TWI625404B - Deep ultraviolet optical coating device and manufacturing method thereof - Google Patents

Abstract

一種深紫外光學鍍膜裝置及其製造方法，係以一真空中之磁控濺鍍系統來鍍製深紫外氟氧化物光學薄膜，該磁控濺鍍系統係包括一真空腔體、一封閉式電漿系統、一薄膜反應濺鍍系統、及一高功率脈衝電漿源所構成。本發明所使用之封閉式電漿系統可增加鍍膜速率及薄膜與反應氣體之化合能力，也可維持電漿之穩定性，而此薄膜反應濺鍍系統運用室溫大氣下穩定之含氟氣體混合氧氣作為反應工作氣體，使解離出之氟離子或氟原子與金屬靶材作反應濺鍍，製程中所使用之高功率脈衝電漿源可確保薄膜堆積密度高，使鍍出之氟氧化物薄膜吸收損耗小且折射率高。

Description

深紫外光學鍍膜裝置及其製造方法

本發明係有關於一種深紫外光學鍍膜裝置及其製造方法，尤指涉及一種利用高純度且便宜之金屬作為靶材，以安定之含氟氣體混合氧氣作為反應工作氣體，特別係指設計封閉式電漿系統結合高功率脈衝電漿源來製作高品質氧化物摻氟薄膜，可提高製程穩定性、鍍率、反應性及薄膜緻密性，形成前所未有氟化化物薄膜製程之搭配組合者。

深紫外光鍍膜不論在奈米科技與微影技術皆扮演重要角色，其中氟化物具有較寬之能帶，紫外光可直接通過而不被吸收，因此係非常重要之光學材料，傳統上氟化物之鍍法可分為熱蒸鍍與濺鍍，且這兩種鍍膜方法之起始材料通常係昂貴之氟化物，熱蒸鍍所鍍出之膜有較小之光學吸收，但由於蒸鍍堆積密度低，因此對於環境影響明顯較差且機械性質普遍不好，若製程改以濺鍍，雖成膜能量較高，可以增加堆積密度，但對於深紫外光區之吸收卻大幅度增加，有些研究表示在製程中添加氟氣可有效的改善膜質之吸收，但由於深具危險因此不予推崇，除此之外若以金屬為靶材進行反應濺鍍時，通入反應性氣體會毒化靶材造成電漿不穩、鍍率變慢，或反應不完全造成薄膜吸收等缺點（如美國專利第2009173622、8,540,786號與中華民國專利第201315830號）。故，ㄧ般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。

本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種利用高純度且便宜之金屬作為靶材，以安定之含氟氣體混合氧氣作為反應工作氣體，來製作高品質氧化物摻氟薄膜，並設計封閉式電漿系統結合高功率脈衝電漿源以提高製程穩定性、鍍率、反應性及薄膜緻密性，形成前所未有氟化鋁薄膜製程之搭配組合者。 為達以上之目的，本發明係一種深紫外光學鍍膜裝置及其製造方法，其包含一磁控濺鍍系統，該磁控濺鍍系統包括：一真空腔體，其內設置有一基材固定座（substrate holder），該基材固定座上設置有一基材；一封閉式電漿系統，係包含至少兩組以上設置於該真空腔體內之濺鍍槍，該些濺鍍槍分別裝設有高純度之金屬靶材（target），該些金屬靶材分別對應該基材，其中，每一金屬靶材表面設有數個以不平行磁極排列之磁性元件以形成非平衡磁控濺鍍槍；一薄膜反應濺鍍系統，係運用室溫大氣下穩定之氬氣、含氟氣體及氧氣為工作氣體，使解離出之氟離子或氟原子與金屬靶材作反應濺鍍，以在該基材上生成一氟氧化物薄膜；以及一高功率脈衝電漿源，其與該真空腔體連接，係包含一脈衝控制器，用以提供高功率密度脈衝電源於該金屬靶材，以對沉積中之氟氧化物薄膜進行離子轟擊，使鍍出之氟氧化物薄膜吸收損耗小且折射率高。 於本發明上述實施例中，該磁性元件之磁力線係向外延伸至該基材之封閉曲線。 於本發明上述實施例中，該高功率脈衝電漿源係用一直流電源（DC power）或一射頻（Radio Frequency, RF）與一高功率脈衝磁控濺鍍源（High Power Impulse Magnetron Sputtering, HIPIMS）搭配組合，以提供電流至該金屬靶材。 於本發明上述實施例中，該高功率脈衝電漿源係經由該脈衝控制器調整鍍膜參數，包含調控脈衝電源之中斷時間（off time）佔工作週率（duty cycle）範圍為低於10%及脈衝頻率範圍為低於10 kHz。 於本發明上述實施例中，該金屬靶材係為高純度鋁金屬。 於本發明上述實施例中，該含氟氣體係為四氟化碳（CF₄ ）。 於本發明上述實施例中，該工作氣體中混合之氧氣係可增加氟之解離，並可與該含氟氣體中其它非氟原子產生反應，以生成氧化物氣體排出該真空腔體。 於本發明上述實施例中，該基材背面係設置有一加熱源，該加熱源係設置於該真空腔體內，從該基材背面提供加熱並控制其在所需溫度範圍。 於本發明上述實施例中，該加熱源係為鹵素燈管或電阻式加熱器。 於本發明上述實施例中，該薄膜反應濺鍍系統係包括設有一真空幫浦，其與該真空腔體內部連通，用以將該真空腔體中氣體全部抽取至真空狀態。 於本發明上述實施例中，該薄膜反應濺鍍系統係包括設有一氣體供應源，其與該真空腔體內部連通，用以提供該工作氣體進入該真空腔體。

