TWM546073U

TWM546073U - 原子層鍍膜裝置

Info

Publication number: TWM546073U
Application number: TW106204546U
Authority: TW
Inventors: 張文吉; 翁敏航; 莊峻銘
Original assignee: 真環科技有限公司
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2017-07-21

Description

原子層鍍膜裝置

本創作大致上係有關於一種鍍膜裝置，更具體來說是可用於量產的原子層鍍膜裝置。

原子層沉積技術是利用製程氣體與材料表面進行化學吸附作用，由於反應僅在表面發生反應，具自我侷限(Self-limited)特性，使得每次的成長循環，僅會在表面形成一層原子的薄膜，可控制膜厚度達原子級(0.1奈米)，是現存所有鍍膜方法中，可成長最高品質薄膜的鍍膜技術

原子層沉積技術可進行超薄高介電(High-k)材料鍍膜外，亦可針對微小的電路結構提供孔洞填補能力，在具有高深寬比的動態隨機存取記憶體(Dynamic Random Access Memory，DRAM)電容結構與微機電元件中提供厚度均勻的鍍膜；在元件封裝上，具有高緻密性的原子層沉積技術漸漸被導入有激發光二極體(Organic Light-Emitting Diode，OLED)元件的封裝。

典型的原子層鍍膜裝置在成膜時，在單一腔體內，大致分成四個步驟：

步驟一：於一第一時間區內，將前驅物A注入並吸附於基材之表面，所注入前驅物和基材表面產生反應。此反應具有自我限制(self-limiting)之特性，多餘的前驅物並不會再吸附於已經吸附的前驅物分子上面。

步驟二：於一第二時間區內，清除多餘未反應之前驅物及反應後之副產物。該步驟是藉由注入第一低反應氣體氣體，例如氮氣或氬氣，及該真空幫浦抽氣，將未反應之前驅物以及副產物帶離該反應腔體。

步驟三：於一第三時間區內，將前驅物B注入並吸附於基材之表面，以形成一新鍵結的化合物。

步驟四：於一第四時間區內，清除多餘未反應之前驅物B及反應後之副產物。該步驟同樣是藉由注入第二低反應氣體氣體，例如氮氣或氬氣，及該真空幫浦抽氣，將未反應之前驅物B以及副產物帶離該反應腔體。

經由重複上述四個步驟，薄膜的厚度一層一層地增加。然而，傳統的原子層鍍膜方式多為加熱式，在單一腔體內藉由不同的氣體切換，因此每次循環的成膜速度非常緩慢，且整個製程需要在高溫的環境下。

另一方面，電漿輔助(plasma assisted)原子層沉積可以改善原子層沉積製程產率的問題。電漿輔助原子層沉積設備是利用電漿所產生的原子自由基以及其他處於激態的原子和分子(如氫原子、氧原子、氮原子)來強化傳統的原子層沉積製程，可在低溫下進行沉積，且可多元選用其前驅物，但其電漿損傷是一待解決的問題。

為了解決上述問題，有需要提供一種原子層鍍膜設備，能在低溫下提高成膜的速度，降低薄膜缺陷並得到高品質的薄膜，以克服先前技術的缺點。

本創作之主要目的在於提出一種原子層鍍膜設備，藉由基板在不同的腔體間行進，並採用超高頻電漿，可以在低溫下提高成膜的速度，並降低薄膜缺陷並提高薄膜品質，提升產品的產率與良率。

為達本創作之目的，本創作提供一種原子層鍍膜裝置，用於在一基板上沈積一薄膜，至少包含：一第一腔體，係用於提供一前驅物製程；一第二腔體，連接於該第一腔體之後，係用於提供一第一低反應氣體製程；一第三腔體，連接於該第二腔體之後，係用於提供一反應物製程；一第四腔體，連接於該第三腔體之後，係用於提供一第二低反應氣體製程；其中在該第三腔體中的該反應物製程係為一電漿製程，具有一電漿阻抗，且該電漿的頻率係介於20至150MHz之間。

