TW200423826A - High frequency plasma jet source and method for irradiating a surface - Google Patents

Description

200423826 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種高頻電漿輻射源，及—利用根據獨立申請 專利範圍所述之概念之電漿輻射，做為表面照射之方法。 在基板之真空鍍膜方法中，經常採用一稱之為高頻電漿輻射 ^電漿时有巾性之原子及/或分子之外，亦有計及正離子等 粒子。该等帶電粒子係藉由電場及/或磁場瞄準加速，並且被 用於例如刮除表面，或用於黏附―層例如氧之活減份，至—層 新增長之觀上。習知亦有-以軒减礎之核，該方法係ς 物質由-通常為蒸發源之物質源中蒸發出來，然後再沈積在一基 板上在基板上所增長出來之物質，係以一電漿中之活性成份， 例如氧加以射擊，並因此而形成一層例如氧化 應用於光學賤之咖舰之製作±。此外，絲^照射ς 膜上（平整度，料有重大意義，因為該等獅之光學特性，通 常會強烈的因應著氧含量而變化。 在微電子或做為光學用之薄鐘膜製造上，通常是為追求一儘可 能均勻之鍍膜厚度及鍍膜特性之製造，例如折射率。在工業應用 上’則是要進行大面積的及/或許多基板之同時鍍膜，此時鐘膜^度 (均勻性問題變大。尤其在光學之鑛膜上，在—表面上、或在一次 鍍膜作業之基板上之鍍膜厚度之變異程度，無論如何都只有少數百 分比之容許度。 【先前技術】 由歐，專職ΕΡ 349 556 B1中得知—高頻電綠射源，在一 表面上以紐平行之原子、或分子束加以射擊時，能保證有一個偵 可能為大面積之平整度。因此，該高頻電漿軸源之開卩，便設有 一抽取柵板，該柵板具有一很小之機械寬度，以免對電漿產生干 200423826 擾。該抽取柵板係-高頻導引之電極，形狀為特定造型之繞線網、 或平行之金屬線。在電漿及抽取栅板之間，會產生—離子加速之電 位差’因此，便能夠產生-中性電漿#射，_射錄過輻射之方 向上係冗全均勻’而且不含任何模組構造。為讓抽取栅板之平面， 能夠永遠保持-良好之平坦度，並且避免電漿缺受·取柵板之 外型不艮影響’所以該習知之高頻電漿輕射源之抽取栅板之樹板支 架，-便設有-張力調整裝置。將高頻電漿μ源之直徑加大，以便 進積之照射’是常見之做法。但該做法卻會提高成本，並且 吓有速度及構造上之限制。 ^ίίΞί製，大量基板會同時進行鍍膜，而基板則是置 於求开^罩上。此處即大面積之同時鍍膜。 當習知之高頻電桀輕射源用於基板之大面 該:基:係置於該類球型罩上、或其級線形之二二 二 ==源之直顺時，亦必須忍受被鏡上： 之度Μ厚度及_特性之均勾度所受到之損害。& 面積之照射無法得到所希望之品質要求。 八％ 、、、 ^ 【發明内容】 漿二==造;射源 '-具有此類高頻電 法能夠進行;照射表面之方法，而該方 本發明〈目的係以獨立申請專 根據本發明之優氣 園，L以解決。 中性電_射。 夺會產生一與技術現況截然不同之 發明上之基板，^ 或進行大面積之清=^成功進行均勻、大面積之鍵膜， 6 200423826 本昶明之另一觀點，係一高頻電漿輻射源，尤指用於改善球 形罩上所置之基板之照射而設置之高度平行電漿輻射，至少設有 /設置在電漿室外面之遮板，利用該遮板，可以避免電漿輻射密 度之不均勻區域，被照射至球形罩上或基板上。