CN101472384A - 大气压等离子反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大气压等离子反应器，包括：第一电极，内设进气空间，而该第一电极具有第一开口，且该第一开口连接该进气空间；第二电极，具有第二开口，且该第二开口与该第一开口相对；以及电源产生单元，耦接至该第一电极以提供该第一电极一交流电源，而该第二电极接地。本发明可在基板上形成高均匀性的薄膜，有效降低交流电源的电压至200～300伏特便可进行等离子制作，借以大幅提高大气压等离子反应器整体的安全性。

Description

大气压等离子反应器

技术领域

本发明涉及一种等离子反应器，特别是涉及一种大气压等离子反应器。

背景技术

等离子科技已广泛应用于各种领域，诸如在半导体集成电路制造上，薄膜的成长或是电路的蚀刻普遍均可利用等离子技术达成。简单来说，等离子反应器可分为真空等离子反应器与大气压等离子反应器，且目前以真空等离子反应器的技术层次较为成熟。然而，真空等离子反应器需要配备昂贵的真空设备，因此使得真空等离子制作的制作成本过高。

尽管大气压等离子反应器具有制作成本较低的优势，但是目前大气压等离子反应器的成膜品质仍与真空等离子反应器有一段差距，其中现有的大气压等离子反应器容易产生成膜不均匀、粗糙度高、透明性低、附着性低以及硬度低的缺点。因此，改良大气压等离子反应器以克服成膜不均等缺点乃是目前产业研究发展的一大重要方向。

图1为现有的一种大气压等离子反应器的示意图。请参考图1，现有的大气压等离子反应器100包括电源电极110、接地电极120、介电板130以及电源产生单元140，其中介电板130是配置于电源电极110上，借以分隔电源电极110与接地电极120，而电源产生单元140是用于提供电源电极110高压低频的交流电源，且接地电极120是用于接地。

硅基板150是配置于接地电极120上，并与电源电极110相对。氦气162是自大气压等离子反应器100左侧通入至电源电极110与接地电极120之间，并于硅基板150上方形成等离子源164以对硅基板150进行蚀刻或成膜制作。此外，未形成等离子源164的氦气166便从大气压等离子反应器100右侧排出。

在大气压等离子反应器100的架构设计下，电源产生单元140提供的交流电源的电压约介于5000～20000伏特之间，且交流频率均小于100KHz，如此始能将氦气162解离为等离子源164。低于100KHz的交流频率会造成氦气162解离成等离子源164的密度过低，而无法有效进行等离子制程。此外，必须使用5000伏特以上的高压会降低大气压等离子反应器100整体的安全性，并容易损坏电源电极110。

另外，由于硅基板150与介电板130之间的区域过于狭长，使得氦气162很难均匀分布于此区域，进而造成游离出来的等离子源164密度也不均匀。如此一来，成膜制作所产生的薄膜的粗糙度便会大幅提高，而蚀刻制作后所形成出的图案也会凹凸不平，且此均会严重降低等离子制作的品质。

图2A为现有的另一种大气压等离子反应器的示意图，而图2B为图2A的大气压等离子反应器进行等离子制作时的示意图。请参考图2A、2B，现有的大气压等离子反应器200包括电源电极210、接地外壳(Grounded casing)电极220以及电源产生单元230，其中接地外壳电极220内设有依序相连的进气空间S1、等离子产生区域S2以及等离子排放区域S3，而部分电源电极210是配置于等离子产生区域S2内。此外，电源产生单元230是用于提供电源电极210交流电源，且接地外壳电极220是用于接地。

当氦气242自进气空间S1进入等离子产生区域S2后，便会被电源电极210与接地外壳电极220之间的电场变化游离成等离子源244，并朝向等离子排放区域S3移动而最终从喷嘴222喷出以进行等离子制作。另外，在等离子源244自喷嘴222喷出前，现有技术也可于等离子源244中再混入如硅氧烷类化合物的反应气体(Precursor gas)246(如硅酸乙酯(tetraethoxysilane，TEOS)、四甲基四乙烯基环(tetramethylcyclotetrasiloxane，TMCTS)、四甲基二硅氧烷(tetramethyldisiloxane、TMDSO)、六甲基二硅氧烷(hexamethyldisiloxane，HMDSO)、六甲基二硅氮烷(hexameth yldisilazane，HMDSN)等)，以进行不同类型的等离子制作。

