TWI615505B - 化學氣相沉積裝置 - Google Patents

Abstract

一種化學氣相沉積裝置，透過具有多個穿孔的電磁屏蔽單元配置於彼此相對的上電極板與下電極板之間，當射頻電源以超高頻工作頻率提供上電極板能量時，穿孔可均勻化電磁屏蔽單元與下電極之間的電場，用以達成降低離子轟擊、增加薄膜成膜的均勻性、降低薄膜缺陷以及有效減少成膜過程中殘留的微粒污染物之技術功效。

Description

化學氣相沉積裝置

本發明涉及一種化學氣相沉積裝置，特別是電漿化學氣相沉積裝置。

化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition，CVD）法係使氣體經由化學反應在基板表面成長薄膜之方法。經常使用的化學氣相沉積方法有：大氣壓化學氣相沉積（Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition，APCVD）法、低壓化學氣相沉積（Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD）法及電漿輔助化學氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD）法。

其中，PECVD係廣泛應用於半導體、平面顯示器以及太陽能等產業之成膜技術。PECVD係利用兩電極板以及射頻電源於反應腔體內產生電漿輔助式化學氣相沉積反應，以於基板上產生特定材料之成膜效果。然而，電漿輔助式化學氣相沉積反應過程中，沒有與中性氣體分子碰撞的電子會撞擊到配置於下電極板上的基板，損傷基板上的薄膜，進而降低元件的生產良率。

此外，隨著各產業持續朝大尺寸之生產線規格發展，其所帶來的製程均勻性問題成為重大的議題。對PECVD來說，當基板的尺寸變大時，基板中央及邊緣之製程狀況差異會更為明顯。此成膜均勻性問題於高頻操作之PECVD製程尤其嚴重。

有鑑於此，便有廠商提出利用加大上下電極之大小、調整上電極的形狀以及加設可增強邊角反應狀況之設備等技術，以改善成膜均勻性的問題。然而，上述各種方式依然存在著大幅提高機台成本以及均勻性改善效果有限等問題。

綜上所述，可知先前技術中長期以來一直存在高離子轟擊造成薄膜缺陷以及高頻操作下成膜均勻性之問題，因此實有必要提出改進的技術手段，來解決此一問題。

本發明揭露一種化學氣相沉積裝置。

首先，本發明揭露一種化學氣相沉積裝置，此裝置包含：反應腔體、上電極板、下電極板、射頻電源及電磁屏蔽單元。其中，上電極板配置於反應腔體中，下電極板配置於反應腔體中且與上電極板相對設置，射頻電源連接上電極板，電磁屏蔽單元對應配置於上電極板與下電極板之間且接地。射頻電源的工作頻率大於或等於40.68 兆赫（Mega Hertz，MHz）且小於或等於100MHz。電磁屏蔽單元包含多個穿孔，用以均勻化電磁屏蔽單元與下電極板之間的電場。

本發明所揭露之化學氣相沉積裝置如上，與先前技術的差異在於本發明是具有多個穿孔的電磁屏蔽單元配置於彼此相對的上電極板與下電極板之間，當射頻電源以超高頻工作頻率提供上電極板能量時，穿孔可均勻化電磁屏蔽單元與下電極之間的電場。

透過上述的技術手段，本發明可以達成降低離子轟擊、增加薄膜成膜的均勻性、降低薄膜缺陷以及有效減少成膜過程中殘留的微粒污染物之技術功效。

以下將配合圖式及實施例來詳細說明本發明之實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題並達成技術功效的實現過程能充分理解並據以實施。

請先參閱「第1圖」，「第1圖」為本發明化學氣相沉積裝置一實施例示意圖，化學氣相沉積裝置100包含：反應腔體110、上電極板120、下電極板130、射頻電源140及電磁屏蔽單元150。其中，上電極板120配置於反應腔體110中﹔下電極板130配置於反應腔體110中且與上電極板120相對設置﹔射頻電源140連接上電極板120﹔電磁屏蔽單元150對應配置於上電極板120與下電極板130之間且接地，以將反應腔體110內大部分的電場強度侷限在上電極板120與電磁屏蔽單元150之間。

其中，下電極板130可接地，與電磁屏蔽單元150等電位，在下電極板130與電磁屏蔽單元150之間的氣體分子不受電場作用，係以類似飄落的方式進行成膜製程，但本實施例並非用以限定本發明。

