TW202111140A - 電子束pvd終點偵測和閉環製程控制系統 - Google Patents

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Abstract

本文中所描述之實施例提供塗佈製程（諸如，隔熱塗層(TBC)在物件上之電子束物理氣相沉積(EBPVD)）之裝置、軟體應用程式及方法。物件可包括由鎳及鈷基超級合金製造之航天部件，例如，渦輪葉片及輪葉。本文中所描述之裝置、軟體應用程式及方法提供偵測塗佈製程之終點，亦即，決定塗層之厚度何時滿足目標值的能力以及用於閉環控制製程參數的能力中之至少一者。

Description

電子束PVD終點偵測和閉環製程控制系統
本文中所提出之實施例大體關於塗層的塗覆。更具體而言，本文中所提出之實施例係關於用於決定塗佈製程的終點之裝置及方法。
隔熱塗層(thermal barrier coating; TBC)保護金屬基板免受高溫氧化及腐蝕。將TBC塗覆至金屬基板之習知技術包括電子束物理氣相沉積(Electron Beam Physical Vapor Deposition; EBPVD)。TBC的塗覆通常受開環控制系統控制，該開環控制系統涉及不足的電子束掃描以及製程參數之手動調整。由於TBC厚度及品質之變化及不合格，開環控制導致低的處理量及TBC之效能易變性。
另外，為了執行習知技術，人工操作者將TBC塗覆至工件並對TBC執行各種量測。舉例而言，操作者可自腔室移除工件，並決定塗覆有塗層之工件的重量。使用有塗層與無塗層之工件的重量之間的差來決定塗層之厚度。基於彼些量測，操作者調整EBPVD製程之參數以在工件之整個表面之上獲得更均勻的TBC。然而，基於重量之厚度量測無法提供塗層均勻性之指示。此外，此製程耗時且導致不及最佳的塗層均勻性及品質。
操作者所執行之厚度及品質量測會導致TBC的變化。亦即，取決於操作者關於品質或塗佈時間之主觀意見，塗層品質及厚度可能不同。
因此，需要用於塗覆TBC之改良裝置及製程。
在一個實施例中，提供一種用於偵測塗佈製程之終點的方法。該方法包括量測正在被處理之複數個基板的溫度。該方法亦包括比較量測到之溫度與溫度閾值。該方法亦包括在決定量測到之溫度不滿足溫度閾值之後，調整塗佈製程之參數。該方法亦包括在決定量測到之溫度滿足溫度閾值之後，量測沉積在複數個基板上之塗層的厚度。該方法亦包括比較量測到之塗層厚度與目標塗層厚度。該方法亦包括在決定量測到之塗層厚度不滿足目標塗層厚度之後，在複數個基板上沉積額外厚度之塗層。
在另一實施例中，提供一種量測塗層厚度之方法。該方法包括使安置在探針上之測試結構對準在第一窗口與第二窗口之間。該方法亦包括量測穿過第一窗口之第一雷射源與測試結構之第一表面之間的第一距離。該方法亦包括量測穿過第二窗口之第二雷射源與測試結構之第二表面之間的第二距離。該方法亦包括將探針延伸至製程腔室中，在該製程腔室中將塗層塗覆至複數個基板及測試結構。該方法亦包括使探針自製程腔室縮回以使測試結構對準在第一窗口與第二窗口之間。該方法亦包括量測第一雷射源與沉積在測試結構的第一表面上之塗層的表面之間的第三距離。該方法亦包括量測第二雷射源與沉積在測試結構的第二表面上之塗層的表面之間的第四距離。該方法亦包括決定第一距離與第三距離之間的第一差。該方法亦包括決定第二距離與第四距離之間的第二差。該方法亦包括基於第一差及第二差來決定塗層之厚度。該方法亦包括比較塗層之厚度與目標塗層厚度。該方法亦包括在決定塗層之厚度滿足目標塗層厚度之後，識別出在複數個基板上所執行之塗佈製程的終點。
在又一實施例中，提供一種製程腔室。該製程腔室包括主體，該主體限定在其中之製程容積。熔池係安置在製程容積中。一或更多個鑄錠係安置在熔池中。一或更多個電子束產生器安置成與熔池相對。複數個基板係安置在製程容積中，在一或更多個電子束產生器與熔池之間。製程腔室之探針組件包括外殼，該外殼具有第一窗口及與第一窗口相對之第二窗口。第一窗口及第二窗口與主體相鄰。軸係安置在外殼中。測試結構係安置在軸上。該製程腔室亦包括控制器，該控制器經配置以執行操作。該等操作包括使外殼中之測試結構對準在第一窗口與第二窗口之間。該等操作亦包括使複數個基板中之每一基板圍繞一個以上軸線旋轉。該等操作亦包括藉由控制提供給一或更多個電子束產生器之功率使一或更多個鑄錠汽化，以產生環繞複數個基板之蒸汽羽流。該等操作亦包括使測試結構延伸至蒸汽羽流中。該等操作亦包括使測試結構縮回至外殼中。該等操作亦包括使測試結構對準在第一窗口與第二窗口之間。該等操作亦包括決定沉積在測試結構上之塗層的厚度。該等操作亦包括在決定塗層之厚度滿足目標塗層厚度之後，識別出用於複數個基板之塗佈製程的終點。
本文中所描述之實施例提供塗佈製程（諸如，隔熱塗層(thermal barrier coating; TBC)在物件上之電子束物理氣相沉積(Electron Beam Physical Vapor Deposition; EBPVD)）之裝置、軟體應用程式及方法。物件可包括由鎳及鈷基超級合金製造之航天部件，例如，渦輪葉片及輪葉。本文中所描述之裝置、軟體應用程式及方法提供偵測塗佈製程之終點，亦即，決定塗層之厚度何時滿足目標值的能力以及用於閉環控制製程參數的能力中之至少一者。
