TWI655315B - 電漿沉積裝置及薄膜沉積方法 - Google Patents

Abstract

一種電漿沉積裝置以及薄膜沉積方法。電漿沉積裝置包括腔體、至少一電漿源模組、至少一脈衝調變控制器、靶材模組以及基板座。至少一電漿源模組連接至腔體。至少一脈衝調變控制器耦接於至少一電漿源模組。至少一脈衝調變控制器控制至少一電漿源模組，以產生脈衝電漿。靶材模組設置於腔體中。基板座設置於腔體中，且位於靶材模組上方。

Description

電漿沉積裝置及薄膜沉積方法

本發明是有關於一種沉積裝置及薄膜沉積方法，且特別是有關於一種電漿沉積裝置及薄膜沉積方法。

電漿沉積技術利用氣體被離子化所產生的離子撞擊靶材，以使靶材的材料被撞擊出來而沉積於基板，進而形成薄膜。電漿沉積技術在光電領域被廣泛地運用於形成金屬薄膜以及透明導電薄膜。

然而，進行長時間的電漿沉積製程時，會因電漿溫度提高而造成電漿電流值下降。如此一來，隨著電漿沉積製程的時間增加，會產生薄膜沉積速率降低以及薄膜均勻性降低的問題。除此之外，電漿溫度提高亦會造成基板上其他膜層結晶性改變的問題。

本發明提供一種電漿沉積裝置，可避免電漿溫度過高的問題。

本發明提供一種薄膜沉積方法，可在長時間下維持薄膜的形成速率以及均勻性。

本發明實施例的電漿沉積裝置包括腔體、至少一電漿源模組、至少一脈衝調變控制器、靶材模組以及基板座。至少一電漿源模組連接至腔體。至少一脈衝調變控制器耦接於至少一電漿源模組。至少一脈衝調變控制器控制至少一電漿源模組，以產生脈衝電漿。靶材模組設置於腔體中。基板座設置於腔體中，且位於靶材模組上方。

在本發明的一實施例中，至少一電漿源模組可包括氣體供應裝置、陰極放電管以及第一電磁線圈。陰極放電管連接於氣體供應裝置。第一電磁線圈設置於陰極放電管的靠近腔體的一側，且耦接於至少一脈衝調變控制器。

在本發明的一實施例中，電漿沉積裝置更可包括第一磁鐵、第二電磁線圈以及第二磁鐵。第一磁鐵設置於至少一電漿源模組的周圍。第二電磁線圈設置於靶材模組的周圍。第二磁鐵設置於第二電磁線圈的周圍。

