TWI381063B - 高功率脈衝磁控濺射鍍膜裝置與表面處理裝置 - Google Patents

Description

高功率脈衝磁控濺射鍍膜裝置與表面處理裝置

本發明是有關於一種磁控濺射鍍膜裝置與表面處理裝置，且特別是有關於一種高功率脈衝磁控濺射鍍膜裝置與表面處理裝置。

目前工業上常用的電漿鍍膜技術大致可分為電弧電漿鍍膜技術以及磁控濺射鍍膜技術兩種。以電弧電漿鍍膜技術而言，其在約10^-3 (torr)之真空環境中，以操作陰極與陽極低壓放電(約數十伏特)的方式產生電漿。將靶材(被覆材料)置放於陰極上，則靶材會因放電加熱變成金屬離子(電漿)，朝向工件表面沈積。特別是在大電流引弧作用下，電漿的離子化率很高，因而電弧電漿鍍膜技術的優點便在於所生成的膜層與基材(工件)之間的附著力較強。

然而，電弧之局部高溫會熔蝕靶材，使得靶材產生1~10μm尺寸的微粒而沉積在工件表面上，而這會使得工件表面粗糙，造成品質下降。儘管習知技藝有提出增加曲線形磁通道過濾電漿中的微粒，不過這會降低沉積速率，並且在經多次碰撞仍會有些許次微米級微粒或碎片彈射通過曲線形磁通道而到達工件附近，並污染工件表面且降低成膜品質。

以磁控濺射鍍膜技術而言，其特點在於膜質細緻，而常用於光學膜與半導體製程。磁控濺射鍍膜技術運作方式主要是將靶材擺在陰極，並利用陰極與陽極輝光放電的方 式產生電漿，以將靶材濺射出來而沉積在加有偏壓之工件上。

然而，由於濺射材料主要是以中性原子與原子團為主，因此磁控濺射鍍膜技術有離化率(ionization ratio)過低的缺點。由於離化率一般小於5%，因此不易提昇成膜之附著力。此外，工作區間很窄，且工件僅能擺置於靶材前方約5~10cm的距離，因此大型工件鍍膜能力不足，而大多只能應用在平面鍍膜方面。

儘管習知技藝有提出加裝離子源的方式以輔助中性粒子離子化，不過其效果有限，且操作條件嚴格。此外，習知技藝之非平衡磁控濺射鍍膜技術可靠非平衡磁場以增加離化空間部分材料，但是離化率僅有10%~20%，且當磁路一旦平衡失控，則發散電子束會有燒毀工件表面的缺點。

圖1為電漿操作的電壓電流示意圖，其中橫座標為電流A，縱座標為電壓V。請參考圖1，圖中清楚標示出電弧電漿鍍膜技術與磁控濺射鍍膜技術的工作區段。以電漿技術而言，電流的大小一般會與生成電漿的離化率呈正向關係，而愈大的電流便代表愈大的離化率，以提昇成膜之附著力。

由於電弧電漿鍍膜技術的工作區間具有較大的電流，因此其成膜之附著力較佳。然而，前文亦提及會有微粒沉積在工件表面上而造成品質下降。此外，由於電弧電漿鍍膜技術是以低壓進行操作，因此高電流乘以低電壓所得到的功率P(P=VxA)不會過大。

反觀磁控濺射鍍膜技術的工作區間，其電流較小而使 得電漿的離化率過低，使得成膜附著力不佳，而研發人員均是以提昇電流為主要目標。請再參考圖1，若從磁控濺射鍍膜技術的工作區間再繼續提升電壓，則電流會與電壓同向增加而進入高功率電漿區。儘管電流的增加可增加電漿的離化率，但是功率P卻會因為電流與電壓的同向增加而呈倍數成長，進而使得1.電源供應器2.靶材以及3.工件均無法持續承受如此的高功率而損壞或熔融。

高功率脈衝磁控濺射(High Power Pulse Magnetron Sputtering, HPPMS)技術是一種在1999年才開始發展的真空鍍膜技術，其為磁控濺射的一種，且其對應的工作區間即為圖1之高功率電漿區。高功率脈衝磁控濺射的脈衝峰值功率是前述磁控濺射的100倍，而約在1000~3000W/cm² 範圍。但是由於作用時間約在100~150微秒，因此其平均功率與前述之磁控濺射的功率相當。

