控制脉冲直流PVD形成的材料层中应力变化的方法及设备技术

本发明专利技术公开了一种控制脉冲直流物理气相沉积(PVD)形成的材料层中应力变化的方法及设备。该方法包以下步骤：设置一腔室，其包括形成材料层的靶和在其上能够形成材料层的衬底；以及向腔室内引入气体。该方法还包括在腔室内生成等离子体并且将第一磁场施加到靶附近以将所述等离子体基本上定位成邻近该靶。RF偏压被施加到衬底上以将来自等离子体的气体离子吸引到衬底上，并且第二磁场被施加在衬底附近以将来自等离子体的气体离子引导到形成在衬底上的材料层上的选择性区域。

【技术实现步骤摘要】
控制脉冲直流PVD形成的材料层中应力变化的方法及设备
本专利技术涉及一种控制脉冲直流物理气相沉积(PVD)形成的材料层中应力变化的方法及设备。
技术介绍
微机电系统(MEMS，Micro-Electro-MechanicalSystem)包括经常利用诸如氮化铝和双金属氮化物(如氮化铝-钪)之类的材料的压电特性的器件。通常使用物理气相沉积技术将这种材料沉积在诸如晶片之类的衬底上，并且发现该材料内的应力分布是影响器件的操作特性的关键因素。晶片上的材料沉积可以显著变化，并且因此，形成在同一晶片上的器件常常具有不同的操作特性。在试图获得形成在晶片上的器件的均匀特性时，跨腔室的等离子分布被布置成在晶片上均匀地生成溅射材料以获得厚度均匀的沉积材料。还优选地产生朝向[002]晶面的层的织构生长(texturedgrowth)，并且用于生成织构生长的关键要求包括高真空(＜1×10-7Torr)和高晶片温度(例如＞300℃)。在使用物理气相沉积形成的层上的应力分布主要取决于两个因素：晶片温度和层上的离子轰击。可以发现晶片温度过高会在晶片冷却和收缩时在层内产生大的拉应力。而且，由于晶片温度在沉积期间基本上是均匀的，所以在没有任何偏压时，该沉积在晶片上是均匀的(这是由于材料在晶片表面上均匀凝结)。然而，如图1所示，可以发现当晶片冷却且收缩时，材料层内的应力由于该层裂开且松弛而在晶片的中心骤减(collapse)。当给晶片施加适当的电压差时，等离子体内的离子被吸引到晶片并撞击沉积在该晶片上的材料，将沉积层挤压成更加压实的状态，这有助于控制层内的平均应力。该电压差可以通过增加对层的离子轰击来减小氮化铝层内的拉应力变化(例如从900MPa到100MPa)。然而，如图2所示，当电压差增大时，可以发现应力分布由于跨腔室的等离子分布变得不均匀。腔室内的等离子体通常通过旋转磁场被限制在腔室内的局部区域，并且该场优选地在晶片的环形区域附近生成离子。邻近环形区域的离子密度的增加导致在邻近这些环形区域的层上产生更大的离子轰击。特别地，可以发现该层在其外围附近比在中心处受到更多的离子轰击，这随后导致该层具有更加拉伸的中心区域和更加压缩的外围，从而导致当晶片收缩时该层裂开。
技术实现思路
目前我们已经设计了解决上述问题中的至少一些的方法和设备。根据本专利技术，由第一方面可见，提供了一种控制脉冲直流物理气相沉积形成的材料层中应力变化的方法，该方法包括以下步骤：设置一腔室，其包括形成材料层的靶和在其上能够形成材料层的衬底；将气体引入腔室内；在腔室内生成等离子体；在靶附近施加第一磁场以将所述等离子体基本上定位成邻近该靶；给衬底施加RF偏压；在衬底附近施加第二磁场以将来自等离子体的气体离子引导到在衬底上形成的材料层上的选择性区域，其中，由第二磁场引导的气体离子基本上不受第一磁场影响。由于洛伦兹力，在衬底上的各个点处生成并且以各种相互作用的图案的磁场可以用来在层表面处创建离子通量增加的局部区域。该洛伦兹力由靶和衬底之间施加的电场和晶片附近的第二磁场的叉乘(cross-product)产生。虽然发现第一磁场会影响晶片厚度均匀性和靶的使用寿命，但是可以独立地调整第二磁场以在衬底上提供最佳的应力均匀性。