CN101874291A - 磁控管溅射靶中腐蚀的预测和补偿 - Google Patents

Abstract

当绕着靶(38)的后面以具有径向分量的选定复杂路径(150)扫描磁控管(72)时，靶腐蚀分布具有依赖于路径选择的形状。测量给定磁控管的径向腐蚀率分布(160)。周期性地在扫描期间，根据测量的腐蚀率分布(160)和源自测量的腐蚀率分布的分布(162，164，166)、磁控管在不同半径消耗的时间及靶功率来计算腐蚀分布(168)。计算的腐蚀分布可用来表明腐蚀已经在任何位置变得过量，以提醒靶替换或者调整靶上方的磁控管的高度以重复扫描。在本发明的另一方面，在扫描期间动态地调整(206)磁控管的高度以补偿腐蚀。补偿可基于计算的腐蚀分布或者基于对恒定功率靶电源(110)的靶电压(124)的当前值的反馈控制。

Description

磁控管溅射靶中腐蚀的预测和补偿

技术领域

本发明总体涉及材料的溅射。更具体地，本发明涉及一种在溅射靶后面的磁控管的垂直移动。

背景技术

可被称为物理气相沉积(PVD)的溅射是在集成电路制造中沉积金属层和相关材料层的最普遍的方法。溅射被开发成沉积用于互连的平坦金属层，并且商用溅射通常使用溅射工作气体(一般为氩)的等离子体来通过氩离子轰击负偏压靶，以溅射靶材的原子，之后，使晶片涂覆有一层靶材。在金属氮化物的反应溅射中，另外可允许氮气进入溅射腔室中。

最近，溅射适用于将金属和金属氮化物的薄层沉积到具有高纵横比孔(例如，通孔和沟槽)的壁上。溅射广泛地应用于将诸如钽的难熔金属和难熔氮化物的阻挡层沉积到通孔壁上，以防止铜由通孔扩散到周围的二氧化硅或低k电介质材料的介电层中。溅射还可以用来把薄的铜籽晶层沉积到通孔壁上，以起到通过电化学电镀(ECP)而使铜填充到通孔中的电镀电极和成核层的作用。

在通常商业上应用的等离子体溅射中，待溅射沉积的靶材被密封在包含待涂覆晶片的真空腔室中。允许氩进入该腔室。当在腔室壁或遮罩保持接地的同时把几百伏特的负DC偏压施加到靶时，氩被激发成等离子体。带正电的氩离子被吸引到高能量的负偏压靶，并且使靶原子从负偏压靶中溅射出。图1的示意性截面图中所示的示例性靶10围绕真空腔室的中心轴12布置。靶10通常包括背板14，背板可以由黄铜组成，例如铜或钽的靶层16接合到该背板。然而，整块铜靶也是可以的。位于靶10后面的磁控管18包括两个相反磁极20、22，这两个磁极通过磁轭24在两个磁极的后部磁耦合，以在靶层16前面产生磁场B。磁场俘获等离子体的电子，并因而增加等离子体的密度，从而提高溅射率。磁控管18通常偏离靶10的中心轴12，但围绕中心轴旋转，以提高方位角沉积均匀性。商用磁控管具有比图1中所示的形状更复杂的形状。

溅射对涂覆具有高纵横比孔的壁的适用，部分地取决于减小磁控管的尺寸，以使靶功率集中在较小区域中，并因而产生较高靶功率密度，从而将等离子体的密度增加到使很大比例的溅射原子离子化的程度。如果对晶片施加电性负偏压，溅射离子就能够被深深地吸引到晶片中的窄孔内。已经发现，通过主要在靶10的边界附近扫描小磁控管18，促进了高离子化比例的溅射原子向高纵横比孔的溅射。但是溅射离子朝向中心扩散。

