DE69209319T2

DE69209319T2 - Kollimator mit langer lebensdauer

Info

Publication number: DE69209319T2
Application number: DE69209319T
Authority: DE
Inventors: Steven Hurwitt
Original assignee: Materials Research Corp
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1991-12-30
Filing date: 1992-12-29
Publication date: 1996-11-07
Anticipated expiration: 2012-12-30
Also published as: JP3469239B2; DE69209319D1; EP0619916A1; AU3335993A; CA2125180A1; SG49698A1; KR100260663B1; JPH07502786A; US5223108A; TW221064B; KR940704051A; EP0619916B1; WO1993013542A1

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Kollimator zur Verwendung beim Kathodensputtern. Genauer gesagt bezieht sich diese Erfindung auf einen Kollimator mit verlängerter Lebensdauer, welche die Durchsatzfähigkeit bei der Sputterbeschichtung von Wafern erhöht.

Hintergrund der Erfindung

Beim Kathodensputtern werden Partikel von einem Target gesputtert und auf einem gegenüber dem Target angebrachten Wafer abgeschieden. Während der Bewegungsweg des Aggregats aller gesputterten Partikel im allgemeinen direkt ist, das heißt senkrecht von einem ebenen Target zu einer ebenen Oberfläche eines gegenüberliegend angebrachten Wafers, bewegen sich eine wesentliche Anzahl von Partikeln auf Flugbahnen, die nicht senkrecht verlaufen. Diese gesputterten Partikel, die sich auf angewinkelten Flug bahnen bewegen, können die Waferbedeckung nachteilig beeinflussen.
Zum Beispiel neigen gesputterte Partikel, die sich auf nicht senkrechten Winkeln bewegen, eher dazu, sich auf Seitenwänden von Strukturen anzulagern und anzusammeln, statt die Bodenoberflächen von "VIAS" oder anderen Strukturen eines Wafers zu kontaktieren und komplett zu bedecken, wie es bei gesputterten Partikeln der Fall sein würde, die senkrechte Flugbahnen nehmen. Die Ansammlung von gesputtertem Material auf den Seitenwänden einer Struktur schneidet frühzeitig den Zugang zur Bodenoberfläche der Struktur ab, bevor die Bodenoberfläche völlig bedeckt ist. Die Folge ist, daß in der Struktur ungefüllte Lücken erzeugt werden. Dieses ungewünschte Abschneiden des Zugangs zur Bodenoberfläche einer Struktur wird als "Necking" oder Überhang bezeichnet.
Wie in der US 4724060 gezeigt, ist es bekannt, einen Kollimator zwischen einem Target und einem Wafer anzuordnen, um gesputterte Partikel, die sich auf unerwünschten, angewinkelten Flugbahnen in Richtung des Wafers bewegen, abzufangen. Durch das Abfangen von Partikeln, welche von einer senkrechten Flugbahn um mehr als einen vorbestimmten Winkel abweichen, wird eine effektivere Füllung der Strukturen eines Wafers sichergestellt. Kurz gesagt, stellt ein Kollimator eine Kontrolle der Richtung der von den gesputterten Partikeln, welche sich schließlich auf einem Wafer anlagern, beschriebenen Flugbahnen zur Verfügung.
Ein typischer Kollimator weist eine gitterartige Struktur auf, mit einer Vielzahl von im wesentlichen parallelen Durchtrittsöffnungen. Im Querschnitt können die Durchtrittsöffnungen rechteckig, kreisförmig, hexagonal, oktagonal sein oder eine beliebige Anzahl von anderen Formen annehmen. Die parallelen Durchtrittsöffnungen erlauben es gesputterten Partikeln durch sie in einer direkten, senkrechten Flugbahn von dem Target zum Wafer hindurchzutreten. Gesputterte Partikel, welche sich auf Flugbahnen bewegen, deren Winkelorientierung nur wenig von der Senkrechten abweicht, werden ebenfalls durch die Durchtrittsöffnungen hindurchtreten. Gesputterte Partikel, welche sich auf Flugbahnen bewegen, die eine Winkelorientierung aufweisen, welche erheblich von der Senkrechten abweicht, werden durch den Kollimator abgefangen.
Die Formen der Durchtrittsöffnungen des Kollimators, manchmal als "Einheitszellen" bezeichnet, bestimmen den Abschneidewinkel oder den kritischen Winkel des Fluges, bei dem die gesputterten Partikel entweder abgefangen werden oder es ihnen erlaubt ist dort hindurchzutreten. Genauer gesagt bestimmt das Längenverhältnis, das heißt das Verhältnis der Zellenlänge zur Zellenbreite jeder Einheitszelle, den kritischen Winkel. Die Zellenlänge bezieht sich auf die auf kürzestem Wege von dem Target zu dem Wafer gemessene Abmessung. Die Zellenbreite wird an der größten Breite, entlang der Länge der Zelle, senkrecht zur Zellenlänge gemessen.
