TWI615488B - 成膜裝置及其方法 - Google Patents

Abstract

本發明係有關於一種成膜裝置及其方法，該裝置主要包括腔室、電場產生模組、磁場產生模組、加熱模組、處理氣體供應模組及主控制器。主控制器控制處理氣體供應模組導入處理氣體至腔室、控制加熱模組加熱成膜材料粒子移動空間、控制電場產生模組之上部電極與下部電極間產生電場、以及控制磁場產生模組之變換磁場產生單元不斷切換成膜材料側的磁場，以使成膜材料、及成膜對象體各自析出粒子並進行離子交換後結合，再吸附於成膜對象體表面。據此，本發明應用範圍廣泛，且設備成本低，又所形成之薄膜附著力佳，完全無需其他金屬介質層，且不產生任何製程污染。

Description

成膜裝置及其方法

本發明係關於一種成膜裝置及其方法，尤指關於一種複數層異質材料薄膜的成膜裝置及成膜方法。

關於習知利用氣體的真空成膜技術，已知可區分為物理氣相沉積(PVD)成膜技術及化學氣相沉積(CVD)成膜技術等。就物理氣相沉積成膜技術來說，可列舉有濺鍍、蒸鍍等。就化學氣相沉積成膜技術來說，可列舉有低壓化學氣相沉積(LPCVD)、電漿增強化學氣相沉積(PECVD)等。其中，就濺鍍來說，其係具有薄膜與基材間之附著力佳、無污染、基板溫度低、應用廣泛等優點，但也具有成膜不均、設備成本高等缺點。又，就蒸鍍來說，其係具有成膜速度慢等缺點。再者，就CVD成膜技術來說，其係具有成膜均勻、設備成本低等優點，但亦已知有薄膜與基材間之附著力較弱、對環境的污染大、基板溫度高、應用範圍小等缺點。依此可知，上述真空成膜技術仍有進一步改善的空間。

又，就習知之複數個異質成膜材料薄膜的形成方面來說，以金屬薄膜之形成為例，首先會遇到的問題就是不同金屬薄膜間之密接性不佳的問題。例如，在散熱構件之基材上形成鋁膜、銅膜之兩層金屬薄膜的情 形下，由於銅與鋁之熱膨脹係數差異大，兩者間之密接性不佳，故要形成密接性優異之鋁膜/銅膜的積層構造並不容易。因此，為了要改善密接性，通常會在兩層金屬薄膜之間另外積層金屬介質層。然而，此會增加製程的步驟數，而使製程繁雜化，且亦會有增加成本的問題。

本發明係有鑑於如上所述問題而完成者。亦即，本案發明之目的係在於提供一種具有無污染、應用範圍廣泛、設備成本低等功效的成膜裝置、及成膜方法。又，另一目的係在於提供一種可製造出複數層成膜材料薄膜間之附著力佳之薄膜的成膜裝置、及成膜方法。再者，又一目的係在於提供一種可製造出兩層金屬薄膜間無需金屬介質層之薄膜的成膜裝置、及成膜方法。

為達成上述目的，本發明一種成膜裝置主要包括：腔室、電場產生模組、磁場產生模組、加熱模組、處理氣體供應模組、以及主控制器。其中，腔室內部包括一成膜對象體承載部、及一成膜材料承載部，成膜對象體承載部係用於載置一成膜對象體，成膜材料承載部係用於載置一成膜材料，成膜對象體承載部與成膜材料承載部間構成一成膜材料粒子移動空間。另外，電場產生模組係包括一上部電極、一下部電極、及電壓電源供應單元，上部電極電性耦接至成膜對象體，下部電極電性耦接至成膜材料，電壓電源供應單元係供應電源予上部電極和下部電極。

此外，磁場產生模組設置於成膜材料承載部下方，而磁場產生模組包括一固定磁場產生單元、及一變換磁場產生單元；固定磁場產生單元上嵌設有呈環形等距排列之複數第一永久磁石、以及一設置於該環形中心之一第二永久磁石，且複數第一永久磁石與第二永久磁石以不同極性方式配置；變換磁場產生單元設置有複數電磁產生線圈，其分別對應於複數第一永久磁石與第二永久磁石。

