TW201936959A

TW201936959A - 使用濺射蝕刻以中止厚膜中結晶發生的pvd二氧化鈦形成

Info

Publication number: TW201936959A
Application number: TW108105270A
Authority: TW
Inventors: 卡爾阿姆斯壯; 晉欣傅
Original assignee: 美商應用材料股份有限公司
Priority date: 2018-02-19
Filing date: 2019-02-18
Publication date: 2019-09-16
Also published as: JP7177161B2; TWI796438B; JP2021515095A; TW202231897A; CN111819303A; US11008647B2; JP7487267B2; CN111819303B; JP2022176987A; EP3755823A1; EP3755823A4; KR20200110814A; WO2019160674A1; TWI845907B; JP7177161B6; KR102551020B1; US20190256967A1

Abstract

本案所述的實施例提供形成非結晶或奈米結晶陶瓷膜之方法。方法包括使用物理氣相沉積（PVD）製程在基板上沉積陶瓷層；當陶瓷層具有預定的層厚度時中斷PVD製程；以預定的時段濺射蝕刻陶瓷層；及重複使用PVD製程沉積該陶瓷層之步驟、中斷PVD製程之步驟及濺射蝕刻陶瓷層之步驟，直到形成具有預定的膜厚度的陶瓷膜。

Description

使用濺射蝕刻以中止厚膜中結晶發生的PVD二氧化鈦形成

本揭示案的實施例大致關於形成陶瓷膜。更具體而言，本揭示案的實施例關於形成非結晶或奈米結晶之方法。

諸如二氧化鈦（TiO₂ ）的陶瓷膜用於形成例如波導、彩色過濾器及二維透鏡的光學裝置。此等裝置的功能受到形成具有非常精細細節的準確形狀之能力的影響。

在沉積例如具有大於500埃（Å）的厚度的二氧化鈦（TiO₂ ）的厚陶瓷膜期間，膜的結構從非結晶或奈米結晶結構移動成結晶結構。大型的結晶結構不良地影響將陶瓷膜圖案化以作成平滑結構的能力，因為圖案化的側壁、厚陶瓷膜具有過大的粗糙度。當前方法包括在膜成長期間使用較低的基板溫度，以阻止結晶形成的開始。然而，較低的基板溫度僅短暫地抑制結晶形成，且大於500Å的陶瓷膜將展現大型的結晶形成。

因此，本領域中需要形成厚的、非結晶或奈米結晶陶瓷膜之改良的方法。

在一個實施例中，提供一種方法。方法包括使用物理氣相沉積（PVD）製程在基板上沉積陶瓷層；當陶瓷層具有預定的層厚度時中斷PVD製程；以預定的時段濺射蝕刻陶瓷層；及重複使用PVD操作沉積該陶瓷層之步驟、中斷PVD製程之步驟及濺射蝕刻陶瓷層之步驟，直到形成具有預定的膜厚度的陶瓷膜。

在另一實施例中，提供一種方法。方法包括將基板引入物理氣相沉積（PVD）腔室，且使用PVD製程在基板上沉積陶瓷層；當陶瓷層具有預定的層厚度時中斷PVD製程，且將基板從PVD腔室移除；將基板引入濺射蝕刻腔室，且以預定的時段濺射蝕刻陶瓷層；及重複使用PVD製程沉積陶瓷層之步驟、中斷PVD製程之步驟及濺射蝕刻陶瓷層之步驟，直到形成具有預定的膜厚度的陶瓷膜。