根據本創作之一特徵，該基板係依序由該第一腔體、該第二腔體、該第三腔體與該第四腔體的方向前進。

根據本創作之一特徵，該第一腔體、該第二腔體、該第三腔體與該第四腔體的下方分別設置有複數個進氣孔，該些進氣孔係提供一第三低反應氣體進入以協助該基板以氣浮式前進。

本創作之一種原子層鍍膜裝置具有以下之功效：

1.本創作之鍍膜設備，藉由基板在不同的腔體間行進，減少了高速切換閥件的使用，因此可以提升設備的穩定性。

2.本創作之鍍膜設備，藉由採用超高頻電漿，可以在低溫下提高成膜的速度，並降低薄膜缺陷並提高薄膜品質。

為讓本創作之目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

10‧‧‧原子層鍍膜裝置

100‧‧‧第一腔體

102‧‧‧上板

104‧‧‧下版

110‧‧‧進氣口

120‧‧‧進氣孔

130a‧‧‧上遮板

130b‧‧‧下遮板

140a‧‧‧上擴散板

140b‧‧‧下擴散板

200‧‧‧第二腔體

202‧‧‧上板

204‧‧‧下版

210‧‧‧進氣口

220‧‧‧進氣孔

230a‧‧‧上遮板

230b‧‧‧下遮板

240a‧‧‧上擴散板

240b‧‧‧下擴散板

300‧‧‧第三腔體

302‧‧‧上板

304‧‧‧下版

310‧‧‧進氣口

320‧‧‧進氣孔

330a‧‧‧上遮板

330b‧‧‧下遮板

340a‧‧‧上擴散板

340b‧‧‧下擴散板

342‧‧‧阻抗匹配傳輸線

350‧‧‧射頻功率源

360‧‧‧阻抗匹配器

400‧‧‧第四腔體

402‧‧‧上板

404‧‧‧下版

410‧‧‧進氣口

420‧‧‧進氣孔

430a‧‧‧上遮板

430b‧‧‧下遮板

440a‧‧‧上擴散板

440b‧‧‧下擴散板

500‧‧‧基板

為讓本創作之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。雖然本創作可表現為不同形式之實施例，但附圖所示者及於下文中說明者係為本創作可之較佳實施例，並請了解本文所揭示者係考量為本創作之一範例，且並非意圖用以將本創作限制於圖示及/或所描述之特定實施例中。

第1圖：本創作之原子層鍍膜裝置之水平側視示意圖。

本創作將由協同附圖之下列詳盡描述而更為全面瞭解。現將描述某些例示性實施例以提供本文所揭示之裝置及方法之結構、功能、製造及使用原理的全面瞭解。此等實施例之一個或多個實施例於附圖中加以繪示。熟習此項技術者將瞭解，本文所特定描述且在附圖中繪示之裝置及方法係非限制性例示性實施例，且本創作之範疇僅由申請專利範圍加以界定。結合一例示性實施例繪示或描述之特徵可與其他實施例之諸特徵進行結合。此等修飾及變動將包括於本創作之範疇內。

請參考第1圖，其為本創作之原子層鍍膜裝置之水平側視示意圖。傳統的原子層鍍膜方式在單一腔體內藉由不同的氣體切換，完成每次循環。本創作之原子層鍍膜裝置與傳統原子層鍍膜裝置之不同在於，每一個循環的四個步驟係在不同的腔體間完成，並利用超高頻電漿完成反應物製程。

本創作之原子層鍍膜裝置10，用於在一基板500上沈積一薄膜。該原子層鍍膜裝置10包含至少一第一腔體100；一第二腔體200，連接於該第一腔體100之後；一第三腔體300，連接於該第二腔體200之後；一第四腔體400，連接於該第三腔體300之後。

該第一腔體100，係用於提供一前驅物製程。該第二腔體200，係用於提供一第一低反應氣體製程。該第三腔體300，係用於提供一反應物製程。該第四腔體400，係用於提供一第二低反應氣體製程。

需注意的是，在該第三腔體300中的該反應物製程係為一電漿製程，具有一電漿阻抗。該電漿的頻率係介於20至150MHz之間，較佳地，該電漿之頻率為40.68MHz。由於原子層鍍膜成長的化學特性，並不是所有的材料都適合用原子層鍍膜成長。因此，藉由電漿輔助方式，可以成長一些傳統加熱式原子層鍍膜成長無法成長之薄膜材料。

本創作所揭示之原子層鍍膜裝置100，與傳統的原子層鍍膜方式類似，其前驅物以自我限制方式吸附在基材表面上。然而在原子層鍍膜裝置100中，反應物注入該第三腔體300之後，施以電漿處理，亦即是將反應物激發成為電漿態。

因電漿激發形成許多自由基，其自由基可幫助成膜的鍵結並形成有利於下次反應的反應表面，所以可以於更低的製程溫度下成長。因此反應並不會因為熱能不足而受到限制。因此，電漿可提供自由基增加其反應性，於低溫下成長反應更加完全。

該基板500是選自矽基板或玻璃基板之一。該基板500係依序由該第一腔體100的一端(如圖1的左端)進入到該第一腔體100，並以一定的行進速度依序前進至該第二腔體200、該第三腔體300與該第四腔體400。

該第一腔體100腔體外部具有上板102、下版104、上遮板130a、下遮板130b、上擴散板140a、下擴散板140b。該基板500在該第一腔體100的行進過程時，一前驅物不斷地由該第一腔體100的上板102的進氣口110進入，並通過上擴散板140a將該前驅物均勻分散，並使得該基板500進行了該前驅物製程。該前驅物是一種氣體，例如三甲基鋁。

該第二腔體200腔體外部具有上板202、下版204、上遮板230a、下遮板230b、上擴散板240a、下擴散板240b。該基板500在該第二腔體200的行進過程時，該第一低反應氣體不斷地由該第二腔體200的上板202的進氣口210進入，並通過上擴散板240a將該第一低反應氣體均勻分散，並使得該基板500進行了該第一低反應氣體製程，亦即是將在該前驅物製程未反應的該前驅物與相關副產物沖除(purge)。該第一低反應氣體是氬氣(Ar)或氮氣(N₂)。

