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1、1 真空鍍膜基本技術真空鍍膜基本技術 介紹介紹 簡谷衛 真空鍍膜基本技術介紹 真空鍍膜基本技術介紹 2 主題主題 1. 真空技術介紹真空技術介紹 2. PVD 濺鍍原理介紹濺鍍原理介紹 3. CVD鍍膜原理介紹鍍膜原理介紹 4. 真空鍍膜製程設備重要元件介紹真空鍍膜製程設備重要元件介紹 真空鍍膜基本技術介紹 3 十大重要觀念十大重要觀念 1.尺度尺度(scale) 2.分子流與黏滯流分子流與黏滯流 3.抽真空時的氣體來源抽真空時的氣體來源 4.平均自由徑平均自由徑 5.空氣的組成空氣的組成 6.真空度與力量的關係真空度與力量的關係 7.磁控濺射源的磁鐵作用磁控濺射源的磁鐵作用 8.Sputte
2、ring Yield 9.CVD 的的step coverage 10. Gauge 1mm = 1000m ; 1m=1000mm 1根頭髮直徑70 m 真空鍍膜基本技術介紹 8 壓力單位(Pressure Unit) 1 ATM(1大氣壓) = 1013mbar(hpa) = 1.013bar = 1.013bar(dyn/cm2) = 0.1013Mpa = 760Torr(mmHg) = 14.7psi 1 kgw/cm2 1mbar= 0.75Torr= 1hpa(100pa) 1 Torr= 133pa 1 Pa= 1 N/m2 長度單位 1m(米) =102cm(釐米) =103
3、mm(毫米) =106m(微米) =109nm(奈米) =1010(埃) 真空鍍膜基本技術介紹 9 真空與高度關係 海平面 (0km) 1013mbar (760Torr) 喜馬拉雅山(8.8km) 主峰珠穆朗玛峰海拔 8844米 560 mbar (420Torr) 民航機飛行高度 (812km) 290 mbar (210Torr) 外太空(36000km) B腔體 (2)約相同 (3)B腔體 A腔體 1 Torr A 10-6 Torr B 問題 2 真空鍍膜基本技術介紹 21 M2 M3 GV1 GV2 GV3 當M2的壓力為5x10-1Torr，M3的壓力為5x10-4Torr時，
4、兩邊的壓力相差3個order，且GV2承受的力量為M2往 M3方向，若GV2閥板的面積為1000cm2時，請問GV2 承受的力量有多大 ? (1)1000 kg (2)600kg (3)0.6kg 22 主題二 PVD濺鍍原理介紹濺鍍原理介紹 真空鍍膜基本技術介紹 真空鍍膜基本技術介紹 23 PVD濺鍍 真空鍍膜基本技術介紹 24 爐式真空濺鍍系統 高真空Pump 粗抽Pump MV(主閥) RV(粗抽閥) FV(前級閥) Vent (破真空閥) LVG (低真空計) HVG (高真空計) ATM大氣感測器 BG (製程真空計) Gas(製程氣體) 被鍍物 Target 靶材 冷卻水Inlet
5、 冷卻水Outlet Cathode(陰極,靶機, 濺射源) 真空鍍膜基本技術介紹 25 電 漿/等離子體 /Plasma Vacuum pump Substrate Power Target Material (Cathode) Gas Plasma Ar Gas 真空鍍膜基本技術介紹 26 電漿/等離子體(Plasma)? 固態 Solid 液態 Liquid 氣態 Gas 電漿態 Plasma 原子 Atom 溫度溫度 Temperature 低低 Low 高高 High 原子 Atom 離子 ion 電子 Electron 離子 ion 電子 Electron 真空鍍膜基本技術介紹 2
