磁控电极装置及包含磁控电极装置的等离子处理系统

摘要

本发明涉及一种磁控电极装置及包含磁控电极装置的等离子处理系统。所述磁控电极装置包含：第一电极组件；第一磁性体组，具有复数个第一磁性体；第二电极组件；以及第二磁性体组，具有复数个第二磁性体；其中，所述第一磁性体组中相邻的所述第一磁性体的磁极性彼此相异，所述第二磁性体组中相邻的所述第二磁性体的磁极性彼此相异，且所述第一磁性体组中所述第一磁性体的磁极性与相邻之所述第二磁性体组中所述第二磁性体的磁极性彼此相异。本发明可大幅提升等离子密度，以达到高沉积速率同时改善沉积制程的可控制性与稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种物理气相沉积(PVD)涂布设备，特定来说涉及一种应用于 溅射机的等离子处理系统及磁控电极装置。

背景技术

以习知技术而言，用于在真空中沉积薄膜涂布层于待处理对象上的方法通 常可分类为物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)。物理气相沉积(PVD) 又可分为蒸镀(evaporation)(以热为能量来源)与溅射(sputtering)(以等离子气体 为能量来源)。

早期的溅射技术系采用一对设置于真空中的阳极与阴极，且所述阴极系以 欲溅射的材料或金属(靶材)所形成，所能达成的沉积速率很低。目前较先进的 溅射技术系在平坦的溅射表面附近形成以磁通量的拱线所构成的磁场，使得所 述磁力线贯穿所述靶材，且于所述靶材上产生侵蚀区域(erosion region)，但此等 溅射技术无法被有效地控制，因此所产生的沉积质量较不稳定。

由此可知，习知的物理气相沉积(PVD)设备与制程无法以高沉积速率在待 处理对象表面上沉积介电薄膜或半导电性薄膜(semiconducting film)。此外，习 知物理气相沉积(PVD)无法在沉积期间提供可精确控制且稳定的沉积制程。

因此，极需一种能够改善沉积制程的可控制性与稳定性，同时进一步达到 高沉积速率的等离子处理系统及磁控电极装置。

发明内容

为了解决上述习知技术的问题，本发明之目的在于提供一种能够大幅提升 等离子密度，以达到高沉积速率同时改善沉积制程的可控制性与稳定性的等离 子处理系统及磁控电极装置。

本发明的实施例提供一种磁控电极装置，包含：第一电极组件；第一磁性 体组，具有复数个第一磁性体；第二电极组件；以及第二磁性体组，具有复数 个第二磁性体；其中，所述第一磁性体组中相邻的所述第一磁性体的磁极性彼 此相异，所述第二磁性体组中相邻的所述第二磁性体的磁极性彼此相异，且所 述第一磁性体组中所述第一磁性体的磁极性与相邻之所述第二磁性体组中所 述第二磁性体的磁极性彼此相异。

本发明的另一实施例提供一种等离子处理系统，包含：配置为真空或压力 气氛的容器；复数个磁控电极装置，所述磁控电极装置分别包括：电极组件； 及磁性体组，具有复数个磁性体；其中，所述磁性体组中相邻的所述磁性体的 磁极性彼此相异。

本发明的又一实施例提供一种等离子处理系统，包含：配置为真空或压力 气氛的容器；复数个磁控电极装置，排列成为互相平行的或等距的曲线的两个 序列结构，所述磁控电极装置分别包括：电极组件；及磁性体组，具有复数个 磁性体；其中，所述磁性体组中相邻的所述磁性体的磁极性彼此相异。

附图说明

图1A-1B显示本发明的实施例所揭示的磁控电极装置与所产生的磁力线的 截面示意图；

图2显示本发明的另一实施例所揭示的磁控电极装置与所产生的溅镀区域 的截面示意图；

图3显示应用本发明的又一实施例所揭示的等离子处理系统的示意图；以 及

图4A-4B显示应用本发明的再一实施例所揭示的等离子处理系统的示意图 。

具体实施方式

图1A-1B显示本发明的实施例所揭示的磁控电极装置10与所产生的磁力线 105，107的示意图。首先，如图1A所示，所述磁控电极装置10至少包含第一电 极组件112、第一磁性体组(由复数个第一磁性体114所组成)、第二电极组件122 及第二磁性体组(由复数个第二磁性体124所组成)。

