用于定向材料沉积的PVD设备、方法和工件.pdf

本发明涉及用物理气相沉积（PVD）技术的定向材料沉积。尤其，本发明涉及PVD设备，其包括：-容纳材料源的真空密闭外部容器，-至少两个衬底，其被布置成定义与所述材料源间隔开的衬底平面，-所述衬底以要被处理的表面面对材料源。这个材料源的直径小于，尤其显著小于衬底中任一个的直径。这样，在低衬底温度下实现了窄角分布和高水平一致性。

权利要求书
1.  一种用于定向材料沉积的PVD设备，包括：
-容纳材料源的真空密闭外部容器，
-至少两个衬底，其被布置成定义与所述材料源间隔开的衬底平面，
-所述衬底以要被处理的表面面对材料源，
其中所述材料源的直径小于，尤其显著小于衬底中任一个的直径。

2.  根据权利要求1所述的设备，其中所述PVD设备是溅射设备，尤其是磁控管溅射设备。

3.  根据权利要求1或2所述的设备，其中所述材料源是以下各项中的至少一个：
-单个源，
-溅射目标，以及
-定向为大体上平行于衬底平面。

4.  根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中衬底的数量是2个或至少3个或至少4个，尤其为3或4个，和/或所述衬底的中心中的每一个被布置在圆上并彼此相等地间隔，所述圆位于所述衬底平面中。

5.  根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述衬底在PVD处理期间可旋转，尤其按行星运动可旋转。

6.  根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述衬底可倾斜以与所述衬底平面形成倾斜角，其中尤其所述倾斜角在0-20°之间，进一步尤其在0-15°之间。

7.  根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中材料源和衬底平面之间的距离在材料源直径的6-20倍之间，尤其在6-10倍之间，进一步尤其在7-9倍之间。

8.  根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中单独的衬底的直径在材料源直径的2-6倍之间，尤其在3-6倍之间，进一步尤其在4-5倍之间。

9.  根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述PVD设备包括用于根据预定值调整所述材料源和所述衬底平面之间的距离和/或根据预定值调整衬底表面和衬底平面之间的角度的装置。

10.  一种具有公共中央处置系统的处理工具的集群布置，其允许衬底在真空下在装载锁和多个工艺站之间传送，其中一个或多个工艺站包括根据前述权利要求中任一项所述的设备。

11.  一种集群布置，其具有至少一个，尤其具有两个或至少两个根据权利要求1-9中任一项所述的设备，其中尤其它们中的至少两个被配置为处理相同数量的衬底。

12.  一种用于通过使用具有材料源的PVD设备的定向材料沉积的方法，所述方法包括如下步骤：
-在真空密闭外部容器中提供至少两个衬底，所述衬底定义与所述材料源间隔开的衬底平面；
-根据预定值调整所述材料源和所述衬底平面之间的距离和/或根据预定值调整衬底表面和衬底平面之间的角度；以及
-通过定向材料沉积处理所述衬底。

13.  根据权利要求12所述的方法，其中调整距离和/或角度包括依赖于以下各项中的至少一个进行调整：
-要被处理的衬底的数量，
-衬底的最外侧位置，
-所述材料源的发射分布，以及
-要被沉积的材料的角分布。

14.  根据权利要求12或13所述的方法，其中对衬底的处理包括剥离处理，其尤其基于温度敏感掩蔽。

15.  一种用于通过使用根据权利要求1至9中任一项所述的PVD设备、根据权利要求10或11所述的集群布置，或者通过执行根据权利要求12至14中任一项所述的方法来制造工件的方法。

