TWI425115B - 電漿輔助化學氣相沈積裝置 - Google Patents

Description

電漿輔助化學氣相沈積裝置

本發明是有關於一種電漿輔助化學氣相沈積(CVD)裝置，且特別是有關於一種用以沈積薄膜於不規則三維標的物上的電漿輔助化學氣相沈積裝置。

刀具的材料對於加工效率、加工成本、加工品質及耐用性有很大的影響。隨著機械加工高速高效率的要求，及被加工的素材的硬度愈來愈高，刀具的耐磨性與高硬度的要求也愈來愈高。眾所周知，可在刀具表面上形成金屬氧化物(例如：氧化鋁)、金屬氮化物或金屬碳化物薄膜，來提升刀具之耐磨性、高硬度、耐腐蝕等特性。

習知之氧化鋁鍍膜的製造方法係於1000-1050℃間的製程條件使用化學氣相沉積來產生氧化鋁鍍膜。然而，此高溫製程易產生鍍膜與碳鎢底材間熱膨脹係數不同，而使鍍膜層拉伸應力超過極限而龜裂，亦會產生網狀冷裂纹、張應力不同、碳鎢底材的脫碳反應、碳化物的擴散效應等問的問題。由於化學氣相沉積技術所得到之鍍膜的韌性不佳，故另一習知鍍膜技術採用較低溫的物理氣相沉積(PVD)製程。然而，物理氣相沉積技術缺點為：鍍膜厚度會受到限制。

另一方面，均勻度亦是鍍膜相當重要的特性。用於處理半導體之習知噴頭通常係使在噴頭分配板與晶圓之間的氣流速度高度均勻化，以產生平整的膜厚。當使用習知噴頭時，反應氣體會在被提供到噴頭前就被電離，因而存在離子穿過噴頭時重新結合的問題。此外，習知之噴頭無法有效地處理切削刀具或具立體結構之標的物。

此外，又一習知技術提出使用單電極直流(DC)電流電漿輔助化學氣相沉積製程，其缺點為單電極式電漿輔助化學氣相沉積無法避免非導電層聚集電荷而產生電崩潰，尤其在尖角處因為電荷的聚集嚴重導致膜厚不均品質降低的問題，也影響電漿的穩定。

因此，亟需一種電漿輔助化學氣相沈積裝置，藉以降低製程溫度來提供具優良耐磨性、結晶相與硬度的鍍膜於具立體結構之標的物上，而無物理氣相沉積製程之膜厚受限的問題。

因此，本發明之一態樣就是在提供一種電漿輔助化學氣相沈積裝置，藉以降低化學氣相沈積製程的溫度，來提供具優良之耐磨性、結晶相與硬度的薄膜。

本發明之另一態樣是在提供一種電漿輔助化學氣相沈積裝置，藉以透過直立式氣體噴灑裝置的設計，來有效地處理切削刀具或具立體結構之標的物，以提供平整的膜厚於具立體結構之標的物上。

本發明之又一態樣是在提供一種電漿輔助化學氣相沈積裝置，藉以透過環狀雙電極的設計，來避免非導電層聚集電荷而產生電崩潰，以保持電漿的穩定。

根據本發明之上述目的，提出一種電漿輔助化學氣相沈積裝置，用以沈積一薄膜於至少一個三維標的物(例如：刀具)上。此電漿輔助化學氣相沈積裝置包含：腔體、真空源、氣體噴灑裝置、內電極單元、外電極單元、電源、至少一個承載裝置和加熱單元。真空源係連接於腔體，用以控制腔體之壓力。氣體噴灑裝置係直立於腔體中，並包含至少一中空本體，其中中空本體的側表面具有複數個貫穿孔，用以透過此些貫穿孔噴灑一反應氣體至腔體中。內電極單元係環繞設置於氣體噴灑裝置的周圍。外電極單元係環繞設置於內電極單元的周圍，其中反應氣體進入內電極單元與外電極單元之間。電源係電性連接至內電極單元與外電極單元，用以產生一電場於內電極單元與外電極單元之間。承載裝置係用以承載三維標的物，其中承載裝置係直立地設置於內電極單元與外電極單元之間。加熱單元係環繞設置於外電極單元的周圍，用以控制腔體之溫度。

在一實施例中，前述之中空本體為一圓柱體或一多邊柱體。

在又一實施例中，前述之中空本體之側表面的貫穿孔為圓孔、方孔或柵欄樣式開口，而貫穿孔為的剖面為梯形、平行四邊形或具圓滑側邊。

在又一實施例中，前述之氣體噴灑裝置係由第一中空本體和第二中空本體所組成，第一中空本體係環繞設置於第二中空本體的周圍，第一中空本體具複數個第一貫穿孔，第二中空本體具複數個第二貫穿孔，第一貫穿孔與第二貫穿孔並未對準。

