CN101831611B

CN101831611B - 真空镀膜装置及镀膜方法

Info

Publication number: CN101831611B
Application number: CN2009101272360A
Authority: CN
Inventors: 吴金宝; 陈肇英; 施进德; 吕明生
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2009-03-09
Filing date: 2009-03-09
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2029-03-09
Also published as: CN101831611A

Abstract

本发明揭示一种真空镀膜装置，其包括：一阴极靶材、多个阳极、一运送装置、一脉冲电弧放电装置、以及一脉冲激光装置。运送装置用以放置及移动阳极，使每一阳极依序经过一可操作位置。脉冲电弧放电装置电性连接阴极靶材与位于可操作位置的阳极，用以在一真空腔体内产生等离子来进行镀膜。脉冲激光装置设置于真空腔体外，用以提供一脉冲激光束至阴极靶材表面，以作为一等离子触发器。本发明亦揭示一种镀膜方法，适用于上述真空镀膜装置。

Description

真空镀膜装置及镀膜方法

技术领域

本发明有关于一种薄膜沉积技术，特别是有关于一种真空镀膜装置及适用于上述真空镀膜装置的镀膜方法。

背景技术

传统物理气相沉积(physical vapor deposition，PVD)技术常用于薄膜沉积，例如：热蒸镀(thermal evaporation)、电子束蒸镀(e-beam evaporation)、溅镀(sputtering)、分子束磊晶(molecular beam epitaxy，MBE)。而激光触发高电流脉冲电弧(laser induced high current pulsed arc，LIHCPA)技术是后续发展出一种多功能性的镀膜技术。不同于传统物理气相沉积技术或是化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)，激光触发高电流脉冲电弧技术是唯一运用脉冲激光(pulsed laser)光束由真空腔体外部射入激发材料(即，靶材)以及使用脉冲电弧放电装置沉积高动能粒子的镀膜技术，故可以在真空腔体内部充入高浓度的各种气体来参与薄膜的生长。此项技术可应用在任何单元素或化合物的非晶材料、多晶材料与磊晶材料等高品质薄膜的制作。

激光触发高电流脉冲电弧(LIHCPA)的技术成长薄膜，是通过激光在靶材表面的移动产生许多的微小等离子区。配合高功率脉冲电弧设计，脉冲激光结合电弧进行高能离子等离子沉积薄膜。此激光是透过一步进马达(stepmotor)使其具纵向(z方向)扫描的能力，可将成膜的范围增加至20cm以上。因此当激光聚焦在阴极靶材上时，阳极会诱发阴极表面产生小的等离子区。通过电容器的充放电机制，在放电过程中产生上千安培的脉冲电流，而在真空腔体内产生高能量的等离子。通过此高能量的等离子可使靶材产生更高游离化的离子与更高的离子动能。利用此高能量等离子的优点，因此而降低薄膜的沉积温度与表面粗糙度。由于在室温即可沉积薄膜，因此对软性的基材不会产生破坏。

然而，当需要增加镀制薄膜的厚度或非导电性薄膜材料时，因薄膜制作时间过久而等离子在阳极表面产生污染，造成阳极表面导电性的下降，而不易在阴极靶材上产生通过电弧放电的等离子，而大幅降低薄膜沉积的厚度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种真空镀膜装置及镀膜方法，适用于上述真空镀膜装置，其中通过多组阳极的设计，在镀膜期间在真空腔体内适时更换阳极，以有效增加薄膜厚度以及维持镀膜效率。

根据上述目的，本发明提供一种真空镀膜装置，其包括：一阴极靶材、多个阳极、一运送装置、一脉冲电弧放电装置、以及一脉冲激光装置。运送装置用以放置及移动阳极，使每一阳极依序经过一可操作位置。脉冲电弧放电装置电性连接阴极靶材与位于可操作位置的阳极，用以在一真空腔体内产生等离子来进行镀膜。脉冲激光装置设置于真空腔体外，用以提供一脉冲激光束至阴极靶材表面，以作为一等离子触发器。

又根据上述目的，本发明提供一种镀膜方法，适用于一真空镀膜装置，其包括：一阴极靶材、多个阳极、一运送装置，用以放置阳极、以及一脉冲电弧放电装置，耦接于阴极靶材与运送装置之间。以运送装置将这些阳极中的一第一阳极移进一可操作位置，使脉冲电弧放电装置电性连接于第一阳极与阴极靶材之间。提供一脉冲激光束至阴极靶材表面以游离出靶材粒子，而触发第一阳极与靶材的电弧而形成用于镀膜的等离子。以运送装置将第一阳极移出可操作位置，同时将这些阳极中的一第二阳极移进可操作位置，使脉冲电弧放电装置电性连接第二阳极与阴极靶材。

