TWI639719B - 直流磁控電弧鍍膜裝置及其方法 - Google Patents

Abstract

本發明係揭示一種直流磁控電弧鍍膜裝置及其方法，其可將電弧持續維持於靶材之表面，並持續產生電弧電漿，因此可用於高熔點靶材之沉積，解決使用高熔點靶材時電弧電漿易熄弧問題；此外，其工作氣壓高而使得薄膜表面微粒尺寸下降，使本發明之直流磁控電弧鍍膜裝置及其方法可用於製備奈米等級之薄膜。

Description

直流磁控電弧鍍膜裝置及其方法

本發明係關於一種直流磁控電弧鍍膜裝置，尤其指一種可以將電弧電漿持續維持在靶材表面之裝置，因而適用於高熔點靶材之沉積。

電漿(plasma)係一種含有自由電子、帶電離子及中性粒子之混合氣團，其係物質三態以外的第四狀態，在一般狀態下，電漿呈現電中性。

電漿的來源涵蓋許多形式，包括直流放電(DC discharge)、射頻放電(RF discharge)及微波放電(microwave discharge)，其藉由電子在電場中加速而獲得高位能動能，進而碰撞氣體分子或原子並傳遞能量，並包含一連串放電現象，當放電形式進入輝光放電(glow discharge)時，其放電面積最大、電漿均勻度高且電壓電流值易於控制，大部分製程均於此階段操作；由於電漿中不同成分之間發生持續性的能量轉移現象，並產生具有能量的粒子，使電漿之混合氣團得以引發特殊的物理及化學反應，因此，電漿可廣泛應用於各種領域，包括各種不同材料之薄膜製程及電路蝕刻等。

濺射(sputtering)，亦可稱為濺鍍(sputter deposition)，其係指一固態物質之表面承受高能量離子撞擊，因動能傳遞而使物質解離，進而以原子的形式從物質表面放射出來之現象。濺鍍製程可於較低的溫度環境中進 行，且以濺鍍製備合金及化合物薄膜，其組成份可維持不變，因此廣泛應用於半導體及電路之產業。

近幾年來，薄膜製程對於均勻度的要求隨著元件微型化的趨勢越來越嚴苛，且大面積元件之需求亦日漸成長，於此，電漿結合濺鍍系統之鍍膜技術遂因應而生，其中，又以真空電弧(vacuum arc)電漿源結合濺鍍系統之沉積效果較為突出。真空電弧電漿源與一般電漿源所產生的輝光放電之差異在於，輝光放電之離子源來自於解離氣體，而真空電弧電漿源之離子源則來自於電極本身。利用真空電弧電漿進行鍍膜，其雖具有沉積效率高及靶材解率高的特性，然而，由於電漿於靶材表面形成的弧斑(spot)將產生局部高溫並伴隨著局部氣化的現象，因而產生直徑範圍大約為10^-6~10^-9m之金屬微粒，進一步降低鍍膜之均勻度及光滑性，實為真空電弧電漿源運用於濺鍍薄膜之技術瓶頸。

根據上述習知技術所面臨的問題，本發明遂提出一種直流磁控電弧鍍膜裝置及其方法，其可將電弧電漿持續維持於靶材表面，使其適用於高熔點之靶材，同時其亦減少微粒產生並降低微粒尺寸。

本發明之主要目的，係提供一種直流磁控電弧鍍膜裝置，其包含一第一電弧維持元件並設置於一靶材之周圍，用以限制弧斑的運行範圍，如此可避免弧斑移動至該靶材表面以外的區域，因而造成定點放電產生局部高溫而將裝置局部燒毀，並可避免習知容易熄弧之現象。

本發明之另一目的，係提供一種直流磁控電弧鍍膜裝置，其包含一磁性元件，其於靶材表面形成高梯度磁場，因而提高電弧電漿之移動速率，並減少微粒產生及降低微粒尺寸。

本發明之再一目的，係提供一種直流磁控電弧鍍膜之方法，其係利用上述之裝置進行鍍膜，因電弧電漿可持續維持於靶材表面，使其適用於沉積高熔點靶材於基材上。

本發明之又一目的，係提供一種直流磁控電弧鍍膜之方法，其係利用上述之裝置進行鍍膜，其係於高氣壓之環境中進行鍍膜，藉此降低微粒尺寸。

為了達到上述之目的，本發明揭示了一種直流磁控電弧鍍膜裝置，其係包含一基座、一第一電弧維持元件、一支撐件、一第二電弧維持元件及一引弧模組；其中，該第一電弧維持元件係設置於該基座之一側，且具有一第一通道；該支撐件設置於該第一電弧維持元件之一側；該第二電弧維持元件延伸設置於該支撐件之一側並相對於該第一電弧維持元件設置，該第二電弧維持元件具有一第二通道；該引弧模組係設置於該第一電弧維持元件之一側；其中，係進一步設置一靶材於該第一通道且平行於該第一電弧維持元件之表面，該引弧模組係於該靶材之表面產生電弧。

