TWI766707B

TWI766707B - 可調整磁場分布的薄膜沉積設備及其磁場調整裝置

Info

Publication number: TWI766707B
Application number: TW110119557A
Authority: TW
Inventors: 林俊成
Original assignee: 天虹科技股份有限公司
Priority date: 2021-05-28
Filing date: 2021-05-28
Publication date: 2022-06-01
Also published as: TW202246574A

Abstract

本發明提供一種可調整磁場分布的薄膜沉積設備，包括一反應腔體、一承載盤、一靶材、一磁力裝置、一固定單元及至少一遮蔽單元。承載盤及靶材位於反應腔體的容置空間內，其中承載盤用以承載至少一基板，且靶材的一表面面對承載盤及基板。磁力裝置位於靶材的另一表面，並經由靶材在反應腔體的容置空間內形成磁場。固定單元設置在磁力裝置與靶材之間，並包括至少一設置空間。遮蔽單元設置在固定單元的設置空間，其中遮蔽單元為導電材質，並用以遮蔽磁力裝置產生的部分磁力，以調整容置空間內的磁場分布。

Description

可調整磁場分布的薄膜沉積設備及其磁場調整裝置

本發明有關於一種可調整磁場分布的薄膜沉積設備，可微調容置空間內的磁場分布，並可有效提高沉積在基板表面的薄膜厚度的均勻度。

化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)及原子層沉積(ALD)皆是常用的薄膜沉積設備，並普遍被使用在積體電路、發光二極體及顯示器等製程中。

沉積設備主要包括一腔體及一基板承載盤，其中基板承載盤位於腔體內，並用以承載至少一基板。以物理氣相沉積為例，腔體內需要設置一靶材，其中靶材面對基板承載盤上的基板。在進行物理氣相沉積時，可將惰性氣體及/或反應氣體輸送至腔體內，分別對靶材及基板承載盤施加偏壓。

腔體內的惰性氣體因為高壓電場的作用，形成離子化的惰性氣體，離子化的惰性氣體會受到靶材上的偏壓吸引而轟擊靶材。從靶材濺出的靶材原子或分子受到基板承載盤上的偏壓吸引，並沉積在基板的表面，以在基板的表面形成薄膜。

一般而言，靶材的上方通常會設置複數個磁鐵，其中磁鐵可相對於靶材轉動，並在靶材的下方形成磁場。靶材下方的帶電粒子會受到磁鐵的磁場作用，以螺旋的方式位移。如此可大幅提高與氣體原子碰撞的機率，進而提高濺射率、薄膜沉積的效率及均勻度。

在進行薄膜沉積製程時，如何提高基板上薄膜厚度的均勻度一直是各製程廠努力的目標。本發明提出一種可調整磁場分布的薄膜沉積設備，主要在磁力裝置及靶材之間設置至少一固定單元，其中固定單元包括至少一設置空間。至少一遮蔽單元設置在固定單元的設置空間內，並位於部分的磁力裝置及部分的靶材之間，以調整容置空間內的磁場分布。

本發明的一目的，在於提供一種可調整磁場分布的薄膜沉積設備，主要包括一反應腔體、一承載盤、一靶材、一磁力裝置、一固定單元及至少一遮蔽單元。靶材及承載盤位於反應腔體的容置空間內，其中靶材的一表面面對承載盤及其承載的基板。磁力裝置設置在靶材的另一表面，並經由靶材在容置空間內形成磁場。固定單元設置在磁力裝置及靶材之間，並可將至少一遮蔽單元設置在固定單元的設置空間內。遮蔽單元用以遮擋磁力裝置產生的部分磁場，以在反應腔體的容置空間形成均勻的磁場，並有利於在基板的表面形成厚度均勻的薄膜。

固定單元由不具導電特性的材質所製成，因此不會遮蔽磁力裝置產生的磁場。在實際應用時固定單元可以設置在靶材的表面，或者是固定在靶材上方的腔體，而不直接接觸靶材。透過固定單元的設置將有利於使用者裝設或拆卸遮蔽單元，或者是調整遮蔽單元遮蔽的磁場區域，有利於提高使用時的便利性。