在又一實施例中，提供一種方法。方法包括將基板引入物理氣相沉積（PVD）腔室。PVD腔室具有藉由腔室主體界定的處理空間。處理空間包括標靶及可操作以支撐基板的底座。標靶連接至標靶開關，當將標靶接合連接至DC電源供應器時，標靶開關可操作以提供脈衝DC功率至標靶。底座連接至底座開關，當將底座接合連接至脈衝射頻（RF）電源供應器時，底座開關可操作以提供RF功率至底座。使用PVD製程在基板上沉積陶瓷層。PVD製程包括提供濺射氣體的第一流及反應氣流至處理空間，且將標靶連接至DC電源供應器。當陶瓷層具有預定的層厚度時，中斷PVD製程。在PVD腔室中，以預定的時段濺射蝕刻陶瓷。濺射蝕刻包括提供濺射氣體的第二流至處理空間，且將底座連接至RF電源供應器。重複使用PVD製程沉積陶瓷層之步驟、中斷PVD製程之步驟及濺射蝕刻陶瓷層之步驟，直到形成具有預定的膜厚度的陶瓷膜。

此處所述的實施例為形成非結晶或奈米結晶陶瓷膜之方法。方法包括使用物理氣相沉積（PVD）製程在基板上沉積陶瓷層；當陶瓷層具有預定的層厚度時中斷PVD製程；以預定的時段濺射蝕刻陶瓷層；及重複使用PVD製程沉積該陶瓷層之步驟、中斷PVD製程之步驟及濺射蝕刻陶瓷層之步驟，直到形成具有預定的膜厚度的陶瓷膜。

第1圖為流程圖，圖示用於形成如第2A-2C圖中所顯示的非結晶或奈米結晶陶瓷膜200之方法100的操作。可利用例如從位於美國加州聖克拉拉市的應用材料公司購得的Endura濺射系統的自動化、多重腔室的物理氣相沉積（PVD）系統，來實行方法100，用於形成非結晶或奈米結晶陶瓷膜200。

在操作101之前，基板201可引入裝載閘腔室中的高真空條件，且轉換至用於基板製備步驟的腔室以從基板201解吸出水。基板201可為矽晶圓或包含玻璃、石英或在光學裝置形成中使用的其他材料的晶圓。在可與此處所述的其他實施例結合的一個實施例中，晶圓製備步驟包括在輻射加熱腔室中除氣。在可與此處所述的其他實施例結合的另一實施例中，晶圓製備步驟包括在濺射蝕刻腔室中濺射蝕刻。

於操作101處，使用PVD製程在基板上沉積第一陶瓷層202a。在可與此處所述的其他實施例結合的一個實施例中，PVD製程為濺射沉積製程。將基板201引入PVD腔室，且利用諸如氬氣（Ar）的濺射氣體以及諸如氧氣（O₂ ）的反應氣體的電漿沉積第一陶瓷層202a，而以氬離子衝擊負偏壓的標靶來濺射標靶材料的原子，此後以標靶材料的層塗佈基板。沉積的標靶材料與反應氣體反應以形成陶瓷層。第一陶瓷層202a可包括二氧化鈦（TiO₂ ）、五氧化二鉭（Ta₂ O₅ ）或氧化鋁（III）（Al₂ O₃ ）材料。在可與此處所述的其他實施例結合的一個實施例中，濺射氣體包括Ar，反應氣體包括O₂ ，且標靶材料包括鈦（Ti），以形成TiO₂ 層。

根據可與此處所述的其他實施例結合的一個實施例，PVD製程在PVD腔室300A中實行。應理解此處所述的PVD腔室300A為範例PVD腔室，且包括來自其他製造商的PVD腔室之其他PVD腔室可使用或修改以完成本揭示案之態樣。如第3A圖中所顯示，PVD腔室300A的剖面示意圖，PVD腔室300A包括藉由腔室主體301界定的處理空間302。處理空間302具有標靶310及可操作以支撐基板201的底座304。底座304藉由連接至抬升系統（未顯示）的桿306而耦合至且可移動地佈置於處理空間302中，抬升系統在升高的處理位置及降低的位置之間移動底座304，降低的位置促進基板201通過腔室主體301的開口308而傳送進出PVD腔室300A。

