CN101819030B - 磁控溅射靶材表面粗糙度的监测方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磁控溅射靶材表面粗糙度的监测方法和系统。该方法包括：步骤1、在对靶材和基板之间施加电压以对基板进行镀膜之前，测试所述靶材当前状态下各测试区的表面粗糙度；步骤2、根据靶材当前状态下各测试区的表面粗糙度，生成靶材的表面粗糙度变化曲线，并将所述表面粗糙度变化曲线与预设的所述靶材的表面粗糙度标准变化曲线进行比较，获取所述靶材表面各测试区的粗糙度偏差；步骤3、在所述粗糙度偏差超出设定的阈值时，输出用于提示靶材表面粗糙度异常的报警信息；否则，输出用于提示靶材表面粗糙度正常的信息。本发明有利于降低由于靶材表面粗糙度异常导致产品不良的几率，提高磁控溅射靶表面粗糙度监测的及时性和效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术，特别是涉及一种磁控溅射靶材表面粗糙度的监测方法和系统。
背景技术
磁控溅射(Magnetic Sputter)技术是半导体制造工艺中普遍应用的一种镀膜技术，其工作原理是通过射频电源(RF Power)或直流电源(DC Power)形成的等离子体(Plasma)内的具有高能量的气体离子(Gas Ion)撞击靶材(Target)表面，将粒子(Particle)从靶材表面射出并贴附到基板表面，从而在基板表面形成膜层。
在采用磁控溅射技术进行镀膜过程中，对靶材表面的粗糙度有一定的要求。如果靶材表面的某个部位有较大的异物、或者靶材表面存在某个较小但尖锐的异物，异物在溅射过程中会积累大量的电荷；当异物积累的电荷达到一定数量时，积累的电荷会在瞬间释放出来，使得靶材上存有异物的部分与基板之间的电压瞬间发生较大的变化而产生电弧(Arc)，该现象称为异常放电(Unusually Discharge)现象。
由于异常放电现象所导致的镀膜产品不良的缺陷，在半导体制造工艺，特别是液晶显示器(Liquid Crystal Device，简称LCD)的薄膜晶体管(ThinFilm Transistor，简称TFT)制造工艺中时有发生。为了监控镀膜质量，可在磁控溅射设备中安装监控设备，用于监测磁控溅射靶的表面粗糙度。现有技术监控设备的工作机理是在磁控溅射设备镀膜过程中，记录阴极(靶材设于阴极处)的阳极(待镀膜的基板设于阳极处)之间的电压波动情况，并记录在镀膜过程中发生电弧的数量；当镀膜过程中发生电弧的数量超过某一阈值时，监控设备发出报警，并停止溅射镀膜进程。
发明人在实现本发明过程中发现，现有技术监控设备在异常放电现象发生之后才能获取监测结果，在采用磁控溅射技术进行镀膜过程中不能够避免由于靶材上异物的异常放电所导致的产品不良，因而具有磁控溅射靶表面粗糙度监测程序滞后、效率较低等缺陷。
本发明的目的是提供一种磁控溅射靶表面粗糙度的监测方法和系统，用以克服现有技术存在的磁控溅射靶表面粗糙度监测程序滞后、效率较低等技术缺陷。
为实现上述目的，本发明提供了一种磁控溅射靶材表面粗糙度的监测方法，包括：
步骤1、在对靶材和基板之间施加电压以对所述基板进行镀膜之前，测试所述靶材当前状态下各测试区的表面粗糙度；
步骤2、根据所述靶材当前状态下各测试区的表面粗糙度，生成所述靶材的表面粗糙度变化曲线，并将所述表面粗糙度变化曲线与预设的所述靶材的表面粗糙度标准变化曲线进行比较，获取所述靶材表面各测试区的粗糙度偏差；