第1A圖為可受益於本文所述實施例之系統100（諸如，EBPVD系統）的示意圖。應理解，以下所描述之系統為例示性系統，且其他系統（包括來自其他製造商之系統）可與本揭示案之態樣一起使用或經修改而實現本揭示案之態樣。系統100包括具有製程容積120之塗佈腔室102、具有內部容積122之預熱腔室104，及具有內部容積124之裝載腔室106。將預熱腔室104定位成與塗佈腔室102相鄰，其中閥108係安置在預熱腔室104之開口112與預熱腔室104之開口114之間。將裝載腔室106定位成與預熱腔室104相鄰，其中閥110係安置在預熱腔室104之開口116與裝載腔室106之開口118之間。
系統100進一步包括載體系統101。載體系統101包括安置於軸105上之固持件103。固持件103可移動地安置在內部容積120、122、124中。軸105延伸穿過裝載腔室106、預熱腔室104及塗佈腔室102。軸105連接至驅動機構107，該驅動機構107將固持件103移動至裝載腔室106中之裝載位置（關於第1B圖論述）、預熱腔室104中之預熱位置（關於第1B圖論述）及塗佈腔室102中之塗佈位置（如第1A圖中所示）中的一者。驅動機構107被安置成與裝載腔室106相鄰。
在一個實施例中，閥108及110為閘閥，其密封相鄰的腔室102、104及106。電子束產生器126耦接至塗佈腔室102。電子束產生器126向製程容積120提供足夠能量，以將塗層沉積在安置於製程容積120內之固持件103上的工件（未示出）上。
第1B圖為根據一些實施例之系統130（諸如，EBPVD系統）的示意圖。系統130包括一或更多個載體系統，諸如，第一載體系統101A、第二載體系統101B、第三載體系統101C及第四載體系統101D。系統130包括耦接至第一預熱腔室101A及第二預熱腔室104B之塗佈腔室102。第二預熱腔室104B與第一預熱腔室104A相對。第一裝載腔室106A耦接至第一預熱腔室104A，與塗佈腔室102相對。第二裝載腔室106B耦接至第二預熱腔室104B，與塗佈腔室102相對。
第一預熱腔室104A與第一裝載腔室106A及塗佈腔室102相鄰。第二預熱腔室104B與第二裝載腔室106B及塗佈腔室102相鄰。閥108A、108B、110A及110B安置在相鄰腔室中之每一者之間。閥108A及108B對應於關於第1A圖所描述之閥108。類似地，閥110A及110B對應於關於第1A圖所描述之閥110。載體系統101A、101B、101C及101D中之每一者分別包括驅動機構107A、107B、107C、107D、軸105A、105B、105C、105D及固持件103A、103B、103C、103D。
如圖所示，第一載體系統101A處在裝載（或卸載）位置，其中第一固持件103A安置在第一裝載腔室106A內。第二載體系統101B處在處理位置，其中第二固持件103B安置在塗佈腔室102內。第三載體系統101C處在預熱位置，其中第三固持件103C安置在第二預熱腔室104B中。第一複數個基板132安置在第二固持件103B上，且第二複數個基板135安置在第三固持件103C上。第四載體系統101D處在卸載（或裝載）位置，其中第四固持件103D安置在第二裝載腔室106B內。
一或更多個載體系統101A、101B、101C及101D中之每一者類似於關於第1A圖所描述之載體系統101。舉例而言，第一載體系統101A包括安置在第一軸105A上之第一固持件103A。如上所述，第一軸105A耦接至第一驅動機構107A，該第一驅動機構107A使第一軸及第一固持件在裝載、預熱及塗佈位置之間移動。
在操作期間，一或更多個基板（諸如，基板132）定位在裝載腔室106A及106B中之固持件103A、103B、103C及103D中之每一者上。固持件103A、103B、103C及103D中之每一者上的一或更多個基板異步地移動至相應預熱腔室104A及104B且接著移動至塗佈腔室102。
在處理期間之給定時間處，固持件103A、103B、103C及103D中之至少一者係定位在塗佈腔室102中，且另一固持件定位在相應預熱腔室104A中。舉例而言，當在塗佈腔室102中處理第二固持件103B上之一或更多個基板132的同時，在第二預熱腔室104B中加熱第三固持件103C上之一或更多個額外基板135。同時地，將第三複數個基板（未示出）裝載至第一裝載腔室106A中之第一固持件103A上。自定位在第二裝載腔室106B中之第四固持件103D卸載先前在塗佈腔室102中處理之第四複數個基板。
在一或更多個基板132之處理完成之後，已處理基板132移動至第一裝載腔室106A以便冷卻或自第二固持件103B卸載。在卸載已處理基板132的同時，在第一預熱腔室104A中加熱第一固持件103A上之一或更多個基板。同時地，在塗佈腔室102中處理第三固持件103C上之一或更多個額外基板135。另外，可將一或更多個基板（未示出）裝載至第二裝載腔室106B中之第四固持件103D上。
