PVD–溅镀ppt课件.ppt

1、1 西 元 2 0 1 2 年 2 月 23 日第1页，共131页。2第2页，共131页。3(一一)前言前言:1.薄膜與厚膜之區分薄膜與厚膜之區分:薄膜薄膜:厚度在厚度在5m左右以下左右以下 厚膜厚膜:厚度在厚度在5m以上者以上者2.薄膜形成技術薄膜形成技術(1)Physical vapor deposition(PVD):物理氣相沉積物理氣相沉積(2)Chemical vapor deposition(CVD):化學氣相沉積化學氣相沉積PVD:固體蒸發源固體蒸發源 高溫氣化高溫氣化 基板面上之凝結基板面上之凝結CVD:常溫化合物氣體常溫化合物氣體 高溫基板上化學反應高溫基板上化學反應 反應生

2、成物之形成反應生成物之形成第3页，共131页。4 氣相成長法 物裡的方法(PVD 法)化學的方法(CVD 法)真空蒸鍍(10-410-9Pa)電阻加熱金屬全般，電子束蒸鍍高熔點金屬，閃光合金 雷射燒蝕合金，強介電體，超導體 分子束磊晶MBE(10-610-8Pa)K cell族、-族半導體 濺度(10.1Pa)所有物質 反應性濺鍍(10.1Pa)無機化合物，陶瓷 離子噴鍍(110-2Pa)陶瓷，無機化合物，有機物質 化學氣相成長 常壓CVD(10-5Pa)半導體(單晶Si)，介電體(SiO2，Si3N4，Al3O4)，所有物質 MOCVD(102105Pa)-族化合物半導體(GaAs，AlAs

3、，氣體源MBE(10-210-4Pa)族半導體(Si，SiGe)MOMBE(10-310-5Pa)-族半導體 ALCVD(102103Pa)高介電係數體(Hf2O，Zr2O，TiO2，La2O，Ta2O5，)電漿CVD(11.0Pa)半導體(非晶質Si)，介電體(SiO2，SiNx)，有機物質 液相成長法 溶液方法 溶膠、凝膠法氧化物(SiO2，Al2O3，TiO2，In2O3)電鍍法(電鍍，無電解)金屬(Au，Cu，Ag，Ni)，化合物半導體(CdTe，GaAs)塗敷法(自旋塗敷法，噴敷法，印刷法)第4页，共131页。53.厚膜形成技術厚膜形成技術網版印刷法、電鍍法、噴霧裂解法、自旋塗佈網版

4、印刷法、電鍍法、噴霧裂解法、自旋塗佈法法網版印刷法網版印刷法:利用以製作之利用以製作之1:1圖型網框為母版，圖型網框為母版，藉由刮刀擠壓、乾燥、燒結等製程製藉由刮刀擠壓、乾燥、燒結等製程製 作厚膜。作厚膜。第5页，共131页。64.薄膜功能的應用薄膜功能的應用:元件材料之具體例電性被動元件電阻元件電容器透明導電膜磁遮蔽積體電路 金屬配線絕緣膜強介電體膜Ni-Cr，TaN，TiNSiO，SiO2，Ta2O5，Al2O3InSnO(ITO)，SnO2ZnO/Ag/ZnOAl，Cu，W，Ti，TiN，多晶SiSiO2，Si3N4，SiOF，有機薄膜PbTiO3，PZT，SrTiO3，(Ba,Sr)T

5、iO3電性主動元件光電動勢元件薄膜電晶體場發光(EL)元件表面彈性波元件發光元件(LED，半導體雷射)受光元件太陽能電池超導元件(約瑟夫元件，SQUID)單晶Si，非晶Si，-族半導體非晶Si，多晶SiZnS:Mn，ZnS:稀土類，有機ELZnO，AlN-族-族半導體Si，-族半導體單晶Si，多晶Si，非晶Si，-族-族半導體YBCO，Nb，NbN，Pb第6页，共131页。7元件材料之具體例感測器光感測器壓力感測器應變感測器磁感測器溫度感測器熱感測器氣體感測器生物感測器CdS，CdSe，PbS，PbSe單晶Si，多晶Si，FeCoSiB單晶Si，多晶SiGaAs，InSb，CoNbZr碳薄膜，

6、SiC，金屬薄膜金屬薄膜SnO2，Ga2O3，WO3，ZnO，In2O3，Fe2O3，Si有機薄膜磁性功能元件磁碟磁帶磁頭 巨磁阻元件 自旋閥 自旋穿隧效果元件Fe，Ni，Co之化合物，CoCrTa，TbFeCo，GdFeCoCoNiCrFe/Mo，NiFe/Mo，Co/CrMnPt，Co/CuTa/NiFe/MnNi/NiFeFeNi/Al2O3/Fe，CoFe/Al2O3/CoFe光學功能元件反射防止膜能量遮蔽膜光導波管彩色濾光器光觸媒膜SiO2，ZnO/TiO2SnO2，ZnO/Ag/ZnO，SnO2/Ag/SnO2，TiO2，TiN/TiO2石英，LiNbO3，-族半導體，高分子，YI

