超光滑面溅射靶及其制造方法.pdf

提供去除溅射靶表面变形层厚度从而在溅射操作期间实现降低的预烧时间的方法。所述方法包括用粘弹性研磨介质对所述靶表面进行挤压珩磨抛光。

1.  处理溅射靶表面以去除表面变形层厚度从而在溅射过程中实现降低的预烧时间的方法，包括：将所述靶表面与粘弹性研磨介质(VEAM)接触，并且赋予在所述靶表面和所述介质之间的相对运动，从而对所述靶表面进行挤压珩磨抛光。

2.  权利要求1的方法，其中所述运动为周期性的。

3.  权利要求1的方法，其中所述运动为摆动。

4.  权利要求1的方法，其中在所述抛光之后，所述靶具有小于约5微米的表面粗糙度并且基本上不含来自所述抛光的污染物颗粒。

5.  权利要求1的方法，其中所述靶包括选自铜、钽、铌、钨、钛、锆、铪、铝、镍、钴、铂、以及它们的合金的物质。

6.  权利要求1的方法，其中所述溅射靶具有凹面形状。

7.  权利要求1的方法，其中在所述抛光之后，所述靶基本上不受氢污染。

8.  权利要求1的方法，其中所述VEAM包含选自金刚石、碳化物、氧化铝、二氧化硅和石榴石的研磨颗粒。

9.  权利要求8的方法，其中所述碳化物选自碳化硅、碳化硼、和碳化钨。

10.  权利要求8的方法，其中所述研磨颗粒直径为约1～2000μm。

11.  权利要求1的方法，其中所述VEAM包括选自聚合物凝胶和聚(硼硅氧烷)的物质。

12.  权利要求11的方法，其中所述VEAM为震凝的。

13.  权利要求12的方法，其中在所述抛光施加的应变下，所述VEAM主要表现为弹性固体。

14.  权利要求13的方法，其中所述介质具有约n＝2×10⁴厘泊～约n＝8×10⁶厘泊的静态粘度，并且其中研磨颗粒以基于所述VEAM重量的约30～90重量％的量存在于所述VEAM中。

15.  权利要求1的方法，进一步包括：
提供能旋转的夹持机构并且将所述靶安装于其上；
提供与所述靶相邻的移动体部件并且在所述靶表面和所述移动体部件之间形成间隙；
和将所述VEAM供给到所述间隙从而抛光所述靶表面。

16.  权利要求15的方法，进一步包括提供在所述靶表面和所述移动体部件之间的直线相对运动。

17.  权利要求15的方法，进一步包括使所述靶表面相对于所述移动体部件旋转。

18.  权利要求17的方法，进一步包括在所述旋转期间使所述靶和所述移动体部件彼此相向和分离的直线运动。

19.  权利要求15的方法，进一步包括：使所述移动体部件旋转，提供用于所述能旋转的夹持机构的第一旋转轴线和用于所述移动体部件的第二旋转轴线，所述第一和第二轴线彼此平行但是彼此偏置，从而在所述夹持机构和所述移动体都旋转时提供对所述靶表面的轨道抛光。

20.  适用于在溅射室中产生等离子体的类型的无线电频率线圈表面的处理方法，该方法包括：使所述表面与粘弹性研磨介质接触，和赋予在所述表面和所述介质之间的相对运动，从而抛光所述线圈表面。