在一实施例中，第二磁场施加在衬底的中心部分。例如，衬底可以包括具有平面圆盘形状的硅晶片并且第二磁场可以施加在晶片的中心。由于沉积层的应力状态与温度和离子轰击有关，所以离子轰击的增加会导致垂直于电场(该电场通常垂直于晶片表面)的具有最大磁通量的区域中的拉应力减小。为了减小晶片内的应力变化，第二磁场的理想位置将是衬底的中心，以增加晶片中心的离子轰击，从而减少中心区域的相对拉应力。在一实施例中，该方法还包括使第二磁场相对于衬底旋转。该旋转可以绕基本上垂直于衬底延伸的轴线进行。在一实施例中，该方法包括当所述材料层被形成时使第二磁场相对于衬底旋转。该方法还包括用于形成材料层的多个沉积步骤，并且在开始每个步骤之前，相对于台板旋转衬底。在一实施例中，在各个沉积步骤之间，衬底相对于台板旋转了360°/n的角范围，其中，n为沉积步骤的数量。在一实施例中，该方法包括将氮气和/或氩气引入腔室中。在一实施例中，衬底包括硅晶片，并且靶包括铝。根据本专利技术，由第二方面可见，提供了一种控制脉冲直流物理气相沉积形成的材料层中应力变化的设备，该设备包括：腔室，其用于容置形成材料层的靶和其上能够形成材料层的衬底，该腔室包括用于将气体引入腔室中的入口；等离子体生成装置，其用于在腔室中生成等离子体；以及电压源，其用于在使用中给衬底施加RF偏压；其中，该设备还包括第一磁场生成装置和第二磁场生成装置，第一磁场生成装置被配置成在使用中在靶附近生成第一磁场以将所述等离子体定位成邻近该靶，第二磁场生成装置在使用中在衬底附近生成第二磁场以将来自等离子体的气体离子控制到在衬底上形成的材料层的选择性区域，并且其中，由第二磁场控制的气体离子基本上不受第一磁场影响。在一实施例中，第一磁场生成装置包括磁控管组件。在一实施例中，第二磁场生成装置包括被配置成阵列的多个磁体。第二磁场生成装置被放置在衬底的一侧，该侧与面向等离子体的一侧相对。优选地，在使用中，阵列的中心被配置成邻近衬底的中心延伸。在一实施例中，该装置还包括用于使第二磁场生成装置相对于衬底旋转的装置。在一实施例中，多个磁体被放置在盒体内。使盒体旋转并且因此第二磁场生成装置使沉积过程对第二磁场中的例如归因于磁体位置的小的变化不灵敏。在一实施例中，用于使第二磁场旋转的装置包括与盒体旋转耦接的主轴。主轴和盒体通过马达被旋转驱动。在一实施例中，阵列磁体的南北轴基本上平行于彼此延伸。在一实施例中，该南北轴基本上垂直于衬底延伸。在一实施例中，对每个磁体而言，邻近衬底放置的磁极是相同的。在一替选实施例中，对阵列的相邻磁体而言，邻近衬底放置的磁极是不同的磁极。因此，在该后一实施例中，邻近衬底放置的磁极优选地在北磁极和南磁极之间绕阵列交替。第一磁场和第二磁场基本上不交互，因此，等离子体基本上不受第二磁场影响，并且被吸引到衬底上的离子基本上不受第一磁场影响。实验表明，在距衬底15mm处，第二磁场强度减少了90％以上，并且在距衬底与靶的位置对应的间隔处，第二磁场强度减少到背景水平。虽然上文中描述了本专利技术，但是本专利技术可以扩展到上文或下文中提出的特征的任意创造性组合。尽管本文中参照附图详细描述了本专利技术的说明性实施例，但是需要理解的是，本专利技术不限于这些精确的实施例。此外，还可以设想的是，对单独或者作为实施例的一部分描述的特定特征而言，即使其他特征和实施例没有提到该特定特征，它也可以与其他单独描述的特征或其他实施例的部分相结合。因此，本专利技术可以扩展到尚未描述的具体组合。