CN1890399A - 磁电管及溅镀靶间的间距补偿 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种升举机构(124)，对应使用于一电浆溅镀反应器(30)内之一垂直移动的磁电管(70)。该磁电管系绕该靶材轴(76)旋转，且可控制地升举离该靶材(34)之该背侧以补偿溅镀侵蚀。该装置包括一驱动源(84)、外罩(94)、贮槽(118)、水浴(116)、固定齿轮(92)、驱动板(96)、载体(81)、磁性轭(80)、隔离器(38)。转接器(36)、檔板(52)、真空泵系统(44)、射频电源(58)、电容耦合电路(60)、气体源(46)、质流控制器(48)、反应器壁(32)、磁环(114)、直流电源(54)、晶座电极(40)、圆片(42)、夹钳环(50)、内磁极(74)、外磁极(78)、轴(102)、被动齿轮(100)、中间齿轮(98)及行星式扫瞄机构(90)。

Description

磁电管及溅镀靶间的间距补偿

相关申请

本申请要求美国临时申请的权益，申请号为60/529,209，申请日2003年12月12日。

技术领域

概言之，本发明是关于材料的溅镀沉积。特别是，本发明系关于一种可产生能增强溅镀之磁场的可移动磁电管。

背景技术

溅镀亦称为物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)，其乃集成电路制造中沉积材料层与相关材料最普遍的方法。最初应用于集成电路与其它应用中较常见的溅镀类型是在一工件上沉积一平面层的靶材。然而，近来对于将溅镀应用于集成电路制造的重点已经改变，因为相较于水平内联机来说，目前所使用具有高深宽比(aspect ratios)的穿过层间介电质的垂直内联机，会对制程造成较大的挑战。此外，愈来愈多水平内联机是藉由在水平延伸沟槽内电化学电镀铜的方式来实施，而溅镀则保留用于沉积孔洞侧壁之内层以于其中形成垂直内联机或沉积水平沟槽之壁。

长久以来，已知可藉由使用一磁电管10来增加溅镀速率，如图1的概要截面图示中所示是位于一溅镀靶材12的背侧。磁电管通过靶材12表面，投射一磁场14以捕捉电子，并因此增加电浆密度。磁电管10典型地包含至少两磁铁16、18，其具相反平行磁极并与靶材12表面垂直。一磁性轭(magnetic yoke)20支撑并磁性地耦合两磁铁16、18。产生的增强电浆密度对于提高与磁场14相邻之平行组件的溅镀速率非常有效。然而，如图2的截面图示中所绘示，一侵蚀区域22是邻近磁场形成，靶材12的一正面24靠近磁电管10，此正面24为目前溅镀的表面。图2所绘示的侵蚀，强调与磁电管10相邻的一侵蚀坑洞(pit)。在一般操作中，磁电管10在靶材12背侧扫瞄以产生较一致的侵蚀型态。但是，即使靶材侵蚀成为一平面，在侵蚀后，所溅镀的靶材表面相较于侵蚀前仍较靠近磁电管10。

若欲使靶材12的寿命最大化，靶材侵蚀会有数个问题。第一，侵蚀型态需尽可能一致。习知的平面溅镀，是藉由使磁铁16、18形成对称(相当接近肾脏形状之环)，并绕靶材之中心轴旋转磁电管的方式改善均匀性(uniformity)。第二，可藉由调整靶材与溅镀欲沉积之圆片间的间距以补偿侵蚀深度，如由Tempman在美国专利第5,540,821号中所揭示。Futagawa等人在美国专利第6,309,525号揭示另一变化。这些发明主要强调沉积速率与圆片及靶材12有效正面间之间距的相关性，然而这些方法未提出侵蚀如何影响溅镀的磁性增强。

因需产生高度离子化溅镀通量以使离子化溅镀原子可以静电方式吸引至高深宽比的孔洞深处并磁性地导引，故使侵蚀问题变为更加复杂，如Fu等人在美国专利第6,306,265号中对于自离子化电浆(SIP)反应器的解释，其全文是合并于此以作参考。此处所述使用小型三角状磁电管以影响自离子化溅镀的设备需考虑三项因素。首先，需缩小磁电管大小，以便集中瞬间溅镀在靶材的一小区域，从而增加有效的靶材功率密度。第二，小型磁电管的集中磁场可增加与欲溅镀靶材部分相邻的电浆密度，从而增加欲溅镀靶材原子的离子化比例。离子化溅镀通量有助于吸引至圆片内高深宽比孔洞的深处。然而，靶材侵蚀会影响欲溅镀靶材表面的有效磁场，从而改变溅镀速率与离子化比例。第三，小型磁电管会使均匀进行靶材溅镀变为更加困难。已使用各种磁电管形状(例如三角形)来增加溅镀均匀性，但其均匀性不完整。相反地，即使使用旋转式(rotary)磁电管，环状沟槽(troughs)仍会侵蚀至靶材内。

使用习知旋转式磁电管(尤其是小型磁电管)时会有两明显的主要操作影响。首先，如图3图表所绘示的曲线26，沉积速率由其初始速率随着靶材使用率(此处以千瓦-小时为单位)而降低，其是测量自其开始使用时提供至靶材的累积功率。靶材使用率乃对应于自靶材以实质上平坦且未侵蚀表面开始使用后，已侵蚀的靶材数量，并对应于反复制程中已沉积的圆片数目。我们相信此下降至少间接地是因靶材侵蚀所引起，其中所溅镀的靶材表面对于磁场不再为最佳化，因其与磁电管的间距是变动的。溅镀劣化可藉由增加溅镀时间，或增加靶材功率而补偿。第二，溅镀的不均匀性会降低靶材的寿命至N₁数目，此时侵蚀沟槽最接近靶材支撑板，或者如果是一集成靶材(integral target)时，则该侵蚀沟槽会接近靶材的最小厚度。此时为避免支撑材料的溅镀沉积或是靶材被穿透，需丢弃靶材，即使在远离侵蚀沟槽处仍有大量靶材亦然。若靶材寿命可增加，将可节省购买靶材的成本、操作时间以及制造产量。