在又一實施例中，前述之氣體噴灑裝置更包含：複數個檔板，其係設置於前述之中空本體之貫穿孔的內側，其中檔板與貫穿孔間具有間距。

在又一實施例中，前述之內電極單元係由複數個內電極元件所組成，前述之外電極單元係由複數個外電極元件所組成，內電極元件分別平行於外電極元件。

在又一實施例中，前述之內電極單元與外電極單元的側面分別為二孔洞板，藉以讓前述之反應氣體通過。孔洞板的孔洞樣式為圓孔、方孔或柵欄樣式開口。

在又一實施例中，前述之承載裝置可自轉。

在又一實施例中，前述之腔體的壓力係實質介於1 mtorr至760 torr之間，腔體的反應溫度係實質介於25℃至1500℃之間，前述之電源之頻率係實質介於1kHz至100 MHz之間，而所沈積之薄膜的材質係鈦(Ti)、鋁(Al)或矽(Si)與碳(C)、氧(O)、氮(N)或硼(B)所結合之一化合物。

在又一實施例中，電漿輔助化學氣相沈積裝置更包含：一閘門，其係設置於前述之腔體的頂面，用以存取前述之承載裝置。

由本發明之實施例可知，本發明可降低化學氣相沈積製程的溫度，以提供具優良之耐磨性、結晶相與硬度的薄膜；可有效地處理切削刀具或具立體結構之標的物，以提供平整的膜厚於具立體結構之標的物上；可避免非導電層聚集電荷而產生電崩潰，以保持電漿的穩定。

本發明主要是使用低溫電漿輔助化學氣相沉積裝置，來鍍例如鈦(Ti)、鋁(Al)、矽(Si)分別與碳(C)、氧(O)、氮(N)、硼(B)結合之各種化合物。應用本發明之裝置所進行的電漿輔助化學氣相沉積製程可得到較好的鍍膜附著力，且可得到三維的均勻鍍膜結果，因而提高基材的使用種類與效率。本發明另提供了用於對具立體結構之標的物(三維基材)鍍膜的氣體分離型噴頭(氣體噴灑裝置)，其可將反應氣體均勻地擴散至腔體中，以利用電漿輔助化學氣相沉積方法將薄膜均勻的沉積在不規則三維基材上，而達到優良的膜厚均一性。

請參照第1A圖和第1B圖，第1A圖係繪示依照本發明之一實施例之電漿輔助化學氣相沈積裝置的配置示意圖；第1B圖係繪示依照本發明之一實施例之沿第1A圖之切線A-A’觀之的剖面示意圖。本發明之電漿輔助化學氣相沈積裝置係用以沈積一薄膜於至少一個三維標的物上。此電漿輔助化學氣相沈積裝置包含：腔體160、真空源106、閘門108、氣體噴灑裝置110、內電極單元120、外電極單元122、電源104、至少一個承載裝置140和加熱單元130。真空源106係連接於腔體160，用以控制腔體160之壓力。氣體噴灑裝置110係直立於腔體160中，並包含至少一個中空本體112，其中中空本體112的側表面具有複數個貫穿孔116，用以透過此些貫穿孔116噴灑一反應氣體至腔體160中。內電極單元120係環繞設置於氣體噴灑裝置110的周圍，而外電極單元122係環繞設置於內電極單元120的周圍，並與內電極單元120相距有一至距離，以使反應氣體進入內電極單元120與外電極單元122之間。電源104係電性連接至內電極單元120與外電極單元122，用以產生一電場於內電極單元120與外電極單元122之間，來使反應氣體游離而產生電漿。本發明係藉由電漿的形成，來降低化學氣相沈積製程的溫度，因而提供具優良之耐磨性、結晶相與硬度的薄膜。承載裝置140係係直立地設置於內電極單元與外電極單元之間，以承載多個三維標的物150，例如：刀具。加熱單元130係環繞設置於外電極單元122的周圍，用以控制腔體160之溫度。閘門108係設置腔體160的頂面，用以方便使用者存取承載裝置140，來安裝或卸下三維標的物150。

