拼接式磁控溅射平面靶材及其使用方法与流程

1.本说明书涉及半导体技术领域，具体涉及一种拼接式磁控溅射平面靶材及其使用方法。


背景技术：

2.在半导体的生产过程中，会使用磁控溅射沉积技术在目标表面沉积金属。磁控溅射沉积技术是在真空环境下，通过电场和磁场的共同作用，利用被离化的惰性气体离子对靶材进行轰击，使靶材以离子、原子或分子的形式被弹出，以在晶圆上沉积形成薄膜。磁控溅射沉积技术可以用于对铝、铜、金、铂等金属薄膜的沉积，以构成金属接触以及金属互连线等工艺。靶材通常为一块整体的圆形片状结构，在磁控溅射沉积过程中，由于磁控管在靶材表面产生的磁场不均匀，会引起靶材的消耗的不均匀的情况发生，部分区域的靶材消耗殆尽，其他区域的靶材仍有大量剩余，造成了靶材的浪费，尤其是使用贵金属作为沉积材料时，增加了大量的经济成本。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本说明书实施例提供一种拼接式磁控溅射平面靶材及其使用方法。其中，拼接式磁控溅射平面靶材能够提高磁控溅射平面靶材的利用率，有效降低靶材的使用成本。
4.本说明书实施例提供以下技术方案：
5.一种拼接式磁控溅射平面靶材，包括各自独立且相互过盈连接的圆形靶材和若干个环形靶材，所述圆形靶材位于所述拼接式磁控溅射平面靶材的中心，所述环形靶材与所述圆形靶材同心设置且围绕所述圆形靶材的外周分布，所述外圈靶材的环宽根据磁控溅射的磁场强度对应设置。
6.在上述方案中，通过将磁控溅射平面靶材分为多块同心设置的独立靶材，其中最内部为一个圆形靶材，形成中心的圆形区域，其外周围绕若干个环形靶材，依次构成外围的环形区域，在靶材的使用过程中，可以根据各个区域靶材消耗情况，仅更换已经消耗完毕或接近消耗完毕的独立靶材，从而提高各区域靶材的利用率，不用进行靶材的整体更换，降低靶材的使用成本。
7.本说明书实施例还提供一种方案，所述环形靶材的厚度根据所述磁场强度对应设置。
8.在上述方案中，通过独立增加磁场强度强的区域靶材的厚度，起到增加特定区域靶材初始量的作用，使得不同区域的靶材可以同时耗尽，不仅提高靶材利用率，并延长靶材更换周期，有效降低材料成本和人力成本。
9.本说明书实施例还提供一种方案，所述环形靶材的厚度根据所述磁场强度对应设置。
10.本说明书实施例还提供一种方案，所述环形靶材的厚度大于所述圆形靶材的厚
度。
11.本说明书实施例还提供一种方案，所述圆形靶材的半径和/或厚度根据磁控溅射的磁场强度对应设置。
12.本说明书实施例还提供一种方案，所述环形靶材和所述圆形靶材的构成材料相同。
13.本说明书实施例还提供一种拼接式磁控溅射平面靶材的使用方法，应用于前述任意一项所述的拼接式磁控溅射平面靶材，所述使用方法包括以下步骤：
14.更换已经消耗完毕或接近消耗完毕的所述圆形靶材和/或所述环形靶材。
15.与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：本发明提供的拼接式磁控溅射平面靶材，根据磁控溅射的磁场强度，将靶材分成多个相互独立并可以组装在一起的同心靶材，当某个区域中的靶材已经消耗完毕或接近消耗完毕时，更换该区域的靶材，无需更换整个靶材，提高靶材的综合利用率，从而降低靶材的使用成本。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
17.图1是一种现有技术中磁控溅射沉积设备的结构示意图；
18.图2是本发明一个实施例中的拼接式磁控溅射平面靶材的俯视示意图；
19.图3是本发明一个实施例中的拼接式磁控溅射平面靶材的侧视示意图；
20.图4是本发明一个实施例中的异型面的拼接式磁控溅射平面靶材的侧视示意图；
21.图5是一体式靶材、平面拼接式靶材、异型面拼接式靶材的实施效果对比；
22.其中，10、沉积腔室，11、惰性气体正离子，12、直流电源，20、靶材，21、区域一，22、区域二，23、区域三，24、区域四，25、区域五，30、磁控管，40、晶圆基座，50、晶圆。
具体实施方式
23.下面结合附图对本技术实施例进行详细描述。
24.以下通过特定的具体实例说明本技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本技术的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。本技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本技术的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