在过去，设计了磁控管用于均匀的靶腐蚀，，但是用小磁控管进行的离子化溅射可能妨碍均匀的腐蚀。此外，如果仅对靶的外部部分进行溅射，溅射原子中的一些就再沉积在靶中心附近，并且增大了再沉积材料的厚度增加，使得再沉积材料不能很好地附着到靶上并且很可能剥落并产生不可接受数量的微粒，这些微粒会落在晶片上并在最终的设备上产生缺陷。为了解决这个问题，Hong等人在美国专利7,018,515中公开了一种磁控管，该磁控管在用于大部分溅射沉积的径向外部位置与磁控管对靶进行清理的径向内部位置之间枢轴转动。

必须开始关注对靶腐蚀的考虑。小磁控管18的边界扫描会腐蚀靶层16以产生环形凹槽26，同时靶层16的中心部分被少量腐蚀到低于其原始表面28。靶10的过量溅射会冲穿靶层16，以致使暴露的下层背板14被溅射，并且尤其在钽阻挡层被溅射沉积的情况下，会污染腔室。在整块靶的情况下，过量溅射可能会将靶机械地削弱到不能够避开真空的程度。为了解决这些问题，可以通过在测试中将腐蚀测量为寿命期间的靶能量(例如在操作溅射期间施加到靶上的千瓦-时(kW-hr)的数量)的函数来说明腐蚀。对于靶和磁控管的组合，寿命期间的靶能量在实验上被建立为靶溅射终点时(例如就在靶层被溅射穿以使背板暴露之前)的靶能量。对于磁控管和靶结构的固定组合，测量的终点靶能量表明何时应该替换靶。

腐蚀在等离子体溅射中引起了进一步的问题。在靶10被腐蚀时，靶层16内的溅射表面逐渐减小，并且逐渐接近到磁控管18，使溅射表面的磁场随着靶10的寿命改变。溅射率取决于靠近溅射表面的磁场B的大小，其随腐蚀深度增加。此外，等离子体在磁场改变的情况下可能变得不稳定，可能熄灭或发出火花，发出火花可能产生有害粒子。Hong等人在美国专利申请公开2005/0133365中公开了周期性地调节靶和磁控管之间的间距，以补偿靶在多个晶片循环期间的长期腐蚀，并从而调整溅射等离子体。

Miller等人在美国专利6,852,202中描述了一种行星齿轮机构，其通过以多叶图案横跨靶的后部扫描小磁控管而获得与美国专利7,018,515的双位置磁控管有些类似的结果。Miller等人在2007年10月25日提交的美国专利申请11/924,573中描述了一种被称为通用磁控管运动(UMM)机构的更一般的周转扫描机构，在此通过援引扫描机构的细节而将其并入本文。虽然构成该机构的齿轮和臂固定了行星齿轮机构的扫描图案，但是UMM机构可以通过两个同轴的轴的独立旋转而产生几乎任意的扫描图案。

发明内容

本发明的一个方面计算由磁控管以复杂和选定路径扫描的靶的预测腐蚀分布。所计算的腐蚀分布可以用来确定靶的寿命的终点，例如，何时通过可能仅仅在一个区域溅射而使靶层接近蚀穿。

计算腐蚀分布的一种方法包括实验上测量校准的腐蚀率分布，例如，当磁控管以距靶中心的已知半径旋转时每个施加给靶的能量下的腐蚀深度。可以通过反线性或接近线性的比例将在一个半径处测量的腐蚀率转换成其他半径的腐蚀率。在利用校准中使用的相同类型的磁控管扫描的操作期间，通过在很多次扫描的情况下对磁控管的已知半径的腐蚀率、这些半径所消耗的时间以及施加给靶的功率的乘积求和来确定腐蚀率分布。通过计算，在扫描期间更新靶上不同半径的计算库。

本发明的另一方面包括以具有径向分量的路径移动磁控管，并在径向扫描期间动态地调整磁控管和靶之间的间距以补偿径向腐蚀分布。可以根据周期性计算的腐蚀分布来进行垂直调整。可选地，可以通过监测用于向靶供电的电信号来进行垂直调整。例如，当靶电源向靶提供接近恒定的功率或电流时，可以监测靶电压，并将该靶电压用到反馈回路中以控制垂直致动器来使靶电压回到期望电压，该期望电压通常与磁控管和磁控管下面的腐蚀靶的那部分溅射表面之间的期望间距相对应。