此處同樣亦可以 利用該遮板，將電漿室之出口之一部分遮住。 在下又中，本發明將參照圖式進一步加以說明，而其中亦提 供/些與申請專利範圍之摘要獨立之其他特徵、細節、以及本發 明之優點。 [圖式簡單說明】 在示意圖中所顯示： 圖一具一優良高頻電漿輻射源之鍍膜室， 圖二 個cosl1-輕射特性之分布曲線， 圖三在圖一中之鍍膜室之幾何比例，其中基板係設置於—球形 罩上， 圖四在一球形罩上之1102鍍層之折射率分布圖， 圖五冑頻電漿制源之開口大小、及絲之發散程度，對球形 罩上之電漿輻射密度之分佈所造成之影響， 圖六一根據技術現況之高頻電漿輻射源， 固七m⑧％區之厚度與所施力ρ之抽取電壓間之關係， 圖八在-固定抽取電壓下，空間電荷區之厚度與電流密度間之 關係， 圖九一優良之抽取柵板之構造，及 圖十另一優良之抽取栅板之構造。 【實施方式】 圖-顯示-高頻電漿減源丨之示賴，在下文中將 、裝無射源，並具有一發散之中性電槳輕射j。該批電聚輕射 200423826 源1之構造像一鍋子，並設置於一由鍍膜室7所構成之真空室區 域内，並且被包覆在一外殼2内。鍍膜室7之細部構造，像是常 見之真空幫浦、氣體供應源、基板之支架、分析器等，均未被输 出。Hf-電漿輻射源1具有一電漿室3，而電漿便是在該室内，利 用例如高頻入射之方式加以點燃。内部設有用於點燃及保持電漿 之電氣機具8、9，一般係為一高頻發射器8、及一些電接線9。此 外，亦可設置至少一磁鐵5，而該磁鐵係採用一般方式，用於將電 漿關在電漿室3内。設置有一個注入口 6，做為Hf-電漿輻射源i 之氣體供應源。為由電漿室3之電漿中抽取出中性之電漿輕射， 其出口之一部分區域，通常會設置一具高度穿透性之抽取柵板4。 該專為穿透而設置之抽取柵板4，尤指上面未被遮住之平面，將被 指定為源頭之尺寸。一般而言，源頭尺寸係經由開口尺寸大小確 定。該類之源頭，尤其具有平面式抽取柵板、及具有強烈指向性 之電漿輻射者，已經可由歐洲專利案EP 349 556 B1中得知。最佳 之方式係一根據ECWR原理工作、並具有相對較高密度之電漿源。 根據本發明所發散出來之電漿輻射〗，最好是透過電漿及抽取 柵板4間之精準交互作用工作。該抽取柵板4之構造形式，是讓 電漿輪射I具有一基本上為發散之輻射特性。該抽取柵板4之細部 構造，將於圖九及圖十中進一步顯示。 在發散之電漿輕射中必須知道，亦有一些電漿輕射，至少會 在與主要輻射線方向，即電漿輻射密度最高之方向，垂直之方向 上，仍然有明顯之輻射。輻射線之發散性，可以利用一餘弦分佈 之η指數做近似之描述。餘弦分布之指數n，即輻射線之發散性之 量度。^ η越大時’電聚為射越有指向性；當^越小，電漿輕射 就越發散。該類分佈函數之詳細論文，可以參照G· Deppisch: 66SchichtdickengleichmaBigkeit von aufgedampften Schichten in

Theorie und Praxis蒸鍍鍍膜之鍍膜厚度均句性之理論與實務，， Vakuum Techik，30. Jahrgang，Heft 3, 1981。圖二顯示在不同之 n 值 之下，一電漿輻射之相對離子流量，相對於輻射線與源頭法線之 夾角之cosn分佈曲線函數。該分佈係關於一種數學所計算出來之 量’而該量所呈現是離子射線密度與在各角度上之量有多大。在 一個強烈發散之輻射線中（γΐ)，在一個與源頭法線呈現例如4〇 度之角度下，仍然可以達到源頭法線方向所輻射出來之值之 78%。