然而，此大气压等离子反应器200仍需要高压才有足够的等离子源244密度以进行等离子制作，如此即会有安全上的顾虑。此外，由于大气压等离子反应器200是以单点区域的方式进行等离子制作，因此必须耗费大量时间移动基板(未图示)以对所有区域进行等离子制作才能完成蚀刻或成膜的作业，所以大气压等离子反应器200的产出效率过低而较无法应用在大尺寸的基板上。另外，大气压等离子反应器200仍具有成膜厚度不均匀的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种大气压等离子反应器，可形成高均匀性的薄膜，并同时降低等离子制作的电压，以提高其安全性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种大气压等离子反应器，其特点在于，包括：一第一电极，内设一进气空间，而该第一电极具有一第一开口，且该第一开口连接该进气空间；一第二电极，具有一第二开口，且该第二开口与该第一开口相对；以及一电源产生单元，耦接至该第一电极以提供该第一电极一交流电源，而该第二电极接地。

上述大气压等离子反应器，其特点在于，该第一开口为多个第一孔洞，而该第二开口为多个第二孔洞，且该些第二孔洞分别与该些第一孔洞相对。

上述大气压等离子反应器，其特点在于，该第二孔洞的孔径分别大于对应的第一孔洞的孔径。

上述大气压等离子反应器，其特点在于，该第一开口为多个第一孔洞，而该第二开口为一第二开槽，且该第一孔洞与该第二开槽相对；在一实施例中，该第二开口为一长型狭缝状开槽。

上述大气压等离子反应器，其特点在于，该第二开槽的宽度大于该第一孔洞的孔径。

上述大气压等离子反应器，其特点在于，该第一开口为一第一开槽，而该第二开口为一第二开槽，且该第一开槽与该第二开槽相对；在一实施例中，该第二开口为一长型狭缝状开槽。

上述大气压等离子反应器，其特点在于，该第二开槽的宽度大于该第一开槽的宽度。

上述大气压等离子反应器，其特点在于，该第二开槽的长度大于该第一开槽的长度。

上述大气压等离子反应器，其特点在于，该交流电源的频率介于100KHz与100MHz之间。

上述大气压等离子反应器，其特点在于，该交流电源为射频电源。

上述大气压等离子反应器，其特点在于，还包括一罩体，该罩体连接该第二电极，以与该第二电极形成一容置空间，而该第一电极是位于该容置空间中，且该罩体具有一第三开口，又该第三开口连接该容置空间。

上述大气压等离子反应器，其特点在于，还包括一等离子源气体，该等离子源气体自该第三开口进入该容置空间，并于该第一电极与该第二电极之间形成一第一等离子源。

上述大气压等离子反应器，其特点在于，该等离子源气体为氦气、氧气、氩气、氮气或以上气体之混合。

上述大气压等离子反应器，其特点在于，还包括一反应气体，该反应气体自该进气空间穿过该第一开口，而与该第一等离子源反应以形成一第二等离子源，且该第二等离子源自该第二开口穿出。

上述大气压等离子反应器，其特点在于，该反应气体为一硅氧烷类化合物。

上述大气压等离子反应器，其特点在于，该硅氧烷类化合物为硅酸乙酯、四甲基四乙烯基环、四甲基二硅氧烷、六甲基二硅氧烷或六甲基二硅氮烷。

上述大气压等离子反应器，其特点在于，该反应气体为氦气、氧气或氩气。

上述大气压等离子反应器，其特点在于，该反应气体为氟化碳。

上述大气压等离子反应器，其特点在于，还包括一扩散片，配置于该容置空间中，而该扩散板具有多个扩散孔。

上述大气压等离子反应器，其特点在于，还包括一扩散片，配置于该进气空间中，而该扩散板具有多个扩散孔。

上述大气压等离子反应器，其特点在于，该第一电极的材质为金属导体。

上述大气压等离子反应器，其特点在于，该第二电极的材质为金属导体。

上述大气压等离子反应器，其特点在于，该罩体与该第二电极为一体成形。

综上所述，在本发明的大气压等离子反应器中，是先于第一电极与第二电极之间形成均匀的第一等离子源，再通过将反应气体穿过第一开口与第一等离子源反应成第二等离子源，如此第二等离子源便会顺势自第二开口穿出以进行等离子制作，而于基板上形成高均匀性的薄膜。此外，本发明有效降低交流电源的电压至200～300伏特便可进行等离子制作，借以大幅提高大气压等离子反应器整体的安全性。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为现有的一种大气压等离子反应器的示意图；