附图说明

图1是溅射靶和相关磁控管的示意性截面图。

图2是溅射腔室的示意性截面图，该溅射腔室包括用于其磁控管的一般周转扫描机构。

图3是磁控管及其扫描机构的一个实施方式的正视图。

图4是本发明可以使用的复杂磁控管扫描图案的示意图。

图5是循环对称扫描的腐蚀率分布的曲线图。

图6是由图5的腐蚀率分布产生的被规一化到其他旋转半径的腐蚀率分布的曲线图。

图7是实践包括对靶腐蚀的静态垂直补偿的本发明的方法的一个实施方式的流程图。

图8是实践包括对靶腐蚀的动态垂直补偿的本发明的方法的另一实施方式的流程图。

具体实施方式

本发明可应用到在授权给Miller等人(下文中的Miller)的前述美国专利申请11/924,573中描述的溅射系统。在图2的截面图中示意性示出的溅射腔室30包括传统主腔室32，主腔室32大致围绕中心轴34对称并且通过适配器40和绝缘体42支撑靶38。靶38可以由待溅射的材料构成，或者可以包括面对腔室主体32内部并接合到在绝缘体42上方横向延伸的背板的靶层。溅射腔室30还包括通用磁控管运动(UMM)致动器46，该致动器46位于靶38的后面并且包括内部旋转轴48和管状外部旋转轴50，两个旋转轴同轴并且绕着中心轴34布置并沿着中心轴34延伸，而且能够绕着该中心轴旋转。第一发动机52通过驱动齿轮34或者诸如缠绕有两个滑轮的传送带等的其他机械装置连接到内部旋转轴48以使其旋转。第二发动机56通过另一驱动齿轮58或者机械装置类似地连接到外部旋转轴50，以使得不依赖于内部旋转轴48的旋转而使其旋转。旋转轴48、50及其发动机52、56被支撑在可垂直移动的滑动器60上。第三发动机62驱动诸如使滑动器60垂直移动的蜗杆螺钉机构等的垂直机构64及其支撑的旋转轴28和30。

旋转轴48、50连接到周转机构70，该机构通过安装架74支撑磁控管72并且在靶38的后部以由旋转轴48、50的旋转决定的几乎任意的图案扫描该磁控管。周转机构70及其支撑的磁控管74也随着滑动器板60垂直移动。如Miller更详细描述的并将在以下粗略描述的，Miller周转机构70的主要实施方式是行星齿轮系统，该系统与美国专利6,852,202的行星齿轮系统的区别在于中心齿轮，该中心齿轮通过内部旋转轴48旋转，而不是固定。磁控管72典型地包括磁轭76，磁轭76支撑并磁耦合沿着中心轴34的一种磁极性的内部磁极78和相反磁极性并围绕内部磁极78的外部磁极80。磁控管72典型地较小并且是圆形的。为了将靶38保持在适当的低温下，将磁控管72和周转机构70的大部分设置在未示出的再循环冷却贮存器中，该再循环冷却贮存器冷冻密封到靶的后面或其背板。

现在返回到主腔室32，真空泵90通过泵浦端口92泵浦主腔室32的内部。气体源94通过质量流量控制器96将诸如氩的溅射工作气体提供到腔室32中。如果反应溅射需要例如金属氮化物，也提供例如实例中的氮之类的反应气体。

晶片100或其他基片被支撑在底座102上，该底座被配置成与靶38相对的电极。锁紧环104可以用来将晶片100固定到底座102或者保护底座边界。然而，很多新式的反应器用静电吸盘来使晶片100固定到底座102。支撑在适配器40上的电性接地的遮罩106保护腔室壁和底座102的侧面免受溅射沉积的影响，并且在等离子体放电时起到阳极的作用。工作气体通过锁紧环104或底座102与遮罩106之间的间隙108进入主处理区域。其他遮罩结构可以包括主遮罩106内的电浮动的副遮罩以及贯通主遮罩106的由副遮罩保护的部分的穿孔，以促进气体流进处理区域。