反之當η=8時，在該角度下只有13%之輻射而已。在一 η=ΐ6 或η=36之電漿輻射中，於40度之角度下，實際上則已經沒有電 漿輻射。 圖二顯示一構成膜鍍室之真空室7内部之幾何比例。在鍍膜 A 7 裡面’已有终多基板 ι〇·1、1〇·2、1〇·3、1〇 4、1〇·5、10.6 被 設置在一基本上呈球形之球形罩η上。該球形罩u之形狀是一 球殼之一個截面。基板 1〇·1、1〇·2、1〇·3、10·4、10·5、10·6 係以 環狀之方式，放置在球形罩11上，即各元件符號皆代表有許多片 基板，而該等基板都是分別設置於球形罩11上之各個環。垂直虚 線係指源頭法線之方向，或與該法線平行者。含有基板101之最 内一環係對應於一球形罩角Λ，例如9度，下一個含有基板10.2 ^環係對應於一 α叫4度之球形罩角，再下一個含有基板10.3之 環’係對應於一 α =21度之球形罩角，再下一個含有基板1〇·4之 環’係對應於一 α =27度之球形罩角度，再下一個環之角度則為α 一33度’以及最外—環則有一 α=39度之角度。球形罩η可以在 鍵膜時轉動’以便得到一較佳之鍍膜厚度均勻性。在本案中之 電裝輪射源1 ’係以偏離於球形罩11之對稱中心之方式來放置， 其中Rq則表π此—源頭與球形罩u之對稱軸Ks之間之軸心距 離。除Rq之外’甚至源頭法線之方向及/或間距Yq亦可以改變， 200423826 以便能夠精準之針對基板⑽、10.2、HU、1G.4、1G 5、1〇 6上 :電漿#讀！之強度產生影^甚至還可以在鍍膜室7裡面，再設 置另一物質源，尤指蒸鎮源。此外，該源頭-可相對於對稱軸之 万二:傾斜—Θ之角度。在本發明之另—種設計中，亦可以讓基 存又置《表面’呈現-個不一樣、特別是呈彎曲狀之形狀。 為讓球形罩11能夠劇—儘可能均勻、大面積之照明，所以 電漿輕射源丨通常是選用儘可能為大之出口、以及具有指向性 《電漿輕射。但是對於該類裝置之蚊，實際上之鍍膜實驗結果、 =及模擬運算’都顯示把出口加大，只有在有限條件配合下，才 ^讓基板上所鍍上去鐘膜之鐘膜厚度達到—足夠均勻度。鍵膜品 =改吾’尤指雜厚度之均句度，収可以根據本發明，採用 %政之電漿輻射I達成。 圖四顯示係—在基本上為球面之球形罩之TiQ2鍍層之折射係 刀布圖:此處如圖-及圖二所示，採用—具有16gng32、及較 B之出口之Hf-電漿輻射源，做為二氧化鈥Ti02進行鍍膜。Ti〇2 $明’而且具有—折射係數，該係數與所使用之電漿輕射之強 關Hf包桌輻射源之出口，具有18 75〇mm2之面積。當球形 均勻被照射之後，光學折射率舰均自分佈在_罩η上。 古久有經過電漿補之照射時，該折射率大約為2·2，並且會在很 =之電漿輕射之輕射密度下，達到2·4之值。測量結果顯示於圖四 ρ ’而基於電軸射密度之故，在位置1及6之折射率則約略比 =置2至5又值小3〇%，其中該位置，係對應於前述之圖二中， 钪在球形罩11上之環1〇1···，以及對應於球形罩u上所斜應之 度。 、 圖五顯π之Hf-電漿輻射源之開口大小、以及輻射線之發散程 度’對於球形罩上之電槳輻射密度之分怖所產生之影響之模擬計 200423826 算結果。在一具有n=16、以及出口相當小 =之爾咖中，電漿輕射密度與二 係取強烈(最上方之曲線)。在一個具有相同n=i6之::巧係 有較大之出口之耶麵射源中，其與角度間之二： 較小。n=8以及n：=14之曲線，同樣亦採用 關係則 明顯可以看出，卩_發散程度之增加，換句^說即指口^計算。