TWI384086B - Film forming apparatus and thin film forming method - Google Patents

Description

薄膜形成裝置及薄膜形成方法

本發明是有關以物理蒸鍍法與化學蒸鍍法形成薄膜，尤其是金屬化合物膜之薄膜形成裝置及使用該裝置之薄膜形成方法。

先前，利用濺鍍法形成金屬化合物薄膜之方法有在濺鍍環境中導入反應氣體(例如氧氣體、氮氣體、氟氣體等)之反應性濺鍍法。要利用該方法形成具有與本體(bulk)相同之組成之金屬化合物薄膜時，必須提升富於反應性之反應氣體之分壓，但是也有未反應之反應氣體與靶(target)表面反應而形成化合物，而顯著降低薄膜形成速度之問題。

為解決該問題，有人提出濺鍍薄膜形成裝置(參照專利文獻1)，其係夾持隔板鄰接設置濺鍍手段，用於對基板進行濺鍍處理以形成薄膜，以及照射手段，用於對該濺鍍手段所形成之薄膜照射反應氣體以形成化合物薄膜，而重複進行利用濺鍍手段之薄膜形成工程，與利用照射手段之反應工程。

另外，也有人提出一種濺鍍薄膜形成裝置(參照專利文獻2與專利文獻3)，係在真空腔室內設有：將基板保持於外周旋轉之圓筒狀旋轉鼓；在該旋轉鼓之旋轉位置位於濺鍍位置時，對保持於旋轉鼓之基板進行濺鍍處理之濺鍍 手段；以及當旋轉鼓之旋轉位置位於反應位置時，對基板照射反應氣體之照射手段。

在此等裝置中，在對基板照射反應氣體之照射手段中使用離子鎗與DC電漿。

[專利文獻1]專利1694084號公報

[專利文獻2]專利2116322號公報

[專利文獻3]專利2695514號公報

可是將上述濺鍍手段與照射手段緊鄰設置之裝置中，若反應氣體之流量多，則由照射手段所照射之反應區域側之反應氣體容易超越隔板轉入濺鍍手段之薄膜形成區域，與濺鍍手段之靶表面產生反應而降低薄膜形成速度。另方面，若反應氣體之流速慢，則基板上之薄膜與反應氣體間之反應速度變慢，仍然在實用上不易確保充分之薄膜形成速度。

另外，在上述真空腔室內設置有旋轉鼓，濺鍍手段與照射手段之裝置中，雖然可以確保濺鍍手段與照射手段之物理距離，但是為提高反應氣體之分壓，必須裝設用於隔開濺鍍手段之薄膜形成區域與照射手段之反應區域的電導構件(conductance)或追加排氣系統等，需要積極實施環境隔離。

此外，在該等裝置中，對基板照射反應氣體之照射手 段，係使用離子鎗與DC電漿，但是該等具有構造複雜，不易維修，而且要擴大照射面積不易，而且容易產生電極材料之污染或異常放電之問題。

再者，要以此等裝置有效地使基板上之薄膜產生反應，必須提高放電之電漿密度，惟若為提高電漿密度而提高放電壓力，則反應氣體會擴散到薄膜形成區域而與靶表面反應而形成化合物，導致薄膜形成速度顯著降低之問題。

因此，本發明為鑑及此種問題而完成，其目的在提供一種薄膜形成裝置，其可以更快速之薄膜形成速度形成具有良好特性之金屬化合物薄膜，而且簡單地以低成本構成；以及一種薄膜形成方法，能藉由該薄膜形成裝置以更快速之薄膜形成速度形成具有良好特性之金屬化合物薄膜。

為解決上述課題，申請專利範圍第1項所記載之發明具備：真空腔室；設置於真空腔室內，用於將基板保持於外周而旋轉之圓筒狀旋轉鼓；設成面對旋轉鼓之外周面，用以對相面對之基板形成薄膜之薄膜形成手段；以及設成面對旋轉鼓之外周面，並對相面對位置之基板照射電漿化反應氣體的電漿照射手段；電漿照射手段具有：產生電漿之區域之真空腔室內面被電介質覆蓋之構造。

