TWI473900B - 直線型掃描濺射系統及方法 - Google Patents

Description

直線型掃描濺射系統及方法

本案主張美國臨時申請案(Provisional Application)61/556,154號，申請日2011年11月4日之優先權，該案的全部揭露併入本案作為參考。

本件申請是關於濺射系統，例如在製備集成電路、太陽能電池、平板顯示器等過程的基板薄膜沉積時所使用的濺射系統。

濺射系統為領域中所熟知。美國專利5,873,989揭露了一個具備線型掃描磁控管的濺射系統的例子。在這樣的系統中，其中一個要解決的問題是基板上形成薄膜的均勻度。在這樣的系統另一個要解決的問題是靶材利用率。特別是，既然線型磁控管的磁鐵來回掃描，過多的濺射會發生在靶材的兩個邊緣，而產生兩道沿著(平行於)掃描方向的深槽。因此，即使靶材大部分的表面仍可使用，靶材仍須替換。在上述引用的’989號專利中，揭露了許多用以防止這種現象產生之方法。

然而，另一個關於掃描週期之間所生侵蝕之靶材利用率問題並未於先前技術中發現。即當磁鐵到達靶材的一端時，掃描方向會反轉。為了達成薄膜的均勻，’989號專利建議於接近靶材任一末端時，降低掃描速度。然而，此會導致靶材濺射增加，致使靶材兩端有過多的侵蝕，其方向與掃描方向垂直。

依此，在領域中有使薄膜沉積均勻及增加靶材利用率之濺射系統之需求。

以下發明簡述提供作為對本發明數種面向及技術特徵之基本理解。發明簡述並非對本發明之廣泛介紹，也因此並非用來特別指出本發明之關鍵性或是重要元件，也非用來界定本發明之範圍。其唯一目的僅在以簡單之方式展示本發明之數種概念，並作為以下發明詳細說明之前言。

本發明揭露一個提高基板上薄膜形成均勻度，並增加產率的濺射系統及方法。在一實施例中，提供了一個使基板持續在濺射靶材前移動的系統。磁控管是以至少高於基板移動速度數倍的速度來回線性掃描。磁控管先以同於基板運動方向掃描，而後以反方向掃描。並一再重複。在移運動中，磁控管大部分時間是以恆定的速度移動。然而，於到達其移動之末端時即減速。然後，於開始往相反方向移動時，又加速直至達到恆定速度時止。在一實施例中，此減速/加速為0.5g，而在另一實施例為1g。此種設計提高了靶材之利用率。根據另一實施例，磁控管的轉折點在連續掃描時會改變，而此定義出一回轉帶。此種作法亦對提高靶材之利用率有幫助。

本發明提供一種濺射系統，該濺射系統包含具有插入埠及引出埠之處理腔室，以及一設置於處理腔室壁之濺射靶材。一可移動之磁鐵裝置設置於一濺射靶材之後，並往復滑動於靶材之後。一輸送帶連續以一恆定速度傳輸多數基板通過濺射靶材，以至於在任何給定時間，於靶材前緣及後緣間有數個基板面對靶材。可移動之磁鐵裝置以至少比輸送帶之恆定速度快數倍之速度滑動。一回轉帶定義於靶材前緣及後緣之後方，其中當磁鐵裝置進入到回轉帶時減速，並於回轉帶內反轉滑動方向後加速。