在可與以上所論述之一或更多個實施例相組合的一個實施例中，第三裝載腔室（未示出）可定位成與第一裝載腔室106A相鄰。在彼實施例中，第一載體系統101A可移動地安置在塗佈腔室102、第一預熱腔室104A與第一裝載腔室106A之間。第二載體系統101B可安置在第三裝載腔室中。亦即，第二載體系統101B可移動地安置在塗佈腔室102、第一預熱腔室104A與第三裝載腔室之間。
第一裝載腔室106A及第三裝載腔室可在大體上垂直於第一軸105A及第二軸105B之方向上移動，以使得每次係第一裝載腔室106A或第三裝載腔室耦接至第一預熱腔室104A。
類似地，第四裝載腔室（未示出）可定位成與第二裝載腔室106B相鄰。第三載體系統101C可移動地安置在塗佈腔室102、第二預熱腔室104B及第二裝載腔室106B之間。第三載體系統101C可移動地安置在塗佈腔室102、第一預熱腔室104A及第四裝載腔室之間。
第三裝載腔室及第四裝載腔室可在大體上垂直於第三軸105C及第四軸105D之方向上移動，以使得每次係第二裝載腔室106B或第四裝載腔室耦接至第二預熱腔室104B。
第1C圖為根據一些實施例之固持件103的示意圖。固持件103包括第一臂134及第二臂136。第一臂134經由第一連接件138耦接軸105。第二臂136經由第二連接件140耦接軸105。第一連接件138及第二連接件140可旋轉地耦接至軸105並圍繞軸105之中心軸線148旋轉。在一些實施例中，第一連接件138及第二連接件140剛性地附接至軸105。
一或更多個第一支架142附接至第一臂134。一或更多個第二支架144附接至第二臂136。第一支架142及第二支架144分別自第一臂134及第二臂136橫向地延伸。第二支架144大體上平行於第一支架142。
第一支架142中之每一者圍繞彼第一支架142之中心軸線150旋轉。類似地，第二支架144中之每一者圍繞彼第二支架144之中心軸線146旋轉。第一支架142及第二支架144之中心軸線150及146分別大體上垂直於軸105之中心軸線148。在操作中，一或更多個基板（未示出）可附接至第一支架142及第二支架144，而同時定位在裝載腔室中，諸如，關於第1B圖所論述之第一裝載腔室106A及第二裝載腔室106B。
在可與以上所論述之一或更多個實施例相組合的一些實施例中，軸105為固定的，且第一臂134及第二臂136圍繞軸105之中心軸線148旋轉。在彼實施例中，第一臂134及第二臂136相對於軸105之中心軸線成相等角度。舉例而言，第一臂134及第二臂136中之每一者圍繞中心軸線148旋轉最大達約90度。
控制器（未示出）可耦接至固持件103，以控制定位於固持件103上之一或更多個基板的旋轉速度。控制器可監控並調整軸105之旋轉速度以及第一臂134及第二臂136之移動。控制器亦可監控並調整支架142、144中之每一者的旋轉速度。
調整軸105、第一臂134、第二臂136及支架142、144之旋轉速度亦調整了安置於其上之基板的旋轉速度。調整一或更多個基板之旋轉速度減少了基板過熱的發生，該基板過熱會導致基板的損壞。
第2圖為根據一些實施例之塗佈腔室200的示意圖。塗佈腔室200可對應於關於第1A圖及第1B圖所論述之塗佈腔室102。塗佈腔室200包括限定其中製程容積230之主體203。熔池206安置在製程容積230中。熔池206包括由含陶瓷材料製造之一或更多個鑄錠208。一或更多個監控設備安置在塗佈腔室200上。監控設備包括高溫計218及紅外線成像設備222。
塗佈腔室200包括穿過主體203安置之一或更多個電子束產生器202。一或更多個基板212定位在製程容積230中介於一或更多個電子束產生器202與熔池206之間。一或更多個基板212安置在固持件上，諸如，關於第1A圖、第1B圖及第1C圖所描述之固持件103。
在操作期間，電子束產生器202產生導向一或更多個鑄錠208之電子束204。電子束204使鑄錠208之材料熔化，且為每一鑄錠208形成在熔池206與一或更多個電子束產生器202之間的蒸汽羽流210。塗層經由蒸汽羽流210之蒸汽沉積在一或更多個基板212上。
穿過主體203安置高溫計218。雖然示出一個高溫計218，但可使用任何數目個高溫計。高溫計218可為雙波長高溫計。如圖所示，高溫計218延伸穿過主體203。然而，高溫計218可定位在製程容積230中或在主體203之外。
高溫計218可用以經由形成在主體203中之視窗（未示出）量測製程容積230中之溫度。高溫計218可監控腔室內襯（未示出）、固持件（諸如，關於第1A圖、第1B圖及第1C圖所描述之固持件103）、基板212中之一或更多者以及塗佈腔室200之其他部件的溫度。一或更多個額外高溫計（未示出）可安置在裝載腔室中，諸如，關於第1A圖及第1B圖所論述之裝載腔室106、106A及106B。
穿過主體203安置紅外線成像設備222。在可與以上所論述之一或更多個實施例相組合的一個實施例中，紅外線成像設備222可為短波長紅外線成像設備(short wavelength infrared imaging; SWIR)。在可與以上所論述之一或更多個實施例相組合的一個實施例中，紅外線成像設備222被安置成與熔池206相鄰，以監控熔池206之溫度並偵測熔池206之沸騰或噴發。熔池206中之鑄錠208材料的噴發可導致蒸汽羽流210之偏離，從而導致沉積在基板212上之不均勻塗層。