6、7 離子化(Ionization) 電子脫離離子束縛所需的能量 Energy of an electron 13.6eV 電中性的原子解離成帶電離子和電子 真空鍍膜基本技術介紹 28 發光現象(Luminous Phenomenon) 電子躍遷至不同軌域所需的能量 Energy of an electron 13.6eV 電子從基態躍遷至激發態，再回到基態所釋放的能量， 轉換成光能，產生發光現象 真空鍍膜基本技術介紹 29 輝光放電(Glow Discharge) 在一定壓力之真空下施加電場 原子電離 e-+AA+2e- 原子激發 e-+Ae-+A* 輝光放電 A*A+h(光子) 真空鍍膜基本
7、技術介紹 30 濺鍍(Sputter) 原理 腔體處於適當的低壓狀態下，約數個mTorr。 (1 atm=760Torr) 1 Torr= 1000 mTorr Ar 離子 被濺鍍原子 Ar 原子 電子 基板 靶材 真空鍍膜基本技術介紹 31 氬氣離子撞擊靶材氬氣離子撞擊靶材 真空鍍膜基本技術介紹 32 Mass of electron and atom 真空鍍膜基本技術介紹 33 磁場對濺鍍之影響 真空鍍膜基本技術介紹 34 磁控濺射 為何磁控濺射 一切都是為了二次電子 磁場吸引住電子 更多的電子,更多的撞擊,更多的離化 減少電子撞擊基板 真空鍍膜基本技術介紹 35 磁控濺射沉積型態 N S
8、 N 真空鍍膜基本技術介紹 36 濺鍍-DC DC: 直流 濺射氣體須為 惰性氣體， 通常為氬氣(Ar) 靶材需可導電，不可為絕靶材需可導電，不可為絕 緣材料緣材料 真空鍍膜基本技術介紹 37 濺鍍-MF MF : Middle Frequency， 中頻 (40kHz) 靶材需可導電，不可為絕靶材需可導電，不可為絕 緣材料緣材料 Dual Cathode，兩支陰極並 用，電性正負交替 一般作為反應性濺鍍 (Reactive Sputtering) 真空鍍膜基本技術介紹 38 反應性濺鍍 濺鍍靶材為金屬或Si,通入O2, N2等反應性氣體於腔體內,並 在基板形成化合物 反應性氣體流量控制不當造
9、 成靶面毒化 靶材毒化(poison) 降低沉積速率 濺鍍不穩 電漿熄滅 真空鍍膜基本技術介紹 39 Closed Loop 控制 PEM Plasma Voltage MFC流量計流量計 電壓/光學設定值 - 反應性濺鍍量產， 確保製程穩定， 薄膜特性均一性 - SiO2 鍍膜用 - 控制plasma voltage或強度為 常數 - MFC流量計反應 時間 ms 真空鍍膜基本技術介紹 40 濺鍍-RF RF: 射頻 ，使用頻率為13.56MHz 靶材可是絕緣材料或導電材料靶材可是絕緣材料或導電材料 13.56MHz RF Power Generator Matching Box Subst
10、rate Insulating target (SiO2, TiO2etc) Cathode Plasma 真空鍍膜基本技術介紹 41 薄 膜 沉 積 步 驟 a.長晶 b.晶粒成長 c.晶粒聚縮 d.縫道填補 e.沉積膜成長 物理性吸附，在基板表面吸附的原子 為吸附原子經吸解後，重新回到氣相 真空鍍膜基本技術介紹 42 Thorntons Structure Zone Model For Sputtered Films 濺鍍沉積的薄膜結構為 柱狀結構 真空鍍膜基本技術介紹 43 Sputter Yield 每個Ar離子，在不同的能量下，可打出的靶材原子比率 真空鍍膜基本技術介紹 44 Pre
11、-Sputtering (預打) 真空鍍膜基本技術介紹 45 影響濺射和鍍膜之因素(I) 靶材品質 影響鍍膜均勻性 影響製程穩定性 溫度 適度的溫度可提高鍍膜附著力和密度 太高的溫度在基材和鍍膜產生不良之熱應力 真空鍍膜基本技術介紹 46 影響濺射和鍍膜之因素(II) 入射粒子能量 能量不足,鍍膜品質不佳 能量太高,破壞鍍層 基材表面 粗糙的表面不利鍍膜沉積 不潔的表面影響鍍膜附著 真空鍍膜基本技術介紹 47 影響濺射和鍍膜之因素(III) 施加於靶源之電源功率 功率大,沉積速率大 功率大,arc較易產生 考慮適當之功率密度(power density) 製程壓力 一般濺鍍壓力範圍: 1x10