在本發明的一實施例中，電漿沉積裝置更可包括第三電磁線圈。第三電磁線圈設置於腔體的內側，且位於腔體的連通於至少一電漿源模組的開口的周圍。

在本發明的一實施例中，至少一電漿源模組可包括多個電漿源模組。至少一脈衝調變控制器可包括多個脈衝調變控制器。多個電漿源模組分別耦接至多個脈衝調變控制器。

本發明實施例的薄膜沉積方法包括下列步驟。以至少一脈衝調變控制器控制至少一電漿源模組，以產生脈衝電漿。使脈衝電漿撞擊靶材。使靶材的材料行進至基板的表面而形成薄膜。

在本發明的一實施例中，薄膜沉積方法更可包括以第一電磁鐵與第二電磁鐵控制脈衝電漿的行進路徑，以使脈衝電漿經轉向後行進至靶材。

在本發明的一實施例中，至少一電漿源模組可包括多個電漿源模組。至少一脈衝調變控制器可包括多個脈衝調變控制器。多個脈衝調變控制器可分別控制多個電漿源模組。

在本發明的一實施例中，脈衝電漿的脈衝寬度範圍可為10 μs至3000 μs。

在本發明的一實施例中，脈衝電漿的脈衝寬度在脈衝電漿的開關週期中所佔的百分比範圍可為1 %至99 %。

在本發明的一實施例中，脈衝電漿的脈衝電壓峰值的絕對值範圍可為400 V至1000 V。

基於上述，本發明實施例的電漿沉積裝置以及薄膜沉積方法藉由脈衝調變控制器控制電漿源模組，以產生脈衝電漿。相較於持續式的電漿，脈衝電漿為間歇式的電漿。如此一來，可避免電漿溫度過高。因此，可避免因電漿溫度過高而造成電漿電流值下降的問題。換言之，可在長時間下維持薄膜的形成速率與薄膜的均勻性。此外，在基板上已形成有其他膜層的情況下，可避免因電漿溫度過高而造成的熱累積效應，故可避免影響基板上已形成的膜層的結晶性。再者，由於可避免電漿溫度過高，故可避免高能量粒子對基板上已形成的膜層造成損壞。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1是依照本發明一實施例的電漿沉積裝置的示意圖。

請參照圖1，本發明實施例的電漿沉積裝置10包括腔體100、至少一電漿源模組110、至少一脈衝調變控制器120、靶材模組150與基板座160。在一實施例中，腔體10可經由開口102而連接至抽真空裝置（未繪示）。如此一來，電漿沉積裝置10在運作時，腔體100內可維持負壓。

電漿源模組110連接至腔體100，且脈衝調變控制器120耦接至電漿源模組110。脈衝調變控制器120控制電漿源模組110，以產生脈衝電漿PL。在一實施例中，電漿沉積裝置10更可包括功率產生器130。脈衝調變控制器120耦接於電漿源模組110與功率產生器130之間。舉例而言，功率產生器130可為直流功率產生器。如此一來，經脈衝調變控制器120控制的電漿源模組110所產生的脈衝電漿PL可為直流脈衝電漿。

圖2是依照本發明一實施例的直流脈衝電漿的電壓對時間圖。

請參照圖1與圖2，在一實施例中，經脈衝調變控制器120控制的電漿源模組110所產生的脈衝電漿PL的脈衝寬度W的範圍可為10 μs至3000 μs。脈衝電漿PL的脈衝寬度W在脈衝電漿PL的開關週期T中所佔的百分比範圍可為1 %至99 %。此外，脈衝電漿PL的脈衝電壓峰值P的絕對值範圍可為400 V至1000 V。

請參照圖1，在一實施例中，電漿源模組110可包括氣體供應裝置112、陰極放電管114以及第一電磁線圈116。陰極放電管114連接於氣體供應裝置112。第一電磁線圈116設置於陰極放電管114的靠近腔體100的一側，且耦接於脈衝調變控制器120。在一實施例中，氣體供應裝置112可為質流控制器（mass flow controller）。氣體供應裝置112可提供氣體至陰極放電管114。在一實施例中，由氣體供應裝置112提供的氣體可包括氬氣、氦氣、氧氣、氮氣或其組合。陰極放電管114可作為陰極，且第一電磁線圈116可作為陽極。脈衝調變控制器120可調控陰極放電管114與第一電磁線圈116之間的電壓，可使其成為如圖2所示的脈衝電壓。此脈衝電壓可將上述氣體離子化，以形成脈衝電漿PL。脈衝電漿PL可在電磁場的作用下行進至腔體100的內部。在一實施例中，第一電磁線圈116可為環形（圖1中示意性地繪示出環形的第一電磁線圈116的剖面形狀），以使脈衝電漿PL可通過環形的第一電磁線圈116而進入腔體100。

靶材模組150設置於腔體100中。舉例而言，電漿源模組110可連接於腔體100的側壁，且靶材模組150可設置於腔體100的底部。在一實施例中，靶材模組150可包括靶材座152以及靶材154。靶材154安裝於靶材座152上。此外，可施加負偏壓於靶材座152上。脈衝電漿PL的行進路徑可經控制，以使脈衝電漿PL行進至靶材模組150。如此一來，脈衝電漿PL可撞擊靶材154。在一實施例中，靶材154的材料可包括銦、鎵、錫或其組合。

