CN114959623A

CN114959623A - 直流溅射方法及直流溅射装置

Info

Publication number: CN114959623A
Application number: CN202210795406.8A
Authority: CN
Inventors: 周张琪; 李志华
Original assignee: Guangzhou Yuexin Semiconductor Technology Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Yuexin Semiconductor Technology Co Ltd
Priority date: 2022-07-07
Filing date: 2022-07-07
Publication date: 2022-08-30

Abstract

本发明提供一种直流溅射方法及直流溅射装置，包括：对置于直流溅射装置中的板执行直流溅射工艺，执行直流溅射工艺时通过监测溅射电流是否大于设定电流以判定直流溅射工艺是否发生电弧放电，设定电流大于直流溅射工艺的标准电流；若发生电弧放电则发出异常信号，并响应于异常信号而切断直流电源以进行熄弧处理，并于预定时间后再继续执行直流溅射工艺。本发明中，通过在直流溅射工艺中监测溅射电流是否大于设定电流以判定该直流溅射工艺是否发生电弧放电，若发生电弧放电即切断直流电源进行熄弧处理，从而减少电弧放电对靶材或基板等的危害，进而减少基板上因电弧放电引起的缺陷，相比于其他方法，不仅操作简单，且具有较高的效率。

Description

直流溅射方法及直流溅射装置

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种直流溅射方法及直流溅射装置。

背景技术

利用直流溅射装置的直流电源以执行直流溅射工艺形成金属膜层，因具有溅射速率快且操作简便等优势，其在半导体领域应用较为广泛。

然而，在执行直流溅射工艺中，靶材本身的质量问题、真空腔体的环境问题或真空腔体内零部件问题等，都容易导致靶材和等离子区之间发生电弧放电，使得在基板上形成的金属膜层具有凸起缺陷，影响所形成的金属膜层的质量，并且极易在后续的蚀刻工艺或研磨工艺中形成残余（Residual）或丢失物（MIss）等缺陷。

业界通常需要多管齐下以解决直流溅射中的电弧放电或减轻其不良影响，例如提高靶材的修整（去除杂质）及更换频率、提高真空腔体的保养频率、以及真空腔体内零部件的跟换频率等，上述方法虽有一定效果，但难有很大的效果提升，并且整体成本太高、操作复杂影响生产效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直流溅射方法及直流溅射装置，用以低成本且高效的解决直流溅射工艺中的电弧放电问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种直流溅射方法，利用直流溅射装置的直流电源执行直流溅射工艺，包括：对置于所述直流溅射装置中的基板执行所述直流溅射工艺，执行所述直流溅射工艺时通过监测所述直流溅射装置的溅射电流是否大于设定电流以判定所述直流溅射工艺是否发生电弧放电，所述设定电流大于所述直流溅射工艺的标准电流；若发生电弧放电则发出异常信号，并响应于所述异常信号而切断所述直流电源以进行熄弧处理，并于预定时间后再继续执行所述直流溅射工艺。

可选的，所述设定电流包括第一设定电流，监测到所述溅射电流大于所述第一设定电流即发出所述异常信号。

可选的，所述设定电流还包括第二设定电流，所述第二设定电流小于所述第一设定电流，监测到在设定时间内所述溅射电流大于或等于所述第二设定电流且小于或等于所述第一设定电流的次数大于预设次数即发出所述异常信号。

可选的，所述第一设定电流为所述标准电流的1.06~1.1倍，所述第二设定电流为所述标准电流的1.03~1.05倍。

可选的，所述溅射电流的采样频率大于或等于2赫兹，所述设定时间为5秒~15秒，所述预设次数为3次~10次。

可选的，所述预定时间为2秒~5秒。

可选的，所述直流溅射装置包括靶材，所述电弧放电为发生在所述基板的表面的电弧放电和/或发生在所述靶材的表面的电弧放电。

可选的，所述直流溅射装置还包括真空腔体，执行所述直流溅射工艺时，还通过监测所述真空腔体的电压的变化以判定是否发生电弧放电。

基本发明的另一方面，还提供一种直流溅射装置，包括：真空腔体；靶材，设置于所述真空腔体内；直流电源，与所述靶材电连接，用于提供溅射电流；监测单元，用于在执行直流溅射工艺时监控所述溅射电流是否大于设定电流以判定所述真空腔体内是否发生电弧放电，并在发生所述电弧放电时发出异常信号，所述设定电流大于所述直流溅射工艺的标准电流；以及，控制单元，用于获取所述异常信号并切断所述直流电源以进行熄弧处理，并于预定时间后重启所述直流电源以继续执行所述直流溅射工艺。