Unter der Annahme eines im allgemeinen ebenen Targets, eines im allgemeinen ebenen Wafers und eines dazwischen angeordneten, im allgemeinen ebenen Kollimators wird ein direkter Weg von dem Target durch den Kollimator zu dem Wafer als eine senkrechte oder 90º Flugbahn bezeichnet. Alle gesputterten Partikel, welche eine 90º Flugbahn beschreiben, werden durch den Kollimator hindurchtreten, bis auf eine relativ kleine Anzahl, welche mit den Vorderkanten der Kollimatorwände kollidieren wird. Von den gesputterten Partikeln, welche eine Flugbahn in einem von 90º verschiedenen Winkel beschreiben, werden die, die sich auf Flugbahnen bewegen, welche von 90º um mehr als den kritischen Winkel abweichen, von dem Kollimator abgefangen.
Für einen Kollimator mit Einheitszellen mit einem Längenverhältnis von 1, das heißt einer Länge von einer Einheit, gemessen entlang der 90º Flugbahn, und einer Breite von einer Einheit, beträgt der kritische Winkel 45º Gesputterte Partikel, welche eine Flugbahn beschreiben, welche von 90º um mehr als 45º abweicht, das heißt eine Flugbahn von kleiner als 45º oder größer als 135º bezüglich der Targetoberfläche, werden durch den Kollimator abgefangen. Gesputterte Partikel, welche eine Flugbahn beschreiben, welche größer ist als 45º und kleiner ist als 135º, wiederrum bezüglich der Targetoberfläche, werden nicht abgefangen. Mit dem Anstieg des Längenverhältnisses der Einheitszellen eines Kollimators nimmt der kritische Winkel ab, und mehr derjenigen Partikel, welche angewinkelte Flugbahnen beschreiben, werden abgefangen.
Für einen Kollimator mit Einheitszellen, welche einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, ist das Längenverhältnis und somit der kritische Winkel der gleiche, unabhängig von der Winkelorientierung des Kollimators bezüglich des Targets und des Wafers. Dies ist richtig, da die Breite der Einheitszellen immer gleich dem Durchmesser ist. Wenn die Einheitszellen jedoch einen rechteckigen Querschnitt aufweisen oder möglicherweise einen hexagonalen, wird das von Kante zu Kante gemessene Längenverhältnis von dem zwischen parallelen Oberflächen gemessenen Längenverhältnis abweichen.
Im Kontext dieser Anmeldung wird das Längenverhältnis einer Einheitszelle, welche in ihrem Querschnitt nicht kreisförmig ist, als der niedrigst mögliche Wert angesehen, das heißt als die größtmögliche Breite entlang der Länge der Einheitszelle. Dies bedeutet, daß der kritische Winkel einer Einheitszelle der größtmögliche Winkel der Abweichung der Flugbahn von 90º ist, welchen ein gesputtertes Partikel beschreiben kann und immer noch durch den Kollimator hindurchtritt. Zum Beispiel wird für eine Einheitszelle, welche einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist und entlang ihrer Länge im querverlaufenden Querschnitt eine gleichförmige Form aufweist, die zur Messung des Längenverhältnisses verwendete Breitenabmessung die Abmessung von Kante zu Kante, wodurch das niedrigst mögliche Längenverhältnis und der größtmögliche kritische Winkel des Fluges zur Verfügung gestellt wird, welchen ein gesputtertes Partikel beschreiben kann und immer noch durch diese Einheitszelle hindurchtreten kann.
Der Artikel mit dem Titel "Collimated Magnetron Sputter Deposition" von S.M. Rossnagel et al, Journal of Vacuum Science and Technology, Part A, Vol 9, No. 2, March 1991, beschreibt auf den Seiten 261-265 die Verwendung von Kollimatorröhren mit konstantem Durchmesser mit einem Längenverhältnis von bis zu 4:1, so daß der kritische Winkel 5º beträgt.
Die europäische Patentanmeldung 0 440 377 beschreibt eine Sputtervorrichtung zur Herstellung von Stufenbeschichtigungen. Es wird ein Kollimator mit einer Vielzahl von Zellen mit konstantem Durchmesser mit einem Längenverhältnis zwischen 1:1 bis 3:1 zur Verfügung gestellt.
