TW200423826A - High frequency plasma jet source and method for irradiating a surface - Google Patents
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Description
200423826 玖、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種高頻電漿輻射源,及—利用根據獨立申請 專利範圍所述之概念之電漿輻射,做為表面照射之方法。 在基板之真空鍍膜方法中,經常採用一稱之為高頻電漿輻射 ^電漿时有巾性之原子及/或分子之外,亦有計及正離子等 粒子。该等帶電粒子係藉由電場及/或磁場瞄準加速,並且被 用於例如刮除表面,或用於黏附―層例如氧之活減份,至—層 新增長之觀上。習知亦有-以軒减礎之核,該方法係ς 物質由-通常為蒸發源之物質源中蒸發出來,然後再沈積在一基 板上在基板上所增長出來之物質,係以一電漿中之活性成份, 例如氧加以射擊,並因此而形成一層例如氧化 應用於光學賤之咖舰之製作±。此外,絲^照射ς 膜上(平整度,料有重大意義,因為該等獅之光學特性,通 常會強烈的因應著氧含量而變化。 在微電子或做為光學用之薄鐘膜製造上,通常是為追求一儘可 能均勻之鍍膜厚度及鍍膜特性之製造,例如折射率。在工業應用 上’則是要進行大面積的及/或許多基板之同時鍍膜,此時鐘膜^度 (均勻性問題變大。尤其在光學之鑛膜上,在—表面上、或在一次 鍍膜作業之基板上之鍍膜厚度之變異程度,無論如何都只有少數百 分比之容許度。 【先前技術】 由歐,專職ΕΡ 349 556 B1中得知—高頻電綠射源,在一 表面上以紐平行之原子、或分子束加以射擊時,能保證有一個偵 可能為大面積之平整度。因此,該高頻電漿軸源之開卩,便設有 一抽取柵板,該柵板具有一很小之機械寬度,以免對電漿產生干 200423826 擾。該抽取柵板係-高頻導引之電極,形狀為特定造型之繞線網、 或平行之金屬線。在電漿及抽取栅板之間,會產生—離子加速之電 位差’因此,便能夠產生-中性電漿#射,_射錄過輻射之方 向上係冗全均勻’而且不含任何模組構造。為讓抽取栅板之平面, 能夠永遠保持-良好之平坦度,並且避免電漿缺受·取柵板之 外型不艮影響’所以該習知之高頻電漿輕射源之抽取栅板之樹板支 架,-便設有-張力調整裝置。將高頻電漿μ源之直徑加大,以便 進積之照射’是常見之做法。但該做法卻會提高成本,並且 吓有速度及構造上之限制。 ^ίίΞί製,大量基板會同時進行鍍膜,而基板則是置 於求开^罩上。此處即大面積之同時鍍膜。 當習知之高頻電桀輕射源用於基板之大面 該:基:係置於該類球型罩上、或其級線形之二二 二 ==源之直顺時,亦必須忍受被鏡上: 之度Μ厚度及_特性之均勾度所受到之損害。& 面積之照射無法得到所希望之品質要求。 八% 、、、 ^ 【發明内容】 漿二==造;射源 '-具有此類高頻電 法能夠進行;照射表面之方法,而該方 本發明〈目的係以獨立申請專 根據本發明之優氣 園,L以解決。 中性電_射。 夺會產生一與技術現況截然不同之 發明上之基板,^ 或進行大面積之清=^成功進行均勻、大面積之鍵膜, 6 200423826 本昶明之另一觀點,係一高頻電漿輻射源,尤指用於改善球 形罩上所置之基板之照射而設置之高度平行電漿輻射,至少設有 /設置在電漿室外面之遮板,利用該遮板,可以避免電漿輻射密 度之不均勻區域,被照射至球形罩上或基板上。