本發明的一目的，在於提供一種可調整磁場分布的薄膜沉積設備及磁場調整裝置，主要包括一反應腔體、一承載盤、一靶材、一背板、一磁力裝置、一固定單元及至少一遮蔽單元。背板連接反應腔體，並在兩者之間形成一容置空間。承載盤及靶材位於容置空間內，其中靶材設置在背板的一表面，磁力裝置位於背板的另一表面。固定單元位於磁力裝置與背板之間，其中遮蔽單元設置在固定單元的設置空間內，並用以遮蔽磁力裝置產生的部分磁場，以調整磁力裝置在容置空間內形成的磁場分布。

為了達到上述的目的，本發明提出一種可調整磁場分布的薄膜沉積設備，包括：一反應腔體，包括一容置空間；一承載盤，位於容置空間內，並用以承載至少一基板；一靶材，連接反應腔體的容置空間內，並包括一第一表面及一第二表面，其中第一表面及第二表面為靶材上相對的兩個表面，且靶材的第一表面面對承載盤；一磁力裝置，位於靶材的第二表面的方向；一固定單元，位於磁力裝置與靶材之間，並包括至少一設置空間；及至少一遮蔽單元，設置在固定單元的設置空間內，使得遮蔽單元位於部分磁力裝置及部分靶材之間，並遮蔽磁力裝置產生的部分磁場，其中遮蔽單元包括一導電材質。

本發明提供一種磁場調整裝置，適用於一薄膜沉積設備的，包括：一靶材，包括一第一表面及一第二表面，其中第一表面及第二表面為靶材上相對的兩個表面；一磁力裝置，位於靶材的第二表面的方向；一固定單元，位於磁力裝置與靶材之間，並包括至少一設置空間；及至少一遮蔽單元，用以設置在固定單元的設置空間內，使得遮蔽單元位於部分磁力裝置及部分靶材之間，並遮蔽部分的靶材及部分的磁力裝置，其中遮蔽單元包括一導電材質。

所述的可調整磁場分布的薄膜沉積設備及磁場調整裝置，包括一背板包括一第一表面及一第二表面，背板的第一表面連接靶材的第二表面，而固定單元則設置在背板的第二表面上。

所述的可調整磁場分布的薄膜沉積設備及磁場調整裝置，其中遮蔽單元包括複數個凹槽或複數個穿孔。

所述的可調整磁場分布的薄膜沉積設備及磁場調整裝置，其中固定單元由一絕緣材質所製成。

所述的可調整磁場分布的薄膜沉積設備及磁場調整裝置，其中固定單元為一固定支架，並包括複數個鏤空部。

10:可調整磁場分布的薄膜沉積設備

100:磁場調整裝置

11:反應腔體

111:擋件

112:開口

113:背板

1131:第一表面

1133:第二表面

115:進出料口

12:容置空間

121:反應空間

13:承載盤

131:基板

133:第一基板

135:第二基板

15:靶材

151:第一表面

153:第二表面

16:固定單元

161:鏤空部

162:設置空間

17:磁力裝置

171:轉軸

18:連接腔體

19:遮蔽單元

190:本體部

192:穿孔

194:凹槽

[圖1]為本發明可調整磁場分布的薄膜沉積設備一實施例的立體剖面示意圖。

[圖2]為本發明可調整磁場分布的薄膜沉積設備一實施例的側面剖面示意圖。

[圖3]為本發明磁場調整裝置一實施例的俯視圖。

[圖4]為本發明磁場調整裝置的靶材及遮蔽單元一實施例的俯視圖。

[圖5]為本發明磁場調整裝置的靶材及遮蔽單元又一實施例的俯視圖。

[圖6]為本發明磁場調整裝置的靶材、遮蔽單元及固定單元一實施例的剖面示意圖。

[圖7]為本發明磁場調整裝置的靶材、遮蔽單元及固定單元又一實施例的剖面示意圖。

[圖8]為本發明可調整磁場分布的薄膜沉積設備的沉積方法一實施例的步驟流程圖。

[圖9]為先前技術的薄膜沉積設備沉積在基板表面的薄膜厚度的分布圖。

[圖10]為本發明可調整磁場分布的薄膜沉積設備沉積在基板表面的薄膜厚度的分布圖。

[圖11]為本發明的可調整磁場分布的薄膜沉積設備對不同基板分批進行沉積的薄膜均勻度及薄膜電阻的曲線圖。

請參閱圖1及圖2，分別為本發明可調整磁場分布的薄膜沉積設備一實施例的立體剖面示意圖、側面剖面示意圖及磁場調整裝置一實施例的俯視圖。如圖所示，可調整磁場分布的薄膜沉積設備10主要包括一反應腔體11、一承載盤13、一靶材15、一磁力裝置17、至少一固定單元16及一遮蔽單元19，其中靶材15、固定單元16、磁力裝置17及遮蔽單元19被定義為一磁場調整裝置100，如圖3所示。