16.  一种工件，其尤其包括3-D形状的表面结构，进一步尤其包括具有底切的沟槽，其中所述工件根据前述权利要求的方法来制造。

说明书用于定向材料沉积的PVD设备、方法和工件
技术领域
本发明涉及物理气相沉积（PVD）技术中的定向材料沉积。
背景技术
在半导体制造工业中，尤其对于处理3-D形状的表面结构，定向材料沉积是公知的。定向材料沉积由粒子通量的窄角分布产生，其通过使用准直器、长距离溅射或离子化PVD生成。
发明内容
本发明具有如下目的：提出用于定向材料沉积的改进PVD设备、改进的集群布置、操作此类PVD设备的改进方法、用于制造工件的改进方法以及改进的工件。
该目的通过包括权利要求1中指定的特征的PVD设备达到。PVD设备、集群布置、操作PVD设备的方法、用于制造工件的方法以及工件的另外的实施例在另外的权利要求中指定。
本发明涉及用于定向材料沉积的PVD设备。这个设备包括：
-容纳材料源的真空密闭外部容器，
-至少两个衬底，其被布置为定义与所述材料源间隔开的衬底平面，
-所述衬底以要被处理的表面面对所述材料源。
这个材料源的直径小于，尤其显著小于衬底中任一个的直径。这样，在低衬底温度下实现了具有高水平一致性的窄角分布以及类似的厚度分布。
定向材料沉积表示要被沉积的材料通量以明确定义的角度被引导朝向衬底表面。这尤其对于3-D形状表面结构有用，诸如孔、沟槽或通孔。
贯穿本描述和权利要求，数据“衬底平面”指代大体上平面形状的处理空间。在四个或更多衬底的情况下，衬底平面由衬底中心的平均定义。在三个或更少衬底的情况下，衬底平面由衬底中心定义，以及在两个衬底的情况下，由衬底平面垂直于定向材料沉积的轴的附加要求定义。
贯穿本描述和权利要求使用的术语“直径”（例如如材料源的直径或衬底的直径）指代有效地用在PVD处理中的任何种类的操作尺寸。因此，术语“直径”可以是圆形的直径也可以是物体（尤其材料源或衬底）的最小、最大或平均直径。例如，该直径指代大体上多边形的材料源或衬底的内直径或平均直径或外直径。
令人惊讶的是，根据本发明的设备实现在短沉积距离上的窄角分布以及具有小目标（即具有小直径的目标）的高水平一致性。另外，从长距离溅射得知的几何依赖性被减小并且相对于衬底定向的高水平的类似或相等的沉积厚度被实现。
有利的是，根据本发明的PVD设备避免准直器的问题，即扰动粒子。另外，如从离子化PVD工艺得知的高能输入被避免，这对于使用温度敏感聚合物掩膜的剥离工艺是尤其有利的。
在根据本发明的PVD设备的实施例中，PVD设备是溅射设备，尤其是磁控管溅射设备。这样，实现了高膜质量。
在根据本发明的PVD设备的另外的实施例中，所述材料源是以下各项中的至少一个：
-单个源，
-溅射目标，以及
-定向为大体上平行于衬底平面。
贯穿本描述，溅射目标还简称为“目标”。
在根据本发明的PVD设备的另外的实施例中，衬底的数量是2个或至少3个或至少4个，尤其为3或4个，和/或所述衬底的中心中每个被布置在圆上并彼此相等地间隔，其中所述圆位于所述衬底平面中。
在根据本发明的PVD设备的另外的实施例中，所述衬底在PVD处理期间可旋转，尤其按行星运动可旋转。
在根据本发明的PVD设备的另外的实施例中，所述衬底可倾斜以与所述衬底平面形成倾斜角，其中所述倾斜角尤其在0-20°之间，进一步尤其在0-15°之间。
在根据本发明的PVD设备的另外的实施例中，材料源和衬底平面之间的距离在材料源直径的6-20倍之间，尤其在6-10倍之间，进一步尤其在7-9倍之间。
在根据本发明的PVD设备的另外的实施例中，单独的衬底的直径在材料源直径的2-6倍之间，尤其在3-6倍之间，进一步尤其在4-5倍之间。