如图1A-1B所示，所述第一磁性体组中相邻的所述第一磁性体114的磁极性 彼此相异，也就是配置为…-S-N-S-…的磁极性组态。同样地，所述第二磁性体 组中相邻的所述第二磁性体124的磁极性也彼此相异，且配置为…-N-S-N-…的 磁极性组态。此外，构成所述第一磁性体组中所述第一磁性体114的磁极性(例 如：S极)与相邻之所述第二磁性体组中所述第二磁性体124的磁极性(例如：N 极)彼此相异的组态。

如图1A所示，由所述第一磁性体114与所述第二磁性体124所产生的磁力线 105分别贯穿各自的靶材118，128，形成所述第一磁性体组中所述第一磁性体 114之间的闭合磁路及所述第二磁性体组中所述第二磁性体124之间的闭合磁 路。此外，如图1B所示，由所述第一磁性体114与所述第二磁性体124间所产生 的磁力线107也分别贯穿各所述靶材118，128，形成所述第一磁性体组中所述第 一磁性体114与所述第二磁性体组中所述第二磁性体124之间的闭合磁路。所述 磁力线105，107可在所述靶材上产生所欲的侵蚀区域，将靶材透过等离子气体沉 积在待处理基板(未绘示)的表面。

如图1A-1B所示，本发明的实施例所揭示的磁控电极装置10可进一步包含 第三电极组件132、由复数个第三磁性体134所组成的第三磁性体组以及围绕所 述第三电极组件132的靶材138。也就是说，虽然图1A-1B仅显示三组电极组件 与磁性体组，但所属领域的技术人员可清楚理解本发明的实施例所揭示的磁控 电极装置10可视需求而进一步扩充，特别是扩充为4，6，8...等偶数个磁控电极 装置。

此外，如图1B所示，可进一步施加电源于本发明的实施例所揭示的磁控电 极装置10，在施加电源VS1后，所述第一电极组件112与所述第二电极组件122 具有相异的电位极性，也就是说，两者间存在有电位差。同样地，在施加电源 VS2后，所述第三电极组件132与所述第二电极组件122具有相异的电位极性， 两者间存在有电位差。举例来说，所述电源VS1可采用直流偏压电源或者脉冲 偏压电源。藉由在电极组件之间施加偏压电源，能够在所述电极组件之间建立 电场，帮助达到特定的等离子气体密度，进一步提升溅镀的效果。虽然图1B显 示的电源为二个，但所属技术领域的技术人员当可在本发明的说明下，将二个 电源整合为一个电源，以进一步简化其设计。

图2显示本发明的另一实施例所揭示的磁控电极装置20与所产生的溅镀区 域R1，R2及R3的示意图。如图2所示，所述磁控电极装置20包含电极组件212， 222，232、复数个磁性体214，224，234及靶材218，228，238。由所述磁性体214， 224，234产生的磁力线分别在所述靶材218，228，238上产生所欲的侵蚀区域，将 靶材透过等离子气体沉积在位于溅镀区域R1，R2，R3内的待处理基板(未绘示)的 表面。在一优选实施例中，各所述磁控电极装置的各磁性体组之间的夹角可经 调整以控制侵蚀区域的大小。

图3显示应用本发明的又一实施例所揭示的等离子处理系统的示意图。所 述等离子处理系统系应用如图1A-1B及图2所述的磁控电极装置，将靶材透过等 离子气体沉积在待处理基板303的表面。如图3所示，所述等离子处理系统包含 配置为真空或压力气氛的容器301及复数个磁控电极装置(如磁控电极装置310， 320及330)，其中，所述复数个磁控电极装置排列成为互相平行的两个序列结构 。所述磁控电极装置310，320，330分别包括电极组件(如电极组件312，322及332) 及具有复数个磁性体(如磁性体314，324及334)的磁性体组。所述磁性体组中相 邻的所述磁性体的磁极性彼此相异，且呈现…-N-S-N-…或…-S-N-S-…的组态 。再者，在本发明的其它实施例中，所述复数个磁控电极装置排列成为等距的 曲线的两个序列结构。