再者，處理氣體供應模組係供應一處理氣體至腔室中；而加熱模組係配置於腔室內並至少局部地對應於成膜材料粒子移動空間；又，主控制器係電性連接電場產生模組、磁場產生模組、處理氣體供應模組、及加熱模組。其中，主控制器控制處理氣體供應模組導入處理氣體至腔室中，並控制加熱模組加熱成膜材料粒子移動空間，並控制電場產生模組在上部電極與下部電極間產生一電場，以及控制磁場產生模組之變換磁場產生單元之複數電磁產生線圈依序輪流供電產生不斷切換的磁場，以使成膜材料、及成膜對象體各自析出粒子並進行離子交換後結合，再吸附於成膜對象體之表面。

較佳的是，本發明之成膜裝置可更包括一電漿產生模組，其電性連接至主控制器，並對腔室內部產生電漿以去除多餘的靜電、雜質微粒。換言之，本發明可以藉由電漿產生模組之高溫來移除腔室內部之多餘的靜電、雜質微粒，以維持其潔淨度。另外，本發明之成膜裝置可更包括一氣體回收模組，其電性連接至主控制 器，並對該腔室回收處理氣體。此外，前述氣體回收模組亦可充當抽真空模組，來移除腔室內部的雜質。

再且，本發明之成膜裝置的電場產生模組之電壓電源供應單元可供應電壓範圍為6萬伏特至15萬伏特，上部電極與下部電極間之電場強度可為5 N/C至100 N/C。另外，本發明之成膜裝置的成膜材料表面之磁場強度可為2000高斯至20000高斯，且磁場之切換頻率可為1~4MHz。又，本發明之成膜裝置的加熱模組之加熱溫度可高至約900℃。

為達成上述目的，本發明之成膜方法，其係利用如前述之成膜裝置來進行之方法，其包含如下步驟：電場及磁場施加步驟，利用電場產生模組對上部電極與下部電極間產生電場，並利用磁場產生模組之變換磁場產生單元不斷切換成膜材料側的磁場；處理氣體導入步驟，利用處理氣體供應模組導入處理氣體至腔室中；以及成膜步驟，成膜材料粒子移動空間產生電離子化，以使成膜材料、及成膜對象體各自析出粒子並進行離子交換後結合，再吸附於成膜對象體之表面。

較佳的是，在本發明之成膜方法中，在電場及磁場施加步驟之前可更包括一抽真空步驟，其係使腔室形成一特定負壓；而特定負壓可為10^-2Pa以下。據此，抽真空步驟主要係為了清潔腔室，以免靜電、雜質污染了腔室及影響了整個成膜製程。

再者，本發明成膜方法中，在成膜步驟之前可更包括一電漿清潔步驟，其利用一電漿產生模組來對 腔室內部產生電漿以去除多餘的靜電、雜質微粒。此外，發明成膜方法中，在成膜步驟之前可更包括一加熱步驟，其利用加熱模組加熱成膜材料粒子移動空間，藉以控制成膜材料、及成膜對象體所各自析出之粒子結合後的移動方向。

本發明之成膜裝置及成膜方法係具有無污染、應用範圍廣、設備成本低等之效果。又，藉由本發明之成膜裝置及成膜方法，可提供一種複數層金屬薄膜間之附著力佳、無需金屬介質層的薄膜。再者，藉由本發明之成膜裝置及成膜方法，可提供一種積層有複數層金屬薄膜之散熱構件。

2‧‧‧腔室

3‧‧‧電場產生模組

4‧‧‧磁場產生模組

5‧‧‧處理氣體供應模組

6‧‧‧加熱模組

7‧‧‧主控制器

8‧‧‧電漿產生模組

9‧‧‧氣體回收模組

21‧‧‧成膜對象體承載部

22‧‧‧成膜材料承載部

31‧‧‧上部電極

32‧‧‧下部電極

33‧‧‧電壓電源供應單元

41‧‧‧固定磁場產生單元

42‧‧‧變換磁場產生單元

411‧‧‧第一永久磁石

412‧‧‧第二永久磁石

421‧‧‧電磁產生線圈

Ms‧‧‧成膜材料粒子移動空間

T1‧‧‧成膜對象體

T2‧‧‧成膜材料

圖1係本發明之成膜裝置之系統架構圖。

圖2係本發明之成膜裝置之剖面示意圖。

圖3係本發明之成膜裝置之磁場產生模組之立體圖。

以下，係針對本發明之成膜裝置、成膜方法進行詳細說明。惟，此僅屬本發明之成膜裝置、成膜方法的例示，關於針對所述成膜裝置、成膜方法之各種變更均可包含在本發明請求範圍中。