請參閱『第１圖～第３圖』所示，係分別為本發明之非平衡磁力線示意圖、本發明之薄膜反應濺鍍示意圖、及本發明之整體裝置示意圖。如圖所示：本發明係一種深紫外光學鍍膜裝置及其製造方法，該深紫外光學鍍膜裝置包含一磁控濺鍍系統，用以鍍製深紫外氟氧化物光學薄膜，該磁控濺鍍系統包括一真空腔體１、一封閉式電漿系統２、一薄膜反應濺鍍系統３、以及一高功率脈衝電漿源４所構成。 上述所提之真空腔體１內設置有一基材固定座（substrate holder）１１，該基材固定座１１上設置有一基材５，該基材５背面更設置有一加熱源１２，該加熱源１２係設置於該真空腔體１內，從該基材５背面提供加熱並控制其在所需溫度範圍，其中，該加熱源１２係為鹵素燈管或電阻式加熱器。 該封閉式電漿系統２包含至少兩組以上設置於該真空腔體１內之濺鍍槍２１，該些濺鍍槍２１分別裝設有高純度之金屬靶材（target）２２，該些金屬靶材２２分別對應該基材５，其中，每一金屬靶材２２表面設有數個以不平行磁極排列之磁性元件２３以形成非平衡磁控濺鍍槍。 該薄膜反應濺鍍系統３係包括設有一真空幫浦３１及一氣體供應源３２，且該真空幫浦３１及該氣體供應源３２係與該真空腔體１內部連通，其中該真空幫浦３１係用以將該真空腔體１中氣體全部抽取至真空狀態，而該氣體供應源３２係用以提供一工作氣體進入該真空腔體１。 該高功率脈衝電漿源４係與該真空腔體１連接，係包含一脈衝控制器４１，並使用一直流電源（DC power）４２或一射頻（Radio Frequency, RF）４３與一高功率脈衝磁控濺鍍源（High Power Impulse Magnetron Sputtering, HIPIMS）４４搭配組合作為濺鍍電源，以提供電流至該金屬靶材２２。如是，藉由上述揭露之結構構成一全新之深紫外光學鍍膜裝置。 上述磁控濺鍍系統更包括一質量監控器６連接於該真空腔體１內，靠近被濺鍍之基材５。該質量監控器６如一石英晶體微量天平（Quartz Crystal Microbalance, QCM）可被用於測量基材上濺鍍薄膜之品質。 上述封閉式電漿系統２如第１圖所示，每一濺鍍槍２１之磁性元件２３（例如磁鐵）皆為非平衡系統，其磁力線可向外延伸，經適當濺鍍槍組合，其磁力線會是向外延伸至該基材之一封閉曲線，可藉此增加鍍膜速率及薄膜反應能力，也可維持電漿之穩定性。 上述薄膜反應濺鍍系統３如第２圖所示，本發明係使用較廉價之高純度鋁金屬作為起始材料，有別於傳統用昂貴之化合物為起始鍍料，再以在大氣中安定之氬氣（Ar）３２３、含氟氣體，如四氟化碳（CF₄ ），並混合氧氣（O₂ ）作為工作氣體，以濺鍍之方式製作氟化鋁薄膜，藉由CF₄ 在電漿中解離出氟離子或氟激發態原子３２１與鋁原子５２作反應濺鍍，以在該基材５上生成一氟化鋁薄膜（AlO_x F_y ）５１，此機制相比通入在大氣中具高活性之氟氣相對安全許多。