可选的，所述监测单元包括设备自动化单元及故障监测分类单元，利用所述设备自动化单元将所述溅射电流数据提供给所述故障监测分类单元以判定所述真空腔体内发生电弧放电。

综上所述，本发明提供的直流溅射方法及直流溅射装置，通过在直流溅射工艺中监测溅射电流是否大于设定电流以判定该直流溅射工艺是否发生电弧放电，若发生电弧放电即发出异常信号，同时响应异常信号而切断直流电源进行熄弧处理，从而减少电弧放电对靶材、基板或装置的危害，进而减少基板上因电弧放电引起的缺陷，并在间隔预定时间后重启直流电源继续执行直流溅射工艺即可，相比于其他诸多方法，本实施例提供的直流溅射方法不仅操作简单，且可以节省其他耗费人力及物力的操作，具有较低的成本。

附图说明

本领域的普通技术人员应当理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明构成任何限定。

图1是本申请提供的直流溅射方法的流程图。

图2是本实施例提供的溅射电流的示意图。

图3是本实施例提供的直流溅射装置的结构示意图。

附图中：10-基板；11-真空腔体；12-靶材；13-静电卡盘；14-等离子体；21-监测单元；22-控制单元；30-直流电源。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。

应当明白，当元件或层被称为"在…上"、"连接到"其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、连接其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为"直接在…上"、"直接连接到"其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。空间关系术语例如“在……之下”、“在下面”、“下面的”、“在……之上”、“在上面”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在……之下”、“在下面”、“下面的”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的"一"、"一个"和"所述/该"也意图包括复数形式，除非上下文清楚的指出另外的方式。还应明白术语“包括”用于确定可以特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语"和/或"包括相关所列项目的任何及所有组合。

图1是本申请实施例提供的直流溅射方法的流程图。

如图1所示，本申请实施例提供的直流溅射方法，包括：

对置于所述直流溅射装置中的基板执行所述直流溅射工艺，执行所述直流溅射工艺时通过监测所述直流溅射装置的溅射电流是否大于设定电流以判定所述直流溅射工艺是否发生电弧放电，所述设定电流大于所述直流溅射工艺的标准电流；

若发生电弧放电则发出异常信号，并响应于所述异常信号而切断所述直流电源以进行熄弧处理，并于预定时间后再继续执行所述直流溅射工艺。

下面将结合图1对直流溅射方法进行详细说明。

首先，提供一基板。

基板可以是本领域技术人员所熟知的任意合适的基板，基板的材质可例如为以下所提到的材料中的至少一种：硅、玻璃、蓝宝石、氮化硅、碳化硅、碳氮化硅等。本实施例中以基板的材质为硅为例加以说明。

基板上或基板中可包括与待溅射金属膜层相匹配的半导体结构。

接着，对置于直流溅射装置中的板执行直流溅射工艺，执行直流溅射工艺时通过监测溅射电流是否大于设定电流以判定直流溅射工艺是否发生电弧放电，设定电流大于直流溅射工艺的标准电流。

在执行直流溅射工艺之前，还可对基板执行除气处理及清洗处理以去除基板表面的水汽、杂质及氧化层，有利于形成高质量的膜层及降低发生电弧放电的几率。具体的，可例如在预除气腔室利用高真空及高温对基板进行除气处理，在预清洗腔室利用氩离子干法蚀刻基板的表面进行清洗处理。

将经除气处理及清洗处理的基板转入真空腔体（溅射腔室）执行直流溅射工艺以在基板表面溅射形成金属膜层，直流溅射工艺的工艺参数与对应的金属膜层及其厚度等相匹配。直流溅射工艺可包括启辉阶段及溅射阶段，在启辉阶段通过直流电源的高电压在真空腔体内启辉产生等离子体，在溅射阶段通过将溅射电流控制在一标准电流（标准电流值）或尽量控制在标准电流值附近（例如控制在标准电流的0.98~1.02倍），以形成高品质且均匀的金属膜层。以在基板表面形成金属钛层为例，其直流溅射工艺（溅射阶段）的工艺参数包括：直流电源的功率为25000W~37000W，工艺气体包括氩气，溅射电流（标准电流）为70安~80安，真空腔体的气压为1Pa~20Pa。