然而，高功率脈衝磁控濺射技術仍有許多特性仍在學術研究中，並僅使用在表面清潔之用。因此在鍍膜應用上，仍有技術瓶頸存在。

有鑑於此，本發明之目的是提供一種磁控濺射鍍膜裝置，以高功率脈衝磁控濺射技術達成高品質的鍍膜，且其成膜具有高附著性與高均勻性之特點。

此外，本發明之另一目的是提供一種表面處理裝置，可加速工件表面處理的效率。

為達上述或是其他目的，本發明提出一種磁控濺射鍍 膜裝置，適於對工件進行鍍膜，此磁控濺射鍍膜裝置包括真空腔體、承載件(holder)、磁控電漿源以及高功率脈衝電源組，而磁控電漿源包括基座、磁控件與靶材。反應氣體是通入至真空腔體內進行作用，而承載件是配置於真空腔體內，且工件是配置於承載件上。磁控電漿源是相對工件而配置於真空腔體內，其中磁控件是配置於基座中，且靶材是配置於基座上。高功率脈衝電源組是耦接該真空腔體、磁控電漿源與承載件，並輸入一高壓脈衝電源至磁控電漿源，以使靶材與反應氣體產生電漿而鍍膜於工件之表面上。

為達上述或是其他目的，本發明提出一種表面處理裝置，適於對工件進行表面處理，此表面處理裝置包括真空腔體、承載件以及高功率脈衝電源器，其中承載件是配置於真空腔體內以承載工件，而反應氣體是通入至真空腔體內。高功率脈衝電源器是耦接真空腔體與承載件，並輸入高壓脈衝電源至承載件，以使工件與反應氣體產生一電漿而於工件之表面上進行表面處理。

在本發明之一實施例中，上述之高壓脈衝電源之高功率脈衝工作效率可小於10%。

在本發明之一實施例中，上述之高功率脈衝電源組可包括高功率脈衝電源器與分壓電路，其中高功率脈衝電源器是耦接真空腔體與磁控電漿源，且分壓電路是耦接於高功率脈衝電源與承載件之間。此外，高功率脈衝電源組亦可包括第一高功率脈衝電源器與第二高功率脈衝電源器，其中第一高功率脈衝電源器是耦接真空腔體與磁控電漿 源，且第二高功率脈衝電源器是作為該第一高功率脈衝電源的同步分壓而耦接到承載件。

在本發明之一實施例中，上述之高壓脈衝電源之波形可為方波、弦波、高頻方波包、高頻弦波包或是正負電壓對稱之高頻弦波包，且高壓脈衝電源之波形更可包括特高負電壓脈衝波，而特高負電壓脈衝波之波寬例如是介於5ns~1μs，且該特高負電壓脈衝波之電壓值例如小於-1KV。

在本發明之一實施例中，上述之磁控濺射鍍膜裝置更包括真空幫浦，且真空幫浦可為機械幫浦、魯式幫浦、擴散幫浦或渦輪分子幫浦。

在本發明之一實施例中，上述之承載件可為金屬夾具，而工件可為金屬、合金、半導體或非導體，且靶材可包括金屬、合金或半導體。

在本發明之一實施例中，上述之靶材可於工件表面形成純金屬膜、反應性膜或透明膜，而純金屬膜之材質是選自鈦、鉻、金、銀、鋅、錫、鎂及其組合其中之一，且反應性膜之材質是選自TiN,TiCN,CrN,CrCN,TiAlN,TiAl,Si₃ N₄ ,TiAlCN及其組合其中之一，又透明膜之材質是選自TiO₂ ,SiO₂ ,ITO及其組合其中之一。

綜上所述，在本發明之磁控濺射鍍膜裝置中，可同時兼具習知電弧電漿鍍膜技術以及磁控濺射鍍膜技術的優點，並對應克服其缺點。在本發明之表面處理裝置中，可加速表面處理的速率。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯 易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

圖2為依據本發明一實施例之磁控濺射鍍膜裝置的示意圖。請參考圖2，本發明之磁控濺射鍍膜裝置200是用於對工件50進行鍍膜，而磁控濺射鍍膜裝置200包括真空腔體210、承載件220、磁控電漿源230以及高功率脈衝電源組240，其中承載件220與磁控電漿源230是相對配置於真空腔體210內，而高功率脈衝電源組240是耦接真空腔體210、磁控電漿源220與承載件230。

承接上述，磁控電漿源230包括基座232、磁控件234與靶材236，其中磁控件234是配置於基座232中，且靶材236是配置於基座232上。此外，工件50是配置於承載件220上以與靶材236相對，且反應氣體(未繪示)是通入至真空腔體210內進行反應。當高功率脈衝電源組240輸入高壓脈衝電源(未繪示)至磁控電漿源220，會使靶材236與反應氣體產生電漿(未繪示)而成膜於工件50之表面上。

