TWI249581B - Sputtering method producing few particles - Google Patents

Description

1249581 a7 ___B7_ 五、發明說明（丨） [發明之詳細說明] [發明所屬之技術領域] 本發明係關於一種減少成膜中之粒子產生之濺鍍方法 [習知技術] 近年來，可輕易控制膜厚與成分之濺鍍法，係作爲電 子·電氣元件用材料之成膜法之一而廣泛地使用著。 此種濺鍍法所採用之原理，係讓正極與負極所構成之 靶相對向，在惰性氣體環境氣氛下於該等之基板與靶之間 施加高電壓來產生電場，此時電離之電子與惰性氣體會衝 撞而形成等離子體，此等離子體中之陽離子會衝擊於靶(負 極)表面而擊出靶構成原子，此飛出之原子會附著於對象之 基板表面而形成膜。 以此濺鍍法進行薄膜形成之際，粒子產生之問題逐漸 受到矚目。此粒子之產生，若就例如在濺鍍法中因靶所導 致之情況來說明，當對靶進行濺鍍之時，薄膜除了基板以 外尙堆積到薄膜形成裝置之內壁或內部所具之構件等處。 靶之濺蝕部以外的面以及側面也不例外可觀察到濺鍍粒子 的堆積。 於是自上述薄膜形成裝置內所具構件等所剝離之薄片 會直接飛散到基板表面而附著，此被認爲是粒子產生之一 大原因。 又，一般靶之側面並非直接面向於等離子體之故，所 3 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） HP 裝--------^訂、-------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1249581 A7 ____B7___ 五、發明說明（） 以將來自側面之粒子的產生當作問題而予以重視之情況很 少。是以，到目前爲止多針對靶之中央部與外周緣部之非 濺蝕部採取對策，惟爲了提昇靶使用效率卻又傾向於讓耙 之全面受到濺鍍，於是此種對策相反地有可能使得粒子增 加。 最近，伴隨LSI半導體元件之集積度的提昇（16M位元 、64M位元進一步至256M位元），係讓配線寬度成爲0.25 以下般來不斷細微化，於是上述般之粒子所造成之配 線之斷線與短路等問題乃更爲頻繁。 如上所述，隨著電子元件電路之高集積化與細微化的 邁進，粒子之產生更成爲重大之問題。 一般，濺鍍靶係藉由熔接、擴散接合或是焊接等之方 式來接合到較本身之尺寸爲大之支持板上’惟從灑鑛之安 定性上來考量，接合到支持板之濺鍍靶的側面通常以具有 朝向該支持板呈末端展開的傾斜面的方式來形成。 眾所皆知，支持板之背面係與冷卻材等相接觸而扮演 將靶冷卻之功用，其使用熱傳導性良好之鋁或銅或是該等 之合金等之材料。 前述濺鍍靶之側面並非隨濺鍍而受濺蝕（磨損）之處。 惟，由於接近於靶之濺蝕面，所以有濺鍍操作中飛來之濺 鍍粒子會附著、進一步堆積之傾向。 一般，濺鍍靶之濺蝕面係藉由車床加工來成爲平滑面 ，又前述呈傾斜之側面也同樣地受到車床加工。 惟，已知曾經附著之濺鍍粒子（濺鍍物）會自上述傾斜 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -----------«t--------IT--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1249581 A7 ____B7___ 五、發明說明（巧） 側面剝離，其懸浮空中成爲粒子產生之原因。 又，已觀察到此種堆積物之剝離，相較於平坦之周邊的 濺蝕面附近，在遠離濺蝕面之部位有更多之堆積物的剝離。 此種現象並未能明確地掌握，尤其並未採取解決之對 策。惟，基於上述電子元件電路之高度集積化與細微化的 要求，自此種部位所發生之粒子也成爲重大的問題。 爲了解決此種問題，曾提出有對靶側面以及支持板之 附近部分進行噴砂處理，藉由錨固效果來提昇附著力的方 法。 惟，此時會新出現因噴砂材之殘留所導致之製品的污 染問題、堆積於殘留噴砂材上之附著粒子的剝離問題、甚 至是附著膜之選擇性且不均一的生長所導致之剝離問題， 並非根本解決之道。 又，尤其是即使經過上述等離子體處理，由於靶側面 與支持板之間的材質差異性以及材質差異所造成之熱膨脹 的差異、乃至於在材料間出現明顯的高低差，所以有成爲 粒子產生之原因的傾向。