TWI384087B - 常壓電漿系統及由該系統製造材料層的方法 - Google Patents

Description

常壓電漿系統及由該系統製造材料層的方法

本發明係有關於常壓電漿系統與利用常壓電漿系統製造材料層的方法。

由於類鑽碳(diamond-like carbon, DLC)膜的單位體積內具有極高密度的碳原子數，因此碳原子之間具有相當的應力。尤其是若當DLC膜是在成長速率較快及基板溫度不高的條件下形成，其碳原子的鍵角扭曲程度會更嚴重，而在DLC膜中造成極大的殘留應力。為了降低DLC膜的內應力，國內外提出了各種改善方法，例如使DLC膜具有梯度鍍層、周期性鍍層、碳結構和氧化矽結構網絡交錯組合或奈米晶體鑲嵌摻雜的結構，而其中以奈米晶體鑲嵌摻雜為較有效的方法之一。

在具有奈米晶體鑲嵌摻雜之複合DLC結構的研究中，近年來，有許多的研究者籍由在DLC膜內部摻雜不同的材料，如：矽、鍺、金屬、碳簇(carbon cluster)等來構成複合DLC膜，以降低DLC薄膜的殘留應力，並提升薄膜的性能。目前用以形成複合DLC薄膜的方法包括應用物理氣相沉積(PVD)技術及化學氣相沉積技術(CVD)。PVD技術包括例如專利US6716540、JP2000-119843及JP2003-171758的磁控濺射法或專利JP2000-087218的電弧離子鍍法。CVD技術則包括電子自旋共振(ECR-CVD)化 學氣相沉積法或例如專利US5718976、US5352493、US6200675及US6669996的電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)法。

然而，在目前製作複合DLC薄膜的技術中，不論是利用物理氣相沉積或是化學氣相沉積法，皆需於中度真空甚至是高度真空的環境下進行，大幅限制複合DLC薄膜之應用範圍，於大面積化、快速化與形狀複雜材料之表面處理皆難以克服。

本發明提供一種常壓電漿系統，包括：一接地電極，其內具有一腔室；一半圓柱電極，位於該腔室中，其中該半圓柱電極批覆有一介電材料，且該半圓柱電極連接一電源供應器；一進料口，與該腔室連通；以及一電漿出口，與該腔室連通。

在一實施例中，常壓電漿系統更包括一反應區，與該電漿出口連通且位於該電漿出口下方。

本發明也提供一種上述常壓電漿系統製造材料層的方法，包括：將一基板放置在該反應區中；將一反應前驅物導入該腔室中；利用該電源供應器在該半圓柱電極施加電場，以使該腔室中的該反應前驅物轉換成一電漿；以及將該電漿自該腔室導入至該反應區中，以於該基板上形成一材料層。

本發明為一種常壓(大氣)電漿系統，且是可用來形成複合DLC膜的常壓(大氣)電漿系統。有關各實施例之製造和使用方式係如以下所詳述。然而，值得注意的是，本發明所提供之各種可應用的發明概念係依具體內文的各種變化據以實施，且在此所討論的具體實施例僅是用來顯示具體使用和製造本發明的方法，而不用以限制本發明的範圍。以下係透過各種圖示及例式說明本發明較佳實施例。此外，在本發明各種不同之各種實施例和圖示中，相同的符號代表相同或類似的元件。

第1圖顯示本發明的常壓(大氣)電漿系統的示意圖。 常壓電漿系統包括接地電極90。接地電極90具有一腔室60。腔室60與進料口140及電漿出口130連通。半圓柱電極80設置在腔室60內。第2圖顯示半圓柱電極80的俯視圖。半圓柱電極80的截面具有半圓的形狀。須注意的是，這裡所指的「半圓」一詞是泛指所有由一具有任何角度的弧線及一直線所構成的形狀，而不限於180度的半圓。此外，電極之形態也可以是圓柱狀、橢圓柱狀或其他類似形狀。屏障介電材料100覆蓋在半圓柱電極80的表面上。

請參考第1圖，半圓柱電極80連接電源供應系統70。 電源供應系統70可以是低頻至較佳的高頻系統。電源供應系統70也可包括電源匹配系統。熱控裝置110可設置在接地電極90中。反應區200是位於電漿出口130的下方。反 應區與排氣裝置(未顯示)連通。反應前驅物的供應裝置20或30是藉由管路及進料口140與腔室60連通。反應前驅物的流量可藉由調節閥40或50予以控制。用以支撐基板的載台120可設置在反應區200中。載台120較佳為連續式移動載台。