美国专利申请序号第10/152,494号(于2002年5月21日申请)，目前公开为专利申请案公开案2003-0217913中，对于高密度电浆反应器，Hong等人提出行星式磁电管来解决均匀性问题的方案，其全文是合并在此以供参考。如图4的截面图示所绘示，电浆反应器30具有相当常见的下方反应器，其包含一反应器壁32，并经由一转接器36与隔离器38而与晶座电极40相对，其中晶座电极40是支撑欲溅镀沉积靶材34材料的圆片42。一真空泵系统44抽吸真空室至数个毫托尔(milliTorr)或更低的程度，且气体源46是经由一质流控制器48供应一诸如氩的工作气体。一夹钳环50固定圆片42在晶座电极40，亦可使用静电吸盘。一电性接地的档板52是与靶材34相对，其可保护反应器壁32并进一步作为阳极，同时一直流电源54是将靶材34负偏压至数百伏特，以将氩工作气体激发为电浆。带正电之氩离子被加速至负偏压靶材34，其撞击并逸出(或溅镀)靶材的原子。溅镀的原子由靶材34以相当高能量的宽束型态逸出，且之后撞击并附着于圆片42。藉由足够高的靶材功率与高电浆密度，可将大部分的溅镀原子离子化。较佳地，一射频电源58(例如以13.56MHz震荡)会经由一电容耦合电路60偏压晶座电极40，使得圆片42上产生一负直流自偏压，其可加速带正电的溅镀离子，进入欲溅镀涂覆之高深宽比孔洞的深处。

根据本发明，位于靶材34背侧的磁电管70是投射其磁场于靶材34前侧以产生高密度电浆区域72，此可显著地增加靶材34的溅镀速率。若电浆密度足够高，大部分的溅镀原子皆可离子化，其将可额外控制溅镀沉积。离子化效应在溅镀铜时尤其显著，因铜离子受吸引返回铜靶材并进一步溅镀铜，故具高自溅镀良率。无论其为离子化或电中性，当其由靶材34行进至圆片42时，自溅镀均会降低氩气压力，从而降低氩离子对圆片的加热，并降低氩对于铜原子的散射。

在上述具体实施例中，磁电管70实质上成圆形，并包含具一磁性极化的一内部磁极74，并沿室32的中心轴76，以及靶材34与晶座电极40延伸。其进一步包含一环状外部磁极78，围绕内部磁极74，且沿中心轴76具有相反磁极性。一磁性轭80磁性地耦接两磁极74、78，并支撑于载体81。外部磁极78的总磁场强度实质上大于内部磁极74，例如大于1.5或2.0倍，以产生不平衡的磁电管，其投射不平衡的磁场朝向圆片42藉以限制电浆，并亦导引溅镀的离子朝向圆片42。一般而言，外部磁极78是由复数圆柱状磁铁按圆形配置所构成，且于面对靶材34的一侧上具有一共同环状磁极部分。内部磁极74可由一或多个磁铁所构成，较佳地为一共同磁极部分。其它形式的磁电管亦属本发明的范畴。

由此组态以及Fu等人所揭示的组态所达成的高电浆密度有部分是藉由使磁电管70面积最小化而达成。磁电管70所涵盖的面积，典型地小于欲由磁电管70扫瞄之靶材34面积的10％。若需能维持一致的溅镀，磁电管/靶材面积比例可小于5％或甚至小于2％。因此，仅小面积的靶材34受到增加的靶材功率密度及密集的溅镀。亦即，任何时刻的溅镀都非常不一致。为补偿不均匀性。由驱动源84所旋转并支撑磁电管70的一旋转驱动轴82会以处理室轴76环绕地扫瞄磁电管70。然而，如Fu等人所述的反应器，在靶材产生的环状沟槽，溅镀时可能产生显著的径向不均匀性。

Hong等人藉由使用行星式扫瞄机构90，而使磁电管70相对于中心轴76早靶材背侧沿行星状或其它周转圆路径移动，藉以显著地减少溅镀不均匀性。达到行星运动的较佳行星状齿轮机构90在图5中附加地且更完整地绘示，其包含一固定至一外罩94的固定齿轮92，以及固定至旋转轴82的驱动板96。在Hong等人所揭示的反应器中，外罩94是固定的。驱动板96旋转地支撑一中间齿轮98，其与固定齿轮92啮合。驱动板96亦旋转地支撑一被动齿轮100，其与中间齿轮98啮合。被动齿轮100的轴102亦固定至载体81，使得支撑于载体81且远离被动轴102的磁电管70可随着被动齿轮100转动，且当其对于固定齿轮92转动时，是执行行星状运动。砝码110、112固定至驱动板96非运作端与载体81，以减少旋转驱动轴82与被动轴102的弯曲与震动。尤其在可达到溅镀铜离子的高离子化Cu⁺/Cu⁰比例的铜溅镀中，图4的溅镀反应器30可有利地包含围绕中心轴76的一磁性线圈或磁环114，以导引铜离子至圆片42。

因直流电源54传送显著数量的功率至靶材34且一高能离子通量轰击靶材34，藉以加热靶材34，一般是将磁电管70以及行星状机构90，浸没于一围于贮槽118内的冷却水浴116，密封至靶材34与固定驱动轴外罩94。未绘示的流体线路以一冷却器连接至水浴116，以再循环冷却的去离子水或其它冷却液体至水浴118。

因其通过靶材34的回旋路径，行星状磁电管扫瞄可显著地改进靶材侵蚀均匀性，使得靶材34较均匀地侵蚀，并且即使侵蚀靶材时仍能得接近平面的溅镀表面。因此，便可显著地改进靶材利用性。但是，虽然靶材34侵蚀已较为均匀，然其溅镀表面的磁场是变动的，且显然平均上呈降低。如上文所述，此变动影响溅镀速率已观察到是降低的。图3显示的曲线是推测的，实际实验资料是呈现在图6。曲线120是表示图4具有一轴向固定磁电管的行星状磁电管室(具有28千瓦的直流靶材功率与600瓦的射频偏压电源)中，以千瓦小时的靶材使用率为函数所测得的铜沉积速率。曲线121显示一小型轴向固定磁电管以56千瓦的直流靶材功率执行单纯旋转运动的沉积速率，如Fu等人所述。虽然在单纯旋转室的减少不如行星状室多，其仍然显著。然而，其也指出较猛烈地溅镀靶材34外部区域是更有利的，尤其当靶材/圆片间距相当小以补偿因几何效应时，在圆片中心较多的沉积。此预期的非均匀性，可藉由调整行星状室内的旋转臂长度，或藉由改变单纯旋转室内磁电管形状或径向位置而达成。即使与此情况，沉积速率随靶材使用率而降低。