Während des Sputterns mit Vorrichtungen, wie sie in den oben angesprochenen Dokumenten offenbart sind, sammeln sich abgefangene Partikel kontinuierlich auf den freiliegenden Oberflächen der Wände, welche die Einheitszellen des Kollimators definieren. Diese Ansammlung reduziert die effektive Öffnungsfläche der Einheitszellen. In dieser Anmeldung bezieht sich der Begriff der effektiven Öffnungsfläche einer Einheitszelle auf die kleinste, querverlaufende Querschnittsfläche der Oberfläche des offenen Raums durch die Einheitszelle entlang ihrer gesamten Länge. Um sich auf den Wafer anzulagern, muß ein gesputtertes Partikel durch die effektive Öffnungsfläche einer der Einheitszellen des Kollimators hindurchtreten.
Da sich die Längen der Einheitszellen nicht verändern, erhöht die Ansammlung von abgefangenen Teilchen das Längenverhältnis und erniedrigt den kritischen Winkel der Einheitszellen. Daher wird bei den gesputterten Teilchen, welche Flugbahnen ungleich 90º beschreiben, der relative Anteil derjenigen, welche abgefangen werden, bezüglich derjenigen, welche hindurchtreten, mit zunehmender Ansammlung ansteigen. Darüber hinaus verläuft dieser Anstieg im Verhältnis der abgefangenen Teilchen aufgrund der von der Ansammlung verursachten kontinuierlichen Abnahme in der effektiven Öffnungsfläche während des Sputterns kontinuierlich. Dieser Effekt wird weiterhin durch Einheitszellformen verstärkt, welche nicht kreisförmig sind, da die Ansammlungsrate bis zu einem gewissen Grad von der schmalsten Breite der Einheitszellen abhängt.
Die kontinuierliche Reduzierung der effektiven Öffnungsfläche der Einheitszellen weist auch einen anderen Effekt auf. Von den gesputterten Partikeln, welche 90º Flug bahnen beschreiben, wird das relative Verhältnis derjenigen, welche durch den Kollimator hindurchtreten, ebenfalls bezüglich derjenigen, welche abgefangen werden, abnehmen. Dies rührt von der Abnahme in der Öffnungsfläche verglichen mit der blockierten oder verhinderten Fläche entlang der Länge einer Passage durch den Kollimator.
Daher verursacht die Partikelansammlung eine Reduzierung der effektiven Öffnungsfläche in den Einheitszellen und diese Reduzierung hat zwei nachteilige Effekte. Beide dieser Effekte spitzen sich aufgrund der Tatsache weiter zu, daß die größte Konzentration der Ansammlung von abgefangenen Partikeln benachbart zur Targetseite oder dem Eingang der Einheitszellen auftritt. Die Rate, bei der die effektive Öffnungsfläche der Einheitszelle abnimmt, ist relativ hoch und stetig.
Als Ergebnis dieser beiden Effekte nimmt die Abscheidungsrate von gesputterten Partikeln auf den Wafer schließlich bis zu einem derart niedrigen Wert ab, daß ein weiterer Gebrauch uneffektiv ist und der Kollimator entfernt oder gereinigt werden muß. Die Entfernung und/oder die Reinigung eines Kollimators verlangt die Abschaltung der Waferverarbeitungsvorrichtung und die Abschaltung des Vakuums in der Kammer, in welchem sich das Target und der Wafer befinden. Jeder vorrichtungsbedingte Abschaltvorgang und Neustart einer Waferverarbeitungsvorrichtung stellt für die Waferverarbeitung verlorene Zeit oder reduzierten Waferdurchsatz dar.
Zur Zeit müssen typische Kollimatoren nach der Sputterbeschichtung von etwa 300 Wafern ersetzt werden. Diese Zahl wird von dem Anmelder als zu niedrig angesehen bzw. bezüglich der Frequenz des Kollimatorersetzens und/oder -reinigens als zu hoch angesehen, um die gewünschte Durchsatzfähigkeit zu erreichen.
Es ist ein Ziel dieser Erfindung, einen Kollimator mit einer verlängerten Lebensdauer, verglichen mit herkömmlichen Kollimatoren zur Verfügung zu stellen und somit die Anzahl der Wafer zu erhöhen, welche vor dem Ersetzen und/oder der Reinigung des Kollimators sputterbeschichtet werden können.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen Kollimator mit verlängerter Lebensdauer zur Verfügung zu stellen, welcher die Durchsatzfähigkeit der Sputterbeschichtung von Wafern erhöht.