DC电源110使靶38相对于接地遮罩106负偏置并且使氩工作气体被激发并放电成等离子体。磁控管72集中等离子体并在磁控管72下方的主腔室32内产生高密度等离子体(HDP)区域112。带正电的氩离子以足够的能量被吸引到靶38，以使金属从靶38的靶层中溅射出。溅射金属沉积在晶片100的表面上并涂覆该晶片的表面。优选地，对于沉积到深且窄的孔中的溅射，将RF电源114通过起高通滤波器作用的电容耦合电路116连接到底座电极102，以在晶片110上产生相对于等离子体的负DC自偏压。自偏压有效地加速了正金属离子或者可能的氩离子按照更加容易进入高纵横比孔的垂直轨迹朝向晶片100运动。自偏压还给予离子高能量，可以对该离子进行控制以区分晶片100上的溅射沉积和对晶片100的溅射蚀刻。

根据通过可记录介质(诸如插入到系统中的CDROM)或等效的通信线路输入到系统118中的期望溅射条件和扫描图案，基于计算机的控制器118控制真空泵90、氩质量流量控制器96、电源110、114和磁控管致动器发动机52、56、62。与控制器118关联的存储器120用于执行稍后描述的控制算法。为了稍后描述的目的，将瓦特计122和伏特计124设置在DC电源110和靶38之间，以使控制器118能够监控施加给靶38的功率和电压。典型地，DC电源110以恒定功率模式工作，以使功率大小可以被预设并且相对恒定，而且可以作为数字控制信号应用于控制器118。然而，也可以使用恒定电流供给。Chang等人在2007年11月30日提交的美国专利申请11/948,118中描述了一种用于旋转轴发动机52、56的更复杂和快速的控制电路。

更可行版本的周转扫描致动器46和附接的磁控管72在所谓的通用磁控管运动(UMM)机构130中被包含于图3的正视图中示出的磁控管致动器中。UMM机构130被支撑在轮缘132上，所述轮缘被支撑并密封在冷却贮存器的顶壁上。支撑在贮存器外的轮缘132上的支架134支撑垂直致动器的发动机62以便使滑动器60垂直移动，滑动器60可旋转地支撑旋转轴48、50和通过多楔带136、138连接到旋转轴的轴发动机52、56。

外部旋转轴50穿过旋转和轴向密封进入冷却贮存器，并且在其下端固定地附接到变速箱140及其称锤142。变速箱140的内部被冷却液密封，并且处于环境大气下。中心齿轮固定到变速箱140内的内部旋转轴48的下端。支撑在变速箱140内的行星齿轮系统包括中心齿轮和通过空转轮可旋转地连接的从动齿轮。从动齿轮的轴穿过旋转密封以支撑磁臂144。磁控管72支撑在磁臂144的一个端部，而称锤146支撑在另一端部。Miller描述了UMM机构的其他细节。如果旋转内部旋转轴48以使中心齿轮静止，那么外部旋转轴50的旋转使齿轮箱146绕着腔室的中心轴34旋转，并且磁控管72绕着中心轴34执行由臂长度和齿轮齿数比决定的多叶路径的正常行星运动。如果两个旋转轴48、50同步旋转，磁控管72就遵循由两个旋转之间的相位决定的半径绕着中心轴的圆形路径。然而，两个旋转轴48、50能够独立地旋转，使得能够按照由控制器118的指令决定的、不依赖于臂长度和齿轮齿数比的几乎任意一条路径扫描磁控管72。例如，图4的视图中所示的复杂扫描图案60包括围绕靶中心34对称的大致圆形部分和具有偏离靶中心34的两个不同中心的两个较小的大致圆形部分。

垂直致动器使磁控管能够提升到对靶腐蚀进行补偿。例如，可以使磁控管72与靶层中的逐步腐蚀的凹槽表面保持恒定距离，从而在靶的生命期内保持恒定的等离子体条件。本发明的几个方面包括磁控管72的垂直移动的控制。