在本发明的其它实施例中，如图3所显示相邻的所述电极组件(如电极组件 312，322及332)在施加电源(为清楚起见，省略绘示)后具有相异的电位极性以产 生电场，帮助达到特定的等离子气体密度，进一步提升溅镀的效果。

在本发明的其它实施例中，如图3所显示的各所述磁控电极装置(如磁控电 极装置310，320及330)的所述磁性体组(如磁性体314，324及334)之间相邻的所 述磁性体的磁极性彼此相异。举例而言，相邻的磁性体314与324分别配置有N 与S磁极性。

在本发明的再一实施例中，提供一种等离子处理系统，包含配置为真空或 压力气氛的容器及复数个磁控电极装置。所述磁控电极装置分别包括电极组件 及具有复数个磁性体之磁性体组，且其中所述磁性体组中相邻的所述磁性体的 磁极性彼此相异。

图4A显示应用本发明的再一实施例所揭示的等离子处理系统的示意图。所 述等离子处理系统系应用如图1A-1B及图2所述的磁控电极装置，将靶材透过等 离子气体沉积在待处理基板的表面。如图4A所示，复数个磁控电极装置419a 分别包括电极组件及具有复数个磁性体之磁性体组，且其中所述磁性体组中相 邻的所述磁性体的磁极性彼此相异。所述复数个磁控电极装置419a为偶数个且 间隔排列成为环状结构，且所述复数个磁控电极装置419a中相邻之电极组件在 施加电源(为清楚起见，省略绘示)后具有相异的电位极性。此外，所述系统另 可包含复数个与磁控电极装置419a对应的外部磁控电极装置410a，其也分别包 括外部电极组件及具有复数个外部磁性体之外部磁性体组，且其中所述外部磁 性体组中相邻的所述外部磁性体的磁极性也彼此相异。所述复数个外部磁控电 极装置410a也为偶数个且间隔排列成为环状结构，且所述复数个外部磁控电极 装置410a中相邻之外部电极组件在施加电源后也具有相异的电位极性。此外， 各所述磁控电极装置419a与外部磁控电极装置410a的所述磁性体组之间相邻的 所述磁性体的磁极性也彼此相异。如此一来，图4A的系统构成内、外磁路闭循 环的组态。

如图所示，该系统可进一步包含设置在该内磁路闭循环外部的至少一个基 板支架413a，以将靶材(为清楚起见，省略绘示)透过等离子气体沉积在所述至 少一个基板支架413a上待处理基板的表面上。此外，所述复数个外部磁控电极 装置410a及/或磁控电极装置419a是可转动的，或所述复数个外部磁控电极装置 410a及/或磁控电极装置419a中的电极组件是可自转的，且所述至少一个基板支 架413a可围绕着所述复数个磁控电极419a进行转动或移动，且基板支架413a也 可自转。

在本发明的其它实施例中，该系统可进一步包含配置在所述复数个磁控 电极装置419a下方相对位置的扼流装置417a，及/或包含配置在所述至少一 个基板支架413a外侧的加热装置(未绘示)，及/或包含提供处理气体的气体供 给部415a。

图4B显示应用本发明的再一实施例所揭示的等离子处理系统的另一示意 图。所述等离子处理系统系应用如图1A-1B及图2所述的磁控电极装置，将靶材 透过等离子气体沉积在待处理基板的表面。如图4B所示，复数个磁控电极装置 419b分别包括电极组件及具有复数个磁性体之磁性体组，且其中所述磁性体组 中相邻的所述磁性体的磁极性彼此相异。所述复数个磁控电极装置419b为偶数 个且间隔排列成为闭环之环状结构，且所述复数个磁控电极装置419b中相邻之 电极组件在施加电源(为清楚起见，省略绘示)后具有相异的电位极性。此外， 所述系统另可包含复数个与磁控电极装置419b对应的外部磁控电极装置410b， 其也分别包括外部电极组件及具有复数个外部磁性体之外部磁性体组，且其中 所述外部磁性体组中相邻的所述外部磁性体的磁极性也彼此相异。所述复数个 外部磁控电极装置410b也间隔排列成为环状结构，且所述复数个外部磁控电极 装置410b中相邻之外部电极组件在施加电源后也具有相异的电位极性。此外， 各所述磁控电极装置419b与外部磁控电极装置410b的所述磁性体组之间相邻 的所述磁性体的磁极性也彼此相异。如此一来，图4B的系统构成内磁路闭循环 而外磁路开环的组态。