步骤3、在所述粗糙度偏差超出设定的阈值时，输出用于提示靶材表面粗糙度异常的报警信息；否则，输出用于提示靶材表面粗糙度正常的信息；
其中，所述步骤3中的在所述粗糙度偏差超出设定的阈值时，执行以下步骤：
步骤31、获取所述粗糙度偏差超出设定的阈值的所述靶材表面测试区的位置信息，以输出粗糙度偏差超出阈值对应的靶材表面测试区的坐标；
步骤301、将步骤31获取的测试区坐标，与数据库中存储的数据相应坐标进行比较；
步骤302、判断数据库中是否存有步骤301获取的测试区坐标的历史记录，如果有，执行步骤310；否则，执行步骤32；
步骤310、根据实际需要确定是否将设备腔体打开，以对靶材表面进行清洁处理；结束本流程；
或者，步骤310为：重新执行步骤1，再次确认该测试区是否持续发生异常的报警信息；如果该测试区持续发生异常的报警信息，则打开设备腔体，对靶材表面进行清洁处理；结束本流程；
步骤32、在所述靶材表面测试区的当前粗糙度满足预设表面清洁条件时，对所述位置信息相应的靶材表面测试区进行表面清洁以降低该区域的表面粗糙度，之后执行步骤1。为实现上述目的，本发明还提供了一种磁控溅射靶材表面粗糙度的监测系统，包括磁控溅射设备，还包括：
测试装置，用于测试所述磁控溅射设备中靶材当前状态下各测试区的表面粗糙度；
分析装置，用于根据所述靶材当前状态下各测试区的表面粗糙度，生成所述靶材的表面粗糙度变化曲线，并将所述表面粗糙度变化曲线与预设的所述靶材的表面粗糙度标准变化曲线进行比较，获取所述靶材表面各测试区的粗糙度偏差；
控制装置，用于在所述粗糙度偏差超出设定的阈值时，输出用于提示靶材表面粗糙度异常的报警信息；否则，输出用于提示靶材表面粗糙度正常的信息；
清洗装置，用于在所述控制装置输出所述报警信息、且所述靶材表面测试区的当前粗糙度满足预设表面清洁条件时，对粗糙度偏差超出设定的阈值相应的靶材表面测试区进行表面清洁以降低该区域的表面粗糙度；
其中，所述清洗装置包括：第二活动导轨和至少一个喷气嘴；
所述第二活动导轨用于将所述喷气嘴与所述位置信息相对的相应的靶材表面测试区进行对位；
所述喷气嘴用于在所述第二活动导轨完成对位之后，对所述位置信息相应的靶材表面测试区喷射氮气。
本发明提供的磁控溅射靶材表面粗糙度的监测方法和系统中，通过在采用磁控溅射设备进行镀膜之前，对靶材当前的表面粗糙度是否满足镀膜条件进行监测，因而可在开始镀膜之前对表面粗糙度异常进行预警，从而降低由于靶材表面粗糙度异常导致产品不良的几率，提高磁控溅射靶表面粗糙度监测的及时性和效率。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明第一实施例提供的磁控溅射靶材表面粗糙度的监测方法流程图；
图2为本发明第二实施例提供的磁控溅射靶材表面粗糙度的监测方法流程图；
图3为本发明第三实施例提供的磁控溅射靶材表面粗糙度的监测系统结构示意图。
附图标记说明：
1-磁控溅射设备； 2-测试装置； 3-分析装置；
4-控制装置； 5-清洗装置。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明第一实施例提供的磁控溅射靶材表面粗糙度的监测方法流程图。如图1所示，本实施例磁控溅射靶材表面粗糙度的监测方法包括：
步骤1、在对靶材和基板之间施加电压以对基板进行镀膜之前，测试靶材当前状态下各测试区的表面粗糙度。
表面粗糙度通常是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷不平度，可通过计算波峰到波谷的距离来表征。表面粗糙度可采用机械测量法(亦称为：接触式测量法)或光学测量法(亦称为：非接触式测量法)进行测量。