首先，先針對本發明之本實施例進行說明。請一併參閱圖1和圖2，圖1係本發明之成膜裝置之系 統架構圖，圖2係本發明之成膜裝置之剖面示意圖。如圖中所示，本實施例之成膜裝置主要包括腔室2、電場產生模組3、磁場產生模組4、處理氣體供應模組5、加熱模組6、主控制器7、電漿產生模組8、以及氣體回收模組9。以下分別就各主要構件進行說明：

<腔室2>

腔室2係進行成膜的空間，可為負壓狀態的空間。然而，有別於習知PVD成膜腔室之真空度，本實施例之成膜裝置中的腔室2真空度係可為相對低真空之約10^-2Pa以下之負壓狀態。由於本實施例之成膜方式係不同於需先將成膜空間抽成高真空之習知的PVD及CVD等真空成膜技術，故僅需抽真空成相對低真空即可，甚至可不進行抽真空。因此，可節省裝置成本的支出。另外，腔室2內部包括一成膜對象體承載部21、及一成膜材料承載部22，而成膜對象體承載部21係用於載置一成膜對象體T1，且成膜材料承載部22係用於載置一成膜材料T2，又成膜對象體承載部21與該成膜材料承載部22間構成一成膜材料粒子移動空間Ms。

<電場產生模組3>

電場產生模組3係可包含上部電極31、下部電極32、及電壓電源供應單元33，上部電極31電性耦接至成膜對象體T1，下部電極32電性耦接至成膜材料T2，電壓電源供應單元33係供應電源予上部電極31和下部電極32，其中上部電極31為正極，下部電極32為負極。簡而言之，電場產生模組3係用以在成膜材料T2 及成膜對象體T1間產生電場。然而，本實施例之電場產生模組3之電壓電源供應單元33係供應電壓範圍為6萬伏特至15萬伏特(例如，非金屬時可為6萬伏特，金屬時可為12萬伏特)，且上部電極31與下部電極32間之電場強度為5 N/C至100 N/C。

<磁場產生模組4>

請一併參閱圖3，圖3係本發明之成膜裝置之磁場產生模組4之立體圖。本實施例之磁場產生模組4設置於成膜材料承載部22下方，而磁場產生模組4包括一固定磁場產生單元41、及一變換磁場產生單元42。如圖3中所示，固定磁場產生單元41上設有呈環形等距排列之複數第一永久磁石411、以及位於環形中心之一第二永久磁石412，且第一永久磁石411與第二永久磁石412以不同極性方式配置；亦即，在本實施例中第一永久磁石411上方為N極、下方為S極，而第二永久磁石412上方為S極、下方為N極。另一方面，變換磁場產生單元42設置有複數電磁產生線圈421，其分別對應於複數第一永久磁石411與第二永久磁石412；其中藉由對該複數電磁產生線圈421依序輪流供電以產生不斷切換的磁場，再加上其上方第一永久磁石411與第二永久磁石412所形成的固定磁場，在眾多的磁場的擾動下，可使電子大量聚集，依此，則電子與處理氣體碰撞的機率上升，進而使帶正電之處理氣體粒子增加。根據本實施例之配置，成膜材料T2表面之磁場強度為2000高斯至20000高斯，變換磁場產生單元42之磁場的切換頻率為1~4MHz。

<加熱模組6>

加熱模組6係對應於成膜材料粒子移動空間Ms，用以加熱處理氣體之粒子(原子、分子)，使之可與成膜材料的電子結合。進一步說明，在低溫下，成膜材料T2或處理氣體之粒子(分子或原子)並無法與成膜材料的電子結合；依此，為便於處理氣體之粒子(分子或原子)與成膜材料之電子的結合，亦可利用上述加熱模組6進行加熱，使處理氣體之粒子(分子或原子)的部分升溫，成為非穩定狀態，以便於與成膜材料表面的電子作結合，並可藉此控制材料粒子的移動方向。其中，加熱溫度較佳為高至約900℃之範圍。