該第三腔體300腔體外部具有上板302、下版304、上遮板330a、下遮板330b、上擴散板340a、下擴散板340b。該基板500在該第三腔體300的行進過程時，一反應物不斷地由該第三腔體300的上板302的進氣口310進入，並通過上擴散板340a將該反應物均勻分散，並使得該基板500進行了該反應物製程，以形成一單層薄膜。舉例來說，該反應物是氧氣、水氣、臭氧等含氧氣體。

該第四腔體400腔體外部具有上板402、下版404、上遮板430a、下遮板430b、上擴散板440a、下擴散板440b。該基板500在該第四腔體400的行進過程時，該第二低反應氣體不斷地由該第四腔體400的上板402的進氣口410進入，並通過上擴散板440a將該第二低反應氣體均勻分散，並使得該基板500進行了該第二低反應氣體製程，亦即是將在該反應物製程未反應的該反應物與相關副產物沖除(purge)。舉例來說，該第二低反應氣體是氬氣(Ar)或氮氣(N₂)。

該基板500的前進可以是由輸送帶以一定的形成速度帶動前進；該基板500亦可以藉由氣浮式的方式以一定的行進速度往前前進。前進的路徑方向如圖中長箭頭所示。

在本創作的一實施例中，該第一腔體、該第二腔體、該第三腔體與該第四腔體的下方分別設置有複數個進氣孔120、220、320、420，該些進氣孔120、220、320、420係提供一第三低反應氣體進入以協助該基板500以氣浮式前進。該第三低反應氣體是氬氣(Ar)或氮氣(N₂)。

該基板500通過該第一腔體100、該第二腔體200、該第三腔體300與該第四腔體400，完成了一次循環，並由該第四腔體400的一端(如圖1的右端)離開該第四腔體400。每次循環所得到的薄膜厚度大致上為原子等級厚度，亦即約0.1奈米(nm)。

若需要得到更大的厚度，需要更多次的循環，可以採用不斷重複且依序設置這四個腔體，亦即是重複且依序設置該第一腔體100、該第二腔體200、該第三腔體300與該第四腔體400來完成下一個循環。另一種方式亦可以僅使用這四個腔體，而使用旋轉方式，將該基板500從重新進入該第一腔體100、該第二腔體200、該第三腔體300與該第四腔體400。

本創作之特徵在於，該第三腔體300中的該反應物製程係為電漿製程。因此，該第三腔體300之外部係連接一射頻功率源350與一阻抗匹配器360。該射頻功率源350，用以提供該超高頻功率給該第三腔體300；該阻抗匹配器360，電性連接於該射頻功率源360與該第三腔體300之間，用於調整該第三腔體300的該電漿阻抗。該射頻功率源350所提供之該超高頻功率之頻率係介於20至150MHz之間。較佳地，在一實施例中，該射頻功率源350所提供之該超高頻功率之頻率為40.68MHz。

一阻抗匹配傳輸線342，電性連接於該阻抗匹配器360與該擴散板340a之間，此時，該擴散板340a亦具有電極板的功能。該阻抗匹配傳輸線342藉由功率分配的形式，將來自該射頻功率源350之該超高頻功率分配到該擴散板340a上。

該第一腔體100、該第二腔體200、該第三腔體300與該第四腔體400的下方分別設置有複數個進氣孔120、220、320、420，該些進氣孔120、220、320、420係提供一第三低反應氣體進入以協助該基板500以氣浮式前進。該第三低反應氣體可以是氬氣(Ar)或氮氣(N₂)。

本創作所揭示之原子層鍍膜裝置100適合成長金屬薄膜，可利用電漿輔助方式，使成長速率加快而不會受到初期薄膜成核而造成成長速率減少的限制。

原子層鍍膜裝置100需要真空幫浦(未顯示圖中)與排氣管路(未顯示圖中)協助腔體排出氣體。真空幫浦大致位於各腔體的水平側(所以未顯示圖中)，採用習知之真空幫浦即可實現。該第一腔體100、該第二腔體200、該第三腔體300與該第四腔體400在腔體的水平側皆設置有出氣口，以及設置有對應的真空幫浦與排氣管路。該第一腔體100、該第二腔體200、該第三腔體300與該第四腔體400藉由排氣管路連接各腔體對應的真空幫浦，使得該第一腔體100、該第二腔體200、該第三腔體300與該第四腔體400的內部之壓力值位於0.5-760托耳(Torr)之間。

本創作之一種原子層鍍膜裝置100具有以下之功效：

雖然本創作已以前述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本創作，任何熟習此技藝者，在不脫離本創作之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改。如上述的解釋，都可以作各型式的修正與變化，而不會破壞此創作的精神。因此本創作之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。