如第1B圖所示，本發明透過環狀雙電極(內電極單元120與外電極單元122)的設計，來避免非導電層聚集電荷而產生電崩潰，以保持電漿的穩定。在本實施例中，中空本體112、內電極單元120、外電極單元122、加熱單元130的形狀可為圓柱體。然而，這些組件的的形狀可為多邊柱體。請參照第1C圖，第1C圖係繪示依照本發明之又一實施例之沿第1A圖之切線A-A’觀之的剖面示意圖。在又一實施例中，中空本體112、內電極單元120、外電極單元122、加熱單元130的形狀為四邊柱體。此外，請參照第1D圖，其係繪示依照本發明之又一實施例之沿第1A圖之切線A-A’觀之的剖面示意圖。為讓反應氣體容易地進出內電極單元和外電極單元，內電極單元可由複數個內電極元件120a所組成，而外電極單元係由複數個外電極元件122a所組成，其中內電極元件120a分別平行於外電極元件122a。

值得一提的是，本發明之腔體160的壓力係實質介於1 mtorr至760 torr之間，而其的反應溫度係實質介於25℃至1500℃之間。電源104可為交流或直流電源，其頻率係實質介於1kHz至100 MHz之間。本發明之裝置可沈積之薄膜的材質係鈦(Ti)、鋁(Al)或矽(Si)與碳(C)、氧(O)、氮(N)或硼(B)所結合之化合物。

請參照第2A圖至第2F圖，其分別繪示依照本發明之各種實施例之電氣體噴灑裝置110的結構示意圖。中空本體112之側表面的貫穿孔可為例如：圓孔(如第2A圖所示之貫穿孔116a)或柵欄樣式開口(如第2B圖所示之貫穿孔116b)等。然而，中空本體112之貫穿孔的亦可為任意形狀之孔洞，例如：方孔(未繪示)。換言之，中空本體112之貫穿孔為的剖面可為例如：梯形(如第2C圖所示之貫穿孔116c)、平行四邊形(如第2D圖所示之貫穿孔116d)或具圓滑側邊(未繪示)。

在此，值得一提的是，與中空本體112的結構相類似，前述之內電極單元120和外電極單元122的側面可分別為孔洞板，而孔洞板的孔洞樣式亦可為圓孔、方孔或柵欄樣式。換言之，在內電極單元120和外電極單元122的側面上形成圓孔、方孔或柵欄樣式開口，以方便反應氣體進出。

反應氣體A和B可分別由通道114流入中空本體112中(如第2C圖所示)，亦可先混合後再一起流入中空本體112中(如第2D圖所示)。此外，如第2D圖所示，氣體噴灑裝置110可更包含複數個檔板170，每一個檔板170係設置於中空本體112之具梯形剖面之貫穿孔116d的內側，且與貫穿孔116d間具有間距。當反應氣體A和B碰撞檔板170後，會被分散地噴入腔體中。加上，貫穿孔116d的內側直徑大於其外側直徑，更可進一步的分散反應氣體A和B，而使反應氣體A和B更均勻地被噴入腔體中。

如第2E圖所示，本發明之中空本體的形狀可為圓柱體112的形狀可為圓柱體或任何多邊柱體。同樣地，本發明之內電極單元、外電極單元、加熱單元亦可為圓柱體或任何多邊柱體。

此外，如第2E圖所示，本發明之氣體噴灑裝置可由第一中空本體112a和第二中空本體112b所組成，其中第一中空本體112a係環繞設置於第二中空本體112b的周圍。第一中空本體112a具複數個第一貫穿孔116e，第二中空本體112b具複數個第二貫穿孔116f，其中第一貫穿孔116e與第二貫穿孔116f並未對準。當反應氣體由通道114流入第二中空本體112b後，會先從第二貫穿孔116f噴出，此時，由於第一貫穿孔116e與第二貫穿孔116f並未對準，反應氣體會碰撞到第一中空本體112a的側壁，達到氣體均勻化的效果後再由第一貫穿孔116e噴出。換言之，第一中空本體112a的側壁具有如第2D圖所示之檔板170的功能。為增加氣體均勻化的效果，亦可使第二貫穿孔116f的孔徑大於第一貫穿孔116e的孔徑，但第一貫穿孔116e的數目較多。

由上述之實施例可知，本發明之優點為：可降低化學氣相沈積製程的溫度，以提供具優良之耐磨性、結晶相與硬度的薄膜；可有效地處理切削刀具或具立體結構之標的物，以提供平整的膜厚於具立體結構之標的物上；可避免非導電層聚集電荷而產生電崩潰，以保持電漿的穩定。

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，任何在此技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