又，申請專利範圍第2項所記載之發明之特徵為除了上述構造以外，電漿照射手段是利用微波而電漿化反應氣體。

申請專利範圍第3項所記載之發明之特徵為：電漿照射手段具備：真空腔室外之微波產生源，以及設置於真空腔室之喇叭型輻射體(horn)與天線之其中之一；透過喇叭型輻射體與天線之任一將微波產生源所產生之微波導入真空腔室內，利用該微波而電漿化反應氣體。

申請專利範圍第4項所記載之發明之特徵為：電漿照射手段具備：真空腔室外之微波產生源，以及設置於真空腔室之電介質真空窗，透過真空窗將微波產生源所產生之微波導入真空腔室內，利用該微波而電漿化反應氣體。

申請專利範圍第5項所記載之發明之特徵為：具備在電漿照射手段產生電漿之區域形成磁場磁場形成手段，該磁場形成手段係將強度87.5mT之磁場形成為薄片(sheet)狀或尖狀(cusp)之其中之一，利用該磁場而產生電子回旋加速器共振電漿。

申請專利範圍第6項所記載之發明之薄膜形成手段，係具有濺鍍手段，蒸鍍手段與化學蒸鍍手段之任一手段，或該等手段所組合之構成。

另外，本發明之薄膜形成方法之中，申請專利範圍第7項所記載之發明具備：薄膜形成工程，在真空腔室內使保持基板之旋轉鼓旋轉，俾在所保持基板面向薄膜形成手段之位置形成薄膜；以及反應工程，係在真空腔室內面被電介質覆蓋之電漿照射區域與基板呈相面對之位置，照射被電漿化之反應氣體，使其和基板上之薄膜反應，具有重複進行薄膜形成工程與反應工程之構造。

另外，申請專利範圍第8項所記載之發明之特徵除了上述構造外，反應工程包含：在利用電漿照射手段而電漿化反應氣體之區域，將強度87.5mT之磁場形成為薄片狀與尖狀之其中任一，利用該磁場來產生電子回旋加速器共振電漿之工程。

申請專利範圍第9項所記載之發明之特徵為：在真空腔室設有電介質之真空窗，反應工程係包含：由真空窗導入微波以發生表面波電漿之工程。

申請專利範圍第10項所記載之發明之特徵為：電漿照射手段，係使反應氣體電漿化而產生離子或自由基之其中任一方或雙方。

申請專利範圍第11項所記載之發明，係構成為具有濺鍍手段，蒸鍍手段與化學蒸鍍手段之其中任一的構造。

利用本發明之薄膜形成裝置，由於面對電漿照射手段將反應氣體電漿化之區域，的真空腔室內面係被電介質所覆蓋，所以具有電漿化之反應氣體之鈍化(Deactivation)大幅降低，以及擴散之電漿與真空腔室內面之電性相互作用也降低之效果。

因此，相較於真空腔室內面未經過任何處理之情形，可以保持低壓力下之穩定放電，可以使濺鍍手段之薄膜形成區域與照射手段之反應區域之呈現環境分離。

如此一來，可以簡單地以低成本構成裝置，並可以更 快速之薄膜形成速度形成具有良好特性之金屬化合物薄膜。

此外，電漿照射手段若設成藉由微波來電漿化反應氣體，則相較於先前利用離子鎗或DC電漿之裝置，可以在低壓下產生高密度之電漿。因此，可以使利用濺鍍手段之薄膜形成區域與利用照射之反應區域成為環境分離，不但可以簡單地以低成本構成裝置，而且可以更快速之薄膜形成速度形成具有良好特性之金屬化合物薄膜。

此時，電漿照射手段也可以具備真空腔室外之微波產生源與設置於真空腔室之喇叭型輻射體(horn)或天線，可透過喇叭型輻射體或天線將微波產生源所產生之微波導入真空腔室內，藉由該微波可以電漿化反應性氣體。