詳細而言，高功率脈衝電源組240是輸入至負壓至承載件220與磁控電漿源230，並輸入正壓至真空腔體210。當高功率脈衝電源組240輸入高壓脈衝電源至磁控電漿源230的瞬間，會於靶材236表面游離出電子，而電子會朝向真空腔體210移動。磁控件234會使電子呈螺旋狀移動以增加電子撞擊反應氣體的機率，而當反應氣體被游離成正離子後，這些正離子便會撞擊靶材236而使靶材236游 離出來。如此一來，這些電子、正離子以及游離的靶材便統稱為電漿，而電漿便會因為承載件220的吸引而朝向工件50移動，進而於工件50表面成膜。

請參考圖1，本發明在輸入高壓脈衝電源的瞬間，其工作區間是位在高功率電漿區，使得電漿的離化率可達70%以上，藉此以大幅提昇成膜的附著力。此外，正離子撞擊靶材236的過程均是原子等級的撞擊，而非電弧放電等級的『爆炸』，因此不會產生微米級或是次微米等級的微粒，而使得成膜非常均勻而具有高品質的鍍膜效果。

僅管在高壓脈衝的瞬間會因為高壓高電流而產生瞬間高功率的狀態，但是由於高功率脈衝工作效率(Duty ratio)通常在10%以下，因此平均功率會大幅降低至習知磁控濺射鍍膜裝置的等級，而不致對靶材236或是工件50造成損壞。

一般而言，高功率脈衝工作效率等於開啟時間除以週期時間，而週期時間即為開啟時間加上關閉時間，亦即為Duty ratio=on time/period time或是Duty ratio=on time/(on time+off time)。以高功率脈衝工作效率為5%為例，假若瞬間功率高達1000W/cm² ，但平均功率會大幅下降至50W/cm² 。

以實際微觀物理情況而言，在高壓脈衝的瞬間，磁控電漿源230會產生『一團』電漿射向工件50成膜。在此同時，由於高壓高電流之高功率影響，靶材236或是工件50均會瞬間昇溫而接近熔融的狀態(此乃由詳細的實驗參數決定，亦可將瞬間功率調低)。之後，電源便會切斷而使得 電壓與電流均為零，亦即功率為零。如此一來，靶材236與工件50便會迅速降溫，且尚未成膜於工件50表面上的電漿亦會因為自身的結合而消失。所以在到達下一次高壓脈衝前，靶材236與工件50又可回復成正常工作溫度，以面對下一次的高壓脈衝。

詳細而言，高壓脈衝之電壓均大於陰極、陽極放電啟動電壓。當輝光放電時，電壓越高會使得放電電流越大。在放電初期，脈衝時間亦可以調整放電瞬間電流大小，等到放電瞬間電流飽和時，脈衝時間增加亦不會增加放電電流。過低之放電電流值表示靶材濺射量很低，相對地氣體之離化量較高，一般容易產生較不純之膜質。有些反應性膜被覆(如TiO)時，其靶表面介電層TiOx之功函數(work function)低，亦即表面低電壓下就容易釋放出電子，因此其放電電流飽和值非常高，常超過電源負載，以及靶材之介電層電荷累積過量，引發電弧放電，此時通常會用脈衝時間來限制其放電電流。脈衝頻率可以調整脈衝功率，搭配適當脈衝時間，最佳狀態可達到靶材236及工件50能承受之溫度、電弧放電臨界值之下，其輝光放電產生之靶材236離子量及離化率都達最高。此時鍍膜品質都較佳。

請再參考圖2，本發明的特點之一便是在於可負載瞬間高功率的高功率脈衝電源組240，而高功率脈衝電源組240是同時耦接到磁控電漿源220與承載件230。以本實施例而言，高功率脈衝電源組240包括第一高功率脈衝電源器242與第二高功率脈衝電源器244，其中第一高功率脈衝電源器242是耦接到真空腔體210與磁控電漿源220， 且第二高功率脈衝電源器244是作為第一高功率脈衝電源器242的同步分壓而耦接到承載件230。如此一來，第一高功率脈衝電源器242與第二高功率脈衝電源器244均可在高功率脈衝電壓輸入的瞬間正常運作，以使電漿能順利射向工件50成膜。

假若第二高功率脈衝電源器244置換成普通的電源供應器，則在高功率脈衝電壓輸入的瞬間，普通的電源供應器便會因為無法負載過高的功率而瞬間自動關閉(shut down)。如此一來，承載件220便不會成為負壓的狀態，而造成電漿在脈衝的瞬間不會射向工件50，並在脈衝過後自動結合消失。

