TWI466163B - 空心陰極放電蝕刻裝置及其方法 - Google Patents

Description

空心陰極放電蝕刻裝置及其方法

本發明是關於一種基於空心陰極放電之離子蝕刻之技術領域，特別是利用靶材與遮罩之間產生差動以快速蝕刻大量相同的圖形之空心陰極放電蝕刻裝置及其方法。

蝕刻是現代電子科技、微機電系統中相當重要的量產方法。現代的整個蝕刻製程包括上光阻、曝光、顯影、蝕刻、去光阻等多道手續。過程中需要大量的有機化學藥品，例如光阻劑、化學蝕刻藥水、去光阻劑等都是劇毒的有機化學藥品。這些化學品若處理不當會造成環境汙染，要徹底妥善處理則成本極為高昂。此外先進國家漸漸開始立法對許多產品的製造過程的不環保因素課徵重稅，這在未來也會成為成本之一。

即使是電漿蝕刻技術也是藉由電漿與表面的化學反應來達到「蝕刻」這一步驟，相較於以化學藥品進行蝕刻，電漿蝕刻的精確度可以比較高，但本質上也是化學蝕刻：他一樣要根據被蝕刻的表面的材料去選擇電漿的成分，也需要光阻劑、去光阻劑等化學藥品。

此外，若要拿現有的蝕刻技術去對有機材料或生物材料如有機發 光二極體(OLED)做蝕刻，則用到的化學藥品，如強酸，會對被蝕刻材料造成嚴重傷害，因此要用現有技術對有機材料或生物材料做蝕刻，難度很高或根本不可能。

再者，一些開發中的用於醫療的微機電系統，例如一些預期植入人體的小系統或人造器官，對製造過程有極為嚴格的無毒需求，因此製造過程用到的有毒化學藥品越少越好。然而現代大規模蝕刻技術總是要用到化學藥品，故不利於醫療產品的製造。

現有的無化學蝕刻技術系採用離子束、電子束、或雷射光束等，直接對靶材進行蝕刻，不過僅能用於樣本的製作，要進行大規模量產，會需要將離子束、電子束、雷射光束進行分割並分配，設備的構造會非常複雜，因此難以實用化。

本發明就是要提供一種空心陰極放電蝕刻設備及其方法。這種技術除了允許以更環保的方式大規模製造電子設備外，還允許對有機材料或生物材料進行蝕刻。由於有機材料與生物材料種類遠遠超過半導體，因此本發明之空心陰極放電蝕刻設備及其方法允許科學家開發出現在無法量產的更多種類的產品，包括可以植入人體的醫療產品。

有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之其中一目的就是在提供一種空心陰極放電蝕刻裝置，其包含蝕刻腔室、陽極、空心陰極以及載台。蝕刻腔室以分隔層界定第一腔室與第二腔室；陽極設置於第一腔室；空心陰極設置於分隔層並貫穿第一腔室與第二腔室，且位於第二腔室之空心陰極更設置有遮罩層；載台設置於第二 腔室。其中，當一陽極電壓高於一空心陰極電壓而形成空心陰極放電時，離子束係通過該空心陰極之該遮罩層射出以對該載台上之至少一靶材進行蝕刻動作，且當載台以移動模組使載台往三維方向移動時，靶材將會與遮罩層產生差動，以使通過遮罩層之離子束根據遮罩層上之至少一圖形與載台活動路徑，進而蝕刻該靶材以形成至少一圖樣。

較佳地，空心陰極放電蝕刻裝置可更包含冷卻裝置，其可設置於鄰近空心陰極以冷卻空心陰極。

較佳地，空心陰極放電蝕刻裝置可更包含冷卻裝置，其可設置於鄰近載台以冷卻靶材。

較佳地，空心陰極放電蝕刻裝置可更包含聚焦裝置，其可設置於第二腔室，以形成磁場於遮罩層與靶材之間，以阻止通過遮罩層之離子束在橫向之擴散，並更可匯聚通過遮罩層之離子束。