100、105、110‧‧‧腔

102、104、106‧‧‧真空泵

120‧‧‧載具

121‧‧‧滾輪

110‧‧‧軌道

122、124、126‧‧‧傳輸部分

132、134、136‧‧‧處理部分

150‧‧‧基板

200、205、210‧‧‧腔

202、206‧‧‧隔離閥

242、244、246‧‧‧可移動磁控管

242’、244’、246’‧‧‧線性軌道

262‧‧‧靶材

263‧‧‧靶材前緣

267‧‧‧靶材後緣

320‧‧‧載具

321‧‧‧滾輪

324‧‧‧軌道

326‧‧‧線性馬達

344‧‧‧可移動磁控管

350‧‧‧基板

364‧‧‧靶材

444‧‧‧磁控管

447‧‧‧電極

450‧‧‧磁片

464‧‧‧靶材

500、540‧‧‧大氣側輸送帶

505、535‧‧‧低真空晶圓裝載

510、530‧‧‧高真空晶圓裝載

515、525‧‧‧轉送腔室

520‧‧‧連續腔室

525‧‧‧轉送腔室

522‧‧‧輸送腔

622‧‧‧電漿

640‧‧‧傳輸帶

644‧‧‧可移動磁控管

650‧‧‧基板

664‧‧‧靶材組件

所附的圖式納入本件專利說明書中，並成為其一部份，是用來例示數種實施例，並與本案的說明內容共同用來說明及展示本發明的原理。圖式的目的只在以圖形方式例示本發明實施例的主要特徵。圖式並不是用來顯示實際上的範例的全部特徵，也不是用來表示其中各元件之相對尺寸，或其比例。

圖1顯示根據本發明一實施例，利用濺射磁控管處理基板之系統之一部。

圖2顯示沿著圖1中之A-A線所見之截面。

圖3顯示沿著圖1中之B-B線所見之截面。

圖4顯示另一個實施例，其中基板被一個持續以恆定速度移動之輸送帶支持於其上。

圖5顯示一如圖4所見利用濺射腔室之系統結構之例。

第6圖顯示根據本發明一實施例拾取吸盤之示意圖。

圖7A至7D為顯示在恆定的晶圓傳輸速度下，以不同磁鐵掃描速度所得之沉積均勻度之圖表。

圖8A顯示當磁鐵掃描速度提高時，均勻度降低狀況之圖表。

圖8B顯示於磁鐵掃描速度高於掃瞄速度時，於薄膜沉積均勻性產生異常特性之關係圖。

圖8C為圖8B圈起部分之放大圖。

以下將參照圖式說明本發明濺射系統之實施例。不同的實施例得用以處理不同基板或獲得不同效益，例如產率、薄膜均勻度、靶材利用率等等。根據欲獲得之結果，於此揭露之不同特性可以部分或全部、單獨或結合利用，在需求與限制之間獲得平衡的效益。因此，參照不同實施例中若干效益會被突顯，但不限於所揭露之實施例。

圖1顯示根據本發明之一實施例，利用濺射磁控管處理基板之系統之一部。如圖1中雖顯示3個腔室100、105以及110，但圖中每一側之3點表示可以使用任意數量之腔室。此外，雖然此處顯示三個具體腔室，但此處所示使用之腔室排列並非強制。相反的，其他腔室排列也可以使用在本發明，且於所示之腔室間，也可以插入其他類型之腔室。例如，第一腔室100可以為晶圓裝載腔，第二腔室105可為濺射腔室，以及第三 腔室110可為另一個裝載腔。

為了說明起見，在圖1的例子中，3個腔室100、105以及110均為濺射腔室；每個腔室均由其專屬之真空泵102、104、106抽真空。每一個處理腔室都有傳輸部分122、124以及126，以及一個處理部分132、134及136。基板150係裝載於基板載具120上。在此實施例中，基板150是從其邊緣處托住，即載具並未與基板表面有任何接觸。這是因為製程中要將靶材濺鍍到基板兩側之兩個表面。載具120有一組滾輪121，可在軌道(圖1中未顯示)上滑行。在一實施例中，滾輪是經過磁化，以提高其吸附力以及穩定性。載具120在設置於傳輸部分之軌道上滑行，以基板定位到處理部分。在一實施例中，動力是由外部利用線性馬達裝置(並未在圖1中顯示)提供予載具120。雖然圖中顯示3個腔室100、105及110均為濺射腔室，但可理解該載具120是經由一裝載機構進入及離開系統。