半圓柱電極80較佳為偏心半圓柱電極。偏心一詞是代表半圓柱電極80並非設置在腔室60的正中心位置。半圓柱電極之設計可使前驅物氣體於電極上緣空間均勻混合。 在操作電漿系統的過程中，當輸入高頻電源至半圓柱電極80中，接地電極90及半圓柱電極80之間的最小距離處，可有效凝聚高強度電場並解離氣體產生高密度電漿。此外，設置在接地電極90內的溫控模組110可控制接地電極具有一適當的高溫，以幫助通入至腔室內的反應前驅物更容易克服功函數並提升反應物解離成電漿的效率。因此，請參考第1圖，於較佳實施例中，接地電極90與偏心半圓柱電極80之間的最小距離是鄰近於電漿出口130。最小距離可介於約0.5~5mm。換句話說，偏心半圓柱電極80是設置在儘量靠近但不碰觸到電漿出口130的位置。再者，溫控模組110是設置在鄰近電漿出口130的接地電極90內。 如此的設計可在操作電漿系統的過程中，有效率的在電漿出口130附近產生高密度電漿，且高密度電漿可順著電漿出口130附近的流場被導引至反應區200內，以提升材料的沉積速率及製程穩定度。大氣電漿不需昂貴的真空生產系統，因此具有成本低的優點。

在利用第1圖所示之常壓電漿系統製造複合類鑽碳(diamond-like carbon, DLC)膜的實施例中，前驅物供應系統20及30裝置有用以形成複合DLC膜的反應前驅物，包括用以形成DLC結構的碳氫化合物氣體，以及用以形成複合DLC膜結構中鑲嵌摻雜結構之包括金屬氧烷化物或烷基化物的液態摻雜物。於實施例中，碳氫化合物氣體可包括C₂ H₂ 、CH₄ 、C₂ H₆ 、C₆ H₆ 或其他相關碳氫化合物。液態摻雜物金屬氧烷化物或烷基化物可包括六甲基二矽氮烷((CH₃ )₃ Si-NH-Si(CH₃ )₃ , Hexmethyldisilane, HMDS)、四乙基矽氧烷(Si(OC₂ H₅ )₄ , Tetraethylorthosilicate, TEOS)、鈦醇鹽(titanium alkoxide)或鍺醇鹽(germanium alkoxide)。其中，六甲基二矽氮烷或四乙基矽氧烷係用以作為Si前驅物，鈦醇鹽係用以作為Ti前驅物，鍺醇鹽係用以作為Ge前驅物。 使用常溫為液態之金屬氧烷化物(alkoxide)或烷基化物(Alkylate)作為用以形成奈米微晶摻雜的有機金屬前驅物，能夠避免使用在常溫下於空氣中反應激烈之氣體化合物(例如矽烷、二硼烷等)所造成的工安問題。液態摻雜前驅物供應系統裝置20包括超音波霧化裝置，用以使液態前驅物變成蒸氣。

利用如第1圖所示之常壓電漿系統製造複合類鑽碳膜的步驟包括： (A)將基板放置在電漿出口130下方的反應區200內； (B)利用熱控裝置110控制接地電極90的溫度； (C)啟動電源供應器70，以輸出高頻電源至半圓柱電 極80；以及 (D)將反應前驅物導入腔室60內； 於步驟(A)中，可被沉積薄膜的基板並不限定一般的平板式基板，也可以是具有任意形狀的基板。換句話說，除了一般平板式的基板，本發明之常壓電漿系統亦適用於形狀複雜材料的表面處理。再者，可使用連續移動式載台120承載基板以連續移動基板。因此相對於真空電漿只能批量生產的限制，常壓電漿系統具有連續生產的優勢，並可適用於大面積製程。

於步驟(B)中，接地電極90的溫度可控制在約100℃至500℃。須注意的是，此接地電極的升溫步驟是非必要的。

於步驟(C)中，電源供應器70的頻率可介於10MHz至90MHz之RF或VHF之波段，例如是13.56MHz、40.68MHz、60 MHz、80MHz等RF或VHF之波段，除此之外，於DC、AF、LF、MF波段亦可做電漿激發。

於步驟(D)中，導入至的腔室60內的反應前驅物包括如上所述的碳氫化合物氣體及摻雜前驅物蒸氣。摻雜前驅物蒸氣主要是利用前驅物供應系統20中的超音波霧化裝置將液態摻雜前驅物霧化所形成。可利用載氣10將摻雜前驅物蒸氣導入腔室內。可利用調節閥40及50控制摻雜前驅物蒸氣及碳氫化合物氣體的流量。摻雜前驅物蒸氣的流量可介於約0.1 l/min至約5 l/min。碳氫化合物氣體的流量可介於約0.1 l/min至約5 l/min。由於所選擇之常溫為液態的金屬氧烷化物或烷基化物其材料本身即存在金屬-碳 (Me-C)鍵結，於電漿合成DLC薄膜時，可直接形成適當sp³ 之Me-C鍵結，強化DLC膜硬度及高溫穩定的特性。

