TWI547576B - 陰極組件、物理氣相沉積系統與物理氣相沉積的操作方法 - Google Patents

Description

陰極組件、物理氣相沉積系統與物理氣相沉積的操作 方法

本發明是關於一種物理氣相沉積(physical vapor deposition；PVD)系統，且特別是有關於一種用於物理氣相沉積系統的陰極組件。

物理氣相沉積(physical vapor deposition；PVD)係形容不同的真空沉積方法，以凝結的方式把處於氣相狀態的所要使用的薄膜材料沉積於不同工件的表面上而成為薄膜。物理氣相沉積基本上是一種氣化塗覆的技術，其涉及原子層面的材料轉移。物理氣相沉積的方法主要涉及一些物理過程，例如高溫真空蒸發配以後續的冷凝，或是等離子濺射轟擊。

等離子濺射轟擊為一個過程，其中目標被高能量的粒子轟擊，以使原子自目標被濺射而出。被濺射而出的原子趨向沉積於真空腔室的所有表面上，因此，被放置於腔室中的基材(例如晶圓)會被塗覆一層薄膜。

本發明之一技術態樣在於提供一種用於物理氣相沉積(physical vapor deposition；PVD)系統的陰極組件。陰極組件包含目標扶持器與厚度檢測器。目標扶持器用以扶持目標，其中目標具有第一主表面與第二主表面，分別接近及遠離目標扶持器。厚度檢測器設置於目標扶持器，其中第一主表面至少部分暴露於厚度檢測器，以容許厚度檢測器通過第一主表面檢測目標之厚度。

本發明之另一技術態樣在於提供一種物理氣相沉積系統。物理氣相沉積系統包含處理腔室、目標扶持器、電源、厚度檢測器、氣體系統與支撐件。目標扶持器設置於處理腔室中，用以扶持目標。電源電性連接目標以向目標施加電壓。厚度檢測器設置於處理腔室中，用以檢測目標之厚度。氣體系統用以供應運戴氣體至處理腔室中。支撐件設置於處理腔室中，以扶持基材。

本發明之再一技術態樣在於提供一種物理氣相沉積的操作方法。物理氣相沉積的操作方法包含提供目標於真空環境中、放置基材於支撐件上，且基材面向目標、供應運戴氣體至真空環境中、施加電壓至目標、檢測目標之厚度與當厚度小於預設厚度時更換目標。

100、500‧‧‧物理氣相沉積系統

110、510‧‧‧處理腔室

120、520‧‧‧目標扶持器

130、530‧‧‧電源

140、540‧‧‧厚度檢測器

141‧‧‧波產生器

142‧‧‧波接收器

143、542‧‧‧計算單元

150、550‧‧‧氣體系統

160、560‧‧‧支撐件

170‧‧‧真空系統

180‧‧‧磁性單元

190‧‧‧轉動機制

200‧‧‧目標

210‧‧‧第一主表面

220‧‧‧第二主表面

300‧‧‧基材

541‧‧‧溫度計

G‧‧‧運戴氣體

TK‧‧‧厚度

T‧‧‧時間差

第1圖繪示依照本發明一些實施方式之物理氣相沉 積(physical vapor deposition；PVD)系統的剖面示意圖。

第2圖繪示依照本發明另一些實施方式之物理氣相沉積系統的剖面示意圖。

以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

除非另有定義，本文所使用的所有詞彙(包括技術和科學術語)具有其通常的意涵，其意涵係能夠被熟悉此領域者所理解。更進一步的說，上述之詞彙在普遍常用之字典中之定義，在本說明書的內容中應被解讀為與本發明相關領域一致的意涵。除非有特別明確定義，這些詞彙將不被解釋為理想化的或過於正式的意涵。

請參照第1圖，其繪示依照本發明一些實施方式之物理氣相沉積(physical vapor deposition；PVD)系統100的剖面示意圖。如第1圖所示，一種物理氣相沉積系統100包含處理腔室110、目標扶持器120、電源130、厚度檢測器140、氣體系統150與支撐件160。目標扶持器120設置於處理腔室110中，用以扶持目標200。電源130電性連接目標200以向目標200施加電壓。厚度檢測器140設 置於處理腔室110中，用以檢測目標200之厚度TK。氣體系統150用以供應運戴氣體G至處理腔室110中。支撐件160設置於處理腔室110中，以扶持基材300。