在根据本发明的PVD设备的另外的实施例中，所述PVD设备包括用于根据预定值调整所述材料源和所述衬底平面之间的距离和/或根据预定值调整衬底表面和衬底平面之间的角度的装置。
另外，本发明涉及一种具有公共中央处置系统的处理工具的集群布置，允许衬底在真空下在装载锁和多个工艺站（process station）之间传送，其中一个或多个工艺站包括根据先前实施例中任一项的设备。
另外，本发明涉及一种集群布置，具有根据先前的设备实施例中任一项所述的设备中的至少一个，尤其是两个或至少两个，其中尤其它们中的至少两个被配置为处理相同数量的衬底。
另外，本发明涉及用于通过使用具有材料源的PVD设备的定向材料沉积的方法，所述方法包括如下步骤：
-在真空密闭外部容器中提供至少两个衬底，所述衬底定义与所述材料源间隔开的衬底平面；
-根据预定值调整所述材料源和所述衬底平面之间的距离和/或根据预定值调整衬底表面和衬底平面之间的角度；以及
-通过定向材料沉积处理所述衬底。
这样，在低衬底温度下实现了具有高水平一致性的窄角分布以及类似厚度分布。
在先前方法实施例的另外的实施例中，距离和/或角度的调整包括依赖于以下各项中的至少一个进行调整：
-要被处理的衬底的数量，
-衬底的最外侧位置，
-所述材料源的发射分布，以及
-要被沉积的材料的角分布。
在先前方法实施例之一的另外的实施例中，其中对衬底的处理包括剥离（lift-off）处理，其尤其基于温度敏感掩蔽。
另外，本发明涉及一种用于通过使用根据先前设备实施例中任一项所述的PVD设备或先前集群布置之一、或者通过执行根据先前方法实施例中任一项所述的方法来制造工件的方法。
另外，本发明涉及一种工件，其尤其包括3-D形状的表面结构，进一步尤其包括具有底切的沟槽，其中所述工件根据先前提及的用于制造的方法来制造。
明确地指出，上面提到的实施例的任何组合或各组合的组合经受进一步组合。仅排除将导致冲突的那些组合。
附图说明
下面，借助于示例性实施例和所包括的简化附图更详细地描述本发明。在下列图中示出：
图1是示意性图示根据本发明的具有针对2和3个衬底的设置的溅射设备的布置；
图2是在图1的设备中使用的40mm直径溅射源的发射分布；
图3是晶片中心的角分布；
图4是接近晶片边缘（70mm）的角分布；
图5是针对在晶片中心具有6°底切并且距晶片边缘70mm的沟槽的剥离情况；
图6是针对在晶片中心具有13°底切以及距晶片边缘偏心35和70mm的沟槽的剥离情况；
图7是安装在4侧集群工具上的双晶片设置、工艺和指示的装载情况；以及
图8是安装在4侧集群工具上的两个三晶片模块。
具体实施方式
所描述的实施例意图说明示例并且不应当限制本发明。
本发明的领域
在半导体制造工业中的数个应用中要求定向溅射。溅射由此提出了物理气相沉积（PVD）技术的公知变型。物理气相沉积（PVD）是用于描述通过把蒸汽形式的材料凝结到衬底的表面上（例如到半导体晶片上）来沉积薄膜的各种方法中任一个的通用术语。涂覆方法涉及纯物理工艺，诸如高温真空蒸发或等离子体溅射轰击。PVD的变型包括阴极电弧沉积、电子束物理气相沉积、蒸汽沉积和溅射沉积。溅射通常被理解为辉光等离子体放电，其通常限制在位于要被沉积在衬底上的目标材料的表面上的磁性通道中。定向溅射表示：溅射材料的通量以明确定义的角度被引导朝向衬底表面例如以便允许进入衬底中的孔、沟槽或通孔。半导体器件的高度集成产生处理此类3-D形状表面结构的需要。
在许多应用中，此类通孔或沟槽必须在其内表面（垂直和水平表面）上被播种或者甚至填充有溅射材料。在许多情况中，如随后的电镀步骤所需要的，要求实现最高可能的侧壁覆盖。
