機械連接式濺射靶及其適配器的製作方法

2023-06-13 20:52:26 3

專利名稱：機械連接式濺射靶及其適配器的製作方法
技術領域：
本發明涉及等離子濺射裝置的靶。
背景技術：
濺射加工通常在真空室中進行。真空室包括由例如鋁等被濺射材料構成的靶。例如承載集成電路的半導體晶片的襯底被放在室中，然後將該室抽成真空。一旦該室被抽成真空，便將加工氣體以低壓引入該室中，然後將電壓加在靶上。在該室中形成的電離氣體由靶的電場加速。當離子打在靶上時便從靶上撞擊出濺射材料的原子。撞擊出的原子濺射在襯底上，隨著時間的推移便在襯底上形成一層濺射材料的薄膜。
所述濺射過程將逐漸消耗靶的材料，直至最後必須更換新靶。通常的做法是將靶從室中取出，並將一個新靶插入該室中。


圖1是用於進行濺射加工的一般真空室10的橫截面圖，靶組件12裝在該真空室中。真空室10的形狀一般為圓筒形或方形，靶12大體呈圓盤形並安裝在真空室10的圓形開口13中。圓盤形的晶片14在真空室10的內部由大體呈圓盤形的陽極16支承。相對於真空室10其餘部分的電壓施加在陽極16上。
如圖1所示，一般的靶包括用金屬例如銅製成的襯板20，該襯板用冶金的方法(例如低溫焊接)接合到濺射材料的前表面22上。襯板20通過安裝螺釘24固定在真空室的蓋23上。蓋23用未示出的裝置固定在真空室10上，該蓋支承著前表面22，使其就位於大體對著晶片14的位置。裝在槽26中的O形環防止大氣通過靶-室界面進入該室10。在濺射加工期間，前表面22的材料被移出並沉積在晶片14上，而襯板仍然處於原來的狀態。
隨著時間推移，例如圖1所示靶等一般的靶將被消耗到必須更新前表面22上的濺射材料的程度。此時，將蓋子23從室10上取下來，從蓋子23上鬆開並取下靶組件12。然後將新的靶組件12裝在蓋子23上，最後將蓋子23固定在真空室10上，繼續進行濺射加工。
襯板通常用貴重金屬製作，為此一般要循環使用。當從蓋子23上卸下用舊的靶組件後，便將襯板及焊接於其上的剩餘濺射材料送回生產廠家。廠家將襯板上剩餘的濺射材料除去，然後將濺射材料的新的前表面22焊接在襯板上。隨後再出售由回收的襯板和濺射材料新的前表面構成的靶組件12。為保證使加工單位迅速地將用過的組件返回廠家，廠家在售賣每個靶的價格中通常包括芯的費用，該費用在將用過的靶送回廠家時再扣除。
回收用過的靶的工作很麻煩，因為它需要將大而重的靶定期送給廠家。另外，為了保證貯存足夠多的靶以免停機，半導體製造單位必須在倉庫中貯存許多新的靶組件12，這基本上相當於為貯存在倉庫中的靶組件永久地支付芯的費用。
發明概述按照本發明，通過提供一種靶組件可以克服所述缺點，在該組件中，濺射材料不是焊接在襯板上或用其它冶金方法接合於襯板上。該靶是以機械方式(例如用螺栓)連接於真空室。結果是，可以容易地從真空室上取下和更換濺射材料，而且無需取下和更換襯板。
具體地說，本發明一個方面的特徵是具有一個適配器，該適配器的尺寸使得它可以象圖1所示靶組件那樣在相同的連接位置上永久性地安裝到真空室。適配器具有中心孔，在該孔中適配器支承靶。穿過適配器和靶的機械連接件以機械方式將靶連接於適配器上。靶整體用濺射材料均勻製成，並可獨立地裝在室中以及從該室中拆出而不用卸下適配器。結果是，當靶用舊時，只須更換靶而不需要整修適配器。
在具體的實施例中，適配器可以是銅，其形狀大體為圓筒形且具有大體呈圓筒形的支承壁和大體沿徑向的法蘭，該法蘭的尺寸使得可以代替先有技術的靶組件裝在真空室上。在穿過適配器圓筒形支承壁的孔中裝入機械連接件，該連接件可以是螺栓。靶被加工成例如鋁或氧化鋁的單片金屬，它為圓盤形且在其圓筒形外周面上具有孔，該孔被設置成與適配器圓筒形支承壁上的孔相配合。將螺線圈插入到靶的孔中，並將穿過適配器之孔中的螺栓擰入這些螺線圈，從而將靶連接於適配器上。