另外，也可以在電漿照射手段使反應性氣體電漿化之區域，設置形成磁場之磁場形成手段，該磁場形成手段將強度87.5mT之磁場形成為薄片狀或尖狀，並藉由該磁場產生電子回旋加速器共振電漿。

再者，電漿照射手段也可以具備：真空腔室外之微波產生器與設置於真空腔室之電介質真空窗，可透過真窗將微波產生源所產生之微波導入真空腔室內，藉由該微波來電漿化反應性氣體。

又本發明之薄膜形成方法是在基板上形成薄膜後，利用微波將反應性氣體電漿化而活化後，將大幅降低該活性種之鈍化之電漿加以照射使其與基板上之薄膜反應，因此有可以更快速之薄膜形成速度形成具有良好特性之例如金屬化合物薄膜之效果。

本發明之薄膜形成裝置具備：真空腔室；設置於真空腔室內，並將基板保持於外周旋轉之圓筒狀之旋轉鼓；配置成面對上述旋轉鼓之外周面，並在對面位置之上述基板上形成薄膜之薄膜形成手段；以及設置成面對旋轉鼓之外周面並對相對面位置之基板將反應氣體電漿化而照射之照射手段；而且電漿照射手段之產生電漿之區域的上述真空腔室內面是被電介質所覆蓋。

薄膜形成手段可以適用於利用物理蒸鍍法與化學蒸鍍法者。物理蒸鍍法可以使用真空蒸鍍，濺鍍以及離子電漿法(Ion plating)。

電漿照射手段以照射微波，尤其是由ECR所產生之電漿為理想。

以下以濺射裝置為例，依據圖示之實施形態說明本發明。

參照圖1(a)，(b)，其中1表示本發明之凱塞爾式(Carcel)濺鍍薄膜形成裝置。

該濺鍍薄膜形成裝置1具有真空腔室2，而在真空腔室2內之大致中央部分設有在外周保持有基板3之狀態下，以旋轉軸4為中心旋轉之圓筒狀之旋轉鼓5。

在真空腔室1之內周面，兩個濺鍍陰極(sputter cathode)(濺鍍手段)6分別設置於旋轉軸4之相對位置，該等濺鍍陰極6連接到未圖示之外界交流電源。另外， 在濺鍍陰極6上面固定著濺鍍靶(sputtering target)7。

在真空腔室1內周面設有濺鍍陰極6之部分附近，設有延伸到旋轉鼓5外周附近之防接板8。真空腔室1內之空間被該防接板8所分離而構成濺鍍手段之薄膜形成區域9。

該薄膜形成區域9經由貫穿真空腔室1而設置之濺鍍氣導入管10與真空腔室1外連通，而經由該濺鍍氣導入管10由外界未圖示之濺鍍氣源對薄膜區域9供應濺鍍氣。在該濺鍍氣導入管10與氣體源之間設有可調節氣體流量之電導閥(Conductance valve)。

在設有兩個濺鍍陰極6之處的中間位置設有真空腔室1之壁面突出外側而構成之長方體形狀之反應區域11。

在圍繞該反應區域11之真空腔室1設有微波天線(電漿照射手段)12，該微波天線12藉由真空腔室1外之導入窗13與導波管14連接到未圖示之微波產生源。

藉此，在微波產生源所產生之微波經由導入窗13由導波管14傳播，並藉由微波天線12導入反應區域11內。圍繞該反應區域11之真空腔室1內面是以電介質板15所覆蓋。

另外，圍繞反應區域11之真空腔室1之外圍面附設有用於產生電子回旋加速器共振(以下簡稱ECR)電漿之磁電路(磁場形成手段)16，利用該磁電路16產生微波放電用之靜磁場。具體地說，磁電路16可將強度87.5mT之磁場調節成由磁電路16表面產生高30mm之平面狀，而形成與基板平行之磁場。