在本實施例中，上電極板120與電磁屏蔽單元150之間的距離L ₁可為15毫米（millimetre，mm），下電極板130與電磁屏蔽單元150之間的距離L ₂可為8mm，電磁屏蔽單元150的厚度可為2mm，上電極板120與下電極板130之間的距離L ₃可為25m， 但本實施例並非用以限定本發明。舉例而言，上電極板120與電磁屏蔽單元150之間的距離L ₁可大於或等於6mm，下電極板130與電磁屏蔽單元150之間的距離L ₂可大於或等於4mm，電磁屏蔽單元150的厚度可大於或等於2mm且小於或等於5mm，上電極板120與下電極板130之間的距離L ₃可介於12 mm至42mm。需注意的是，上電極板120與電磁屏蔽單元150之間的距離L ₁不可小於6 mm，否則會產生高頻電源的弧光放電干擾問題﹔下電極板130與電磁屏蔽單元150之間的距離L ₂不可小於4 mm，否則會產生流體擾流的問題。

在本實施例中，射頻電源140的工作頻率可為40.68兆赫（Mega Hertz，MHz），但本實施例並非用以限定本發明。舉例而言，射頻電源140的工作頻率可大於或等於40.68 MHz且小於或等於100MHz，可依據實際需求進行調整。需注意的是，射頻電源140的工作頻率越高，薄膜成膜的速度越快。

請參閱「第2圖」，「第2圖」為本發明電磁屏蔽單元一實施例示意圖。在本實施例中，電磁屏蔽單元150包含多個穿孔50，用以均勻化電磁屏蔽單元150與下電極板130之間的電場。其中，所述穿孔50可為但不限於陣列排列的圓孔，每一圓孔的直徑可為10mm 且任二圓孔的中心之間的距離可為12mm ，但本實施例並非用以限定本發明。舉例而言，每一圓孔的直徑可介於0.5mm至10mm 且任二圓孔的中心之間的距離可介於6mm至12mm ，可依據實際需求進行調整。

此外，請參閱「第3圖」，「第3圖」為本發明電磁屏蔽單元另一實施例示意圖。所述穿孔50也可為輻射狀排列的圓孔。其中，每一圓孔的直徑可介於0.5mm至10mm 且任二圓孔的中心之間的距離可介於6mm至16mm ，可依據實際需求進行調整。

請參閱「第4圖」，「第4圖」為本發明電磁屏蔽單元又一實施例示意圖。所述穿孔50也可為多個長條狀穿孔。其中，每一長條狀穿孔的長度可為6mm ，寬度可為3mm，且任二長條狀穿孔之間於長度方向的間距可為8mm，於長度方向的間距可為4mm，可依據實際需求進行調整。

上述實施例之電磁屏蔽單元150的穿孔形狀及其排列方式可依據欲進行成膜製程的基板之形狀、尺寸及反應腔體110內部氣流場的分佈而進行調整，以提高鍍膜均勻性之效果。

需注意的是，可依據射頻電源140的工作頻率及其波長、屏蔽效率以及電磁屏蔽後的電場強度（即電磁屏蔽單元150與下電極板130之間的電場強度），推算穿孔50周缘上任二點的直線最大距離。其中，屏蔽效率為SE=20*log(E ₁/E ₂)，單位：分貝（dB），SE為屏蔽效率，E ₁為電磁屏蔽前的電場強度，E ₂為電磁屏蔽後的電場強度。當穿孔50周缘上任二點的直線最大距離係為射頻電源140的工作頻率之半波長時，射頻電源140所產生的射頻波開始以(E ₁/E ₂)倍速率衰減，因此，穿孔50周缘上任二點的直線最大距離需小於射頻電源140的工作頻率之半波長除以(E ₁/E ₂)後的商數。舉例而言，射頻電源140的工作頻率為40.68 MHz，其對應的波長為7.5公尺，預計電磁屏蔽後的電場強度為電磁屏蔽前的電場強度之十分之一（即射頻波以20dB衰減），穿孔50周缘上任二點的直線最大距離需小於37.5公分（即7.5公尺除以2再除以10）。