加熱模組6係可使用在一般成膜裝置所使用之加熱構件等。例如，可列舉有紅外線加熱器、電磁加熱器、陶瓷加熱器、石英管加熱器等。

<電漿產生模組8>

本實施例之電漿產生模組8係用以產生電漿，而該電漿係可針對腔室2、成膜材料T2、基材進行加熱，藉以維持腔室2內之潔淨度。電漿產生模組8係可使用在一般成膜裝置所使用之電漿產生模組等。例如，可列舉有射頻產生器(Radio-Frequency Generator)等。

又，當在高真空環境下進行成膜時，因無需另外產生電漿，故可省略電漿產生模組8。

<處理氣體供應模組5>

處理氣體供應模組5係導入處理氣體至腔室2中，並可藉由電漿使處理氣體活性化。處理氣體之種類並無特別限定，可因應需要而適當選擇，例如，可列舉有：氬氣(Ar)、氮氣(N₂)、氧氣(O₂)等。較佳的是使用呈現穩定狀態之惰性氣體。於施加電場的情形下，會使成膜材料T2表面充滿電子，而藉由導入處理氣體，並予以局部加熱，則可使氣體粒子(分子/原子)成為非穩定狀態，進而增加其活性、吸附能力。

<成膜材料T2>和<成膜對象體T1>

成膜材料T2和成膜對象體T1可使用任意材料，例如，金屬材料或非金屬材料等。其中，金屬材料係例如可列舉有：鋁(Al)、銅(Cu)、鎂(Mg)、鋅(Zn)等。又，非金屬材料係例如可列舉有：碳(C)、碳化矽(SiC)、玻璃(SiO2)等。另一方面，成膜對象體T1係可為基材，例如，晶圓、裝置構件等，其可為已有其他金屬薄膜之構件，例如，已有其他金屬薄膜之散熱構件等。其中，上述其他金屬薄膜係指由不同於所欲成膜金屬膜之異質金屬所成膜之金屬薄膜。在本實施例中，成膜材料T2為銅(Cu)，成膜對象體T1則為鋁(Al)；換言之，本實施例乃係欲於鋁材表面形成銅膜。

<氣體回收模組9>

氣體回收模組9主要係用於對腔室2回收該處理氣體，其可為一般之真空泵。不過，本實施例之氣體回收模組9亦充當抽真空模組，亦即對腔室2抽真空以形成負壓，可進一步移除腔室2內部的雜質。

<主控制器7>

本實施例之主控制器7電性連接電場產生模組3、磁場產生模組4、處理氣體供應模組5、加熱模組6、電漿產生模組8、及氣體回收模組9；主控制器7主要用於控制上述構件，以及控制成膜製程之進行。主控制器7可為由電子元件、電路基板、及半導體元件所構成之電子機器。

<其他構件>

成膜裝置中，係可因應需要而追加配置其他構件。例如，電漿混室、自由基反應室。

接下來，針對本發明之成膜方法進行說明。

本發明之成膜方法係包含如下步驟等：抽真空步驟，此係用以使腔室2內成為相對低負壓狀態；電漿清潔步驟，此係以電漿去除腔室2內的多餘靜電、雜質微粒；電場及磁場施加步驟，此係可使電漿產生在成膜材料粒子移動空間Ms，而形成可電離子化區域，並可控制成膜位置；處理氣體導入步驟，此係導入至少一種處理氣體至腔室2中；加熱步驟，加熱該成膜材料粒子移動空間Ms；及成膜步驟，此係使欲成膜材料在基材上成膜。

<抽真空步驟>

在抽真空步驟中，係可使腔室2內之真空狀態成為相對低真空之諸如約10^-2Pa以下的負壓狀態。該抽真空步驟係可使用一般所使用之抽真空機器來進行， 例如，可列舉有：渦輪分子泵等真空泵，而本實施例則直接以氣體回收模組9來抽真空。此外，就本發明之成膜方法而言，可因應需要而省略此抽真空步驟。

<電漿清潔步驟>

電漿清潔步驟係利用電漿產生模組8以電漿去除腔室2內的多餘靜電、雜質微粒，以維持腔室2內之潔淨度。

<電場及磁場施加步驟>

電場及磁場施加步驟係利用電場產生模組3對上部電極31與下部電極32間產生電場，並利用磁場產生模組4之變換磁場產生單元42不斷切換成膜材料T2側的磁場，以形成可電離子化區域，並可控制成膜位置。