附图说明本专利技术可以以多种方式来执行，现在将仅通过实例参照附图来描述本专利技术的实施例，在附图中：图1为沉积在硅晶片上的氮化铝层上的应力的典型变化的图形表示；图2为在不同的RF偏压条件下沉积在硅晶片上的氮化铝层上的应力变化的图形表示；图3为根据本专利技术的实施例用于对通过物理气相沉积形成的材料层中的应力变化进行控制的设备的图形表示；图4为示出了与根据本专利技术的第一实施例对通过物理气相沉积形成的材料层中的应力变化进行控制的方法相关联的步骤的流程图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种控制脉冲直流物理气相沉积PVD形成的材料层中应力变化的方法，所述方法包括以下步骤：设置一腔室，所述腔室包括形成所述材料层的靶和其上能够形成所述材料层的衬底；将气体引入所述腔室内；在所述腔室内生成等离子体；在所述靶附近施加第一磁场以将所述等离子体基本上定位成邻近所述靶；给所述衬底施加RF偏压；在所述衬底附近施加第二磁场以将来自所述等离子体的气体离子引导到在所述衬底上形成的所述材料层上的选择性区域，其中，由所述第二磁场引导的气体离子基本上不受所述第一磁场影响。

【技术特征摘要】
2017.04.20 GB 1706284.5;2017.09.28 GB 1715726.41.一种控制脉冲直流物理气相沉积PVD形成的材料层中应力变化的方法，所述方法包括以下步骤：设置一腔室，所述腔室包括形成所述材料层的靶和其上能够形成所述材料层的衬底；将气体引入所述腔室内；在所述腔室内生成等离子体；在所述靶附近施加第一磁场以将所述等离子体基本上定位成邻近所述靶；给所述衬底施加RF偏压；在所述衬底附近施加第二磁场以将来自所述等离子体的气体离子引导到在所述衬底上形成的所述材料层上的选择性区域，其中，由所述第二磁场引导的气体离子基本上不受所述第一磁场影响。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二磁场被施加在所述衬底的中心部分。3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括使所述第二磁场相对于所述衬底旋转。4.根据任一前述权利要求所述的方法，还包括当所述材料层被形成时使所述第二磁场相对于所述衬底旋转。5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述旋转绕基本上垂直于所述衬底延伸的轴线进行。6.根据任一前述权利要求所述的方法，还包括用于形成所述材料层的多个沉积步骤，其中，在开始每个沉积步骤之前，相对于台板旋转所述衬底。7.根据权利要求6所述的方法，其中，在各个沉积步骤之间，所述衬底相对于所述台板旋转360°/n的角范围，其中，n为沉积步骤的数量。8.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，将气体引入所述腔室内包括向所述腔室内引入反应气体。9.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，将气体引入所述腔室内还包括向所述腔室内引入惰性气体。10.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述衬底包括硅晶片并且所述靶包括铝。11.一种控制脉冲直流物理气相沉积PVD形成的材料层中应力变化的设备，所述设备包括：腔室，所述腔室用于容置形成所述材料层的靶和其上能够形成所述材料层的衬底，所述腔室包括用于将气体引入所述腔室中的入口；等离子体生成装置，所述等离子体生成装置用于在所述腔室内生成等离...

【专利技术属性】
技术研发人员：安东尼·威尔比，史蒂夫·伯吉斯，I·蒙克里夫，克莱夫·韦迪克斯，斯科特·海莫尔，R·辛德曼，
申请(专利权)人：SPTS科技有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB