TWI662144B - 濺鍍系統、在基板上沉積材料的方法及判定濺鍍靶材的生命週期的結束的方法 - Google Patents

濺鍍系統、在基板上沉積材料的方法及判定濺鍍靶材的生命週期的結束的方法 Download PDF

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Abstract

提供一種濺鍍系統及其方法。在一實施例中，濺鍍系統包含接收基板的腔室，位於腔室中的濺鍍靶材，以及位於濺鍍靶材上方的電磁鐵陣列。電磁鐵陣列包含複數個電磁鐵。

Description

濺鍍系統、在基板上沉積材料的方法及判定濺鍍靶材的生命週期的結束的方法
本發明實施例是關於半導體系統及其方法，特別是有關於一種濺鍍系統及其方法。
在過去數十年中，半導體積體電路產業經歷了快速的成長。半導體材料及設計的科技進步產生了不斷縮小且更為複雜的電路。有關於製程及生產方面的科技也經歷技術上的進步，使得這些材料及設計上的進步成為可能。在半導體演進的過程中，能夠可靠地產生的最小構件的尺寸縮小，每單位面積互連裝置的數量隨之增加。
物理氣相沉積(Physical vapor deposition，PVD)或濺鍍(sputtering)被廣泛地使用，以沉積材料層來形成半導體裝置的閘極堆疊、阻障層及內連線結構。在常見的濺鍍製程中，將靶材與基板面對面且靠近地放置在濺鍍腔室中。將氣體引入濺鍍腔室中，並點燃此氣體以形成電漿。透過遍及靶材、背板與基板的電場，電漿中的氣體離子會被吸引至靶材。藉由足夠的能量，氣體離子可使原子自靶材上移位，並允許移位的靶材原子沉積在基板上。在反應性濺鍍(reactive sputtering)中，將 反應氣體也引入濺鍍腔室中，且靶材原子在沉積於基板上之前，會與反應氣體反應。
傳統上，為了促使在靶材表面上進行一致的侵蝕，使用旋轉磁鐵模組以在靶材上方施加一掃描磁場。旋轉磁鐵模組可包含設置永久磁鐵，透過旋轉機構，永久磁鐵圍繞靶材中心旋轉。然而，此傳統技術時常導致靶材上不平均的圓形侵蝕圖案，俗稱「粒子軌道(racetrack)」。此外，旋轉機構可能使得位於或接近旋轉磁鐵模組中心的磁鐵移位，導致位於或接近靶材中心的磁鐵的下方侵蝕(under-erosion)。
因此，現有的技術尚未證明在所有方面皆令人完全滿意。
本發明實施例提供一種濺鍍系統，包含腔室、濺鍍靶材以及電磁鐵陣列。腔室係設置以接收基板。濺鍍靶材位於腔室中。電磁鐵陣列位於濺鍍靶材上方，其中電磁鐵陣列包含複數個電磁鐵。
本發明實施例提供一種在基板上沉積一材料的方法，包含將基板放置於濺鍍系統的腔室中，其中濺鍍系統包含：腔室、濺鍍靶材以及電磁鐵陣列。濺鍍靶材位於腔室中。電磁鐵陣列位於濺鍍靶材上方，其中電磁鐵陣列包括複數個電磁鐵。在濺鍍靶材與基板之間施加電場。在腔室中產生電漿，並將位於電磁鐵陣列中的電磁鐵通電。
本發明實施例提供一種判定濺鍍靶材的生命週期的結束的方法，包含將基板放置於濺鍍系統的腔室中，其中濺 鍍系統包含：腔室、濺鍍靶材以及電磁鐵陣列。濺鍍靶材位於腔室中。電磁鐵陣列位於濺鍍靶材上方，其中電磁鐵陣列包括複數個電磁鐵。將具有一頻率的交流電訊號傳送至每一個電磁鐵，其中此頻率的標準穿透深度與最小靶材厚度相關。透過判定是否在其中一個電磁鐵中有不正常的阻抗變異存在，來判定濺鍍靶材的生命週期的結束。
10‧‧‧方法
12、14、16、18、20、21、22、23、25‧‧‧操作
100‧‧‧濺鍍系統
110‧‧‧真空腔室
112、142、162‧‧‧絕緣件
120、130‧‧‧通道
122、132‧‧‧閥
124‧‧‧氣體源
134‧‧‧真空源
140‧‧‧靶材(濺鍍靶材)
141‧‧‧部分
143‧‧‧侵蝕特徵
150‧‧‧背板
151、321‧‧‧接地線
152、220、322‧‧‧傳輸線
160、242、320‧‧‧電源供應器
170‧‧‧電漿
180‧‧‧磁場
200‧‧‧電磁鐵陣列(電磁鐵模組)
202‧‧‧電磁鐵
204‧‧‧圖案
206‧‧‧中心點
221、232、232A、232B‧‧‧線圈
222‧‧‧核心
221A、221B‧‧‧導線
240‧‧‧控制器
300‧‧‧基板
310‧‧‧支座
400‧‧‧導電材料
410‧‧‧渦電流
根據以下的詳細說明並配合所附圖式以更加了解本發明實施例的概念。應注意的是，根據本產業的標準慣例，圖式中的各種部件未必按照比例繪製。事實上，可能任意地放大或縮小各種部件的尺寸，以做清楚的說明。
第1圖是根據本發明各種實施例之濺鍍系統的示意圖。