机械测量法可包括触针法等，其测量表面粗糙度的基本原理是：通过使用可伸缩的探针划过待测试表面，记录并输出探针运行轨迹，通过分析运行轨迹的峰值距离来计算表面粗糙度。
光学测量法可包括：光散射法、散斑法、光触针法、光干涉法等，其测量表面粗糙度的基本原理是：使用光束照射待测物体表面，利用单束光的散射及多束光的干涉等光学特性，接收从物体表面返回光信号强度，将接收的光信号转换为电信号后再转换为数字信号，得出表面粗糙度的数据。
由于光学测量法灵敏度高，光路简单易实现，对待测物体表面不会产生损害，因此，本发明优选采用光学测量法进行表面粗糙度的测量。
步骤2、根据靶材当前状态下各测试区的表面粗糙度，生成靶材的表面粗糙度变化曲线，并将表面粗糙度变化曲线与预设的所述靶材的表面粗糙度标准变化曲线进行比较，获取靶材表面各测试区的粗糙度偏差。
靶材某一测试区的粗糙度偏差可通过该测试区在生成的表面粗糙度变化曲线上的取值，与该测试区在表面粗糙度标准变化曲线上的取值之间的差值 进行表征。所使用的靶材的材料不同，表面粗糙度标准变化曲线也不同；在确定了所使用的靶材的材料之后，可根据所使用的靶材的材料，选取相应的表面粗糙度标准变化曲线。
步骤3、在粗糙度偏差超出设定的阈值时，输出用于提示靶材表面粗糙度异常的报警信息；否则，输出用于提示靶材表面粗糙度正常的信息。
根据所使用的靶材的材料不同，阈值选取的范围也不同。在阈值选取的选取上，可根据靶材表面不同粗糙度下描绘的正负极间的电压曲线确定电压异常波动点，在电压异常波动点附近适当选取一定范围作为该阈值。
磁控溅射设备中的靶材在对基板镀膜过程的使用中，难免会由于溅射过程中靶材的薄膜(Thin Film)脱落，或者，由于在打开磁控溅射设备的腔体(Chamber)时外界大气中杂质引入等原因，靶材表面吸附有材质与靶材材质不同的、粒径或大或小的颗粒，这些颗粒相对于靶材材料自身为异物。当异物在靶材表面形成一定分布时，例如：异物在靶材表面形成较大凸起或者异物在靶材表面形成尖锐的凸起等，在溅射过程中异物上会积累大量的电荷；当异物积累的电荷达到一定数量时会在瞬间释放出来，使得阴极(靶材设于阴极处)的阳极(待镀膜的基板设于阳极处)之间的电压的瞬间波动过大，从而易在基板表面形成大面积颗粒(PT)或者固定形状(Splash)的镀膜缺陷。
发明人在实现本发明过程中发现，TFT产品制造是连续的批量化生产，且对镀膜精度要求很高。如果在采用磁控溅射设备对靶材和基板之间施加电压以对基板进行镀膜之前，没有对靶材当前状态进行检测。一旦开始镀膜之后，由于靶材表面粗糙度异常而导致的产品不良会中断镀膜过程；设备维护人员需要打开磁控溅射设备的腔体(Chamber)，去除靶材表面吸附的异物，之后再重新开始镀膜。这样不仅不能保障生产的正常进行，还增加了工程师的劳动强度。此外，如果基板发生了上述镀膜缺陷，这些基板将无法重新利用而只能废弃，从而延缓生产，造成人力和物力上的浪费。通过本实施例步 骤1在采用磁控溅射设备对靶材和基板之间施加电压以对基板进行镀膜之前，首先对靶材当前状态下的表面粗糙度进行测试。在获取靶材当前状态下的表面粗糙度之后，可相应判断靶材当前状态是否满足镀膜条件，从而降低由于靶材表面吸附的异物产生的异常放电所导致的产品不良的几率。
本实施例技术方案步骤1中，可采用光学测量法进行表面粗糙度的测量，如：通过入射到靶材表面光谱和靶材表面相应的反射光谱之间的能量差，测试靶材当前状态下各测试区的表面粗糙度。具体的，步骤1可包括步骤11和步骤12(图1未示出)。