本發明之一實施例中，其亦揭露該直流磁控電弧鍍膜裝置係進一步設置於一腔體內，且該腔體更包含一抽氣模組以維持該腔體之真空環境。

本發明之一實施例中，其亦揭露該直流磁控電弧鍍膜裝置係進一步包含一磁性元件，其設置於該基座之另一側。

本發明之一實施例中，其亦揭露該直流磁控電弧鍍膜裝置係進一步包含一靶材支撐件，其設置於該第一通道內，並設置一靶材於該靶材支撐件上而平行於該第一電弧維持元件之表面。

本發明之一實施例中，其亦揭露該直流磁控電弧鍍膜裝置係進一步包含一基材，該基材係相對該通道設置於該第二電弧維持元件之一側，且與該第一電弧維持元件不同側。

此外，利用上述之直流磁控電弧鍍膜裝置之鍍膜方法係包含步驟：設置一基材於一腔體中，並將該腔體抽真空；於一靶材表面形成電弧，並透過設置於該靶材周圍之一第一電弧維持元件限制弧斑運行範圍，以持續產生一電弧電漿；及透過該電弧電漿撞擊一靶材以形成複數微粒子，並通過該第二電弧維持元件之一通道而沉積於該基材。

本發明之一實施例中，其亦揭露於設置該基材於該腔體中，並將該腔體抽真空之步驟中，係以一機械迴轉幫浦、一機械增壓幫浦或一渦輪分子幫浦抽真空。

本發明之一實施例中，其亦揭露該靶材係熔點大於1400度之一金屬靶。

本發明之一實施例中，其亦揭露該方法係於工作氣壓低於10^-2托爾(torr)之環境中進行。

10‧‧‧直流磁控電弧鍍膜裝置

100‧‧‧基座

110‧‧‧第一電弧維持元件

112‧‧‧第一通道

120‧‧‧支撐件

130‧‧‧第二電弧維持元件

132‧‧‧第二通道

140‧‧‧引弧模組

142‧‧‧電弧電漿源

144‧‧‧引弧器

146‧‧‧引弧棒

148‧‧‧電弧電漿

150‧‧‧磁性元件

152‧‧‧磁場

160‧‧‧靶材

162‧‧‧靶材支撐件

170‧‧‧腔體

172‧‧‧抽氣模組

180‧‧‧基材

第1A圖：其係本發明之直流磁控電弧鍍膜裝置剖面示意圖；第1B圖：其係本發明之第1A圖之局部放大圖；第2圖：其係本發明之直流磁控電弧鍍膜之方法流程示意圖；第3A圖：其係本發明之磁場示意圖；以及第3B圖：其係本發明之第3A圖之局部放大圖。

為使 貴審查委員對本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後： 本實施案例提供一種直流磁控電弧鍍膜裝置及其方法，其係基於習知技術之瓶頸進行改良，包括製程中容易產生粒徑較大之微粒，以及高熔點靶材之製程中容易產生熄弧的現象。以下，將針對本發明之裝置及其方法進行說明。

首先，請參閱第1A及第1B圖，其係本發明之直流磁控電弧鍍膜裝置剖面示意圖及本發明之第1A圖之局部放大圖。如圖所示，一直流磁控電弧鍍膜裝置10係包含一基座100、一第一電弧維持元件110，其設置於該基座100之一側，且該第一電弧維持元件具有一第一通道112、一支撐件120，其設置於該第一電弧維持元件110之一側、一第二電弧維持元件130，其係延伸設置於該支撐件120之一側並相對於該第一電弧維持元件110設置，該第二電弧維持元件130具有一第二通道132、一引弧模組140，其設置於該第一電弧維持元件110之一側。

承上述之直流磁控電弧鍍膜裝置10，其係進一步包含一磁性元件150，設置於該基座100之另一側、一靶材支撐件162，其設置於該第一通道112、一靶材160，其相對於該第二電弧維持元件130之該通道132設置於該靶材支撐件162之上；該引弧模組140更包含一電弧電漿源142、一引弧器144及一引弧棒146；此外，該基座100可進一步設置於一腔體170之側壁，使該第一電弧維持元件110、該靶材160、該靶材支撐件162、該第二電弧維持元件130、部分該引弧器144及該引弧棒146位於該腔體170內，並進一步透過一抽氣模組172進行抽氣以維持真空環境。