此處同樣亦可以 利用該遮板,將電漿室之出口之一部分遮住。 在下又中,本發明將參照圖式進一步加以說明,而其中亦提 供/些與申請專利範圍之摘要獨立之其他特徵、細節、以及本發 明之優點。 [圖式簡單說明】 在示意圖中所顯示: 圖一具一優良高頻電漿輻射源之鍍膜室, 圖二 個cosl1-輕射特性之分布曲線, 圖三在圖一中之鍍膜室之幾何比例,其中基板係設置於—球形 罩上, 圖四在一球形罩上之1102鍍層之折射率分布圖, 圖五冑頻電漿制源之開口大小、及絲之發散程度,對球形 罩上之電漿輻射密度之分佈所造成之影響, 圖六一根據技術現況之高頻電漿輻射源, 固七m⑧%區之厚度與所施力ρ之抽取電壓間之關係, 圖八在-固定抽取電壓下,空間電荷區之厚度與電流密度間之 關係, 圖九一優良之抽取柵板之構造,及 圖十另一優良之抽取栅板之構造。 【實施方式】 圖-顯示-高頻電漿減源丨之示賴,在下文中將 、裝無射源,並具有一發散之中性電槳輕射j。該批電聚輕射 200423826 源1之構造像一鍋子,並設置於一由鍍膜室7所構成之真空室區 域内,並且被包覆在一外殼2内。鍍膜室7之細部構造,像是常 見之真空幫浦、氣體供應源、基板之支架、分析器等,均未被输 出。Hf-電漿輻射源1具有一電漿室3,而電漿便是在該室内,利 用例如高頻入射之方式加以點燃。内部設有用於點燃及保持電漿 之電氣機具8、9,一般係為一高頻發射器8、及一些電接線9。此 外,亦可設置至少一磁鐵5,而該磁鐵係採用一般方式,用於將電 漿關在電漿室3内。設置有一個注入口 6,做為Hf-電漿輻射源i 之氣體供應源。為由電漿室3之電漿中抽取出中性之電漿輕射, 其出口之一部分區域,通常會設置一具高度穿透性之抽取柵板4。 該專為穿透而設置之抽取柵板4,尤指上面未被遮住之平面,將被 指定為源頭之尺寸。一般而言,源頭尺寸係經由開口尺寸大小確 定。該類之源頭,尤其具有平面式抽取柵板、及具有強烈指向性 之電漿輻射者,已經可由歐洲專利案EP 349 556 B1中得知。最佳 之方式係一根據ECWR原理工作、並具有相對較高密度之電漿源。 根據本發明所發散出來之電漿輻射〗,最好是透過電漿及抽取 柵板4間之精準交互作用工作。該抽取柵板4之構造形式,是讓 電漿輪射I具有一基本上為發散之輻射特性。該抽取柵板4之細部 構造,將於圖九及圖十中進一步顯示。 在發散之電漿輕射中必須知道,亦有一些電漿輕射,至少會 在與主要輻射線方向,即電漿輻射密度最高之方向,垂直之方向 上,仍然有明顯之輻射。輻射線之發散性,可以利用一餘弦分佈 之η指數做近似之描述。餘弦分布之指數n,即輻射線之發散性之 量度。^ η越大時’電聚為射越有指向性;當^越小,電漿輕射 就越發散。該類分佈函數之詳細論文,可以參照G· Deppisch: 66SchichtdickengleichmaBigkeit von aufgedampften Schichten in
Theorie und Praxis蒸鍍鍍膜之鍍膜厚度均句性之理論與實務,, Vakuum Techik,30. Jahrgang,Heft 3, 1981。圖二顯示在不同之 n 值 之下,一電漿輻射之相對離子流量,相對於輻射線與源頭法線之 夾角之cosn分佈曲線函數。該分佈係關於一種數學所計算出來之 量’而該量所呈現是離子射線密度與在各角度上之量有多大。在 一個強烈發散之輻射線中(γΐ),在一個與源頭法線呈現例如4〇 度之角度下,仍然可以達到源頭法線方向所輻射出來之值之 78%。