CN108962709A - 磁控溅射腔室及托盘位置误差检测方法 - Google Patents

Abstract

一种磁控溅射腔室以及通过该磁控溅射腔室实现的托盘位置误差检测方法。磁控溅射腔室、设置于腔体内的基座、旋转轴、传输臂、托盘和检测传感器，以基座所在平面为投影面，预设旋转轴和基座的中心在投影面上的连线为l_o，预设传输臂与l_o重合时的位置为第一极限位置，预设在第二极限位置时传输臂与l_o的夹角为Ф；检测传感器与旋转轴的距离L满足以下关系式：R‑r<L<R+r；检测传感器和旋转轴的连线l_e与l_o之间的夹角θ满足以下关系式：0<θ<Ф；且检测传感器与基座中心的距离大于r，且其与传输臂位于第二极限位置时托盘中心的距离大于r。本发明通过在本发明设定的位置设置一组检测传感器，即可实现托盘位置误差的准确检测。

Description

磁控溅射腔室及托盘位置误差检测方法

技术领域

本发明涉及半导体制造设备领域，具体涉及一种磁控溅射腔室以及通过该磁控溅射腔室实现的托盘位置误差检测方法。

背景技术

溅射是指荷能粒子(例如氩离子)轰击固体表面，引起表面各种粒子，例如原子、分子或团束从该物体表面逸出的现象。在磁控溅射装置中，等离子体产生于腔室中，等离子体的正离子被阴极负电所吸引，轰击腔室中的靶材，撞出靶材的原子，并沉积到衬底上。在非反应溅射的情况下，气体是惰性气体，例如氩气。在反应溅射中，则同时使用反应气体和惰性气体。磁控溅射设备广泛的应用于集成电路、液晶显示器、薄膜太阳能及其LED领域。

为了改善溅射的效果，在靶材附近使用磁铁，以迫使等离子中的电子按照一定的轨道运动，增加了电子的运动时间，从而增加了电子和要电离的气体的碰撞机会，从而得到高密度的等离子体，提供高的沉积速率。但是磁铁所控制的电子的轨道会影响不同位置的靶材的侵蚀速率，影响靶材的寿命，还会影响薄膜的沉积的均匀性。

典型的磁控溅射设备如图1所示。溅射腔室101包括腔室主体102和工艺组件108，绝缘材料104(例如G10)和被溅射的靶材103之间充满了用于冷却靶材的去离子水107，磁控管106在电机105的驱动下绕中心轴旋转，基座109用于承载晶片，真空系统110用于在溅射腔室内产生真空。

在磁控溅射设备中，金属靶材的纯度很高，在不进行工艺的时间内非常容易被氧化从而导致工艺结果不良，因此需要在工艺间歇过程定期将金属靶材表面的氧化物去除。现有技术主要采用溅射方法去除靶材表面的氧化物。通过溅射方法去除的氧化物会在重力作用下掉落到溅射腔室底部。如果氧化物掉落到承载晶片的基座109上，将导致基座109因为沉积上金属而无法使用。因此在去除靶材表面氧化物的过程中，需要在承载晶片的基座109上设置遮挡物，避免基座109的上表面被氧化物污染。

图2显示了一种现有的磁控溅射设备的遮挡状态示意图，该磁控溅射设备能够阻挡靶材氧化物掉落到基座上。如图2所示，磁控溅射设备包括基座升降电机204、托盘旋转电机208和支撑针升降电机206，分别用于驱动基座升降机构205、托盘旋转机构209和支撑针升降机构207。通过托盘旋转电机208驱动托盘旋转机构209，使传输臂211及其上的托盘210旋转到基座202上方，然后通过支撑针升降电机206驱动支撑针升降机构207将支撑针203升起，托住托盘210，托盘210遮挡基座202，从而保证在去除靶材201表面氧化物的工艺过程中，氧化物掉落在托盘210上，起到保护基座202的上表面的作用。