再者，於此情況下，由於如上所 述離開濺蝕部有一定之距離，若未認知此成爲粒子產生原 因，也會成爲問題所在。 基於此情況，本發明者先前提出了在濺鍍靶之至少側 面具備有中心線平均粗度Ra爲10〜20//m之蒸鍍皮膜之粒 子產生少的濺鍍靶(特願2000-314778)。 此技術本身相較於習知方法在防止附著膜之剝離上、 抑制粒子產生方面有其效果。不過，爲了形成此蒸鍍皮膜 5 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------------------訂·—------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1249581 A7 ___B7___-_ 五、發明說明（Y ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 必須使用電弧蒸鍍或等離子體蒸鍍，而前者有表面粗度變 得過大之傾向，其差異程度也大造成附著膜之密接性不均 一，而後者造成表面粗度過小錨固效果低從而與附著物之 密接性不佳，未能說是可滿足要求之物。 又，此般爲了抑制粒子的產生所形成之蒸鍍皮膜的問 題不僅成爲前述靶之側面的問題，在其他之濺鍍靶面、支 持板或濺鍍裝置內之機器的會堆積不要之膜的面也會出現 同樣的問題。 [發明所欲解決之課題] 本發明有鑒於上述問題，其目的在於提供一種濺鍍方 法，可謀求蒸鍍皮膜之改善，更有效地直接防止自濺鍍靶 、支持板或其他濺鍍裝置內之機器的會堆積不要之膜的面 所產生之堆積物的剝離·飛散。 [用以解決課題之手段] 爲了解決上述課題，本發明者經努力硏究的結果，得 到了：藉由改善蒸鍍皮膜製程，來高效率地抑制成膜中之 粒子的產生之見地。 本發明基於此見地，乃提供： 1·一種減少粒子產生之濺鍍方法，其特徵在於，於擺 鍍靶、支持板或濺鍍裝置內之機器的會堆積不要之膜的面 ，形成電弧蒸鍍皮膜以及位於電弧蒸鍍皮膜上之等離子體 蒸鍍皮膜； 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐) "" 1249581 A7 _____ B7 _ 五、發明說明（< ) 2·如上述1所記載之減少粒子產生之濺鍍方法，係具 備中心線平均粗度Ra爲10〜20^111之蒸鍍皮膜； (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 3. 如上述1或2所記載之減少粒子產生之濺鍍方法， 係具備橫跨濺鍍靶之側面與支持板之面的連續蒸鍍皮膜； 4. 如上述1〜3所分別記載之減少粒子產生之濺鍍方法 ，係具備自略爲離開濺鍍靶之濺鍍面的側面位置往支持板 方向之蒸鍍皮膜或橫跨支持板面之蒸鍍皮膜； 5. 如上述1〜4所分別記載之減少粒子產生之濺鍍方法 ，其中，作爲蒸鍍皮膜係使用鋁或鋁合金。 [發明之實施形態] 作爲蒸鍍鋁或鋁合金之方法有電弧蒸鍍與等離子體蒸 鍍。不論是電弧蒸鍍或等離子體蒸鍍在原理上都相同，電 弧蒸鍍係以電弧爲熱源，等離子體蒸鍍係以等離子體噴射 火焰來熔融蒸鍍材料，讓高溫之熔融粒子飛行，而衝擊於 材料表面、積層來形成皮膜之方法。 惟，調查於濺鍍靶、支持板或濺鍍裝置內之機器的會 堆積不要之膜的面形成上述電弧蒸鍍或等離子體蒸鍍後， 皮膜剝離的情況，發現出現相當大的差異。 僅以電弧蒸鍍來形成蒸鍍皮膜可發現，鋁或鋁合金之 熔融部的面積寬廣，耐剝離性較所預期的爲差，成爲令人 擔心之殘留表面狀態。而實際上在進行濺鍍後之結果，觀 察到堆積物之一部分剝離的現象。 相對於此，僅以等離子體蒸鍍來形成蒸鍍皮膜可發現 7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1249581 A7 ___B7 __---- 五、發明說明（1；) ，表面粗度不足、錨固效果低、進行濺鍍之際與附著膜的 密接性變低，結果粒子減少效果變萎。 是以，對蒸鍍方法進行各種的檢討之結果，了解到藉 由形成電弧蒸鍍皮膜以及位於電弧蒸鑛皮膜上之等離子體 蒸鍍皮膜，相對於具有一定面積之表面，可均一且安定地 形成最適之表面粗度的蒸鍍皮膜。 