標靶310連接至電源供應器312，例如DC電源供應器、RF電源供應器、AC電源供應器、脈衝DC電源供應器、及脈衝RF電源供應器。例如質量流控制（MFC）裝置的濺射氣體流控制器318佈置於濺射氣體源314及處理空間302之間，以控制濺射氣流動從濺射氣體源314至處理空間302。例如MFC裝置的反應氣體流控制器320佈置於反應氣體源316及處理空間302之間，以控制反應氣流動從反應氣體源316至處理空間302。在可與此處所述的其他實施例結合的一個實施例中，Ar的流率為約20sccm至約100sccm，且O₂ 的流率為約20sccm至約100sccm。控制器303耦合至PVD腔室300A，且配置成在處理期間控制PVD腔室300A的態樣。在操作101處，標靶310透過脈衝DC電源供應器提供脈衝DC功率而負偏壓。應理解儘管第1圖及第3A圖的討論參考脈衝DC功率，操作101考量由以上提及的其他電源供應器實行，而理解可發生適當的調整以適應不同的電源供應器。在可與此處所述的其他實施例結合的一個實施例中，脈衝DC功率具有約100千赫茲（kHz）的頻率，約50%至約90%的工作週期（例如70%），及約1千瓦（kW）至約10kW的功率位準。在可與此處所述的其他實施例結合的另一實施例中，提供脈衝DC功率約100秒至約300秒。

根據可與此處所述的其他實施例結合的另一實施例，PVD製程在物理氣相沉積（PVD）腔室300C中實行。應理解此處所述的PVD腔室300C為範例PVD腔室，且包括來自其他製造商的PVD腔室之其他PVD腔室可使用或修改以完成本揭示案之態樣。如第3C圖中所顯示，PVD腔室300C的剖面示意圖，PVD腔室300C包括藉由腔室主體301界定的處理空間302、底座304、桿306、開口308、佈置於濺射氣體源314及處理空間302之間的濺射氣體流控制器318、佈置於反應氣體源316及處理空間302之間的反應氣體流控制器320。在可與此處所述的其他實施例結合的一個實施例中，Ar的流率為約20sccm至約100sccm，且O₂ 的流率為約20sccm至約100sccm。當標靶310連接至電源供應器312時，標靶310連接至標靶開關326，例如DC電源供應器、RF電源供應器、AC電源供應器、脈衝DC電源供應器、及脈衝RF電源供應器。舉例而言，在第3C圖中，標靶310連接至脈衝DC電源供應器。在操作101處，標靶310透過電源供應器312提供脈衝DC功率而負偏壓。應理解儘管第1圖及第3C圖的討論參考脈衝DC功率，操作101考量由以上提及的其他電源供應器實行，而理解可發生適當的調整以適應不同的電源供應器。在可與此處所述的其他實施例結合的一個實施例中，脈衝DC功率具有約100 kHz的頻率，約50%至約90%的工作週期（例如70%），及約1kW至約10kW的功率位準。在可與此處所述的其他實施例結合的另一實施例中，提供脈衝DC功率約100秒至約300秒。

底座304連接至底座開關330，當接合時，底座開關將底座304連接至電源供應器324，例如DC電源供應器、RF電源供應器、AC電源供應器、脈衝DC電源供應器、及脈衝RF電源供應器。在操作103處，如此處進一步說明，底座304透過電源供應器324提供RF功率而負偏壓。應理解儘管第1圖及第3C圖的討論參考RF功率，操作103考量由以上提及的其他電源供應器實行，而理解可發生適當的調整以適應不同的電源供應器。PVD腔室300C可操作以獨立偏壓標靶310及底座304，允許操作101-104在相同的PVD腔室300C中實行。控制器307耦合至PVD腔室300C，且配置成控制PVD腔室300C的態樣，例如在處理期間連接標靶開關326及連接底座開關330。

在操作102處，當第一陶瓷層202a具有預定的層厚度203時中斷PVD製程。預定的層厚度203對應至小於發生大型結晶形成的點的厚度。在可與此處所述的其他實施例結合的一個實施例中，第一陶瓷層202a為TiO₂ 層，且發生大型結晶形成的點為約500Å。因此，預定的層厚度203為小於500Å，例如約400Å。PVD製程的中斷使得陶瓷層停止成長。在可與此處所述的其他實施例結合的一個實施例中，當PVD製程中斷時，基板201從PVD腔室300A移除，且引入此處進一步詳細說明的濺射蝕刻腔室300B。為了抑制大型結晶形成的開始，獨立於PVD製程實行濺射蝕刻製程。