反之當η=8時,在該角度下只有13%之輻射而已。在一 η=ΐ6 或η=36之電漿輻射中,於40度之角度下,實際上則已經沒有電 漿輻射。 圖二顯示一構成膜鍍室之真空室7内部之幾何比例。在鍍膜 A 7 裡面’已有终多基板 ι〇·1、1〇·2、1〇·3、1〇 4、1〇·5、10.6 被 設置在一基本上呈球形之球形罩η上。該球形罩u之形狀是一 球殼之一個截面。基板 1〇·1、1〇·2、1〇·3、10·4、10·5、10·6 係以 環狀之方式,放置在球形罩11上,即各元件符號皆代表有許多片 基板,而該等基板都是分別設置於球形罩11上之各個環。垂直虚 線係指源頭法線之方向,或與該法線平行者。含有基板101之最 内一環係對應於一球形罩角Λ,例如9度,下一個含有基板10.2 ^環係對應於一 α叫4度之球形罩角,再下一個含有基板10.3之 環’係對應於一 α =21度之球形罩角,再下一個含有基板1〇·4之 環’係對應於一 α =27度之球形罩角度,再下一個環之角度則為α 一33度’以及最外—環則有一 α=39度之角度。球形罩η可以在 鍵膜時轉動’以便得到一較佳之鍍膜厚度均勻性。在本案中之 電裝輪射源1 ’係以偏離於球形罩11之對稱中心之方式來放置, 其中Rq則表π此—源頭與球形罩u之對稱軸Ks之間之軸心距 離。除Rq之外’甚至源頭法線之方向及/或間距Yq亦可以改變, 200423826 以便能夠精準之針對基板⑽、10.2、HU、1G.4、1G 5、1〇 6上 :電漿#讀!之強度產生影^甚至還可以在鍍膜室7裡面,再設 置另一物質源,尤指蒸鎮源。此外,該源頭-可相對於對稱軸之 万二:傾斜—Θ之角度。在本發明之另—種設計中,亦可以讓基 存又置《表面’呈現-個不一樣、特別是呈彎曲狀之形狀。 為讓球形罩11能夠劇—儘可能均勻、大面積之照明,所以 電漿輕射源丨通常是選用儘可能為大之出口、以及具有指向性 《電漿輕射。但是對於該類裝置之蚊,實際上之鍍膜實驗結果、 =及模擬運算’都顯示把出口加大,只有在有限條件配合下,才 ^讓基板上所鍍上去鐘膜之鐘膜厚度達到—足夠均勻度。鍵膜品 =改吾’尤指雜厚度之均句度,収可以根據本發明,採用 %政之電漿輻射I達成。 圖四顯示係—在基本上為球面之球形罩之TiQ2鍍層之折射係 刀布圖:此處如圖-及圖二所示,採用—具有16gng32、及較 B之出口之Hf-電漿輻射源,做為二氧化鈥Ti02進行鍍膜。Ti〇2 $明’而且具有—折射係數,該係數與所使用之電漿輕射之強 關Hf包桌輻射源之出口,具有18 75〇mm2之面積。當球形 均勻被照射之後,光學折射率舰均自分佈在_罩η上。 古久有經過電漿補之照射時,該折射率大約為2·2,並且會在很 =之電漿輕射之輕射密度下,達到2·4之值。測量結果顯示於圖四 ρ ’而基於電軸射密度之故,在位置1及6之折射率則約略比 =置2至5又值小3〇%,其中該位置,係對應於前述之圖二中, 钪在球形罩11上之環1〇1···,以及對應於球形罩u上所斜應之 度。 、 圖五顯π之Hf-電漿輻射源之開口大小、以及輻射線之發散程 度’對於球形罩上之電槳輻射密度之分怖所產生之影響之模擬計 200423826 算結果。在一具有n=16、以及出口相當小 =之爾咖中,電漿輕射密度與二 係取強烈(最上方之曲線)。在一個具有相同n=i6之::巧係 有較大之出口之耶麵射源中,其與角度間之二: 較小。n=8以及n:=14之曲線,同樣亦採用 關係則 明顯可以看出,卩_發散程度之增加,換句^說即指口^計算。