紅外線成像設備222可安置在製程容積230中之其他位置處，或在主體203周圍。在一些實施例中，一或更多個紅外線成像設備安置在預熱腔室中，諸如，關於第1A圖、第1B圖及第1C圖所描述之預熱腔室104、104A及104B。紅外線成像設備222亦可用以監控腔室內襯、固持件103、基板212以及塗佈腔室200之其他部件的溫度。
控制器220耦接至電子束產生器202、高溫計218及紅外線成像設備222。控制器220亦可耦接至固持件103。在操作中，控制器220接收來自監控設備218、222之信號。基於該等信號，控制器220決定並調整基板212在支架142、144及軸105上旋轉之速度。該等信號可指示熔池之溫度。控制器220可決定熔池206是否過熱，且藉由減小相應的電子束產生器202之功率來調整熔池206之溫度。
雖然第2圖中繪示出了高溫計218及紅外線成像設備222兩者，但高溫計218及紅外線成像設備222中之每一者可單獨地與塗佈腔室200一起使用。高溫計215及紅外線成像設備222中之每一者實現了在塗佈腔室200中所執行之塗佈製程之改良的塗佈能力。舉例而言，基板212之溫度或塗佈速率可用以決定基板212之旋轉速度。亦即，控制器220可基於量測到的資料來調整基板212或固持件之旋轉速度。
複數個基板212之第一側214面向熔池206。複數個基板212之第二側216與第一側相對且面向電子束產生器202。複數個基板之第一側214上的溫度高於第二側216上之溫度。舉例而言，第一側214上之溫度可在約攝氏950度與約攝氏1200度之間，諸如，約攝氏1075度。第二側216上之溫度可在約攝氏850度與約攝氏1100度之間，諸如，約攝氏975度。
第一側214與第二側216之間溫度的差異可歸因於第一側214接近熔池206，該熔池206可處在約攝氏2500度與約攝氏5000度之間的溫度下，諸如，約攝氏3000度。溫度差異可導致不均勻的塗層沉積在複數個基板212上。為了減少不均勻塗層的發生，複數個基板212沿一或更多個軸線旋轉。
第3圖為根據一些實施例之探針300的示意圖。探針300耦接至塗佈腔室102。探針包括軸302、環繞軸302之殼體306，以及將殼體306耦接至塗佈腔室102之凸緣314。軸302沿殼體306之內部自第一末端350延伸至與第一末端350相對之第二末端352。軸302之第二末端352與塗佈腔室102相鄰。在可與以上所論述之一或更多個實施例相組合的一個實施例中，殼體306為圓柱形的。
測試結構304安置在軸302之第二末端352處。在可與以上所論述之一或更多個實施例相組合的一些實施例中，測試結構304為圓柱形的。在可與以上所論述之一或更多個實施例相組合的其他實施例中，測試結構304可為另一幾何形狀。在可與以上所論述之一或更多個實施例相組合的一些實施例中，測試結構304係由與被處理之基板（諸如，以上關於第1B圖及第2圖所論述之基板132、135及212）相同的材料製造。
可製造測試結構304，以使得沉積在測試結構304上之塗層可大體上等同於沉積在待處理之基板上的塗層。舉例而言，測試結構304可被製造成包括將處理之基板的一或更多個特徵，諸如，薄壁、空腔、凹槽、孔洞、通道、槽或其他特徵。
在可與以上所論述之一或更多個實施例相組合的一些實施例中，一或更多個感測器（未示出）可內嵌在測試結構304中。測試結構304中之一或更多個感測器可量測並監控沉積在測試結構304上之塗層的溫度、塗層厚度或速率。舉例而言，熱電偶或石英晶體可內嵌在測試結構304中。
致動器（未示出）耦接至軸302。軸302沿殼體306移動，以使得軸延伸至塗佈腔室102之製程容積120中。亦即，致動器使得測試結構304能夠在處理期間定位在蒸汽羽流210中。因此，在處理期間，汽化之塗層材料沉積在測試結構304上。控制器322可耦接至致動器以控制探針300之移動。
在定位在羽流210中一段時間之後，測試結構304經由凸緣314縮回至殼體306中。測試結構304定位在量測系統360中。量測系統360包括第一雷射源318、第二雷射源316，及控制器322。第一雷射源318及第二雷射源316安置在探針300之相對側上，且與第一窗口310及第二窗口312對準。第一雷射源與第一窗口310相鄰，且第二雷射源316與第二窗口312相鄰。
一旦測試結構304已對準，控制器322便啟動第一雷射源318及第二雷射源316以量測沉積在測試結構304上之塗層的厚度。藉由決定在塗佈之前雷射源318、316與測試結構304的表面之間的第一距離與在處理期間雷射源318、316與測試結構304上之塗層的表面之間的第二距離之間的差，來量測測試結構上之塗層的厚度。測試結構304上之塗層的厚度可由控制器322計算，或可將量測值提供至中央處理單元（未示出）以執行計算。
若塗層之量測厚度滿足目標塗層厚度，則已滿足塗佈製程之終點，且塗佈製程完成。然而，若塗層之量測厚度不滿足目標塗層厚度，則測試結構304重新延伸至塗佈腔室中，以使得可在其上沉積額外厚度之塗層。亦即，重複塗佈製程及厚度量測，直至塗層厚度滿足目標塗層厚度為止。