較佳地，第一腔室與第二腔室可分別具有第一壓力與第二壓力，且第二壓力小於或等於第一壓力。

較佳地，遮罩層可為空心陰極之一部分，其可為可拆卸式地設置於空心陰極或可為一體成形於空心陰極。

較佳地，至少一圖形可包含點、線段、圓或多邊形。

較佳地，載台可更具有低於或高於施加於空心陰極之電壓，當載台具有低於空心陰極之電壓時，將加速離子之射出速度，當載台具有高於空心陰極之電壓時，將減慢離子之射出速度。

較佳地，空心陰極暴露於第二腔室之側壁更設置有遮罩層，以使 離子束通過設置於側壁之遮罩層對相對應設置之靶材進行蝕刻動作。

本發明之另一目的就是在提供一種空心陰極放電蝕刻方法，可適用於空心陰極放電蝕刻裝置，其可包含下列步驟：加入工作氣體於第一腔室；藉由施加電位差於陽極與空心陰極以形成空心陰極放電；以及藉由從空心陰極之具有至少一圖形之遮罩層通過之離子束，以對載台上之靶材進行蝕刻動作。其中，當載台以移動模組使載台往三維方向移動時，靶材會與遮罩層產生差動，以使通過遮罩層之離子束根據遮罩層上之至少一圖形與載台活動路徑，進而蝕刻靶材以形成至少一圖樣。

承上所述，依本發明之空心陰極放電蝕刻裝置及其方法，其可具有下述優點：本發明之空心陰極放電蝕刻裝置及其方法提供一種完全沒有化學藥品的蝕刻技術，其可允許以更環保的方式製造精密電子設備之外，還可允許對有機材料或生物材料進行蝕刻，進行大量且快速地量產。

1‧‧‧蝕刻腔室

10‧‧‧分隔層

11‧‧‧第一腔室

12‧‧‧第二腔室

13‧‧‧陽極

14‧‧‧空心陰極

15‧‧‧載台

16‧‧‧靶材

17、18‧‧‧冷卻裝置

19‧‧‧聚焦裝置

20‧‧‧遮罩層

21‧‧‧磁場

22‧‧‧圖形

23‧‧‧離子束

24‧‧‧圖樣

25‧‧‧載台活動路徑

26‧‧‧移動模組

S100、S200、S300、S300-1、S300-2‧‧‧步驟

V3‧‧‧額外電壓

V+‧‧‧陽極電壓

V-‧‧‧陰極電壓

第1圖係為本發明之空心陰極放電蝕刻裝置之第一示意圖。

第2圖係為本發明之空心陰極放電蝕刻裝置之第二示意圖。

第3圖係為本發明之空心陰極放電蝕刻裝置之第三示意圖。

第4圖係為本發明之空心陰極放電蝕刻裝置之第四示意圖。

第5圖係為本發明之空心陰極放電蝕刻裝置之第五示意圖。

第6A圖係為本發明之空心陰極放電蝕刻裝置之第六示意圖。

第6B圖係為本發明之空心陰極放電蝕刻裝置之第七示意圖。

第7圖係為本發明之空心陰極放電蝕刻裝置之第八示意圖。

第8圖係為本發明之空心陰極放電蝕刻方法之第九示意圖。

第9圖係為本發明之空心陰極放電蝕刻方法之第一流程示意圖。

第10圖係為本發明之空心陰極放電蝕刻方法之第二流程示意圖。

第11圖係為本發明之空心陰極放電蝕刻方法之第三流程示意圖。

以下將參照相關圖式，說明依本發明之空心陰極放電蝕刻裝置及其方法之實施例，為使便於理解且簡潔描述，下列所述之任一實施例中，具有相同作用之相同元件係以相同之元件符號標示來說明。於不同實施例中，相同元件符號所代表之元件，其連結、作動及功效應視為相同；故為便於描寫，相同元件符號所代表之元件之連結、作動及功能於不同實施例中，將不再重複贅述，合先敘明。

請參閱第1圖，其係為本發明之空心陰極放電蝕刻裝置之第一示意圖。如圖所示，本發明之空心陰極放電蝕刻裝置可包含蝕刻腔室1、陽極13、空心陰極14以及載台15。蝕刻腔室1以分隔層10界定第一腔室11與第二腔室12；陽極13設置於第一腔室11；空心陰極14設置於分隔層10並貫穿第一腔室11與第二腔室12，且位於第二腔室12之空心陰極14更設置有遮罩層20；載台15設置於第二腔室12。其中，當陽極13與空心陰極14分別地被施加具有電位差之 陽極電壓V+與陰極電壓V-，其中陽極電壓V+高於陰極電壓V-，以形成空心陰極放電時，離子束可從空心陰極14之遮罩層20射出以對載台15上之至少一靶材16進行蝕刻動作。且當載台15以移動模組26使載台15往三維方向移動時，靶材16將會與遮罩層20產生差動，以使通過遮罩層20之離子束根據遮罩層20上之至少一圖形與載台活動路徑25，進而蝕刻該靶材16以形成至少一圖樣。