、 時,電漿輻射密度則較少隨著球形罩之角产^ j η為漸減 在球形罩上之均勻度得以增加。 ^ ° 4電漿轉射 一發散之電漿輻射I,便能以一個簡單 11進行均勻、大面積之照射。t採用 | =形罩上 散之電漿鋪,相較於傳祕用—具有蚊/口;"一發 ;'果;在::坦之表面上,預料到,發散之電衆 有-較小之婦均勻度,不過對於許多 ^ 清潔,其仍歧夠。 1耐丨於表面< 在本發明用於,騎-表面之核巾,絲用—具有 發散性,特別是高發散量為n=16,特別為n=4及n,之:二 漿輻射源之電漿輕射!,此處之η係指—餘弦分怖函數 該指數係祕減麟之發散度。具讀細特性^ =,射密度,以及用來改善翻一—二= 當然,本發明並不限於Hf-電槳輪源,其發教之輕射特性, 可以透過-缝分料數純描述,而是包含各 之發散式輕射特性。 J目的 200423826 所希望之發散式輻射發散度,可以有效而準確 射=構性架構達成。在此,最好㈣電聚輕射源二 栅:4 ’相較於既有技術所習知之構造形狀加以修 改权佳的疋二種可行之方式。該抽取柵板4設有—此 孔寬度之網孔,啖哕搞祐允非巫而、 一/、有大,,揭 M w 以,而是编電漿方向為凹下 或凸(讀&。此外,該抽取柵板4可以是凹下或凸起 , 再加上具有大網孔寬度之網孔。該抽取柵板4主要是由鎢㈣攸 屬/之粗細約為_至3mm,特別最好是G.1至二 尤指圓:狀之空板面積,係由-圓, 可以且有-長方㈣」Ϊ _來說’抽取拇板4 源i之出口相在^主狀而=積=造相同之班-電漿輕射 i 一单>、人且、/、囡柱狀足二心粗中,可以把圓柱之長軸擺 丁万、万开Α邊位置上。透過圓柱體包覆面之隆起,在 相對於電漿之方向上,實現一個凹下或凸起之形狀。 古^進^'比較’圖六係顯示一根據技術現況,在出口區域内具 柵板t μ射-具高度饰性之«傭1之 °在抽取桃板4上之電聚表層,基本上 &《身又之規範’例如由歐洲專利案EP 349 556 B1所 Γ、口合减取柵板4係由非常緻密之網孔所構成,緻密到連電聚 網孔所㈣。因此,網孔寬度會選用-個比抽取柵板4 及電漿間之空間電荷區之厚度更小之值。 空,荷區之厚度d可以由教科書中得知。因此,厚度d便 與电每t由電料緣至抽取柵板4間之電位降U有關:
/7, 七 〇 . I TTA non
丨W 其中 ε〇:真空中之介電常數 12 200423826 e :基礎電荷 mi〇n :參與之離子之質量 U ··電漿邊緣與抽取柵板4間之電位降(等於錄電壓) ; 方要測量本發明所放大之抽取柵板4之網孔寬度,必須捩用· 下列步驟。 ' 在1〇A/m2之離子流之下,其是一個具有0.1m2之出口之Hf_ 電漿3源之空間電荷區厚度d,在操作該類鍍膜裝置時,該離子 流係-晋遍之值。結果如圖七中所示。根據圖示,空間電荷層之 厚度d,係隨著逐漸增加之降而上升,而且會在 50至約㈣伏特之間時’在〇 5mm至2 5纖之間變化。在一個較_ 佳且=在50至200伏特間之電位時,此一厚度係明顯小於之麵。 在固定之抽取電壓之下,例如15〇伏特之下,觀察空間 電荷區厚度d、與離子流密度之間的關係時,則會得到在圖八中所 7F之曲線。在固足之抽取電壓之下,空間電荷區之厚度心將會隨 著電流密度之上升而下降。在介於4A/m2至ΜΑ-間之較佳區域 中’玄間電荷區厚度d將會小於2mm。 、圖九顯讀據本發明-具有優㈣構之抽取柵板4之電聚輕 射源1 W意圖,其上面則具有網孔寬度被放大之網孔。如果網籲 孔寬度比㈣電荷社厚度d更大,在該區_之電漿表層則會 又/ 4抽取柵板4下方所標示之波浪狀曲線。