步骤11、在对靶材和基板之间施加电压以对所述基板进行镀膜之前，使用入射光谱扫描靶材表面各测试区，并接收从所述靶材表面相应测试区反射的反射光谱。
步骤12、计算所述入射光谱与相应反射光谱的能量差，分别得到所述靶材表面各测试区的表面粗糙度。
本实施例技术方案步骤2中，在通过步骤1获取靶材表面各测试区表面粗糙度的离散值之后，可绘制出靶材表面粗糙度变化的连续曲线，即靶材的表面粗糙度变化曲线。可在实施本发明之前，首先建立存储有不同膜层的溅射物质的靶材表面粗糙度动态变化曲线的数据库；然后根据不同膜层的溅射物质选择需要监测的靶材表面粗糙度在特定设备中使用的标准曲线，例如：由于在磁控溅射设备中，由于磁铁的位置和形状不同，使靶材在使用过程中会呈现不同的表面形状，所以表面粗糙度也会呈现很大的个体差异。数据库中存储有标准变化曲线、以及设定的标准变化曲线容许的偏差范围，即设定阈值。在进行沉积之前，对靶材粗糙度进行测试，并根据靶材当前的使用情况，生成靶材的表面粗糙度变化曲线。当测量过程结束，表面粗糙度变化曲线绘制完成。然后将该表面粗糙度变化曲线与数据库中的标准变化曲线进行对比，得到粗糙度偏差。
本实施例技术方案步骤3中，阈值的选取可根据靶材具体物质以及镀膜 的实际工作条件进行选取。如果粗糙度偏差超出设定的阈值，说明靶材上超过阈值区域上吸附异物的几率较大，且这些异物在镀膜过程中发生异常放电现象的几率也较大，因此，磁控溅射靶材表面粗糙度的监测系统可向外部输出用于提示靶材表面粗糙度异常的报警信息，提醒及时进行检查，以避免产生不良产品。如果粗糙度偏差在设定的阈值范围内，说明靶材上超过阈值区域上吸附异物的几率较小，且这些异物在镀膜过程中发生异常放电现象的几率也较小，磁控溅射靶材表面粗糙度的监测系统可向外部输出用于提示靶材表面粗糙度正常的信息，靶材当前状态可开始镀膜了。
本实施例技术方案步骤3中，在所述粗糙度偏差超出设定的阈值时，步骤3还可包括步骤31和步骤32(图1未示出)。
步骤31、获取所述粗糙度偏差超出设定的阈值的所述靶材表面测试区的位置信息；
步骤32、在所述靶材表面测试区的当前粗糙度满足预设表面清洁条件时，对所述位置信息相应的靶材表面测试区进行表面清洁以降低该区域的表面粗糙度，之后重复执行步骤1。
通过步骤32可使设备维护人员有的放矢排除靶材表面吸附的异物，例如：如果靶材某一位置发生报警时，可采用氮气吹向靶材相应表面以使异物从靶材表面脱落，之后采用本实施例方法重复进行靶材表面粗糙度的监测，直至靶材表面粗糙度满足正常镀膜的条件；如果在靶材表面粗糙度监测过程中，靶材同一位置连续发生报警，此时，设备维护人员可考虑打开设备腔体，对靶材表面重新进行清洁处理。
本实施例磁控溅射靶材表面粗糙度的监测方法，通过在采用磁控溅射设备进行镀膜之前，对靶材当前的表面粗糙度是否满足镀膜条件进行监测，因而可在开始镀膜之前对表面粗糙度异常进行预警，从而降低由于靶材表面粗糙度异常导致产品不良的几率，提高磁控溅射靶表面粗糙度监测的及时性和效率。
图2为本发明第二实施例提供的磁控溅射靶材表面粗糙度的监测方法流程图。本实施例以型号为SMD1200CX的溅射设备中对材质为金属Mo的靶材(以下称为Mo靶材)表面粗糙度进行监测为例，进行说明。如图2所示，本实施例包括：
步骤21、在对Mo靶材和基板之间施加电压以对基板进行镀膜之前，磁控溅射靶材表面粗糙度的监测系统接收到开始测量Mo靶材表面粗糙度的控制信号。