第二类非均匀性问题并非直接由行星状扫瞄机构所产生。磁电管70的小面积可有利地产生高靶材功率密度与高电浆密度，且因此增加溅镀速率并增加离子化溅镀原子比例，以吸引至高深宽比孔洞深处，涂覆穿孔孔洞侧壁与底部。然而，由于磁场关系，因此电浆密度取决于靶材溅镀表面与磁电管间的距离。使得当溅镀靶材34时，即使很均匀进行，电浆密度仍会改变，且因此穿孔侧壁覆盖所取决的溅镀速率与离子化速率亦变动。对于小型磁电管而言，此效应更形恶化，因其磁场梯度较大。结果，变动的磁场与电浆密度将使得制程不稳定，造成整个靶材寿命中底部与侧壁覆盖的变动。一般已知高性能溅镀在靶材寿命末端与起始时不同。图7的曲线122显示测量的靶材电压，而图8的曲线123显示对于轴向固定的行星状磁电管，具有上述靶材与偏压功率值。关于靶材使用率所测得的平均偏压。随着溅镀增加，靶材电压与偏压强度也有显著上升。然而偏压受到约±20伏特的变动，在最大使用率时，最大值强度显著增加至约150伏特。此不稳定由图7的靶材电压曲线122，以及图8的偏压功率曲线123可清楚得知。溅镀速率的改变可藉由增加溅镀时间而补偿，但此无法解决侧壁覆盖。在任何情况，增加的溅镀周期，将降低产率，且于排列计划中引入其它变量。因降低之磁场造成的电浆密度变化，可部分地藉由增加靶材功率所补偿。然而，此功率补偿牵涉一特别关系，其需依据每组条件决定，并亦降低于有限电源供应下，最大化电浆密度与溅镀速率的能力。

Halsey等人在美国专利第5,855,744号揭示一种扫瞄通过矩形靶材时可使线性磁电管变形的设备。在一具体实施例中，多个致动器是沿多个个别轴移动杆以使磁电管变形。Mizouchi等人于美国专利第6,461,485号中则揭示一单一垂直致动器，以补偿线性扫瞄的末端效应。

Demaray等人在美国专利第5,252,194号揭示一滑块机构，其是以垂直方式移动一大型磁电管来调整靶材前方的磁场。

Schultheiss等人于美国专利第4,927,513号揭示一磁电管升举机构，以控制溅镀层的磁特性。

发明内容

本发明包含一种补偿电浆溅镀靶材侵蚀的方法与设备，其是当靶材前侧被侵蚀时，藉由移动磁电管远离靶材背侧。此补偿可提供较固定的磁场与电浆密度在被溅镀的靶材表面，并产生较稳定的溅镀制程。

升举机构可包含一导螺栓机构，包含一导螺栓与导螺帽。导螺栓可轴向固定至磁电管，且导螺帽与导螺栓啮合。垂直旋转导螺帽将可移动磁电管。导螺栓可以方位角(azimuthally)固定，而导螺帽以轴向固定。导螺帽可以手动移动、或于马达控制下移动、或藉由一齿轮耦接至导螺帽的其它致动器、或一线性导螺栓机构、或线性致动器所移动。

升举量可藉由预先决定的配方，或藉由所测量施加至靶材的累积功率指定。或者，可监控靶材电阻或功率特性，或其它物理侵蚀深度，以决定何时需额外升举。

磁电管升举机构除可简易补偿靶材侵蚀外，亦可用于控制位于溅镀靶材表面的磁场以控制溅镀制程。

附图说明

图1与图2为截面图标，功能性地绘示当靶材侵蚀时，磁电管溅镀的效应；

图3为一图表，绘示出现有技术以及根据本发明中溅镀沉积速率以靶材使用率为函数时的相关性；

图4为具有一行星状磁电管之电浆溅镀反应器的一概要截面图示；

图5为行星状磁电管的一等大小图示；

图6为一图表，绘示现有技术中以靶材使用率为函数的溅镀沉积速率之实验决定的相关性。

图7为一图表，绘示出习现有技术与本发明中以靶材使用率为函数之靶材电压的实验决定相关性；

图8为一图表，绘示现有技术与本发明中以靶材使用率为函数之偏压的实验决定相关性；

图9为一图表，绘示以靶材使用率为函数的一连串靶材间距，用于证实本发明的实验以及所得的溅镀沉积速率；

图10为用以升高磁电管之导螺栓升举机构的截面图示；

图11为图10的导螺栓升举机构外部，以及用以驱动靶材与磁电管间间距的刺状齿轮机构垂直图示；

图12为驱动间距补偿之导螺栓机构的第一具体实施例的垂直图示；

图13为用于图10的导螺栓机构，用以驱动间距补偿之双重滑块机构的垂直图示；

图14为用于图13的滑块机构之轴环、滑块与其外壳的垂直图示；

图15为用于图13滑动机构的支撑部垂直图示；

图16为图13的滑块机构垂直图示，额外包含一磁电管旋转马达；

图17为一计算机化升举控制系统的概要图标；

图18与图19为结合本发明的两中空阴极磁电管的概要截面图示。

具体实施方式

磁电管溅镀中，靶材前侧的侵蚀可藉由将磁电管移离靶材背侧而补偿。如图4所绘示，一升举机构124可控制地相对于靶材34背侧升高磁电管70，较佳是自靶材34以全新平坦正面安装后，以靶材34正面受侵蚀的相同量升高。补偿需集中于较严重侵蚀的靶材34区域，因其提供较高比例的溅镀原子。虽然习知设计标准是将磁电管70与靶材34背侧间的距离最小化，并将分隔维持在此起始间距，本发明之一较佳标准是在磁电管70以及面对圆片42的靶材34前侧间维持一几近恒定的间距。该几近恒定的间距是在欲溅镀的靶材34表面维持实质上固定的磁场。而几近恒定的磁场可自决定溅镀性能的制程条件中移除一变量，不仅是溅镀速率，亦包含离子化比例与其它效应。从而，不需为靶材使用率而调整溅镀时间或靶材电压。移动磁电管以在靶材34前侧维持实质上固定之磁场的方式可在靶材寿命期间稳定溅镀制程，且无论靶材使用率为何，均可维持实质上固定的沉积速率，如图3的曲线126所概要绘示者。同样的，侧壁与底部覆盖可在靶材寿命期间维持实质上的恒定。此外，当靶材几乎均匀地侵蚀至其支撑板时，靶材寿命显著地增加至N₂值。