第2圖是根據本發明各種實施例之電磁鐵模組的俯視示意圖。
第3圖是根據本發明各種實施例之電磁鐵模組的電磁鐵的示意圖。
第4圖是根據本發明各種實施例之在靶材中產生渦電流(eddy current)的電磁鐵線圈的示意圖。
第5圖是根據本發明各種實施例之位於不同靶材侵蝕輪廓上方的兩個電磁鐵線圈的示意圖。
第6A及6B圖繪示根據本發明各種實施例之在基板上沉積一材料的方法流程圖。
參照以下的詳細說明將可更好地了解此些圖式。
以下的揭露內容提供許多不同的實施例或範例以實施本發明實施例的不同部件。以下敘述構件及配置的特定範例，以簡化本發明實施例的說明。當然，這些特定的範例僅為示範並非用以限定本發明實施例。例如，在以下的敘述中提及第一部件形成於第二部件上或上方，即表示其可包含第一部件與第二部件是直接接觸的實施例，亦可包含有附加部件形成於第一部件與第二部件之間，而使第一部件與第二部件可能未直接接觸的實施例。另外，在以下的揭露內容的不同範例中可能重複使用相同的參考符號及/或標記。這些重複係為了簡化與清晰之目的，並非用以指定所討論的不同實施例及/或結構之間的關係。
此外，在此可使用與空間相關用詞。例如「底下」、「下方」、「較低的」、「上方」、「較高的」及類似的用詞，以便於描述圖式中繪示的一個元件或部件與另一個(些)元件或部件之間的關係。除了在圖式中繪示的方位外，這些空間相關用詞意欲包含使用中或操作中的裝置之不同方位。裝置可能被轉向不同方位(旋轉90度或其他方位)，且在此使用的空間相關詞也可依此做同樣的解釋。
另外應了解的是，一般而言，本發明實施例是有關於透過在靶材上方使用可控制的電磁鐵模組，改良靶材侵蝕的一致性以及沉積的一致性。特別是，本發明實施例是有關於可個別控制的電磁鐵之電磁鐵陣列。電磁鐵陣列不只可以施加靜態或掃描磁場以促進一致的靶材侵蝕，亦可進行動態調整以解決在靶材上局部的上方及下方侵蝕。連接至電磁鐵陣列的控 制器可將交流電訊號傳送至每一個電磁鐵，進而在鄰近電磁鐵的靶材區域中產生渦電流。透過比較電磁鐵之間的阻抗變異，可判定侵蝕特徵的位置與深度。在本揭露中所述的晶圓與基板可為各種形式，其包含個別裝置例如晶片(例如製造在晶圓上)的晶圓(或其中的部分)或基板，但不限於此。可透過增加、減少及替換形成於基板上的材料層，在基板上形成各種部件以製造積體電路，積體電路包含由以互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)為基礎的製程、鰭式場效電晶體(fin-like field effect transistor，FinFET)裝置、微機電系統(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)裝置、影像感測器及其他類似裝置所形成的積體電路。此外，如上所述，本文所述的特定實施例僅用以示範，並非用以限制本發明實施例。
現在請參照第1圖，第1圖繪示根據本發明各種實施例之濺鍍系統100的示意圖。濺鍍系統100包含真空腔室110。真空腔室110通過通道130與真空源134流體連通(fluid communication)。真空源134可包含一或多個真空泵。通道130更包含閥132，可操作閥132關閉真空腔室110和真空源134之間的流體連通。真空腔室110也通過通道120與氣體源124流體連通。氣體源124是用以在真空腔室110內產生電漿的氣體來源。在一些實施例中，此氣體為惰性氣體，例如氬氣。在其他一些實施例中，此氣體可以是氧氣或氮氣。在一些情況下，具有多於一個氣體源，且至少一個氣體源是惰性氣體例如氬氣的來源。通道120至氣體源124之間是由閥122控制，可操作閥122以調控 氣流或完全關閉真空腔室110與氣體源124之間的流體連通。濺鍍系統100更包含支座310以支撐基板300。基板300可以是晶圓、晶圓的一部分或是上方製有部件的基板。
濺鍍系統100是設置以在真空腔室110內接收靶材140(或濺鍍靶材140)。靶材140可由金屬、導電金屬化合物、合金、或金屬固體溶液形成。在一些實施例中，可將靶材140安裝在背板150上。靶材140及背板150材料的非窮舉(non-exhaustive)範例包含鋁(Al)、銅(Cu)、金(Au)、鎳(Ni)、鈷(Co)、錳(Mn)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、石墨(C)、鎢(W)、釕(Ru)、鉬(Mo)、鈮(Nb)、鈀(Pd)、銦(In)、鎵(Ga)、硼(B)、銻(Sb)、釩(V)、錫(Sn)、鐿(Yb)、釔(Y)、鋯(Zr)、鉻(Cr)及上述的合金及固體溶液。背板150與靶材140可由相同或不同材料形成。在一些實施中，背板150是由與靶材140的材料性質互補的材料形成。舉例而言，假設靶材140的材料具有低熱傳導性，則背板150的材料可具有高熱傳導性。除了熱傳導性之外，所考量的材料性質可包含導電性及導磁性。