一般，等離子體蒸鍍較電弧蒸鍍在熔融粒子之衝擊能 量上大，熔融粒子會扁平化使得表面粗度變小° 此兩種蒸鍍法的最大差異在於熱源溫度與熔融粒子之 飛行速度。等離子體蒸鍍約10000°C、熔融粒子之飛行速 度約700m/秒，另一方面，電弧蒸鍍約5〇〇〇°C、飛行速度 在100m/秒左右。 如上述般活用等離子體蒸鍍與電弧蒸鍍之機能’首先 以等離子體蒸鍍對於受被覆之材料表面形成表面粗度較大 之蒸鍍皮膜之後，使用電弧蒸鍍讓其上之表面粗度下降成 爲最適之表面粗度。 藉此，可輕易地進行均一且安定之表面粗度的控制。 又，於等離子體蒸鍍後施行電弧蒸鍍之情況’由於表 面粗度會過大成爲超出最適値之結果，故非所希望者。 本發明之蒸鍍皮膜之形成方法可在濺鍍靶、支持板或 濺鍍裝置內之機器的會堆積不要之膜的面來形成。爲藉由 此蒸鍍皮膜來賦予適切的錨固效果，以具備中心線平均粗 度Ra爲10〜20// m之蒸鍍皮膜爲佳。 可藉由於前述電弧蒸鍍後進行等離子體蒸鍍來輕易地達成 8 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之沒意事項再填寫本頁) --------訂-------- 1249581 A/ ^____Β7_ ___ 五、發明說明（ν| ) 。另外，藉此可得到有效地抑制粒子產生之優異的效果。 將本發明之蒸鍍方法施用於例如濺鍍靶之情況下’可 適用矩形、圓形、其他形狀之濺鍍靶。此時，非濺蝕部之 靶的側面形成蒸鍍皮膜也具有效果。 雖靶側面多爲傾斜面，惟對於具有垂直的面或在該等 之面連續形成之平面之構造的濺鍍靶亦可適用。本發明也 包含該等之全部。 尤其，自靶側面發生粒子的部分容易被忽略’惟已觀 察到一旦附著之濺鍍粒子（堆積物）自濺鍍靶之傾斜側面再 度剝離，其漂浮空中會成爲粒子產生之原因。 再者，此種堆積物之剝離在離開濺蝕部之處會較平坦 之周邊的濺蝕面附近來得多，是以對於此等側面形成蒸鍍 膜相當容易，且可有效地抑制粒子產生，此爲優點所在。 作爲蒸鍍皮膜之材料，只要爲可進行電弧蒸鍍與等離 子體蒸鍍之材料即可，可使用與靶材爲同材質之材料，亦 可使用其他之材料。此時會成爲限制條件的僅是希望形成 於基板上之濺鍍薄膜爲不受污染之材料。 如上所述，由於蒸鍍皮膜展現固有之錨固效果，只要 不因蒸鍍皮膜脆弱造成蒸鍍皮膜本身的剝離而成爲污染的 原因，則無特別之限制。惟，從材料的取得、操作的簡便 性以及污染的防止之觀點來看，使用鋁或鋁合金作爲蒸鍍 皮膜可說是所希望者。 以其例子來說可使用Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、W 、Al、Cu、以該等爲主成分之合金等。 9 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） I I I I —Aw- ·11111--. I I I I 1 I-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1249581 A7 ___B7___ 五、發明說明（g ) ---------------I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 又，作爲支持板材，可使用通常所使用之銅、銅合金 系、鋁、鋁合金系等。並未限定於該等材質。關於濺鍍裝 置內之機器，並無必要特定其材質，可在不鏽鋼其他之材 料表面形成蒸鍍皮膜。 當濺鍍靶之側面爲傾斜面之情況，尤其是接合於支持 板之濺鍍靶的側面形成朝向該支持板呈末端展開的傾斜面 之濺鍍靶也可使用上述材料。 尤其，本發明之蒸鍍皮膜以在橫跨濺鍍靶之側面與支 持板面之間連續地形成蒸鍍皮膜乃爲所希望的。 如上所述，於靶側面與支持板之間的材質差異性以及 材質差異所造成之熱膨脹的差異、乃至於在材料間出現明 顯的高低差，會成爲粒子產生之原因，惟利用此部份形成 具有強固之錨固效果的蒸鍍皮膜，可有效地防止粒子產生。 MW. 對於支持板之連續蒸鍍皮膜的形成，可在靶的露出面 之全面、也可在與靶之接合部位附近。本發明包括所有情 況。又可橫跨濺鍍靶之側面、下方平坦面以及支持板之面 來形成連續的蒸鍍皮膜自是理所當然的。 [實施例] 其次，說明本發明之實施例與比較例。又，實施例充 其量不過是本發明之一例，本發明並不因爲此實施例而受 到限制。亦即，基於本發明之技術思想的變形與其他態樣 也全部包含在本發明中。 10 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1249581 A7 _B7_ 五、發明說明（1 ) (實施例1) 對不鏽鋼板（SUS304)以下述條件形成蒸鍍皮膜。 (電弧蒸鍍條件） 電流：20A 電壓：260V 氣壓：80psi 使用金屬線：0 1.6mm鋁線(純度99.6%) 喂線量：6g/min 蒸鍍槍與不鏽鋼板之間的距離：200mm (等離子體蒸鍍條件） 電流：750A 電壓：30V Ar 氣壓：55psi He 氣壓：50psi 喂原料量：0g/min 蒸鍍槍與不鏽鋼板之間的距離：200mm 使用原料粉：鋁粉+5%鎂合金粉(平均粒徑75# m) 蒸鍍時間：電弧蒸鍍3秒+等離子體蒸鍍2秒 (比較例1) 以下述條件對不鏽鋼板僅施以電弧蒸鍍。 (電弧蒸鍍條件）

電流：20A 電壓：260V 木紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） I I I I I I I I· I I I I I I I — — — — — — — I- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1249581 A7 五、發明說明 ' \r， 氣壓：80psi 使用金屬線·· 0 l.6mm鋁線(純度99.6%) h線量：6g/min 蒸鍍槍與不鏽鋼板之間的距離：200mm 蒸鍍時間：5秒 (比較例2) (等離子體蒸鍍條件） 電流：750A 電壓：30V Ar 氣壓：55psi % 氣壓：50psi 喂原料量：6g/min 蒸鍍槍與不鏽鋼板之間的距離：200mm 使用原料粉：鋁粉+5%鎂合金粉(平均粒徑75//m) 蒸鍍時間：5秒 上述實施例1以及比較例1、2所蒸鍍的面積爲直徑 150m左右範圍。實施例1以及比較例1、2之表面粗度之 測定結果係示於表1。表面粗度係對10個地方測定。 如表1所不般，相較於比較例1、2，實施例1之電弧 蒸鍍+等離子體蒸鍍可將目標之表面的粗糙程度輕易控制在 Ral〇〜20 /z m，表面粗度之變動也少。 12 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---------. 1249581 A7 B7 五、發明說明（U ) [表1] 實施例 比較例1 比較例2 1 16.22 21.30 11.80 2 16.87 17.50 10.25 3 15.14 19.50 11.76 4 17.89 23.50 9380 5 15.50 20.17 10.77 6 14.51 18.80 9.90 7 16.40 19.70 10.50 8 17.30 21.20 11.30 9 17.30 22.30 9.80 10 15.10 19.80 9.20 平均 16.22 20.38 10.41 標準偏差 1.070 1.654 0.960 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) (實施例2) 於直徑300mm、厚度10mm之圓盤狀高純度鈦靶側面 部分，以實施例1所示之電弧蒸鍍+等離子體蒸鍍條件來形 成蒸鍍皮膜。 其中，蒸鍍槍與工件(靶）之距離爲約300mm，蒸鍍膜 厚係以讓工件(靶）之旋轉數做50、60、70rpm之變化來控 制。 將此側面蒸鍍靶安裝於濺鍍裝置上，藉由反應性濺鍍 來形成TiN膜。讓濺鍍進行到TiN膜厚成爲40//m爲止， 觀察附著膜的樣子。 13 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1249581 A7 _ _B7__ ., 五、發明說明（\〆） (比較例3) 與實施例2同樣地於圓盤狀高純度鈦靶側面，如比較 例1所示般僅以電弧蒸鍍來形成蒸鍍皮膜。