此外，上述微波天線12是設置於圖1(a)中，不受被 左右磁電路16所包夾之區域干擾之位置。

再者，該反應區域11係經由貫穿真空腔室1而設置之反應氣導入管17與真空腔室1外連通，並透過該反應氣導入管17由外界未圖示之反應氣源對反應區域11供應反應氣體。在該反應氣導入管17與氣體源之間設有可以調節氣體流量之電導閥。

在包夾真空腔室1之旋轉軸4而與反應區域11相面對之位置設有與未圖示之真空排氣系相連接之真空排氣口18。藉此，進行真空腔室1內之排氣。

在此種構造之本實施形態中，是利用濺鍍法在基板上形成金屬薄膜，而藉由旋轉鼓之旋轉，將基板搬送至產生電漿之反應區域，並在反應區域將反應氣體電漿化以活化它，由於該反應氣體被電漿化之反應區域面對之真空腔室內面是以電介質覆蓋，因此，可以大幅度降低電漿化之反應氣體之鈍化(Deactivation)。

因此，由於將大幅降低活性種之鈍化的電漿照射到形成於基板上之薄膜，因此，可以更快速之薄膜形成速度製得具有良好特性之金屬化合物膜。

其次，要說明利用上述構造之本實施形態之薄膜形成方法。

本實施形態之薄膜形成方法包括：薄膜形成工程，在真空腔室內，旋轉保持基板之旋轉鼓以依次搬送基板，並在基板與薄膜形成手段相面對之位置在基板上形成薄膜；以及反應工程，在真空腔室內面為電介質覆蓋之電漿照射 區域與基板相對向之位置照射電漿化之反應氣體俾使基板上之薄膜反應；而且可以依序重複進行薄膜形成工程與反應工程。

在此，薄膜形成手段是濺鍍法，惟並不侷限於此，例如真空蒸鍍與離子電鍍法等之物理蒸鍍手段，甚至電漿CVD等化學蒸鍍手段也可以適用。

參照圖1(a)，要在該濺鍍射薄膜形成裝置1進行薄膜形成處理時，首先將基板3保持於旋轉鼓5之外周上，同時將特定之濺鍍靶(sputtering target)7固定於濺鍍陰極6上面。

然後，經由真空排氣口18，利用真空排氣系將真空腔室1內之氣體排出，同時分別由濺鍍氣導入管10導入濺鍍氣體，由反應氣導入管17導入反應氣體至真空腔室1內部。藉此，真空腔室1內部達到特定之壓力狀態。

接著，僅對裝置1內之兩個濺鍍陰極6中之一方施加電壓。另外，利用磁電路16產生磁場，同時由微波天線12導入微波，並將由反應氣導入管17所導入之反應氣電漿化以將反應區域11變成電漿環境。

在此狀態下旋轉旋轉鼓5時，旋轉鼓5之旋轉位置即來到濺鍍位置，亦即，保持於旋轉鼓5之基板3存在於被施加電源之濺鍍陰極6側之薄膜形成區域9內部之位置。

此時，藉由來自濺鍍氣導入管10之濺鍍氣體濺鍍濺鍍陰極6上之濺鍍靶7，而在保持於旋轉鼓5之基板3形成薄膜(薄膜形成工程)。

若再旋轉旋轉鼓5，則旋轉鼓5之旋轉位置即脫離濺鍍位置而來到反應位置，即保持於旋轉鼓5之基板3存在反應區域11內之位置。

此時，利用來自微波天線12之微波電漿化之反應氣體與薄膜形成工程中形成於基板3之薄膜反應而形成化合物膜(反應工程)。

此時，面對反應區域11之真空腔室1之內面被電介質板15所覆蓋，因此，電漿化之反應氣體之鈍化被大幅降低，另外，擴散之電漿與真空腔室1內面之電性之相互作用也被降低。

因此，相較於真空腔室1內面沒有施加任何處理之情形，可以維持低壓而穩定之放電，可以容易進行薄膜區域9與反應區域11之環境之分離。

而藉由持續旋轉旋轉鼓5，並交互多次重複薄膜形成工程與反應工程而製得所望之化合物薄膜。

如上所述，本實施形態之薄膜形成方法是在基板上形成薄膜後，利用微波電漿化反應氣體以活化後，照射大幅度降低該活性種之鈍化之電漿俾與基板上之薄膜反應，因此可以更快速之薄膜形成速度形成具有良好特性之例如金屬化合物薄膜。