圖2顯示出沿著圖1中之A-A線所見之截面。為簡化起見，在圖2中只顯示基板250，並未顯示載具，但應當理解的是，在圖1所進行的製程全部過程中，基板250均保持在基板載具120上，而且由基板載具連續的在腔室與腔室間，以如圖2之箭頭所示之方向載送。在此說明的實施例中，在每一腔室200、205及210內，基板250之處理是對其兩面進行。同時，圖2所示的阻隔閥202、206於製備時隔離每一腔室。然而，由於在一實施例中，基板是持續移動，阻隔閥可以用簡單的閘門取代或予以省略。

每一腔室都包含了移動的磁控管242、244及246，均裝設於線性軌道242’、244’、246’上，如此其可以雙箭頭所示之方向，以電漿掃描靶材262表面。當基板以載具傳輸至腔室內後，磁鐵持續來回掃描。磁鐵242部分如圖所示，當磁鐵到達靶材262之前緣263時，就會反轉方向而朝向靶材262後緣267之方向前進。當它到達後緣267時，會再一次反轉方向，而朝向前緣263之方向掃描。此掃描過程是持續重複的。

圖3顯示出沿著圖1中之B-B線所見之截面。可看出基板350是裝載於載具320上。載具320具備可於軌道324上滑行之滾輪321。 滾輪321可具有磁性，在此情形軌道324可利用順磁性材質製成。雖然可以使用其他動力以及/或裝置傳動，但於此實施例之載具係利用線性馬達326來移動。將腔室抽真空，並將前驅氣體，例如氬氣，提供至腔室中，以維持電漿。提供射頻(RF)偏壓能量予設置於靶材364後方之可移動磁控管344，以激發及維持電漿。

圖4顯示出另一個實施例，其中基板是以一條持續以恆定速度傳動，以進行「通過式」(pass-by)處理之輸送帶所支持。此裝置於基板僅有一側需作濺鍍時，例如在製作太陽能電池時，特別適用。舉例來說，可將數個基板並排放置，因此可同時進行處理。圖4的放大圖顯示出3個基板並排，即與箭頭所指的移動方向垂直的方向排列。於此實施例中，只要靶材464長度大於基板之尺寸，並使輸送帶持續傳輸基板在靶材464下方通過，即可同時將多數基板以行列排列方式，同時處理。譬如，當使用3行時，即3個晶圓並排，靶材的尺寸可以設計成可以處理4個基板。因基板排成3行，故可以同時處理12個基板。在此種設計下，磁控管444於靶材前緣及後源之間，以如雙箭頭所示方向線性來回移動。

圖5顯示一如圖4所見之系統之例。一大氣側輸送帶500持續運送基板至系統中，而基板隨後以輸送帶傳送至系統內，以通過一低真空晶圓裝載505、一高真空晶圓裝載510以及選用的一個轉送腔室515。而後持續在傳輸帶上移動的基板會在一個或多個連續腔室520內加工，在此所示有兩個連續腔室。基板隨後在傳輸帶上持續移動至一選用的的轉送腔室525、而後經一高真空晶圓裝載530、一低真空晶圓裝載535，再至大氣側之傳輸帶，以離開系統。

圖6顯示可移動磁控管之一實施例，可用於任何以上揭露之實施例。在圖6中，基板650以一恆定速度利用傳輸帶640移動。靶材組件664裝設在基板之上方，而可移動磁控管644則於靶材組件之後方以線性來回移動，如雙箭頭方向所示。電漿622隨磁控管移動，促使靶材的不同區域產生濺射。在此實施例中，磁控管在正常移動時，速度恆定，至少 為基板移動速度的數倍。此速度是經過計算，以使基板在通過濺射腔室之時間中，可受可動磁控管濺射數次。譬如，磁控的移動速度可為基板移動速度的5至10倍，如此當輸送帶帶動基板移動通過靶材之全長時，磁鐵已經在靶材後方來回掃描數次，致使基板上產生多層沉積。

正如圖6所示，在此實施例中，基板的長度方向定義成輸送帶的移動方向，其長度為Ls。相似的，靶材的長度定義成輸送帶的移動方向，而與磁鐵的移動方向平行，其長度為Lt。在此實施例中，靶材之長度Lt是基板長度Ls的數倍。例如，靶材長度可為基板幅度的4倍，該基板幅度定義成一個基板長度加上輸送帶上兩基板之間距S。即基板幅度P=(Ls+S)。