待去除过程结束后。支撑针升降电机206驱动支撑针升降机构下降，支撑针203下降，托盘210坐落在传输臂211上，然后托盘旋转电机208驱动托盘旋转机构209，使传输臂211及其上的托盘210一起回到图3所示的未遮挡位置，此时托盘210位于与溅射腔室连通的车库内。

为了检测托盘210是否由传输臂211带动旋转到未遮挡位置，在溅射腔室内设置两个传感器，分别为内侧传感器213和外侧传感器214(如图4所示)，每个传感器均为对射型传感器，包含一个光束发送端和一个光束接收端，当光束发送端和光束接收端之间存在障碍物时，光束被遮挡，光束接收端无法接收到光束，传感器的信号发生变化，即可检测光束发送端和光束接收端之间是否存在障碍物。

内侧传感器213和外侧传感器214的位置设置为：当传输臂211带动托盘210旋转到图3所示的未遮挡位置时，内侧传感器213的光束发送端和光束接收端对称设置于托盘所在区域内所述托盘水平面的上方和下方，外侧传感器214的光束发送端和光束接收端对称设置于托盘所在区域外所述托盘水平面的上方和下方。当传输臂211带动托盘210旋转到图3所示的未遮挡位置时，内侧传感器213的光束被托盘210遮挡，外侧传感器214的光束没有被托盘210遮挡，从而可判断托盘210处于传输臂211上，且位于未遮挡位置。当传输臂211带动托盘210旋转到图2所示的遮挡位置时，内侧传感器213和外侧传感器214的光束均没有被遮挡，从而可以判断托盘210处于遮挡位置。设置外侧传感器214的原因在于：当托盘210相对于传输臂211发生偏移时，例如沿着传输臂211的长度方向朝外侧偏移，那么当传输臂211带动托盘210旋转到图3所示的未遮挡位置时，托盘210将会遮挡外侧传感器214的光束，通过外侧传感器214的检测信号变化可知托盘210相对于传输臂211发生了偏移。

这种现有技术的缺点在于：需要设置两组传感器，且仅能粗略检测出托盘是否回到未遮挡位置，检测精度不高，从而在工艺过程中可能出现由于托盘相对于传输臂偏移而导致托盘不能完全遮挡基座的情况，导致去除靶材表面的氧化物时氧化物会掉落在基座上，基座由于沉积金属而无法使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁控溅射腔室以及通过该磁控溅射腔室实现的托盘位置误差检测方法，且能够准确检测用于遮挡基座的托盘相对于其所在的传输臂是否存在位置误差。

为达到上述目的，本发明提供一种磁控溅射腔室，包括腔体、设置于所述腔体内的基座、旋转轴、传输臂、托盘和检测传感器，其中，所述传输臂与所述旋转轴连接，所述托盘置于所述传输臂的一端，所述旋转轴带动所述传输臂在所述腔体内转动，以带动所述托盘在所述腔体内移动，

以所述基座所在平面为投影面，将所述旋转轴、所述传输臂、所述托盘和所述检测传感器投影至所述投影面上；

预设所述旋转轴和所述基座的中心在所述投影面上的连线为l_o，预设所述传输臂与所述l_o重合时的位置为第一极限位置，预设在第二极限位置时所述传输臂与所述l_o的夹角为Ф，所述传输臂在第一极限位置与第二极限位置之间转动；

所述检测传感器与所述旋转轴的距离L满足以下关系式：R-r<L<R+r；

所述检测传感器和所述旋转轴的连线l_e与所述l_o之间的夹角θ满足以下关系式：0<θ<Ф；且

所述检测传感器与所述基座中心的距离大于r，且其与所述传输臂位于第二极限位置时所述托盘中心的距离大于r；

其中，R表示所述基座中心与所述旋转轴之间的距离，r表示所述托盘的半径。

优选地，所述检测传感器为对射式光电传感器。

优选地，所述磁控溅射腔室还包括电机，所述电机与所述旋转轴连接，通过所述电机驱动所述旋转轴转动，以带动所述传输臂在第一极限位置和第二极限位置之间转动。

优选地，所述磁控溅射腔室还包括车库，所述车库设置在所述腔体的侧壁上，并与所述腔体连通。

本发明另一方面提供一种托盘位置误差检测方法，通过上述磁控溅射腔室实现，该方法包括以下步骤：

在误差检测之前，确定托盘相对于传输臂不存在位置误差时，传输臂位于第一基准位置和第二基准位置时对应的转角α和β，其中，所述第一基准位置是所述检测传感器首次检测到所述托盘的位置，所述第二基准位置是所述位置传感器最后检测到所述托盘的位置；