其它应用要求尽可能少的侧壁沉积。在所谓的剥离工艺中，结构化的光致刻蚀剂或其它掩蔽材料由随后的工艺涂覆，并且这里要求掩膜的最小侧壁沉积以实现底部刻蚀（under-etch）工艺并且去除结构化光致刻蚀剂顶部上的沉积的材料并且在衬底上不具有光致刻蚀剂的区域中留下材料。通常针对这个应用，热负载必须低，因为所涉及的有机材料。
技术背景
用于定向溅射的方法在半导体技术中是已知的并且在许多文章和专利中被描述。生成窄角分布的粒子通量的典型方法是准直器或长距离溅射的应用。非常成功的方法是离子化PVD，其中溅射的金属蒸汽被附加激励所离子化（例如S.M. Rossnagel, J. Hopwood, J. Vac. Sci. Technol. B12, 449, 1994）。
现有技术缺陷
准直器的缺陷是它们被直接置于沉积射束中并且收集大量材料，这能够由于增加的膜厚度和应力而不受控制地从所述准直器层离并且引起粒子。
静态布置中的长射程溅射的缺陷是：要求高目标-衬底距离以具有窄角分布的粒子通量。为了可接受的一致性，这表示大目标直径。长射程溅射另一缺点是其强几何依赖性，这引起不同的沉积厚度。这依赖于特征侧壁被定向朝向布置的对称轴还是与其相对。
在离子化PVD中，金属蒸汽通常被离子化，并且金属离子在负偏置电势的帮助下朝向衬底加速。该方向性由电场给出。在要求侧壁覆盖的工艺中，需要这种离子刻蚀来从该特征的底部去除材料并且将其沉积在侧壁上。对于剥离工艺，这是不期望的。离子化PVD的另一缺陷是由加速的离子引起的衬底上的高能输入。在利用聚合物掩膜的剥离工艺的情况下，冲击离子可能损坏掩膜材料，以使得溶剂中的其溶液被无效。
剥离工艺当前通过批量工具中的蒸发来实践。批量工具的缺陷是其丢失整个批次以及其失去与单个晶片线上工艺的兼容性的高风险。对于大批量的系统，实现自动装载要困难得多。最后，在许多情况中，因为与经蒸发的膜相比的优良膜质量，溅射也是优选的。
解决方案的描述
解决方案由以大距离面对衬底或数个衬底的集合的小材料源（优选为溅射目标）构成，以使得窄角分布被实现。这样的解决方案可以优选地通过把溅射目标布置在一平面中来实现，该平面在其中分布有一个或多个衬底（工件）的平面的上方（即垂直间隔开）并与之平行。衬底优选地在处理期间按照行星运动旋转。角分布依赖于目标和衬底平面之间的距离（TS）。在衬底平面中，衬底被布置在密集拥挤圆的环中，其中每个圆由衬底和像夹具或荫罩（shadow mask）之类的一些环境构成。
图1示出示意性图示根据本发明的具有针对2和3个衬底的基本设置的溅射设备的布置。源被定位在距离衬底平面距离TS处以便提供到衬底的最外位置的特定角度α。衬底可以在衬底平面中被倾斜达角度β，以提供良好的传输因子和一致性。为了针对更多的衬底维持相同的角度α，必须使用更高的TS。
针对剥离应用给出下面的示例：
具有150mm直径的两个晶片的集合（各自）被定位在衬底平面中。具有如图2中描绘的发射分布的40mm直径的目标被安装在距衬底平面299mm距离处，提供对衬底15°的角度β，在目标对称轴和衬底对称轴直径之间具有80mm的偏移。5mm的周围间隙适合于实现保持器环或掩膜。该2个晶片按照行星运动旋转。实验已经示出：在目标的寿命期间发生的目标侵蚀对在衬底上的层沉积的一致性没有负面影响。
图2示出在图1的设备中使用的40mm直径溅射源的发射分布。
沉积的一致性不仅依赖于几何形状，而且依赖于目标材料的发射特性。其中θ是与目标垂直的方向之间的角度，作为这个角度θ的函数的发射强度可以由下式描述：