靶還具有一個定位銷(indexing pin)，該定位銷凸出於其圓筒形外周面。該銷與適配器上的槽相配合。銷和槽這樣定位，使得當將銷放入槽中時，靶上的孔和適配器上的孔便對準。
在其它方面，本發明的特徵在於具有所述特徵的靶。
從附圖和其說明中將明顯看出本發明的所述和其它目的及優點。
附圖簡述附圖包含於本說明書中並構成本說明書的一部分，該附圖示出本發明的實施例，並結合所述對本發明的總體描述和下面對實施例的詳細描述來解釋本發明的原理。
圖1是先有技術濺射靶組件和真空室的橫截面圖；圖2是根據本發明原理的靶30和適配器32的橫截面圖；圖3是圖2濺射靶組件的濺射靶30和適配器32之間機械連接部分的詳細圖；圖4是沿圖2中4-4線所看的濺射靶30的平面圖，圖中除去了適配器32；圖5是沿圖2中5-5線所看的適配器32的平面圖，圖中除去了濺射靶30；圖6A和6B示出圖2中適配器32的槽41的另一個實施例。
具體實施例詳述參照圖2-5，按照本發明原理的靶組件包括了由濺射材料例如鋁或氧化鋁製成的靶30。該靶30以機械方式連接於適配器32。靶30和適配器32的整個組件的形狀與圖1所示先有技術靶組件的形狀相同。
靶30是基本上呈圓盤形的板，用濺射材料例如鋁和氧化鋁製成。適配器32是用適於支承靶30承受真空室10中真空壓力的金屬製成。目前用於製造濺射靶襯板的材料例如銅適合於作此用途。
適配器32利用穿過孔33的螺栓固定在真空室10的蓋子23上，其固定方式與圖1所示先有技術靶的固定方式相同。孔33的位置和直徑與圖1所示先有技術的靶相同。另外，適配器32包括槽34，該槽的位置和尺寸與圖1所示先有技術靶的槽26相同。槽34中放置O形環，該環的尺寸與放在槽26中的環的尺寸相同，由此可以防止大氣通過適配器32和真空室10之間的界面漏入真空室。
靶30的外周面35的直徑約為11.5英寸，而適配器32的內周面39的內直徑約與其相同，從而可使靶30準確地接合於適配器32。靶30的厚度約為0.74英寸，圖2所示的靶30和適配器32組件的厚度約為1.91英寸。這些尺寸完全與圖1所示先有技術靶的尺寸一致。
參照圖3，圖中示出靶30和適配器32之間機械連接部分的詳細圖。靶30的外周面35相對於靶30的中心軸線傾斜約6°角，因而靶30的底表面37與外周面35之間的角度約為96°。適配器32的內周面39相對於適配器32的中心軸線相應傾斜6°角。靶30和適配器32沿周面35和39的相對直徑是匹配的，使得當靶30的外周面35插入適配器32的內周面39時，該外周面35和內周面39完全接觸。
適配器32沿其內周面39包括兩個寬約0.125英寸的適於裝入兩個O形環43的槽41。O形環43在靶30和適配器32之間形成密封，由此減小通過靶30和適配器32之間的界面進入真空室的洩漏。參照圖6A和6B，槽41的壁是燕尾形的、即向內傾斜，從而可以將O形環卡在槽內。可以採用例如圖6A所示的單向傾斜壁，或採用例如圖6B所示的雙向傾斜壁。
靶30沿其周面35在許多間隔開的位置包括孔40，孔的尺寸被做成可以裝入8-32螺線圈緊固部件42。適配器32在間隔開的位置包括孔44，該孔的位置對應於靶30上孔40的位置。在一個實施例中，有12個這種孔圍繞靶30和適配器32的周面35、39沿徑向均勻間隔開，如圖5所示。孔40和44位於所述槽41的中間，並與靶30和適配器32的周面35、39的表面成直角鑽出；因而這些孔與垂直於靶30和適配器32的中心軸線的平面成6°角。
在使用時，適配器32以圖1所示方式永久地固定在真空室10的蓋子23上。可從適配器上單獨地更換靶30。為將靶30以機械方式連接於適配器32，將8-32螺線圈緊固部件42裝入靶30上的各個孔40中。另外，在槽41中裝入適當尺寸的O形環41，隨後將靶30插入適配器，使靶30上的孔40與適配器32上的孔44對準。然後將適當長度例如0.5英寸長的8-32螺栓45穿過孔44並插入孔40，與孔44中的螺線圈42的螺紋嚙合。之後充分轉動螺栓45，使得在靶30和適配器32之間形成密封。