步骤22、光谱发生器产生入射光谱，采用入射光谱沿着Mo靶材某一方向进行扫描式测量，同时，光谱接收器接收从Mo靶材表面相应测试区反射的反射光谱。
步骤23、计算入射光谱与相应反射光谱的能量差，分别得到Mo靶材表面各测试区的表面粗糙度。
步骤24、根据获取的Mo靶材表面各测试区的表面粗糙度，绘制Mo靶材表面粗糙度的变化曲线。
步骤25、将Mo靶材的表面粗糙度变化曲线与预设的Mo靶材的表面粗糙度标准变化曲线进行比较，获取Mo靶材表面各测试区的粗糙度偏差。
步骤26、判断粗糙度偏差是否大于设定的阈值，如果是，执行步骤27，否则，执行步骤212。
步骤27、输出粗糙度偏差超出阈值对应的Mo靶材表面测试区的坐标(X，Y)。
步骤28、将步骤27获取的测试区坐标，与数据库中存储的数据相应坐标进行比较。
步骤29、判断数据库中是否存有步骤27获取的测试区坐标的历史记录，如果有，执行步骤210；否则，执行步骤211。
本步骤中的历史记录可包括：在检测过程中发生的该测试区坐标出现的表面粗糙度异常的数据记录等，本步骤对应的场景通常是靶材同一测试区连 续多次发生报警的情形时，测试系统会在每次报警时记录相应的异常数据。
步骤210、可根据实际需要确定是否将设备腔体打开，以便对Mo靶材表面进行清洁处理；结束本流程。
如果靶材同一测试区连续发生报警，说明在靶材该测试区出现大块异物的几率较大，不打开设备腔体很难清洁这些异物。此时，设备维护人员可根据需要选择是否打开设备腔体进行清洁。
或者，步骤210还可为：重新执行21，再次确认该测试区是否持续发生异常；如果该测试区持续发生异常，则需打开设备腔体，对Mo靶材表面进行清洁处理；结束本流程。
步骤211、向位置信息相应的靶材表面测试区喷射氮气，以使该区域上吸附的异物从所述靶材表面脱落，执行步骤21。
步骤212、输出用于提示靶材表面粗糙度正常的信息。
步骤213、对Mo靶材和基板之间施加电压，通过溅射工艺在基板上镀Mo薄膜，结束本流程。
本实施例有利于降低由于靶材表面粗糙度异常导致产品不良的几率，提高磁控溅射靶表面粗糙度监测的及时性和效率。
图3为本发明第三实施例提供的磁控溅射靶材表面粗糙度的监测系统结构示意图。如图3所示，本实施例磁控溅射靶材表面粗糙度的监测系统包括磁控溅射设备1、测试装置2、分析装置3和控制装置4，其中，
测试装置2可设于磁控溅射设备1的内部(图3未示出)，用于测试所述磁控溅射设备1中靶材当前状态下各测试区的表面粗糙度；
分析装置3与测试装置2连接，用于根据测试装置2获取的靶材当前状态下各测试区的表面粗糙度，生成靶材的表面粗糙度变化曲线，并将表面粗糙度变化曲线与预设的靶材的表面粗糙度标准变化曲线进行比较，获取靶材表面各测试区的粗糙度偏差；
控制装置4与分析装置3连接，用于在所述粗糙度偏差超出设定的阈值 时，输出用于提示靶材表面粗糙度异常的报警信息；否则，输出用于提示靶材表面粗糙度正常的信息。
在上述技术方案的基础上，本实施例磁控溅射靶材表面粗糙度的监测系统还可包括：清洗装置5。
清洗装置5可设于磁控溅射设备1的内部并与控制装置4连接，用于在控制装置4输出用于提示靶材表面粗糙度异常的报警信息、且所述靶材表面测试区的当前粗糙度满足预设表面清洁条件时，对所述位置信息相应的靶材表面测试区进行表面清洁以降低该区域的表面粗糙度。
在上述技术方案的基础上，本实施例磁控溅射靶材表面粗糙度的监测系统中测试装置可包括：光谱发生器、光谱接收器和第一活动导轨；清洗装置可包括：第二活动导轨和至少一个喷气嘴。