其中，該第一電弧維持元件及該第二維持元件之材料需具備耐高溫及耐腐蝕之特性，本發明之材料係選用不銹鋼，但其材料不在此限。該第二維持元件係用以限制電子之移動範圍於該第一維持元件及該第二維持 元件之間，使電子不易移動至該腔體其他區域，如此，該引弧模組較容易於該靶材表面形成電弧。

又其中，該靶材之邊緣與該第一電弧維持元件之間存在微小的間距，並形成電位浮接，用以限制電弧弧斑之運行範圍，如果此間距太大，當以低工作電流產生電弧，電弧弧斑移動至該靶材之邊緣時，容易進入間距內導致熄弧，此外，當電弧弧斑移動至靶材表面以外之區域，將造成定點放點而產生高溫導致裝置局部燒毀；於此，本發明中，該靶材之邊緣與該第一電弧維持元件之間距係小於1.5毫米(mm)，較佳者，其間距係小於或等於1毫米，如此以維持電弧之穩定性。

又其中，該引弧模組為本領域技術人員所公知，如此不再贅述，本發明係選用直流放電為電弧電漿源，但其電弧電漿源不在此限。

又其中，該磁性元件係於該靶材表面形成平行磁場，以增加電弧移動速度；此外，靶材表面之磁場越強，電弧移動速度越快，並可減少微粒產生且降低微粒尺寸，但靶材邊緣之磁場強度太強則容易使電弧弧斑進入靶材邊緣與第一電弧維持元件之間隙內而導致熄弧；為能提供適當的磁場強度於靶材表面之解離作用區，本發明係於該靶材表面提供高梯度磁場，意即提供相對較高的磁場強度於靶材之解離作用區，而提供相對較低的磁場強度於靶材邊緣，較佳者，靶材表面之解離作用區之平行磁場係大於200高斯，而靶材邊緣之平行磁場係小於60高斯，但其磁場強度不在此限。

透過上述策略減少微粒產生且降低微粒尺寸，除降低該直流磁控電弧鍍膜裝置所沉積之薄膜表面微粒尺寸，亦可進一步將該直流磁控電弧鍍膜裝置應用於奈米等級之薄膜製備上。

承上所述，利用本發明之直流磁控電弧鍍膜裝置所進行的鍍膜製程，其方法說明如後： 請一併參閱第2圖、第3A圖及第3B圖，其係本發明之直流磁控電弧鍍膜之方法流程示意圖、本發明之磁場示意圖及本發明之第3A圖之局部放大圖。如圖所示，本發明之直流磁控電弧鍍膜之方法係包含步驟：步驟S10：設置一基材於一腔體中，並將該腔體抽真空；步驟S12：於一靶材表面形成電弧，並透過設置於該靶材周圍之一第一電弧維持元件限制弧斑運行範圍，以持續產生一電弧電漿；及步驟S14：透過該電弧電漿撞擊一靶材以形成複數微粒子，並通過該第二電弧維持元件之一通道而沉積於該基材。

其中，如步驟S10及第3B圖所示，此鍍膜方法需於真空環境中進行，其係藉由該抽氣模組172進行抽氣，本發明之抽氣模組係選用擴散幫浦、機械迴轉幫浦、機械增壓幫浦或渦輪分子幫浦，但不在此限；此外，該腔體170中氣壓越高，電漿中離子與電子之碰撞頻率即越高，沉積出之薄膜表面微粒尺寸亦越小，據此，本發明係於高氣壓下進行鍍膜，較佳者，其工作氣壓係小於10^-2托爾(torr)，但不在此限。

再其中，如步驟S12、S14及第3B圖所示，其係利用該引弧模組140之該引弧棒146於該靶材160之表面形成電弧，並進一步於該靶材160之表面持續產生該電弧電漿148，且該電弧電漿148以相對於該靶材160表面之法線方向跳動。

承上述，當電流達到閾值時，該電弧電漿148將於該靶材160產生集中放電的區域，稱為弧斑(spot)，並伴隨產生局部高溫，此時熱電子自弧斑發射並撞擊氣體分子而產生解離，解離所生成的氣體離子受到吸引而撞擊該靶材160，因而產生更多的熱電子，如此循環進行以維持放電狀態並持續發生該靶材160之解離反應，該靶材160之解離反應所形成之離子則進一步穿越該第二電弧維持元件130之該第二通道132噴濺至一基材180上；此 外，透過該磁性元件150所產生之該梯度磁場152，可將熱電子維持於該靶材160之表面，避免其從該電弧電漿148中移出，並可增加電弧的移動速度，有效降低微粒產生。