在误差检测时，确定所述传输臂位于第一检测位置和第二检测位置时对应的转角α’和β’，所述第一检测位置是所述检测传感器首次检测到所述托盘的位置，所述第二检测位置是所述检测传感器最后检测到所述托盘的位置；

比较所述转角α与所述转角α’，如果α≠α’，则确定所述托盘相对于所述传输臂存在位置误差，和/或比较所述转角β与所述转角β’，如果β≠β’，则确定所述托盘相对于所述传输臂存在位置误差。

优选地，通过所述电机驱动所述旋转轴转动，以带动所述传输臂在第一极限位置和第二极限位置之间转动，且通过所述电机读取所述传输臂对应的转角。

优选地，所述托盘位置误差检测方法还包括：

比较托盘圆心与旋转轴之间的距离R’和所述距离R，如果R’≠R，则确定所述托盘相对于所述传输臂存在位置误差。

优选地，当L*cosγ'≤R时，通过以下公式计算所述距离R’：

R’＝L*cosγ'+(r²-h'²)^1/2

其中：

h’＝L*sinγ'

优选地，当L*cosγ'≥R时，通过以下公式计算所述距离R’：

R’＝L*cosγ'-(r²-h'²)^1/2

其中：

h’＝L*sinγ'

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过在本发明限定的位置设置一组检测传感器，即可实现托盘位置误差的准确检测。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1显示一种现有磁控溅射设备的示意图；

图2和图3分别显示一种现有磁控溅射设备的遮挡状态和未遮挡状态的示意图；

图4显示一种现有磁控溅射设备的俯视图；

图5显示根据本发明示例性实施例的磁控溅射腔室中的检测传感器的位置示意图；

图6、图7和图8显示根据本发明示例性实施例的托盘位置误差检测方法的计算原理图。

主要附图标记说明：

101-溅射腔室，102-腔室主体，103-靶材，104-绝缘材料，105-电机，106-磁控管，107-去离子水，108-工艺组件，109-基座；

201-靶材，202-基座，203-支撑针，204-基座升降电机，205-基座升降机构，206-支撑针升降电机，207-支撑针升降机构，208-托盘旋转电机，209-托盘旋转机构，210-托盘，211-传输臂，213-内侧传感器，214-外侧传感器。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下，底、顶、前、后、左、右、内、外”通常是在本发明提供的磁控溅射腔室正常使用的情况下定义的。

本发明实施例提供一种磁控溅射腔室，其能够准确检测腔室内的托盘相对于传输臂的位置误差，从而保证托盘位于基座上方时，托盘中心与基座中心重合，从而托盘能够沿垂直方向完全遮挡基座，防止异物掉落于基座上。

根据示例性实施例的磁控溅射腔室，包括腔体、设置于腔体内的基座、旋转轴、传输臂、托盘和检测传感器，其中，传输臂与旋转轴连接，托盘置于传输臂的一端，旋转轴带动传输臂在腔体内转动，以带动托盘在腔体内移动。