根据上述实施例，本发明具有多重阳极的真空镀膜装置可在阳极耗损或表面受到污染而使导电度下降时，提供另一具有干净表面的阳极来进行镀膜。因此，可有效增加产生离子等离子的次数及提高激发等离子的效率，进而增加沉积薄膜的厚度、缩短沉积既定厚度的薄膜所需的时间、以及降低清洁阳极所耗费的时间。另外，由于多重阳极的设计可延长阳极的导电度下降至无法使用的时间，因此可使用导电度较低的材料。亦即，具有多重阳极的真空镀膜装置不仅可用于导电薄膜的沉积，也可应用于高电阻薄膜沉积。

附图说明

图1是绘示出根据本发明一实施例的具有多重阳极的真空镀膜装置示意图；

图2是绘示出根据本发明另一实施例的具有多重阳极的真空镀膜装置示意图。

【主要组件符号说明】

100～阴极靶材；

102～阳极；

104、104a～运送装置；

105～可操作位置；

106～脉冲电弧放电装置；

108～脉冲激光装置；

109～脉冲激光束；

110～等离子；

112～基板；

114～薄膜；

200～真空镀膜装置；

d～间距。

具体实施方式

以下说明本发明实施例的制作与使用。然而，可轻易了解本发明所提供的实施例仅用于说明以特定方法制作及使用本发明，并非用以局限本发明的范围。

图1是绘示出根据本发明一实施例的真空镀膜装置示意图。请参照图1，真空镀膜装置200包括：一阴极靶材100、多个阳极102、一运送装置104、一脉冲电弧放电装置106、以及一脉冲激光装置108。在本实施例中，阴极靶材100制作成滚筒状并沿一纵轴作旋转，其旋转方向可为顺时针或逆时针(为简化附图，图1仅绘示出逆时针旋转的阴极靶材100)。

阳极102放置于运送装置104上，依特定形式排列且邻近于阴极靶材100。阳极102为条状，且每一阳极长度大于或大体相同于阴极靶材的长度。再者，每一条状阳极102的截面为圆形、矩形、或多边形(为简化附图，图1仅绘示出截面为圆形的阳极102)。

在本实施例中，运送装置104具有一平台，设置于阴极靶材100下方，用以承载阳极102并移动阳极102，使每一阳极102依序经过一可操作位置105。此处“可操作位置”代表一相对于阴极靶材100表面的位置，使位于该位置的阳极102与阴极靶材100在施加电压时可产生电弧放电。在本实施例中，可操作位置105与阴极靶材100表面之间的间距d在0.5cm至5cm的范围，而较佳的间距d在0.5cm至1cm的范围。

再者，平台上的阳极102是以阴极靶材100为中心作环状排列，且运送装置104以阴极靶材100为轴作旋转，其旋转方向可为顺时针或逆时针(为简化附图，图1仅绘示出逆时针旋转的阴极靶材100)。须注意的是阴极靶材100与运送装置104分别独立旋转且两者的旋转方向可相同或不同(为简化附图，图1仅绘示出具有相同旋转方向的阴极靶材100及运送装置104)。

环状排列的阳极102彼此保持一既定间距。须注意的是本实施例仅以6个阳极102作为范例说明，阳极102的实际数目以及阳极102之间的间距可依照设计需求作调整。再者，运送装置104可耦接至一步进马达(未绘示)，使运送装置104以步进方式将每一阳极102依序移进/移出可操作位置105。在另一实施例中，运送装置104可位于阴极靶材100上方而将阳极102组装于运送装置104的底部，使其环绕运送装置104下方的阴极靶材100。另外，在其它实施例中，平台上的阳极102可不以阴极靶材100为中心作环状排列。亦即，运送装置104不以阴极靶材100为轴作旋转。然而，运送装置104仍需每一阳极102传送经过可操作位置105。

脉冲电弧放电装置106通常包括一电源供应器及一电容，其可耦接阴极靶材100与运送装置104之间，用以电性连接阴极靶材100与位于可操作位置105的阳极102。举例而言，阴极靶材100与脉冲电弧放电装置106的负电位连接，而位于可操作位置105的阳极102与脉冲电弧放电装置106的正电位连接，用以在一真空腔体(未绘示)内产生等离子来进行镀膜。在一实施例中，脉冲电弧放电装置106的工作电压在50V至1000V的范围。