图2A为现有的另一种大气压等离子反应器的示意图；

图2B为图2A的大气压等离子反应器进行等离子制作时的示意图；

图3A为依据本发明一实施例的大气压等离子反应器的剖面示意图；

图3B、3C为图3A的大气压等离子反应器进行等离子制作的示意图；

图4A、4B分别为图3A的第一电极与第二电极的俯视剖面图；

图5A、5B分别为依据本发明另一实施例的第一电极与第二电极的俯视剖面图；

图6A、6B分别为现有技术与本发明之大气压等离子反应器所形成二氧化硅薄膜的扫描式电子显微镜照片图标。

其中，附图标记：

100、200：大气压等离子反应器

110、210：电源电极                 120：接地电极

130：介电板                        140、230：电源产生单元

150：硅基板                        162、166、242：氦气

164、244：等离子源                 220：接地外壳电极

222：喷嘴                          246：反应气体

300：大气压等离子反应器            310、510：第一电极

320、520：第二电极                 330：电源产生单元

342：等离子源气体                  344：第一等离子源

346：反应气体                      348：第二等离子源

350：罩体                          362、364：扩散片

P1、P5：第一开口                   P2、P6：第二开口

P3：第三开口                       P4：扩散孔

S1、S4：进气空间                   S2：等离子产生区域

S3：等离子排放区域                 S5：容置空间

具体实施方式

图3A为依据本发明一实施例的大气压等离子反应器的剖面示意图，而图3B与3C为图3A的大气压等离子反应器进行等离子制作过程的示意图。请参考图3A～3C，本发明的大气压等离子反应器300包括第一电极310、第二电极320以及电源产生单元330，其中第一电极310与第二电极320分别具有相对的第一开口P1与第二开口P2，而第一电极310还内设有与第一开口P1相连的进气空间S4。此外，电源产生单元330是耦接至第一电极310以提供第一电极310交流电源，而第二电极320接地。

当通入等离子源气体342至第一电极310与第二电极320之间时，等离子源气体342便会因为第一电极310与第二电极320之间的电场变化而被游离为第一等离子源344。当第一等离子源344达成稳定均匀分布时，便可由第一电极310上方通入反应气体346至进气空间S4，以使反应气体346向下移动而穿出第一开口P1。如此一来，反应气体346便会与第一等离子源344反应以形成第二等离子源348，而第二等离子源348会顺势自第二开口P2穿出以于基板(未图示)上进行等离子制作过程。

通过第一开口P1与第二开口P2的适当设计可使得反应气体346与第二等离子源348被均匀分布。具体而言，由于第一等离子源344与反应气体346都是呈现均匀分布的状况，因此所反应出的第二等离子源348也为均匀分布从而提高等离子制作过程的品质。如此一来便可沉积出均匀厚度的薄膜，并可有效提高薄膜透明性、附着性以及硬度。此外，在本发明的大气压等离子反应器300架构下，电源产生单元330仅需提供200～300伏特之间的电压便可将等离子源气体342游离，从而提高气压等离子反应器300整体的安全性。相对地，对应交流电源的频率便可向上提高至100KHz～100MHz之间，而在本实施例中，交流电源是采用射频电源，而其频率是13.56MHz。

请再参考图3A～3C，大气压等离子反应器300还可包括罩体350，而罩体350是与第二电极320相连接以形成容置空间S5，其中部分第一电极310便是位于容置空间S5中。罩体350可开设第三开口P3，以让等离子源气体342自第三开口P3进入容置空间S5，其中等离子源气体342可在容置空间S5中向下扩散而成均匀分布的状态。

再次强调本发明的一大重点是先于第一电极310与第二电极320之间产生均匀的第一等离子源344，且相较于反应气体346(或是第二等离子源348)而言，第一等离子源344的移动速率可视为相对缓慢。再通过在第一电极310与第二电极320开设相对的第一开口P1与第二开口P2，以使反应气体346向下穿出第一开口P1后反应成均匀的第二等离子源348顺势穿出第二开口P2。

承接上述，因此前述罩体350的形状仅为举例如何使等离子源气体342分布均匀，而并非用以限制本发明。举例而言，本发明也可省略罩体，而直接从第一电极与第二电极四周向内水平通入等离子源气体，熟悉此项技艺者当可依据实际设计需求而稍作调整，其仍属本发明的范畴内。

在本实施例中，为使等离子源气体342分布更加均匀，大气压等离子反应器300还可于容置空间S5中增设两个扩散片362，其中扩散片362具有多个扩散孔P4以使等离子源气体342在向下扩散的过程中能更加均匀分布。当然，大气压等离子反应器300也可于进气空间S4中增设扩散片364，以使反应气体342能更均匀向下移动。熟悉此项技术的人可轻易明了，在此便不再多作说明。