7、G有機薄膜TiO2第7页，共131页。8第8页，共131页。9真空技術原理真空系統真空量測與真空計真空材料與零組件真空測漏真空系統應用(半導體製程設備)第9页，共131页。10 創造小於一大氣壓(1 atm)的科學技術Vacuum is NOT a“sucking”process.A molecule is only removed from a chamber when it enters the pump via randomcollisions.第10页，共131页。11第11页，共131页。12Atmospheres(atm):Scale relative to our atmosph

8、eric pressure as 1 atm Pascal(Pa):SI unit equal to N/m2,1 Pa=10-2 mBarmBar:Equal to 1x102Pa.Torr or mmHg:Most commonly used pressure unit,based on mercury vacuum gauges.第12页，共131页。13 Atmospheric:760 Torr Low Vacuum:1 to 1x10-3 Torr Medium Vacuum:1x10-3 to 1x10-5 Torr High Vacuum(HV):1x10-6 to 1x10-8

9、 Torr Ultra-High Vacuum(UHV):儀器主要尺寸氣體分子碰撞作用遵循動能與動量守恆Throughput 氣體分子漫步到真空pump而被抽入其中為抽氣之機制第22页，共131页。23Q Maximum Speed of a Pump in the Molecular Flow Region Ideal Non-ideal C0:第23页，共131页。24計算抽氣速度 Example:if 真空室體積V=40 升;氣導 S=0.5|s-1 then the time taken for the pressure to fall from p0=1000 mbar(1 atm)

10、to 1 mbar(0.75 Torr)is:Answer:t=(40/0.5)1n(103)=80 2.3log103=80 2.3 3=552 s 9 min 第24页，共131页。25第25页，共131页。26粗略真空中度真空高真空超高真空壓力(mbar)1000-11-10-310-3-10-710-8-10-12活塞式幫浦薄膜式幫浦液環式幫浦滑動葉片式幫浦旋轉柱塞幫浦魯式幫浦魯式/爪式幫浦螺旋式幫浦噴射幫浦擴散幫浦擴散噴射幫浦渦輪分子幫浦離子幫浦冷凍幫浦吸附幫浦鈦昇華幫浦第26页，共131页。27區分壓力範圍氣流型態代表性幫浦代表性真空計粗略真空Rough Vacuum大氣壓-1To

11、rr黏滯流葉片迴轉式幫浦薄膜式幫浦水封式幫浦波爾登真空計水銀式真空計半導體真空計派藍尼真空計中度真空Medium Vacuum1Torr-10-3Torr過渡流機械式幫浦派藍尼真空計熱電偶真空計熱傳導真空計對流式真空計高真空High Vacuum10-3Torr-10-7Torr分子流擴散式幫浦渦輪式幫浦冷凍幫浦離子幫浦冷陰極真空計離子真空計超高真空Ultra High Vacuum10-8Torr以下分子流鈦昇華幫浦冷凍幫浦離子真空計黏滯性真空計第27页，共131页。28Pump 第28页，共131页。29Pump 種類Ultimate Pressure Low Vacuum(Rough)P

12、umps Rotary Vane Pumps Sorption Pumps High Vacuum Pumps Diffusion Pumps Turbo Molecular Pumps Ultra-High Vacuum Turbo Molecular Pumps Ion Pumps Oil/Oil-Free Oil Rotary Vane Pumps Diffusion Pumps Turbo Molecular Pumps Oil-Free Turbo Molecular Pumps Ion Pumps Titanium Sublimation Pumps Titanium Sublim

13、ationPumps 第29页，共131页。30Positive Displacement Pump 第30页，共131页。31Dry Mechanical Pump 第31页，共131页。32(Roots Blower)The Roots blower is a low vacuum pump.It works down to 10-3 torr.It is made of two lobes which push air from the inlet to the outlet.A Roots browercan give high throughput but it cant exhau

14、st to atmosphere.接近大氣壓之真空領域其抽氣速率不佳,多與其他Pump串聯第32页，共131页。33迴轉葉幫浦(Rotary Vane Pump)Atmosphere to 10-3torr Robust,inexpensive Oil lubricated 第33页，共131页。34 Gas enters the inlet port and is trapped between the rotor vanes and the pump body.The eccentrically mounted rotor compresses the gas and sweeps it