25.需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本技术，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。
举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
26.还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本技术的基本构想，图式中仅显示与本技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
27.需要理解的是，“部件a与部件b的连接”是指部件a直接与部件b接触连接，或者部件a通过其他部件与部件b进行间接连接。本说明书的示例实施例中所描述的“上”、“下”、“内”、“外”、“侧”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本说明书的示例实施例的限定。
28.另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
29.如图1所示的现有技术中的磁控溅射沉积设备，包括晶圆基座40、靶材20、沉积腔室10及磁控管30，晶圆50位于晶圆基座40上。其中，靶材20为圆形的平面结构，由金属制成，位于沉积腔室10内。未使用的靶材20表面平整。在溅射沉积的过程中，惰性气体正离子11被直流电源12提供的高能能量电离化，被离化的惰性气体正离子11对靶材20(作为目标)进行轰击，使靶材20以离子、原子或分子的形式被弹出，以在晶圆50上沉积形成金属薄膜。
30.由于每次磁控溅射沉积都会消耗靶材20上的金属，且磁控管30在靶材20表面产生的磁场不均匀，会使靶材20的消耗产生不均匀的现象，在沉积的过程中，需要频繁进行靶材20进行整体更换，而更换时，有部分区域的靶材消耗殆尽，有部分区域靶材20还未利用，从而造成靶材20的浪费，尤其是使用贵金属作为沉积材料时，严重增加了晶圆制造企业的经济成本。
31.因此，开发一种磁控溅射沉积工艺使用的新型靶材以及使用这种新型靶材的使用方法，以提高靶材利用率，实属必要。发明人发现靶材的经济利用率不高的原因在于靶材的整体更换，于是，发明人提出一种分体式的磁控溅射沉积用的平面靶材，其结构能够适用各种金属。该靶材基于圆形靶材的基础形状，以圆形靶材的圆心为圆心，将靶材设置成分体结构，其中心为一个圆形区域，在圆形区域的外周，沿圆形的半径方向由内向外依次排列一个或多个的圆环区域，圆环区域的圆心与中心圆形区域的圆心重合，中心圆形和外围环形通过尺寸控制，使得相邻的两者之间可以过盈装配在一起，从而形成一个完整的圆形靶材。并且，发明人发现，磁控溅射的磁场强度与靶材的消耗速度成正比关系，磁场强度越强的区域靶材的消耗速度越快，因此可以根据磁场强度设置环形区域的环宽，使得同一环形区域中的靶材在相同的或接近的磁场强度的作用下，消耗速度相同，从而能够便于更换该区域的靶材。当某个区域的靶材消耗完毕或者即将消耗完毕时，将新的替换区域的靶材接在使用过的靶材上，构成一片新的完整结构圆形靶材，继续用于磁控溅射沉积工艺中。也就是说，使用上述结构的新型靶材，通过不断更新部分区域的靶材，使得不同磁场强度区域的靶材材料都能得到充分利用，从而起到充分利用各区域靶材的作用，避免靶材的浪费，增加经济效益。
32.以下结合附图，说明本技术各实施例提供的技术方案。
33.如图2和图3所示的拼接式磁控溅射平面靶材，包括各自独立一个圆形靶材和若干个环形靶材，其中圆形靶材位于拼接式磁控溅射平面靶材的中心，各环形靶材与圆形靶材同心设置，并且，环形靶材围绕圆形靶材的外周分布，圆形靶材和各环形靶材任何两者之间，通过过盈装配的方式连接。其中，外圈靶材的环宽根据磁控溅射的磁场强度对应设置。
34.以拼接式磁控溅射平面靶材分为五个区域为例，如图2和图3所示，靶材上的五个区域分别是位于中心位置的区域一21，以及处于区域一21外围且依次连接的区域二22、区域三23、区域四24、区域五25。区域一21为圆形，构成圆形靶材，区域二22、区域三23、区域四24、区域五25均为环形，沿拼上述圆形的半径方向，向外依次套设，构成各个环形靶材，其中的区域二22套设在区域一21的外周上。区域二22、区域三23、区域四24和区域五25的环宽根据磁控溅射的磁场强度对应设置；同样的，区域一21的半径也可以根据磁场强度对应设置。