<處理氣體導入步驟>

處理氣體導入步驟係利用處理氣體供應模組5導入處理氣體至腔室2中，而處理氣體係為了方便產生電漿而導入。又，該處理氣體之種類係可因應需要而適當選擇，並無特別限定，例如，可為氬氣(Ar)、氮氣(N₂)、氧氣(O₂)等。以選用一般會呈現穩定狀態之惰性氣體為宜。又，較佳的是選用與成膜材料T2和成膜對象體T1間含有相同同位素之氣體，例如，本實施例係採用氬氣(Ar)。

<加熱步驟>

加熱步驟係利用加熱模組6加熱成膜材料粒子移動空間Ms。藉此，可針對所導入之氣體的粒子(分 子或原子)加熱，使成為非穩定狀態，以便於與成膜材料表面的電子結合，而經此電離子化後，因氣體粒子帶電，而可控制成膜材料T2、及成膜對象體T1所各自析出之粒子結合後的移動方向。

<成膜步驟>

成膜步驟係使欲成膜材料在基材上成膜。如上所述，該成膜材料T2係可使用任意材料，例如，金屬材料或非金屬材料等。

本發明之成膜方式係不同於習知之PVD及CVD等真空成膜技術。例如，以金屬成膜為例，一般來說，濺鍍成膜技術係使粒子撞擊靶材，使靶材金屬粒子被撞擊出來後，再往基材上撞擊來進行沉積而成膜。相對於此，本發明之成膜方式並非如此，而是將成膜材料粒子予以電離子化之後，藉由控制磁場來使欲成膜材料粒子在基材上成膜。因此，由本發明之成膜方法所形成之薄膜係可保持在低溫狀態下，無需再行冷卻。

以下，詳細說明本實施例之成膜步驟。首先，當電場建立後，可使處理氣體離子化，而於成膜材料粒子移動空間Ms形成電漿；另外，藉由磁場產生模組4之變換磁場產生單元42不斷切換成膜材料T2側的磁場，以產生磁擾現象。據此，在電漿、電場、磁場的交互作用下，當成膜材料T2為銅、成膜對象體T1為鋁時，可使成膜材料T2及成膜對象體T1分別產生銅粒子和鋁粒子。

又，當電場/磁場產生而施加在成膜材料T2上之後，成膜材料T2表面會充滿電子，但此狀態下電子並不會被游離出來。依此，可藉由導入氣體，並透過加熱模組6針對所導入之氣體進行局部加熱，使氣體粒子(分子或原子)受熱升溫，進而增加其活性，接著，該成膜材料T2表面上的電子會吸附至氣體粒子(分子或原子)上並作一結合之後，而成為帶電狀態。

再者，由於同質性的關係，帶電的處理氣體粒子(原子、分子)會進行結合，結果是產生帶電狀態的成膜材料T2和成膜對象體T1的粒子(原子、分子)。

最後，藉由電場/磁場的作用，使帶電的成膜材料粒子吸附至成膜對象體T1上。

[產業上的可利用性]

關於本案發明之成膜裝置、成膜方法，其係可應用各種用途上，該用途可廣泛運用於：

1.任何同質或異質金屬上各種複數層薄膜之積層構造的形成。

2.可取代任何電鍍製程，無電鍍廢液的排放，阻絕電鍍污染的產生。

3.依據產業的需求，可於金屬上鍍異質材料，以增加熱的傳輸(例如，散熱片)、增加電流的傳輸(例如，鋁電纜鍍銅膜)、增加金屬的抗腐蝕性(例如，鐵上鍍碳化矽)等等。

4.各種材質晶圓上之功能性薄膜的形成。

5.其他任何外觀上之功能性、美觀性的鍍膜。

2‧‧‧腔室

5‧‧‧處理氣體供應模組

6‧‧‧加熱模組

8‧‧‧電漿產生模組

9‧‧‧氣體回收模組

21‧‧‧成膜對象體承載部

22‧‧‧成膜材料承載部

31‧‧‧上部電極

32‧‧‧下部電極

33‧‧‧電壓電源供應單元

41‧‧‧固定磁場產生單元

42‧‧‧變換磁場產生單元

Ms‧‧‧成膜材料粒子移動空間

T1‧‧‧成膜對象體

T2‧‧‧成膜材料

Claims (10)