為幫助使用者正確地使靶30與適配器32對正，靶30在沿其外周面的至少一個或多個位置包括0.087英寸直徑的滾柱銷47，該滾柱銷插入孔48中，使得滾柱銷47的外端從靶30的外周面35徑向向外伸出(見圖4)。適配器32包括一個或多個在適配器32的內周面39上形成的槽口49，該槽口的尺寸可以裝入滾柱銷47(見圖5)。滾柱銷47和槽口49這樣配置，使得當滾柱銷47裝在槽口49中時，靶30和適配器32的孔40和44便對正。因此滾柱銷47有助於正確地使靶30在適配器32中的對正。也可以結合使用其它的配合部件以方便對正，例如在適配器內周面39上形成凸出部，它可以與靶30上的槽口相配合。
在使用時，將靶30裝在適配器32上，從靶30的表面50上進行濺射，直到因過度消耗而需要更換靶30。此時，擰出螺栓45，從適配器32上卸下靶30。然後用廠家作的新靶30取代已消耗的舊靶30，將新靶裝在適配器上。
這種方法的優點是，用舊的靶30不需要返回廠家進行重複利用。而且靶的材料可以處理或作為廢金屬回收。因此按照本發明的原理，不需要重複地將用舊的靶返回廠家進行修整。另外，廠家也不必為了保證按時收回用舊的靶以便進行襯板的更新而收取芯部費用。
本發明的另一個潛在優點是增加了靶的壽命。有兩個因素限制靶30在需要更換之前能夠承受的消耗量。
首先，靶30必須能自支撐，即靶30在不受到如圖1先有技術靶那樣的襯板支承時，該靶30可以承受真空室中的真空壓力應力。已經發現，用鋁或氧化鋁製造的靶具有足夠的剛性，使得至少在靶消耗到其中心部分的厚度約等於圖1所示襯板20的厚度之前可以承受這種應力。
其次，具體參照圖3，在靶30的外周，包含螺栓45的孔40和暴露於真空室內部的靶表面50之間的濺射材料厚度約為0.375～0.5英寸。靶在此區域的消耗最終將導致露出螺栓45和滾柱銷47。然而，已經發現，靶30在表面50上的消耗速度在靠近靶30中心軸線的區域是最快的。靠近靶的四周則只產生一些消耗；然而，靶中心的合適消耗速率使得在由於中心區域的消耗而暴露出滾柱銷49或孔40之前，必須更換濺射靶。
示於圖2的靶30的使用期比圖1先有技術的靶要長。在圖1所示的先有技術濺射靶中，消耗不能超過暴露出位於靶和襯板之間的焊接接合部這一位置，因為若超過將會導致汙染。事實上，為保證一定的誤差範圍，靶必須在暴露出焊接接合部之前的適當時間停止使用。與此相反，在圖2所示的靶30中，消耗的允許量不受存在的焊接接合部的限制，它僅受到要求靶保持自支撐這一要求的限制。已經發現，即使靶30已經消耗到可能已露出圖1所示靶上的焊接接合部的程度，靶30也能保持自支撐。因此本發明的靶30比圖1所示的先有技術結構的壽命要長。
儘管已通過各種實施例的說明例示出本發明，並且已經詳細描述了這些實施例，但本申請人並不使附屬權利要求書的範圍約束於或局限於這些細節。本領域的技術人員很容易看出其它的優點或變型。因此，具有廣泛方面的本發明不限於具體的細節、代表性的裝置和方法、以及示出和說明的例示性實施例。所以，這種細節上的變化不違背本申請人的總體發明原理的精神或範圍。
權利要求
1.一種靶組件，它可拆卸地裝在真空室壁上的開口中，以用於通過將靶組件上的濺射材料濺射到襯底上而加工襯底，該組件包括適配器，它具有限定孔的內周面，所述適配器的尺寸適合於裝在真空室的開口中；由所述濺射材料製成的靶，所述靶的外周面的尺寸和構形使該靶可以插入所述孔中，因而靶僅沿所述適配器的內周面接觸適配器；以及機械連接件，該連接件穿過所述適配器和所述靶，從而以機械方式將靶連接於適配器的內周面上。
2.一種如權利要求1所述的靶組件，其特徵在於，所述適配器大體呈圓筒形。