以基座所在平面为投影面，将旋转轴、传输臂、托盘和检测传感器投影至投影面上。如图5所示，预设旋转轴和基座的中心在投影面上的连线为l_o，预设传输臂与l_o重合时的位置为第一极限位置，预设在第二极限位置时传输臂与l_o的夹角为Ф，传输臂在旋转轴带动下在第一极限位置与第二极限位置之间转动。检测传感器(图5中黑色实心圆所示)与旋转轴的距离L满足以下关系式：R-r<L<R+r，检测传感器和旋转轴的连线l_e与连线l_o之间的夹角θ满足以下关系式：0<θ<Ф，检测传感器与基座中心的距离大于r，且其与传输臂位于第二极限位置时托盘中心的距离大于r，其中R表示基座中心与旋转轴之间的距离，r表示托盘的半径。即检测传感器设置于图5中阴影所示的区域中，上述三个条件的设置均为了使检测传感器实现对晶片的第一检测和最后一次检测，设定第一基准检测位置和第二基准检测位置，以及用第一检测位和第二检测位分别与第一基准位和第二基准位进行比对，确定晶片有无发生偏移。

本发明实施例只需要在上述位置设置一组检测传感器即可实现托盘位置误差的检测，避免了现有技术中设置两组检测传感器的必要性，可以降低元件及安装成本。

在一个示例中，检测传感器为对射式光电传感器，对射式光电传感器的发射端和接收端可以分别设置于托盘所在平面的上方和下方，从而当托盘位于发射端和接收端之间时，能够遮挡光束，实现托盘的位置检测。

在一个示例中，磁控溅射腔室还包括电机，电机与旋转轴连接，通过电机驱动旋转轴转动，以带动传输臂在第一极限位置和第二极限位置之间转动。在该实例中,可以通过旋转轴读取旋转角度。

在一个示例中，磁控溅射腔室还包括车库，车库设置在腔体的侧壁上，并与腔体连通。传输臂位于第二极限位置时，托盘可处于车库内。

本发明实施例还提供一种托盘位置误差检测方法，通过上述的磁控溅射腔室实现，该方法包括以下步骤：

步骤1：在误差检测之前，确定托盘相对于传输臂不存在位置误差时，传输臂位于第一基准位置和第二基准位置时对应的转角α和β，其中，第一基准位置是检测传感器首次检测到托盘的位置，第二基准位置是位置传感器最后检测到托盘的位置。

该步骤是误差检测之前的标定步骤，通过该步骤标定在托盘相对于传输臂不存在位置误差时，传输臂位于第一基准位置和第二基准位置时对应的转角α和β。托盘相对于传输臂不存在位置误差即当传输臂与旋转轴和基座中心的连线l_o重合时，托盘圆心与基座中心重合，在这种情况下，托盘能够沿垂直方向完全遮挡基座，从而避免异物掉落在基座上。如图6所示，第一基准位置是检测传感器(图6中黑色实心圆所示)首次检测到托盘(图中圆盘所示)的位置(位置b)，第二基准位置是位置传感器最后检测到托盘的位置(位置c)，在第一基准位置与第二基准位置之间，检测传感器一直能够检测到托盘的存在。当检测传感器是对射式光电传感器时，第一基准位置是托盘的边缘刚刚遮挡传感器发出的光束的位置，第二基准位置是托盘的边缘刚好不遮挡该光束的位置，在第一基准位置与第二基准位置之间，传感器发出的光束一直被托盘遮挡。

步骤2：在误差检测时，确定传输臂位于第一检测位置和第二检测位置时对应的转角α’和β’，第一检测位置是检测传感器首次检测到托盘的位置，第二检测位置是检测传感器最后检测到托盘的位置。

一般在实施溅射工艺之前进行托盘位置误差检测，以确定托盘相对于传输臂不存在位置误差，从而托盘能够沿垂直方向完全遮挡基座，可以防止异物掉落于基座上，可以安全地实施溅射工艺。在误差检测时，确定传输臂位于第一检测位置和第二检测位置时对应的转角α’和β’，第一检测位置是检测传感器(图7中黑色实心圆所示)首次检测到托盘(图7中圆盘所示)的位置(图7中位置b’)，第二检测位置是检测传感器最后检测到托盘的位置(图7中位置c’)。