其中，遮罩層20本身即是空心陰極14之一部份，其可以為可拆卸式地裝設在空心陰極14上，亦或是與空心陰極14為一體成形而形成。詳細的說，當空心陰極放電產生時，離子將會從遮罩層20上圖形的空隙飛出，抵達距離遮罩層20一段距離的靶材16後，將靶材16的表面材料轟擊出來，以形成使用者所欲之圖樣。

此外，根據所選靶材16的材料性質不同，載台15之移動模組26可調整載台15與遮罩層20的垂直距離，以使離子束通過遮罩層20後，進而轟擊靶材16之距離改變，以減少轟擊時間、加快靶材16形成圖樣之速度與效率。另，第一腔室11與第二腔室12可分別具有第一壓力與第二壓力，且第二壓力小於或等於第一壓力。

值得注意的是，使用者更可以使用具有多個圖形之遮罩層20，配合本發明之空心陰極放電蝕刻裝置，以快速且大量地產生使用者所欲之圖樣於同一靶材16上。

請一併參閱第2圖至第3圖，其係為本發明之空心陰極放電蝕刻裝置之第二示意圖與第三示意圖。如圖所示，於第2圖與第3圖中，與第1圖相同的元件及其連結關係與功效也相同，故不再贅述，然第2圖與第3圖與第1圖不同的地方在於，第2圖與第3圖更包含 了冷卻裝置17、18。於第2圖中，冷卻裝置17可裝設於鄰近空心陰極14以冷卻空心陰極14。於第3圖中，冷卻裝置18可裝設鄰近於載台15以冷卻載台15。

請參閱第4圖，其係為本發明之空心陰極放電蝕刻裝置之第四示意圖。如圖所示，於第4圖中，與第1圖相同的元件及其連結關係與功效也相同，故不再贅述，然第4圖與第1圖不同的地方在於，第4圖更包含了聚焦裝置19。聚焦裝置19較佳地可設置於第二腔室12，以形成磁場21於遮罩層20與靶材16之間，以聚焦通過遮罩層20之離子束。詳細的說，當離子束通過遮罩層20時，提供磁場21可減少離子於運動過程之擴散情況，可使靶材16受到更集中的離子轟擊，減短反應的時間並提升蝕刻精確度。

請參閱第5圖，其係為本發明之空心陰極放電蝕刻裝置之第五示意圖。如圖所示，第5圖之左半側係為不具有任何圖形22的遮罩層20，第5圖之右半側係為以離子束、電子束、或雷射光束所產生之至少一圖形22，其中圖形22可以為點、線段、圓或多邊形。為便於描述，於第5圖中係採用點作為實施態樣，但不應予以侷限。值得注意的是，遮罩層20的至少一圖形22，或是其陣列皆可利用本發明之空心陰極放電蝕刻裝置完成。也就是說，使用者可以自行設計其所欲之遮罩層20之圖形22或多個圖形22之任意排列，並以本發明之空心陰極放電蝕刻裝置，根據母板遮罩層20做出多個具有不同圖形22之子板遮罩層20，再根據子板遮罩層20大量地製造具有相關圖樣之成品靶材16。

請一併參閱第6A圖與第6B圖，其係為本發明之空心陰極放電蝕刻裝置之第六示意圖與第七示意圖。為便於描述，第6A圖與第6B圖 僅繪示遮罩層20與載台15及其所搭載的靶材16之相互差動之情況，以及在上述狀況下所製造出的靶材16上所具有的圖樣24，以更清楚地描述本發明。如第6A圖之左上部分所示，當使用者選用如第5圖之遮罩層20進行空心陰極放電蝕刻時，此時載台15係為保持不動，並定義一個定位點為初始位置(未繪示於圖中)，故從第6B圖之左上部分可以得到靶材16上具有與遮罩層20之圖形22所匹配的圖樣24。接下來，根據使用者的需求，載台15之定位點平行地向負Y軸的方向遠離X軸移動預定距離，而此時作用於靶材16上之離子束23也相對地以靶材16之定位點為基準點，朝靶材16的相對應的方向移動預定距離並蝕刻出相對應的蝕刻線(如第6A圖與第6B圖之右上部分所示)。再接下來，根據使用者的需求，載台15之定位點在X-Y平面上同時往負X軸的方向遠離Y軸移動以及往正Y軸的方向遠離X軸移動預定距離，而此時作用於靶材16上之離子束23也朝相對應地方向移動預定距離並蝕刻出相對應的蝕刻線(如第6A圖與第6B圖之右下部分所示)。最後再根據使用者的需求，將載台15之定位點移動回初始位置，而此時作用於靶材16上之離子束23也朝相對應地方向移動預定距離並蝕刻出相對應的蝕刻線(如第6A圖與第6B圖之左下部分所示)。如此一來，即可得到如第6B圖之左下部分所示之具有完成後圖樣24之靶材16成品。