Zusammenfassung der Erfindung:

Diese Ziele werden durch eine Sputterbeschichtungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 erreicht.
Eine Wafersputterbeschichtungsvorrichtung zum Gebrauch während der Sputterbeschichtung eines gegenüber einem Target in einer Sputterkammer angebrachten Wafers, wobei die Sputterbeschichtungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung einen Kollimator mit einer Vielzahl von Durchtrittsöffnungen aufweist, welche es gesputterten Parti kein erlauben, von dem Target zu dem Wafer durch sie hindurchzutreten, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der Durchtrittsöffnungen von der dern Target zugewandten Seite des Kollimators bis zu einer kleinsten Fläche auf einer dem Wafer zugewandten Seite des Kollimators hin abnimmt.
Es wird daher ein Kollimator zur Sputterbeschichtung zur Verfügung gestellt, in dern die Einheitszellen des Kollimators in ihrer Querschnittsfläche longitudinal in Richtung des Wafers hin abnehmen, sich bevorzugterweise zuspitzen.
Mit Einheitszellen, die in ihrer Breite von einem Eintritt auf der dem Target zugewandten Seiten zu einem Ausgang auf der dem Wafer zugewandten Seite hin abnehmen, sammeln sich abgefangene Partikel immer noch entlang den freiliegenden Oberflächen der Einheitszellen an; die Effekte dieser Ansammlung sind aber reduziert. Verglichen mit herkömmlichen Kollimatoren weist dieser zugespitzte Kollimator Einheitszellen mit effektiven Öffnungsfächen auf, welche nicht sofort und stetig durch Sputtern abnehmen und die Rate der Änderung der Längenverhältnisse der Einheitszellen ist niedriger.
Im Ergebnis ist die Nutzungszeit dieser Kollimatoren wirksam über jenes herkömmlicher Kollimatoren hinweg verlängert. Mit dem Kollimator können vor dem Ersetzen und/oder Reinigen mehr Wafer sputterbeschichtet werden. Vorläufige Studien deuten an, daß dieser Kollimator mit verbesserter, verlängerter Lebensdauer die Frequenz des benötigten Ersetzens und/oder Reinigens sofort auf etwa alle 1000 bis 3000 Wafer reduzieren kann.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform weist ein Kollimator mit longitudinal zugespitzten Einheitszellen einen einstückigen Aufbau auf. In jedem Querschnitt sind die Einheitszellen kreisförmig. In longitudinalem Querschnitt sind die Einheitszellen trapezförmig. Somit resultiert die longitudinale Zuspitzung von der Targetseite zur Waferseite in Einheitszellen mit einem insgesamt kegelstumpfartigen Volumen. Andere Querschnittsformen würden jedoch auch passend sein, abhängig von der Anordnung der Strukturen auf dem zu beschichtenden Wafer. In einer Konfiguration weisen die Einheitszellen ein Verhältnis von Eingangsdurchmesser zu Ausgangsdurchmesser von etwa 6:5 und einem Winkel des Kegels auf, welcher bevorzugt etwa 6º beträgt. Die effektive Anfangs-Öffnungsfläche jeder Einheitszelle wird durch den Radius am waferseitigen Ende des Kollimators festgelegt.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung besteht der Kollimator aus einer Vielzahl von parallelen Platten, welche parallel zwischen dem Target und dem Wafer angeordnet sind. Jede Platte weist eine Vielzahl von Löchern auf. Die Löcher nehmen in ihrem Durchmesser vom Target zum Wafer hin ab. Jede Durchtrittsöffnung wird durch die fluchtenden Löcher der parallelen Platten definiert. Wenn die Löcher der Platten gerade Seitenwände aufweisen, erzeugt der abnehmende Durchmesser der Löcher in Richtung auf den Wafer Durchtrittsöffnungen, welche sich stufenartig zuspitzen.
Verglichen mit einer einstückigen Konstruktion ist diese Ausführungsform billiger und kostengünstiger herzustellen und zu reinigen. Wenn gewünscht, können die Seitenwände der Löcher ebenfalls sich in Richtung auf den Wafer zuspitzend ausgeführt werden.
Diese und ändere Eigenschaften der Erfindung werden hinsichtlich der folgenden detaillierten Beschreibung ohne weiteres verständlich werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist ein Schema, welches eine Sputterkammer im Querschnitt zeigt, ausgerüstet mit einem Kollimator mit verlängerter Lebensdauer in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Figur 1 A ist eine Teilaufsicht auf den Kollimator vor dem Sputtern.
Figur 2 ist ein vergrößertes Schema, welches einige Einheitszellen des in Figur 1 A dargestellten Kollimators vor dem Sputtern im Querschnitt zeigt.
Figuren 3 und 4 sind vergrößerte Querschnittschemas, ähnlich zu Figur 2, welche die allmähliche Ansammlung von gesputterten Partikeln auf den Seitenwänden der Einheitszelle während des Sputterns zeigen.
Figur 5 ist eine vergrößerte schematische Darstellung, welche eine herkömmlichen Kollimator vor dem Sputtern im Querschnitt zeigt.
Figur 6 ist ein vergrößertes Querschnittsschema, ähnlich zu Figur 5, welches einen herkömmlichen Kollimator nach einiger Ansammlung von gesputterten Partikeln zeigt.