請參閱「第1圖」與「第2圖」，電磁屏蔽單元150可為但不限於具有穿孔50的金屬平板。為了將電磁屏蔽單元150 配置於彼此相對的上電極板120與下電極板130之間，化學氣相沉積裝置100更可包含承載單元60，承載單元60配置於反應腔體110中，用以承載電磁屏蔽單元150，但本實施例並非用以限定本發明。舉例而言，請參閱「第5圖」與「第6圖」，「第5圖」為本發明化學氣相沉積裝置另一實施例示意圖，「第6圖」為「第5圖」之電磁屏蔽單元一實施例示意圖。電磁屏蔽單元150可為蓋體，配置於下電極板130上，用以使基板40置於蓋體（即電磁屏蔽單元150）與下電極板130之間，藉以遮蓋基板40並圍繞出沉積空間30。由於反應電漿在上電極板120與下電極板130的邊緣處會向外擴散，導致靠近上電極板120與下電極板130的邊緣處之電漿不均勻，進一步導致成膜品質不佳，當電磁屏蔽單元150為蓋體時，可降低上電極板120與下電極板130的邊緣擴散效應。

需注意的是，由於PECVD於成膜過程中需抽走產生的廢氣，因此，為使廢氣順利地被抽氣裝置抽出反應腔體110外，電磁屏蔽單元150更可包含至少一通氣孔52，配置於電磁屏蔽單元150中非用以成膜於沉積表面42的區域（即不影響成膜作業的區域）。其中，通氣孔52周缘上任二點的直線最大距離範圍與穿孔50周缘上任二點的直線最大距離範圍相同。

其中，電磁屏蔽單元150、上電極板120與下電極板130的表面係可為粗糙化表面或具有導電材料的表面，以避免微粒污染物附著於表面，進而影響其使用壽命。

請參閱下列表格： <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> </td><td> V_max(V/m) </td><td> V_min(V/m) </td><td> ΔV (%) </td></tr><tr><td> 傳統化學氣相沉積裝置 (無電磁屏蔽單元) </td><td> 1040 </td><td> 890 </td><td> 7.77 </td></tr><tr><td> 本發明化學氣相沉積裝置 (包含電磁屏蔽單元) </td><td> 760 </td><td> 705 </td><td> 3.75 </td></tr></TBODY></TABLE>

上述表格為傳統與本發明化學氣相沉積裝置於實施電漿輔助式化學氣相沉積反應時下電極的最大電場強度V _max、最小電場強度V _min與電場強度變化率ΔV的數據對照表。其中，∆V=(V _max-V _min)/(V _max+V _min) ，傳統與本發明化學氣相沉積裝置皆使用工作頻率為40.68 MHz的射頻電源。由上述表格可知，本發明化學氣相沉積裝置具有較為均勻的電場分布，使得利用本發明化學氣相沉積裝置於高頻中進行成膜製程作業，基板40上的薄膜均勻性較佳，解決高頻操作下成膜均勻性之問題。

請參閱「第7圖」，「第7圖」為本發明化學氣相沉積裝置又一實施例示意圖。本實施例與「第1圖」之實施例的差異點在於化學氣相沉積裝置100更可包含功率導入單元70，用以連接下電極板130（即下電極板130不接地）。其中，功率導入單元70的工作頻率可介於40千赫（Kilo Hertz，KHz）至2.4吉赫（Giga Hertz ，GHz）之間。當功率導入單元70的頻率小於射頻電源140的工作頻率時（即功率導入單元70的頻率小於40.68MHz），可增強電漿離子轟擊的能力，達到蝕刻效果，並可做為腔體清潔。請參閱「第8圖」，「第8圖」為本發明化學氣相沉積裝置再一實施例示意圖。當功率導入單元70的頻率等於射頻電源140的工作頻率時，可使基板40配置於上電極板120的第一表面122、電磁屏蔽單元150的上表面152、電磁屏蔽單元150的下表面154與下電極板130的第二表面132，以進行多片基板40的半導體沉積製程。

綜上所述，可知本發明與先前技術之間的差異在於透過具有多個穿孔的電磁屏蔽單元對應配置於彼此相對的上電極板與下電極板之間，可減少電漿輔助式化學氣相沉積反應過程中撞擊基板的電子數量，降低離子轟擊與薄膜缺陷，且有效減少成膜過程中殘留的微粒污染物。此外，藉由電磁屏蔽單元的穿孔設計，可改善化學氣相沉積裝置於高頻操作下成膜均勻性之問題。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，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，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