如第1圖所示，將基板300安裝在支座310上，支座310透過傳輸線322電性耦接至電源供應器320，且靶材140透過背板150及傳輸線152耦接至電源供應器160。如此一來，可施加一電場遍及靶材140及支座310。支座310與背板150皆由導電材料製成。在一些實施例中，電源供應器320是射頻(RF)電源供應器，其具有連接至支座310的傳輸線322以及接地的接地線321。連接至電源供應器320的導電支座310透過絕緣件162與真空腔室110隔離。在一些情況下，電源供應器160是直流電(DC) 電源供應器，其具有連接至背板150的傳輸線152以及接地的接地線151。在第1圖所示的一些實施例中，背板150及/或支撐背板150的結構係透過絕緣件112與142與真空腔室110絕緣。因此，真空腔室110係透過絕緣件112、142及162與電源供應器160、320絕緣。真空腔室110可接地，如第1圖所示。
在操作中，背板150與靶材140作為陰極，而支座310作為陽極。電源供應器160與320可遍及陰極與陽極施加靜態的或動態變化的電壓，藉此造成在陰極與陽極之間產生的電場。選擇由電源供應器160、電源供應器320或兩者結合所產生的電場強度，使得來自氣體源124的氣體可被離子化並點燃成為電漿170。在從氣體源124導入氬氣(Ar)的情況下，氬原子將捨棄一個電子，並以正電氬離子(Ar+)存在於電漿170中。如第1圖所示，電漿170中的正電氬離子將會被電場加速並轟擊靶材140的表面。如果正電氬離子具有足夠的能量，可使得靶材的原子移位並隨後沉積在基板300上。
在一些實施例中，濺鍍系統100更包含位於靶材140上方的電磁鐵模組200。電磁鐵模組200包含複數個電磁鐵202的電磁鐵陣列。在此方面，由於電磁鐵模組200基本上意指電磁鐵陣列，故電磁鐵模組200有時亦被稱作電磁鐵陣列200。可使用電磁鐵陣列200以在靶材140附近產生磁場180。可設計磁場180以捕捉接近靶材的電子，藉此增加電漿170的密度，增加游離率，且有利於濺鍍製程的進行。在一些實施例中，電磁鐵模組200通過傳輸線220連接至控制器240。控制器240可控制位在電磁鐵模組200中每一個電磁鐵202的磁通量的幅度與極 性。換言之，可透過改變控制器240的參數或程式，對於不同尺寸的真空腔室110、不同材料的靶材140、不同厚度的靶材140、不同的電漿氣體種類以及不同的電場強度，將在接近靶材140處產生的磁場客製化。在一些實施例中，對於特定的真空腔室110與特定種類的靶材140而言，可進行實驗以判定電磁鐵陣列200的預設設置(或預設圖案、預設磁化圖案)。對於一組特定的靶材材料與製程參數，此預設設置是基於在基板300上沉積速率的一致性與靶材140消耗速率的一致性來判定。每一組特定的靶材材料與製程參數可被稱作標準設置。在一些實施例中，每一個標準設置可對應至電磁鐵陣列200獨特的預設圖案，以達到一致的沉積速率與一致的靶材消耗。在其他一些實施例中，可基於標準設置判定電磁鐵陣列200的預設圖案，標準設置包含中等(mid-range)靶材性質與中等製程參數的靶材材料。在此些實施例中，對所有的靶材材料及製程參數而言，預設圖案是一普遍的圖案。在一些實施中，除非命令控制器240使用特定的圖案，在使用濺鍍系統100的濺鍍製程的開始會載入預設圖案。
現在請參照第2圖，第2圖顯示根據本發明各種實施例之電磁鐵陣列200的俯視示意圖。在一些實施例中，第1圖所示的基板300為圓形，支座310及背板150也可以為圓形，並與基板300具有相同的尺寸。在此些實施例中，電磁鐵模組200也具有大致沿著基板300的形狀的圓形。然而，由於電磁鐵模組200是由複數個電磁鐵202形成，電磁鐵模組200的形狀可能僅大致上為圓形，而不是完美的圓形，如第2圖所示。在一些 情況下，電磁鐵模組200大於靶材140，使得靶材140承受更加一致的磁場。電磁鐵陣列200可具有中心點206，中心點206可為電磁鐵陣列200的幾何中心或是重心。在一些實施例中，控制器240可選擇性將一組形成通電圖案204(或圖案204)的電磁鐵202通電。