CN104630736A - 沉积系统 - Google Patents
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Abstract
一种沉积系统，包含一腔体、一电源模块、一第一等离子侦测模块与一第二等离子侦测模块。腔体内含一靶材、一基板与一等离子，基板与靶材相隔一间距且与靶材对应设置，等离子形成于靶材与基板之间。电源模块与腔体电性连接，并使靶材与基板之间产生一电位差，第一等离子侦测模块与腔体连接且侦测分析等离子成分，第二等离子侦测模块包含一崩坏式光电二极管，第二等离子侦测模块与第一等离子侦测模块连接且提供一强化侦测结果。借此，可提供更精细与更精准的等离子侦测结果，作为优化制程的依据。
Description
技术领域
本发明是有关于一种沉积系统，且特别是有关于一种侦测且分析等离子组成成分的沉积系统。
背景技术
等离子（plasma）广泛应用于表面处理技术，包含物理气相沉积、化学气相沉积以及蚀刻技术，表面处理过程中，等离子的组成成分与最终表面处理的品质息息相关。
以物理气相沉积的溅镀（sputtering）制程为例，溅镀制程是使用等离子对靶材进行离子轰击，使靶材表面的原子以气体分子形式发射出来，并到达所要沉积的基板上，再经过附着、吸附、表面迁徙、成核等过程的后，在基板上成长形成薄膜。研究已指出，等离子的离子化程度越高、等离子密度越高，可提升薄膜的材料特性，诸如密实性、附着性、耐磨性、抗腐蚀性、机械性质等等。因此，若能即时侦测等离子在溅镀过程中组成成分的变化，将有利于了解溅镀制程的反应机制，而能优化制程，进而提升薄膜的材料特性。
然而，习用侦测等离子的设备，其灵敏度仅达到秒，而无法提供更精细、精准的侦测结果，使得优化制程的研究成效有限，因此相关领域的业者与学者，持续寻求一种更为灵敏的侦测等离子的设备，其可提供更精细与更精准的侦测结果，作为优化制程的依据。
发明内容
本发明的一目的是在提供一种沉积系统，其具有第一等离子侦测模块与第二等离子侦测模块，而可提供更精细与更精准的侦测结果，有利于了解溅镀制程的反应机制，作为优化制程的依据。
本发明的另一目的是在提供一种沉积系统，其具有第一等离子侦测模块、第二等离子侦测模块与回馈控制模块，依据第一等离子侦测模块与第二等离子侦测模块所提供的侦测结果与分析结果，回馈控制模块可产生一即时的信号以控制气体进入腔体中的流量或种类，而改变等离子的组成与性质，进而调整所沉积的薄膜的材料特性，以满足不同的需求。
依据本发明一方面的一实施方式是在提供一种沉积系统，包含一腔体、一电源模块、一第一等离子侦测模块与一第二等离子侦测模块。腔体内含一靶材、一基板与一等离子，基板与靶材相隔一间距且与靶材对应设置，等离子形成于靶材与基板之间。电源模块与腔体电性连接，并使靶材与基板之间产生一电位差，第一等离子侦测模块与腔体连接且侦测分析等离子成分，第二等离子侦测模块包含一崩坏式光电二极管（Avalanche Photodiode Detector，简称APD），第二等离子侦测模块与第一等离子侦测模块连接且提供一强化侦测结果。
依据前述的沉积系统，电源模块可与靶材连接并提靶材一脉冲电力，脉冲电力的脉冲功率密度可为2kWcm-2至300kWcm-2，脉冲电力的脉冲瞬间功率可为2kW至600kW，且脉冲电力的脉冲频率可为100Hz至50kHz。
依据前述的沉积系统，腔体可还包含一磁性元件，磁性元件与靶材的距离小于磁性元件与基板的距离，通过磁性元件所产生的磁场可提高等离子的离子化程度。沉积系统可还包含一气体供应模块，气体供应模块与腔体内部连通，并提供一气体进入腔体。
依据本发明一方面的另一实施方式是在提供一种沉积系统，包含一腔体、一电源模块、一气体供应模块、一第一等离子侦测模块、一第二等离子侦测模块与一回馈控制模块。腔体内含一靶材、一基板与一等离子，基板与靶材相隔一间距且与靶材对应设置，等离子形成于靶材与基板之间。电源模块与腔体电性连接，并使靶材与基板之间产生一电位差。气体供应模块与腔体内部连通，并提供一气体进入腔体。第一等离子侦测模块与腔体连接且侦测分析等离子成分，第二等离子侦测模块包含一崩坏式光电二极管，第二等离子侦测模块与第一等离子侦测模块连接且提供一强化侦测结果。回馈控制模块与第一等离子侦测模块连接，第一等离子侦测模块提供回馈控制模块一分析结果，回馈控制模块计算分析结果并提供一信号以控制气体供应模块。