此外，在本實施形態中，是藉由微波天線12將微波導入真空腔室1內，惟本發明並不侷限於此。也可以例如以喇叭輻射體化替微波天線12將微波導入真空腔室1內。或者，如圖2(a)，(b)所示，也可以在真空腔室1設置用 電介質形成，用於產生表面波電漿之真空窗20，並藉由該真空窗20將未圖示之微波產生源所產生之微波導入真空腔室內。

再者，本實施形態之濺鍍裝置可以適用於各種化合物薄膜，例如，氧化膜或氮化膜，氟化膜等，此時，須依企望之化合物薄膜選擇反應氣體。

另外，本發明並不侷限於上述實施形態，必要時可能有各種變更。

[實施例1]

在圖1所示之薄膜形成裝置上，將玻璃基板3做為基板3固定於旋轉鼓5，並將Ta靶固定做為濺鍍靶，而利用未圖示之真空排氣系由真空排氣口18進行排氣，並使真空腔室1內之壓力達到5×10^-5 Pa。然後，在該狀態下，由濺鍍氣導入管10以流量30sccm導入氬氣，同時由反應氣導入管17以流量100sccm導入氧氣，並將真空腔室1內之壓力狀態設定為0.3Pa。

然後，以200rpm旋轉旋轉鼓5，同時藉由微波天線12導入1kw之微波。

然後，對兩個濺鍍陰極6之中之一方之濺鍍陰極6，利用利界交流電源施加40kHz，5kW之交流電力。

在此狀態下，連續進行60分鐘之薄膜形成。經分析製得之薄膜得知，Ta與O之化學計量比(Stoichiometry)為2：5，為無定形構造(Amorphous substonce)。另外，膜 中未檢測出雜質，經測定可視光區域之薄膜之光學特性，製得了折射率2.14，消化係數(Extinction coefficient)為2×10^-5 之良好光學薄膜。

[實施例2]

在圖2所示之薄膜形成裝置上，以與實施例1之相同條件分析製成之薄膜之結果，製得了與實施例1相同之良好光學薄膜。

[比較例]

圖3所示之濺鍍薄膜形成裝置30是由圖1所示之濺鍍薄膜形成裝置1之構造去除電介質板15者。利用該濺鍍薄膜形成裝置30並且以與實施例1相同之薄膜形成條件形成薄膜。經由分析藉此製得之薄膜之結果，消化係數為9×10^-5 ，相較於實施例1所製得之光學薄膜，其化學特性顯然較差。

[產業上之可利用性]