在一實施例中，電漿沉積裝置10更可包括第一磁鐵140、第二電磁線圈142與第二磁鐵144。第一磁鐵140可設置於電漿源模組110的周圍。第二電磁線圈142設置於靶材模組150的周圍，且第二磁鐵144設置於第二電磁線圈142的周圍。除此之外，電漿沉積裝置10更可包括第三電磁線圈146。第三電磁線圈146設置於腔體100的內側，且位於腔體100的連通於電漿源模組110的開口104的周圍。在一實施例中，第一磁鐵140、第二電磁線圈142、第二磁鐵144以及第三電磁線圈146皆可為環形結構。圖1中示意性地繪示出環形的第一磁鐵140、環形的第二電磁線圈142、環形的第二磁鐵144以及環形的第三電磁線圈146的剖面形狀。藉由設置第一磁鐵140、第二電磁線圈142、第二磁鐵144以及第三電磁線圈146，可控制脈衝電漿PL的行進路徑。如此一來，可使脈衝電漿PL由開口104進入腔體100之後，經轉向而行進至靶材模組150。

基板座160設置於腔體100中，且位於靶材模組150上方。基板162可設置於基板座160的面對靶材模組150的一側。在一實施例中，電漿沉積裝置10可包括多個基板座160，且多個基板162分別設置於多個基板座160上。多個基板座160可依序被傳送至腔體100中面對靶材模組150的位置。脈衝電漿PL撞擊靶材154，以使靶材154的材料沉積在基板162的表面而形成薄膜。

在一實施例中，電漿沉積裝置10更可包括反應性氣體供應裝置170。反應性氣體供應裝置170連接至腔體100。反應性氣體供應裝置170可提供反應性氣體至靶材154與基板162之間。如此一來，靶材154經撞擊出的材料可與反應性氣體反應，以生成反應產物。接著，反應產物沉積於基板162的表面上以形成薄膜。在一實施例中，反應性氣體可包括氧氣、氮氣、氫氣或其組合。此外，在一實施例中，沉積於基板162上的薄膜的材料可包括氧化銦（In ₂O ₃）、氧化銦錫（indium tin oxide，ITO）、氧化錫（SnO ₂）、氧化鋅（ZnO）、氧化鎘（CdO）、氧化銦鎘（CdIn ₂O ₄）、氧化錫鎘（Cd ₂SnO ₄）、氧化錫鋅（Zn ₂SnO ₄）、摻雜氧化銦的氧化鋅（In ₂O ₃-ZnO）或其組合。

基於上述實施例可知，在電漿沉積裝置10中，以脈衝調變控制器120控制電漿源模組110，可產生脈衝電漿PL。相較於持續式的電漿，脈衝電漿PL為間歇式的電漿。如此一來，可避免電漿溫度過高。因此，可避免因電漿溫度過高而造成電漿電流值下降的問題。換言之，可在長時間下維持薄膜的形成速率與薄膜的均勻性。此外，在基板162上已形成有其他膜層的情況下，可避免因電漿溫度過高而造成的熱累積效應，故可避免影響基板162上已形成的膜層的結晶性。再者，由於可避免電漿溫度過高，故可避免高能量粒子對基板162上已形成的膜層造成損壞。