Figur 7 ist ein Schema, welches einen Kollimator mit verlängerter Lebensdauer in Übereinstimmung mit einer alternativen Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt zeigt.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt eine Sputterkammer 10, ausgerüstet mit dem Kollimator 11 in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Der Kollimator 11 ist zwischen einem im wesentlichen ebenen Target 13 und einem Wafer 14 angeordnet. Der Wafer 14 schließt eine Vielzahl von Strukturen 16 ein, welche während der Sputterbeschichtigung mit gesputterten, auf dem Wafer 14 abgeschiedenen Partikeln aufzufüllen sind. Der Kollimator 11 ist vorzugsweise aus einem maschinenbearbeitbaren Metall, wie etwa Aluminium, Kupfer, rostfreiem Stahl oder Titan, maschinell hergestellt, obwohl andere Materialien ebenfalls passend sein können. Welches Material im Einzelfall verwendet wird, wird von dem gesputterten Material und den jeweiligen Hafteigenschaften der beiden Materialien abhängen.
Der Kollimator 11 schließt ein flaches Bauglied 18 ein, mit einer Vielzahl von im wesentlichen parallel, maschinell durch es hindurch gearbeiteten Durchtrittsöffnungen 20. Für ein Target 13 von etwa 25,4 cm (10 Zoll) oder 30,5 cm (12 Zoll) im Durchmesser beträgt der Abstand zwischen dem Target 13 und dem Kollimator 11 vorzugsweise etwa 9,9 cm (3,9 Zoll), obwohl angenommen wird, daß dieser Abstand nicht kritisch ist und bis etwa 1 2,7 cm (5,0 Zoll) angehoben werden könnte. Diese Abmessung ist durch das Bezugszeichen 22 angedeutet. Der Kollimator 11 ist zwischen dem Target 13 und dem Wafer 14 angebracht, befindet sich aber näher am Wafer 14. Das Bezugszeichen 23 bezeichnet den Abstand zwischen einem waferseitigem Ende 25 des Kollimators 11 und einer hochliegenden Oberfläche 27 des Wafers 14. Dieser Abstand beträgt vorzugsweise 2,5 bis 3,3 cm (1,0 bis 1,3 Zoll), obwohl dieser Abstand ebenfalls nicht kritisch ist und bis zu 4,3 bis 5,1 cm (1,7 bis 2,0 Zoll) groß sein könnte.
Die Richtungspfeile 29, 30 und 31 deuten Flug bahnen an, welche von gesputterten Partikeln beschrieben werden können, wenn sie sich von dem Target 13 zu dem Wafer 14 bewegen. Die Flugbahn 29 ist eine direkte oder 90º senkrechte Strecke von dem Target 13 zu dem Wafer 14 durch eine Durchtrittsöffnung 20 hindurch. Die Flugbahn 30 endet an einer Oberfläche eines der Wände, welche eine Durchtrittsöffnung 20 durch den Kollimator 11 definieren. Da die Flugbahn 30 in einem Winkel orientiert ist, welcher größer ist als der kritische Winkel für den Kollimator 11, wird jedes gesputterte Partikel, welches sich entlang der Flugbahn 30 bewegt, durch den Kollimator 11 abgefangen und lagert sich nicht auf dem Wafer 14 ab. Im Gegenteil wird sich ein gesputtertes Partikel, welches sich entlang einer Flugbahn 31 bewegt, ungestört durch eines der Durchtrittsöffnungen 20 hindurchbewegen und auf dem Wafer 14 anlagern. Der Richtungsvektor 31 erstreckt sich von einer Seite eines targetseitigen Endes 33 der Durchtrittsöffnung 20 an dem Kollimator 11 bis zu einer gegenüberliegenden Seite derselben Durchtrittsöffnung 20 auf den dem Wafer zugewandten Ende 25. Somit ist der Winkel der Flugbahn bezüglich 90º der kritische Winkel für die entsprechende Durchtrittsöffnung 20. Das Bezugszeichen 34 deutet den kritischen Winkel der Flugbahn an. Für diesen Kollimator 11, mit einem Durchmesser am waferseitigen Ende 25 von 10 mm und einem Durchmesser am targetseitigen Ende 33 von 12 mm, ist der kritische Winkel im Anfang vorzugsweise 5,7º.
Wie zuvor festgestellt, ist der kritische Winkel einer Durchtrittsöffnung 20 oder einer Einheitszelle die maximal erlaubte Abweichung von einer 90º Flugbahn, welche ein gesputtertes Partikel beschreiben kann und immer noch durch den Kollimator 11 hindurchtritt. Diejenigen gesputterten Partikel, welche von einer 90º Flugbahn um weniger als der kritische Winkel abweichen, werden durch den Kollimator 11 hindurchtreten, während solche gesputterten Partikel, welche Flugbahnen beschreiben, welche von einer 90º Flugbahn um mehr als der kritische Winkel abweichen, abgefangen werden.
Figur 1A zeigt eine Teilaufsicht auf den Kollimator 11. Die Durchtrittsöffnungen 20 sind im querverlaufenden Querschnitt kreisförmig. In dieser Ausführungsform sind die Reihen der Durchtrittsöffnungen 20 versetzt. Die Reihen und Kolonnen der Durchtrittsöffnungen 20 müssen nicht auf diese Weise versetzt sein. Die Orientierung wird im gewissen Maße von dem Ort und den Abständen der Strukturen auf dern Wafer abhängen.