依据前述的沉积系统，回馈控制模块计所提供的信号可控制气体供应模块所提供的气体的种类或流量。电源模块可与靶材连接并提靶材一脉冲电力，脉冲电力的脉冲功率密度可为2kWcm-2至300kWcm-2，脉冲电力的脉冲瞬间功率可为2kW至600kW，且脉冲电力的脉冲频率可为100Hz至50kHz。
依据前述的沉积系统，腔体可还包含一磁性元件，磁性元件与靶材的距离小于磁性元件与基板的距离，通过磁性元件所产生的磁场可提高等离子的离子化程度。
附图说明
为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：
图1是绘示依照本发明一方面的一实施方式的一种沉积系统示意图；
图2是绘示依照本发明一方面的另一实施方式的一种沉积系统示意图；
图3是绘示依照本发明一沉积系统的第一等离子侦测模块的分析结果图；
图4是绘示依照本发明一沉积系统的第二等离子侦测模块的分析结果图；
图5是绘示依照本发明一沉积系统的回馈控制模块的使用成效图。
具体实施方式
请参照图1，其是绘示依照本发明一方面的一实施方式的一种沉积系统100示意图。沉积系统100包含腔体110、电源模块120、气体供应模块130、第一等离子侦测模块140与第二等离子侦测模块150。电源模块120与腔体110电性连接，气体供应模块130与腔体110内部连通，第一等离子侦测模块140与腔体110连接，第二等离子侦测模块150与第一等离子侦测模块140连接。在本实施方式中，沉积系统100是用于物理气相沉积的溅镀制程。
腔体110内含靶材111、多个磁性元件114、基板112与等离子113。基板112与靶材111相隔一间距且与靶材111对应设置，等离子113形成于靶材111与基板112之间。磁性元件114与靶材111的距离小于磁性元件114与基板112的距离，在本实施方式中，磁性元件114是设置于靶材111背对基板112的一表面，通过磁性元件114所产生的磁场，可影响等离子113中电子的运动路径，而增加电子与等离子113中其他气体分子的碰撞次数，进而提高等离子113的离子化程度，故可提高沉积速率与薄膜（图未显示）品质。
电源模块120与腔体110电性连接，并使靶材111与基板112之间产生一电位差，借此电位差，使腔体110中形成等离子113。在本实施方式中，电源模块120与靶材111连接（图未显示连接）并提供靶材111一脉冲电力（图未显示），脉冲电力的脉冲功率密度范围为2kWcm-2至300kWcm-2，脉冲电力的脉冲瞬间功率范围为2kW至600kW，且脉冲电力的脉冲重复频率范围为100Hz至50kHz，借此，可进一步提高等离子113的密度与离子化程度，并可提高靶材111表面原子的游离率，而使沉积于基板112的薄膜更为致密，并可提高薄膜与基板112之间的附着力、薄膜的机械性质与抗腐蚀性质等。
气体供应模块130与腔体110内部连通，并提供至少一种气体（图未揭示）进入腔体110，可使用的气体包含但不限于氩气、氮气或氧气。气体供应模块130所提供的气体种类可为一种或一种以上，且气体种类可为反应性气体，或惰性气体，前述“反应性气体”是指气体会与靶材111的原子以化合物的型态沉积于基板112上，亦即气体为薄膜的成分来源之一，前述“惰性气体”是指气体不会与靶材111的原子以化合物的型态沉积于基板112上。不论是“反应性气体”或“惰性气体”，其通入腔体110中的流量，皆会影响等离子113的密度以及等离子113内粒子的碰撞行为，故皆攸关薄膜品质的良窳。