當使用時，將圖案204之外的電磁鐵202以一恆定級別或基本級別通電，並將圖案204內的電磁鐵202以一預定級別通電，使圖案204內的電磁鐵202具有不同極性與幅度的磁通量。為了說明之目的，圖案204中的電磁鐵202以不同的顏色顯示，以說明其可具有不同的極性，例如：N極與S極，或是不同的幅度。在這些實施例中，控制器240可圍繞中心點206依序且掃描式地沿順時鐘或逆時鐘方向將一組具有大致相似於圖案204的圖案的電磁鐵202通電。圖案204的掃描式通電允許電磁鐵陣列200圍繞中心點206模仿固定磁鐵排列的旋轉。舉例而言，在控制器240將圖案204通電之後，控制器240可繼續沿逆時鐘方向掃描並依序將圖案204’通電。圖案204’相似但不相同於圖案204。位於電磁鐵陣列200上不同位置的掃描圖案204可能不完全相同，因為電磁鐵202的集成可能不允許在所有圍繞中心點206的角度複製相同的圖案204。
如第1及2圖所示，電磁鐵陣列200中個別的電磁鐵202一般可為圓柱體，並具有圓形的截面。在一些實施中，為了增加電磁鐵陣列200中電磁鐵的集成密度，電磁鐵202可具有其他的形狀。舉例而言，為了最大化電磁鐵陣列200的集成密度，電磁鐵202可以是六角稜鏡(即具有六邊形截面的柱體)的形狀。在其他一些情況下，電磁鐵202可以是矩形柱。在又一些 其他實施例中，電磁鐵202可具有低輪廓，且被視為盤狀(圓形、六邊形或矩形)。第3圖顯示個別的電磁鐵202。電磁鐵202包含線圈221及核心222。線圈221是由高導電性材料形成，例如銅或銅鋁合金。核心222可由鐵、鐵合金、鎳合金或鐵鎳合金製成。線圈221包含兩個導線221A與221B。導線221A與221B皆連接至控制器240。在一些實施例中，每一個電磁鐵202的導線皆分別連接至控制器240。在此些實施例中，電磁鐵陣列200中可控制的最小單元為電磁鐵202，且控制器240可分別將每一個電磁鐵202通電。在其他一些實施例中，先根據磁通量的幅度與極性將電磁鐵202分組。同一組電磁鐵202的導線在連接至控制器240之前會先合併為一組。在這些實施例中，電磁鐵陣列200中可控制的最小單元為一組電磁鐵202，且控制器240可個別將一組電磁鐵202通電。
現在請參照第4圖，第4圖顯示接近導電材料400的線圈232。在一些實施例中，電磁鐵陣列200中的每一個電磁鐵202除了線圈221以外更包含線圈232。在其他一些實施例中，線圈221包含線圈232。如第4圖所示，線圈232連接至交流電(AC)電源供應器242。當交流電電源供應器242將頻率為F的交流電訊號導入至線圈232時，在導電材料400內引發渦電流410。渦電流410在垂直於由接近導電材料400表面的線圈232產生的磁場的平面中循環。渦電流410會產生磁場，抵抗線圈232所產生的磁場，導致線圈232中的阻抗變化。可量測此阻抗。渦電流410具有標準穿透深度D，標準穿透深度D等於渦電流密度降至導電材料400表面的渦電流密度的1/e或37%(其中e為尤拉常數 (Euler’s constant))時的深度。在深度達兩倍標準穿透深度D之處，渦電流密度降至表面渦電流密度的1/e2(或約13.5%)。此外，在深度達三倍標準穿透深度D之處，渦電流密度降至表面渦電流密度的1/e3(或約5%)。在深度達五倍標準穿透深度D之處，渦電流密度將低於表面渦電流密度的1%。頻率F與標準穿透深度D的關係可用下列方程式表示： 其中π為大致等於3.14的數學常數，μ是磁導率(H/mm)，且σ是導電率(以%IACS(國際退火銅標準，International Annealed Copper Standard)表示)。透過改變來自交流電電源供應器242的交流電訊號的頻率F，渦電流410會具有不同的標準穿透深度D。根據上述方程式，標準穿透深度D與頻率F的平方根成反比。換言之，當來自電源供應器242的交流電訊號具有愈高的頻率F時，標準穿透深度D則愈小。