於靶材後的磁控管作線性移動之技術難題在於，當其到達靶材的前緣或後緣時，會停止並開始向相反方向移動。因此，相較於靶材的主表面，靶材的邊緣遠遠受到更多侵蝕。當靶材邊緣的侵蝕量超過規定時，即使靶材的中央部分仍然可以使用，仍然必須替換靶材。此技術難題可利用以下所述的幾個實施例來解決。

根據一個實施例，在靶材的前緣和後緣分別指定偏移量E和F。當磁控管達到偏移量範圍時，其即以預定的比例減速，例如0.5g、1g等等。達到偏移量的另一端時，磁控管改變行進方向，並以預定的比例加速。此於磁控管行進路徑的兩端均為之，即在靶材的前緣及後緣皆然。

根據另外一個實施例，是設定一回轉帶，例如在靶材的前緣及後緣分別指定區域E及F。當磁控管到達任一回轉帶，會於回轉區內一點改變移動方向。然而，隨著時間改變，磁控管於回轉帶內改變方向的位置有所不同。這種作法即如圖6的放大圖所示。如圖所示，在時間點t₁ 時，反轉方向的點指定為F₁ 。在時間點t₂ 時，反轉方向的點則指定為F₂ ，並比點F₁ 更接近靶材的後緣，但仍然是在指定的區域F內。在時間點t₃ 時，反轉方向的點F₃ 更進一步接近靶材的後緣，當在t_n 時間點時，F_n 開始遠離靶材後緣。然而，所有的F_i 點都位是在區域F內。相似的流程也在另一端的 區域E發生，即靶材的前緣。

反轉掃描方向點的選擇可以用各種方式來完成。舉例來說，可以在每一次、每兩次，或在x次的掃描之後，隨機的選擇下一點。反之，也可執行一個程式，其中先使回轉點在每一次掃描都向一個方向移動距離Y，直至到達區域的末端，然後點開始朝向相反端移動距離Y。另一方面，也可設計成使點的移動形成交織樣式，即先向一個方向移動Z的量，然後在下一步驟中，向相反的方向移動一個-w量，其中|w|<|Z|。

由於發現不同的掃描速度會對基板上的薄膜均勻性產生不利影響，在本發明所描述的實施例中，乃設計成使磁控管在處理過程中以一恆定速度掃描。值得注意的是，在使基板在靶材前方連續移動的設計中，在處理區域上方使磁鐵陣列作減速或加速均非有利，特別是會損及薄膜厚度均勻性的控制。

在本發明所揭露的實施例中，多數基板以傳輸帶移動可以想成是一個連續的(無限長)的基板以一恆定的速度移動。掃描速度必須進行選擇，以便使一以恆定速度移動之基板上可獲得良好的均勻性。在本發明實施例中乃利用特殊設計的開始位置、停止位置、加速及減速，以控制靶材的利用率。此設計對於移動反轉時於末端所形成的深槽，會產生加寬變淺的作用。

可以透過柱形的設計來縮小電漿路徑頂部及底部的槽深度。因為掃描是在一個相當高的速度下完成，故可使用較厚的靶材或利用更高的功率供給靶材，以將功率分散到基板的全表面。由於每一基板經過多次靶材引導的電漿通過，因此開始及停止的位置在每一次通過都可以改變，而各次掃描長度的改變對薄膜均勻性的影響，並不顯著。因此，雖然如圖6的實施例所描述，回轉帶是設定在處理區域外，但如上所述，只要基板是持續移動，此限制即非必要。相反的，回轉帶可以位在處理區域內部。

舉例來說，根據本發明一實施例的系統，是要以每小時2,400 個基板的產率製作太陽能電池。輸送帶以每秒35毫米之速度持續移動基板。磁控管以每秒至少250毫米之速度掃描，即超過基板傳輸速度的7倍。靶材及磁控管之設計使得磁控管掃描的行程大約是260毫米。所達成之薄膜均勻度可以超過97%。離加速或降速的距離大約6.4毫米時，加速或降速的速率可以設為0.5g，於距離為大約一半，可以是1g。