可利用周转扫描机构获得的广义的扫描图案允许相同的扫描机构用于可产生不同腐蚀分布的不同处理。甚至对于不同的处理，可以使用相同的靶。因此，过去确定的简单的终点靶能量不能可靠地预测靶故障。类似地，不能容易地预测靶-磁控管间距的垂直调整。同时，较小尺寸的磁控管已经产生了陡峭的腐蚀分布。

本发明的一个方面能够针对任意扫描图案计算腐蚀分布。对靶类型和磁控管以及腔室和包含于腔室内的诸如遮罩等的任何工艺配套元件，建立腐蚀率分布。可以通过以距靶中心的固定半径R₀旋转磁控管而建立该分布。半径R₀通常参照圆形磁控管的中心。既然在操作期间会实施垂直补偿，那在校准阶段期间就应该实施垂直补偿。校准溅射会产生圆形对称图案。在长期溅射之后，在靶半径上测量腐蚀深度，并且将该腐蚀深度规一化成校准测试期间施加到靶的能量，以建立腐蚀率分布e(r，R₀)，该腐蚀率分布是距靶中心的半径r的函数。该能量是以例如kW-hr为单位的校准溅射期间的靶功率和时间的积分。在图5的曲线图中，针对靶位置R₀＝165mm，绘出了以μm/kW-hr为单位的腐蚀率分布160。分布射线的宽度是由磁控管的物理尺寸引起的。两个峰大致对应于与旋转弧对准的圆形等离子体轨迹的那些部分，而中央谷对应于沿着半径排列并因而快速扫过靶的下层部分的等离子体轨迹的那些部分。

虽然对于不同的磁控管半径可以实施不同的校准测试，但是单一的校准测试也可满足需要。基于单一的校准测量，可以根据以下等式计算其他磁控管半径R_i的腐蚀率分布：

$e(r,R_i)={\left(\frac{R_0}{R_i}\right)}^{N}e(r,R_0).---\left(1\right)$

该等式反应了磁控管的尺寸和该磁控管以距中心某一半径扫描的圆周的长度之间的几何关系。虽然出于几何学的简化考虑，期望值N＝1，但是非线性关系被经常观察到，因而典型地使用0.9和1.1之间的N值。

然后，可以通过对磁控管在不同半径R_i时所用的时间长度T_i和靶功率P_i的乘积求和来预测腐蚀分布E(r)。

$E\left(r\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}e(r,R_i)T_i{P}_i.---\left(2\right)$

该等式未反应磁控管在其整个扫描期间可能以不同功率大小多次横跨相同靶半径的事实。方位角位置没有出现在等式(2)中。假设不管诸如图4的复杂路径的非圆形分量，在相对长的时间周期内，按照圆形对称方式对靶进行腐蚀。通过迫使以随机次数开始进行重复扫描而获得长期生产运行的圆形化腐蚀路径，从而使需要的扫描路径在多个晶片循环之间进行方位角旋转。

在如图6的曲线图所示的腐蚀率的实例中，迹线162绘出了在具有第一靶功率的第一时间周期以半径R₀＝160mm扫描磁控管时的腐蚀分布，迹线164绘出了在具有第二靶功率的第二时间周期以半径R₀＝80mm扫描磁控管时的腐蚀分布，而迹线166绘出了在具有第三靶功率的第三时间周期以半径R₀＝60mm扫描磁控管时的腐蚀分布。迹线168是其他三个迹线162、164、166的总和，并且绘出了所有三次扫描的总腐蚀分布。

然而，实际上，对于大部分复杂扫描，磁控管的半径非常快速地变化。此外，替代仅在需要罕见动作时实施这种性质的运行计算，一种较容易的方法是保持每个半径的储能的轨迹。换句话说，可以在控制器118访问的存储器120中建立多个计数器。数据可以布置在多个库(bin)中，例如，从0到295mm每隔10mm布置的库，但是对于典型的扫描图案，可以使用较小数量，例如，以从90到235mm的能量布置的库。

对于相同的库，需要对腐蚀率数据制作表格，并且腐蚀率数据需要具有相同的粒度。以固定的和相对短的时间间隔，例如每隔100ms，将当前的靶功率添加到与磁控管的当前半径相对应的库中的先前值。时间周期是恒定的，并且仅需要在计算时考虑。