虽然其它实施方式是可能的，但升举机构124可简单地藉由将外罩94经升举机构轴向移动而与习知设计合并，同时仍维持对贮槽118的液体密闭态。

本发明的第一具体实施例，是用于证实使用一连串不同厚度的垫片(置于图5的磁电管70与载体81间)对补偿磁电管至靶材间距的影响。当靶材侵蚀时，先前的垫片以较薄的垫片取代。因此，磁电管70会沿磁电管70中心处的一单轴移离靶材34背侧，虽然当磁电管70沿行星状路径移动时轴亦会移动。故，于靶材寿命中，靶材34的溅镀表面可维持一几近恒定的磁场，从而稳定溅镀制程。手动填充垫片过程亦可藉由置于固定外罩94与贮槽118顶部间的垫片达成。

图9是显示使用铜靶材，以及图4反应器中行星状磁电管的实际实验数据。曲线125显示当垫片厚度逐渐增加时，磁铁至靶材间距(Magnet-to-TargetSpacing，MTS)，明确来说是至靶材背侧的间距偶尔会增加，同时曲线126显示测量的沉积速率。即使在这些初步实验中，沉积速率维持在几近恒定。藉由使用本发明，可使用铜靶材将薄膜铜晶种层沉积多至20,000个圆片。图6的曲线121亦显示当取代垫片时，以靶材使用率为函数时缓和改变之沉积速率的实际数据。图7的曲线127显示以靶材使用率为函数所测量靶材电压的相关性。图8的曲线128显示以靶材使用率为函数所测量偏压平均的相关性。此外，虽然未绘示，然偏离平均的最大值与平均偏压并未随靶材使用率而显著地改变。

特别是靶材及偏压电源方面，此等结果在藉由频繁地以较佳分辨率移动磁电管时可加以改进。这些结果亦显示靶材与偏压是为侵蚀量的灵敏指示器，且因此需间距补偿。在生产期间，这些电压很容易监控。对于产生固定功率的电源，电流为另一灵敏测量。或者，若电源设定为产生固定电压或电流，可测量互补数量或功率。这些电性测量典型地用于监测一些电性条件下的电浆电阻。因此，在生产期间，藉由测量这些电压之一或两者(或其它数量)并将其与基线值比较，可动态地控制补偿。当偏差超过一临界值，可执行补偿以使测量值接近基线值。亦可光学地或以其它方式，测量靶材侵蚀的实际深度，并使用此深度测量以起始补偿。然而对于特定溅镀配方，持续追踪累积靶材功率并以实验决定的数值移动磁电管的方式已证明是良好的。

虽然使用垫片的第一具体实施例是有效的，然因需关闭溅镀反应器，并将磁电管由水浴移出以允许手动置换垫片也使操作较为不便。因此，一般较倾向由水浴外(且较佳地于计算机化电子控制下)执行间距补偿。

在一组具体实施例中，是将固定外罩94转换为由导螺栓机构130所驱动且可垂直移动、但大部分方位角固定的外罩94，如图10的截面图示所示。旋转驱动轴82包含一中心口径132，以使冷却水流至图4中贮槽118的中心，靠近靶材34背侧。冷却水经由顶部142内未绘示的出口，或贮槽118的其它壁流出水浴。驱动轴82的顶部，藉由仍未绘示的传送带或其它装置，耦接至马达84。行星状机构的驱动板96是固定至驱动轴82底部并与其一同旋转。两个环轴承134、136是旋转地支撑外罩94内该驱动轴82的轮榖138。一环状动态密封垫139对水浴116呈液体密闭，与轴承134、136与外部隔离。

外罩94的尾部140轴向地通过贮槽顶部142的一孔隙，但藉由其它装置而方位角地固定。行星状机构的固定齿轮92，是固定至外罩尾部140末端。因此，当外罩94垂直移动时，固定齿轮92、驱动板96，以及行星机构90其它部分与磁电管70亦沿中心轴76垂直移动。

一支撑轴环146是固定至贮槽顶部142，并以一置于O型环沟槽147的O型环作密封。围绕外罩尾部140顶部部分的一环状折部148是密封在外罩94与支撑轴环146内部部分相对的一端，以可滑动地密封液体在水浴116，与外部以及升举机构130的大多数机械部分隔离，同时在一侧的外罩94与驱动轴82间、另一侧在贮槽顶部142间进行轴向移动。折部148需容纳约3/4英时(2公分)的移动，对应于靶材34的可使用厚度。其它类型的可滑动液体密封垫亦为可能。固定轴环146经由两个环状轴承152、154，旋转地支撑具有内部螺纹的导螺帽150。固定至导螺帽150的一内部定位环156以及固定至轴环146的一外部定位环158是套入上方轴承152，与导螺帽150与轴环146抵触。位于导螺帽150下的另一相似定位环组态则套入下方轴承154。导螺帽150因此可以中心轴76旋转，但轴向固定至贮槽顶部142。

该方位角固定但可垂直移动的导螺栓164的外部螺纹是与导螺帽150的内部螺纹啮合。导螺栓164支撑外罩94于其上方表面。外罩94可固定至导螺栓164，或导引销可与其等耦合以防止相对的旋转运动。复数螺丝166经由压缩弹簧168将导螺栓164固定至贮槽顶部142。因此，当其与可旋转导螺帽150啮合时，导螺栓164为旋转固定，但压缩弹簧168仅提供导螺栓164有限的垂直运动。导螺帽150轴向固定至贮槽顶部142可提供大量旋转磁电管较宽广的机械底座，藉以减少震动并使磁电管70与靶材34背后间的空隙减少。

在操作时若将导螺帽150顺时针旋转，则方位角固定的导螺栓164会升高，并将外罩94、附着的旋转轴82、以及磁电管70举离靶材34。逆时针旋转导螺帽150则产生相反的轴向运动，即降低磁电管70使之朝向靶材34。因此用于旋转导螺帽150的升举驱动机构可于冷却浴116外轻易地形成。以下相描述两种类型的升举驱动机构。