圖7A至7D顯示在恆定的晶圓傳輸速度下，以不同磁鐵掃描速度所得之沉積均勻度之圖表。圖7A顯示磁鐵掃描速度為晶圓傳輸速度5%時的沉積均勻性。舉例來說，當一個晶圓傳輸速度為每秒35毫米時，磁鐵掃描速度為每秒1.75毫米。如此薄膜均勻性為90%，對於如太陽能電池之設備生產，尚不符所需。當磁鐵掃描速度提高到晶圓傳輸速度的7.5%時，如圖7B所示，均勻度下降至86%。此外，當速度增加到10%時，均勻度會下降至82%，而當速度增加到12.5%時，均勻度更下降至78%。因此，圖表顯示出提高磁鐵掃描速度會導致薄膜均勻性相對下降，此表現出磁鐵掃描速度應該只能是晶圓傳輸速度的一小比例。此結論更進一步受圖8A所支持，即當磁鐵掃描速度提高時，均勻度下降。

然而，圖8A也顯示出可達到的均勻度至多大約是90%左右。正如先前所指出的，這樣的均勻度尚不符合許多加工程序的需求。因此，經過發明人潛心研究後，得到如圖8B所示的結果。圖8B顯示於磁鐵掃描速度高於晶圓傳輸速度時，於薄膜沉積均勻性產生異常特性之關係圖。雖然薄膜均勻度實際會隨磁鐵掃描速度提高而下降。然而，於達到某一點時，磁鐵掃描速度再提高，均勻度卻忽然開始改善。即當磁鐵掃描速度是晶圓傳輸速度的3倍時，均勻度達到約98%左右的最大值。此後，會觀察到均勻度有些許下降，但隨後均勻度又再次回復，並於磁鐵掃描速度大約是晶圓傳輸速度5倍或更高時，其持續保持高峰，如圖8C所描繪。圖8C為圖8B圈起部分之放大圖，顯示當速度超過晶圓傳輸速度的5倍時，均勻度維持高於97%，而於約為傳輸速度的10倍時，均勻度保持超過98%。依機械負載及機器設計的角度而言，不建議以更高的速度為之。而更高的 速度似乎也並不會對均勻度更加改善。因此，要掃描速度高於晶圓傳輸速度10倍，可能因設計複雜度及潛在更高維護之成本，而不可行。

必須說明的是，以上所述之方法及技術本質上並不限於任何特定之裝置，且可以任何適用之元件組合加以達成。此外，各種態樣之泛用性裝置也可適用在所述之發明中。本發明既已利用特定之實施例說明如上，上述之說明目的僅在例示本發明。於此行業具有普通知識、技術之人士，不難由以上之說明，衍伸出其他不同組合，而實現本發明之內容。

此外，其他實現本發明的方法對於習於斯藝之人士，也可從本案的專利說明書進行考慮，並實施所述的本發明內容，而加以達成。本發明所述的實施例所使用的數種面向及/或元件，都可以單獨使用，也可以任何方式結合。本說明書及其圖式都只能作為例示之用，本發明真正的範圍與精神，只能由以下的申請專利範圍所規範。

200、205、210‧‧‧腔

202、206‧‧‧隔離閥

242、244、246‧‧‧可移動磁控管

242'、244'、246’‧‧‧線性軌道

262‧‧‧靶材

263‧‧‧靶材前緣

267‧‧‧靶材後緣

Claims (20)