該狀態將會使電 f輻射I《發散程度被提高。只要網孔寬度夠小,小到電漿不會明 顯被出口減弱時仍屬合理。針對該目的,網孔寬度最好是在 30mm 以下,特別是當空間電荷區之厚度為〇·5至2.5rnm時,最佳之情 況最多為20mm。 圖十顯不另一抽取柵板4之優良架構之示意圖。該架構並不 是平面之,而是設置成凹向f漿室3之構造。如此,便形成一彎 13 200423826 曲之電漿表層,而被噴出來之電漿輻射I,則呈現一 、 性。此處,抽取柵板4之網孔寬度亦可以相當小,#政之各射特 比空間電荷區厚度更小之值。抽取柵板4亦可 甚至可以選用 A疋凸走e夕i兽;止 在另一種實施形式中,抽取柵板4上至少有—部八、 。。 是不規則構造。例如網孔寬度可以有變化,以 1表面可以 網孔之寬度越小。除此之外,電漿室3外面亦可以^、彖過去, 遮板,以便為電聚輕射進行調變。同樣,有—部八设置―或多個 用遮板加以遮蔽,以便表面上其他會被不均勻照 =等遮极亦可略,,能夠心 按之實施形式中,亦可以採用—由歐洲專利 之邪電__所砂、基本知具備1面式抽取柵板 該_之$射Λ,用於―些置於球料上之基板進行騎,但在 等遮板係用=面之一空間區域内,則至少設置-片遮板。該 均勾之射進行機,方式則是讓_罩上面其餘不 同樣亦可不會被輻射線闕。把出口遮住—部分之方式, 之輕射杜果,/疼目的。所採用之遮板形狀’通常是視所要達到 以便電漿據經驗決定。此外亦可在遮板上面施加一電位, 啊逛行調變。 14 200423826 元件符號 1 高頻電漿輻射源 夂 2 外殼 ·_ 3 電漿室 · 4 抽取栅板 5 磁鐵 6 氣體注入口 7 鍍膜室 8 高頻發射器 9 電接線 10 基板 11 球形罩 I 電漿輻射
Ks 球形罩之對稱軸 a 球形罩角 rq 源頭與對稱軸間之軸心距離 YQ 源頭與對稱中心之垂直距離 15
Claims (1)
- 拾、申請專利範圍: 2. L -種高頻電漿轉射源’其具一為電漿設置之電漿室⑴,一政用於 持電漿之電氣機具(8、9),—處在高頻電位之下、以便 电水至曰3中將電漿輻射⑴抽取出來之抽取柵板⑷及一出 +最真*至⑺之出口,而抽取柵板⑷則是被設置在 出口之侧内,其特徵為,電漿輕射⑴之構造,基本上是發散。 = 丨項所述之高猶_源,其特徵為,電裝 :=:懷’皆精準之藉由電裝及抽取拇板⑷間之交互 3· 4. ^據:專利範圍中至少—項所述之高頻電漿輕射源,其特徵 j电水切《形狀至少必須與一部分之表面相吻合,以便至少在 ΓΙί《表面上,能夠使電漿流量密度達到—很高之均勻度。 】,專利範圍中至少—項所述之高頻電漿輕射源,其特徵 Γ^31* (4) * 之外表面戶^下來抽取桃板之表面,係由一個圓柱狀空心體 5. ^據^述,專利範圍中至少一項所述之高頻電漿輕射源,其特徵 ^至V、有—部分之抽取柵板⑷之表面,係設置成不規則之構 6. ^據=中請專·圍中至少—項所述之高頻電漿 特 為,^少設置有-位在電漿室⑴外面之遮板。 ’、瓶 t據專,圍中至少-項所述之高頻電軸源,其特徵 ^ 斗分<出口係被遮板所遮住。 至少—销述之高頻錄輻贿,其特徵 及電&= 孔,而該等網孔之寬度,比抽取柵板⑷ 水至(3)之電漿間之空間電荷區厚度更小。 8. 200423826 9.根據前述申請專利麵第i項至第7項中至少—項所述之高 輻射源,其特徵為,抽取柵板⑷具有網孔,而該網孔之寬产: 1與抽取柵板⑷以及«室⑴之電漿間之空間電荷區; 一樣大。 