換句話說，高功率脈衝電源組240使得靶材236激發出電子而產生電漿，且電漿射入工件50之電子又會再回到高功率脈衝電源組240以形成電路循環。亦即若循環體中的構件自動關閉或無法正常運作，便會導致電漿無法順利成膜於工件50上，而習知研發的瓶頸亦在此處。

請再參考圖2，儘管本實施例之高功率脈衝電源組240是由第一高功率脈衝電源器242與第二高功率脈衝電源器244所構成，不過本發明並不限制高功率脈衝電源組的組成，而圖3另繪示出依據本發明另一實施例之高功率脈衝電源組的示意圖。請參考圖3，為求圖示簡單，本實施例之高功率脈衝電源組340僅繪示連接磁控電漿源220(等效於靶材226)與承載件230(等效於工件50)，其中高功率脈衝電源組340包括高功率脈衝電源器342與分壓電路344，而高功率脈衝電源器342是耦接磁控電漿源220以構成電 性迴路，且分壓電路344是透過高功率脈衝電源342而供應電源至承載件230。

如此一來，分壓電路344便可構成高功率脈衝電源器342的另外一個電性迴路，以使電漿在順利射向工件50後，電子可自分壓電路344流回高功率脈衝電源器342。此外，藉由簡單結構的分壓電路344以取代前述之第二高功率脈衝電源器244，可進一步降低磁控濺射鍍膜裝置200的建置成本。附帶一提的是，儘管圖示中的分壓電路344是由多個電容與可變電阻構成，但是本發明並不限制分壓電路344的組成，熟悉此項技藝者當可依據前述說明而稍加調整，惟其均仍屬本發明之範疇內。

圖4A與圖4B分別為依據本發明一實施例之磁控電漿源的立體剖視圖與側視剖面圖。請參考圖4A、4B與圖2，本實施例之磁控電漿源230包括基座232、磁控件234與靶材236，其中基座232是用以承載靶材236，而磁控件234乃為半環形迴路磁場構造。詳細而言，磁控件234包括中心磁鐵234a與導磁體234b、234c、234d，而中心磁鐵234a與導磁體234b、234c、234d形成半環狀結構，而使磁力線S通過靶材236的上方。亦即當靶材236因為壓差而激發出電子後，電子便會因為磁力線S的影響而呈現螺旋狀的路徑走向，藉此以增加碰撞反應氣體的機率。

此外，高功率脈衝電源組240的負極(未繪示)是耦接到磁控電漿源230的靶材236，或是高功率脈衝電源組240的負極先耦接到磁控電漿源230的基座232，而基座232再耦接到靶材236。在本實施例中，高功率脈衝電源組240 的正極是直接耦接到真空腔體210以構成電性迴路。不過，在其他實施例中，高功率脈衝電源組240的正極亦可耦接到磁控電漿源230的基座232，而在此情況下，磁控電漿源230便會增設絕緣體238以區隔陰極與陽極。另外，磁控電漿源230亦可增設水冷器239以加速靶材236冷卻。

請再參考圖2，在本實施例中，磁控濺射鍍膜裝置200更可包括進氣口212與真空幫浦214，其中進氣口212是開設於真空腔體210的外壁以通入反應氣體，而真空幫浦214是用於將真空腔體210抽真空。此外，反應氣體例如為氬氣。

在本實施例中，高功率脈衝電源組240的負極是耦接到磁控電漿源230的靶材236，而高功率脈衝電源組240的正極是耦接到真空腔體210，並以真空幫浦214抽氣至10^-5 torr以下之真空度。當真空度達到10^-5 torr以下，便從進氣口212充入反應氣體(氬氣)至10^-3 torr，並接著輸入高壓脈衝電源驅動磁控電漿源230。

在陰極靶材326的有效磁場區，會有大量電子迴旋碰撞而產生氬氣游離，游離之氬離子在脈衝時間內撞擊負電壓之靶材326，濺射出靶原子。如果脈衝電源時間寬度足夠長，則會在陰極與陽極之間會引發數百至數千安培之電流。以傳統之之直流或脈衝電源而言，其保護裝置均會因為瞬間的大電流而短暫切斷輸出，而本發明之高功率脈衝電源組240可具有承受數千至數萬安培之瞬間輸出，且脈衝時間可以調整。