請參閱第7圖，其係為本發明之空心陰極放電蝕刻裝置之第八示意圖。如圖所示，在本發明之空心陰極放電蝕刻裝置中，經過第6A圖與第6B圖之製成所得到的成品，更可以當作下一次空心陰極放電蝕刻製成之遮罩層20。如此一來，即可利用具有使用者所欲之圖形22之遮罩層20，快速且大量地生產具有相對應圖樣24之靶 材16成品。也就是說，不必再一次地移動載台15以重複蝕刻相同路徑的方法得到所欲之成品。

請參閱第8圖，其係為本發明之空心陰極放電蝕刻裝置之第九示意圖。其與第1圖所繪示之空心陰極放電蝕刻裝置1類似，不同的是，第8圖所繪示之空心陰極14更具有設置於側壁上之遮罩層20。設置於空心陰極14之位於第二腔體12之側壁上之遮罩層20也可具有如前述所述用於蝕刻步驟之功效。也就是說，在本實施態樣中，由於空心陰極14位於第二腔體12內之側壁也可設置有遮罩層20，且更可配合相對應設置之靶材16，如此便可同時進行更多蝕刻步驟以增加產能及提高工作效率。

雖上述實施方式已清楚的描述本發明之空心陰極放電蝕刻裝置及其作用方式與功效，然為使更能明確地了解本發明，發明人更以流程圖之方式描述本發明之空心陰極放電蝕刻方法，如第9圖所示，其包含下列步驟：S100：加入工作氣體於第一腔室。

S200：藉由施加電位差於陽極與空心陰極以形成空心陰極放電。

S300：藉由從空心陰極之具有至少一圖形之遮罩層通過之離子束，以對載台上之靶材進行蝕刻動作以得到第一成品。

在另一個實施態樣中，如第10圖所示，其可包含下列步驟：S100：加入工作氣體於第一腔室。

S200：藉由施加電位差於陽極與空心陰極以形成空心陰極放電。

S300-1：藉由從空心陰極之具有至少一圖形之遮罩層通過之離子 束，以對載台上之靶材進行蝕刻動作，並以移動模組使載台往三維方向移動時，靶材會與遮罩層產生差動，以使通過遮罩層之離子束根據遮罩層上之至少一圖形與載台活動路徑，進而蝕刻靶材以形成具有至少一圖樣之第二成品。

其中，遮罩層可以是額外訂作的母板遮罩層，或是實施態樣一所得到的第一成品。

在另一個實施態樣中，如第11圖所示，其可包含下列步驟：S100：加入工作氣體於第一腔室。

S200：藉由施加電位差於陽極與空心陰極以形成空心陰極放電。

S300-2：藉由S300-1所製成之第二成品作為遮罩層，並使用S300之方法製造大量的第二成品。

值得注意的是，當遮罩層已含有大量使用者所需之圖形，例如以步驟S300-1所得之成品當作本步驟之遮罩層時，製造具有大量圖形之遮罩層則不需要載台與遮罩層差動便可得到大量的第二成品。

利用以上三個實施態樣的組合可實現完整的製程。例如，單獨使用第二態樣，第一與第二態樣的結合，第二與第三態樣的結合，以及第一、第二、第三態樣的結合。

也就是說，使用本發明之空心陰極放電蝕刻方法，利用靶材會與遮罩層之間的差動以產生具有大量使用者所欲圖形之母版遮罩層後，即可用此母版遮罩層大量地生產成品而不再需要使用額外訂製的模板或遮罩，以達到大尺寸、大量、快速且不須使用任何化 學溶劑之製程。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1‧‧‧蝕刻腔室

10‧‧‧分隔層

11‧‧‧第一腔室

12‧‧‧第二腔室

13‧‧‧陽極

14‧‧‧空心陰極

15‧‧‧載台

16‧‧‧靶材

20‧‧‧遮罩層

V3‧‧‧額外電壓

V+‧‧‧陽極電壓

V-‧‧‧陰極電壓

Claims (18)