旋转升举驱动装置的第一具体实施例包含一刺状齿轮驱动器170，如第11图的垂直图示所示。内部定位环156的外部边缘是部分地以锯齿状齿轮172在齿轮架173上形成，并仅由部分内部定位环156延伸。锯齿状齿轮172系与由一升举马达176控制驱动的一升举驱动齿轮174啮合，其可藉锯齿状齿轮172所固定的一垂直方向驱动轴安装在贮槽顶部142。升举马达176较佳地为一步进马达，对于每个马达脉冲旋转一固定角度，并以一个别控制信号控制旋转方向。藉此，图10的导螺帽150可控制地旋转，以升高或降低导螺栓164、以及外罩94、附着的驱动轴82与磁电管70。

一光学位置感应器175是包含两相间隔的臂175a、175b，以在其旋转升举磁电管时可容纳齿轮架73。其中一臂175a包含一光学发射器(例如一发光二极管)，且另一臂175b包含一光学侦测器(例如一光电二极管)。位置感应器175系以将齿轮架173作为一指标的方式校准齿轮172的旋转。升举马达176旋转齿轮172朝向位置感应器175，直到齿轮架173进入位置感应器175之臂175a、175b间并阻挡光学侦测器发射的光线。控制器将此位置标记为起始位置。步进马达176接着藉由一些控制的脉冲，在相反方向上移动至齿轮172所需的一旋转位置以及磁电管的垂直位置。然应知亦可使用其它位置感应器。

驱动轴马达84可经由一马达底座180，垂直地安装于贮槽顶部142。驱动轴马达84经由未绘示的选择性传动装置驱动马达驱动齿轮182以减少旋转速率。一轴驱动齿轮186形成于一固定至驱动轴82的绞盘188。一棱纹传送带190缠绕马达驱动齿轮182与轴驱动齿轮186，以使马达旋转驱动轴82而执行磁电管70的行星状运动。因操作时驱动轴82与附着的轴驱动齿轮86是相对于马达底座180与附着的马达驱动齿轮182作升高与下降，故至少轴驱动齿轮186的锯齿需足够宽，方能容纳传送带190相对于此齿轮186锯齿的滑动或轴向运动，且马达驱动齿轮182可具有两边缘，以限制传送带190在此齿轮182的轴向运动。一旋转液体联接器194乃安装在驱动轴82顶部，以允许冷却水线路连接至旋转驱动轴82的中心口径132。

旋转升举驱动装置之第二具体实施例包含一导螺栓机构200，其系以垂直之部分截面绘示于第12图。一支撑轴环202固定至贮槽顶部142，并经由以一上方定位环206套接之一环轴承204旋转地支撑导螺帽150。一导螺帽杠杆208由导螺帽150径向地向外延伸，并具两平行臂210形成于其末端。一枢轴连接包含两位于该升举马达176背侧处之臂212，一通过该等臂之枢轴销(未示出)以及销之一底座系枢轴地将升举马达176以水平方向安装至贮槽顶部142。水平方向之升举马达176可旋转一具有一导螺栓形成于其末端之轴216。一螺帽盒220以螺纹与驱动轴216之导螺栓咬合，且由固定至导螺帽杠杆208臂210之销218枢轴地支撑。藉此，升举马达176之旋转便可旋转导螺帽150以沿中心轴72升高或降低导螺栓164，且因此调整外罩尾部140与附着之驱动轴82及磁电管70。

亦可轻易地修改图12的第二具体实施例，取代升举马达176而使用液压或气动线性致动器以驱动一轴(其是枢轴地以其末端耦接至导螺帽杠杆208的臂210)。此外，第二具体实施例可藉由操作者手动地旋转导螺帽杠杆208进行手动控制。也可使用齿轮、杠杆与致动器或马达的其它组合，以实施导螺帽升举机构。

导螺帽升举机构具有数个优点。其相对于升举轴，以及磁电管的支撑轴是同中心。磁电管支撑在一方位角固定导螺栓，以螺纹旋入轴向固定至一更大结构的一较大导螺帽。因此，对于相当重的旋转磁电管，导螺帽升举机构提供低震动与弯曲的优点。本设计机构简单并可增加可靠度并降低成本。

第二类型的升举机构为一双重滑块机构230，以正视角绘示在图13中。其包含一延长轴环232(亦正视地绘示在图14中)且适于固定并密封至贮槽顶部142。固定至轴环232的一垂直方向滑块外壳234，包含两个垂直延伸与水平堆栈的滑轨，其中一个沿轨道235形成于一侧。两滑轨分别套接两滑块236，其乃一同固定且可沿轨道235一同垂直移动(此处仅绘示外部滑块236)。彼此固定的两滑块具较大的硬度以支撑相当沉重的负载。一垂直延伸的背侧238乃固定至轴环232，以提供滑块外壳234与其它部分的一坚硬底座。一垂直方向的驱动轴240乃旋转地支撑在滑块外壳234的顶部末端。驱动轴240的下方末端具有螺纹，导螺栓啮合至形成于未绘示的螺帽盒之对应螺纹，螺帽盒系轴向地支撑两滑块236。因此，当驱动轴240旋转时，滑块236可于滑块外壳234内上下移动。

在图15中以正视角绘示的支撑部250具有基部252，其大小符合外部滑块234。复数穿透孔洞254穿透支撑部基部252，藉由螺丝256啮合外部滑块234以紧贴地固定支撑部基部252。定位销258可插入外部滑块234，以啮合形成于支撑部基部252底部的对应孔洞。支撑部250进一步包含一管状轴环260以及一上方轴端264以支撑外罩94，其中该管状轴环具有一孔隙262，而藉由适当润饰此外罩94，该孔隙尺寸可紧密固定第10图外罩94。外罩94可固定至管状轴环260，或经由销与之啮合，使得外罩94不旋转。

再参照图13，一轴齿轮270固定至图10的磁电管驱动轴82，其于外罩94内可转动，但垂直固定。外罩94本身不可旋转，但可相对于轴环232与贮槽顶部142垂直移动。可垂直移动的外罩94可藉由一组件(包含图10的折部148)密封至贮槽顶部142以在一限制距离内相对于贮槽顶部142轴向移动。轴齿轮270与图11的轴齿轮186相似，且可由以垂直方向马达84所驱动的传送带190驱动。应用于图13的传送带190应也可沿轴齿轮270的锯齿垂直滑动。