、 時，電漿輻射密度則較少隨著球形罩之角产^ j η為漸減 在球形罩上之均勻度得以增加。 ^ ° 4電漿轉射 一發散之電漿輻射I，便能以一個簡單 11進行均勻、大面積之照射。t採用 | =形罩上 散之電漿鋪，相較於傳祕用—具有蚊/口;"一發 ;'果;在::坦之表面上，預料到，發散之電衆 有-較小之婦均勻度，不過對於許多 ^ 清潔，其仍歧夠。 1耐丨於表面< 在本發明用於,騎-表面之核巾，絲用—具有 發散性，特別是高發散量為n=16，特別為n=4及n,之:二 漿輻射源之電漿輕射！，此處之η係指—餘弦分怖函數 該指數係祕減麟之發散度。具讀細特性^ =，射密度，以及用來改善翻一—二= 當然，本發明並不限於Hf-電槳輪源，其發教之輕射特性， 可以透過-缝分料數純描述，而是包含各 之發散式輕射特性。 J目的 200423826 所希望之發散式輻射發散度，可以有效而準確 射=構性架構達成。在此，最好㈣電聚輕射源二 栅：4 ’相較於既有技術所習知之構造形狀加以修 改权佳的疋二種可行之方式。該抽取柵板4設有—此 孔寬度之網孔，啖哕搞祐允非巫而、 一/、有大，，揭 M w 以，而是编電漿方向為凹下 或凸（讀&。此外，該抽取柵板4可以是凹下或凸起 ， 再加上具有大網孔寬度之網孔。該抽取柵板4主要是由鎢㈣攸 屬/之粗細約為_至3mm，特別最好是G.1至二 尤指圓:狀之空板面積，係由-圓， 可以且有-長方㈣」Ϊ _來說’抽取拇板4 源i之出口相在^主狀而=積=造相同之班-電漿輕射 i 一单>、人且、/、囡柱狀足二心粗中，可以把圓柱之長軸擺 丁万、万开Α邊位置上。透過圓柱體包覆面之隆起，在 相對於電漿之方向上，實現一個凹下或凸起之形狀。 古^進^'比較’圖六係顯示一根據技術現況，在出口區域内具 柵板t μ射-具高度饰性之«傭1之 °在抽取桃板4上之電聚表層，基本上 &《身又之規範’例如由歐洲專利案EP 349 556 B1所 Γ、口合减取柵板4係由非常緻密之網孔所構成，緻密到連電聚 網孔所㈣。因此，網孔寬度會選用-個比抽取柵板4 及電漿間之空間電荷區之厚度更小之值。 空，荷區之厚度d可以由教科書中得知。因此，厚度d便 與电每t由電料緣至抽取柵板4間之電位降U有關：

/7， 七 〇 . I TTA non

丨W 其中 ε〇:真空中之介電常數 12 200423826 e :基礎電荷 mi〇n :參與之離子之質量 U ··電漿邊緣與抽取柵板4間之電位降（等於錄電壓） ; 方要測量本發明所放大之抽取柵板4之網孔寬度，必須捩用· 下列步驟。 ' 在1〇A/m2之離子流之下，其是一個具有0.1m2之出口之Hf_ 電漿3源之空間電荷區厚度d，在操作該類鍍膜裝置時，該離子 流係-晋遍之值。結果如圖七中所示。根據圖示，空間電荷層之 厚度d，係隨著逐漸增加之降而上升，而且會在 50至約㈣伏特之間時’在〇 5mm至2 5纖之間變化。在一個較_ 佳且=在50至200伏特間之電位時，此一厚度係明顯小於之麵。 在固定之抽取電壓之下，例如15〇伏特之下，觀察空間 電荷區厚度d、與離子流密度之間的關係時，則會得到在圖八中所 7F之曲線。在固足之抽取電壓之下，空間電荷區之厚度心將會隨 著電流密度之上升而下降。在介於4A/m2至ΜΑ-間之較佳區域 中’玄間電荷區厚度d將會小於2mm。 、圖九顯讀據本發明-具有優㈣構之抽取柵板4之電聚輕 射源1 W意圖，其上面則具有網孔寬度被放大之網孔。