超光滑面溅射靶及其制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2007年1月29日提交的美国临时专利申请No.60/898,159的优先权。
技术领域
本发明涉及通过去除靶表面变形层而改善溅射靶表面的表面粗糙度(Ra)和清洁度的方法。此外，最小化表面污染物，包括由介电材料造成的表面污染物。结果，改善了初始溅射性能并且使在靶“预烧(burn in)”期间的颗粒排放最小化。本发明还涉及通过上述方法制造的靶。
背景技术
阴极溅射广泛用于将材料薄层沉积到期望的基底上。基本上，该方法需要对具有由作为薄膜或者薄层沉积在基底上的期望材料形成的面的靶进行气体离子轰击。对靶的离子轰击不仅导致靶材料的原子或者分子被溅射，而且还赋予靶大量热能。这样的热量通过使用通常在以与靶成热交换关系而定位的背衬板下方或者周围循环的冷却流体而耗散。
靶形成阴极组件的一部分，所述阴极组件与阳极一起置于含有惰性气体(优选为氩气)的真空室中。阴极和阳极之间施加高压电场。惰性气体通过与从阴极发射的电子碰撞而电离。带正电的气体离子被吸引至阴极，并且在与靶表面碰撞时将靶材料撞出。撞出的靶材料横穿该真空封闭空间并且作为薄膜沉积在通常接近于阳极定位的期望基底上。
靶可包括金属，例如铝、铜、钽、钛或者钨。可将来自靶自身的材料溅射涂覆在基底上，或者，在某些情况下，可在期望的基底上形成由靶材料和处理气体(process gas)形成的化合物。这种“反应性”溅射的实例包括在溅射过程期间涂覆在期望的基底上的氮化钽、氮化钛、和氮化钨化合物。通常，溅射室包括容纳加工区域(process zone)的罩壳(housing)，在反应性溅射过程期间将加工气体如N₂供入所述加工区域。
制造靶的制造方法通常产生靶的受损表面层，该受损表面层产生不期望的或者不一致的溅射性质。例如，对靶表面的机械加工需要在靶表面上施加剪切力，所述剪切力可使表面晶粒塑性变形和在所述表面晶粒中产生其它缺陷。这些缺陷导致在整个靶表面上变化的并且不均匀的溅射性质。
通常，靶“预烧”步骤用于将靶的不期望的受损表面层去除。该预烧步骤在溅射室中进行，其中靶暴露于激发的等离子气体以导致不期望的表面层的溅射掉。显然，该预烧方法在能量消耗和溅射室停工时间方面均为不经济的。
已进行了例如通过研磨、电解抛光、化学蚀刻和化学/机械抛光(CMP)来除去不期望的靶表面变形层的多种尝试。研磨法通常导致嵌入介质在靶表面中沉积，而电解抛光和化学蚀刻可能导致靶表面H₂截留。CMP法产生可污染其它表面的残渣(sludge)。
发明内容
发明人已经发现：通过利用流体化的粘弹性研磨介质的挤压珩磨过程，基本上，可将不想要的靶表面受损层或变形层的整个层去除。因此，在溅射操作期间，靶实现了减少的预烧时间。在挤压珩磨过程中，提供靶表面和粘弹性研磨介质之间的相对运动。该运动可具有如下特征：直线运动(linear motion)、周期运动(cyclic motion)、摆动、回转运动、和/或轨道运动(orbital motion)。
通过上述方法提供的靶表面可具有小于约5μm、优选小于2μm、且最优选小于1μm的表面粗糙度。此外，经挤压珩磨的靶表面基本上不含有原来可能在抛光过程期间沿表面存在的外来颗粒。
该方法可与许多靶材料一起使用，所述靶材料包括铜、钽、铌、钨、钛、锆、铪、铝、镍、钴、铂、以及它们的合金形式。此外，靶表面可包括任何期望的截面形状，例如：凹面形状、凸面形状、平面形状、和极深的冲压碟形。此外，靶表面在根据本发明挤压珩磨后基本上不受氢污染。
所述粘弹性研磨介质(VEAM)包括分散在整个介质中的研磨颗粒。这些颗粒可选自：金刚石、碳化物、氧化铝、二氧化硅和石榴石。优选的碳化物包括碳化硅、碳化硼、和碳化钨。优选地，所述VEAM包括聚合物凝胶或者聚(硼硅氧烷)材料。最优选的，所述VEAM为震凝材料。
虽然将在很大程度上结合其在制备溅射靶表面中的用途对本发明进行描述，但是本领域技术人员应理解其可用于制备常规溅射系统的其它部件的表面例如RF线圈表面区域。
结合以下具体描述和附图对本发明进行进一步描述。