第一活动导轨分别与光谱发生器和所述光谱接收器连接，用于将光谱发生器和光谱接收器分别移动到需要进行测试的靶材表面各测试区的相对位置；光谱发生器用于产生入射光谱，并采用所述入射光谱扫描所述靶材表面各测试区；光谱接收器用于接收从所述靶材表面相应测试区反射的反射光谱。
第二活动导轨用于将所述喷气嘴与所述位置信息相对的相应的靶材表面测试区进行对位；喷气嘴设于第二活动导轨上，用于在第二活动导轨完成对位之后，对位置信息相应的靶材表面测试区喷射氮气，以使该测试区上吸附的异物从靶材表面脱落。
通过上述分析可知，本发明提供的磁控溅射靶材表面粗糙度的监测系统，通过设置测试装置在采用溅射设备进行镀膜之前，对溅射设备中靶材的表面粗糙度进行监测，明显提高了靶材表面粗糙度监测的及时性和效率；进一步的，如果在监测过程中发现靶材表面粗糙度发生异常，可通过设置的清洁装置对靶材表面所吸附的异物进行去除处理，改善了现有技术中一旦异常发生就要打开设备腔体来消除靶材表面的不平整状态，从而有利于缩短靶材表面粗糙度异常缺陷的排除时间，整个监测系统具有自动化程度和准确性较高， 易于实现等优点。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。
Claims (3)
1.一种磁控溅射靶材表面粗糙度的监测方法，其特征在于，包括：
步骤1、在对靶材和基板之间施加电压以对所述基板进行镀膜之前，测试所述靶材当前状态下各测试区的表面粗糙度；
步骤2、根据所述靶材当前状态下各测试区的表面粗糙度，生成所述靶材的表面粗糙度变化曲线，并将所述表面粗糙度变化曲线与预设的所述靶材的表面粗糙度标准变化曲线进行比较，获取所述靶材表面各测试区的粗糙度偏差；
步骤3、在所述粗糙度偏差超出设定的阈值时，输出用于提示靶材表面粗糙度异常的报警信息；否则，输出用于提示靶材表面粗糙度正常的信息；
其中，所述步骤3中的在所述粗糙度偏差超出设定的阈值时，执行以下步骤：
步骤31、获取所述粗糙度偏差超出设定的阈值的所述靶材表面测试区的位置信息，以输出粗糙度偏差超出阈值对应的靶材表面测试区的坐标；
步骤301、将步骤31获取的测试区坐标，与数据库中存储的数据相应坐标进行比较；
步骤302、判断数据库中是否存有步骤301获取的测试区坐标的历史记录，如果有，执行步骤310；否则，执行步骤32；
步骤310、根据实际需要确定是否将设备腔体打开，以对靶材表面进行清洁处理；结束本流程；
或者，步骤310为：重新执行步骤1，再次确认该测试区是否持续发生异常的报警信息；如果该测试区持续发生异常的报警信息，则打开设备腔体，对靶材表面进行清洁处理；结束本流程；步骤32、在所述靶材表面测试区的当前粗糙度满足预设表面清洁条件时，对所述位置信息相应的靶材表面测试区进行表面清洁以降低该区域的表面粗糙度，之后执行步骤1。
2.根据权利要求1所述的磁控溅射靶材表面粗糙度的监测方法，其特征在于，所述步骤1包括：
步骤11、在对靶材和基板之间施加电压以对所述基板进行镀膜之前，使用入射光谱扫描靶材表面各测试区，并接收从所述靶材表面相应测试区反射的反射光谱；
步骤12、计算所述入射光谱与相应反射光谱的能量差，分别得到所述靶材表面各测试区的表面粗糙度。
3.根据权利要求1所述的磁控溅射靶材表面粗糙度的监测方法，其特征在于，所述步骤32中对所述位置信息相应的靶材表面测试区进行表面清洁，包括：
向所述位置信息相应的靶材表面测试区吹氮气，以使该区域上吸附的异物从所述靶材表面脱落。
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