反應腔體11內具有一容置空間12，用以容置承載盤13及靶材15。承載盤13用以承載至少一基板131，而靶材15則面對承載盤13及其承載的基板131。具體而言，反應腔體11可設置一設置開口，例如設置開口位於反應腔體11的上方，其中容置空間12經由設置開口連接外部。靶材15可設置或覆蓋在反應腔體11的設置開口上，並連接反應腔體11的容置空間12，使得靶材15及反應腔體11構成封閉的容置空間12。

承載盤13可相對於靶材15位移，並改變承載盤13及靶材15之間的距離。具體而言，承載盤13可以朝遠離靶材15的方向位移，並透過一機械手臂將基板131輸送至反應腔體11內並放置在承載盤13上，或者是透過機械手機將承載盤13上的基板131輸送至反應腔體11的外部。承載盤13可帶動承載的基板131朝靶材15的方向靠近，以減少承載盤13承載的基板131與靶材15之間的距離，並對基板131進行薄膜沉積。

在本發明實施例中，可調整磁場分布的薄膜沉積設備10可以是物理氣相沉積腔體(PVD)，在沉積時對容置空間12施加電場，使得容置空間12內的中性氣體原子受到電子撞擊而形成帶電的氣體離子。在靶材15及承載盤13上施加偏壓，使得氣體離子撞擊靶材15，並產生微量的靶材粒子。被撞擊產生的靶材粒子會受到承載盤13上偏壓的吸引並沉積在基板131表面，以在基板131的表面上形成薄膜。

靶材15包括一第一表面151及一第二表面153，其中第一表面151及第二表面153為靶材15上相對的兩個表面，第一表面151面對承載盤13及/或基板131，例如靶材15的外觀近似圓盤狀，第一表面151為靶材15的下表面，而第二表面153則為靶材15的上表面。為了提高電漿氣體原子離子化的機率，可在靶材15的第二表面153上設置磁力裝置17，其中磁力裝置17會在靶材15的第一表面151側的容置空間12形成磁場，使得容置空間12內的帶電粒子以螺旋方式位移，增加帶電粒子的移動路徑及撞擊中性氣體原子的機率。此外磁力裝置17可連接一轉軸171，並透過轉軸171驅動磁力裝置17相對於靶材15轉動，以提高沉積在基板131表面的薄膜的均勻度。

透過磁力裝置17的設置雖然可以提高電漿氣體原子離子化的機率，進而提高其濺射率及控制沈積薄膜的均勻度。但磁力裝置17通常是由複數個磁鐵組合而成，只能透過磁鐵的排列方式或位置調整磁場的分布，進而改變基板131表面沉積的薄膜的均勻度。因此上述調整磁場分布的方式有極大的限制，不能對磁力裝置17產生的磁場進行微調，導致無法有效提高沉積在基板131表面的薄膜厚度的均勻度。

為此本發明提出一種可調整磁場分布的薄膜沉積設備10，主要於靶材15的第二表面153側設置至少一固定單元16，其中固定單元16位於磁力裝置17與靶材15之間，並具有至少一設置空間162。具體而言，固定單元16由絕緣材質所製成，不會遮擋磁力裝置17產生的磁力。固定單元16可直接設置在靶材15的第二表面153，並於固定單元16與靶材15的第二表面153之間形成設置空間162。

部分的磁力裝置17與部分的靶材15之間設置至少一遮蔽單元19，其中遮蔽單元19由導電材質所製成。具體而言，可將遮蔽單元19設置在固定單元16的設置空間162內，並透過遮蔽單元19遮擋磁力裝置17產生的部分磁場或磁力。