步骤3：比较转角α与转角α’，如果α≠α’，则确定托盘相对于传输臂存在位置误差，和/或比较转角β与转角β’，如果β≠β’，则确定托盘相对于传输臂存在位置误差。

如果托盘圆心与旋转轴之间的距离为R，但是托盘相对于传输臂发生了角度偏移，那么当传输臂与连线l_o重合时，托盘圆心与基座中心不重合，从而导致托盘不能沿垂直方向完全遮挡基座，图7和图8中点划线所示的圆表示此时的托盘位置。

在这种情况下，所确定的转角α’与在步骤1中确定的转角α不相等，转角β’与在步骤1中确定的转角β’也不相等，因此通过比较角α与转角α’和/或比较转角β与转角β’，即可确定托盘相对于传输臂是否存在位置误差，并可确定误差角度δ＝α’-α，或者δ＝β’-β。

如果托盘相对于传输臂没有角度偏移，但是托盘圆心与旋转轴之间的距离不为R，即托盘相对于传输臂发生了径向偏移，那么当传输臂与连线l_o重合时，托盘圆心与基座中心不重合，从而导致托盘不能沿垂直方向完全遮挡基座。图7和图8中由实线表示的圆表示托盘相对于传输臂发生了径向偏移时，位于第一检测位置(即位置b’)的托盘与位于第二检测位置(即位置c’)的托盘。

在这种情况下，所确定的转角α’与在步骤1中确定的转角α不相等，转角β’与在步骤1中确定的转角β’也不相等，因此通过比较转角α与转角α’和/或比较转角β与转角β’，即可确定托盘相对于传输臂是否存在位置误差。

因此，通过比较第一检测位置与第一基准位置所对应的转角，或者通过比较第二检测位置与第二基准位置所对应的转角，即可方便地确定托盘相对于传输臂是否存在位置误差。一般情况下，传输臂由伺服电机驱动，可以通过电机编码值读取传输臂对应的转角。

在一个示例中，还可以比较托盘圆心与旋转轴之间的距离R’与所述距离R，如果R’≠R，则确定托盘相对于传输臂存在位置误差。在托盘相对于传输臂仅存在径向偏移时，通过计算距离R’，还可以准确地确定托盘相对于传输臂的径向偏移。

根据检测传感器的不同设置位置，采用不同的方法来计算距离R’。更具体来说，当L*cosγ'≤R’时，通过以下公式计算所述距离R’：

R’＝L*cosγ'+(r²-h'²)^1/2

其中：

h’＝L*sinγ'

当L*cosγ'≥R’时，通过以下公式计算所述距离R’：

R’＝L*cosγ'-(r²-h'²)^1/2

其中：

h’＝L*sinγ'

图7和图8分别显示了以上两种情况，并显示了以上两组公式中各参数对应的含义。在上述两组公式中，检测传感器与旋转轴的距离L、托盘的半径r均为已知量，转角α’和β’是在误差检测时获得的测量值，因此可以计算距离R’。如果R’≠R，则可以进一步确定托盘相对于传输臂存在位置误差。

当托盘相对于传输臂仅存在径向偏差时，该径向偏移的值ε＝R’-R，检测位置相对于基准位置的误差角度δ’＝γ’-γ，其中

在实际操作中，托盘相对于传输臂可能同时存在角度偏移和径向偏移，即使在这两种偏移耦合的情况下，也可以通过比较转角α与转角α’、转角β与转角β’、距离R’与距离R来检测托盘相对于传输臂是否存在位置误差，从而提高位置误差检测精度。

但是在进行实际误差检测时，在没有确定距离R’的情况下，难以比较L*cosγ'与距离R’的大小，因此难以确定选用上述两组公式中的哪一组来计算距离R’。考虑到在实际应用时托盘相对于传输臂的径向误差一般不会太大，为了简化误差检测过程，按照以下方法来计算距离R’：

当L*cosγ'≤R时，通过以下公式计算所述距离R’：

R’＝L*cosγ'+(r²-h'²)^1/2

其中：

h’＝L*sinγ'