在可與以上所論述之一或更多個實施例相組合的一個實施例中，冷卻外套308與殼體306之外直徑相鄰。冷卻流體（諸如，水）可流經冷卻外套308，以降低在其中之殼體306及軸302的溫度。冷卻外套308防止殼體306及軸302過熱，該過熱可導致量測系統360之一或更多個部件的損壞。
探針300使得能夠決定塗佈製程的進展，而不會結束塗佈製程。探針300實質上減少了塗佈製程在正處理的基板上沉積了足夠厚度之塗層之前終止的發生。可與探針300及量測系統360組合地使用一或更多個額外感測器。舉例而言，可利用高溫計218及紅外線成像設備222（關於第2圖所論述）中之一或更多者。沉積在測試結構304上之塗層的厚度量測值大體上類似於沉積在被處理之一或更多個基板（例如，以上所論述之基板132、135及212）上的塗層之厚度。
第4圖為根據一些實施例之替代探針400的示意圖。替代探針400類似於關於第3圖所論述之探針，不同之處在於以下所論述之態樣。
量測系統402包括第一雷射源404、二向色鏡406、顯微鏡物鏡408，及拉曼(Raman)光譜儀410。控制器412耦接至第一雷射源404並控制第一雷射源404之輸出。控制器亦耦接至拉曼光譜儀410，以控制拉曼光譜儀410所執行之量測。
在操作中，測試結構304自製程容積120縮回，且在第一窗口310與第二窗口312之間對準。雷射能量（亦即，電磁輻射）係由第一雷射源404輸出，且照射測試結構304之表面（包括沉積於其上之任何塗層）。顯微鏡物鏡408將雷射能量聚焦至測試結構304之表面的特定部分。
一些雷射能量被反射離開測試結構304之表面（或安置於其上之塗層）返回至二向色鏡406。二向色鏡406將反射的能量重新導向至拉曼光譜儀410。拉曼光譜儀410量測安置在測試結構304上之塗層的結構及成分。
來自拉曼光譜儀410之量測值用以決定沉積在測試結構上之塗層（以及因此沉積在基板132、135及212上之塗層）是否滿足目標結構及目標成分。若不滿足目標結構及成分，則控制器412或耦接至控制器412之CPU可決定是否應增大塗層的厚度，或是否應移除基板上之塗層並在其上塗覆新塗層。
可與探針300及量測系統402組合地使用一或更多個其他感測器。舉例而言，可利用高溫計218及紅外線成像設備222（關於第2圖所論述）中之一或更多者以及量測系統360（關於第3圖所論述）。有利地，量測系統402使得能夠監控沉積在基板（諸如，以上所論述之基板132、135及212）上之塗層的結構及成分。
第5圖為根據一些實施例之量測系統500的示意圖。量測系統500類似於量測系統360，不同之處在於，量測系統500量測沉積在將處理之一或更多個基板212上之塗層的厚度，而非沉積在測試結構304上之塗層的厚度。
量測系統500包括安置於塗佈腔室102之相對側上的第一雷射源502及第二雷射源504。第一雷射源502及第二雷射源504與將處理之一或更多個基板212中的至少一者對準。第一雷射源502及第二雷射源504中之每一者耦接至控制器508。
在可與以上所論述之一或更多個實施例相組合的一個實施例中，控制器508可為與關於第2圖所論述之控制器220分離的控制器。控制器508亦可表示控制器220。亦即，儘管未在第5圖中示出，但控制器508可耦接至電子束產生器202、高溫計218及紅外線成像設備222。
在操作中，量測系統500可用以執行量測操作，以決定沉積在一或更多個基板212上之塗層的厚度。控制器508決定量測系統500何時執行量測操作。舉例而言，量測系統500可在塗佈製程期間以特定時間間隔執行量測操作。量測系統500亦可在塗佈操作期間連續地執行量測操作。
量測系統500所執行之量測操作包括在塗佈操作之前決定第一雷射源502或第二雷射源504與一或更多個基板212中之至少一者之間的第一距離。一旦塗佈操作已開始，量測系統500便決定第一雷射源502或第二雷射源504與一或更多個基板212中之至少一者之間的第二距離。塗層厚度為第二距離與第一距離之間的差。
有利地，量測系統500提供沉積於一或更多個基板212上之塗層的即時厚度量測。因此，可以最小的中斷或停機時間來執行塗佈製程。因此，量測系統500提高了塗佈製程之效率。可與一或更多個其他感測器（諸如，關於第2圖所論述之高溫計218及紅外線成像設備222中的一或更多者）、關於第3圖所論述之量測系統360以及關於第4圖所論述之量測系統402組合地使用量測系統500。
第6圖為根據一些實施例之塗佈腔室600的示意圖。塗佈腔室600類似於以上所論述之塗佈腔室102及200。塗佈腔室600包括安置於其中之一或更多個石英晶體監控器602。亦即，一或更多個石英晶體監控器602係安置在羽流210中或與羽流210相鄰。
一或更多個石英晶體監控器602包括振蕩石英晶體。當塗層沉積在晶體上時，晶體之振蕩速率（例如，頻率）改變。振蕩速率的變化用以決定塗層之沉積速率。沉積速率用以決定沉積在基板212上之塗層的厚度。沉積速率亦可用以決定蒸汽羽流210之分佈及溫度。
控制器604耦接至一或更多個石英晶體監控器602中之每一者。控制器接收來自一或更多個石英晶體監控器602之信號，並決定在一或更多個石英晶體監控器602中的每一者上之塗層的沉積速率。控制器604可對應於以上所論述之控制器220、322、412及508中之一或更多者。在可與以上所論述之一或更多個實施例相組合的一個實施例中，控制器604可與以上所論述之控制器220、322、412及508中的一或更多者分離並耦接至該一或更多者。
