[发明专利]DC磁控溅射设备和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于在基底上沉积膜的DC磁控溅射设备。本发明还涉及在基底上沉积膜的相关方法。

背景技术

现今，许多MEMS(微机电系统)装置利用压电材料，诸如氮化铝(AlN)以及二元金属氮化物，诸如氮化铝钪(AlScN)作为装置控制中的组件。在许多装置中，沉积的压电薄膜的应力装置对装置的性质和有效性具有直接的影响。诸如膜状物和悬臂(cantilever)的装置是所沉积的压电薄膜的应力状态极其重要的装置的实例。一些装置适用于具有适度压缩应力的膜，而其它装置适用于具有适度拉伸应力的膜。许多装置仅要求存在小的应力变化，而无关该应力的性质是压缩性还是拉伸性。

高度(002)取向的氮化铝晶粒对于许多MEMS装置的恰当功能是关键的。为了实现良好的晶粒结构(texture)，重要的是利用高真空沉积环境和高晶片温度。高的靶功率(对于200mm的晶片，大于5kW)导致由于氮化铝冷凝的放热焓而产生升高的温度。理想地，沉积膜的应力状态在整个晶片是完全均匀的，值接近于零。这将产生适用于高产率装置制造的均匀的装置性能。然而，该理想状态由于多种因素(诸如膜厚、粒子轰击和温度)的变化而未实现。通常来说，400℃或更高的相对高的晶片温度对于形成具有良好结构的氮化铝晶体是必要的，但是该高温导致形成处于拉伸状态的膜。本质上纯的热引起的氮化铝沉积在所沉积的膜上具有相对均匀的应力分布。然而，该膜被沉积成高度拉伸应力状态。该均匀性归因于沉积期间的高度均匀的晶片温度，其进而由于沉积期间在晶片表面上等离子体物质的温和且均匀的冷凝而实现。然而，随着晶片冷却和松弛而由于收缩所引起的膜的裂缝是一个重大的问题。由于膜的裂缝而导致晶片的中心处应力的崩塌。图1示出了作为晶片上的径向位置的函数的热沉积的氮化铝膜的应力值。可以看出，膜的整个应力状态是高度拉伸的。还可以看出，在膜上，应力值具有约100MPa的变化。

如果利用RF功率(施加至晶片以产生DC偏压)通过DC磁控溅射来沉积氮化铝膜，则在所沉积的膜上观察到不同的应力特性。图2示出了对于DC磁控溅射沉积(施加RF功率以产生DC偏压)的氮化铝膜，作为径向位置的函数的应力。可以看出，与图1相比，平均应力值显著降低。在图2示出的应力分布图中，平均应力为约50MPa且最大应力值为约250MPa。图2中的应力分布图的均匀性显著低于图1中的应力分布图的均匀性，其中，图2中观察到约500MPa的变化。因此，晶片上的应力的变化为膜的平均应力的约10倍。可以容易地解释这些结果。该施加的RF功率产生DC偏压并且在晶片表面上产生相关的电场。这就增加了从等离子体到晶片表面的离子轰击。该离子轰击使所沉积的膜压实以产生更加压缩的应力状态。具有较低拉伸应力的氮化铝膜可适用于用在许多MEMS装置中。对于许多应用，范围在-50MPa至+50MPa的应力值是可取的，但是膜上的高度的应力不均匀性是不可取的。应力的不均匀性归因于溅射系统中磁控管的经典设计，其配置用于在晶片上实现均匀的沉积厚度。这就导致了靶材在靶材边缘处比在靶材中心处侵蚀更多。进而导致与靶材中心相关的“次要”侵蚀区域，以及与靶材的边缘相关的“主要”侵蚀区域。尽管该配置对于保持均匀的膜厚是理想的，但是本发明人已经意识到当利用施加的RF功率来控制平均应力时，存在问题。与中心处相比，靶材边缘处的主要侵蚀区域的位置导致在靶材边缘处产生远远更大程度的电离。与中心处相比，晶片表面的电场则在边缘产生远远更大量的离子轰击，并且从而产生中心更拉伸且边缘更压缩的膜。对于给定的靶材尺寸，晶片尺寸的增加将由于主要侵蚀区的大的影响而导致晶片的中心处和晶片边缘处的应力之间的较大差异。

非常希望提供一种沉积氮化铝膜的方式，该氮化铝膜在性质上不具有强拉伸性，但是与利用DC偏压的磁控溅射的现有技术方法(例如，用于产生图2所示结果的方法)相比，在晶片上具有降低的应力变化。

发明内容

本发明，至少在本发明的一些实施方式中解决了这些问题和需要。尽管本发明尤其适用于沉积氮化铝膜，但是也可适用于沉积其它材料。

根据本发明的第一方面，提供了用于在基底上沉积膜的DC磁控溅射设备，所述DC磁控溅射设备包括：

腔室；

放置在所述腔室内的基底支撑件；

DC磁控管；以及

用于提供电偏压信号的电信号供应装置，在使用中所述电偏压信号致使离子轰击放置在所述基底支撑件上的基底；

其中，所述基底支撑件包括被边缘区域环绕的中心区域，所述中心区域相对于所述边缘区域是凸起的。