第一等离子侦测模块140与腔体110连接且侦测分析等离子113的成分。具体言之，沉积系统100可于腔体110内等离子113形成处设置一准直仪（collimator）以收集等离子信号，并将此等离子信号通过光纤传送第一等离子侦测模块140，第一等离子侦测模块140侦测分析等离子113的成分而产生一分析结果。第二等离子侦测模块150包含相连接的崩坏式光电二极管151与示波器152，崩坏式光电二极管151可针对第一等离子侦测模块140所产生的分析结果提供进一步分析，以产生一强化侦测结果，并以示波器152显示此强化侦测结果。
在本实施方式中，第一等离子侦测模块140采用光激发光谱仪（OpticalEmission Spectrometry，OES），其侦测波长为200nm～1100nm，且可即时侦测实际等离子113的浓度而无延迟时间。
前述第二等离子侦测模块150的“强化侦测结果”是指相较于第一等离子侦测模块140，第二等离子侦测模块150所提供的等离子侦测结果更为精细与准确。以第一等离子侦测模块140采用光激发光谱仪为例，光激发光谱仪的灵敏度为秒（s），而崩坏式光电二极管151的灵敏度可至微秒（μs），因此，当操作者想要深入探究第一等离子侦测模块140所提供的等离子113的分析结果，或者操作者由第一等离子侦测模块140所提供的等离子113的分析结果发现异常时，可通过第二等离子侦测模块150提供进一步分析，解析出等离子113在溅镀过程中极短时间内（微秒等级）组成成分的变化。
当电源模块120提供靶材111脉冲电力时，脉冲电力产生的瞬间会造成等离子113成分发生变化，因为脉冲电力作用的时间非常短，若仅使用第一等离子侦测模块140侦测等离子113的成分，第一等离子侦测模块140的灵敏度仅达到秒而远大于脉冲电力作用的时间，故无法提供脉冲电力产生瞬间的等离子113成分。因此，当电源模块120提供靶材111脉冲电力时，搭配第一等离子侦测模块140与第二等离子侦测模块150，操作者可精确掌握等离子113成分的变化，当等离子113成分不如预期时，操作者可通过控制气体供应模块130所提供的气体的种类或流入腔体110的流量，或者可控制电源模块120所提供的脉冲电力的功率、作用时间等，以调整等离子113成分。
在本实施方式中，是以物理气相沉积的溅镀制程作为例示说明，然而，本发明的沉积系统100亦可应用于其他沉积制程，只要腔体110中有等离子113存在，皆可应用本发明的沉积系统100侦测与分析等离子113的成分。
请参照图2，其是绘示依照本发明一方面的另一实施方式的一种沉积系统100示意图。沉积系统100包含腔体110、电源模块120、气体供应模块130、第一等离子侦测模块140、第二等离子侦测模块150与回馈控制模块160。电源模块120与腔体110电性连接，气体供应模块130与腔体110内部连通，第一等离子侦测模块140与腔体110连接，第二等离子侦测模块150与第一等离子侦测模块140连接，回馈控制模块160分别与第一等离子侦测模块140与气体供应模块130连接。
气体供应模块130包含至少一气体源131与至少一气体流量控制阀132，气体源131内容置有气体，通过气体流量控制阀132可控制气体源131内气体流入腔体110的流速。在一实施方式中，气体流量控制阀132是采用电压控制气体流量阀（Piezo valve），其精确度可达-0.1%～+0.1%。
回馈控制模块160接收第一等离子侦测模块140所提供的分析结果后，计算分析结果并提供一信号以控制气体供应模块130，例如可控制气体供应模块130所提供的气体的种类或流入腔体110的流量。在一实施方式中，回馈控制模块160是采用例积分微分控制器（Proportional Integral DerivativeControl），其可通过第一等离子侦测模块140所提供的分析结果得到测量值，再依期望值减去测量值得误差值，再利用误差值计算出一个对沉积系统100的纠正值，并以此纠正值作为气体供应模块130的控制信号，借此，可使溅镀制程朝期望值修正，并可避免靶材111毒化，而达到优化制程的目的。