如图所示，该系统可进一步包含设置在该内磁路闭循环外部的至少一个基 板支架413b，以将靶材(为清楚起见，省略绘示)透过等离子气体沉积在所述至 少一个基板支架413b上待处理基板的表面上。此外，所述复数个外部磁控电极 装置410b及/或磁控电极装置419b是可转动的，或所述复数个外部磁控电极装置 410a及/或磁控电极装置419a中的电极组件是可自转的，且所述至少一个基板支 架413b可围绕着所述复数个磁控电极419b进行转动或移动，且基板支架413b也 可自转。

在本发明的其它实施例中，该系统可进一步包含配置在所述复数个磁控 电极装置419b下方相对位置的扼流装置417b，及/或包含配置在所述至少一 个基板支架413b外侧的加热装置(未绘示)，及/或包含提供处理气体的气体供 给部415b。

在本发明的其它实施例中，待处理基板并不限于金属、玻璃、树脂和纤维 ，且其中所谓表面沉积是指在原基板表面覆盖非属于原基板特性的物质，用以 改善或改变其表面性质，以使其表面具有其非属于原基板的特性。

在本发明的其它实施例中，所述扼流装置可减少容器内尘埃漂移及减少容 器内扰流效应，提高沉积或刻蚀均匀性。

在本发明的其它实施例中，所述磁控电极装置是经过结构设计之平面、曲 面或圆柱磁控电极装置，其可加倍提高磁控电极的溅射速率同时减少过渡阴影 溅射区，进而连续获得高纯度与质量的电镀膜层。

本发明的其它实施例可在各磁控电极装置设置有磁性体组侧生成等离子。 生成的等离子主要在各磁控电极装置间沿半径方向的空间范围扩散，在半径方 向得到被强化的等离子密度。各磁控电极装置同时与其左侧相邻电极(如果有 配置)间生成等离子，且同时与其右侧相邻电极(如果有配置)间生成等离子 ，即在各磁控电极装置左，右侧同时生成等离子，在半径方向得到被多向强化的 等离子密度。即以本发明的磁控电极装置可在设置有磁性体组侧得到被强化且 被均匀化的等离子密度同时提高磁控电源能量的传输利用效率。

为了大批量获得连续的高质量和高纯度膜层，本发明的优选实施例可在其 待处理基板的待处理表面的面对侧设置经结构设计之平面、曲面或圆柱磁控电 极装置，异磁极性配合组成连续的或直至闭合的磁控电极装置组，等离子在磁 控电极装置的磁力线闭循环半径方向之空间范围扩散，集中形成高密度无间断 的等离子闭合空间体，能够避免等离子的过渡区和沉积阴影区，有效抑制未知 的中间附属反应产物，也更进一步提高电极材料的转移速率及其利用率。对于 等离子的空间形状和厚度，优选通过调节磁控电极装置内的磁性体间的距离及 相对夹角，同时配合改变磁性体间的相对位置和距离实现。由于磁场的边缘效 应导致磁控电极装置在两端磁场强度较中部稍弱，可以适当加强或加大这两端 的磁极同时补偿其边缘效应带来的上部和下部端面等离子密度偏弱的不均效 应。

藉由本发明所提出的等离子处理系统及磁控电极装置，可提升等离子处理 系统内等离子的密度，以达到高沉积速率同时改善沉积制程之可控制性与稳定 性。

虽然本发明的技术内容与特征为如上所述，然而，所属领域的技术人员仍 可在不背离本发明的教示与揭示内容的情况下进行许多变化与修改。因此，本 发明的范围并不限定于已揭示的实施例，而是包含不背离本发明的其它变化与 修改，其为如所附权利要求书所涵盖的范围。