在图7的流程图中，示出了这种操作的示例性控制方法。应该理解，典型的商用控制系统依赖于轮询和中断，所以所示的流程图仅用于理解该操作。初始状态170表示在没有腐蚀的溅射腔室中已经安装了全新的靶。假设，该靶是已经针对至少一个半径测量了腐蚀率的靶种类和腐蚀率分布可用于对应于能量库的磁控管的所有半径位置的靶种类中的一种。在初始化步骤172中，能量库全部被初始化为零。

在扫描步骤174中，根据当前情况扫描磁控管。在更新测试176中，判断从能量库的最新更新开始是否已经过去了诸如100ms等的短设定时间。如果没有，扫描简单地继续。如果短设定时间已经结束，在更新步骤178中，更新能量库。更新要考虑当前情况和自当前循环开始以来的时间，以确定磁控管的当前半径位置R_i和靶功率。靶功率既可以来自瓦特计122，也可以更简单地由处理情况决定。在简单版本的算法中，更新步骤178仅更新当前靶半径R_i的库中的能量，而腐蚀分布的计算留给了后续步骤。在可具体应用于生产运行的变型方法中，每个晶片循环包括相同功率、相同总扫描长度的相同扫描。因此，在晶片循环的最后，能量更新步骤178可以基于针对当前情况建立的值更新整个扫描周期的能量库。

在分布测试180中，判断自从上一次计算了腐蚀分布开始是否过去了长能量周期，例如在传送给靶的总能量中测量的100kW-hr。如果没有，扫描继续。如果已经超过了能量周期，计算步骤182计算或预测当前的腐蚀分布。半径r_j的腐蚀量E(r_j)是等式(2)的总和。

可以随着晶片溅射循环来调整分布测试180，即，在将晶片输送进和输送出溅射腔室时实施分布测试。该循环可以与包括扫描图案和靶功率的溅射情况的变化一致。

在极限测试184中，判断E(r_i)值限定的腐蚀分布是否表明靶腐蚀已经达到极限并且需要替换靶。示例性的测试是当最大腐蚀量E(r_j)落入腐蚀之前的初始靶厚度的最小厚度值内时，应该在维护步骤188时替换该靶。因此，获得新的靶条件170。最小厚度值可以是操作的另一100kW-hr所预期的腐蚀，但是应当包含宽裕度的误差。如果还未达到腐蚀极限，扫描继续。

本发明的另一方面是将计算的腐蚀分布用于静态垂直补偿。在图7的处理中，可以包括静态垂直补偿步骤190。在该步骤190中，控制器考虑步骤184中计算的腐蚀分布，并且从中判断通过其垂直致动器发动机62使磁控管垂直移动了多远，以补偿靶腐蚀。通常，如图1中显而易见的，磁控管18的底部与靶层16的被腐蚀表面之间的距离应该保持恒定。在图1的良好限定的凹槽26的情况下，垂直补偿可以被容易地确定为最大靶腐蚀。然而，对于复杂的腐蚀分布，例如图6中的总分布168，选择并不是如此明显。一个选择是补偿等级194，其作为靶的显著扫描部分上的腐蚀分布的平均。另一选择是补偿等级196，其作为靶的显著扫描部分上的腐蚀的最小量。后一种选择导致以下现象：如果将磁控管远离靶的当前溅射面太远放置，那么磁场强度可能太小而不能维持等离子体，使等离子体崩溃。溅射有效地停止，或者如果等离子体在更多的腐蚀部分上自发地再点火，这种再点火可以引起溅射出大微粒的火花或闪光，这可能使得有微粒落上的集成电路出现故障。

当扫描步骤174重新开始时，磁控管处于它的新的补偿垂直位置，并且在那里对水平扫描的至少一个并且可能很多个晶片循环继续静态补偿。

本发明的另一方面是在扫描路径期间动态地改变靶-磁控管间距以补偿所计算的腐蚀分布。具体地，当磁控管被在方位角和径向上扫描成任意水平扫描图案的一部分时，可以垂直地移动磁控管。垂直移动可以很大程度上遵循腐蚀分布以补偿腐蚀，并且在扫描期间一直在磁控管和磁控管下方的溅射表面之间提供接近恒定的间距。换句话说，参照图1，控制器118可以在扫描期间改变所有三个致动器发动机52、56、62的旋转速率。