如果網籲 孔寬度比㈣電荷社厚度d更大，在該區_之電漿表層則會 又/ 4抽取柵板4下方所標示之波浪狀曲線。該狀態將會使電 f輻射I《發散程度被提高。只要網孔寬度夠小，小到電漿不會明 顯被出口減弱時仍屬合理。針對該目的，網孔寬度最好是在 30mm 以下，特別是當空間電荷區之厚度為〇·5至2.5rnm時，最佳之情 況最多為20mm。 圖十顯不另一抽取柵板4之優良架構之示意圖。該架構並不 是平面之，而是設置成凹向f漿室3之構造。如此，便形成一彎 13 200423826 曲之電漿表層，而被噴出來之電漿輻射I，則呈現一 、 性。此處，抽取柵板4之網孔寬度亦可以相當小，#政之各射特 比空間電荷區厚度更小之值。抽取柵板4亦可 甚至可以選用 A疋凸走e夕i兽;止 在另一種實施形式中，抽取柵板4上至少有—部八、 。。 是不規則構造。例如網孔寬度可以有變化，以 1表面可以 網孔之寬度越小。除此之外，電漿室3外面亦可以^、彖過去， 遮板，以便為電聚輕射進行調變。同樣，有—部八设置―或多個 用遮板加以遮蔽，以便表面上其他會被不均勻照 =等遮极亦可略，，能夠心 按之實施形式中，亦可以採用—由歐洲專利 之邪電__所砂、基本知具備1面式抽取柵板 該_之$射Λ，用於―些置於球料上之基板進行騎，但在 等遮板係用=面之一空間區域内，則至少設置-片遮板。該 均勾之射進行機，方式則是讓_罩上面其餘不 同樣亦可不會被輻射線闕。把出口遮住—部分之方式， 之輕射杜果，/疼目的。所採用之遮板形狀’通常是視所要達到 以便電漿據經驗決定。此外亦可在遮板上面施加一電位， 啊逛行調變。 14 200423826 元件符號 1 高頻電漿輻射源 夂 2 外殼 ·_ 3 電漿室 · 4 抽取栅板 5 磁鐵 6 氣體注入口 7 鍍膜室 8 高頻發射器 9 電接線 10 基板 11 球形罩 I 電漿輻射

Ks 球形罩之對稱軸 a 球形罩角 rq 源頭與對稱軸間之軸心距離 YQ 源頭與對稱中心之垂直距離 15

Claims (1)

1. 拾、申請專利範圍： 2. L -種高頻電漿轉射源’其具一為電漿設置之電漿室⑴，一政用於 持電漿之電氣機具（8、9)，—處在高頻電位之下、以便 电水至曰3中將電漿輻射⑴抽取出來之抽取柵板⑷及一出 +最真*至⑺之出口，而抽取柵板⑷則是被設置在 出口之侧内，其特徵為，電漿輕射⑴之構造，基本上是發散。 = 丨項所述之高猶_源，其特徵為，電裝 :=:懷’皆精準之藉由電裝及抽取拇板⑷間之交互 3· 4. ^據：專利範圍中至少—項所述之高頻電漿輕射源，其特徵 j电水切《形狀至少必須與一部分之表面相吻合，以便至少在 ΓΙί《表面上，能夠使電漿流量密度達到—很高之均勻度。 】，專利範圍中至少—項所述之高頻電漿輕射源，其特徵 Γ^31* (4) * 之外表面戶^下來抽取桃板之表面，係由一個圓柱狀空心體 5. ^據^述，專利範圍中至少一項所述之高頻電漿輕射源，其特徵 ^至V、有—部分之抽取柵板⑷之表面，係設置成不規則之構 6. ^據=中請專·圍中至少—項所述之高頻電漿 特 為，^少設置有-位在電漿室⑴外面之遮板。 ’、瓶 t據專，圍中至少-項所述之高頻電軸源，其特徵 ^ 斗分<出口係被遮板所遮住。 至少—销述之高頻錄輻贿，其特徵 及電&= 孔，而該等網孔之寬度，比抽取柵板⑷ 水至（3)之電漿間之空間電荷區厚度更小。 8. 200423826 9.根據前述申請專利麵第i項至第7項中至少—項所述之高 輻射源，其特徵為，抽取柵板⑷具有網孔，而該網孔之寬产: 1與抽取柵板⑷以及«室⑴之電漿間之空間電荷區; 一樣大。 