12、-3 torr - 5x10-3 torr 壓力高,濺鍍電壓較低,電流較高 壓力高,鍍膜較不緻密,但應力較低 壓力太高,沉積速率降低 真空鍍膜基本技術介紹 48 鍍膜性質檢測(I) 建立鍍膜性質資料做為品管和製程依據 表面顏色較暗不亮-膜層不緻密 表面型態觀察-SEM 粗糙度,孔細度,異常顆粒 膜層斷面觀察-SEM 晶形或非晶形, 緻密性 真空鍍膜基本技術介紹 49 鍍膜性質檢測(II) 膜層結構-X-ray 結晶性,結晶方向 附著性-不同應用不同之測試法 厚度-表面型態儀 電性 硬度 摩擦係數 問題 3 真空鍍膜基本技術介紹 50 請問從靶材被濺擊出來的原子型式是? (1)每顆原子分開，粒粒
13、分明 (2) 一團原子團，一原子團的原子顆數依製程 而定 Target Target 51 主題三 CVD鍍膜原理介紹鍍膜原理介紹 真空鍍膜基本技術介紹 真空鍍膜基本技術介紹 52 CVD鍍膜 Chemical Reactions for CVD Process 真空鍍膜基本技術介紹 53 CVD反應機制 Precursor(前驅物) 解離成離子，離子互相反 應 如何使前驅物解離成離子? 利用高溫，使前驅物解離成離子 如 : LPCVD、MOCVD 利用電漿，使前驅物解離成離子 如 : PECVD 真空鍍膜基本技術介紹 54 Parallel Plate Plasma System 產生電漿原
14、理 於兩電極間施加一射頻電壓，藉以產生交流電場,因此反應室內之自 由電子將被電場加速而獲得能量，藉由與分子或原子一連串碰撞而產 生離子及電子 真空鍍膜基本技術介紹 55 PECVD CVD theory 氣體或氣相源材料引進反應腔體內。 源材料擴散穿過邊界層並接觸基板 表面。 源材料吸附在基板表面上。 (adsorption) 吸附的源材料在基板表面上移動。 在基板表面上開始化學反應。 (surface migration) 固體產物在基板表面上形成晶核。 (nucleation) 晶核生長成島狀物。 島狀物合併成連續薄膜。 其他氣體副產品從基板表面上脫附 釋出。(desorption) 氣體
15、副產品擴散過邊界層。 氣體副產品流出反應腔體。 真空鍍膜基本技術介紹 57 CVD 的重要一個特性 58 真空鍍膜基本技術介紹 Step Coverage (表面覆蓋性表面覆蓋性)極佳極佳 59 主題四 真空鍍膜製程設備重要元件介紹真空鍍膜製程設備重要元件介紹 真空鍍膜基本技術介紹 真空鍍膜基本技術介紹 60 批次式(batch type)濺鍍系統 真空鍍膜基本技術介紹 61 連續式(In-line)濺鍍系統 應用於大型電容式 SiO2/ ITO/Metal 觸控屏濺射系統設備 載台 : Gen 5 真空鍍膜基本技術介紹 62 連續式(In-line)濺鍍系統示意圖 PECVD 真空鍍膜基本技
16、術介紹 63 尖端技術-超高頻 60MHz薄膜太陽能 真空鍍膜基本技術介紹 64 螺桿壓縮乾式真空幫浦 (Screwline Pump) SP630 使用低磨耗或無磨耗的零 件 僅需少量定其維護 泵腔能簡單地拆解 真空鍍膜基本技術介紹 65 油式迴轉pump (Rotary pump) 初級抽氣pump Pump油之目的 封合,潤滑,防蝕,冷卻 特殊製程氣體選用特殊油 Rotary pump之保養維護 檢查油質 更換油 大保養 SV200 TRIVAC D 65 B Pumping speed = 200 m3 x h-1 Pumping speed = 65 m3 x h-1 真空鍍膜基本技術介紹 66 魯式pump ( Roots pump) 與rotary pump結合提昇抽氣速率 booster pump 乾式pump