在純金屬靶材236濺射時，靶材236飽和瞬間電流每 平方公分約3安培以內，脈衝時間可調範圍很大，從數十至數萬微秒居可，只要平均功率在靶材236以及工件50可以忍受範圍內。此外，當充入N₂ 、CH₄ 、O₂ 等氣體被覆反應性介電膜時，金屬靶材表面容易毒化而產生電弧放電，因此要縮短脈衝時間至幾微秒～幾十微秒，以降低靶材236瞬間電流至每平方公分3安培以內。如此即可減少異常電弧放電，以提昇成膜品質。另外，當以半導體之靶材236濺鍍時，則類似被覆反應性介電膜相同的方式進行操作，並將脈衝電流再些許調低。

再次強調的是，本發明在施加脈衝高壓時，會於陰極與陽極之間產生瞬間大電流放電，以伴隨濺射出大量靶材236原子，而沈積在搭配高功率偏壓電源之工件50上。由於磁控電漿源220所產生之電漿中含有高密度(約70%~100%)之離子，因此所沈積之膜質細緻，且膜附著力極佳。因此本發明之脈衝鍍膜乃同時具有習知磁控濺射鍍膜技術與電弧電漿鍍膜技術的優點，並克服其相對應的缺點。此外，由於高功率脈衝工作效率通常在10%以下，因此平均功率會大幅降低至習知磁控濺射鍍膜裝置的等級，而不致對靶材236或是工件50造成熔融或損壞。

圖5A與圖5B為依據本發明一實施例之多種高壓脈衝電源的示意圖。請參考圖5A，本發明並不限定高壓脈衝電源的波形，舉例而言，高壓脈衝電源在脈衝瞬間的波形可為方波、弦波、高頻方波包、高頻弦波包，波後略微正電壓之方波及弦波，以及正負電壓對稱之高頻弦波包等等。一般而言，相同脈衝頻率之方波、弦波較對應之波包有較 高之平均濺射率，但離化率後者較高，主要是因高頻波包可減少電子被加速時間以及反向加速，增加粒子碰撞促成離化率增加。

此外，高壓脈衝電源以負電壓輸出，以作為磁控濺射之用，而正脈衝高壓可驅動其他功能性電漿。在不同鍍膜氣壓環境中，有時一般脈衝高壓波不易引發放電，此時可選擇在圖5A之波形前再加特高負電壓脈衝波E(如圖5B所示)，其波寬介於5ns~1μs，且電壓值小於-1KV，以輔助引發放電。另外，正常驅動磁控濺射之高功率脈衝工作效率(Duty ratio)通常在10%以下。

附帶一提的是，本發明並不限制前述真空幫浦214的種類。一般而言，真空度要求是根據鍍膜環境需求而定，而工作氣壓可從大氣至高真空10^-6 torr不等。一般大氣至10^-2 torr之鍍膜需求，則真空幫浦214可為機械幫浦或魯式幫浦，若真空度要求在氣壓在10^-2 torr以下，則真空幫浦214可為機械幫浦加上擴散幫浦，或是機械幫浦加上渦輪分子幫浦抽氣等等。另外，承載件220可為金屬夾具以夾持工件50，不過本發明並不限定承載件220的種類，亦不限定承載件220固定工件50的方式。再者，承載件220所夾持的工件50可為金屬，合金、半導體或是非導體，且即使工件50為非導體，仍具有加強鍍膜原子能量之功能。

鍍膜的種類主要可分為純金屬膜、反應性膜與透明膜三類，其中純金屬膜可包括鈦(Ti)、鉻(Cr)、金、銀、鋅、錫或鎂等等金屬，而反應性膜可包括TiN,TiCN,CrN,CrCN,TiAlN,TiAl,Si₃ N₄ ,TiAlCN等等，且透 明膜可包括TiO₂ ,SiO₂ ,ITO。因此對應之靶材236可包括金屬、合金或半導體類，不過本發明並不限定靶材236的種類。

請再參考圖4A、4B，值的一提的是，本發明並不限定磁控電漿源230的實際結構為何。舉例而言，磁控電漿源230之靶材236可包括平面、圓柱等靶型，且磁控電漿源230之結構可為圓柱旋轉型及圓柱往復型，以同時具有抗靶毒化功能，並能大幅鍍膜距離以實現大型工件50鍍膜。詳細而言，由於本發明所生成電漿的離化率可達70%以上，因此電漿可被正極吸引而迅速移動。如此一來，本發明即可加大或調整靶材236與工件50之間的距離，以對大型工件50進行鍍膜。此外，本發明亦不限定磁控電漿源230的數量，舉例而言，本發明亦可配置多個磁控電漿源230，以達到多靶射出的效果。