在图8的流程图中，示出了实践本发明的这个方面的方法的实施方式。在新靶的初始状态170之后的初始化阶段中，对能量库清零，或者在能量初始化步骤172中初始化这些能量库，并且初始化腐蚀分布，例如在腐蚀初始化步骤20中将其清零。在晶片输送步骤204中，进入晶片循环，如果任何已处理晶片出现在溅射腔室中，将已处理晶片从溅射腔室中移出并将新的晶片输送到腔室中。该步骤在图7的方法中是固有的。在扫描步骤206中，实施磁控管对新晶片的完全扫描。该扫描包括专用于被执行的选定处理的水平扫描图案和根据当前计算的腐蚀分布的垂直移动。通过处理情况决定扫描步骤206的时间周期和水平扫描路径。在第一晶片循环中，典型地在晶片中没有腐蚀，所以磁控管不需要垂直运动。应该理解，因为分布的特征可以显著地小于磁控管的尺寸，所以扫描步骤206期间的垂直运动不需要直接遵循当前计算的腐蚀分布。相反，可以对腐蚀分布进行一些平均化以确定在扫描步骤206中使用的垂直扫描分布。

在扫描步骤206完成之后以及可能在晶片输送步骤204的同时，在更新步骤178中，为整个扫描图案更新能量库，并且在计算步骤184中，基于更新来计算腐蚀分布。如果极限测试186确定没有达到腐蚀极限，则针对随着晶片输送步骤204开始的新晶片返回处理。如果已经达到腐蚀极限，那么在维护步骤188中替换该靶。

除了动态垂直补偿之外，图8的处理与图7的处理的区别还在于不包括两个检测176、180以及仅在扫描完成时更新能量库。可以按照图8的时序实施静态腐蚀补偿，并且可以按照图7的时序实施动态腐蚀补偿。

扫描步骤206中使用的垂直分布取决于计算的腐蚀分布。可选地，可以实施磁控管的垂直位置的闭合回路控制。参照图2，已知，当靶DC电源110以恒定功率模式或者恒定电流模式或者介于两者之间的模式运行时，靶电压易受靶的整个腐蚀的影响。根据本发明的另一实施方式，可以通过建立垂直磁控管位置的闭合回路控制来实施动态腐蚀补偿。控制器118在磁控管扫描期间贯穿磁控管扫描通过伏特计124监测靶电压。控制器118将监测的电压与预设期望电压进行比较，并指令垂直致动器电动机62在使靶电压回到期望电压的方向上垂直移动磁控管72。期望电压与磁控管72和溅射表面之间的期望间距相对应，以动态地补偿靶腐蚀。应该理解，闭合回路反馈控制需要小心地考虑控制理论，以避免过补偿和震荡。闭合回路控制通常包括复杂的PID控制，该复杂的PID控制涉及监测信号的比例、积分和差分。因为在重复扫描期间腐蚀的缓慢改变，进一步增强是可以的。

虽然本发明被开发成与允许几乎任意扫描路径的三轴扫描机构一起使用，但是使用其他磁控管扫描机构也可以是有利的，例如在美国专利7,018,515中由Hong等人描述的双位置磁控管。

因此，本发明以很少的附加硬件或测试提供了对等离子体溅射的更佳控制以及对靶的寿命终止的容易判断。

Claims (20)

1.一种扫描磁控管的方法，该磁控管位于等离子体溅射腔室中的靶的后面，该方法包括以下步骤：

向所述靶施加功率，以激发所述腔室中的等离子体并从所述靶溅射；

绕着所述腔室的中心轴沿着选定路径扫描所述磁控管，所述选定路径具有相对于所述中心轴的径向和方位角分量；

根据扫描期间使用的操作参数计算通过所述溅射产生的腐蚀分布；以及

当所计算的腐蚀分布表明所述靶的腐蚀的预定极限时，移走并不再使用所述靶。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述操作参数包括施加到所述靶的功率和所述选定路径。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述操作参数包括所述选定路径的径向位置而不是方位角位置。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的方法，还包括基于所计算的腐蚀分布沿着所述中心轴调整所述磁控管的垂直位置。