1. 一種濺射系統，包括：一處理腔室；一設置於處理腔室壁上之濺射靶材。一可移動之磁鐵裝置，設置於一濺射靶材後之線型軌道上，並可往復滑動；一基板傳輸系統，連續以一恆定速度傳輸多數基板通過濺射靶材；其中，該磁鐵在該線型軌道上滑動的速度至少比該基板傳輸恆定速度快數倍。
2. 如申請專利範圍第1項的系統，其中該磁鐵裝置滑行速度至少為該基板傳輸恆定速度之5倍。
3. 如申請專利範圍第1項的系統，其中在靶材的每一末端定義一回轉帶，且其中該磁鐵裝置進入該回轉帶後減速，且在該回轉帶內反轉滑動方向後加速。
4. 如申請專利範圍第1項的系統，其中定義一回轉帶，且其中該磁鐵裝置不同次掃描時，於回轉帶內之不同點反轉滑動方向。
5. 如申請專利範圍第1項的系統，其中定義一回轉帶，且其中該磁鐵裝置不同次掃描時，於回轉帶內之隨機選擇點反轉滑動方向。
6. 如申請專利範圍第1項的系統，其中每一基板於移動方向之長度為Ls，靶材於基板移動方向之長度為Lt，且其中靶材長度Lt長於基板長度Ls的數倍。
7. 如申請專利範圍第1項的系統，其中每一基板於移動方向之長度為Ls，與相鄰基板之距離為S，且其基板幅度定義為(Ls+S)，另靶材於基板移動方向之長度為Lt，其中靶材長度Lt是基板幅度的至少4倍。
8. 如申請專利範圍第2項的系統，其中每一基板於移動方向之長度為Ls，靶材於基板移動方向之長度為Lt，且其中靶材長度Lt是基板長度Ls的數 倍。
9. 如申請專利範圍第8項的系統，其中定義一回轉帶，且其中該磁控管於不同次掃描時，於回轉帶內之不同點反轉滑動方向。
10. 一濺射系統，包括：一處理腔室，具備一插入埠及引出埠；一設置於處理腔室壁上之濺射靶材，具有位於插入埠側之前端，及位於引出埠側之後緣；一可移動之磁鐵裝置，設置於該濺射靶材之後方，並往復滑動於該前緣及該後緣間；一輸送帶，以一恆定速度傳輸多數基板通過該濺射靶材，以使在任何給定時間，在該前緣及該後緣間有數個基板面對該靶材。
11. 如申請專利範圍第10項的系統，其中該可移動之磁鐵裝置滑動速度高於該輸送帶的恆定速度至少數倍。
12. 如申請專利範圍第11項的系統，其中該可移動之磁鐵裝置滑動速度高於該輸送帶的恆定速度至少5倍。
13. 如申請專利範圍第11項的系統，其中定義一回轉帶於靶材的前緣及後緣之外，且其中該磁鐵裝置進到回轉帶後減速，且在回轉帶內反轉滑動方向後加速。
14. 如申請專利範圍第11項的系統，其中定義一回轉帶於靶材的前緣及後緣之外，且其中磁鐵裝置於不同次掃描時，在回轉帶內之不同點反轉滑動方向。
15. 如申請專利範圍第11項的系統，其中定義一回轉帶於於靶材的前緣及後緣之外，且其中磁鐵裝置於不同次掃描時，在回轉帶內之隨機點反轉滑動方向。
16. 如申請專利範圍第11項的系統，其中定義一回轉帶於靶材的前緣及後緣之外，且其中磁鐵裝置於不同次掃描時，在回轉帶內之不同點反轉滑動方向，從而進行交織掃描。
17. 一種利用濺射處理基板的方法，包括：放置多數個基板至輸送帶上；操作輸送帶以恆定之速度輸送該多數個基板，並將該多數個基板定向以面對靶材，致使在任何給定的時間內，在靶材的前緣及後緣間有多數個基板面對靶材；往復在靶材後掃描一磁鐵裝置，同時在靶材與基板之空間維持一電漿。
18. 如申請專利範圍第17項的方法，其中往復掃描磁鐵裝置之步驟進行速度高於該輸送帶恆定速度至少數倍。
19. 如申請專利範圍第17項的方法，更包括：定義一回轉帶於該靶材的前緣及後緣之外，及該磁鐵裝置進入該回轉帶後減速，及在回轉帶內反轉滑動方向後加速之步驟。
20. 如申請專利範圍第17項的方法，更包括：定義一回轉帶於該靶材的前緣及後緣之外，且其中該磁鐵裝置於不同次掃描時，在該回轉帶內之不同點反轉該往復掃描。