圖6為依據本發明一實施例之磁控濺射鍍膜裝置的實驗數據圖，而從示波器直接擷取出來。請參考圖6，Ch1與Ch2分別為靶材236的電壓與電流，且Ch3與Ch4分別為工件50的電壓與電流，其中示波器顯示在鍍膜階段的靶材236脈衝電壓為-550V、靶材236脈衝電流最高為50A、工件50的脈衝偏壓可達40V以及工件50的脈衝電流最高可達2.5A。此外，工件50之偏壓暫態時間比電源脈衝波時間寬約三倍，且脈衝波後之殘留電漿仍可被工件50吸收。

以下將以特定的實驗參數說明成膜過程。

實施例1：高功率脈衝磁控濺射沈積TiN膜。

將真空腔體210抽氣至1×10^-5 torr後，充入氬氣260 sccm至氣壓維持在3.7×10^-3 torr，並將工件50與磁控電漿源230耦接同一高功率脈衝電源器。接著要進行工件50表面清潔，設定高壓脈衝電源的電壓為-650V，開啟時間(on time)為100μs，關閉時間(off time)為1900μs，頻率500 Hz。在啟動的瞬間，靶材236與工件50之間會產生藍色鈦電漿，其中靶材236之脈衝電流為300A，而平均電流為7A，且平均功率5 KW。此時工件50脈衝偏壓與靶材236脈衝電壓同步，電壓值為-650V，先執行離子擊轟清潔工件表面，時間5分鐘。

接著進行後鍍純鈦膜，先調整開啟時間(on time)為20μs，關閉時間(off time)為1980μs，頻率500 Hz，而其餘條件不變。然後逐漸充入氮氣至70 sccm，氣壓保持在約4.1×10^-3 torr，此時電漿呈淡橘色，而鍍膜時間為1小時。

完成鍍膜後，取出工件50量測特性，工件50表面呈金黃色TiN膜。當工件50距離靶材236為5、10、15cm處時，鍍膜速率分別為每小時平均1、0.5及0.3μs。此外，無論工件50距離靶材236的距離大小，成膜的附著力方面均達100N以上。

實施例2：高功率脈衝磁控濺射沈積SiO₂ 在玻璃、矽晶圓及PET塑膠片上。

本實施例是採用30cm² 工作面積之磁控濺射圓形靶材236，而靶材236為純度99.999%的矽(Si)，並在靶材236前方14 cm、23 cm處各置放一組玻璃、矽晶圓及PET試片(均為工件)。這些工件50是配置在金屬之承載件220 上，並接上一部350 KHz脈衝偏壓電源器。

將真空腔體210抽氣至1×10^-5 torr後，充入氬氣及氧氣各130及7 sccm，以讓氣壓升至1×10^-2 torr。設定高壓脈衝電源的電壓為-1000V，開啟時間(on time)為10μs，關閉時間(off time)為1000μs。當啟動輸出時，靶材236與工件50之間會產生淡白色電漿，且靶材236最高峰脈衝電流23A(一般非高功率脈衝電源之電流最高峰值僅約2A)。此時沈積SiO₂ 所用平均功率為370W，平均電流0.37A。工件50偏壓脈衝電壓在-50V，頻率350 KHz，沈積時間約1小時。

量測成膜光學特性，成膜密度及透明度皆比傳統磁控濺射高，且SiO₂ 膜最厚達2μm，在玻璃、矽晶圓及PET基材上均未剝落，且PET基材也沒有過熱變形現象。在距離靶材230約14 cm處的鍍膜速率可達每小時1μm，且成膜截面結構經SEM觀察非常平滑，完全沒有柱狀結構，顯見其矽電漿之離化率高，且沈積的SiO₂ 膜非常細緻。

儘管前述說明均以電漿鍍膜而說明本發明的概念，但是本發明並不僅限於電漿鍍膜，而高功率脈衝磁控濺射的概念亦可應用在表面處理，以下將在另舉實施例說明本發明之表面處理裝置。

圖7為依據本發明一實施例之表面處理裝置的示意圖。請參考圖7，本發明之表面處理裝置700是用對工件60進行表面處理，而表面處理裝置700包括真空腔體710、承載件720以及高功率脈衝電源器730，其中承載件720是配置於真空腔體710內以承載工件60，而高功率脈衝電 源器730是耦接真空腔體710與承載件720。