一滑块驱动机构，包含固定至滑块外壳234末端的一平板276，其通过滑块轴240末端以固定至一滑块齿轮278。平板276下方亦支撑一垂直方向的滑块马达280，具有固定至马达齿轮282的一驱动轴。一棱纹传送带284缠绕滑块与马达齿轮278、282，使得滑块马达280可在滑块外壳250内上下移动滑块234，从而相对于贮槽顶部142与靶材34背侧，垂直地移动外罩94与附着的磁电管70。

在图16中是正视角绘示的一修改双重滑块机构290，其包含一修改的支撑部292，具有一架子294由管状轴环260顶部向外延伸。一轴驱动马达296与齿轮箱子298支撑于架子294底部，以驱动一马达齿轮300。一棱纹传送带302啮合马达齿轮300与轴齿轮270，从而旋转磁电管轴82，并使得附着的磁电管70执行行星状运动。因马达296与马达齿轮300乃轴向固定至外罩94，故可连同磁电管轴82移动，且传送带270不需沿齿轮270、300的锯齿滑动。

所述的补偿机构可以各种方式使用，以补偿靶材侵蚀。可于电浆激发与溅镀沉积时执行升举与补偿，但其较佳地在处理完一圆片之后，且在处理下一圆片前执行。即使经由马达控制，本机构基本上有时可手动地控制，指示升举马达移动对应于磁电管所需升举的一指定量。然而，升举补偿演算以并入机器所使用的配方中为佳，且以一计算机化控制器执行补偿，并根据此配方控制其它室组件。为考虑约2公分的有限轴向距离以及于许多周的相同连续制程中需以单一靶材沉积大量数目的圆片，因此需合理的偶尔补偿间距，例如，每一小时或每一天，或更具体地于处理大量数目的圆片后进行间距补偿。

在强调最佳化制程且使用反应器的一控制过程中，可根据靶材、磁电管、起始靶材/磁电管间距的特定组合以及制造芯片设计步骤所发展的操作条件的经验决定位移量。靶材使用率的一常见单位为靶材从全新开始时所使用的总千瓦-小时，使得制程配方维持计算总千瓦-小时，并根据产生此配方时，并入制程配方与设定的补偿算法，调整为总千瓦-小时函数的间距。一旦超过此单位的设定时间，便可控制补偿。对于一特定制程，所计算出的圆片数目与所使用单位一样。

动态控制算法亦相当有效。由图7的曲线122、127可知，可追踪测量的靶材电压，并与由配方设定的一预先决定数值的偏差产生关联。当测量的电压偏离设定之一电压增加量，磁电管可向上移动一设定之间距增加量(即预先由实验决定之量)以补偿大部分的电压增加量。事实上，在开发制程期间，可以对应模式获得经验算法，其中开发工程师可追踪以靶材使用率为函数的靶材电压改变，并实验地决定需何种间距补偿，以使靶材电压返回至一设定值。

亦可能藉由光学或其它装置，直接测量靶材的溅镀表面位置，或藉由个别电子装置测量靶材厚度，两种方式皆可提供靶材侵蚀的测量。

一般也希望藉由一反馈测量来直接测量补偿，例如，设定导螺帽的角位置、或滑块的线性位置或其中一旋转部分的一角位移，其等皆由一已知位置测量。例如，图11的位置感应器175作为一限制指示器，有用于电源中断或计算机故障后的重新设定。

注意底线的磁电管-靶材间距可能随不同配方而变化，且所述的升举机构可用于起始时，获得新靶材的基线间距，并在延伸的靶材使用时维持其。

图17概要性地绘示控制系统的一范例，以调整磁电管70前方与靶材34背侧表面间的间距S，并控制溅镀反应器的其它部分。升举马达176较佳地以步进马达施行，其经由一概要绘示的机械驱动器310连接(例如图10与图11中所示之)，其可选择性地升高或降低磁电管70。一指针312附着至机械驱动器310，且一位置侦测器314侦测指针312的位置，例如，于机械驱动器310的移动末端时，磁电管70离靶材34最远。

一计算机化控制器316是习知用以根据储存于控制器316内一可记录媒体318(例如一可记录磁盘的制程配方)来控制溅镀操作。控制器316一般控制靶材电源54，以及其它常见的反应器组件44、48、58、84与114。此外，根据本发明，控制器316可以一经控制的一连串脉冲以及一方向信号控制步进马达176，以于任一方向驱动磁电管70于一控制距离。控制器316可储存磁电管70的目前位置，且若需额外移动也可增加地移动磁电管70。然而，于启动或于一些非强迫中断后，控制器316升高磁电管70远离靶材34，直到位置侦测器314侦测到指标312。步进马达176在此指针位置的设定决定出一起始位置。之后，控制器316会降低磁电管70至一所需位置，或由靶材34起算的间距S。此限制侦测可藉由图11的位置感应器175实施。

储存于控制器316的配方可包含所需的补偿速率，例如，为由电源54供应至靶材34之功率千瓦小时的函数，或者，为靶材电压变动的补偿。控制器316可经由连接于电源54与靶材间的瓦特计320，监控施加的功率。然而，电源54通常设计为传送可选择的一固定量功率。在此情况下，可藉由控制器316内的软件，监控总功率消耗而无须直接功率测量。控制器316亦可藉由连接至电源线路与靶材34的电压计322，监控靶材电压。如上所述，靶材电压系为磁电管与靶材间所需补偿间距的一灵敏指示器。

间距补偿可有利地应用在具有环状凹槽形成于其表面之靶材的顶部磁电管，如Gopalraja等人在美国专利第6,451,177号中所述，其全文是合并在此以供参考。本发明亦可应用在如图18所概要绘示，具有一中空阴极磁电管330的溅镀反应器，例如Lai等人在美国专利第6,193,854号所揭示，其全文是合并于此以供参考。中空阴极磁电管330包含一靶材332，具有单一正圆圆柱状凹槽，以中心轴334延伸，并面对支撑圆片的未绘示晶座。相对于阳极施加至靶材332的未绘示偏压装置，乃激发溅镀工作气体为电浆，以溅镀凹槽内部分靶材332，从而在圆片上涂覆由靶材332材料所构成的一层。