由於目標200的濺射容易受到污染物的影響，尤其是氧氣及水氣等氧化劑，因此，在目標200的濺射開始前，處理腔室110會先以真空系統170抽真空，以使其氣壓小於大氣壓力。如此一來，氧氣及水氣等污染物可被移除掉。在一些實施方式中，真空系統170把處理腔室110中的氣體抽走以創造出真空的環境。然而，以真空系統170創造出真空環境的方式，並非用以限制本發明。

氣體系統150用以供應運戴氣體G至處理腔室110中。技術上來說，處理腔室110中的運戴氣體G為等離子的一種，亦即為部分離子化的氣體。部分離子化的氣體的成份包含不同的電子、離子、不帶電極的份子及自由基。舉例而言，運戴氣體G可為氬氣。然而，運戴氣體G並不只限於氬氣。當物理氣相沉積系統100係運作以在基材300上形成氮化鈦，運戴氣體G則舉例而言可為氬氣。

當電源130向目標200施加電壓時，目標200將帶電荷並成為於處理腔室110中的陰極。帶負電荷的陰極吸引等離子中帶正電荷的離子加速並轟擊目標200。由於帶正電荷的離子對目標200的轟擊，使原子從目標200射出。被射出的原子沉積於支撐件160所扶持的基材300的表面上。於離子轟擊目標200的期間，目標200將被消耗。當目標200被消耗至某程度後，目標200得被新的目標200 替代。

在一些實施方式中，目標200為金屬材料所造，例如鋁銅合金或鈦。

厚度檢測器140設置於處理腔室110中。在一些實施方式中，厚度檢測器140設置於目標扶持器120上。再者，目標200具有第一主表面210與第二主表面220，分別接近及遠離目標扶持器120，而第一主表面210至少部分暴露於厚度檢測器140，以容許厚度檢測器140通過第一主表面210檢測目標200之厚度TK。

在一些實施方式中，厚度檢測器140包含波產生器141、波接收器142與計算單元143。波產生器141用以產生波，波通過第一主表面210進入目標200。波穿越第一主表面，然後經過目標200再抵達第二主表面220。接著，波被目標200與處理腔室110中之真空環境之間之介面反射，亦即第二主表面220。波接收器142用以接收被反射之波。計算單元143用以根據被反射之波計算出目標200之厚度TK。得知波於目標200中之速度，只要記錄波之產生及接收之間之時間差，目標200之厚度TK可按照以下公式計算：TK=(V×T)/2..........................................(1)其中，TK為目標200之厚度TK，V為波於目標200中之速度，而T為波產生器141產生波及波接收器142接收被反射之波之間之時間差。

在一些實施方式中，波產生器141所產生的波，舉 例而言，為超音波。由於超音波的傳送需要媒體，當超音波抵達目標200與處理腔室110中之真空環境之間之介面時，超音波無法經過真空環境，因此超音波於介面被反射。然而，波產生器141所產生的波並不只限於超音波。在一些實施方式中，波產生器141所產生的波可為電磁波，例如X光。

如此一來，目標200之厚度TK可作即時監控。當物理氣相沉積系統100運作時，目標200的濺射發生，因此目標200之厚度TK逐漸減少。當目標200之厚度TK被監控出少於預設厚度時，操作員將停止物理氣相沉積系統100的運作，並以新的目標200替代厚度TK減少的目標200。因此，目標200係在受控的情況下可充分地使用。藉此，在目標200被充分使用前而被浪費掉的情況得以減輕。再者，由於目標200被充分使用，長遠更換目標200的總成本及人力資源將被減少。而且，因更換目標200而使物理氣相沉積系統100閒置的總時間也得以減少。進一步來說，由於目標200之厚度TK可作即時監控，因此目標200之厚度TK變得太薄而使物理氣相沉積系統100受破壞的機會得以避免。