蒸鍍槍與工件( 靶)之距離爲約300mm，蒸鍍膜厚係以讓工件(靶）之旋轉數 做50、60、70rpm之變化來控制。 將此側面蒸鍍靶安裝於濺鍍裝置上，藉由反應性濺鍍 來形成TiN膜。讓濺鍍進行到TiN膜厚成爲40/zm爲止’ 觀察附著膜的樣子。 (比較例4) 與實施例2同樣地於圓盤狀高純度鈦靶側面，如比較 例2所示般僅以等離子體蒸鍍來形成蒸鍍皮膜。蒸鍍槍與 工件（靶）之距離爲約300mm，蒸鍍膜厚係以讓工件（靶）之 旋轉數做50、60、70rpm之變化來控制。 將此側面蒸鍍靶安裝於濺鍍裝置上，藉由反應性濺鍍 來形成TiN膜。讓濺鍍進行到TiN膜厚成爲40/zm爲止， 觀察附著膜的樣子。 實施例2與比較例3、4之結果係示於表2。如實施例 2之藉由電弧蒸鍍+等離子體蒸鍍法來形成皮膜之情況，將 工件旋轉數定爲50、60rpm者並未觀察到所附著之TiN膜 之剝離情況，但蒸鍍皮膜薄之70rpm者則發生了剝離。是 以認爲蒸鍍皮膜之膜厚必須在200//m左右以上。 如比較例3之藉由電弧蒸鍍所得者，其表面粗度大， 呈斑點狀之表面狀態，可觀察到來自斑點部分之剝離。 14 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) 1249581 A7 B7 五、發明說明（) 又，如比較例4之藉由等離子體蒸鍍所得者，由於表 面粗度小使得可讓TiN膜強固地附著之錨固效果低，所以 觀察到TiN膜之剝離現象。 [表2] 工件之旋轉 蒸鍍膜之厚 蒸鍍膜之表 TiN膜之厚 濺鍍粒子之 數 度 面粗度Ra 度 剝離的有無 (rpm) (μιη) (/zm) (/zm) 實施例2 50 265 15.2 40 無剝離 電弧+等離子 60 210 13.8 41 無剝離 體蒸鍍 70 170 12.6 39 膜剝離 比較例3 50 260 27.8 42 TiN膜剝離 電弧蒸鍍 60 200 24.6 41 膜剝離 70 175 22.6 39 TiN膜剝離 比較例4 50 280 10.2 38 TiN膜剝離 等離子體蒸 60 220 8.4 42 TiN膜剝離 鍍 70 160 6.7 39 TiN膜剝離 [發明之效果] 可得到一種濺鍍方法，其具有之效果爲：謀求蒸鍍皮 膜之改善，藉由形成電弧蒸鍍皮膜以及位於電弧蒸鍍皮膜 上之等離子體蒸鍍皮膜，來直接且有效地防止自濺鍍靶、 支持板或其他濺鍍裝置內之機器的會堆積不要之膜的面所 產生之堆積物的剝離•飛散。 15 -----------.—I —^訂—--------I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1249581 ,.4- A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1. 一種減少粒子產生之濺鍍方法，其特徵在於，於濺 鍍靶、支持板或濺鍍裝置內之機器的會堆積不要之膜的面 ，形成電弧蒸鍍皮膜以及位於電弧蒸鍍皮膜上之等離子體 蒸鍍皮膜。 2. 如申請專利範圍第1項之減少粒子產生之濺鍍方法 ，係具備中心線平均粗度Ra爲10〜20 μ m之蒸鍍皮膜。 3. 如申請專利範圍第1或2項之減少粒子產生之濺鍍 方法，係具備橫跨濺鍍靶之側面與支持板之面的連續蒸鍍 皮膜。 4. 如申請專利範圍第1或2項之減少粒子產生之濺鍍 方法，係具備自略爲離開濺鍍靶之濺鍍面的側面位置往支 持板方向之蒸鍍皮膜或橫跨支持板面之蒸鍍皮膜。 5. 如申請專利範圍第3項之減少粒子產生之濺鍍方法 ，係具備自略爲離開濺鍍靶之濺鍍面的側面位置往支持板 方向之蒸鍍皮膜或橫跨支持板面之蒸鍍皮膜。 6·如申請專利範圍第1或2項之減少粒子產生之濺鍍 方法’其中，作爲蒸鍍皮膜係使用鋁或鋁合金。 7·如申請專利範圍第3項之減少粒子產生之濺鍍方法 ，其中’作爲蒸鍍皮膜係使用鋁或鋁合金。 8·如申請專利範圍第4項之減少粒子產生之濺鍍方法 ，其中’作爲蒸鍍皮膜係使用鋁或鋁合金。 9·如申請專利範圍第5項之減少粒子產生之濺鍍方法 ，其中’作爲蒸鍍皮膜係使用鋁或鋁合金。 ___ _1 _______ 本紙張又度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 裝