上述之直流磁控電弧鍍膜之方法，其排除習知技術容易熄弧的問題，因而可進一步應用在高熔點靶材之沉積，本發明係選用熔點大於1400度之金屬靶，較佳者，係選自鎢(W)或鉭(Ta)。

綜合上述內容可以得知，本發明所提供之直流磁控電弧鍍膜裝置及其方法，其設置第一電弧維持元件於把材之周圍，藉此限制弧斑運行範圍，解決習知容易熄弧的現象，因而可應用在高熔點靶材之沉積；此外，本發明之直流磁控電弧鍍膜裝置及其方法，其亦利用第一電弧維持元件與靶材之間隙大小、工作電流及靶材表面之梯度磁場相互配合，使製程過程微粒生成頻率降低，且減小金屬微粒之直徑，藉此以降低薄膜表面粗糙度；再者，本發明之直流磁控電弧鍍膜裝置及其方法，係以高氣壓進行鍍膜，其可增加電子與離子的碰撞頻率，因而降低表面微粒尺寸；綜觀而言，本發明不僅突破習知技術之瓶頸，亦提升製程效率及成品品質，實一具市場應用性之新技術。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

Claims (9)

1. 一種直流磁控電弧鍍膜裝置，其係包含：一基座；一第一電弧維持元件，其設置於該基座之一側，該第一電弧維持元件具有一第一通道；一支撐件，其設置於該第一電弧維持元件之一側；一第二電弧維持元件，其係延伸設置於該支撐件之一側並相對於該第一電弧維持元件設置，該第二電弧維持元件具有一第二通道；及一引弧模組，其係設置於該第一電弧維持元件之一側；其中，係進一步設置一靶材於該第一通道且平行於該第一電弧維持元件之表面，該靶材之邊緣與該第一電弧維持元件之間存在一間距，而該靶材之邊緣之一磁場強度低於該靶材之解離作用區之該磁場強度，該引弧模組係於該靶材之表面產生電弧。
2. 如申請專利範圍第1項所述之直流磁控電弧鍍膜裝置，其中該直流磁控電弧鍍膜裝置係進一步設置於一腔體內，且該腔體更包含一抽氣模組以維持該腔體之真空環境。
3. 如申請專利範圍第1項所述之直流磁控電弧鍍膜裝置，進一步包含一磁性元件，其設置於該基座之另一側。
4. 如申請專利範圍第1項所述之直流磁控電弧鍍膜裝置，進一步包含一靶材支撐件，其設置於該第一通道內，並設置該靶材於該靶材支撐件上並平行於該第一電弧維持元件之表面，。
5. 如申請專利範圍第1項所述之直流磁控電弧鍍膜裝置，進一步包含一基材，該基材係相對該通道設置於該第二電弧維持元件之一側，且與該第一電弧維持元件不同側。
6. 一種直流磁控電弧鍍膜之方法，其係包含步驟：設置一基材、一靶材、一第一電弧維持元件及一第二電弧維持元件於一腔體中，並將該腔體抽真空，其中該基材設置於該第一電弧維持元件及該第二電弧維持元件周圍；於該靶材表面形成電弧，並透過設置於該靶材周圍之該第一電弧維持元件限制弧斑運行範圍，以持續產生一電弧電漿；及透過該電弧電漿撞擊該靶材以形成複數微粒子，並通過相對於該第一電弧維持元件之該第二電弧維持元件之一通道而沉積於該基材；其中，該靶材之邊緣與該第一電弧維持元件之間存在一間距，而該靶材之邊緣之一磁場強度低於該靶材之解離作用區之該磁場強度。
7. 如申請專利範圍第6項所述之直流磁控電弧鍍膜之方法，其中於設置該基材於該腔體中，並將該腔體抽真空之步驟中，係以一擴散幫浦、一機械迴轉幫浦、一機械增壓幫浦或一渦輪分子幫浦抽真空。
8. 如申請專利範圍第6項所述之直流磁控電弧鍍膜之方法，其中該靶材係熔點大於1400度之一金屬靶。
9. 如申請專利範圍第6項所述之直流磁控電弧鍍膜之方法，其中於設置該基材於該腔體中，並將該腔體抽真空之步驟中，其工作氣壓低於10-2托爾(torr)之環境中進行。