当L*cosγ'≥R时，通过以下公式计算所述距离R’：

R’＝L*cosγ'-(r²-h'²)^1/2

其中：

h’＝L*sinγ'

以上已经描述了本发明的实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释实施例的原理和实际应用，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的实施例。

Claims (9)

1.一种磁控溅射腔室，包括腔体、设置于所述腔体内的基座、旋转轴、传输臂、托盘和检测传感器，其中，所述传输臂与所述旋转轴连接，所述托盘置于所述传输臂的一端，所述旋转轴带动所述传输臂在所述腔体内转动，以带动所述托盘在所述腔体内移动，其特征在于，

以所述基座所在平面为投影面，将所述旋转轴、所述传输臂、所述托盘和所述检测传感器投影至所述投影面上；

预设所述旋转轴和所述基座的中心在所述投影面上的连线为l_o，预设所述传输臂与所述l_o重合时的位置为第一极限位置，预设在第二极限位置时所述传输臂与所述l_o的夹角为Ф，所述传输臂在第一极限位置与第二极限位置之间转动；

所述检测传感器与所述旋转轴的距离L满足以下关系式：R-r<L<R+r；

所述检测传感器和所述旋转轴的连线l_e与所述l_o之间的夹角θ满足以下关系式：0<θ<Ф；且

所述检测传感器与所述基座中心的距离大于r，且其与所述传输臂位于第二极限位置时所述托盘中心的距离大于r；

其中，R表示所述基座中心与所述旋转轴之间的距离，r表示所述托盘的半径。

2.根据权利要求1所述的磁控溅射腔室，其特征在于，所述检测传感器为对射式光电传感器。

3.根据权利要求1所述的磁控溅射腔室，其特征在于，还包括电机，所述电机与所述旋转轴连接，通过所述电机驱动所述旋转轴转动，以带动所述传输臂在第一极限位置和第二极限位置之间转动。

4.根据权利要求1-3所述的磁控溅射腔室，其特征在于，还包括车库，所述车库设置在所述腔体的侧壁上，并与所述腔体连通。

5.一种托盘位置误差检测方法，其特征在于，通过权利要求1-4中任一项所述的磁控溅射腔室实现，该方法包括以下步骤：

在误差检测之前，确定托盘相对于传输臂不存在位置误差时，传输臂位于第一基准位置和第二基准位置时对应的转角α和β，其中，所述第一基准位置是所述检测传感器首次检测到所述托盘的位置，所述第二基准位置是所述位置传感器最后检测到所述托盘的位置；

在误差检测时，确定所述传输臂位于第一检测位置和第二检测位置时对应的转角α’和β’，所述第一检测位置是所述检测传感器首次检测到所述托盘的位置，所述第二检测位置是所述检测传感器最后检测到所述托盘的位置；

比较所述转角α与所述转角α’，如果α≠α’，则确定所述托盘相对于所述传输臂存在位置误差，和/或比较所述转角β与所述转角β’，如果β≠β’，则确定所述托盘相对于所述传输臂存在位置误差。

6.根据权利要求5所述的托盘位置误差检测方法，其特征在于，通过所述电机驱动所述旋转轴转动，以带动所述传输臂在第一极限位置和第二极限位置之间转动，且通过所述电机读取所述传输臂对应的转角。

7.根据权利要求5所述的托盘位置误差检测方法，其特征在于，还包括：

比较托盘圆心与旋转轴之间的距离R’和所述R，如果R’≠R，则确定所述托盘相对于所述传输臂存在位置误差。

8.根据权利要求7所述的托盘位置误差检测方法，其特征在于，当L*cosγ'≤R时，通过以下公式计算所述距离R’：

R’＝L*cosγ'+(r²-h'²)^1/2

其中：

h’＝L*sinγ'

9.根据权利要求7所述的托盘位置误差检测方法，其特征在于，当L*cosγ'≥R时，通过以下公式计算所述距离R’：

R’＝L*cosγ'-(r²-h'²)^1/2

其中：

h’＝L*sinγ'