本發明之薄膜形成裝置與其薄膜形成方法可以大幅降低使產生之電漿之活性種之鈍化，因此對於產生電漿而利用於薄膜之形成之薄膜形成裝置與其薄膜形成方法有用。

U3‧‧‧電子回旋加速器共振

U5‧‧‧電子回旋加速器電漿

U5‧‧‧尖狀

U6‧‧‧濺鍍

U6‧‧‧蒸鍍

P3~l 5‧‧‧本體

p3~f10‧‧‧污染

1‧‧‧薄膜形成裝置

2‧‧‧真空腔室

3‧‧‧基板

4‧‧‧旋轉軸

5‧‧‧旋轉鼓

6‧‧‧濺鍍陰極

7‧‧‧濺鍍靶

8‧‧‧防接板

9‧‧‧薄膜形成區域

10‧‧‧濺鍍氣導入管

11‧‧‧反應區域

12‧‧‧微波天線

13‧‧‧導入窗

14‧‧‧導波管

15‧‧‧電介質板

16‧‧‧磁電路

17‧‧‧反應氣導入管

18‧‧‧真空排氣口

20‧‧‧真空窗

圖1為本發明之實施形態之薄膜形成裝置之(a)概略 平面圖，與(b)概略側面圖。

圖2為本發明之另一實施形態之薄膜形成裝置之(a)概略平面圖，與(b)概略側面圖。

圖3為比較例之薄膜形成裝置之(a)概略平面圖，與(b)概略側面圖。

1‧‧‧薄膜形成裝置

2‧‧‧真空腔室

3‧‧‧基板

4‧‧‧旋轉軸

5‧‧‧旋轉鼓

6‧‧‧濺鍍陰極

7‧‧‧濺鍍靶

8‧‧‧防接板

9‧‧‧薄膜形成區域

10‧‧‧濺鍍氣導入管

11‧‧‧反應區域

12‧‧‧微波天線

13‧‧‧導入窗

14‧‧‧導波管

15‧‧‧電介質板

16‧‧‧磁電路

17‧‧‧反應氣導入管

18‧‧‧真空排氣口

Claims (11)

1. 一種薄膜形成裝置，其特徵為具備：真空腔室；圓筒狀旋轉鼓，設置於上述真空腔室內，用於將基板保持於外周加以旋轉，薄膜形成手段，配置成面對上述旋轉鼓之外周面，用於在對面位置之上述基板上形成薄膜；以及電漿照射手段，配置成面對上述旋轉鼓之外周面，將反應氣體電漿化以照射在對面位置之上述基板；上述電漿照射手段之產生電漿之區域的上述真空腔室內面是被電介質所覆蓋。
2. 如申請專利範圍第1項之薄膜形成裝置，其中上述電漿照射手段是利用微波將反應氣體電漿化。
3. 如申請專利範圍第1項之薄膜形成裝置，其中上述電漿照射手段具備：上述真空腔室外之微波產生源；及設置於上述真空腔室之喇叭型輻射體(horn)與天線之其中任一；可由輻射體與天線之其中一方使上述微波產生源所產生之微波導入上述真空腔室內，利用該微波將反應氣體電漿化。
4. 如申請專利範圍第1項之薄膜成裝置，其中上述電漿照射手段具備：上述真空腔室外之微波產生源；及設置於真空腔室之電介質之真空窗；可介由真空窗將微波產生源產生之微波導入真空腔室內，利用該微波將反應氣體電漿化。
5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之薄膜形成裝置，其中具備磁場形成手段，用於在上述電漿照射手段產生上述電漿之區域形成磁場，該磁場形成手段將強度為87.5mT之磁場形成為薄片(sheet)狀與尖(cusp)狀之其中任一，藉由該磁場產生電子回旋加速器共振電漿。
6. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之薄膜形成裝置，其中上述薄膜形成手段係濺鍍手段，蒸鍍手段與化學蒸鍍手段之其中任一。
7. 一種薄膜形成方法，其特徵為具有：薄膜形成工程，係在真空腔室內，使保持有基板之旋轉鼓旋轉，在該被保持之基板面對薄膜形成手段之位置時，在上述基板上形成薄膜；以及反應工程，在上述真空腔室對應之內面被電介質覆蓋之電漿照射區域與上述基板呈相面對之位置，照射被電漿化之反應氣體俾與上述基板上之薄膜反應；重複進行上述薄膜形成工程與反應工程。
8. 如申請專利範圍第7項之薄膜成方法，其中上述反應工程包含：在利用電漿照射手段電漿化反應氣體之區域內，將強度為87.5mT之磁場形成為薄片狀與尖狀之其中任一，利用該磁場產生電子回旋器共振電漿之工程。
9. 如申請專利範圍第7項之薄膜形成方法，其中於上述真空腔室設有電介質之真空窗，上述反應工程包含由該真空窗導入微波以產生表面波電漿之工程。
10. 如申請專利範圍第7至9項中任一項之薄膜形成方 法，其中上述電漿照射手段，係將反應氣體電漿化以產生離子與自由基之任一方或雙方。
11. 如申請專利範圍第7至9項中之任一項之薄膜形成方法，其中上述薄膜形成手段為濺鍍手段，蒸鍍手段或化學蒸鍍手段之任一種。