此外，反應氣體(未繪示)是通入至真空腔體710內進行反應。當高功率脈衝電源器730輸入高壓脈衝電源(未繪示)至承載件720時，會在工件60表面附近激發出電漿，而電漿又會射向工件60以對工件60進行表面處理。另外，電漿形成的細節前文均已詳述，於此便不再贅述。

在本實施例中，反應氣體可為氮氣以進行氮化熱處理以增加工件60硬度，不過本發明不限定表面處理裝置700所進行表面處理的種類。類似前述，表面處理裝置700更可包括進氣口712與真空幫浦714，其中進氣口712是開設於真空腔體710的外壁以通入反應氣體，而真空幫浦714是用於將真空腔體710抽真空。

以下將以特定的實驗參數說明表面處理過程。

實施例3：以高功率脈衝電源器進行電漿氮化熱處理金屬工件1小時

將真空腔體710抽氣至1×10^-5 torr後，充入氫氣2,100 sccm與氮氣700 sccm以將氣壓維持在2 torr。將高功率脈衝電源器730之負極耦接到工件60(等同於耦接至承載件720)，並將高功率脈衝電源器730之正極耦接至真空腔體710，其中工件60可為直徑1英吋SS304及SACM645鋼棒。

設定高壓脈衝電源的電壓為-1000V，開啟時間(on time)為200μs，關閉時間(off time)為1000μs。當啟動輸出時，工件60附近產生粉紅色之氮氣氫氣混合電漿，而工作60脈衝電流峰值10A，平均電流1.5A，平均功率1500W， 處理時間1小時。

當電漿氮化處理結束後，取出工件60量測膜機械特性，其SS304(原200HV)及SACM645(原300HV)鋼棒表面硬度達830 HV及973 HV，約等同用傳統氮化直流電源處理10小時之效果。

綜上所述，本發明之磁控濺射鍍膜裝置與表面處理裝置至少具有下列優點：一、在輸入高壓脈衝電源的瞬間，產生電漿的工作區間是位在高功率電漿區，使得電漿的離化率可達70%以上，藉此以大幅提昇成膜的附著力。

二、本發明的工作區間並非以電弧放電為主，因此較不會產生微米級或是次微米等級的微粒，而使得成膜非常均勻而具有高品質的鍍膜效果。

三、相較於習知之表面處理裝置而言，本發明之表面處理裝置具有高離化之電漿，故可加快表面處理效率，以迅速提升工件硬度。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，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，當可作些許之更動與潤飾，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。

50、60‧‧‧工件

200‧‧‧磁控濺射鍍膜裝置

210‧‧‧真空腔體

212‧‧‧進氣口

214‧‧‧真空幫浦

220‧‧‧承載件

230‧‧‧磁控電漿源

232‧‧‧基座

234‧‧‧磁控件

234a‧‧‧中心磁鐵

234b、234c、234d‧‧‧導磁體

236‧‧‧靶材

238‧‧‧絕緣體

239‧‧‧水冷器

240、340‧‧‧高功率脈衝電源組

242‧‧‧第一高功率脈衝電源器

244‧‧‧第二高功率脈衝電源器

342‧‧‧高功率脈衝電源器

344‧‧‧分壓電路

700‧‧‧表面處理裝置

710‧‧‧真空腔體

712‧‧‧進氣口

714‧‧‧真空幫浦

720‧‧‧承載件

730‧‧‧高功率脈衝電源器

S‧‧‧磁力線

圖1為電漿操作的電壓電流示意圖。

圖2為依據本發明一實施例之磁控濺射鍍膜裝置的示意圖。

圖3為依據本發明另一實施例之高功率脈衝電源組的示意圖。

圖4A與圖4B分別為依據本發明一實施例之磁控電漿源的立體剖視圖與側視剖面圖。

圖5A與圖5B為依據本發明一實施例之多種高壓脈衝電源的示意圖。

圖6為依據本發明一實施例之磁控濺射鍍膜裝置的實驗數據圖。

圖7為依據本發明一實施例之表面處理裝置的示意圖。

50‧‧‧工件

200‧‧‧磁控濺射鍍膜裝置

210‧‧‧真空腔體

212‧‧‧進氣口

214‧‧‧真空幫浦

220‧‧‧承載件

230‧‧‧磁控電漿源

232‧‧‧基座

234‧‧‧磁控件

236‧‧‧靶材

240‧‧‧高功率脈衝電源組

242‧‧‧第一高功率脈衝電源器

244‧‧‧第二高功率脈衝電源器

Claims (18)