1. 一種空心陰極放電蝕刻裝置，其包含：一蝕刻腔室，該蝕刻腔室係以一分隔層界定一第一腔室與一第二腔室；一陽極，其設置於該第一腔室；一空心陰極，其設置於該分隔層並貫穿該第一腔室與該第二腔室，且位於該第二腔室之該空心陰極更設置有一遮罩層；以及一載台，其設置於該第二腔室；其中，當一陽極電壓高於一空心陰極電壓而形成空心陰極放電時，離子束係通過該空心陰極之該遮罩層射出以對該載台上之至少一靶材進行蝕刻動作，且當該載台以一移動模組使該載台往三維方向移動時，該靶材會與該遮罩層產生差動，以使通過該遮罩層之離子束根據該遮罩層上之至少一圖形與載台活動路徑，進而蝕刻該靶材以形成至少一圖樣。
2. 如申請專利範圍第1項所述之空心陰極放電蝕刻裝置，其中更包含一冷卻裝置，其係設置於鄰近該空心陰極以冷卻該空心陰極。
3. 如申請專利範圍第1項所述之空心陰極放電蝕刻裝置，其中更包含一冷卻裝置，其係設置於鄰近該載台以冷卻該靶材。
4. 如申請專利範圍第1項所述之空心陰極放電蝕刻裝置，其中更包含一聚焦裝置，其係設置於該第二腔室內，以形成一磁場於該遮罩層與該靶材之間，以聚焦通過該遮罩層之離子束。
5. 如申請專利範圍第1項所述之空心陰極放電蝕刻裝置，其中該第 一腔室與該第二腔室分別具有一第一壓力與一第二壓力，且該第二壓力小於或等於該第一壓力。
6. 如申請專利範圍第1項所述之空心陰極放電蝕刻裝置，其中該遮罩層為可拆卸式地或一體成形地設置於該空心陰極。
7. 如申請專利範圍第1項所述之空心陰極放電蝕刻裝置，其中該至少一圖形包含點、線段、圓或多邊形。
8. 如申請專利範圍第1項所述之空心陰極放電蝕刻裝置，其中該載台更具有低於或高於施加於該空心陰極之電壓，當該載台具有低於該空心陰極之電壓時，將加速離子之射出速度，當該載台具有高於該空心陰極之電壓時，將減慢離子之射出速度。
9. 如申請專利範圍第1項所述之空心陰極放電蝕刻裝置，其中該空心陰極暴露於該第二腔室之側壁更設置有該遮罩層，以使離子束通過設置於側壁之該遮罩層對相對應設置之該靶材進行蝕刻動作。
10. 一種空心陰極放電蝕刻方法，其適用於如申請專利範圍第1項所述之空心陰極放電蝕刻裝置，其包含下列步驟：加入一工作氣體於該第一腔室；藉由施加一電位差於該陽極與該空心陰極以形成空心陰極放電；以及藉由從該空心陰極之具有該至少一圖形之該遮罩層通過之離子束，以對該載台上之該靶材進行蝕刻動作；其中，當該載台以該移動模組使該載台往三維方向移動時，該靶材會與該遮罩層產生差動，以使通過該遮罩層之離子束根據該遮罩層上之該至少一圖形與載台活動路徑，進而蝕刻該靶材以形成該至少一圖樣。
11. 如申請專利範圍第10項所述之空心陰極放電蝕刻方法，其中更包含一冷卻裝置，其係設置於鄰近該空心陰極以冷卻該空心陰極。
12. 如申請專利範圍第10項所述之空心陰極放電蝕刻方法，其中更包含一冷卻裝置，其係設置於鄰近該載台以冷卻該靶材。
13. 如申請專利範圍第10項所述之空心陰極放電蝕刻方法，其中更包含一聚焦裝置，其係設置於該第二腔室內，以形成一磁場於該遮罩層與該靶材之間，以聚焦通過該遮罩層之離子束。
14. 如申請專利範圍第10項所述之空心陰極放電蝕刻方法，其中該第一腔室與該第二腔室分別具有一第一壓力與一第二壓力，且該第二壓力小於或等於該第一壓力。
15. 如申請專利範圍第10項所述之空心陰極放電蝕刻方法，其中該遮罩層為可拆卸式地或一體成形地設置於該空心陰極。
16. 如申請專利範圍第10項所述之空心陰極放電蝕刻方法，其中該至少一圖形包含點、線段、圓形或多邊形。
17. 如申請專利範圍第10項所述之空心陰極放電蝕刻方法，其中該載台具有低於或高於施加於該空心陰極之電壓，當該載台具有低於該空心陰極之電壓時，將加速離子之射出速度，當該載台具有高於該空心陰極之電壓時，將減慢離子之射出速度。
18. 如申請專利範圍第10項所述之空心陰極放電蝕刻方法，其中該空心陰極暴露於該第二腔室之側壁更設置有該遮罩層，以使離子束通過設置於側壁之該遮罩層對相對應設置之該靶材進行蝕刻動作。