附图说明
图1为显示用使用含Si/C的粘弹性研磨介质(VEAM)的挤压珩磨(XH)表面处理制备的钽靶与用常规加工方法(CMP)制备的钽靶相比在不同表面水平下的辉光放电质谱(GDMS)分析的图；
图2为显示根据本发明用使用含有金刚石的VEAM的XH表面处理制备的钽靶与用CMP制备的钽靶相比在不同表面水平下的GDMS分析的图；
图3为显示根据本发明用使用含有金刚石的VEAM的XH表面处理制备的Cu靶与用CMP制备的Cu靶相比在不同表面水平下的GDMS分析的图；
图4为显示根据本发明用使用含有Si/C的VEAM的XH表面处理制备的Cu靶与用CMP制备的Cu靶的相比在不同表面水平下的GDMS分析的图；
图5为显示根据本发明用使用含有Si/C的VEAM的XH表面处理制备的Ti靶与用CMP制备的Ti靶相比在不同表面水平下的GDMS分析的图；
图6为显示根据本发明用使用含有金刚石的VEAM的XH表面处理制备的Ti靶与用CMP制备的Ti靶的相比在不同表面水平下的GDMS分析的图；
图7为适于根据本发明来处理溅射靶的装置的一个实施方式的横截面示意图；
图8为适于根据本发明来处理溅射靶的装置的另一实施方式的横截面示意图。
具体实施方式
根据本发明，溅射靶、以及适于在溅射系统中产生等离子体的类型的RF线圈可被挤压珩磨抛光以具有小于5μm、优选小于2μm、且最优选小于1μm的表面粗糙度。此外，由于在抛光过程中使用粘弹性研磨介质(VEAM)，因此，完成的抛光表面不含有原来可能在抛光过程期间出现的污染碎屑。该过程基本上将整个厚度的不期望的变形层从溅射靶表面去除以改善初始溅射均匀性，并且导致降低的靶“预烧”时间。由于VEAM在处于由抛光过程导致的应力下时形成弹性固体，因此，其保留来自该过程的污染性研磨颗粒和其它颗粒。因此，所得靶表面基本上不受污染并且未载有或者保留氢。
首先，转至图7，其显示了可用于根据本发明对靶表面或者RF线圈抛光的装置类型的一个实施方式。该装置基本上与美国专利6,273,787中所呈现和描述的相同，该专利的全部公开内容通过引用纳入本申请。挤压珩磨装置400以示意性横截面方式显示并且包括：夹持机构(fixture)402和整体轴403，其中所述夹持机构适于如所述轴上方的环形箭头所示进行旋转。靶如溅射靶404通过诸如螺栓或者夹子的常规机构(未示出)安装于所述夹持机构的末端。所述靶包括表面406，所述表面406在溅射过程期间将被来自溅射等离子体的离子轰击，从而导致来自表面406的材料喷射到期望的基底上。该表面406按照本发明进行抛光。如该图中所示，所述靶设置有凹面形状，但是该方法可适于抛光从平面形状到深冲压碗形状的任何表面形状。
移动体(displacer)408与靶表面相对定位并且具有顶面411，所述顶面411在优选实施方式中为靶面406的横截面结构的互补的、大致镜像。所述夹持机构和移动体均容纳于容器416中，并且VEAM研磨剂412供入该容器中以沿形成于所述靶与所述移动体的相邻面之间的狭窄间隙或者槽410流动。提供流出槽414以容许在粘弹性介质已执行了其预定抛光功能之后排出失效的粘弹性介质。此外，如夹持机构403右侧的箭头所示，所述夹持机构还设有例如通过滚珠丝杠等(未示出)赋予其相对直线运动的装置。由此，夹持机构402可严密地旋转和/或压入到间隙410中以便在VEAM循环通过该间隙时向其施加压力。在抛光操作期间，粘弹性研磨介质被承载在整个靶表面上并且与所述靶表面贴合。如美国专利6,273,787中所述，该抛光作用为基于存在于靶与移动体之间的狭窄间隙的粘弹性研磨介质的“挤压”。
如美国专利6,273,787中所指出的，在加工运动施加的应变下，VEAM主要表现为弹性固体。因此，所述固体对表面进行清洁并且保留原来会沿着所述靶和移动体的界面表面形成的抛光污染物，并且然后当其经由流出槽414排出时与失效的介质一起被去除。如图7中环形箭头所示的轨道驱动分量和如所述夹持机构右侧的直线箭头所示的垂直驱动分量起到使所述靶表面与粘弹性研磨介质配合进行加工、接触运动的作用。如美国专利6,273,787中所述，所述相对运动驱动器期望地在需要相对运动、典型地相对高频速率下的轨道运动的相对小的幅度下运行。按照′787专利，典型的操作参数包括：在约5～100Hz、优选约12～25Hz的频率下运行，运动幅度(即轨道半径)为约0.010～约0.500英寸、优选约0.040～0.0250英寸。摆动方向可为顺时针、逆时针、或者混合的。图7中所示的容器为敞开容器，但是本领域技术人员应理解也可使用封闭容器。