透過遮蔽單元19的設置，可遮擋磁力裝置17部分區域的磁力，以減小磁力裝置17在靶材15的第一表面151側及/或容置空間12部分區域的磁場大小，並微調磁力裝置17在容置空間12內形成的磁場分布。

透過固定單元16的設置，有利於使用者將至少一遮蔽單元19設置在部分的靶材15與部分的磁力裝置17之間，並以遮蔽單元19遮蔽磁力裝置17產生的部分磁場。此外亦方便使用者將遮蔽單元19由設置空間162內取出，或者是調整遮蔽單元19在設置空間162的位置，以改變遮蔽單元19所遮蔽的磁場區域，並快速地調整容置空間12內的磁場分布。

在本發明一實施例中，固定單元16可為板狀，如圖1及圖6所示。具體而言，反應腔體11的上方可設置一連接腔體18，其中磁力裝置17、固定單元16及遮蔽單元19位於連接腔體18內，而靶材15的第二表面153則連通連接腔體18的空間。例如固定單元16可固定在連接腔體18的內表面，並於固定單元16、靶材15及連接腔體18的內表面之間形成設置空間162，如圖1所示。在不同實施例中，亦可將固定單元16直接設置或固定在靶材15的第二表面153上，並在固定單元16與靶材15之間形成設置空間162，如圖6所示。

在本發明另一實施例中，如圖3及圖7所示，固定單元16可為固定支架，其中固定單元16包括複數個鏤空部161。固定單元16與靶材15之間形成設置空間162，並將遮蔽單元19設置在設置空間162內。

透過微調磁力裝置17在靶材15的第一表面151側及/或容置空間12內的磁場分布，可改變沉積在基板131表面各個區域的薄膜厚度，並提高沉積在基板131表面的薄膜厚度的均勻度(U%)，例如可使得基板131表面上的薄膜的均勻度小於1%，後面的實施例會說明詳細的實施方法及相關的實驗數據。

在本發明一實施例中，如圖4所示，遮蔽單元19可為板狀。在本發明另一實施例中，如圖5所示，本發明的遮蔽單元19具有一本體部190、至少一穿孔192及/或至少一凹槽194，其中遮蔽單元19的本體部190與穿孔192及凹槽194對磁力裝置17產生的磁力的遮擋效果皆不相同。為此透過具有穿孔192及/或凹槽194的遮蔽單元19遮擋磁力裝置17產生的磁力，可更進一步微調磁力裝置17在容置空間12內形成的磁場分布。

在本發明一實施例中，如圖2所示，反應腔體11的容置空間12內可設置一擋件111，其中擋件111的一端連接反應腔體11，擋件111的另一端則形成一開口112。承載盤13可朝靶材15的方向靠近，並進入或接觸擋件111形成的開口112，其中反應腔體11、承載盤13、靶材15及擋件111會在容置空間12內區隔出一反應空間121，並在反應空間121內對承載盤13上的基板131進行薄膜沉積。此外透過遮蔽單元19微調反應空間121內各個區域的磁場大小及磁場分布，以在基板131的表面形成厚度均勻的薄膜。

在本發明一實施例中，遮蔽單元19可直接設置在靶材15的第二表面153上，並電性連接靶材15，其中靶材15不電性連接反應腔體11。在本發明另一實施例中，遮蔽單元19亦可不直接連接靶材15，並可透過接地線或接地單元接地。

此外設置在靶材15的第二表面153側的遮蔽單元19的數量可以是複數個，並可任意排列在靶材15的第二表面153的固定單元16上。此外各個遮蔽單元19的面積或形狀可為不相同，並可在靶材15的第二表面153上排列成任意形狀的遮蔽構造。

在本發明一實施例中，設置在靶材15的第二表面153的複數個遮蔽單元19上的穿孔192及/或凹槽194的設置密度或面積為不相同，如圖5所示。

在本發明一實施例中，如圖7所示，磁場調整裝置100及/或反應腔體11可包括一背板113，其中背板113包括一第一表面1131及一第二表面1133，背板113的第一表面1131連接靶材15的第二表面153，而固定單元16及/或遮蔽單元19則設置在背板113的第二表面1133上或第二表面1133的方向。此外亦可於背板113的第二表面1133或靶材15的第二表面153上設置至少一凹槽，其中遮蔽單元19以類似鑲嵌的方式設置在凹槽內，而固定單元16則覆蓋凹槽及遮蔽單元19。