104．．．電源

106．．．真空源

108．．．閘門

110．．．氣體噴灑裝置

112．．．中空本體

112a．．．第一中空本體

112b．．．第二中空本體

114．．．通道

116．．．貫穿孔

116a．．．貫穿孔

116b．．．貫穿孔

116c．．．貫穿孔

116d．．．貫穿孔

116e．．．貫穿孔

116f．．．貫穿孔

120．．．內電極單元

120a．．．內電極元件

122．．．外電極單元

122a．．．外電極元件

130．．．加熱單元

140．．．承載裝置

150．．．三維標的物

160．．．腔體

170．．．檔板

A、B．．．反應氣體

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1A圖係繪示依照本發明之一實施例之電漿輔助化學氣相沈積裝置的配置示意圖。

第1B圖係繪示依照本發明之一實施例之沿第1A圖之切線A-A’觀之的剖面示意圖。

第1C圖係繪示依照本發明之又一實施例之沿第1A圖之切線A-A’觀之的剖面示意圖。

第1D圖係繪示依照本發明之又一實施例之沿第1A圖之切線A-A’觀之的剖面示意圖。

第2A圖至第2F圖係分別繪示依照本發明之各種實施例之電氣體噴灑裝置的結構示意圖。

104．．．電源

106．．．真空源

108．．．閘門

110．．．氣體噴灑裝置

112．．．中空本體

116．．．貫穿孔

120．．．內電極單元

122．．．外電極單元

130．．．加熱單元

140．．．承載裝置

150．．．三維標的物

160．．．腔體

Claims (11)

1. 一種電漿輔助化學氣相沈積裝置，用以沈積一薄膜於至少一三維標的物上，該電漿輔助化學氣相沈積裝置包含：一腔體；一真空源，連接於該腔體，用以控制該腔體之壓力；一氣體噴灑裝置，直立於該腔體中，其中該氣體噴灑裝置包含至少一中空本體，其中該中空本體的側表面具有複數個貫穿孔，用以透過該些貫穿孔噴灑一反應氣體至該腔體中；一內電極單元，環繞設置於該氣體噴灑裝置的周圍；一外電極單元，環繞設置於該內電極單元的周圍，其中該反應氣體進入該內電極單元與該外電極單元之間；一電源，電性連接至該內電極單元與該外電極單元，用以產生一電場於該內電極單元與該外電極單元之間；至少一承載裝置，用以承載該三維標的物，其中該承載裝置係直立地設置於該內電極單元與該外電極單元之間；以及一加熱單元，環繞設置於該外電極單元的周圍，用以控制該腔體之溫度。
2. 如請求項1所述之電漿輔助化學氣相沈積裝置，其中該中空本體為一圓柱體或一多邊柱體。
3. 如請求項1所述之電漿輔助化學氣相沈積裝置，其中該些貫穿孔為圓孔、方孔或柵欄樣式開口，而該些貫穿孔為的剖面為梯形、平行四邊形或具圓滑側邊。
4. 如請求項1所述之電漿輔助化學氣相沈積裝置，其中該氣體噴灑裝置係由一第一中空本體和一第二中空本體所組成，該第一中空本體係環繞設置於該第二中空本體的周圍，該第一中空本體具複數個第一貫穿孔，該第二中空本體具複數個第二貫穿孔，該些第一貫穿孔與該些第二貫穿孔並未對準。
5. 如請求項1所述之電漿輔助化學氣相沈積裝置，其中該氣體噴灑裝置更包含：複數個檔板，設置於該中空本體之該些貫穿孔的內側，其中該些檔板與該些貫穿孔間具有間距。
6. 如請求項1所述之電漿輔助化學氣相沈積裝置，其中該內電極單元係由複數個內電極元件所組成，該外電極單元係由複數個外電極元件所組成，該些內電極元件分別平行於該些外電極元件。
7. 如請求項1所述之電漿輔助化學氣相沈積裝置，其中該內電極單元與該外電極單元的側面分別為二孔洞板，藉以讓該反應氣體通過。
8. 如請求項7所述之電漿輔助化學氣相沈積裝置，其中該些孔洞板的孔洞樣式為圓孔、方孔或柵欄樣式開口。
9. 如請求項1所述之電漿輔助化學氣相沈積裝置，其中該承載裝置可自轉。
10. 如請求項1所述之電漿輔助化學氣相沈積裝置，其中該腔體的壓力係實質介於1 mtorr至760 torr之間，該腔體的反應溫度係實質介於25℃至1500℃之間，該電源之頻率係實質介於1kHz至100 MHz之間，該薄膜的材質係鈦(Ti)、鋁(Al)或矽(Si)與碳(C)、氧(O)、氮(N)或硼(B)所結合之一化合物。
11. 如請求項1所述之電漿輔助化學氣相沈積裝置，包含：一閘門，設置該腔體的頂面，用以存取該承載裝置。