永久磁铁336(通常为轴向校准)系围绕靶材332环状侧壁338的外部放置，其具有数个功能包含强化邻近侧壁338的电浆。然而，于一些实施中，磁铁是水平校准，以在邻近侧壁338之凹槽内产生一放大磁场。根据本发明，马达或其它类型的致动器340可选择性地相对于中心轴334径向移动磁铁336，以补偿靶材侧壁338的溅镀侵蚀。中空阴极磁电管330可额外地包含一顶部磁电管342，位于靶材332的盘状顶部342背侧。顶部磁电管342可固定或以中心轴334旋转。根据本发明，一马达或其它致动器346可用于沿中心轴334，轴向移动顶部磁电管342，以补偿靶材顶部344的侵蚀。然而如上所述，亦可使用其它各种磁铁移动，以微调溅镀制程至初始状态，同时并维持其与此。

图19概要地绘示另一中空阴极磁电管350，是使用一侧壁线圈352，缠绕靶材侧壁338，以在靶材凹槽内产生一轴向磁场。根据本发明，调整供应线圈电流的一可调整电源354，以补偿靶材侵蚀，而得以于邻近侵蚀靶材内部表面产生较固定的磁场。

补偿机构并不限于前述该等态样。例如(尤其于磁电管仅执行单纯旋转运动情况)若额外的动态或可滑动密封垫允许旋转轴作无泄漏轴向移动时，则可直接升高支撑磁电管的旋转轴。亦可使用其它类型的升举机构与升举驱动器，以达到控制或补偿靶材/磁电管间距。然而，图10的导螺栓升举机构130可有效地补偿Fu等人的专利中执行单纯旋转运动的自离子化电浆(SIP)磁电管。

虽然上述升举机构是叙述为用以升高磁电管远离靶材背侧，其亦可用于降低磁电管。此外，此设备可用于补偿靶材侵蚀外的其它目的。

虽然本发明发展为用于铜溅镀，其可用于溅镀其它材料，取决于靶材，以及反应气体是否允许进入室中。此类材料包含几乎所有用于溅镀沉积的金属与金属合金，以及其反应化合物，包含但不限于铜、钽、铝、钛、钨、钴、镍、钒化镍、氮化钛、氮化钨、氮化钽、铝铜合金、铜-铝、铜-镁等。

本发明亦可应用于其它磁电管，例如较常见的大型肾脏状磁电管，以及未离子化溅镀原子的其它磁电管，因而不需巢状磁电管。长距离溅镀反应器可得益于本发明。诱导射频电源可耦接至磁电管溅镀反应器，以增加电源。虽然本发明尤其有用于扫瞄式磁电管，其亦可应用于固定式磁电管。其亦可用于限制电浆，并导引离子，而非仅增加电浆密度的磁铁。

因此，本发明显著地在靶材寿命中，稳定溅镀制程，且对于溅镀设备，仅具有相当微小的添加。

上述具体实施例未包含本发明所有可能的实施与使用。本发明所涵盖的范畴主要需由申请专利范围的特定语法所决定。

Claims (47)

1.一种用于一包含一密封至一溅镀靶材的处理室、一位于一磁电管溅镀反应器以固定一欲处理之基材的支撑部及一置于与该支撑部相对的该靶材一背侧上之磁电管的磁电管溅镀反应器中的磁电管控制系统，该磁电管控制系统至少包含：

一升举机构，其是固定至该磁电管的一支撑部，以变化该磁电管自该靶材背侧的一距离；及

一控制器，用以在处理一连串基材时控制变化该距离的程度。

2.根据权利要求1所述的磁电管控制系统，其更包括一马达，用以驱动该升举机构以响应该控制器。

3.一种溅镀反应器，其至少包含：

一靶材，是固定在真空室；

一晶座，是位于该真空室内，以支撑一与该靶材相对的基材；

一磁电管，是位于该靶材的一背侧；

一电源，是选择性地施加电源至该靶材，以在该真空室内激发一电浆，从而由该靶材的一前侧溅镀材料至该基材；

一机构，是用以变化该磁电管与该靶材间的一间距；及

一控制器，是控制该机构，以在沉积该材料至该复数基材的一预先决定顺序中调整该间距。

4.根据权利要求3所述的溅镀反应器，其中该控制器可调整该间距，以补偿该电浆对于该靶材之该前侧的一侵蚀。

5.一种用于一包含一固定至一溅镀反应器室的靶材及一置于与一支撑部相对的该靶材之一背侧的磁电管的溅镀反应器室中溅镀至一承载于该支撑部上之基材的方法，该方法至少包含下列步骤：

复数第一步骤，是在该溅镀反应器室激发一电浆，并沉积该靶材的材料于复数个连续基材；及

复数第二步骤，是在该些第一步骤中或之后执行，以升举该磁电管远离该靶材的该背侧。

6.根据权利要求5所述的方法，更包含绕该靶材之一中心轴旋转该磁电管。

7.根据权利要求6所述的方法，其中该旋转步骤可使该磁电管绕该中心轴执行行星状运动。

8.根据权利要求5、6或7所述的方法，其中该些第二步骤是在使用该靶材后升举该磁电管，以补偿该靶材的一侵蚀深度。

9.一种磁电管溅镀方法，其至少包含下列步骤：

调整一磁场，在溅镀一靶材时协助产生一电浆，以补偿该电浆的复数粒子对于该靶材之一前侧的侵蚀。

10.根据权利要求9所述的方法，其中该调整包含移动一磁电管远离该靶材之一背侧。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其中该调整可减少该靶材前侧因该侵蚀所引起的磁场变化。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中该调整可减少该靶材前侧因该侵蚀所引起的电浆变化。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其中该调整的程度是根据该溅镀的一配方所决定。