Figur 2 zeigt einen vergrößerten Querschnitt durch einige Durchtrittsöffnungen 20 durch den Kollimator 11, als Einheitszellen 35, 36 und 37 bezeichnet. Die Einheitszeilen sind in longitudinalen Querschnitt trapezförmig und im querverlaufenden Querschnitt (Figur 1 A) kreisförmig. Die Form jeder dieser Einheitszellen wird durch Wände 43 definiert, welche ihrer Dicke von dem dem Target zugewandten Ende 33 zu dem dem Wafer zugewandten Ende 25 des Kollimators 11 hin zunehmen, wodurch eine Abnahme in der wirksamen Öffnungsfläche vom targetseitigen Ende 33 zum waferseitigen Ende 25 hin erzeugt wird. Der Größenpfeil 45 bezeichnet die wirksame Öffnungsfläche der Einheitszelle 37. Die wirksame Öffnungsfläche ist die Fläche des kleinsten Querschnitts des offenen Raums entlang der Länge einer Einheitszelle durch welche das gesputtere Partikel hindurchtreten kann, um sich auf dern Wafer 14 abzulagern. Bei den Einheitszellen des Kollimators 11 befindet sich vor dem Sputtern die Stelle der wirksamen Öffnungsfläche an dem waferseitigen Ende 25.
Für eine Einheitszelle mit 10 mm Länge und 10 mm Ausgangsdurchmesser ist ein bevorzugter Eingangsdurchrnesser 12 mm. Diese Abmessungen liefern einen Kegewinkel entlang jeder Wand von 5,70 und einen kritischen Winkel am Anfang von 47,7º. Dies erzeugt auch eine Öffnungsfäche 39 an dem dem Target zugewandten Ende 33 von 113,04 mm² und eine Öffnungsfäche 40 an dem dem Wafer zugewandten Ende 25 von 78,50 mm², woraus sich ein Verhältnis von Öffnungsfläche 39 zu Öffnungsfäche 40 von etwa 1,44:1,0 ergibt. Es wird angenommen, daß dieses Verhältnis vorzugsweise von etwa 1,2:1,0 bis 2,0:1,0 variieren kann.
Figur 3 zeigt den Kollimator 11, nachdem eine Anzahl von Wafern sputterbeschichtet wurde. Die gesputterten Partikel, welche durch den Kollimator 11 abgefangen wurden, bauen sich entlang den freiliegenden Oberflächen der Wände 43 und am Vorderende 33 des Kollimators 11 auf. Die Ansammlung von abgefangenen, gesputterten Partikeln wird durch das Bezugszeichen 47 bezeichnet. Trotz wesentlicher Aufeinanderschichtung oder Ansammlung 47 von gesputtertem Material auf den freiliegenden Oberflächen des Kollimators 11 hat sich die wirksame Öffnungsfläche der Einheitszellen nicht verändert, wie bezüglich der Einheitszelle 37 durch Bezugszeichen 45 gezeigt ist.
Figur 4 zeigt eine zusätzliche Ansammlung 47 von gesputtertem Material auf den freiliegenden Oberflächen der Wände 43 und an der Stirnseite 33 des Kollimators 11, ähnlich zu Figur 3, wie sie auftreten würde, nachdem eine wesentlich große Anzahl von Wafern sputterbeschichtet wurde. In Figur 4 deutet der Richtungspfeil 45 an, daß die wirksame Öffnungsfläche der Einheitszelle 37 nunmehr benachbart zu dem dem Target zugewandten Ende 33 des Kollimators 11 angeordnet ist. Da das meiste der Ansammlung 47 von abgegangenem, gesputtertem Material auf freiliegenden Oberflächen auftritt, welche benachbart zum targetseitigen Ende 33 liegen, bewegt sich die Stelle der wirksamen Öffnungsfäche der Einheitszellen während des Sputterns allmählich vorwärts. Daher wird, sogar obwohl die Einheitszeilen anfänglich ihre größte Öffnungsfläche am targetseitigen Ende 33 aufweisen, dieser Ort schließlich der Ort der schmalsten Öffnungsfläche.
Im Vergleich zeigt Figur 5 einen vergrößerten Querschnitt eines Abschnittes eines herkömmlichen Kollimators 51. Dieser Kollimator 51 weist Einheitszellen 52, 53 und 54 auf, welche durch parallele Wände 55 definiert sind, welche senkrecht zu den ebenen Oberflächen des Targets 13 und des Wafers 14 verlaufen. Der Richtungspfeil 56 deutet den kritischen Winkel der Einheitszellen 52 an. Der Richtungspfeil 57 zeigt die wirksame Öffnungsfläche der Einheitszelle 54. Da die Einheitszelle 54 in ihrem Querschnitt vom targetseitigen 61 zum waferseitigen Ende 62 gleichförmig ist, ist ihre wirksame Öffnungsfläche die gleiche über ihre gesamte Länge.
Fig. 6 zeigt den herkömmlichen Kollimator 51, nachdem eine Anzahl von Wafern sputterbeschichtet wurde. Angesammeltes gesputtertes Material ist durch das Bezugszeichen 65 angedeutet. Wie in Fig. 3 gezeigt, tritt der Großteil des angesammelten Materials 65 an den freiliegenden Oberflächen, benachbart zu einem targetseitigen Ende 61 des Kollimators 51 auf. Dajedoch das targetseitige Ende 61 ebenfalls der Ort der wirksamen Öffnungsfläche 57 ist, nehmen die wirksamen Öffnungsfächen der Einheitszellen sofort ab, wenn das Sputtern voranschreitet, und die wirksamen Öffnungsflächen nehmen kontinuierlich während des Sputterns ab. Z.B. deutet der Richtungspfeil 57 an, daß die wirksame Öffnungsfläche der Einheitszelle 54 in Fig. 6 wesentlich kleiner ist, als in Fig. 5 vor jeglichem Sputtern.
Da die wirksame Öffnungsfläche der Einheitszellen abnimmt, verdoppelt sich der Effekt. Es werden proportional weniger der gesputterten, sich auf einer 90º Flugbahn bewegenden Partikel durch den Kollimator 51 hindurchtreten, aufgrund der kleineren Querschnittsflächen der offenen Passagen 20, verglichen mit den nicht offenen oder eingeschränkten Querschnittsflächen. Darüber hinaus, mit voranschreitendem Sputtern, werden weniger gesputterte Partikel, welche sich auf angewinkelten Flugbahnen bewegen, durch den Kollimator 51 hindurchtreten, aufgrund der kontinuierlichen Abnahme im kritischen Winkel der Einheitszellen. Dieser Effekt wird durch den Vergleich der Fig. 6 mit der Fig. 5 sichtbar. Da das meiste des angesammelten Materials 65 sich benachbart zum targetseitigen Ende 61 des Kollimators 51 aufbaut, nimmt der kritische Winkel kontinuierlich und mit einer relativ schnellen Rate ab. Mit anderen Worten nimmt während des Sputterns das Längenverhältnis der Einheitszellen kontinierlich in einer relativ hohen Rate zu.
