[发明专利]控制脉冲直流PVD形成的材料层中应力变化的方法及设备

说明书

本发明公开了一种控制脉冲直流物理气相沉积(PVD)形成的材料层中应力变化的方法及设备。该方法包以下步骤：设置一腔室，其包括形成材料层的靶和在其上能够形成材料层的衬底；以及向腔室内引入气体。该方法还包括在腔室内生成等离子体并且将第一磁场施加到靶附近以将所述等离子体基本上定位成邻近该靶。RF偏压被施加到衬底上以将来自等离子体的气体离子吸引到衬底上，并且第二磁场被施加在衬底附近以将来自等离子体的气体离子引导到形成在衬底上的材料层上的选择性区域。

技术领域

本发明涉及一种控制脉冲直流物理气相沉积(PVD)形成的材料层中应力变化的方法及设备。

背景技术

微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)包括经常利用诸如氮化铝和双金属氮化物(如氮化铝-钪)之类的材料的压电特性的器件。通常使用物理气相沉积技术将这种材料沉积在诸如晶片之类的衬底上，并且发现该材料内的应力分布是影响器件的操作特性的关键因素。晶片上的材料沉积可以显著变化，并且因此，形成在同一晶片上的器件常常具有不同的操作特性。

在试图获得形成在晶片上的器件的均匀特性时，跨腔室的等离子分布被布置成在晶片上均匀地生成溅射材料以获得厚度均匀的沉积材料。还优选地产生朝向[002]晶面的层的织构生长(textured growth)，并且用于生成织构生长的关键要求包括高真空(＜1×10^-7Torr)和高晶片温度(例如＞300℃)。

在使用物理气相沉积形成的层上的应力分布主要取决于两个因素：晶片温度和层上的离子轰击。可以发现晶片温度过高会在晶片冷却和收缩时在层内产生大的拉应力。而且，由于晶片温度在沉积期间基本上是均匀的，所以在没有任何偏压时，该沉积在晶片上是均匀的(这是由于材料在晶片表面上均匀凝结)。然而，如图1所示，可以发现当晶片冷却且收缩时，材料层内的应力由于该层裂开且松弛而在晶片的中心骤减(collapse)。

当给晶片施加适当的电压差时，等离子体内的离子被吸引到晶片并撞击沉积在该晶片上的材料，将沉积层挤压成更加压实的状态，这有助于控制层内的平均应力。该电压差可以通过增加对层的离子轰击来减小氮化铝层内的拉应力变化(例如从900MPa到100MPa)。然而，如图2所示，当电压差增大时，可以发现应力分布由于跨腔室的等离子分布变得不均匀。

腔室内的等离子体通常通过旋转磁场被限制在腔室内的局部区域，并且该场优选地在晶片的环形区域附近生成离子。邻近环形区域的离子密度的增加导致在邻近这些环形区域的层上产生更大的离子轰击。特别地，可以发现该层在其外围附近比在中心处受到更多的离子轰击，这随后导致该层具有更加拉伸的中心区域和更加压缩的外围，从而导致当晶片收缩时该层裂开。

发明内容

目前我们已经设计了解决上述问题中的至少一些的方法和设备。

根据本发明，由第一方面可见，提供了一种控制脉冲直流物理气相沉积形成的材料层中应力变化的方法，该方法包括以下步骤：

设置一腔室，其包括形成材料层的靶和在其上能够形成材料层的衬底；

将气体引入腔室内；

在腔室内生成等离子体；

在靶附近施加第一磁场以将所述等离子体基本上定位成邻近该靶；

给衬底施加RF偏压；

在衬底附近施加第二磁场以将来自等离子体的气体离子引导到在衬底上形成的材料层上的选择性区域，

其中，由第二磁场引导的气体离子基本上不受第一磁场影响。