请参照图3，其是绘示依照本发明一沉积系统的第一等离子侦测模块的分析结果图，图3中，靶材为铬，并在腔体中通入氩气，电源模块分别提供靶材脉冲瞬间功率为2kW、8kW与18kW的脉冲电力，第一等离子侦测模块是采用光激发光谱仪侦测分析等离子成分，由图3可知，电源模块所提供的脉冲瞬间越大，所能侦测到发射强度越强，此外，由图3所揭示的分析结果，可让操作者即时掌握等离子的成分，包含等离子中粒子的种类与含量。
请参照图4，其是绘示依照本发明一沉积系统的第二等离子侦测模块的分析结果图。图4上半部为等离子的相对值对时间的关系图，图4下半部为等离子的电流值对时间的关系图，由图4可知，第二等离子侦测模块的灵敏度可达到微秒等级，故通过第二等离子侦测模块所提供的强化侦测结果，可使操作者更精确地掌握等离子113在溅镀过程中成分的变化，尤其当电源模块提供靶材的电力为脉冲电力时，第二等离子侦测模块可提供所需的灵敏度。
图5是绘示依照本发明一沉积系统的回馈控制模块的使用成效图。图5中，回馈控制模块是采用例积分微分控制器，并将铬的发射强度的期望值设定为1500，回馈控制模块接收并计算第一等离子侦测模块所提供的分析结果，回馈控制模块提供信号以控制气体供应模块，而使铬的发射强度逐渐趋近期望值并稳定保持于期望值，借此，使溅镀制程可在自动化的情况下，朝预设的期望值修正，一方面可优化制程，另一方面可节省人力。
虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种沉积系统，其特征在于，包含：
一腔体，内含：一靶材；一基板，与该靶材相隔一间距且与该靶材对应设置；及一等离子，形成于该靶材与该基板之间；
一电源模块，与该腔体电性连接，并使该靶材与该基板之间产生一电位差；
一第一等离子侦测模块，与该腔体连接且侦测分析该等离子成分；以及
一第二等离子侦测模块，包含一崩坏式光电二极管，该第二等离子侦测模块与该第一等离子侦测模块连接且提供一强化侦测结果。
2.根据权利要求1的沉积系统，其特征在于，该电源模块与该靶材连接并提该靶材一脉冲电力。
3.根据权利要求2的沉积系统，其特征在于，该脉冲电力的脉冲功率密度为2kWcm-2至300kWcm-2，该脉冲电力的脉冲瞬间功率为2kW至600kW，且该脉冲电力的脉冲频率为100Hz至50kHz。
4.根据权利要求1的沉积系统，其特征在于，该腔体还包含一磁性元件，该磁性元件与该靶材的距离小于该磁性元件与该基板的距离，通过该磁性元件所产生的磁场提高该等离子的离子化程度。
5.根据权利要求1的沉积系统，其特征在于，还包含一气体供应模块，该气体供应模块与该腔体内部连通，并提供一气体进入该腔体。
6.一种沉积系统，其特征在于，包含：
一腔体，内部包含：一靶材；一基板，与该靶材相隔一间距且与该靶材对应设置；及一等离子，形成于该靶材与该基板之间；
一电源模块，与该腔体电性连接，并使该靶材与该基板之间产生一电位差；
一气体供应模块，与该腔体内部连通，并提供一气体进入该腔体；
一第一等离子侦测模块，与该腔体连接且侦测分析该等离子成分；以及
一第二等离子侦测模块，包含一崩坏式光电二极管，该第二等离子侦测模块与该第一等离子侦测模块连接且提供一强化侦测结果；以及
一回馈控制模块，与该第一等离子侦测模块连接，该第一等离子侦测模块提供该回馈控制模块一分析结果，该回馈控制模块计算该分析结果并提供一信号以控制该气体供应模块。
7.根据权利要求6的沉积系统，其特征在于，该信号是控制该气体供应模块所提供的该气体的种类或流量。
8.根据权利要求6的沉积系统，其特征在于，该电源模块与该靶材连接并提该靶材一脉冲电力。
9.根据权利要求8的沉积系统，其特征在于，该脉冲电力的脉冲功率密度为2kWcm-2至300kWcm-2，该脉冲电力的脉冲瞬间功率为2kW至600kW，且该脉冲电力的脉冲频率为100Hz至50kHz。
10.根据权利要求6的沉积系统，其特征在于，该腔体还包含一磁性元件，该磁性元件与该靶材的距离小于该磁性元件与该基板的距离，通过该磁性元件所产生的磁场提高该等离子的离子化程度。
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