第7圖為根據一些實施例之描繪用於監控沉積於基板上之塗層的厚度之操作700的流程圖。操作700以其中在安置於塗佈腔室中之複數個基板上啟動塗佈製程的操作開始。該塗佈腔室可對應於以上所論述之塗佈腔室102及200。複數個基板可對應於以上所論述之基板132、135及212。
在操作704處，沉積在複數個基板上之塗層的厚度。可使用一或更多個感測器或量測系統（諸如，以上所論述之高溫計218、紅外線成像設備222、量測系統360、量測系統402或量測系統500）來決定塗層之厚度。
在操作706處，決定塗層之厚度是否滿足目標塗層厚度。一或更多個控制器（諸如，控制器220、322、412、508及604）可基於來自感測器及量測系統中之一或更多者的資料來決定是否滿足目標塗層厚度。若塗層厚度不滿足目標塗層厚度，則重複操作702至706，直至滿足目標塗層厚度為止。
在決定滿足了目標塗層厚度之後，偵測到塗佈製程之終點，且針對複數個基板之塗佈製程完成。可針對額外複數個基板重複操作700。
第8圖為根據一些實施例之描繪用於監控沉積於基板上之塗層的厚度之操作800的流程圖。操作800在操作802處開始，此處在探針上之測試結構（諸如，關於第3圖及第4圖所論述之探針300及測試結構304）與外殼內之第一雷射源及第二雷射源（諸如，分別關於第3圖所論述之第一雷射源318及第二雷射源316）對準。
在操作804處，決定第一雷射源與測試結構之表面之間的第一距離，並決定第二雷射源與測試結構之另一表面之間的第二距離。
在操作806處，將探針及測試結構延伸至塗佈腔室中。測試結構延伸至塗佈腔室中，使得測試結構定位在與將處理之一或更多個基板相鄰之蒸汽羽流內，諸如，以上所論述之蒸汽羽流210及基板132、153及212。
在操作808處，在一或更多個基板上執行塗佈製程。在塗佈製程期間沉積在一或更多個基板上之塗層亦沉積在測試結構上。
在操作810處，探針及測試結構縮回至外殼中。測試結構對準在第一雷射源與第二雷射源之間。
在操作812處，決定第一雷射源與沉積在測試結構上的塗層之表面之間的第三距離，並決定第二雷射源與沉積在測試結構上的塗層之另一表面之間的第四距離。
在操作814處，決定第一距離與第三距離之間的第一差。決定第二距離與第四距離之間的第二差。將第一差及第二差與目標塗層厚度進行比較。若第一差或第二差不滿足目標塗層厚度，則重複操作806至814。
在決定第一差及第二差滿足了目標塗層厚度之後，達到塗佈製程之終點，且塗佈製程完成，並自塗佈腔室移除基板。
第9圖為根據一些實施例之描繪用於監控在塗佈腔室中所執行之塗佈程序的各種參數之操作900的流程圖。操作900在操作902處開始，此處啟動塗佈製程以在複數個基板上沉積塗層。
在操作904處，塗佈腔室中之一或更多個感測器量測塗佈腔室中之溫度。舉例而言，一或更多個高溫計（諸如，關於第2圖所論述之高溫計218）或探針（諸如，關於第3圖所論述之探針300）可用以量測複數個基板、腔室內襯、蒸汽羽流、基板固持件或塗佈腔室之其他部件的溫度。量測到之溫度被傳輸至耦接至感測器或探針之控制器。或者或另外，量測到之溫度亦可被傳輸至耦接至感測器或探針之中央處理單元。
在操作906處，控制器及/或中央處理單元決定量測到之溫度是否滿足（例如，小於）溫度閾值。若量測到之溫度未能滿足溫度閾值，則在操作908處，控制器及/或中央處理單元減小電子束產生器（諸如，關於第2圖、第5圖及第6圖所論述之電子束產生器202）之功率。一旦電子束產生器之功率減小，便重複操作904至906，直至量測到之溫度滿足溫度閾值為止。
一旦量測到之溫度滿足溫度閾值，便在操作910處監控塗佈腔室中之熔池。使用紅外線成像設備（諸如，關於第2圖所論述之紅外線成像設備222）來監控熔池。信號自紅外線成像設備傳輸至控制器及/或中央處理單元。
在操作912處，控制器及/或中央處理單元決定熔池之內容物是否沸騰或噴發。若熔池之內容物沸騰或噴發，則在操作908處，控制器及/或中央處理單元減小電子束產生器之功率。減小電子束產生器之功率會降低熔池之內容物的溫度。一旦電子束產生器之功率減小，便重複操作904至912。
在決定熔池之內容物未沸騰或噴發之後，在操作914處，量測沉積在複數個基板上之塗層的厚度。可使用探針及/或量測系統（諸如，關於第3圖及第4圖所論述之探針300以及關於第5圖及第6圖所論述之量測系統500及/或600）來量測塗層之厚度。量測值被傳輸至控制器及/或中央處理單元。
在操作916處，控制器及/或中央處理單元決定量測到之厚度是否滿足目標塗層厚度。
若量測到之厚度不滿足目標塗層厚度，則在操作918處，控制器及/或中央處理單元決定是否需要改變一或更多個塗佈參數。舉例而言，控制器及/或中央處理單元可決定應改變溫度、電子束產生器之功率或一或更多個基板之旋轉速度中的一或更多者。
若不需要改變塗佈參數，則重複操作902至916，以使得額外塗層沉積在複數個基板上。若確實需要改變一或更多個塗佈參數，則在操作920處，控制器及/或中央處理單元識別出哪一（哪些）參數需要改變。