反應前驅物在腔室60內被轉換成電漿後，會隨著氣流的流場導入至反應區中，以在基板上形成複合類鑽碳膜。

在本發明的常壓(大氣)電漿系統中，接地電極與半圓柱電極之間的最小距離是在鄰近於電漿出口的位置，且溫控模組是設置在鄰近電漿出口的接地電極內。因此在操作電漿系統的過程中，能夠有效率高密度電漿導引至反應區內，以提升材料的沉積速率及製程穩定度。此外，使用連續移動式載台連續移動基板能夠達到連續生產及大面積製程的優勢。再者，本發明之常壓電漿系統除了能在一般平板式的基板作表面處理，亦適用於形狀複雜材料的表面處理。

在利用常壓電漿系統製造複合類鑽碳膜的實施例中，使用常溫為液態之金屬氧烷化物(alkoxide)或烷基化物(Alkylate)作為用以形成奈米微晶摻雜的前驅物，能夠避免使用在常溫下於空氣中反應激烈之氣體化合物所造成的工安問題。

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，舉例而言，雖然上述實施例是以DLC為例進行說明，但本發明之電壓系統也可以用來沉積其他材料層，例如透明導電膜(TCO)、抗反射薄膜(AR)、介電膜、阻障膜及其他種功能性薄膜。因此，任何熟悉此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許更動與潤 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。

10‧‧‧載氣

20‧‧‧反應前驅物的供應裝置

30‧‧‧反應前驅物的供應裝置

40‧‧‧調節閥

50‧‧‧調節閥

60‧‧‧腔室

70‧‧‧電源供應系統

80‧‧‧半圓柱電極

90‧‧‧接地電極

100‧‧‧屏障介電材料

110‧‧‧熱控裝置

120‧‧‧載台

130‧‧‧電漿出口

140‧‧‧進料口

200‧‧‧反應區

第1圖顯示本發明的常壓(大氣)電漿系統的示意圖。

第2圖顯示半圓柱電極的俯視圖。

10‧‧‧載氣

20‧‧‧反應前驅物的供應裝置

30‧‧‧反應前驅物的供應裝置

40‧‧‧調節閥

50‧‧‧調節閥

60‧‧‧腔室

70‧‧‧電源供應系統

80‧‧‧半圓柱電極

90‧‧‧接地電極

100‧‧‧屏障介電材料

110‧‧‧熱控裝置

120‧‧‧載台

130‧‧‧電漿出口

140‧‧‧進料口

200‧‧‧反應區

Claims (16)

1. 一種常壓電漿系統，包括：一接地電極，其內具有一腔室；一半圓柱電極，位於該腔室中，其中該半圓柱電極批覆有一介電材料，且該半圓柱電極連接一電源供應器；一進料口，與該腔室連通；以及一電漿出口，與該腔室連通。
2. 如申請專利範圍第1項所述之常壓電漿系統，其中該電漿出口鄰近該接地電極及該半圓柱電極之間最小距離的位置。
3. 如申請專利範圍第1項所述之常壓電漿系統，其中該接地電極及該半圓柱電極之間的最小距離介於0.5mm至5mm。
4. 如申請專利範圍第1項所述之常壓電漿系統，更包括一反應區，與該電漿出口連通且位於該電漿出口下方。
5. 如申請專利範圍第4項所述之常壓電漿系統，更包括一載台，位於該反應區內。
6. 如申請專利範圍第5項所述之常壓電漿系統，其中該載台係連續式移動載台。
7. 如申請專利範圍第1項所述之常壓電漿系統，更包括一熱控裝置，設置於該接地電極中。
8. 如申請專利範圍第7項所述之常壓電漿系統，其中該熱控裝置係設置在接近該電漿出口的位置。
9. 如申請專利範圍第1項所述之常壓電漿系統，更包 括一前驅物供應系統。
10. 如申請專利範圍第9項所述之常壓電漿系統，其中該前驅物供應系統包括一超音波霧化裝置。
11. 一種由申請專利範圍第1至10項中之任一項常壓電漿系統製造材料層的方法，包括：將一基板放置在該反應區中；將一反應前驅物導入該腔室中；利用該電源供應器在該半圓柱電極施加電場，以使該腔室中的該反應前驅物轉換成一電漿；以及將該電漿自該腔室導入至該反應區中，以於該基板上形成一材料層。
12. 如申請專利範圍第11項所述之由常壓電漿系統製造材料層的方法，其中是由該載台承載該基板。
13. 如申請專利範圍第11項所述之由常壓電漿系統製造材料層的方法，更包括連續移動該基板。
14. 如申請專利範圍第11項所述之由常壓電漿系統製造材料層的方法，其中該材料層是複合類鑽膜。
15. 如申請專利範圍第14項所述之由常壓電漿系統製造材料層的方法，其中該反應前驅物包括一摻雜前驅物蒸氣及一碳氫化合物前驅物氣體，該摻雜前驅物蒸氣包括金屬氧烷化物或烷基化物。
16. 如申請專利範圍第15項所述之由常壓電漿系統製造材料層的方法，其中該摻雜前驅物蒸氣的流量介於0.1 l/min至5 l/min。