[发明专利]磁控溅射设备中铜靶刻蚀形貌的仿真计算方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体制造设备设计技术领域，特别涉及一种磁控溅射设备中铜靶刻蚀形貌的仿真计算方法。

背景技术

在芯片加工的物理气相淀积工艺中，溅射技术因优秀的台阶覆盖能力被广泛采用。目前设备多数选用磁控溅射技术，但靶材利用率低是个显著缺点。随着线宽变小，溅射靶材的化学纯度必须在99.999％甚至99.9999％以上，因此溅射靶材的价格非常昂贵。较低的靶材利用率造成了大量的材料浪费，如何设计出具有较高靶材利用率的磁电管是业内关注的一个焦点。

在磁电管设计过程中，对靶材刻蚀形貌进行仿真计算是关键，有很多工程技术人员进行了相关研究。从工作原理可知，腔室中受磁场约束的等离子体产生高能粒子轰击靶材，刻蚀出的靶材粒子在硅片表面溅镀出导电薄膜。基于此人们主要从两个不同途径对靶材的刻蚀进行模拟研究：其一采用Monte Carlo方法研究腔室中粒子的运动及分布状况，从而模拟出靶材的刻蚀形貌。比如华中理工大学胡作启等建立了单粒子模型，结合靶材表面磁场的分布，采用Monte Carlo方法研究了溅射气体粒子的运动规律，得到靶材表面溅射产额的图形。合肥工业大学刘珍指出了这种方法的不足之处，因为模拟粒子数目通常比实际数目要小的多，所以模拟的结果与实际情况还有一定的误差，增加模拟粒子的数目会带来非常大的计算量。捷克共和国S.Kadlec开发了一套采用Monte Carlo方法模拟平面磁控溅射的三维软件，他用这套软件模拟薄膜淀积均匀性及靶材刻蚀情况。其二通过分析靶材表面磁场分布情况，由磁场分布与溅射率的对应关系，模拟出靶材的刻蚀形貌。比如电子科技大学于贺等通过靶材表面磁场分布与刻蚀的对应关系，逐点计算后得出靶面的刻蚀形貌。合肥工业大学陈明采用了同样的方法去模拟Gencoa公司的一款靶材刻蚀形貌，但对磁力线的疏密程度与溅射坑的深度之间的映射关系做了改进，改进后的计算结果与Gencoa公司的结果较为接近。华中理工大学胡作启等建立的磁控溅射系统物理模型中采用了一种便于计算的映射关系，即靶材溅射率与磁电管磁场在靶材表面的水平分量成正比，在ANELVA射频磁控溅射系统上进行刻蚀实验，得到的实验结果同模拟结果相吻合。

目前尚未看到针对铜靶的刻蚀形貌进行仿真计算的文献，这是因为刻蚀铜靶的磁控溅射设备具有一种特殊结构的磁电管。由于铜金属的自溅射特性，设备选用的磁电管必须保证铜的高离化率，一般都采用小型、高磁场强度磁电管，这种磁电管刻蚀跑道面积很小，只能通过设计出复杂的磁电管运动轨迹，才能保证对靶材刻蚀的均匀性，这就使得腔室磁场动态变化非常复杂难以模拟。另外由于溅射铜靶设备的腔室溅射环境比较复杂，如何在保证计算精度的前提下，尽可能减少计算量，使仿真程序能够运行下去也是一个难点。针对铜靶的刻蚀形貌进行仿真计算，如果采用刘珍、S.Kadlec等人利用Monte Carlo方法研究粒子运动规律的途径，将会带来庞大的计算量，故利用磁场分布与溅射率的对应关系进行模拟，又由于设备腔室内动态磁场远比于贺、陈明等人研究的静态磁场复杂，故必须解决动态磁场刻蚀仿真问题。

发明内容

本发明目的是提供一种磁控溅射设备中铜靶刻蚀形貌的仿真计算方法。

为了实现对铜靶刻蚀形貌进行仿真，本发明包括以下步骤：

第一步：通过ansys仿真或在xy平台上用三维高斯计测量，取得磁电管在靶材表面磁场强度的水平分量，对于具有周向对称性的磁电管，用磁电管直径方向磁场作为靶材表面磁场强度的水平分量；

第二步：对各点磁场强度数据进行多项式拟合，将离散数据变成连续的函数，以便于后续赋值计算；

第三步：建立有效磁场数据矩阵，将拟合后曲线数值赋值于整个磁电管圆周表面，求得刻蚀跑道矩阵；

第四步：根据磁电管实际结构及运动原理，计算磁铁组件中心点运动轨迹方程，即刻蚀跑道扫描路径；

第五步：建立靶材刻蚀矩阵，选定步长，计算该步长上磁铁组件运动的确切位置，由磁电管磁场数据与靶材刻蚀程度成正比的对应关系，确定刻蚀系数，得到该步长上靶材刻蚀矩阵；

第六步：将靶材刻蚀时间t离散化，由磁铁组件中心点运动轨迹方程，计算每一步长上离散点确切位置，将每一个离散点上的靶材刻蚀矩阵叠加，得刻蚀时间t后靶材刻蚀矩阵；

第七步：通过矩阵运算，得到需要的参数或图形，比如靶材刻蚀三维形貌、靶材刻蚀曲线、刻蚀跑道图形、运动轨迹图形、靶材利用率大小等等。

本发明的有益效果为：