在操作922處，控制器及/或中央處理單元改變所識別之（若干）塗佈參數。一旦改變了（若干）塗佈參數，便重複操作902至916，直至量測到之塗層厚度滿足目標塗層厚度為止。當在操作916處決定量測到之塗層厚度滿足目標塗層厚度之後，達到塗佈製程之終點，且塗佈製程完成。
可針對額外塗層材料重複操作900。舉例而言，可向熔池添加或代替不同的塗層材料，以將額外塗層沉積至複數個基板。不同塗層材料之塗佈製程的終點可在與藉由原始塗層材料執行之塗佈製程不同的時間長度之後。
100:系統 101:載體系統 101A:第一載體系統 101B:第二載體系統 101C:第三載體系統 101D:第四載體系統 102:塗佈腔室 103:固持件 103A:固持件 103B:固持件 103C:固持件 103D:固持件 104:預熱腔室 104A:第一預熱腔室 104B:第二預熱腔室 105:軸 105A:軸 105B:軸 105C:軸 105D:軸 106:裝載腔室 106A:第一裝載腔室 106B:第二裝載腔室 107:驅動機構 107A:驅動機構 107B:驅動機構 107C:驅動機構 107D:驅動機構 108:閥 108A:閥 108B:閥 110:閥 110A:閥 110B:閥 112:開口 114:開口 116:開口 118:開口 120:容積 122:容積 124:容積 126:電子束產生器 130:系統 132:基板 134:第一臂 135:基板 136:第二臂 138:第一連接件 140:第二連接件 142:第一支架 144:第二支架 146:中心軸線 148:中心軸線 150:中心軸線 153:基板 200:塗佈腔室 202:電子束產生器 203:主體 204:電子束 206:熔池 208:鑄錠 210:蒸汽羽流 212:基板 214:第一側 216:第二側 218:高溫計 220:控制器 222:紅外線成像設備 230:容積 300:探針 302:軸 304:測試結構 306:殼體 308:冷卻外套 310:第一窗口 312:第二窗口 314:凸緣 316:第二雷射源 318:第一雷射源 322:控制器 350:第一末端 352:第二末端 360:量測系統 400:替代探針 402:量測系統 404:第一雷射源 406:二向色鏡 408:顯微鏡物鏡 410:拉曼光譜儀 412:控制器 500:量測系統 502:第一雷射源 504:第二雷射源 508:控制器 600:塗佈腔室 602:石英晶體監控器 604:控制器 700:操作 702:操作 704:操作 706:操作 708:操作 800:操作 802:操作 804:操作 806:操作 808:操作 810:操作 812:操作 814:操作 900:操作 902:操作 904:操作 906:操作 908:操作 910:操作 912:操作 914:操作 916:操作 918:操作 920:操作 922:操作
因此，可詳細地理解本揭示案之上述特徵的方式，可藉由參考實施例來獲得以上簡要概述的本揭示案之更特定描述，一些實施例在附加圖式中加以繪示。然而，應注意，附加圖式僅繪示例示性實施例，且因此不應視為對本揭示案之範疇的限制，因為本揭示案可允許其他同等有效之實施例。
第1A圖為根據一些實施例之部分系統（諸如，EBPVD系統）的示意圖。
第1B圖為根據一些實施例之系統（諸如，EBPVD系統）的示意圖。
第1C圖為根據一些實施例之工件固持件的示意圖。
第2圖為根據一些實施例之塗佈腔室的示意圖。
第3圖為根據一些實施例之探針的示意圖。
第4圖為根據一些實施例之替代探針的示意圖。
第5圖為根據一些實施例之塗佈腔室的示意圖。
第6圖為根據一些實施例之塗佈腔室的示意圖。
第7圖為根據一些實施例之描繪用於監控沉積在基板上之塗層的厚度之操作的流程圖。
第8圖為根據一些實施例之描繪用於監控沉積在基板上之塗層的厚度之操作的流程圖。
第9圖為根據一些實施例之描繪用於監控在塗佈腔室中所執行之塗佈程序的各種參數之操作的流程圖。
為了便於理解，在可能的情況下，已使用相同元件符號來表示諸圖中所共有之相同元件。預期一個實施例之元件及特徵可有益地併入其他實施例中而無需進一步敘述。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
100:系統
101:載體系統
102:塗佈腔室
103:固持件
104:預熱腔室
105:軸
106:裝載腔室
107:驅動機構
108:閥
110:閥
112:開口
114:開口
116:開口
118:開口
120:容積
122:容積
124:容積
126:電子束產生器

Claims (20)

  1. 一種用於偵測一塗佈製程之一終點的方法，該方法包括以下步驟： 量測被處理之複數個基板的一溫度； 比較該量測到之溫度與一溫度閾值； 在決定該量測到之溫度不滿足該溫度閾值之後，調整該塗佈製程之一參數； 在決定該量測到之溫度滿足該溫度閾值之後，量測沉積在該複數個基板上之一塗層的一厚度； 比較該量測到之塗層厚度與一目標塗層厚度；以及 在決定該量測到之塗層厚度不滿足該目標塗層厚度之後，在該複數個基板上沉積一額外厚度之該塗層。