1. 一種成膜裝置，包括：一腔室，其內部包括一成膜對象體承載部、及一成膜材料承載部，該成膜對象體承載部係用於載置一成膜對象體，該成膜材料承載部係用於載置一成膜材料，該成膜對象體承載部與該成膜材料承載部間構成一成膜材料粒子移動空間；一電場產生模組，其係包括一上部電極、一下部電極、及電壓電源供應單元，該上部電極電性耦接至該成膜對象體，該下部電極電性耦接至該成膜材料，該電壓電源供應單元係供應電源予該上部電極和該下部電極；一磁場產生模組，其設置於該成膜材料承載部下方，該磁場產生模組包括一固定磁場產生單元、及一變換磁場產生單元；該固定磁場產生單元上設有呈環形等距排列之複數第一永久磁石、以及位於該環形中心之一第二永久磁石，該複數第一永久磁石與該第二永久磁石以不同極性方式配置；該變換磁場產生單元設置有複數電磁產生線圈，其分別對應於該複數第一永久磁石與該第二永久磁石；一處理氣體供應模組，其係供應一處理氣體至該腔室中；一加熱模組，其係配置於該腔室內並至少局部地對應於該成膜材料粒子移動空間；以及 一主控制器，其電性連接該電場產生模組、該磁場產生模組、該處理氣體供應模組、及該加熱模組；該主控制器控制該處理氣體供應模組導入該處理氣體至該腔室中，並控制該加熱模組加熱該成膜材料粒子移動空間，並控制該電場產生模組之該上部電極與該下部電極間產生一電場，以及控制該磁場產生模組之該變換磁場產生單元之該複數電磁產生線圈依序輪流供電以產生不斷切換的磁場，進而使該成膜材料、及該成膜對象體各自析出粒子並進行離子交換後結合，再吸附於該成膜對象體之表面。
2. 如請求項1之成膜裝置，其更包括一電漿產生模組，其電性連接至該主控制器，並對該腔室內部產生電漿以去除靜電、雜質微粒。
3. 如請求項1之成膜裝置，其中，該電場產生模組之該電壓電源供應單元係供應電壓範圍為6萬伏特至15萬伏特，該上部電極與該下部電極間之電場強度為5N/C至100N/C。
4. 如請求項1之成膜裝置，其中，該成膜材料表面之磁場強度為2000高斯至20000高斯，該磁場之切換頻率為1~4MHz。
5. 如請求項1之成膜裝置，其中，該加熱模組之加熱溫度為高至約900℃。
6. 如請求項1之成膜裝置，其更包括一氣體回收模組，其電性連接至該主控制器並對該腔室回收該處理氣體。
7. 一種成膜方法，其係利用如請求項1之成膜裝置來進行之方法，其包含如下步驟：電場及磁場施加步驟，利用該電場產生模組對該上部電極與該下部電極間產生電場，並利用該磁場產生模組之該變換磁場產生單元不斷切換該成膜材料側的磁場；處理氣體導入步驟，利用該處理氣體供應模組導入該處理氣體至該腔室中；以及成膜步驟，該成膜材料粒子移動空間產生電離子化，以使由該成膜材料、及該成膜對象體各自產生其帶電粒子並進行離子交換後結合，再吸附於該成膜對象體之表面；其中，該電場產生模組之供應電壓範圍為6~15萬伏特，該電場之強度為5~100N/C，該磁場之強度為2000~20000高斯，該磁場之切換頻率為1~4MHz。
8. 如請求項7之成膜方法，其中，在該電場及磁場施加步驟之前更包括一抽真空步驟，其係使該腔室形成一特定負壓；該特定負壓係指10^-2Pa以下。
9. 如請求項7之成膜方法，其中，於該成膜步驟之前更包括一電漿清潔步驟，其利用一電漿產生模組來對該腔室內部產生電漿以去除靜電、雜質微粒。
10. 如請求項7之成膜方法，其中，於該成膜步驟之前更包括一加熱步驟，其利用一加熱模組加熱該成膜材料粒子移動空間，以控制該成膜材料、及該成膜對象體所各自析出之粒子結合後的移動方向。