其中添加了所需研磨介质的粘弹性材料或者基料(base)可优选为聚合物凝胶特别是水凝胶，或者所述介质可为聚(硼硅氧烷)。这与通常用作抛光介质的基于水的浆料相反。
所述粘弹性研磨介质的研磨组分的粒径应为约1μm～约2000μm，并且优选的研磨颗粒尺寸应为约2～400μm并且最优选为约20～约300μm。用于所述研磨颗粒的合适材料的实例为氧化铝、二氧化硅、石榴石、碳化硅、碳化硼、金刚石、碳化钨等。通常，研磨剂期望地以基于所述粘弹性研磨介质总重量的约30～90重量％、优选约65～85重量％的浓度用于所述介质中。
目前，优选使用聚(硼硅氧烷)聚合物作为所述粘弹性介质。该聚合物被描述为“震凝的”；即，随着应力的施加，其表观粘度提高。其中具有研磨颗粒的粘弹性介质的静态粘度期望地为约n＝2×10⁴厘泊～约n＝8×10⁶厘泊。
根据本发明，赋予所述靶和介质之间的相对运动可描述为轨道运动、回转、旋转、往复直线运动，或者为两种或更多种这样的运动的组合的合量。
现在，转到本发明的图8，其显示了实施本发明方法的优选装置。如图8中所示，夹持机构402和由其所承载的靶404也适配于直线或者旋转运动。所述夹持机构的旋转设置成沿旋转轴线CL₁。
在图8中所示的实施方式中，移动体408也能在其轴409上围绕与轴线CL₁平行但是与其偏置的轴线CL₂旋转。换而言之，轴线CL₁和CL₂存在于同一平面中但是不共轴。CL₁和CL₂偏置，并且在轴403、409旋转时随着VEAM与靶面406在移动体408和靶面406之间的狭窄间隙410中接触而提供轨道抛光运动。通常，所述间隙深度(靶表面和移动体之间的距离)为约1/64～1/2英寸并且优选为1/32～1/8英寸。在靶和移动体分别绕轴线C₁和C₂偏置旋转时，在靶和移动体之间提供相对偏心的运动。图8中示意性图示的装置更详细地描述于美国专利7,255,631中，因此将其公开内容通过引用纳入本申请。在′631专利中所示的实施方式中，经由使移动体旋转的圆柱形轴而将VEAM供应到所含表面中，并且将失效的VEAM通过夹持机构部分中暴露于所述介质的孔等而排出系统。虽然图8实施方式表明所述夹持机构和移动体均可为能旋转的，但是在CL₁和CL₂之间的偏置仍然存在的情况下所述移动体可以为固定的。换而言之，在CL₁和CL₂之间可存在偏心，并且所述夹持机构围绕轴线CL₁旋转且随着使所述夹持机构朝向和远离移动体表面而提供前后直线运动。
实施例
在以下实施例中将进一步描述本发明，所述实施例应被认为是对本发明的展示并且不应认为限制本发明的范围。
Ta、Ti和Cu靶根据本发明进行XH过程，并且与通过常规方法(包括机械加工和机械抛光(砂磨)步骤)处理的类似靶进行比较。对如此处理的靶在不同的靶深度处进行GDMS分析，以分析靶上污染物的存在。制备直径约1英寸的圆形样品并且将其置于平室(flat cell)GDMS测试中。对该样品进行缓慢溅射，并且当从表面去除的原子通过质谱仪时对其进行计数。
这些研究的结果用图表方式显示于图1-6中。各图中的X轴表示沿其中进行污染物分析的表面的靶表面水平或者厚度。Y轴表示在表面被去除时存在于表面上的污染物的ppm含量。在各样品中，可以看到，尤其是靶表面水平处或者在靠近表面下方的层处，与常规处理相比，当使用XH方法时污染物水平急剧降低。对表面的扫描电子显微镜分析显示，常规制备留下可保持污染物的粗糙表面，而经珩磨的表面则是光滑的并且没有增厚部分(lap)。
本发明的前述描述和公开内容旨在对于指导本发明所述技术领域的普通技术人员来说为说明性的，并且不意图限定或者限制本发明的范围。本发明的范围仅由所附权利要求所限定和限制。