脉冲激光装置108设置于真空腔体外，作为一等离子触发器(或称引弧器(arc trigger))，其与脉冲电弧放电装置106构成一激光触发高电流脉冲电弧(LIHCPA)系统。脉冲激光装置108提供一脉冲激光束109至阴极靶材100的表面。在本实施例中，脉冲激光装置108包括：KrF准分子激光装置、ArF准分子激光装置、或是Nd-YAG固态激光装置。再者，脉冲激光束109沿平行阴极靶材100旋转轴的轴向，对阴极靶材100表面进行扫描。通过脉冲激光束109的触发，阴极靶材100与位于可操作位置105的阳极102之间可产生电弧放电而形成等离子110。一基板112可耦接至一负电位，以将等离子110导引至其表面而沉积薄膜114。

图2是绘示出根据本发明另一实施例的真空镀膜装置示意图，其中相同于图1的部件是使用相同的标号并省略其说明。不同于图1的实施例，运送装置104a邻近于阴极靶材100，而阳极102作直线排列，且运送装置104a以步进方式沿一方向将每一阳极102依序移进/移出可操作位置105。举例而言，阳极102移动的方向大体垂直阴极靶材100旋转轴的轴向或是脉冲激光束109沿阴极靶材100旋表面的扫描方向。同样地，须注意的是本实施例仅以4个阳极102作为范例说明，阳极102的实际数目以及阳极102之间的间距可依照设计需求作调整。

以下配合图1或2说明根据本发明实施例的适用于真空镀膜装置200的镀膜方法。首先，在一真空腔体内通入一钝性气体，例如氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、或氙(Xe)。再者，制程压力可控制在1×10^-4Pa至2Pa的范围。

以运送装置104或104a将复数阳极102的其中之一移进可操作位置105，使脉冲电弧放电装置106电性连接位于可操作位置105的阳极102与阴极靶材100。如以上实施例所述，可操作位置105与阴极靶材100之间的间距d在0.5cm至5cm的范围。而电弧放电装置106所施加的脉冲电压(工作电压)约在50V至1000V的范围，用以在阴极靶材100与阳极102之间产生电弧。

再者，阳极102的排列及移动方式如上实施例所述，在此不再赘述。

通过脉冲激光装置108作为引弧器，提供一脉冲激光束109至阴极靶材100表面，例如，KrF准分子激光、ArF准分子激光、或是Nd-YAG固态激光。脉冲激光束109是用以触发电弧而形成用于镀膜的等离子110且使脉冲电流达1000A以上。再者，脉冲激光束109沿平行阴极靶材100旋转轴的轴向，对阴极靶材100表面进行扫描。此时，可选择在基板112上施加一负偏压，以将由阴极靶材100所解离的离子引向基板112而借此形成薄膜114。

由于位于可操作位置105的阳极102因容易被阴极靶材100所产生的粒子覆盖或消耗，造成电阻特性升高，而脉冲电弧放电次数减少，使得离子等离子110产生的次数有限，所以不易累积薄膜114厚度。

为解决此一问题，在一实施例中，当位于可操作位置105的阳极102的使用时间到达一既定时间之后，以运送装置104或104a将阳极102移出可操作位置105，同时将下一个阳极102移进可操作位置105，使脉冲电弧放电装置106电性连接具有干净表面的阳极102与阴极靶材100以进行镀膜制程。

在另一实施例中，当位于可操作位置105的阳极102所产生的等离子次数到达一既定次数时，以运送装置104或104a将阳极102移出可操作位置105，同时将下一个阳极102移进可操作位置105，使脉冲电弧放电装置106电性连接具有干净表面的阳极102与阴极靶材100以进行镀膜制程。

根据上述实施例，具有多重阳极的真空镀膜装置可在阳极耗损或表面受到污染而使导电度下降时，提供另一具有干净表面的阳极来进行镀膜。因此，可有效增加产生离子等离子的次数及提高激发等离子的效率，进而增加沉积薄膜的厚度、缩短沉积既定厚度的薄膜所需的时间、以及降低清洁阳极所耗费的时间。另外，由于多重阳极的设计可延长阳极的导电度下降至无法使用的时间，因此可使用导电度较低的材料。亦即，具有多重阳极的真空镀膜装置不仅可用于导电薄膜的沉积，也可应用于高电阻薄膜沉积。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定的范围为准。