在操作103處，以預定的時段實行濺射蝕刻製程。為了抑制大型結晶形成的開始，獨立於PVD製程實行濺射蝕刻處理。儘管可在PVD製程期間偏壓基板201以形成較平滑層，但大型結晶形成的開始不會被抑制。濺射蝕刻製程為利用例如Ar的濺射氣體的電漿來衝擊以氬離子負偏壓的基板201，而破壞第一陶瓷層202a且分裂形成於第一陶瓷層202a上的大型結晶成核位點。然而，可能不存在大型結晶成核位點，因為相對應至大型結晶成核位點的點的預定的層厚度203可能不存在。預定的時段相對應至必須破壞第一陶瓷層202a且分裂可能已經形成在第一陶瓷層202a上的大型結晶成核位點的時段。在可與此處所述的其他實施例結合的一個實施例中，濺射蝕刻製程對TiO₂ 層實行約5秒至約25秒，且僅移除數埃的陶瓷層。

根據可與此處所述的其他實施例結合的一個實施例，濺射蝕刻製程在濺射蝕刻腔室300B中實行。應理解此處所述的濺射蝕刻腔室300B為範例濺射蝕刻腔室，且包括來自其他製造商的濺射蝕刻腔室之其他濺射蝕刻腔室可使用或修改以完成本揭示案之態樣。如第3B圖中所顯示，濺射蝕刻腔室300B的剖面示意圖，濺射蝕刻腔室300B包括藉由腔室主體301界定的處理空間302、底座304、桿306及開口308。底座304連接至電源供應器322，例如DC電源供應器、RF電源供應器、AC電源供應器、脈衝DC電源供應器、及脈衝RF電源供應器。在可與此處所述的其他實施例結合的一個實施例中，電源供應器322為RF電源供應器，且濺射蝕刻腔室300B包括透過匹配電路332耦合至RF電源供應器334的複數個線圈336。在操作103處，底座304透過RF電源供應器提供第一RF功率且提供第二RF功率至複數個線圈336而負偏壓。應理解儘管第1圖及第3B圖的討論參考RF功率，操作103考量由以上提及的其他電源供應器實行，而理解可發生適當的調整以適應不同的電源供應器。在可與此處所述的其他實施例結合的一個實施例中，第一RF功率具有約13.56兆赫茲（MHz）的第一頻率，及約50瓦（W）至約300W的第一功率。第二RF功率具有約400兆赫茲或kHz的第二頻率，及約50瓦（W）至約300W的第二功率。在可與此處所述的其他實施例結合的另一實施例中，提供第一RF功率及第二RF功率約100秒至約300秒。在操作103處，佈置於濺射氣體源314之間的濺射氣體流控制器318提供濺射氣流從濺射氣體源314至處理空間302。在可與此處所述的其他實施例結合的一個實施例中，Ar的流率為約20sccm至約100sccm。控制器305耦合至濺射蝕刻腔室300B，且配置成在處理期間控制濺射蝕刻腔室300B的態樣。

在操作104處，重複使用PVD製程沉積陶瓷層、中斷PVD製程及濺射蝕刻製程，以形成複數個陶瓷層202a、202b、202c、202d、202e、……、202n，直到形成取決於裝置的類型而具有預定的膜厚度204的非結晶或奈米結晶陶瓷膜200。在可與此處所述的其他實施例結合的一個實施例中，使用PVD製程沉積TiO₂ 層，於約400Å的預定的層厚度中斷PVD製程，且以約15秒的預定的時段實行濺射蝕刻製程。使用PVD製程沉積TiO₂ 層、中斷PVD製程及濺射蝕刻處理重複5次，直到形成具有約2400Å的厚度的TiO₂ 膜。