Als Ergebnis dieser beiden Effekte verlangsamt sich die Abscheidungsrate der gesputterten Partikel auf dem Wafer möglicherweise so stark, daß der Kollimator 51 ersetzt werden muß. Aufgrund der parallelen Wände 55 der Einheitszellen wird unter den gleichen Sputterratenbedingungen der Austausch des Kollimators 51 vor dern Austausch des Kollimators 11 mit verlängerter Lebensdauer notwendig.
Es wird festgestellt, daß die dickeren Wände 43 des Kollimators 11 wesentlich mehr toten Raum zwischen dem Target 13 und dem Wafer 14 darstellen, verglichen mit herkömmlichen, flachwandigen, gitterartigen Kollimatoren. Im allgemeinen wird ein Kollimator mit mehr totem Raum einen größeren Anteil von gesputterten Partikeln abfangen und somit die Rate der Waferabscheidung erniedrigen. Angesammeltes gesputtertes Material wird jedoch wirksamer toter Raum. Der Anmelder hat festgestellt, daß das Volumen des toten Raums des Kollimators nicht derart kritisch ist, wie die Lokalisierung des toten Raums des Kollimators, welche mehr ein Maß der wirksamen Öffnungsfäche der Einheitszellen des Kollimators und der Position der wirksamen Öffnungsfläche der Einheitszellen entlang ihrer Länge ist. Die longitudinale Verschiebung der Position der wirksamen Öffnungsfläche spielt auch eine wichtige Rolle für die Abscheidungsrate.
Bei dem Kollimator 11 sind die Einheitszellen derart konfiguriert, daß ein Großteil des toten Raums sich benachbart zum waferseitigen Ende 25 befindet. Somit werden die nachteiligen, durch die Reduzierung der wirksamen Öffnungsfäche der Einheitszellen verursachten Effekte während der Anfangsdauer und der fortgeschrittenen Dauer des Sputterns minimiert. Die Studien des Anmelders zeigen, daß trotz eines anfänglich höheren Volumens von totem Raum pro Einheitsfläche, verglichen mit herkömmlichen Kollimatoren, ein Kollimator mit kegelförmiger Zelle eine konsistente und ausreichend hohe Abscheidungsrate während seiner Lebensdauer zur Verfügung stellt. Darüber hinaus verlängert die Zuspitzung der Zellen die Lebensdauer des Kollimators, so daß eine wesentlich höhere Anzahl von Wafern sputterbeschichtet werden kann, wodurch die Durchsatzfähigkeit erhöht wird.
Fig. 7 zeigt eine alternative Ausführungsform In dieser Ausführungsform schließt der Kollimator 11 drei oder mehrere parallele Platten ein, welche durch Bezugszeichen 70, 71 und 72 bezeichnet sind. Die Platten 70, 71 und 72 weisen jeweils eine Vielzahl von darin gebildeten Löchern 74, 75 und 76 auf. Vorzugsweise weisen diese Löcher einen kreisförmigen, quer verlaufenden Querschnitt auf. Der Durchmesser der Löcher 74 der Platte 70 ist größer, als der Durchmesser der Löcher 75 der Platte 71. Entsprechend ist der Durchmesser der Löcher 75 der Platte 71 größer, als der Durchmesser der Löcher 76 der Platte 72. Entsprechend nimmt, wenn zusätzliche Platten verwendet werden, der Durchmesser der Löcher in Richtung von dem Target 13 zu dem Wafer 14 hin ab.
Wenn die Platten fluchtend angeordnet werden, definieren die fluchtenden Löcher die Durchtrittsöffnungen 20 des Kollimators 11. Z.B. ist die Form der Einheitszelle 37 durch die fluchtende Anordnung der Löcher 74, 75 und 76 definiert, wie in Fig. 7 angedeutet. In dieser Anordnung weisen die Einheitszellen im longitudinalen Querschnitt eine Kegelform auf, welche stufenartig verläuft. Vorzugsweise werden die Platten bei Kontakt ihrer Oberflächen zusammengeklammert. Es wäre jedoch auch möglich, Abstandshalter zwischen sich nahestehenden Oberflächen benachbarter Platten anzuordnen, um zwischen diesen etwas Abstand zur Verfügung zu stellen. Dieser Abstand oder diese Lücke zwischen den Platten kann sich mit etwas von dem angesammelten gesputterten Material füllen.
Wie in Fig. 7 gezeigt, bilden die Seitenwände 79 der Löcher 74, 75 und 76 90º Winkel mit den oberen und unteren Oberflächen der Platten. Die Seitenwände 79 der Löcher könnten jedoch, wenn gewünscht, ebenfalls derart angewinkelt werden, daß sich einen longitudinalen Kegel innerhalb jedes der getrennten Löcher bilden.
Diese alternative Ausführungsform neigt dazu, weniger kostspielig in der Herstellung und wahrscheinlich leichter in der Reinigung zu sein. Es ist klar, daß viele andere alternative Ausführungsformen möglich sind. Beispielsweise wird festgestellt, daß für im Querschnitt kreisförmige Einheitszellen die Einheitszellenlänge von 5 bis 20 mm und daß die Einheitszellenbreite im Durchmesser von 5 bis 20 mm variieren kann, wobei der Kegewinkel jeder Wand vorzugsweise von größer 0º bis etwa 15º variiert, abhängig von der Form der Einheitszellen.