3.一種如權利要求2所述的靶組件，其特徵在於，所述適配器包括大體呈圓筒形的支撐壁，該壁連接於大體沿徑向的法蘭，該法蘭的尺寸適合於代替所述靶組件裝在所述真空室上，所述適配器的圓筒形支承壁限定了裝入所述機械連接件的開口。
4.一種如權利要求3所述的靶組件，其特徵在於，所述靶為圓筒形，所述靶在其圓筒形外周面上形成開口，該開口與在所述適配器的圓筒支承壁上形成的所述開口相匹配。
5.一種如權利要求4所述的靶組件，其特徵在於，所述機械連接件包括線圈形的連接部件，它插入在所述靶中形成的開口內；螺栓，它穿過所述適配器中形成的開口並擰入所述線圈形的連接部件中。
6.一種如權利要求4所述的靶組件，其特徵在於，所述靶外周面和適配器內周面中的一個周面還包括定位凸出部，所述靶外周面和適配器內周面中的另一個周面還包括其尺寸可以裝入所述定位凸出部的槽口；並且所述凸出部和槽口如此配置，使得當凸出部裝入槽口中時，靶和適配器的所述開口便對準。
7.一種如權利要求1所述的靶組件，其特徵在於，所述濺射材料是金屬。
8.一種如權利要求7所述的靶組件，其特徵在於，所述濺射材料是鋁或其氧化物。
9.一種裝在真空室中的靶，以用於通過將靶組件上的濺射材料濺射到襯底上而加工襯底，該靶包括大體呈圓盤形的部分，它具有圓筒形的外周面並採用所述濺射材料均勻製成；所述圓盤形的部分在其圓筒形外周面上形成用於裝入機械連接件的開口，以便以機械方式將所述靶連接於所述真空室。
10.一種如權利要求9所述的適合於裝在適配器中的靶，它還包括插入所述開口中的線圈形連接部件。
11.一種如權利要求9所述的靶，它還包括位於其圓筒形外周面上的定位凸出部。
12.一種如權利要求9所述的靶，其特徵在於，所述濺射材料是金屬。
13.一種如權利要求12所述的靶，其特徵在於，所述濺射材料是鋁或其氧化物。
14.一種加工襯底的裝置，加工方法是使濺射材料從靶上濺射到所述襯底上，該裝置包括具有內周面和陰極的真空室，該內周面上形成用於安裝靶的孔，該陰極用於支承襯底面對面地靠近所述靶；由所述濺射材料製成的靶，該靶外周面的尺寸和構形使該靶可以插入所述孔中，從而該靶僅沿所述開孔的內周面接觸真空室；機械連接件，它穿過真空室和靶，從而以機械方式將靶連接於所述孔的內周面上。
15.一種如權利要求14所述的裝置，其特徵在於，所述真空室的內周面上形成用於裝入所述機械連接件的開口。
16.一種如權利要求15所述的裝置，其特徵在於，所述靶為圓盤形，在靶的圓柱形外周面上形成開口，該開口與真空室內周面上形成的開口相匹配。
17.一種如權利要求16所述的靶組件，其特徵在於，所述機械連接件包括線圈形連接部件，它可插入在所述靶上形成的開口中；以及螺栓，它穿過在所述真空室內周面上形成的開口並擰入所述線圈形連接部件。
18.一種如權利要求16所述的靶組件，其特徵在於，所述靶和所述真空室內周面中的一個還包括定位凸出部，而在所述靶和所述真空室內周面中的另一個上形成其尺寸可以裝入該定位突出部的槽口；以及所述凸出部和槽口配置成當凸出部裝入槽口中時，所述靶和真空室上的開口對齊。
19.一種如權利要求14所述的靶組件，其特徵在於，所述濺射材料是金屬。
20.一種如權利要求19所述的靶組件，其特徵在於，所述濺射材料是鋁或其氧化物。
全文摘要
一種靶組件,其中濺射材料不是用焊接法或其它冶金方法接合於襯板(20)上的。而是以機械方式(例如用螺栓(45)將靶(30)連接於適配器(32)上,該靶(30)整個由單一的濺射材料製成,該適配器本身被永久性地固定在真空室(10)上。結果是,可以容易地從真空室上卸下和更換濺射靶,而並不需要卸下和更換襯板。
文檔編號C23C14/34GK1181115SQ95197804
公開日1998年5月6日 申請日期1995年10月18日 優先權日1995年2月17日
發明者D·P·史特勞斯, T·J·胡恩特, P·S·吉爾曼 申請人:材料研究有限公司