如果導電材料中的缺陷或特徵干擾或減少渦電流，渦電流410會減弱。舉例而言，假設渦電流410主要流通於5倍的標準穿透深度D以內，如果導電材料400變得比5倍的標準穿透深度D更薄，由於此深度不足以支持相同厚度的渦電流，總渦電流會降低。減弱的渦電流會導致磁場減弱，此磁場係用以抵消由線圈232產生的磁場，使得阻抗降低。可測量線圈232的阻抗變異，以判定靶材140中出現的侵蝕特徵。現在請參照第5圖，顯示用以量測出現的侵蝕特徵143的線圈232A及232B，線圈232A位於靶材140的一部分141上方，其中具有一致的厚度 D1。線圈232B則是位於侵蝕特徵143上方，侵蝕特徵143包含凹部侵蝕輪廓，將靶材140的局部厚度降低至厚度D2，或者干擾在此凹部侵蝕輪廓的位置產生的渦電流的流動。儘管第5圖顯示凹部輪廓，侵蝕特徵143可具有許多不同的形狀。侵蝕特徵143的凹部侵蝕輪廓可指出濺鍍靶材140的局部消耗或局部過度消耗。在交流電電源供應器242供應頻率為F的交流電訊號的情況下，在靶材內產生的渦電流會具有標準穿透深度D。舉例而言，若厚度D1大於或等於標準穿透深度D的5倍或以上，且厚度D2小於5倍的標準穿透深度D，線圈232A與232B會遭遇到不同的阻抗。由於侵蝕特徵143會帶走導電靶材，或干擾渦電流的流動，使得圍繞侵蝕特徵143的渦電流密度減弱，或至少與圍繞部分141的渦電流密度不同。在一些實施例中，透過改變導入線圈232的交流電訊號的頻率F，以及比較不同線圈232之間的阻抗變異，可判定侵蝕特徵143的位置與深度。在其他一些實施例中，透過量測線圈232中對於厚的靶材的阻抗，可歸納出靶材在一頻率範圍的標準阻抗量測表。接著透過將測得的阻抗值與標準阻抗量測表中的阻抗值比較，可偵測任何不正常的阻抗值。
現在請參照第6A及6B圖，提供在基板上沉積一材料的方法10。以下將與第1至4圖結合說明方法10。在方法10的操作12(第6A圖)，將基板300放置於濺鍍系統100的真空腔室110中。濺鍍系統100包含真空腔室110、濺鍍靶材140及位於濺鍍靶材140上方的電磁鐵陣列200。電磁鐵陣列200包含複數個電磁鐵202。靶材140可由金屬、導電金屬化合物、合金或金屬 固體溶液形成。靶材材料的範例包含鋁(Al)、銅(Cu)、金(Au)、鎳(Ni)、鈷(Co)、錳(Mn)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、石墨(C)、鎢(W)、釕(Ru)、鉬(Mo)、鈮(Nb)、鈀(Pd)、銦(In)、鎵(Ga)、硼(B)、銻(Sb)、釩(V)、錫(Sn)、鐿(Yb)、釔(Y)、鋯(Zr)、鉻(Cr)及上述的合金及固體溶液。可將靶材140安裝在背板150上。背板150與靶材140可由相同或不同材料形成。在一些實施中，選擇背板150的材料以補償靶材140不想要的材料性質，其包含例如低熱傳導性、低導電性及低導磁性。
在方法10的操作14(第6A圖)，在濺鍍靶材140及支座310之間施加電場。如第1圖所示，將支撐基板300的支座310透過傳輸線322耦接至電源供應器320，且將靶材140透過背板150及傳輸線152耦接至電源供應器160。如此一來，可施加電場遍及靶材140與基板300。支座310與背板150皆由導電材料製成。在一些實施例中，電源供應器320為射頻(RF)電源供應器，其具有連結支座310的傳輸線322與接地的接地線321。在操作14，背板150與靶材140作為陰極，而支座310與基板300作為陽極。電源供應器160與320可施加遍及陰極及陽極的靜態或動態變化的電壓，藉此導致陰極及陽極之間產生電場。
在方法10的操作16(第6A圖)，產生電漿170。真空腔室110通過通道120與氣體源124流體連通，通道120由閥122所控制。透過打開閥122，來自氣體源124的氣體進入真空腔室110。在一些實施例中，此氣體為惰性氣體，例如氬氣。在其他一些實施例中，此氣體可以是氧氣、氮氣或其他適合的氣體。在反應濺鍍製程中通常會使用氧氣及氮氣電漿以形成氧化物 及氮化物。在此些實施例中，濺鍍系統100可包含提供惰性氣體例如氬氣的第二氣體源，使得真空腔室110中的電漿包含惰性氣體的電漿以及氧氣或氮氣的電漿。選擇由電源供應器160、電源供應器320或結合前述兩者所產生的電場強度，進而將來自氣體源124的氣體離子化並點燃為電漿170。在從氣體源124導入氬氣的情況下，氬原子將喪失一電子，並以正電氬原子(Ar+)存在於電漿170中。雖然操作14係繪示於操作16之前，然而操作16也可以與操作14同時或在操作14之後進行。當施加電場時，電漿形成氣體可存在於真空腔室110中。或者，在施加電場之後，可將電漿形成氣體導入真空腔室110。