圖3是依照本發明另一實施例的電漿沉積裝置的示意圖。

請參照圖1與圖3，電漿沉積裝置30相似於電漿沉積裝置10，惟電漿沉積裝置30包括兩組電漿源模組110以及兩個脈衝調變控制器120。兩組脈衝調變控制器120分別耦接至兩組電漿源模組110。如此一來，可藉由兩組脈衝調變控制器120分別控制兩組電漿源模組110，以共同產生脈衝電漿PL1。在一實施例中，兩組電漿源模組110設置於腔體100的相對兩側。如此一來，脈衝電漿PL1的分布可為對稱的形狀，且可提高脈衝電漿PL1撞擊靶材154的撞擊面積。因此，可適用於具有大面積的靶材，且可在基板162的表面上形成更大面積的薄膜。在一實施例中，電漿沉積裝置30更可包括兩個功率產生器130。各個脈衝調變控制器120耦接於各個電漿源模組110與各個功率產生器130之間。然而，所屬領域中具有通常知識者可依據產品需求而調整電漿源模組110、脈衝調變控制器120以及功率產生器130的數量，本發明並不以此為限。

圖4是依照本發明一實施例的薄膜沉積方法的流程圖。

請參照圖1與圖4，本發明實施例的薄膜沉積方法可包括以例如是圖1所示的電漿沉積裝置10進行下列步驟。

進行步驟S410，以脈衝調變控制器120控制電漿源模組110，以產生脈衝電漿PL。具體而言，脈衝調變控制器120可用以調變提供至電漿源模組110的脈衝電壓。此脈衝電壓可使電漿源模組100中的氣體離子化，而形成脈衝電漿PL。

可進行步驟S420，以第一磁鐵140與第二磁鐵144控制脈衝電漿PL的行進路徑。如此一來，可使脈衝電漿PL經轉向後行進至靶材154。在一實施例中，步驟S420更包括以第二電磁線圈144以及第三電磁線圈146輔助控制脈衝電漿PL的行進路徑。

進行步驟S430，使脈衝電漿PL撞擊靶材154。接著，進行步驟S440，使靶材154的材料行進至基板162的表面而形成薄膜。具體而言，脈衝電漿PL會將靶材154的部分材料撞擊出來，且自靶材154撞擊出來的材料可具有動能，且可在電場的作用下行進至基板162的表面而形成薄膜。在一實施例中，可藉由在基板座152施加偏壓，以使脈衝電漿PL撞擊靶材154。請參照圖2，脈衝電漿PL的脈衝寬度W的範圍可為10 μs至3000 μs。脈衝電漿PL的脈衝寬度W在脈衝電漿PL的開關週期T中所佔的百分比範圍可為1 %至99 %。此外，脈衝電漿PL的脈衝電壓峰值P的絕對值範圍可為400 V至1000 V。

在一實施例中，步驟S440更可包括提供反應性氣體至基板162與靶材154之間。在一實施例中，可藉由反應性氣體供應裝置170提供反應性氣體至基板162與靶材154之間。如此一來，靶材154經撞擊出的材料可與反應性氣體反應，以生成反應產物。接著，此反應產物會沉積於基板162的表面上，以形成薄膜。

請參照圖3與圖4，在另一實施例中，步驟S420更可包括以多個脈衝調變控制器120（例如是兩個脈衝調變控制器120）分別控制多個電漿源模組110（例如是兩組電漿源模組110），以共同產生脈衝電漿PL1。

綜上所述，本發明實施例的電漿沉積裝置以及薄膜沉積方法藉由脈衝調變控制器控制電漿源模組，以產生脈衝電漿。相較於持續式的電漿，脈衝電漿為間歇式的電漿。如此一來，可避免電漿溫度過高。因此，可避免因電漿溫度過高而造成電漿電流值下降的問題。換言之，可在長時間下維持薄膜的形成速率與薄膜的均勻性。此外，在基板上已形成有其他膜層的情況下，可避免因電漿溫度過高而造成的熱累積效應，故可避免影響基板上已形成的其他膜層的結晶性。再者，由於可避免電漿溫度過高，故可避免高能量粒子對基板上已形成的其他膜層造成損壞。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