請參閱圖8，為本發明可調整磁場分布的沉積設備的沉積方法的步驟流程圖。請配合參閱圖1及圖2，首先將一第一基板133放置在可調整磁場分布的沉積設備10的承載盤13上，如步驟21所示。具體而言，可透過一機械手臂經由反應腔體11的進出料口115將第一基板133放置在承載盤13上，而後承載盤13會帶動第一基板133朝靶材15的方向位移，並在反應腔體11、擋件111、靶材15及承載盤13之間形成反應空間121。

透過沉積設備10對第一基板133進行薄膜沉積，以在第一基板133的表面形成一薄膜，如步驟23所示。具體而言，可對反應空間121內的氣體原子施加電場，以產生帶電的氣體離子。對靶材15及承載盤13施加偏壓，使得帶電的氣體離子撞擊的靶材15以產生靶材粒子，靶材粒子會受到承載盤13上的偏壓吸引並沉積在第一基板133上，以在第一基板133的表面形成薄膜。

量測沉積在第一基板133表面的薄膜厚度，如步驟25所示。具體而言，可量測第一基板133表面的各個區域的薄膜厚度，以得知薄膜的均勻度。

如圖9所示，為先前技術的沉積設備沉積在基板表面的薄膜厚度的分布圖，或本發明所述的沉積設備及沉積方法沉積在第一基板表面的薄膜厚度的分布圖，其中基板131或第一基板133表面沉積的薄膜電阻(RsAvg)約為47.4歐姆/平方(Ω/sq)，而均勻度(Rs 2Avg-U%)為3.47%。

在實際應用時可依據圖9所述的第一基板133上薄膜的厚度分布，將遮蔽單元19設置在部分的磁力裝置17與部分的靶材15之間的固定單元16所形成的設置空間162內，以透過遮蔽單元19遮蔽磁力裝置17產生的部分磁場，其中遮蔽單元19下方的反應空間121內的磁場較小，如步驟27所示。

在實際應用時可將基板131及靶材15分別區分成複數個區域，其中靶材15上複數個區域分別對應基板131的複數個區域。而後依據基板131上各個區域的薄膜厚度，選擇將遮蔽單元19設置在固定單元16對應的設置空間162內，以調整基板131上各個區域的薄膜厚度。

在本發明一實施例中，可將第一基板133上的薄膜厚度區分為複數個厚度，例如第一基板133的第一區域具有一第一厚度，而第一基板133的第二區域具有一第二厚度，其中第一厚度大於第二厚度。而後將遮蔽單元19設置在對應第一區域及/或第一厚度的磁力裝置17及靶材15之間的固定單元16的設置空間162內，以遮擋對應第一區域的磁場，例如將遮蔽單元19設置在具有第一厚度的第一區域的垂直延伸位置的靶材15。

在完成上述的調整步驟後，可將一第二基板135放置在承載盤13上，並對第二基板135進行薄膜沉積。

如圖10所示，為本發明可調整磁場分布的沉積設備沉積在第二基板135表面的薄膜厚度的分布圖，其中沉積在第二基板135表面的薄膜電阻(RsAvg)約為45.8歐姆/平方(Ω/sq)，而均勻度(Rs 2Avg-U%)為0.91%。由圖9及圖10所示的薄膜厚度分布，可清楚看出本發明所述的可調整磁場分布的沉積設備10及其沉積方法確實可有效改善沉積在基板131或第二基板135表面的薄膜均勻度。

如圖11所示，為本發明的可調整磁場分布的沉積設備10對不同的基板131或第二基板135分批進行沉積的均勻度U%及薄膜電阻的曲線圖，如圖所示，可調整磁場分布的沉積設備10經過磁場分布調整後，在相同的製程條件下沉積在基板131或第二基板135表面的薄膜電阻都能維持在44至46歐姆/平方(Ω/sq)之間，且薄膜的均勻度皆小於1%，可說明透過本發明所述的沉積設備及沉積方法，可持續並反覆在基板131的表面沉積均勻厚度的薄膜。

以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，即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。