瓜根據申請專利範圍第9項所述之高頻電浆細源,其特徵為 栅板⑷具獅L,*料網狀寬紅小之上限 讓電漿仍然留在電漿室(3)内。 、 11. -種高頻電聚輻射源,其具有-為電漿設置之電漿室⑴,一些用 於點燃並麟電漿之電氣機具(8、9),—處在高触位之下:以 便自電漿室⑴中把電漿輻射⑴抽取出來之抽取拇板⑷,以 ϋ個人,’尤指_真空室⑺之出口,而抽取栅板⑷則被 ,又置Μ Π之内,其特徵為’電細射係呈高度平行性,而且 至少設置-位在電漿室⑴外面之遮板,而利用該遮板,至少就 可以在-部分之球形罩⑻表面上將電聚轉射⑴加以調變,以 便使電漿輻射密度能夠達到一個高度之均勻性。 .根據前述申請專利範圍中至少一項所述之高頻電聚輕射源,其特徵 為’至少有一遮板被施加一電位’以便能夠將電聚骑⑴加 變0 D•根據1述巾請糊棚中至少—項所述之高頻錄輕射源 ,其特徵 為类^膜室⑺滴,於基本上與出口崎之處,設置一彎曲 之=,通常是-含有基板(uu、10.2、1〇3、i〇4、i〇5 之球形罩(11)。 ’ 14·根據前述申請專利範圍中至少一項 & ^ 所迷《面頻電漿輕射源,其特徵 為^向頻電漿輻射源⑴之外,亦設置一蒸鍵源。 I5·根據則述申請專利範圍中至少一項 ^ A,所奴高頻電漿輻射源,其特徵 為抽取柵板⑷是由鎢絲網絡所構成,金屬絲之粗細約為_ 17 2o〇423826 至3mm ’最好是〇·ΐ至imm。 16·根據前述申請專利範圍中至少一項所述之高頻電漿輻射源,其特徵 為,至少設置一磁鐵(5),用於將電漿關在電漿室(3)之範圍内。 17· —種真2室,其具有一外殼(2)、一高頻電漿輻射源、以及一用於 進行照射之表面,其特徵為,該高頻電漿輻射源(〇係根據前述 申請專利範圍中至少一項以上形成。 M·根據申請專利範圍第17項所述之真空室,其特徵為,用來進行照 射之表面係呈彎曲狀,最好是一球形罩(Η ),並且包含一或多個 基板(1(U、10·2、1〇·3、10·4、10.5、10.6)。 19· 一種利用一高頻電漿輻射源之電漿輻射做為一表面照射之方法,其 特徵為,採用一種發散之電_射⑴,而高頻電漿輕射源則是根 據申请專利範圍第1項至第16項中至少一項所製成。 20·根據申請專利範圍第19項所述之方法,其特徵為,電聚輕射⑴ 具有一個發散性量度最多為η=16之輻射特性,通常則為η=4,而此 處之η則是一個餘弦分佈函數之指數。 21·根據申請專利範圍第19項及第2〇項中至少一項所述之方法,其特 徵為’電漿輻射⑴之輕射特性,係經由電聚及抽取柵板⑷之 間一精準之交互作用來達成之。 22·根據申請專利範圍第19項至第21項中至少-項所述之方法,其特 欲為,所採用在拙取之電漿及至少—片在電聚室⑶外面所設之 遮板間之精準交互作用。 23. 根據申請專利範圍第π項至第22項中至少一項所述之方法,其特 杖t,電漿她⑴之輕射特性’至少必須與一部分之輻射表面相 吻合’以便至少在—部分之表社,能夠使錄赫密度達 高之均勻度。 $ 24. 根據申請專利範圍第19項至第23項中至少一項所述之方法,其特 18 200423826 25. 26. 徵為,設置有-f曲之表面,最妤是一球形軍(⑴β 根據帽專利範園第〗9呀至第24項中至少—項所述之方法,其待 徵為,精由表面之照射達絲面之鍍膜。 根據申請專利範圍第19 徵為,藉由表社照射達成:种至少—述之方法,其特 rr達成表以改善及/19
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