雖然未在方法10中以分開的操作來說明，在將電漿形成氣體導入真空腔室110之前，允許真空腔室110連接至真空源134。真空腔室110通過通道130與真空源134流體連通，其由閥132所控制。在一些實施例中，在將基板300安裝在支座310上且將靶材140放置於真空腔室110內之後，將閥132調至開啟位置，以允許真空腔室110及真空源134之間的流體連通。一旦真空腔室110的壓力達到穩定的低壓，將閥132調至關閉位置以切斷真空腔室110及真空源134之間的流體連通。此操作確保在沉積製程之前，在真空腔室110中沒有不想要的氣體雜質存在。在一些實施例中，透過加壓式或真空式晶圓載具將基板300運送至濺鍍系統100，可使用閥132以減低或最小化晶圓載具與真空腔室110之間的壓力差。
在方法10的操作18(第6A圖)，將位於電磁鐵陣列200中的複數個電磁鐵202通電，以產生接近靶材140的磁場180。 電磁鐵模組200連接至控制器240。控制器240可控制位於電磁鐵陣列200中每一個電磁鐵202的磁通量的幅度與極性。透過改變電磁鐵202磁通量的幅度與極性，磁場180可配置以捕捉接近靶材140的二次電子(secondary electron)，藉此增加電漿170的密度以有利於濺鍍製程進行。在一些實施例中，可透過對於不同幾何形狀的真空腔室110、不同形狀的靶材140、不同材料的靶材140、不同厚度的靶材140、不同的電漿氣體種類及不同的電場強度來改變控制器240的參數或程式，將磁場180客製化。在一些實施例中，對一特定的真空腔室110及一特定種類的靶材140而言，可進行實驗以判定電磁鐵陣列200的預設設置。此預設設置係根據一組特定的靶材材料與製程參數，以基板300上沉積速率的一致性以及靶材140的消耗速率的一致性來判定。每一組特定的靶材材料與製程參數可被稱作標準設置。在一些實施例中，每一組標準設置可對應至電磁鐵陣列200之獨特的預設圖案，以達到一致的沉積速率以及一致的靶材消耗。在其他一些實施例中，可根據標準設置判定電磁鐵陣列200的預設圖案，此標準設置包含中等(mid-range)的靶材性質與中等的製程參數。在此些實施例中，對所有的靶材材料與製程參數而言，預設圖案是一般的圖案。在一些實施中，除非命令控制器240使用特定的圖案，在使用濺鍍系統100的濺鍍製程的開始會讀取預設圖案。
在操作18(第6A圖)之後，方法10分為兩個分支。一個分支包含操作20和22，另一分支包含操作21、23及25。兩分支皆包含監控靶材140的厚度。
在一實施例中，透過判定靶材140的至少一部分等於或小於預定厚度，也被稱作最小靶材厚度，方法10判定濺鍍靶材140的生命週期的結束。在操作20(第6B圖)中，將具有一頻率的交流電訊號傳送至每一個電磁鐵202。在一些實施例中，交流電訊號是由控制器240產生。如上所述與第4和5圖結合，在一些實施例中，每一個電磁鐵202包含線圈232，線圈232可包含在第3圖所示的線圈221中，或是與線圈221分開。如第4圖所示，位於線圈232中的交流電訊號可在導電材料400(例如：靶材140)內產生渦電流410。渦電流410在導電材料400(或靶材140)的表面具有最大電流密度，且每隔一個標準穿透深度，渦電流密度降為原本的1/e。如第5圖所示，如果靶材140位於線圈232下方的部分包含侵蝕特徵143，線圈232可經歷阻抗變異。可根據與最小靶材厚度的相關性來選擇頻率，進而使得阻抗變異指出靶材140在至少一個位置的厚度比最小靶材厚度更薄。舉例而言，可選擇一頻率使得此頻率的標準穿透深度為最小靶材厚度的1/5。在另一情況下，可選擇一頻率使得此頻率的標準穿透深度大致等於最小靶材厚度。
在方法10的操作22(第6B圖)，透過判定在其中一個電磁鐵中是否有不正常的阻抗變異存在，以判定濺鍍靶材140的生命週期的結束。在一些實施例中，在電磁鐵陣列200中的每一個電磁鐵202的線圈221包含線圈232。連接至電磁鐵202的控制器240可將交流電訊號傳送至每一個位於電磁鐵陣列200的線圈232，以勘測靶材140。交流電訊號的頻率與最小靶材厚度具有相關性，進而可透過異常的線圈232的阻抗偵測到侵蝕 特徵例如侵蝕特徵143的存在。舉例而言，如果頻率與等於最小靶材深度的1/5的標準穿透深度(D)有關，且沒有侵蝕特徵將靶材140的厚度減少至小於標準穿透深度的5倍(5D)，每一個線圈232的阻抗應大致相同。如果有任何侵蝕特徵在一個位置將靶材140的厚度減少至小於標準穿透深度的5倍(5D)，由於較弱或較混亂的渦電流所產生的抵抗磁通量較弱，位於此位置上方的線圈232會經歷較小的阻抗。在另一範例中，在一頻率下量測位於最小靶材厚度的靶材上方的線圈232的標準阻抗。隨後，在使用電磁鐵陣列中的線圈232以相同頻率勘測靶材140的期間，將每一個線圈232的阻抗與標準阻抗比較。如果有任何線圈232的阻抗低於標準阻抗，或是低於標準阻抗一特定的百分比，接著可判定靶材140的生命週期的結束。如這些範例所示，不正常的阻抗變異是與在相同頻率下量測的阻抗比較之異常值，或是與標準阻抗量測值不同的阻抗。