綜上所述，此處說明形成厚的、非結晶或奈米結晶陶瓷膜之改良的方法。獨立於PVD製程實行濺射蝕刻製程之利用藉由破壞陶瓷層且分裂形成於陶瓷層上的大型結晶成核位點來抑制大型結晶形成的開始。重複使用PVD製程沉積陶瓷層、中斷PVD製程及濺射蝕刻允許形成不具有大型結晶成形的厚的、非結晶或奈米結晶陶瓷膜。不具有大型結晶形成的非結晶或奈米結晶陶瓷膜可圖案化，以便形成具有平滑側壁的準確形狀，且可定制以具有高折射率及低吸收率，而在例如波導、彩色過濾器及二維透鏡的光學裝置中使用。

儘管以上導向本揭示案的實施例，可衍生本揭示案的其他及進一步範例而不會悖離其基本範疇，且其範疇藉由以下的申請專利範圍來決定。

100‧‧‧方法

101-104‧‧‧操作

200‧‧‧奈米結晶陶瓷膜

201‧‧‧基板

202a-202n‧‧‧陶瓷層

203‧‧‧預定的層厚度

204‧‧‧預定的膜厚度

300A‧‧‧PVD腔室

300B‧‧‧濺射蝕刻腔室

300C‧‧‧腔室

301‧‧‧腔室主體

302‧‧‧處理空間

303‧‧‧控制器

304‧‧‧底座

305‧‧‧控制器

306‧‧‧桿

307‧‧‧控制器

308‧‧‧開口

310‧‧‧標靶

312‧‧‧電源供應器

314‧‧‧濺射氣體源

316‧‧‧反應氣體源

318‧‧‧濺射氣體流控制器

320‧‧‧反應氣體流控制器

322‧‧‧電源供應器

324‧‧‧電源供應器

326‧‧‧標靶開關

330‧‧‧底座開關

332‧‧‧匹配電路

334‧‧‧RF電源供應器

336‧‧‧線圈

本揭示案以上所載之特徵可更詳細理解之方式說明，以上簡要概述的本揭示案的更特定說明可參考實施例而獲得，某些實施例在隨附圖式中圖示。然而，應理解隨附圖式僅為範例實施例，且因此不應考慮為其範疇之限制，且可認可其他均等效果的實施例。