14.一种用于一安装有一面对一电浆溅镀反应器室一内部的靶材及用于一位于该电浆溅镀反应器室外部的该靶材背侧之磁电管的方法，该方法至少包含下列步骤：

在该电浆溅镀反应器室激发一电浆，以沉积该靶材的材料在连续复数个基材上；

在激发该电浆或沉积材料期间或之后，升举该磁电管远离该背侧；及

在处理该复数基材的一中间时间，以一控制器控制该升举程度。

15.根据权利要求14所述的方法，其中该控制器系根据处理该复数基材时，该靶材之一前侧侵蚀的一数量来控制该升举程度。

16.根据权利要求14或15所述的方法，其中在连续沉积该材料于复数不同基材时，该磁电管并未实质有效地朝向该靶材移动。

17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，其中该磁电管的该升举是在激发该电浆、或沉积材料期间或其中任一或多者之后进行。

18.根据权利要求14至17中任一项所述的方法，其中该升举是以复数不同次数执行。

19.根据权利要求14至18中任一项所述的方法，更包含绕该靶材之一中心轴旋转该磁电管，以执行绕该中心轴的圆形运动。

20.根据权利要求14至18中任一项所述的方法，更包含旋转该磁电管以执行绕该中心轴的行星状运动。

21.一种中空阴极溅镀反应器，其至少包含：

一真空室，是绕一中心轴配置；

一支撑部，是位于该真空室内以固定一欲处理的基材；

一溅镀靶材，是可密封至该真空室，并具有一正圆柱状凹槽绕该中心轴配置而与该支撑部相对，该支撑部是由一大体上碟状顶部与一大体上管状侧壁形成；

一磁铁组件，是邻近该顶部或该侧壁之一背侧表面放置；及

一升举机构，是支撑该磁铁组件，并可控制地变化该磁铁组件与该背侧表面间的一距离。

22.根据权利要求21所述的反应器，其中该升举机构包含一致动器，其是可控制地移动该磁铁组件的一支撑构件。

23.一种用于一包含一可密封至一溅镀靶材的处理室、一位于该处理室内支承一欲处理之基材的支撑部、及一置于与该支撑部相对的该靶材之一背侧之磁铁组件的磁电管溅镀反应器的升举机构，该升举机构是固定至该磁电管的一支撑构件，并可变化该磁铁组件自该靶材之该背侧的一距离，该升举机构至少包含：

一可旋转导螺帽，是相对于该室轴向固定；及

一导螺栓，是与该导螺帽啮合，并轴向固定至该磁电管。

24.根据权利要求23所述的升举机构，其中该升举机构藉由沿一单轴移动该支撑构件以变化该距离。

25.根据权利要求23或24所述的升举机构，更包含旋转该导螺帽的一致动器。

26.根据权利要求25所述的升举机构，其中该致动器为一马达。

27.根据权利要求26所述的升举机构，其中该马达可旋转一马达齿轮，该马达齿轮是与形成于该导螺帽的一锯齿表面啮合。

28.根据权利要求25所述的升举机构，其中该致动器驱动一连接至该导螺帽之臂。

29.根据权利要求28所述的升举机构，其中该致动器为一马达，以旋转一连接至该臂的导螺栓。

30.根据权利要求23至29中任一项所述的升举机构，其更包含一位置感应器以侦测该导螺帽的一旋转位置。

31.根据权利要求23至30中任一项所述的升举机构，其中该支撑构件包含一旋转驱动轴，是支撑与旋转该磁铁组件，并可旋转地支撑在该导螺栓上。

32.根据权利要求23至31中任一项所述的升举机构，其中该升举机构藉由沿一单轴移动该支撑构件以变化该距离。

33.根据权利要求23至32中任一项所述的升举机构，更包含一致动器以旋转该导螺帽。

34.根据权利要求33项所述的升举机构，其中该致动器为一马达。

35.根据权利要求34所述的升举机构，其中该马达旋转一马达齿轮，该马达齿轮是与形成于该导螺帽的一锯齿表面啮合。

36.根据权利要求33所述的升举机构，其中该致动器驱动一连接至该导螺帽之臂。

37.根据权利要求33所述的升举机构，其中该致动器系为一马达，用以旋转一连接至该臂的导螺栓。

38.根据权利要求31所述的升举机构，更包含一位置感应器，用以侦测该导螺帽的一旋转位置。

39.根据权利要求23至38中任一项所述的升举机构，其更包含一扫瞄机构，该扫描机构包含该支撑构件，用以至少绕该靶材之一中心轴旋转该磁铁组件。

40.根据权利要求39所述的升举机构，其中该升举机构可升举该扫瞄机构。

41.根据权利要求39或40所述的升举机构，其中该扫瞄机构至少包含一行星状机构，用以驱使该磁电管绕该中心轴执行行星状运动。

42.一种用于一包含一可密封至一溅镀靶材的处理室、一位于该处理室内以支承一欲处理之基材的支撑部以及一置于与该处理室相对之该靶材的一背侧之磁铁组件的磁电管溅镀反应器之升举机构，该升举机构是固定至该磁电管的一支撑构件，并可变化该磁铁组件自该靶材之该背侧的一距离，该升举机构包含：

一马达；

一滑动外壳，是轴向地固定至该处理室；及

一双重滑块，其至少包含两通过两堆栈轨道共同固定的滑块，其并由该马达驱动而在该滑动外壳内按一以与该靶材之该背侧垂直的方向滑动，且轴向固定至该磁铁组件。

43.根据权利要求42所述的升举机构，更包含一扫瞄机构，以至少绕该靶材的一中心轴旋转该磁铁组件。

44.一种用于一包含一可密封至一溅镀靶材的处理室、一位于该处理室内用以支承一欲处理之基材的支撑部、一置于与该支撑部相对的该靶材之一背侧的磁电管以及一围绕该靶材的该背侧并围绕该磁电管之冷却液体的磁电管溅镀反应器的磁电管系统，该磁电管系统至少包含：

该磁电管；

一扫瞄机构，其是经由旋转一贯穿且流体密封至该围绕之驱动轴的方式至少绕该靶材的一轴而于该靶材之该背侧旋转该磁电管，该扫描机构并沿该轴放置；及

一升举机构，是由来自该围绕一外部提供的一驱动力而选择性并可控制地沿该轴移动该驱动轴。

45.根据权利要求44所述的磁电管系统，其中该升举机构包含一导螺栓，及一与该导螺栓啮合的导螺帽。

46.根据权利要求45所述的磁电管系统，其中该导螺帽是相对于该围绕轴向固定。

47.根据权利要求45或46所述的磁电管系统，其中该导螺栓相对于该围绕而有方位地固定，并支撑该驱动轴。

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