在方法10的另一實施例中，識別侵蝕特徵的位置及深度，且調整電磁鐵陣列200的磁化圖案，以達到更一致的靶材消耗。在操作21，將具有一頻率範圍的交流電訊號傳送至每一個電磁鐵202。在一些實施例中，交流電訊號是由控制器240產生。不同頻率的交流電訊號對應至不同的標準穿透深度，在操作21，電磁鐵202的線圈232在位於整個靶材140上方的線圈232之下的位置執行縱深掃描。線圈232一次以一頻率掃描靶材140，並跨越頻率範圍。
在操作23，透過在每一個超出頻率範圍的頻率識別不正常的阻抗變異，判定在濺鍍靶材140內的侵蝕特徵的深 度及位置。頻率的範圍對應至標準穿透深度的範圍。與操作20及22相似的是，將在每一個線圈232以超出頻率範圍的頻率所量測的阻抗在線圈232之間比較，或是將量測的阻抗與標準阻抗比較。對於每一個超出頻率範圍的頻率重複相同的製程。當每一個線圈232的位置提供位置資訊，且每一個頻率的深度掃描提供深度資訊時，可判定侵蝕特徵的深度及位置。
在操作25，調整電磁鐵陣列的磁化圖案，以降低位在靶材140上的侵蝕特徵的位置的消耗速率，或是增加位在靶材140上的侵蝕特徵的位置以外的位置的消耗速率，或是兩者兼具。電磁鐵陣列200提供的優勢的其中之一為每一個電磁鐵202的磁通量的幅度與極性是完全可調整的。一旦判定侵蝕特徵的位置與深度，透過改變電磁鐵陣列200的磁化圖案，控制器240可延緩此位置的侵蝕，或是加速其他位置的侵蝕。舉例而言，透過增加在一特定位置的磁場180強度，在此位置可捕捉更多二次電子，且可增加此位置的電漿170密度。更高的電漿170密度可加速靶材140在此位置的侵蝕/消耗。在一些實施例中，判定磁化圖案在既定位置的強度也可將侵蝕特徵的深度納入考量。如果侵蝕特徵位於靶材140的深處(即遠離靶材或接近背板150)，消耗速率的增加與減少需較為劇烈。如果侵蝕特徵靠近靶材140的表面(即接近靶材或較遠離背板150)，消耗速率的增加與減少可較和緩。在電磁鐵陣列200的磁化圖案設為預設圖案(或預設設置、預設磁化圖案)的一些實施例中，對預設圖案進行操作25的調整。在一些實施中，可將侵蝕特徵的深度與位置彙集為濺鍍靶材140的厚度分布，且可調整預設圖 案以達到更具一致性的厚度分布。
因此，本發明實施例提供濺鍍系統及其方法的實施例。在一實施例中，提供一濺鍍系統。此濺鍍系統包含設置以接收基板的腔室、位於腔室內的濺鍍靶材以及位於濺鍍靶材上方的電磁鐵陣列。電磁鐵陣列包含複數個電磁鐵。在一些實施例中，濺鍍系統的電磁鐵陣列連接至控制器，且可操作控制器以控制每一個電磁鐵的磁通量的幅度與極性。在本發明實施例的一些實施中，一般而言電磁鐵陣列為圓形，且電磁鐵陣列具有一中心點。在一些實施中，可操作控制器以圍繞中心點自此些電磁鐵外掃描式將電磁鐵的預定圖案以一預定級別通電。在一些情況下，將電磁鐵的預定圖案以外的電磁鐵以不同於預定級別的基本級別通電。在一些實施例中，更可操作控制器以將具有一頻率的交流電訊號傳送至每一個電磁鐵，以在濺鍍靶材的深度中產生渦電流。此深度與頻率具有相關性。在此些實施例中，如果渦電流流經位於濺鍍靶材中的侵蝕特徵，可操作控制器以偵測阻抗變異。
在另一實施例中，提供在基板上沉積一材料的方法。此方法包含將基板放置於濺鍍系統的腔室中。濺鍍系統包含腔室、濺鍍靶材與電磁鐵陣列。濺鍍靶材位於腔室中。電磁鐵陣列位於濺鍍靶材上方。電磁鐵陣列包含複數個電磁鐵。此方法更包含在濺鍍靶材與基板之間施加電場，在腔室內產生電漿，以及將在電磁鐵陣列中的電磁鐵通電。在一些實施例中，將電磁鐵通電包含根據預設圖案將複數個電磁鐵通電，使得基板上具有一致的沉積厚度，以及在標準設置中整個濺鍍靶材具 有一致的消耗速率。在一些實施例中，此方法更包含基於濺鍍靶材的厚度分布調整預設圖案。
在一些實施中，根據本發明實施例的方法更包含將具有一頻率的交流電(AC)訊號傳送至每一個電磁鐵，其中頻率與最小靶材厚度相關。在一些實施中，此方法更包含透過判定是否在其中一個電磁鐵中有不正常的阻抗變異存在，判定濺鍍靶材的生命週期的結束。在一些實施例中，此方法更包含將具有一頻率範圍的交流電(AC)訊號傳送至每一個電磁鐵，其中頻率範圍與標準穿透深度的範圍相關。在一些實施中，此方法更包含透過在每一個超出頻率範圍的頻率識別不正常的阻抗變異，判定位於濺鍍靶材中的侵蝕特徵的深度與位置。在一些情況下，此方法更包含調整預設圖案以減少侵蝕特徵的位置的消耗速率。在一些實施例中，此方法更包含調整預設圖案以增加位於侵蝕特徵的位置以外的位置的濺鍍靶材的消耗速率。在一些實施中，侵蝕特徵為局部的濺鍍靶材消耗造成的凹陷侵蝕輪廓。