第1圖為根據實施例之圖示用於形成非結晶或奈米結晶陶瓷膜之方法的操作之流程圖。

第2A-2C圖為根據實施例之在形成非結晶或奈米結晶陶瓷膜之方法期間，基板的剖面示意圖。

第3A圖根據實施例，為物理氣相沉積（PVD）腔室之剖面示意圖。

第3B圖根據實施例，為濺射蝕刻腔室之剖面示意圖。

第3C圖根據實施例，為PVD腔室之剖面示意圖。

為了促進理解，已儘可能地使用相同的元件符號代表共通圖式中相同的元件。應考量一個實施例的元件及特徵可有益地併入其他實施例中而無須進一步說明。

國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記)
無

國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記)
無

Claims

一種方法，包含以下步驟：使用一物理氣相沉積（PVD）製程在一基板上沉積一陶瓷層；當該陶瓷層具有一預定的層厚度時中斷該PVD製程；以一預定的時段濺射蝕刻該陶瓷層；及重複使用該PVD製程沉積該陶瓷層之該步驟、中斷該PVD製程之該步驟及濺射蝕刻該陶瓷層之該步驟，直到形成具有一預定的膜厚度的一陶瓷膜。
如請求項1所述之方法，其中使用該PVD製程沉積該陶瓷層之該步驟進一步包含以下步驟：將該基板引入一PVD腔室中。
如請求項2所述之方法，其中中斷該PVD製程之該步驟進一步包含以下步驟：從該PVD腔室移除該基板。
如請求項3所述之方法，其中濺射蝕刻該陶瓷層之該步驟進一步包含以下步驟：將該基板引入一濺射蝕刻腔室。
如請求項4所述之方法，進一步包含以下至少一個步驟：在一輻射加熱腔室中對該基板除氣；及在一初始引入該基板至該PVD腔室之前，於該濺射蝕刻腔室中濺射蝕刻該基板。
如請求項1所述之方法，其中該陶瓷層及該陶瓷膜實質上以二氧化鈦（TiO₂ ）材料組成。
如請求項6所述之方法，其中該預定的層厚度小於500埃（Å）。
如請求項7所述之方法，其中該預定的層厚度為約400Å。
如請求項8所述之方法，其中該預定的時段為約5秒至約25秒。
如請求項1所述之方法，其中該陶瓷層及該陶瓷膜包含TiO₂ 、五氧化二鉭（Ta₂ O₅ ）或氧化鋁（III）（Al₂ O₃ ）材料。
如請求項1所述之方法，其中使用該PVD製程沉積該陶瓷層之該步驟、中斷該PVD製程之該步驟、及濺射蝕刻該陶瓷層之該步驟，直到形成具有該預定的膜厚度的該陶瓷膜，是在相同的該PVD腔室中實行。
一種方法，包含以下步驟：將一基板引入一物理氣相沉積（PVD）腔室，且使用一PVD製程在該基板上沉積一陶瓷層；當該陶瓷層具有一預定的層厚度時中斷該PVD製程，且將該基板從該PVD腔室移除；將該基板引入一濺射蝕刻腔室，且以一預定的時段濺射蝕刻該陶瓷層；及重複使用該PVD製程沉積該陶瓷層之該步驟、中斷該PVD製程之該步驟及濺射蝕刻該陶瓷層之該步驟，直到形成具有一預定的膜厚度的一陶瓷膜。
如請求項12所述之方法，其中該陶瓷層及該陶瓷膜實質上以二氧化鈦（TiO₂ ）材料組成。
如請求項13所述之方法，其中該預定的層厚度小於約500埃（Å）。
如請求項14所述之方法，其中該預定的時段為約5秒至約25秒。
如請求項12所述之方法，進一步包含以下至少一個步驟：在一輻射加熱腔室中對該基板除氣；及在一初始引入該基板至該PVD腔室之前，於該濺射蝕刻腔室中先濺射蝕刻該基板。
如請求項12所述之方法，其中該陶瓷層及該陶瓷膜包含TiO₂ 、五氧化二鉭（Ta₂ O₅ ）或氧化鋁（III）（Al₂ O₃ ）材料。
一種方法，包含以下步驟：將一基板引入一物理氣相沉積（PVD）腔室，該PVD腔室包含藉由一腔室主體界定的一處理空間，該處理空間具有：一標靶，該標靶連接至一標靶開關，當將該標靶接合連接至一DC電源供應器時，該標靶開關可操作以提供一脈衝DC功率至該標靶；及一底座，可操作以支撐該基板，該底座連接至一底座開關，當將該底座接合連接至一脈衝射頻（RF）電源供應器時，該底座開關可操作以提供一RF功率至該底座；使用一PVD製程在該基板上沉積一陶瓷層，該PVD製程包含：提供一濺射氣體的一第一流及一反應氣體的一流至該處理空間；及將該標靶連接至該DC電源供應器；當該陶瓷層具有一預定的層厚度時，中斷該PVD製程；在該PVD腔室中，於該PVD腔室中以一預定的時段濺射蝕刻該陶瓷，該濺射蝕刻包含以下步驟：提供一濺射氣體的一第二流至該處理空間；及將該底座連接至該RF電源供應器；及重複使用該PVD製程沉積該陶瓷層之該步驟、中斷該PVD製程之該步驟及濺射蝕刻該陶瓷層之該步驟，直到形成具有一預定的膜厚度的一陶瓷膜。
如請求項18所述之方法，其中：該濺射氣體包含氬氣（Ar）；該反應氣體包含氧氣（O₂ ）；該標靶的一標靶材料包含鈦（Ti）；及該陶瓷層及該陶瓷膜實質上以TiO₂ 材料組成。
如請求項18所述之方法，其中該濺射蝕刻移除小於0.1Å的該陶瓷層。