其中，在鍍膜時加入之氧氣，其氧原子３２２可幫助CF₄ 氣體解離出更多之氟離子或氟激發態原子３２１，以增加鋁原子５２之氟化，同時亦可與CF₄ 中之碳原子（C）生成二氧化碳（CO₂ ）排出該真空腔體１，進而減少碳對薄膜及鋁金屬靶材２２之污染，因此充氧不僅可以降低薄膜吸收亦可以增加濺鍍速率，如此所獲得之氟化鋁薄膜５１，不僅保有濺鍍製程之堆積緻密之優點，且其吸收損耗非常小足以媲美蒸鍍製程。 上述高功率脈衝電漿源４如第３圖所示，此於原本之直流濺鍍系統之直流電源４２上加裝脈衝控制器４１，在數百微秒內提供高功率密度脈衝電源（幾kW/cm² ）於該鋁金屬靶材２２，該基材５上產生之離子電流密度可高出直流磁控濺鍍（direct current magnetron sputtering, dcMS）兩個數量級，藉由該脈衝控制器４１調整鍍膜參數，包含調控脈衝電源之中斷時間（off time），於低工作週率（duty cycle）運作（＜10%）及低脈衝頻率（＜10 kHz）使平均功率密度遠低於峰值功率密度，近似於一般dcMS（~W/cm² ），而電漿密度則提昇至10¹⁸ /m³ 以上，相較dcMS之電漿密度（10¹⁴ ～10¹⁶ /m³ ）約高出100～10000倍左右，其鋁金屬靶材２２之游離率更高達70%以上。藉由此高功率密度脈衝電源對沉積中之氟化鋁薄膜５１進行離子轟擊，使鍍出之氟化鋁薄膜５１吸收損耗小且折射率高，除了可降低基材５之溫度外，也可提高薄膜緻密度與附著力。因此，本發明整合此封閉式電漿系統、薄膜反應濺鍍系統、及高功率脈衝電漿源三種技術，來鍍製深紫外氟氧化物光學薄膜，係非常適合應用於高品質之光學鍍膜。 藉此，本發明係利用高純度且便宜之金屬作為靶材，以安定之含氟氣體混合氧氣作為反應工作氣體，來製作高品質氧化物摻氟薄膜，並設計封閉式電漿系統結合高功率脈衝電漿源以提高製程穩定性、鍍率、反應性及薄膜緻密性，形成前所未有氟化鋁薄膜製程之搭配組合，相較於傳統製程係為一大突破。 綜上所述，本發明係一種深紫外光學鍍膜裝置及其製造方法，可有效改善習用之種種缺點，所使用之封閉式電漿系統可增加鍍膜速率及薄膜與反應氣體之化合能力，也可維持電漿之穩定性，而此薄膜反應濺鍍系統運用室溫大氣下穩定之含氟氣體混合氧氣作為反應工作氣體，使解離出之氟離子或氟原子與金屬靶材作反應濺鍍，製程中所使用之高功率脈衝電漿源可確保薄膜堆積密度高，使鍍出之氟氧化物薄膜吸收損耗小且折射率高，進而使本發明之産生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。 惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