其中指数c描述发射特性。针对0.6和1的c值计算一致性。
在表1中概括了结果，不仅针对2个晶片的布置，而且针对3和4个晶片的布置。表1示出了针对发射指数c=1（余弦），要求把在衬底平面中的衬底倾斜10°以实现衬底上的良好沉积一致性，而针对c=0.6，不使用倾斜。该表还示出了，更多的衬底一经被布置在衬底平面中，则TS必须增加并且沉积减小。虽然在更多衬底的情况下可以实现非常好的一致性，但是当4个而不是2个衬底被安装时，所有衬底的单位面积的相对沉积速率（最外侧右列）减小为四分之一。必须要注意的是，已经在没有气相碰撞的情况下执行该计算。在具有碰撞的情况下，由于TS的速率减小将甚至更糟糕。

表1。
表1示出了针对具有2、3和4个衬底的设置的几何形状、一致性、速率和单位面积的相对沉积速率，其针对发射指数c=1和c=0.6计算。已经针对2个衬底的情况计算从40mm目标溅射的材料的角分布。图3示出达到两个旋转晶片之一的晶片中心的溅射通量的角分布。（0°表示垂直于衬底表面）。两个图中的下图示出在极坐标图中的相同情况。
图4示出达到距两个旋转晶片之一的晶片中心70mm距离的边缘的溅射通量的角分布被描绘。再次，下图示出在极坐标图中的相同情况。
图5示出针对到晶片边缘70mm和在晶片中心具有6°底切的沟槽的剥离情况。
在衬底侧，具有切线定向（即圆周或螺旋）的1μm深和3μm宽的沟槽在衬底上被使用。沟槽由制造有特定底切（参见图5）的光致刻蚀剂构成以促进剥离工艺。展示了具有6°和13°沟槽底切的两种情况。沟槽在晶片中心，距中心35mm以及距中心70mm。0.5μm厚的膜被沉积。
在6°底切的情况中，处于晶片中心的沟槽的侧壁收集3.9%的相对厚度到顶部厚度。对于偏心70mm的沟槽，内侧具有1.2%的侧壁覆盖并且外侧具有14%的侧壁覆盖（图5）。
图6示出针对在晶片中心具有13°底切以及距晶片边缘偏心35和70mm的沟槽的剥离情况。
在13°底切的情况中，处于晶片中心的沟槽的侧壁收集0.3%的相对厚度到顶部厚度。对于偏心35°的沟槽，内侧具有0.61%的侧壁覆盖并且外侧具有3.2%的侧壁覆盖。对于70mm偏心的沟槽，内侧具有0.96%的侧壁覆盖并且外侧具有7%的侧壁覆盖（图6）。期望后者足够薄以实现剥离工艺。
图7示出现代集群工具中双晶片设置的实施方式。这里使用4侧远距离操纵器（robot handler），具有在一个端口上的装载锁站（LL）和用于规则单个晶片处理的工艺模块PM1和PM3。工艺模块被门阀从处置室锁定。PM2包含具有目标T的双晶片设置。在设计图的下部，传送系统的装载臂延伸到PM2中以图示装载。用于衬底平面的旋转驱动必须把双晶片设置的晶片1和2定位到装载端口以实现装载和卸载。通过180°旋转，两个晶片是可获取的。晶片被定位在衬底平面设置中的可伸缩销上，以允许举起晶片以使得处置器能够拾取所述晶片。
图8示出安装在4侧集群工具上的两个三晶片模块。对于生产中的材料的流，单个和多个晶片模块的组合可能是成问题的，但是像与两个单个晶片模块按“分支模式”一起工作（像图7中的PM1和3那样）的解决方案是可能的。在剥离工艺的情况中，仅该工艺并且没有其它工艺可以在沉积工具上运行。这里，可能的配置是使用安装在4侧集群工具上的两个三晶片模块，如图8中草拟的那样。这里，模块PM1可以由传送系统从装载锁来装载衬底，而模块PM2处理晶片，并且反之亦然。
概括
本发明提出：
一种磁控管溅射布置，包括：
-容纳单个溅射（PVD）源的真空密闭外部容器，
-至少两个衬底，其被布置在与所述溅射源间隔开（“目标衬底距离”）的平面（“衬底平面”）中，
-所述衬底以要由溅射源处理的表面面对所述源。
其中目标直径显著小于衬底直径中的任一个。
所述溅射布置，其中：
-衬底的数量是2、3或4，其中所述衬底的中心彼此相等地间隔地被布置在圆上，所述圆位于衬底平面中，
-所述衬底在溅射处理期间可旋转，
-所述衬底可倾斜以与衬底平面形成角度β。
在一个示例中，本发明涉及如上描述的溅射布置，其中：
-目标-衬底距离在目标直径的6-20倍之间，优选地在6-10倍之间并且甚至更优选地为7-9倍之间。
–单独的衬底的直径在目标直径的2-6倍之间，优选3-6倍，甚至更优选地在4-5倍之间。
在一个示例中，本发明涉及上面描述的溅射布置，其中β在0-20°之间，优选在0-15°之间。
在一个示例中，本发明涉及具有公共中央处置系统的处理工具的集群布置，其允许衬底在真空下在装载锁（从大气条件下的环境获取）和各个工艺站之间的传送，其中一个或多个工艺站包括如上所述的溅射布置。