10、30‧‧‧電漿沉積裝置

100‧‧‧腔體

102、104‧‧‧開口

110‧‧‧電漿源模組

112‧‧‧氣體供應裝置

114‧‧‧陰極放電管

116‧‧‧第一電磁線圈

120‧‧‧脈衝調變控制器

130‧‧‧功率產生器

140‧‧‧第一磁鐵

142‧‧‧第二電磁線圈

144‧‧‧第二磁鐵

146‧‧‧第三電磁線圈

150‧‧‧靶材模組

152‧‧‧靶材座

154‧‧‧靶材

160‧‧‧基板座

162‧‧‧基板

170‧‧‧反應性氣體供應裝置

P‧‧‧脈衝電壓峰值

PL、PL1‧‧‧脈衝電漿

S410、S420、S430、S440‧‧‧步驟

T‧‧‧開關週期

W‧‧‧脈衝寬度

圖1是依照本發明一實施例的電漿沉積裝置的示意圖。 圖2是依照本發明一實施例的直流脈衝電漿的電壓對時間圖。 圖3是依照本發明另一實施例的電漿沉積裝置的示意圖。 圖4是依照本發明一實施例的薄膜沉積方法的流程圖。

Claims (11)

1. 一種電漿沉積裝置，包括： 腔體； 至少一電漿源模組，連接至所述腔體； 至少一脈衝調變控制器，耦接於所述至少一電漿源模組，其中所述至少一脈衝調變控制器控制所述至少一電漿源模組，以產生脈衝電漿； 靶材模組，設置於所述腔體中；以及 基板座，設置於所述腔體中，且位於所述靶材模組上方。
2. 如申請專利範圍第1項所述的電漿沉積裝置，其中所述至少一電漿源模組包括： 氣體供應裝置； 陰極放電管，連接於所述氣體供應裝置；以及 第一電磁線圈，設置於所述陰極放電管的靠近所述腔體的一側，且耦接於所述至少一脈衝調變控制器。
3. 如申請專利範圍第1項所述的電漿沉積裝置，更包括： 第一磁鐵，設置於所述至少一電漿源模組的周圍； 第二電磁線圈，設置於所述靶材模組的周圍；以及 第二磁鐵，設置於所述第二電磁線圈的周圍。
4. 如申請專利範圍第1項所述的電漿沉積裝置，更包括第三電磁線圈，設置於所述腔體的內側，且位於所述腔體的連通於所述至少一電漿源模組的開口的周圍。
5. 如申請專利範圍第1項所述的電漿沉積裝置，其中所述至少一電漿源模組包括多個電漿源模組，所述至少一脈衝調變控制器包括多個脈衝調變控制器，所述多個電漿源模組分別耦接至所述多個脈衝調變控制器。
6. 一種薄膜沉積方法，包括： 以至少一脈衝調變控制器控制至少一電漿源模組，以產生脈衝電漿； 使所述脈衝電漿撞擊靶材；以及 使所述靶材的材料行進至基板的表面而形成薄膜。
7. 如申請專利範圍第6項所述的薄膜沉積方法，更包括以第一電磁鐵與第二電磁鐵控制所述脈衝電漿的行進路徑，以使所述脈衝電漿經轉向後行進至所述靶材。
8. 如申請專利範圍第6項所述的薄膜沉積方法，其中所述至少一電漿源模組包括多個電漿源模組，所述至少一脈衝調變控制器包括多個脈衝調變控制器，所述多個脈衝調變控制器分別控制所述多個電漿源模組。
9. 如申請專利範圍第6項所述的薄膜沉積方法，其中所述脈衝電漿的脈衝寬度範圍為10 μs至3000 μs。
10. 如申請專利範圍第6項所述的薄膜沉積方法，其中所述脈衝電漿的脈衝寬度在所述脈衝電漿的開關週期中所佔的百分比範圍為1 %至99 %。
11. 如申請專利範圍第6項所述的薄膜沉積方法，其中所述脈衝電漿的脈衝電壓峰值的絕對值範圍為400 V至1000 V。