Claims

1. Sputterbeschichtungsvorrichtung zur Sputterbeschichtung eines gegenüber einem Target (13) in einer Sputterkammer (10) angeordneten Wafers (14), mit einem Kollimator (11), welcher eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen (20, 35-37) aufweist, die es den gesputterten Partikeln erlauben, von dem Target (13) zu dem Wafer (14) durch sie hindurchzutreten, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der Durchtrittsöffnungen (20, 35-37) von der dem Target zugewandten Seite (33) des Kollimators (11) bis zu einer kleinsten Fläche auf einer dem Wafer zugewandten Seite (25) des Kollimators (11) hin abnimmt.

2. Sputterbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnungen (20, 35-37) sich von einer dem Target zugewandten Seite zu einer dem Wafer zugewandten Seite des Kollimators in longitudinaler Richtung nach innen hin kegelförmig verjüngen.

3. Sputterbeschichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollimator (11) einstückig ausgebildet ist.

4. Sputterbeschichtungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnungen (20, 35-37) im longitudinalen Querschnitt trapezförmig sind.

5. Sputterbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnungen (35-37) kegelstumpfartig ausgebildet sind und der laterale Querschnitt kreisförmig ist, wobei die Fläche des kreisförmigen Querschnittes von der dem Target zugewandten Seite (33) zu der dern Wafer zugewandten Seite (25) hin abnimmt.

6. Sputterbeschichtungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Durchtrittsöffnungen (20, 35-37) durch innere Wände (43) definiert sind, die auf der dem Target zugewandten Seite (33) des Kollimators (11) eine geringere Dicke aufweisen als auf der dem Wafer zugewandten Seite (25) des Kollimators (11), wodurch die Abnahme in der Fläche jeder der Durchtrittsöffnungen (20, 35-37) in longitudinaler Richtung von dem Target (13) zu dem Wafer (14) hin ausgebildet wird.

7. Sputterbeschichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollimator (11) mindestens drei parallele Platten (70-72) aufweist, welche im wesentlichen parallel zu dem Target (13) und zu dem Wafer (14) ausgerichtet sind, wobei jede Platte (70-72) eine Vielzahl von Durchgangslöchern (74-76) aufweist und jede Durchtrittsöffnung (20, 35-37) durch eine Vielzahl von fluchtenden Durchgangslöchern (74-76) definiert ist.

8. Sputterbeschichtungsvorrichtuntg nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Durchgangsloch einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.

9. Sputterbeschichtungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Durchtrittsöffnung (20, 35-37) das Verhältnis der Fläche auf der dem Target zugewandten Seite zu der Fläche auf der dem Wafer zugewandten Seite im Bereich von 1,2:1 bis 2,0:1 liegt.

10. Sputterbeschichtungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollimator (11) aus Aluminium, Kupfer, rostfreiem Stahl oder Titan besteht.

11. Sputterbeschichtungssystem mit einer evakuierbaren Kammer (10), einem in der Kammer (10) angeordneten Sputter-Target (13), einem in der Kammer (10) gegenüber dem Target (13) angeordneten Wafer (14) und einer Sputterbeschichtungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche zwischen dem Target (13) und dem Wafer (14).