１‧‧‧真空腔體
１１‧‧‧基材固定座
１２‧‧‧加熱源
２‧‧‧封閉式電漿系統
２１‧‧‧濺鍍槍
２２‧‧‧金屬靶材
２３‧‧‧磁性元件
３‧‧‧薄膜反應濺鍍系統
３１‧‧‧真空幫浦
３２‧‧‧氣體供應源
３２１‧‧‧氟離子或氟激發態原子
３２２‧‧‧氧原子
３２３‧‧‧氬氣
４‧‧‧高功率脈衝電漿源
４１‧‧‧脈衝控制器
４２‧‧‧直流電源
４３‧‧‧射頻
４４‧‧‧高功率脈衝磁控濺鍍源
５‧‧‧基材
５１‧‧‧氟化鋁薄膜
５２‧‧‧鋁原子
６‧‧‧質量監控器

第１圖，係本發明之非平衡磁力線示意圖。 第２圖，係本發明之薄膜反應濺鍍示意圖。 第３圖，係本發明之整體裝置示意圖。

Claims (10)

1. 一種深紫外光學鍍膜裝置，其包含一磁控濺鍍系統，該磁控濺鍍系統包括：一真空腔體，其內設置有一基材固定座(substrate holder)，該基材固定座上設置有一基材；一封閉式電漿系統，係包含至少兩組以上設置於該真空腔體內之濺鍍槍，該些濺鍍槍分別裝設有高純度之金屬靶材(target)，該些金屬靶材分別對應該基材，其中，每一金屬靶材表面設有數個以不平行磁極排列之磁性元件以形成非平衡磁控濺鍍槍；一薄膜反應濺鍍系統，係運用室溫大氣下穩定之氬氣、含氟氣體及氧氣為工作氣體，使解離出之氟離子或氟原子與金屬靶材作反應濺鍍，以在該基材上生成一氟氧化物薄膜；以及一高功率脈衝電漿源，其與該真空腔體連接，係包含一脈衝控制器，用以在數百微秒內提供高功率密度脈衝電源於該金屬靶材，該基材上產生之離子電流密度可高出直流磁控濺鍍(direct current magnetron sputtering,dcMS)兩個數量級，以對沉積中之氟氧化物薄膜進行離子轟擊，可確保薄膜堆積密度高，使鍍出之氟氧化物薄膜吸收損耗小且折射率高，其中該高功率脈衝電漿源係經由該脈衝控制器調整鍍膜參數，包含調控脈衝電源之中斷時間(off time)於工作週率(duty cycle)範圍低於10%及脈衝頻率範圍低於10kHz。
2. 依申請專利範圍第1項所述之深紫外光學鍍膜裝置，其中，該磁性元件之磁力線係向外延伸至該基材之封閉曲線。
3. 依申請專利範圍第1項所述之深紫外光學鍍膜裝置，其中，該高 功率脈衝電漿源係用一直流電源(DC power)或一射頻(Radio Frequency,RF)與一高功率脈衝磁控濺鍍源(High Power Impulse Magnetron Sputtering,HIPIMS)搭配組合，以提供電流至該金屬靶材。
4. 依申請專利範圍第1項所述之深紫外光學鍍膜裝置，其中，該金屬靶材係為高純度鋁金屬。
5. 依申請專利範圍第1項所述之深紫外光學鍍膜裝置，其中，該含氟氣體係為四氟化碳(CF₄)。
6. 依申請專利範圍第1項所述之深紫外光學鍍膜裝置，其中，該工作氣體中混合之氧氣係可增加氟之解離，並可與該含氟氣體中其它非氟原子產生反應，以生成氧化物氣體排出該真空腔體。
7. 依申請專利範圍第1項所述之深紫外光學鍍膜裝置，其中，該基材背面係設置有一加熱源，該加熱源係設置於該真空腔體內，從該基材背面提供加熱並控制其在所需溫度範圍。
8. 依申請專利範圍第7項所述之深紫外光學鍍膜裝置，其中，該加熱源係為鹵素燈管或電阻式加熱器。
9. 依申請專利範圍第1項所述之深紫外光學鍍膜裝置，其中，該薄膜反應濺鍍系統係包括設有一真空幫浦，其與該真空腔體內部連通，用以將該真空腔體中氣體全部抽取至真空狀態。
10. 依申請專利範圍第1項所述之深紫外光學鍍膜裝置，其中，該薄膜反應濺鍍系統係包括設有一氣體供應源，其與該真空腔體內部連通，用以提供該工作氣體進入該真空腔體。