5.根据权利要求1到3中任一项所述的方法，还包括在给定的能量周期内以距所述中心轴的固定半径旋转磁控管以及测量参考腐蚀率分布的校准步骤，以及其中所述计算步骤包括根据固定半径和所述固定半径以外的其他半径之间的几何关系计算除了所述其他半径的腐蚀率分布。

6.根据权利要求1到3中任一项所述的方法，其中，所述计算包括在所述扫描期间更新根据所述磁控管的距所述中心轴的半径布置的多个能量库。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述更新包括通过靶功率和所述磁控管设置在所述库的各个半径的时间的乘积增量所述能量库。

8.一种扫描磁控管的方法，该磁控管位于等离子体溅射腔室中的靶的后面，该方法包括以下步骤：

向所述靶施加功率，以激发所述腔室中的等离子体，并将来自所述靶的材料溅射到所述腔室中的基片上；

绕着所述腔室的中心轴沿着选定路径扫描所述磁控管，所述选定路径具有相对于所述中心轴的径向和方位角分量；

根据扫描期间使用的操作参数计算通过所述溅射产生的腐蚀分布；以及

基于所计算的分布，平行于所述中心轴垂直地移动所述磁控管。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，仅在用于不同的所述基片的扫描步骤之间垂直移动所述磁控管。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，在所述扫描步骤期间垂直移动所述磁控管。

11.根据权利要求8到10中任一项所述的方法，还包括当所计算的腐蚀分布表明已经超过所述靶的腐蚀的极限时，移走并不再使用所述靶。

12.根据权利要求8到10中任一项所述的方法，还包括在给定的能量周期内以距所述中心轴的固定半径旋转磁控管以及测量参考腐蚀率分布的校准步骤，以及其中所述计算步骤包括根据固定半径和所述固定半径以外的其他半径之间的几何关系计算所述其他半径的腐蚀率分布。

13.根据权利要求8到10中任一项所述的方法，其中，所述计算包括在所述扫描期间更新根据所述磁控管的距所述中心轴的半径布置的多个能量库。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述更新包括通过靶功率和所述磁控管设置在所述库的各个半径的时间的乘积增量所述能量库。

15.一种扫描磁控管的方法，该磁控管位于等离子体溅射腔室中的靶的后面，该方法包括以下步骤：

向所述靶施加功率，以激发所述腔室中的等离子体并从所述靶溅射；

根据在溅射期间使用的操作参数确定通过所述溅射产生的腐蚀分布；

绕着所述腔室的中心轴沿着选定路径扫描所述磁控管，所述选定路径具有相对于所述中心轴的径向和方位角分量；以及

与所述扫描步骤同时地，平行于中心轴垂直地移动所述磁控管。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括：根据包括在所述扫描的不同时间周期内施加给所述靶的功率的操作参数，计算腐蚀分布。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，根据从所述腐蚀分布确定的补偿分布来移动所述磁控管。

18.根据权利要求15所述的方法，还包括：

监测由施加到所述靶的功率产生的电压；以及

响应于所监测的电压，垂直地移动所述磁控管以使电压回到期望电压。

19.一种溅射系统，包括：

真空腔室，其围绕中心轴布置并可装配有由电源供电的靶；

致动器机构，其沿着所述中心轴并且另外按照包括相对于所述中心轴的径向和方向角分量的路径来移动所述磁控管；以及

控制器，其控制所述电源和所述致动器机构，并且根据在所述靶的溅射期间的操作参数进行确定，以确定溅射的靶的腐蚀分布。

20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述控制器包括存储器，所述存储器具有多个条目并且记录能量的量的历史，所述能量在所述磁控管被设置在距所述中心轴的、对应于所述存储器的各个条目的各个半径处时施加给所述靶。

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