此外，等离子源气体342例如为氦气、氧气、氩气、氮气或其它合适的气体以游离为第一等离子源344。当进行蚀刻制作时，反应气体346可为氦气、氧气、氩气、氮气或以上气体之混合等，而当进行成膜或其它制作时，反应气体346可为氟化碳、硅氧烷类化合物或其它合适的气体，而硅氧烷类化合物可为特定的tetraethoxysilane(TEOS)，tetramethylcyclotetrasiloxane(TMCTS)，tetra-methyldisiloxane(TMDSO)，hexamethyldisiloxane(HMDSO)或hexamethyl-disilazane(HMDSN)等等气体。另外，第一电极310的材质例如为铜合金，而第二电极320的材质例如为不锈钢，不过本发明并不限制第一电极310与第二电极320的材质，且第一电极310与第二电极320的材质也可为铝、铜、铝合金、铜合金或其它合适的金属导体或金属合金。再者，第二电极320与罩体350更可为一体成形的结构而以冲压成形的方式制成。

图4A与图4B分别为图3A的第一电极与第二电极的俯视剖面图。请参考图4A、4B，在本实施例中，第一开口P1与第二开口P2的形状均为孔状，也即第一开口P1可为多个第一孔洞，而第二开口P2可为对应这些第一孔洞的多个第二孔洞，其中第二孔洞的孔径稍大于第一孔洞的孔径。此外，第一孔洞与第二孔洞的孔径均不宜太大，且必须搭配第一电极310与第二电极320的间距而稍作调整。通过调整实验参数，当第一电极310与第二电极320的间距约介于1～10mm之间，而第一孔洞与第二孔洞的孔径(直径)约介于1～5mm之间时，本发明的等离子制作具有较佳的成膜与蚀刻品质。

然而，第一开口P1与第二开口P2之形状并非仅能为为孔状，以下将再另举实施例并搭配图标说明。图5A与图5B分别为依据本发明另一实施例的第一电极与第二电极的上视剖面图。请参考图5A、5B，在本实施例中，第一电极510与第二电极520分别具有第一开口P5与第二开口P6，其中第一开口P5与第二开口P6的形状均为槽状、例如为长型狭缝状开槽，亦即第一开口P5可为第一开槽，而第二开口P6可为对应这些第一开槽之第二开槽，且第二开槽的宽度与长度均稍大于第一开槽。

承接上述，尽管在本实施例的图标中，第一开槽与第二开槽的数量均为单个，但是本发明并不限制第一开槽与第二开槽的数量。此外，第一开槽与第二开槽的宽度约介于1～5mm之间。另外，本发明也可将孔状的第一开口搭配槽状的第二开口进行设计，熟悉此项技术者当轻易理解，在此便不再说明。再者，本发明并不限定第一开口与第二开口的形状，且第一开口与第二开口的形状也可依据实际设计需求而决定，例如第一开口与第二开口均为孔状、或第一开口为孔状搭配第二开口为长型狭缝状开槽、或第一开口与第二开口均为长型狭缝状开槽。

请再参考图3A～3C，前述扩散片362与扩散片364的主要功用在于均匀化等离子源气体342以及反应气体346，以达到二次平均的效果。特别是在反应气体346经过扩散片364后，可有效避免反应气体346在中间区域密度较高，而在周边区域密度较低的情形。不过，本发明并不限定非要设置扩散片362与扩散片364。举例来说在不设置扩散片364的情况下，且以开口为孔洞的情形而言，孔洞的孔径可依其位置而由中间区域向周边区域渐增，借此最终也可产生均匀分布的第二等离子源348。当然，以开口为开槽的情形而言，开槽的宽度也可依其位置而由中间区域向周边区域渐增，而达成与前述同样的效果。

图6A与图6B分别为现有技术与本发明的大气压等离子反应器所形成二氧化硅薄膜的扫描式电子显微镜照片图标，其中现有技术是采用如图1的大气压等离子反应器，而本发明的大气压等离子反应器是采用如图5A与5B形式的第一电极与第二电极。请参考图6A与图6B，图6A的二氧化硅薄膜表面凹凸不平，且其粗糙度(rms)大至79.822nm，反观图6B的二氧化硅薄膜表面非常均匀，而其粗操度仅为2.003nm，因此本发明的大气压等离子反应器确实可以大幅提高成膜表面的均匀性。此外，图6B的二氧化硅薄膜在透明度与附着度等特性上也较图6A的二氧化硅薄膜为佳。