35.需要说明的是，上述五个区域采用过盈装配的方式固定连接，方便靶材的组合和更换。
36.在使用时，将由上述五个区域组成的平面靶材安装在沉积腔室10中的预定位置上，进行磁控溅射沉积作业，在使用过程中可以观察各个区域的减少情况，当某个或多个区域中的靶材材料用完或接近用完时(即对应磁控溅射的磁场强度较强的区域)，取出该平面靶材，替换上述材料用完或接近用完的区域。
37.还需要说明的是，上述的五个区域仅为一些具体实施例中采用的方式，在其他实施例，也可以采用其他数量的区域组成形式，如只有一个圆形的区域一21，一个环形的区域二22；或者一个圆形的区域一21，以及6个环形的区域。还需要说明的是，环形区域的数量以及各环形区域的环宽，均可以更加所使用的磁控管30形成的磁场变化情况，进行灵活的设置；此外，还可以根据已使用的传统的一体成型的靶材的消耗情况(残靶)，例如根据溅射跑道的数量确定环形区域(环形靶材)的数量，根据溅射跑道的宽度确定环形区域(环形靶材)的宽度。
38.在上述方案中，通过将磁控溅射平面靶材分为多块同心设置且可以相互分离的独立靶材区域，在使用过程中，可以方便的更换消耗完毕或接近消耗完毕的靶材结构，无需进行整体更换，提高各区域靶材的利用率，提高经济效益。并且该方案通过过盈装配的方式将各个靶材区域装配起来，无需焊接，方便了安装和更换过程。举例来说，如图5所示，以相同尺寸和厚度的钛靶材为例，若使用一体式靶材，使用10天时，已有部分区域的靶材材料用尽，计算靶材的利用率为70％；而使用本方案中的拼接式靶材(即平面拼接式靶材，指靶材安装在沉积腔室中时朝向晶圆的一面为平面)，使用10天时，更换靶材材料用尽区域的圆形靶材或环形靶材，可以继续使用其他区域的靶材，靶材的综合利用率提升至98％。
39.在一些实施方案中，在环形靶材(环形区域)之间的内环和外环的结合位置处，和/或，在最小的环形靶材和圆形靶材(圆形区域)之间的结合位置处，环壁表面与平面靶材的底面(安装在沉积腔室10中时远离晶圆50的一面)存在一定的倾斜角度(例如环壁表面与平面靶材的底面的夹角为85
°
或80
°
)，而非垂直于该底面，从而能够在更换靶材时，更方便的取出环形靶材或圆形靶材。
40.在一些实施方案中，环形靶材的厚度根据磁控溅射的磁场强度对应设置。如图4所示，区域二22、区域三23、区域四24和区域五25的根据磁控溅射的磁场强度对应设置，具体的，区域二22和区域四24是磁场强大区域，上述两个区域的厚度大于其他区域的厚度。需要
说明的是，也根据已使用的传统的一体成型的靶材的消耗情况(残靶)，例如根据溅射跑道的深度确定环形靶材的厚度。
41.在上述方案中，将拼接式磁控溅射平面靶材设置成表面为异形面，独立增加磁场强度强的初始靶材的厚度，使得不同区域的靶材可以同时耗尽，提高整体靶材的利用率，使得靶材上的各区域可以同时更换，减少更换频次，有效降低材料成本和人力成本，提高生产效率。举例来说，以相同尺寸和厚度的钛靶材为例，如图5所示，一体式靶材在使用10天需要更换，并且利用率为70％；而使用各区域不同厚度的靶材(即异型面靶材，指靶材安装在沉积腔室中时朝向晶圆的一面为异型面)，可以在15天时更换靶材，且靶材的利用率提升至98％。
42.在一些实施方案中，环形靶材的厚度大于圆形靶材的厚度。
43.在一些实施方案中，圆形靶材的半径根据磁控溅射的磁场强度对应设置。
44.在一些实施方案中，圆形靶材的厚度根据磁控溅射的磁场强度对应设置。
45.在一些实施方案中，环形靶材和圆形靶材的构成材料相同。
46.在一些实施方案中，圆形靶材构成材料包括铝、铜、金或铂。
47.在一些实施方案中，环形靶材构成材料包括铝、铜、金或铂。
48.基于相同的发明构思，本说明书实施例还提供一种拼接式磁控溅射平面靶材的使用方法，应用于前述任意一项所述的拼接式磁控溅射平面靶材，该使用方法包括以下步骤：更换已经消耗完毕或接近消耗完毕的所述圆形靶材和/或所述环形靶材。
49.上述实施例提供的所能带来的拼接式磁控溅射平面靶材的使用方法技术效果，可以参照前述拼接式磁控溅射平面靶材的各实施例提供的技术效果，此处不再赘述。
50.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例侧重说明的都是与其他实施例的不同之处。
51.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。