  2. 如請求項1所述之方法，進一步包括以下步驟： 在決定該量測到之塗層厚度滿足該目標塗層厚度之後，識別出該塗佈製程之一終點。
  3. 如請求項1所述之方法，其中該塗佈製程之該參數包括該複數個基板之一或更多個旋轉軸線、該複數個基板之一旋轉速度以及提供給一或更多個電子束產生器之一功率中的至少一者。
  4. 如請求項1所述之方法，進一步包括以下步驟： 在該塗佈製程期間使該複數個基板中之每一基板沿一個以上軸線旋轉。
  5. 如請求項1所述之方法，其中沉積在該複數個基板上之該塗層的該厚度係藉由一測試結構上之該塗層決定的。
  6. 如請求項1所述之方法，其中沉積在該複數個基板上之該塗層的該厚度係藉由在一或更多個石英晶體監控器上沉積該塗層決定的。
  7. 如請求項1所述之方法，其中該複數個基板之該溫度係藉由一或更多個高溫計量測的。
  8. 一種量測一塗層厚度之方法，包括以下步驟： 使安置在一探針上之一測試結構對準在一第一窗口與一第二窗口之間； 量測穿過該第一窗口之一第一雷射源與該測試結構之一第一表面之間的一第一距離； 量測穿過該第二窗口之一第二雷射源與該測試結構之一第二表面之間的一第二距離； 將該探針延伸至一製程腔室中，在該製程腔室中將一塗層塗覆至複數個基板及該測試結構； 使該探針自該製程腔室縮回以使該測試結構對準在該第一窗口與該第二窗口之間； 量測該第一雷射源與沉積在該測試結構的該第一表面上之該塗層的一表面之間的一第三距離； 量測該第二雷射源與沉積在該測試結構的該第二表面上之該塗層的一表面之間的一第四距離； 決定該第一距離與該第三距離之間的一第一差； 決定該第二距離與該第四距離之間的一第二差； 基於該第一差及該第二差來決定該塗層之一厚度； 比較該塗層之該厚度與一目標塗層厚度；以及 在決定該塗層之該厚度滿足該目標塗層厚度之後，識別出在該複數個基板上所執行之一塗佈製程的一終點。
  9. 如請求項8所述之方法，進一步包括以下步驟： 藉由使一冷卻流體流過環繞該探針之一冷卻外套來維持該探針的一溫度。
  10. 如請求項9所述之方法，進一步包括以下步驟： 經由大體上平行於該探針之一第三雷射源來決定沉積在該複數個基板上之該塗層的一厚度。
  11. 如請求項10所述之方法，進一步包括以下步驟： 在該使該探針延伸至一製程腔室中之前，決定一石英晶體監控器之一第一振蕩速率；以及 在該使該探針自該製程腔室縮回之後，決定該石英晶體監控器之一第二振蕩速率； 決定該第一振蕩速率與該第二振蕩速率之間的一第三差；以及 基於該第三差來決定該塗層的一厚度。
  12. 如請求項8所述之方法，進一步包括以下步驟： 經由安置在該製程腔室中之一或更多個高溫計來量測該製程腔室中之該複數個基板的一溫度。
  13. 如請求項8所述之方法，其中在該縮回、量測該第三距離及該第四距離、決定以及比較操作期間，該塗層連續地沉積在該複數個基板上。
  14. 一種製程腔室，包括： 一主體，限定在其中之一製程容積； 一熔池，安置在該製程容積中，具有安置於其中之一或更多個鑄錠； 一或更多個電子束產生器，安置成與該熔池相對； 複數個基板，安置在該製程容積中，在該一或更多個電子束產生器與該熔池之間； 一探針組件，包括： 一外殼，具有一第一窗口及與該第一窗口相對之一第二窗口，該第一窗口及該第二窗口與該主體相鄰； 一軸，安置在該外殼中；以及 一測試結構，安置在該軸上；以及 一控制器，經配置以執行以下操作： 使該外殼中之該測試結構對準在該第一窗口與該第二窗口之間； 使該複數個基板中之每一基板圍繞一個以上軸線旋轉； 藉由控制提供給該一或更多個電子束產生器之一功率使該一或更多個鑄錠汽化，以產生環繞該複數個基板之一蒸汽羽流； 使該測試結構延伸至該蒸汽羽流中； 使該測試結構縮回至該外殼中； 使該測試結構對準在該第一窗口與該第二窗口之間； 決定沉積在該測試結構上之一塗層之一厚度；以及 在決定該塗層之該厚度滿足一目標塗層厚度之後，識別出用於該複數個基板之一塗佈製程的一終點。
  15. 如請求項14所述之製程腔室，進一步包括： 一致動器，耦接至該軸，其中該控制器耦接至該致動器。
  16. 如請求項14所述之製程腔室，進一步包括： 一或更多個高溫計，安置成與該主體相鄰。
  17. 如請求項16所述之製程腔室，該探針組件進一步包括： 一二向色鏡； 一顯微鏡物鏡，安置在該二向色鏡與該第一窗口之間；以及 一拉曼光譜儀，與該二向色鏡對準，該拉曼光譜儀耦接至該控制器。
  18. 如請求項17所述之製程腔室，進一步包括： 一紅外線成像設備，用於監控該熔池之內容物的一行為。
  19. 如請求項18所述之製程腔室，其中該控制器之該等操作進一步包括： 使用該拉曼光譜儀決定該塗層之一成分；以及 在決定該成分未能滿足一目標成分之後，調整該塗佈製程之一或更多個參數。
  20. 如請求項19所述之製程腔室，其中該一或更多個參數包括該複數個基板之一或更多個旋轉軸線、該複數個基板之一旋轉速度、該一或更多個鑄錠之一成分，以及提供給該一或更多個電子束產生器之一功率中的至少一者。
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