016 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 藉由此一裝置，當來自該陰極電源之電能在該室内之 氣體中產生一主要電漿，該主要電漿可將材料自該靶材 支撑件上之一輕材濺擊至該容積内，而感應耦合自該射 頻能源之能量則在該容積内形成一次要電漿時，到達該 遮罩結構體上之負電荷將被傳導至該電壓控制電路，而 該遮罩結構物則可在該射頻頻率下隨電漿作電浮動，因 、 而使位於電漿與該遮罩結構體間之電漿鞘層較窄，而電 漿則可充分充滿該容積，以便將離開該靶材並穿過該容 積之經濺擊材料有效離子化，藉以控制其方向，使其朝 向並垂直於該基體支撑件上之一基體。 2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中： 該陰極電源係一固定式或脈動式直流電源；該濾波器 則爲一低通濾、波器，其對直流電之阻抗低。 3. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中： 該電壓控制電路將該濾波器連至接地電位。 4. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中： 該濾波器係一電感電容濾波器。 5. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中： 該濾波器在該射頻源之射頻頻率下之阻抗約爲1 /4百 萬歐姆。 6. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中： 該室具有一壁’該壁内具有一開口； 該裝置尚包括一電介質視窗，沿該開口密封於該壁， 可將該眞空壓力下之氣體隔離於該室内之容積中；且 -26- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） illl·---------裝|:— — (請先閱讀背面之注意事項再填寫Λο 訂· 丨線_ 507016 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 該至少一個之線圈係位於該室之外側、該視窗之後方 ，並由該視窗將其隔離，使其無法接觸該容積内之氣體 ;且 該遮罩結構體係於該視窗之内側圍繞該室，並緊鄰該 視窗，該遮罩結構體之軸向延伸範圍足以爲該視窗遮擋 經濺擊之材料。 7· 如申請專利範圍第1項之裝置，尚包括： 一偏壓電位產生器，連接於該支撑件，可使該支撑件 上之一基體具有偏壓電位，俾使經濺擊材料之離子朝垂 直於該基體之方向加速。 8 .如申請專利範圍第1項之裝置，其中： 該遮罩結構體上至少一個之軸向不連續處其形式爲至 少一條軸向開缝，形成於該遮罩結構體之兩邊緣間，該 兩邊緣係徑向分離，且於圓周方向相互重疊。 9 · 一種離子化物理蒸氣沉積法，包括下列步驟： 提供一可密封之眞空室，其中具有一容積，用於容納 一處於眞空壓力下之處理氣體；一靶材支撑件，位於該 室内容積之一端；及一基體支撑件，位於該容積與該靶 材支撑件相對之一端，可將一基體支撑其上，使該基體 面向位於該容積另一端之乾材，以便以錢擊自一乾材之 材料加以塗佈，該靶材係支撑於該靶材支撑件上； 供電至一安裝於該靶材支撑件之靶材，藉以將材料自 該乾材支撑件上之乾材藏擊至該容積内； 自一射頻源將射頻能量以一射頻頻率感應耦合至該容 -27- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫 --裝 · 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 507016 098899 ABCD 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 積内，並將該耦合射頻能量供應至該容積中之氣體内之 一次要射頻電漿，並利用該次要射頻電漿將離開該靶材 並於該容積内移動之經濺擊材料離子化；及 在執行濺鍍及耦合之步驟時，維持該射頻源與該容積 間之遮罩結構體，並自該遮罩結構體提供一低直流阻抗 之導電路徑，用以移除存在於該遮罩結構體上之負電荷 ;並自該遮罩結構體提供一高射頻阻抗，用於屬於該射 頻源頻率之能量。 1 0 ·如申請專利範園第9項之方法，尚包括下列步驟： 在執行濺鍍及耦合之步驟時，對存在於該遮罩結構體 上、屬於該射頻源頻率之能量提供一至少爲2 5 0千歐姆 之阻抗。 1 1 ·如申請專利範圍第9項之方法，尚包括下列步驟： 在執行爽鍍及耦合之步驟時，對存在於該遮罩結構體 上、屬於該射頻源頻率之能量提供一至少爲7 5 0千歐姆 之阻抗。 1 2 ·如申請專利範圍第9項之方法，其中： 該射頻能量之耦合步驟包括下列步驟：至少自一線圈 耦合射頻能量，該至少一線圈係圍繞該室在該基體支撑 件與該靶材支撑件間之容積；並將射頻能量自該線圈感 應耦合至該容積内，以便將能量經由該容積内之一射頻 磁場供應至該容積内之氣體中之次要電漿。 1 3 ·如申請專利範圍第1 2項之方法，其中： 該射頻能量之耦合步驟包括下列步驟：將該線圈維持 (請先閱讀背面之注意事項再填寫 裝 - 線· -28- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 507016 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 (請先閱讀背面之注意事項再填寫) 在一電介質視窗之後方，該視窗係密封於該室一用於容 納眞空環境之壁中；並維持以該視窗隔離該線圈，使該 線圈不與該容積内之氣體接觸。 1 4 ·如申請專利範圍第9項之方法，尚包括下列步驟： 爲一位於支撑件上之基體提供偏壓，使該基體可吸引 由該主要電漿材自該靶材料所濺擊而出、並經該次要電 漿加以離子化之材料之正離子，藉以增加經濺擊之粒子 在該基體上之入射角。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -29 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）