為使帶正電荷的離子對目標200的轟擊平均，物理氣相沉積系統100更包含磁性單元180與轉動機制190。目標扶持器120設置於磁性單元180與目標200之間，其中磁性單元180具有南北極。轉動機制190用以轉動磁性單元180，使得磁性單元180的北極及南極可轉動並彼此交替 交換位置。隨著磁場改變的影響，離子對目標200的轟擊可更平均地進行。

磁性單元180的磁場強度沿著磁性單元180並非一致。圍繞磁性單元180北極及南極的磁場強度較為強大。基於較為強大的磁場強度，目標200受到強大磁場強度影響的對應位置將受到更激烈的轟擊，因此，目標200受到強大磁場強度影響的對應位置也將消耗最大。換句話說，於目標200受到強大磁場強度影響的對應位置，目標200之厚度TK也將減少最多。因此，在一些實施方式中，厚度檢測器140於磁性單元180之一垂直投射重疊於南北極之至少其一，以增加厚度檢測器140量度目標200之厚度TK的意義。再者，這安排亦可作物理氣相沉積系統100附加的保護措施。然而，應了解到，厚度檢測器140如上所述於目標扶持器120的位置，並非用以限制本發明。

請參照第2圖，其繪示依照本發明另一些實施方式之物理氣相沉積系統500的剖面示意圖。在一些實施方式中，如第2圖所示，物理氣相沉積系統500包含厚度檢測器540。厚度檢測器540包含溫度計541與計算單元542。溫度計541用以量度目標200之溫度。由於目標200被離子轟擊，目標200被轟擊的第二主表面220將變熱，而第二主表面220的溫度將升高。熱將被分散，而目標200亦發展出一個溫度分佈。也就是說，於第二主表面220上的溫度的提升，會導致於第一主表面210上的溫度的對應提升。當目標200變得較薄時，於第二主表面220上相同溫 度的提升，會導致於第一主表面210上的溫度更大的提升。因此，通過量度目標200於第一主表面210的溫度，目標200之厚度TK可被推算出來。計算單元542用以根據所量度之溫度，計算出目標200之厚度TK。

在一些實施方式中，溫度計541舉例而言為紅外線溫度計。通過量度目標200通過第一主表面210發出的紅外線的強度，目標200於第一主表面210的溫度，以及目標200之厚度TK均可被推算出來。然而，以紅外線溫度計為溫度計541，並非用以限制本發明。

由於其他相關的結構與材質細節，均與前述之實施方式相同，因此不再重複贅述之。

為了要充分使用目標200，目標200之厚度TK於目標200濺射的期間被監控著。當目標200之厚度TK被監控出少於預設厚度時，操作員將以新的目標200替代厚度TK減少的目標200。因此，目標200係在受控的情況下可充分地使用。藉此，在目標200被充分使用前而被浪費掉的情況得以減輕。

在本發明一些實施方式中，一種用於物理氣相沉積系統100/500的陰極組件包含目標扶持器120/520與厚度檢測器140/540。目標扶持器120/520用以扶持目標200，其中目標200具有第一主表面210與第二主表面220，分別接近及遠離目標扶持器120/520。厚度檢測器140/540設置於目標扶持器120/520，其中第一主表面210至少部分暴露於厚度檢測器140/540，以容許厚度檢測器140/540通過第一 主表面210檢測目標200之厚度TK。

在本發明一些實施方式中，一種物理氣相沉積系統100/500包含處理腔室110/510、目標扶持器120/520、電源130/530、厚度檢測器140/540、氣體系統150/550與支撐件160/560。目標扶持器120/520設置於處理腔室110/510中，用以扶持目標200。電源130/530電性連接目標200以向目標200施加電壓。厚度檢測器140/540設置於處理腔室110/510中，用以檢測目標200之厚度TK。氣體系統150/550用以供應運戴氣體G至處理腔室110/510中。支撐件160/560設置於處理腔室110/510中，以扶持基材300。

在本發明一些實施方式中，一種物理氣相沉積的操作方法包含提供目標200於真空環境中、放置基材300於支撐件160/560上，且基材300面向目標200、供應運戴氣體G至真空環境中、施加電壓至目標200、檢測目標200之厚度TK與當目標200之厚度TK小於預設厚度時更換目標200。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧物理氣相沉積系統