Claims

1.一种真空镀膜装置，其特征在于，包括：

一阴极靶材；

多个阳极；

一运送装置，用以放置及移动该多个阳极，使每一阳极依序经过一可操作位置；

一脉冲电弧放电装置，电性连接该阴极靶材与位于该可操作位置的该阳极，用以在一真空腔体内产生等离子来进行镀膜；以及

一脉冲激光装置，设置于该真空腔体外，用以提供一脉冲激光束至该阴极靶材表面，以作为一等离子触发器。

2.根据权利要求1所述的真空镀膜装置，其特征在于，该脉冲激光束沿一第一方向对该阴极靶材表面进行扫描。

3.根据权利要求2所述的真空镀膜装置，其特征在于，该阴极靶材沿一轴作旋转，且该轴的轴向平行该第一方向。

4.根据权利要求2所述的真空镀膜装置，其特征在于，该多个阳极作直线排列，且该运送装置以步进方式沿一第二方向将每一阳极依序移进/移出该可操作位置。

5.根据权利要求4所述的真空镀膜装置，其特征在于，该第一方向大体垂直该第二方向。

6.根据权利要求1所述的真空镀膜装置，其特征在于，该多个阳极作环状排列，且该运送装置以步进方式将每一阳极依序移进/移出该可操作位置。

7.根据权利要求6所述的真空镀膜装置，其特征在于，该多个阳极以该阴极靶材为中心作环状排列，且该运送装置以该阴极靶材为轴作旋转。

8.根据权利要求1所述的真空镀膜装置，其特征在于，该可操作位置与该阴极靶材之间的间距在0.5cm至5cm的范围。

9.根据权利要求1所述的真空镀膜装置，其特征在于，该多个阳极为条状，且每一阳极长度大体相同于该阴极靶材的长度。

10.根据权利要求9所述的真空镀膜装置，其特征在于，每一条状阳极的截面为圆形或多边形。

11.根据权利要求9所述的真空镀膜装置，其特征在于，每一条状阳极的截面为矩形。

12.根据权利要求1所述的真空镀膜装置，其特征在于，该脉冲电弧放电装置的工作电压在50V至1000V的范围。

13.根据权利要求1所述的真空镀膜装置，其特征在于，该脉冲激光装置包括：KrF准分子激光装置或ArF准分子激光装置。

14.根据权利要求1所述的真空镀膜装置，其特征在于，该脉冲激光装置包括Nd-YAG固态激光装置。

15.一种镀膜方法，其特征在于，适用于一真空镀膜装置，该真空镀膜装置包括：一阴极靶材、多个阳极、一运送装置，用以放置该多个阳极、以及一脉冲电弧放电装置，耦接于该阴极靶材与该运送装置之间，该方法包括：

以该运送装置将该多个阳极的一第一阳极移进一可操作位置，使该脉冲电弧放电装置电性连接于该第一阳极与该阴极靶材之间；

提供一脉冲激光束至该阴极靶材表面，而触发该第一阳极与该靶材的电弧而形成用于镀膜的等离子；以及

以该运送装置将该第一阳极移出该可操作位置，同时将该多个阳极的一第二阳极移进该可操作位置，使该脉冲电弧放电装置电性连接该第二阳极与该阴极靶材。

16.根据权利要求15所述的镀膜方法，其特征在于，当该第一电极的使用时间到达一既定时间，将该第一阳极移出该可操作位置，同时将该多个阳极的一第二阳极移进该可操作位置。

17.根据权利要求15所述的镀膜方法，其特征在于，当该第一电极所产生的等离子次数到达一既定次数，将该第一阳极移出该可操作位置，同时将该多个阳极的一第二阳极移进该可操作位置。

18.根据权利要求15所述的镀膜方法，其特征在于，该脉冲激光束沿一第一方向对该阴极靶材表面进行扫描。

19.根据权利要求18所述的镀膜方法，其特征在于，该多个阳极作直线排列，且该运送装置以步进方式沿大体垂直于该第一方向的一第二方向将每一阳极依序移进/移出该可操作位置。

20.根据权利要求15所述的镀膜方法，其特征在于，该多个阳极作环状排列，且该运送装置以步进方式将每一阳极依序移进/移出该可操作位置。

21.根据权利要求20所述的镀膜方法，其特征在于，该多个阳极以该阴极靶材为中心作环状排列，且该运送装置以该阴极靶材为轴作旋转。

22.根据权利要求15所述的镀膜方法，其特征在于，该可操作位置与该阴极靶材之间的间距在0.5cm至5cm的范围。

23.根据权利要求15所述的镀膜方法，其特征在于，该脉冲电弧放电装置的工作电压在50V至1000V的范围。

24.根据权利要求15所述的镀膜方法，其特征在于，该脉冲激光束包括：KrF准分子激光或ArF准分子激光。

25.根据权利要求15所述的镀膜方法，其特征在于，该脉冲激光束包括Nd-YAG固态激光。