在本实施例的直流溅射工艺的溅射阶段，通过监测溅射电流是否大于设定电流以判定直流溅射工艺是否发生电弧放电，用以控制电弧放电或减轻电弧放电对基板的不良影响。优选的，在溅射阶段，可根据发生电弧放电时出现的过流状况对溅射工艺或溅射装置的影响，将电弧放电分为两类，第一类电弧放电及第二类电弧放电，当真空腔体内发生第一类电弧放电时，溅射电流的增大幅度较大，对工艺及装置危害较大；当真空腔体内发生第二类电弧放电时，溅射电流的增大幅度相对较小，单次第二类电弧放电对工艺及装置危害小于第一类电弧放电的危害，但若其出现频率较高时，其危害则难以忽略。电弧放电在本质是一种由电场异常引起的高功率密度的局部短路，当然引起电场异常的原因有多种，在本实施中以较为常见的发生在靶材与等离子体之间的电弧放电为例加以说明。

据上所述，本实施例中设定电流可包括第一设定电流及第二设定电流，利用第一设定电流监测上述第一类电弧放电，即监测到溅射电流大于第一设定电流，则判定真空腔体内发生第一类电弧放电；利用第二设定电流监测上述第二类电弧放电，即监测到在设定时间（判定时间段）内溅射电流大于或等于第二设定电流且小于或等于第一设定电流的次数大于预设次数（判定次数），则判定真空腔体内发生的第二类电弧放电超标。

实际中，可以一固定频率采集溅射电流的大小（幅值）而实现溅射电流的监测，其固定频率可例如大于2Hz（赫兹）。

如图2所示，在一优选实施例中，溅射电流的采样频率（测试频率）为10Hz~50Hz，第一设定电流例如为标准电流的1.06倍~1.1倍，第二设定电流例如为标准电流的1.03倍~1.05倍，并以在5秒~15秒为第二类电弧的判定时间段（预设时间），以3次~10次为第二类电弧的判定次数（预设次数）。当然，在直流溅射工艺（溅射阶段）中，还可以设置有下限电流，下限电流小于标准电流，利用下限电流监测溅射电流过低的情况。

优选的，本实施例中还可通过在直流溅射工艺中监控真空腔体内的电压的异常变化以判定真空腔体内是否发生电弧放电，其中，真空腔体内的电压（压降）包括真空腔体内靶材、等离子体及基板上的降压。在执行直流溅射工艺时，真空腔体内发生电弧放电，溅射电流增大，使得溅射电源的内电压（内阻的压降）增大并使得真空腔体内电压降低，可通过监控真空腔体内电压的幅值是否小于某一预设电压或真空腔体内电压的幅值降低速率是否大于某一预设速率，从而判定真空腔体内是否发生电弧放电。当然，还可参照前述通过溅射电流监控电弧放电的方法对第一类电弧放电和第二类电弧放电进行进一步详细设置。但应理解，在直流溅射的溅射阶段，直流电源的电流（溅射电流）一直尽量被控制在标准电路附近，其波动幅度相对小于真空腔体内电压的波动，利用溅射电流监控电弧放电更为直接和便利。

接着，执行步骤S03，若发生电弧放电则发出异常信号，并响应于异常信号而切断直流电源以进行熄弧处理，并于预定时间后再继续执行直流溅射工艺。

当接收到真空腔体内发生电弧放电的异常信号后，立即关闭直流电源停止输出（即切断溅射电流）以进行熄弧处理，通过立即熄灭电弧放电，可使发生电弧放电区域的集聚电荷得以释放及该区域异常电场得以恢复，从而减少电弧放电对靶材、真空腔体内器件、基板等的危害，并最终减少由电弧放电在基板上引起的缺陷。