110‧‧‧處理腔室

120‧‧‧目標扶持器

130‧‧‧電源

140‧‧‧厚度檢測器

141‧‧‧波產生器

142‧‧‧波接收器

143‧‧‧計算單元

150‧‧‧氣體系統

160‧‧‧支撐件

170‧‧‧真空系統

180‧‧‧磁性單元

190‧‧‧轉動機制

200‧‧‧目標

210‧‧‧第一主表面

220‧‧‧第二主表面

300‧‧‧基材

G‧‧‧運戴氣體

TK‧‧‧厚度

Claims (10)

1. 一種陰極組件，用於物理氣相沉積(physical vapor deposition；PVD)系統，該陰極組件包含：一目標扶持器，用以扶持一目標，其中該目標具有一第一主表面以及一第二主表面，分別接近及遠離該目標扶持器；以及一厚度檢測器，設置於該目標扶持器，其中該第一主表面至少部分暴露於該厚度檢測器，以容許該厚度檢測器通過該第一主表面檢測該目標之一厚度。
2. 如請求項1所述之陰極組件，其中該厚度檢測器包含：一波產生器，用以產生一波，該波通過該第一主表面進入該目標；一波接收器，用以接收被該第二主表面反射之該波；以及一計算單元，用以根據該波之產生及接收之間之一時間差，以及該波於該目標中之一速度，計算出該目標之該厚度。
3. 如請求項1所述之陰極組件，其中該厚度檢測器包含：一波產生器，用以產生一超音波，該超音波通過該第一主表面進入該目標； 一波接收器，用以接收被該第二主表面反射之該超音波；以及一計算單元，用以根據該超音波之產生及接收之間之一時間差，以及該超音波於該目標中之一速度，計算出該目標之該厚度。
4. 如請求項1所述之陰極組件，其中該厚度檢測器包含：一波產生器，用以產生一電磁波，該電磁波通過該第一主表面進入該目標；一波接收器，用以接收被該第二主表面反射之該電磁波；以及一計算單元，用以根據該電磁波之產生及接收之間之一時間差，以及該電磁波於該目標中之一速度，計算出該目標之該厚度。
5. 如請求項1所述之陰極組件，其中該厚度檢測器包含：一溫度計，用以量度該第一主表面之一溫度；以及一計算單元，用以根據所量度之該溫度，計算出該目標之該厚度。
6. 如請求項1所述之陰極組件，更包含：一磁性單元，其中該目標扶持器設置於該磁性單元與 該目標之間，該磁性單元具有南北極，該厚度檢測器於該磁性單元之一垂直投射重疊於該南北極之至少其一；以及一轉動機制，用以轉動該磁性單元。
7. 一種物理氣相沉積系統，包含：一處理腔室；一目標扶持器，設置於該處理腔室中，用以扶持一目標；一電源，電性連接該目標以向該目標施加一電壓；一厚度檢測器，設置於該處理腔室中，該目標至少部分暴露於該厚度檢測器，該厚度檢測器用以檢測該目標之一厚度；一氣體系統，用以供應一運戴氣體至該處理腔室中；以及一支撐件，設置於該處理腔室中，以扶持一基材。
8. 一種物理氣相沉積的操作方法，包含：提供一目標於一真空環境中；暴露至少部分該目標於一厚度檢測器；放置一基材於一支撐件上，且該基材面向該目標；供應一運戴氣體至該真空環境中；施加一電壓至該目標；以該厚度檢測器檢測該目標之一厚度；以及當該厚度小於一預設厚度時更換該目標。
9. 如請求項8所述之物理氣相沉積的操作方法，其中該檢測該目標之該厚度的步驟包含：產生一波進入該目標；接收被該目標與該真空環境之間之一介面反射之該波；以及根據該波之產生及接收之間之一時間差，以及該波於該目標中之一速度，計算出該目標之該厚度。
10. 如請求項8所述之物理氣相沉積的操作方法，其中該檢測該目標之該厚度的步驟包含：量度該目標之一溫度；以及根據所量度之該溫度，計算出該目標之該厚度。