瓜根據申請專利範圍第9項所述之高頻電浆細源，其特徵為 栅板⑷具獅L，*料網狀寬紅小之上限 讓電漿仍然留在電漿室（3)内。 、 11. -種高頻電聚輻射源，其具有-為電漿設置之電漿室⑴，一些用 於點燃並麟電漿之電氣機具（8、9)，—處在高触位之下:以 便自電漿室⑴中把電漿輻射⑴抽取出來之抽取拇板⑷，以 ϋ個人，’尤指_真空室⑺之出口，而抽取栅板⑷則被 ，又置Μ Π之内，其特徵為’電細射係呈高度平行性，而且 至少設置-位在電漿室⑴外面之遮板，而利用該遮板，至少就 可以在-部分之球形罩⑻表面上將電聚轉射⑴加以調變，以 便使電漿輻射密度能夠達到一個高度之均勻性。 .根據前述申請專利範圍中至少一項所述之高頻電聚輕射源，其特徵 為’至少有一遮板被施加一電位’以便能夠將電聚骑⑴加 變0 D•根據1述巾請糊棚中至少—項所述之高頻錄輕射源 ，其特徵 為类^膜室⑺滴，於基本上與出口崎之處，設置一彎曲 之=，通常是-含有基板（uu、10.2、1〇3、i〇4、i〇5 之球形罩（11)。 ’ 14·根據前述申請專利範圍中至少一項 & ^ 所迷《面頻電漿輕射源，其特徵 為^向頻電漿輻射源⑴之外，亦設置一蒸鍵源。 I5·根據則述申請專利範圍中至少一項 ^ A，所奴高頻電漿輻射源，其特徵 為抽取柵板⑷是由鎢絲網絡所構成，金屬絲之粗細約為_ 17 2o〇423826 至3mm ’最好是〇·ΐ至imm。 16·根據前述申請專利範圍中至少一項所述之高頻電漿輻射源，其特徵 為，至少設置一磁鐵（5)，用於將電漿關在電漿室（3)之範圍内。 17· —種真2室，其具有一外殼（2)、一高頻電漿輻射源、以及一用於 進行照射之表面，其特徵為，該高頻電漿輻射源（〇係根據前述 申請專利範圍中至少一項以上形成。 M·根據申請專利範圍第17項所述之真空室，其特徵為，用來進行照 射之表面係呈彎曲狀，最好是一球形罩（Η )，並且包含一或多個 基板（1(U、10·2、1〇·3、10·4、10.5、10.6)。 19· 一種利用一高頻電漿輻射源之電漿輻射做為一表面照射之方法，其 特徵為，採用一種發散之電_射⑴，而高頻電漿輕射源則是根 據申请專利範圍第1項至第16項中至少一項所製成。 20·根據申請專利範圍第19項所述之方法，其特徵為，電聚輕射⑴ 具有一個發散性量度最多為η=16之輻射特性，通常則為η=4，而此 處之η則是一個餘弦分佈函數之指數。 21·根據申請專利範圍第19項及第2〇項中至少一項所述之方法，其特 徵為’電漿輻射⑴之輕射特性，係經由電聚及抽取柵板⑷之 間一精準之交互作用來達成之。 22·根據申請專利範圍第19項至第21項中至少-項所述之方法，其特 欲為，所採用在拙取之電漿及至少—片在電聚室⑶外面所設之 遮板間之精準交互作用。 23. 根據申請專利範圍第π項至第22項中至少一項所述之方法，其特 杖t，電漿她⑴之輕射特性’至少必須與一部分之輻射表面相 吻合’以便至少在—部分之表社，能夠使錄赫密度達 高之均勻度。 $ 24. 根據申請專利範圍第19項至第23項中至少一項所述之方法，其特 18 200423826 25. 26. 徵為，設置有-f曲之表面，最妤是一球形軍（⑴β 根據帽專利範園第〗9呀至第24項中至少—項所述之方法，其待 徵為，精由表面之照射達絲面之鍍膜。 根據申請專利範圍第19 徵為，藉由表社照射達成:种至少—述之方法，其特 rr達成表以改善及/

   19