在进行熄弧处理后，间隔一较短时间（预定时间）即可重启直流电源继续执行直流溅射工艺，以减少对生产效率的影响，该较短时间可例如为2秒~5秒。在关闭直流电源至重启直流电源的间隔时间内，直流溅射工艺的其他工艺条件可维持不变，其他工艺条件包括真空腔体内的的压力、气体流量等，以便于后续重启直流溅射工艺。虽然本实施例提供的直流溅射方法在溅射时间上相对于其他方式（例如不进行熄弧处理）的溅射时间延长若干秒，但考虑到其他方式在解决电弧放电的问题上耗费的较多时间而言，本实施例提供的直流溅射方法的整体效率是更高的。

如图3所示，本发明还提供一种直流溅射装置，包括：真空腔体11、直流电源30、监测单元21及控制单元22。真空腔体11内具有相对设置的靶材12和基板10；直流电源30与靶材12电连接，用于为直流溅射工艺提供溅射电流；监测单元21用于获取溅射电流以此判断真空腔体11内是否发生电弧放电，并在发生电弧放电时发出异常信号；控制单元22用于获取异常信号并切断直流电源30以进行熄弧处理，并于预定时间后重启直流电源30继续执行直流溅射工艺。

其中，基板10放置于静电卡盘13上，静电卡盘13与靶材12相对设置于取放基板10。在执行直流溅射工艺时，靶材12与基板10之间形成有等离子体14。监测单元21可包括霍尔电流传感器、设备自动化单元（Equipment Automation Programming，EAP）及故障监测分类单元（Fault Detect Classification，FDC），霍尔电流传感器用于获取溅射电流信息，设备自动化单元与霍尔电流传感器信号连接，用于将溅射电流信息上传到故障监测分类单元以进行分析，具体分析方法可具体参考前述的直流溅射方法。在实际中，霍尔电流传感器还可将溅射电流信息反馈给直流电源30以使溅射电控尽量控制在标准电流附近。控制单元22用于控制直流电源30的开启或关闭，具体控制方法可参考前述的直流溅射方法。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims

1.一种直流溅射方法，利用直流溅射装置的直流电源执行直流溅射工艺，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的直流溅射方法，其特征在于，所述设定电流包括第一设定电流，监测到所述溅射电流大于所述第一设定电流即发出所述异常信号。

3.根据权利要求2所述的直流溅射方法，其特征在于，所述设定电流还包括第二设定电流，所述第二设定电流小于所述第一设定电流，监测到在设定时间内所述溅射电流大于或等于所述第二设定电流且小于或等于所述第一设定电流的次数大于预设次数即发出所述异常信号。

4.根据权利要求3所述的直流溅射方法，其特征在于，所述第一设定电流为所述标准电流的1.06~1.1倍，所述第二设定电流为所述标准电流的1.03~1.05倍。

5.根据权利要求4所述的直流溅射方法，其特征在于，所述溅射电流的采样频率大于或等于2赫兹，所述设定时间为5秒~15秒，所述预设次数为3次~10次。

6.根据权利要求4中任一项所述的直流溅射方法，其特征在于，所述预定时间为2秒~5秒。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的直流溅射方法，其特征在于，所述直流溅射装置包括靶材，所述电弧放电为发生在所述基板的表面的电弧放电和/或发生在所述靶材的表面的电弧放电。

8.根据权利要求7所述的直流溅射方法，其特征在于，所述直流溅射装置还包括真空腔体，执行所述直流溅射工艺时，还通过监测所述真空腔体的电压的变化以判定是否发生电弧放电。

9.一种直流溅射装置，其特征在于，包括：

真空腔体；

靶材，设置于所述真空腔体内；

直流电源，与所述靶材电连接，用于提供溅射电流；

监测单元，用于在执行直流溅射工艺时监控所述溅射电流是否大于设定电流以判定所述真空腔体内是否发生电弧放电，并在发生所述电弧放电时发出异常信号，所述设定电流大于所述直流溅射工艺的标准电流；以及，

控制单元，用于获取所述异常信号并切断所述直流电源以进行熄弧处理，并于预定时间后重启所述直流电源以继续执行所述直流溅射工艺。

10.根据权利要求9所述的直流溅射装置，其特征在于，所述监测单元包括设备自动化单元及故障监测分类单元，利用所述设备自动化单元将所述溅射电流数据提供给所述故障监测分类单元以判定所述真空腔体内发生电弧放电。