在又一實施例中，提供判定濺鍍靶材的生命週期的結束的方法。此方法包含將基板放置於濺鍍系統的腔室中。濺鍍系統包含腔室、濺鍍靶材與電磁鐵陣列。濺鍍靶材位於腔室中。電磁鐵陣列位於濺鍍靶材上方。電磁鐵陣列包含複數個電磁鐵。此方法更包含將具有一頻率的交流電(AC)訊號傳送至每一個電磁鐵，其中此頻率的標準穿透深度與最小靶材厚度相關，且透過判定是否在其中一個電磁鐵中有不正常的阻抗變異存在，判定濺鍍靶材的生命週期的結束。在一些實施例中，判 定在其中一個電磁鐵中是否有不正常的阻抗變異存在包含比較複數個電磁鐵中的阻抗變異。在一些實施例中，標準穿透深度與頻率的平方根及濺鍍靶材的導電率的平方根成反比。
以上概述了許多實施例的部件，使本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以更加理解本發明實施例的各方面。本發明所屬技術領域中具有通常知識者應可理解，可輕易地以本發明實施例為基礎來設計或改變其他製程及結構，以實現與在此介紹的實施例相同的目的及/或達到與在此介紹的實施例相同的優點。本發明所屬技術領域中具有通常知識者也應了解，這些相等的結構並未背離本發明的精神與範圍。在不背離本發明的精神與範圍之前提下，可對本發明實施例進行各種改變、置換及變動。

Claims (10)

  1. 一種濺鍍系統，包括：一腔室，設置以接收一基板；一濺鍍靶材，位於該腔室中；以及一電磁鐵陣列，位於該濺鍍靶材上方，其中該電磁鐵陣列包含複數個電磁鐵。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之濺鍍系統，更包括：一控制器，其中該電磁鐵陣列通訊耦接至該控制器，且該控制器係設置以控制每一該等電磁鐵的磁通量的幅度與極性。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之濺鍍系統，其中該電磁鐵陣列為圓形，該電磁鐵陣列具有一中心點，且該控制器係設置以圍繞該中心點將該等電磁鐵以外的電磁鐵的一預定圖案以一預定級別掃描式通電。
  4. 如申請專利範圍第2或3項所述之濺鍍系統，其中該控制器更設置以將具有一頻率的一交流電(AC)訊號傳送至每一該等電磁鐵，以在該濺鍍靶材的一深度中產生一渦電流，且該深度與該頻率具有相關性。
  5. 一種在一基板上沉積一材料的方法，包括：將該基板放置於一濺鍍系統的一腔室中，其中該濺鍍系統包括：該腔室；該濺鍍靶材，位於該腔室中；以及一電磁鐵陣列，位於該濺鍍靶材上方，其中該電磁鐵陣列包括複數個電磁鐵；在該濺鍍靶材與該基板之間施加一電場；在該腔室中產生一電漿；以及將位於該電磁鐵陣列中的該等電磁鐵通電。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中將該等電磁鐵通電包括根據一預設圖案將該等電磁鐵通電，導致在一標準設置中該基板上具有一致的沉積厚度，且該濺鍍靶材整體具有一致的消耗速率。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，更包括根據該濺鍍靶材的厚度分布調整該預設圖案。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之方法，更包括將具有一頻率的一交流電(AC)訊號傳送至每一該等電磁鐵，其中該頻率與一最小靶材厚度相關。
  9. 一種判定一濺鍍靶材的生命週期的結束的方法，包括：將該基板放置於一濺鍍系統的一腔室中，其中該濺鍍系統包括：該腔室；該濺鍍靶材，位於該腔室中；以及一電磁鐵陣列，位於該濺鍍靶材上方，其中該電磁鐵陣列包括複數個電磁鐵；將具有一頻率的一交流電(AC)訊號傳送至每一該等電磁鐵，其中該頻率的一標準穿透深度與一最小靶材厚度相關；以及透過判定是否在該等電磁鐵的其中一個中有一不正常的阻抗變異存在，判定該濺鍍靶材的生命週期的結束。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中判定是否在該等電磁鐵的其中一個中有一不正常的阻抗變異存在包括比較在該等電磁鐵中的阻抗變異。
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