值得注意的是，相较于图2A的大气压等离子反应器的等离子源为点状区域喷射，本发明的大气压等离子反应器的等离子源至少为线状区域喷射(也可将第一、第二开口制作成面状分布而达到面状区域喷射)，因此本发明可大幅提高等离子制作过程的速率。另外，本发明的大气压等离子反应器可应用于各种尺寸的基板上进行等离子制作过程而无需额外增设其它构件，因此可有效降低其制作成本。

综上所述，本发明的大气压等离子反应器所进行的等离子制作工序，可于基板上形成高均匀度的薄膜。此外，本发明可大幅降低交流电源的电压至200～300伏特，借以提高大气压等离子反应器整体的安全性。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (23)

1、一种大气压等离子反应器，其特征在于，包括：

一第一电极，内设一进气空间，而该第一电极具有一第一开口，且该第一开口连接该进气空间；

一第二电极，具有一第二开口，且该第二开口与该第一开口相对；以及

一电源产生单元，耦接至该第一电极以提供该第一电极一交流电源，而该第二电极接地。

2、根据权利要求1所述的大气压等离子反应器，其特征在于，该第一开口为多个第一孔洞，而该第二开口为多个第二孔洞，且该些第二孔洞分别与该些第一孔洞相对。

3、根据权利要求2所述的大气压等离子反应器，其特征在于，该第二孔洞的孔径分别大于对应的第一孔洞的孔径。

4、根据权利要求1所述的大气压等离子反应器，其特征在于，该第一开口为多个第一孔洞，而该第二开口为一第二开槽，且该第一孔洞与该第二开槽相对。

5、根据权利要求4所述的大气压等离子反应器，其特征在于，该第二开槽的宽度大于该第一孔洞的孔径。

6、根据权利要求1所述的大气压等离子反应器，其特征在于，该第一开口为一第一开槽，而该第二开口为一第二开槽，且该第一开槽与该第二开槽相对。

7、根据权利要求6所述的大气压等离子反应器，其特征在于，该第二开槽的宽度大于该第一开槽的宽度。

8、根据权利要求7所述的大气压等离子反应器，其特征在于，该第二开槽的长度大于该第一开槽的长度。

9、根据权利要求1所述的大气压等离子反应器，其特征在于，该交流电源的频率介于100KHz与100MHz之间。

10、根据权利要求9所述的大气压等离子反应器，其特征在于，该交流电源为射频电源。

11、根据权利要求1所述的大气压等离子反应器，其特征在于，还包括一罩体，该罩体连接该第二电极，以与该第二电极形成一容置空间，而该第一电极是位于该容置空间中，且该罩体具有一第三开口，又该第三开口连接该容置空间。

12、根据权利要求11所述的大气压等离子反应器，其特征在于，还包括一等离子源气体，该等离子源气体自该第三开口进入该容置空间，并于该第一电极与该第二电极之间形成一第一等离子源。

13、根据权利要求12所述的大气压等离子反应器，其特征在于，该等离子源气体为氦气、氧气、氩气、氮气或以上气体的混合。

14、根据权利要求12所述的大气压等离子反应器，其特征在于，还包括一反应气体，该反应气体自该进气空间穿过该第一开口，而与该第一等离子源反应以形成一第二等离子源，且该第二等离子源自该第二开口穿出。

15、根据权利要求14所述的大气压等离子反应器，其特征在于，该反应气体为一硅氧烷类化合物。

16、根据权利要求15所述的大气压等离子反应器，其特征在于，该硅氧烷类化合物为硅酸乙酯、四甲基四乙烯基环、四甲基二硅氧烷、六甲基二硅氧烷或六甲基二硅氮烷。

17、根据权利要求14所述的大气压等离子反应器，其特征在于，该反应气体为氦气、氧气、氩气、氮气或以上气体的混合。

18、根据权利要求14所述的大气压等离子反应器，其特征在于，该反应气体为氟化碳。

19、根据权利要求11所述的大气压等离子反应器，其特征在于，还包括一扩散片，配置于该容置空间中，而该扩散板具有多个扩散孔。

20、根据权利要求1所述的大气压等离子反应器，其特征在于，还包括一扩散片，配置于该进气空间中，而该扩散板具有多个扩散孔。

21、根据权利要求1所述的大气压等离子反应器，其特征在于，该第一电极的材质为金属导体。

22、根据权利要求1所述的大气压等离子反应器，其特征在于，该第二电极的材质为金属导体。

23、根据权利要求11所述的大气压等离子反应器，其特征在于，该罩体与该第二电极为一体成形。

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