1. 一種磁控濺射鍍膜裝置，適於對一工件進行鍍膜，該磁控濺射鍍膜裝置包括：一真空腔體，而一反應氣體是通入至該真空腔體內；一承載件，配置於該真空腔體內，且該工件是配置於該承載件上；一磁控電漿源，相對該工件而配置於該真空腔體內，且該磁控電漿源包括：一基座；一磁控件，配置於該基座中；一靶材，配置於該基座上；一高功率脈衝電源組，耦接該真空腔體、該磁控電漿源與該承載件，並輸入一高壓脈衝電源至該磁控電漿源，以使該靶材與該反應氣體產生一電漿而鍍膜於該工件之表面上；以及其中該高壓脈衝電源之波形更包括一特高負電壓脈衝波，該特高負電壓脈衝波之波寬是介於5ns~1μs，且該特高負電壓脈衝波之電壓值小於-1KV。
2. 如申請專利範圍第1項所述之磁控濺射鍍膜裝置，其中該高壓脈衝電源之高功率脈衝工作效率小於10%。
3. 如申請專利範圍第1項所述之磁控濺射鍍膜裝置，其中該高功率脈衝電源組包括：一高功率脈衝電源器，耦接該真空腔體與該磁控電漿源；以及一分壓電路，耦接於該高功率脈衝電源與該承載件之 間。
4. 如申請專利範圍第1項所述之磁控濺射鍍膜裝置，其中該高功率脈衝電源組包括：一第一高功率脈衝電源器，耦接該真空腔體與該磁控電漿源；以及一第二高功率脈衝電源器，作為該第一高功率脈衝電源的同步分壓而耦接到該承載件。
5. 如申請專利範圍第1項所述之磁控濺射鍍膜裝置，其中該高壓脈衝電源之波形為方波、弦波、高頻方波包、高頻弦波包或是正負電壓對稱之高頻弦波包。
6. 如申請專利範圍第1項所述之磁控濺射鍍膜裝置，更包括一真空幫浦，且該真空幫浦為機械幫浦、魯式幫浦、擴散幫浦或渦輪分子幫浦。
7. 如申請專利範圍第1項所述之磁控濺射鍍膜裝置，其中該承載件為金屬夾具。
8. 如申請專利範圍第1項所述之磁控濺射鍍膜裝置，其中該工件為金屬、合金、半導體或非導體。
9. 如申請專利範圍第1項所述之磁控濺射鍍膜裝置，其中該靶材包括金屬、合金或半導體。
10. 如申請專利範圍第9項所述之磁控濺射鍍膜裝置，其中該靶材於該工件表面形成一純金屬膜，而該純金屬膜之材質是選自鈦、鉻、金、銀、鋅、錫、鎂及其組合其中之一。
11. 如申請專利範圍第9項所述之磁控濺射鍍膜裝置，其中該靶材於該工件表面形成一反應性膜，而該反應性膜之 材質是選自TiN,TiCN,CrN,CrCN,TiAlN,TiAl,Si₃ N₄ ,TiAlCN及其組合其中之一。
12. 如申請專利範圍第9項所述之磁控濺射鍍膜裝置，其中該靶材於該工件表面形成一透明膜，而該透明膜之材質是選自TiO₂ ,SiO₂ ,ITO及其組合其中之一。
13. 一種表面處理裝置，適於對一工件進行表面處理，該表面處理裝置包括：一真空腔體，而一反應氣體是通入至該真空腔體內；一承載件，配置於該真空腔體內，且該工件是配置於該承載件上；一高功率脈衝電源器，耦接該真空腔體與該承載件，並輸入一高壓脈衝電源至該承載件，以使該工件與該反應氣體產生一電漿而於該工件之表面上進行表面處理；以及其中該高壓脈衝電源之波形更包括一特高負電壓脈衝波，該特高負電壓脈衝波之波寬是介於5ns~1μs，且該特高負電壓脈衝波之電壓值小於-1KV。
14. 如申請專利範圍第13項所述之表面處理裝置，其中該高壓脈衝電源之高功率脈衝工作效率小於10%。
15. 如申請專利範圍第13項所述之表面處理裝置，其中該高壓脈衝電源之波形為方波、弦波、高頻方波包、高頻弦波包或是正負電壓對稱之高頻弦波包。
16. 如申請專利範圍第13項所述之表面處理裝置，其中該表面處理裝置更包括一真空幫浦，且該真空幫浦為機械幫浦、魯式幫浦、擴散幫浦或渦輪分子幫浦。
17. 如申請專利範圍第13項所述之表面處理裝置，其 中該承載件為金屬夾具。
18. 如申請專利範圍第13項所述之表面處理裝置，其中該工件為金屬、合金、半導體或非導體。