30‧‧‧沉積空間

40‧‧‧基板

42‧‧‧沉積表面

50‧‧‧穿孔

52‧‧‧通氣孔

60‧‧‧承載單元

70‧‧‧功率導入單元

100‧‧‧化學氣相沉積裝置

110‧‧‧反應腔體

120‧‧‧上電極板

122‧‧‧第一表面

130‧‧‧下電極板

132‧‧‧第二表面

140‧‧‧射頻電源

150‧‧‧電磁屏蔽單元

152‧‧‧上表面

154‧‧‧下表面

L₁‧‧‧上電極板與電磁屏蔽單元之間的距離

L₂‧‧‧下電極板與電磁屏蔽單元之間的距離

L₃‧‧‧上電極板與下電極板之間的距離

第1圖為本發明化學氣相沉積裝置一實施例示意圖。 第2圖為本發明電磁屏蔽單元一實施例示意圖。 第3圖為本發明電磁屏蔽單元另一實施例示意圖。 第4圖為本發明電磁屏蔽單元又一實施例示意圖。 第5圖為本發明化學氣相沉積裝置另一實施例示意圖。 第6圖為第5圖之電磁屏蔽單元一實施例示意圖。 第7圖為本發明化學氣相沉積裝置又一實施例示意圖。 第8圖為本發明化學氣相沉積裝置再一實施例示意圖。

50‧‧‧穿孔

52‧‧‧通氣孔

60‧‧‧承載單元

100‧‧‧化學氣相沉積裝置

110‧‧‧反應腔體

120‧‧‧上電極板

130‧‧‧下電極板

140‧‧‧射頻電源

150‧‧‧電磁屏蔽單元

L₁‧‧‧上電極板與電磁屏蔽單元之間的距離

L₂‧‧‧下電極板與電磁屏蔽單元之間的距離

L₃‧‧‧上電極板與下電極板之間的距離

Claims (13)

1. 一種化學氣相沉積裝置，其包含：一反應腔體；一上電極板，配置於該反應腔體中；一下電極板，配置於該反應腔體中且與該上電極板相對設置；一射頻電源，連接該上電極板，其中，該射頻電源的工作頻率大於或等於40.68兆赫(Mega Hertz，MHz)且小於或等於100MHz；以及一電磁屏蔽單元，對應配置於該上電極板與該下電極板之間且接地，該電磁屏蔽單元包含多個穿孔，用以均勻化該電磁屏蔽單元與該下電極板之間的電場；其中，該電磁屏蔽單元、該上電極板與該下電極板的表面係為粗糙化表面或具有導電材料的表面。
2. 根據申請專利範圍第1項之化學氣相沉積裝置，其中該上電極板與該電磁屏蔽單元之間的距離大於或等於6毫米(millimetre，mm)。
3. 根據申請專利範圍第1項之化學氣相沉積裝置，其中該下電極板與該電磁屏蔽單元之間的距離大於或等於4mm。
4. 根據申請專利範圍第1項之化學氣相沉積裝置，其中該上電極板與該下電極板之間的距離介於12mm至42mm。
5. 根據申請專利範圍第1項之化學氣相沉積裝置，其中該化學氣相沉積裝置更包含一功率導入單元，該下電極板連接該功率導入單 元，該功率導入單元的工作頻率介於40千赫(Kilo Hertz，KHz)至2.4吉赫(Giga Hertz，GHz)之間。
6. 根據申請專利範圍第1項之化學氣相沉積裝置，其中該化學氣相沉積裝置更包含一承載單元，配置於該反應腔體中，用以承載該電磁屏蔽單元。
7. 根據申請專利範圍第1項之化學氣相沉積裝置，其中該電磁屏蔽單元為具有該些穿孔的金屬平板。
8. 根據申請專利範圍第1項之化學氣相沉積裝置，其中該電磁屏蔽單元為一蓋體，配置於該下電極板上，用以遮蓋一基板並圍繞出一沉積空間。
9. 根據申請專利範圍第1項之化學氣相沉積裝置，其中該些穿孔為陣列排列的圓孔。
10. 根據申請專利範圍第9項之化學氣相沉積裝置，其中該些圓孔的直徑介於0.5mm至10mm且任二圓孔的中心之間的距離介於6mm至12mm。
11. 根據申請專利範圍第1項之化學氣相沉積裝置，其中該些穿孔為輻射狀排列的圓孔。
12. 根據申請專利範圍第1項之化學氣相沉積裝置，其中該些穿孔為多個長條狀穿孔。
13. 根據申請專利範圍第1項之化學氣相沉積裝置，其中該下電極板接地。