15、toward the discharge port.When gas pressure exceeds atmospheric pressure,the exhaust valve opens and gas is expelled.第34页，共131页。35(Gas ballasting)防止凝結性氣體在幫浦內凝結，使幫浦不但可以抽除所謂的永久性氣體，同時可抽除凝結性氣體。第35页，共131页。36(1)永久性氣體之抽氣第36页，共131页。37(2)凝結性氣體之抽氣第37页，共131页。38(3)使用氣鎮裝置抽除凝結性氣體：第38页，共131页。39Diaphragm Pump)pu=4

16、mbar 第39页，共131页。40多級幫浦(Multi-stage Pump)第40页，共131页。41Claw Pump)pu=0.01 mbar 第41页，共131页。42Kinetic Pump 第42页，共131页。43Diffusion Pump)第43页，共131页。44 Momentum transfer to gas molecules through collision with directed jet of oil moleculesRequire cooling water&backing pump10-3to 10-7Torr pumping speed for r

17、elatively low cost.Oil as a pumping medium,high risk of back streaming oil,cold traps required Potential for serious vacuum problems Advantage Robust High No vibration or noise.Disadvantage 第44页，共131页。45Back StreamingFore-line trap Cold trap Cooled baffle第45页，共131页。46Turbo Molecular Pump)第46页，共131页。

18、47Molecules mechanically pumped by collision with angled high speed turbine blades(rotor).Several rotor arranged in a series spinning at 30,000-60,000 rpm.Rotor tangential velocity is on the order of the average thermal velocity of molecules.Atmosphere to 10-10Torr Oil/grease/electromagnetic bearing

19、s Most common HV/UHV pump.第47页，共131页。48 Advantage Correctly operated they do not back-stream oil into the vacuum system at any time.They can be started and stopped in a few minutes.Disadvantage Turbo pump can be noisy and they induce vibration.Turbo pumps are expensive.第48页，共131页。49When turbo pumps

20、are used with corrosive or abrasive gas mixtures or those having a high O2content(25%),a dry nitrogen purge should be used through the purge ports provided.Where low vibration levels are required(e.g.electron microscopes)the use of all-magnetic bearings is recommended.第49页，共131页。50Entrapment Pump 第5

21、0页，共131页。51Absorption Pump)LN2cooled molecular sieve with large surface area Atm to 10-3Torr(two units working alternately)Quickly becomes saturated Must be baked at 200 C to remove adsorbed gases Simple,inexpensive,oil-free 第51页，共131页。52Sublimation Pump)Heated Ti filament evaporates Ti film onto co

22、oled surface.Ti getters reactive gases by reaction.Operate at 10-8-10-11Torr Inexpensive,reliable Periodic operation-not primary pumping mechanism 第52页，共131页。53Ion PumpHigh voltage between anode and cathode(5 kV)Gas molecules are ionized by collisions with electrons and are accelerated to cathode.Sp

23、uttered Ti atoms act as getter for reactive gases.10-4Torr to 10-11Torr 第53页，共131页。54 Advantages Clean,oil-free.No moving parts,no vibrations,quiet.Low power consumption and relatively long operating lives.Disadvantage Do not pump noble gases well.Requires“regeneration”of Ti every 4-6 years.第54页，共13

24、1页。55The life of a typical diode pump is 40000 h at 10-6 mbar and proportionally longer at lower pressures.It is not a suitable pump where cyclic operations require it to be continually brought to atmospheric pressure.第55页，共131页。56Cry Pump)第56页，共131页。57 A cryo pump works by freezing and trapping mol

25、ecules.It is made of cold surfaces(-193 C to-255C)that trap molecules by freezing them.It also has areas with activated charcoal.The activated charoal adsorbs molecules which do not freeze at the temperature of the pump.第57页，共131页。58低溫幫浦(Cry Pump)“self-contained”Pump speed 10000 l s-1 “liquid pool”第

26、58页，共131页。59Pump之選擇 Low Vacuum:1 to 1x10-3 Torr Medium Vacuum:1x10-3 to 1x10-5 Torr High Vacuum:1x10-6 to 1x10-8 Torr Ultra-High Vacuum:1x10-9 Torr 第59页，共131页。60真空計(Vacuum Gauge)第60页，共131页。61Hydrostatic Pressure Gauge)To chamber p p0 h “liquid level gauge”p=1000 1 mbar “McLeod gauge”p=10-1 10-5mbar

27、第61页，共131页。62(DiaphragmGauge)第62页，共131页。631)Thermal Conductivity Gauge)Two identical heated filaments;one sealed at HV,one exposed to system.Current flows through Wheatstone bridge circuit.Pressure difference indicated by meter(non-linear).1 Atmto 10-4torr.Simple,reliable,inexpensive.“Piranigauge”第6

28、3页，共131页。64熱傳導真空計(2)Convection Enhanced PiraniPG105 Gauge INFICON Compact PiraniGauge TPR 第64页，共131页。65熱傳導真空計(3)Heat filament with a constant current.Measure filament temperature with thermocouple.Gas molecules collide with and cool the filament.Voltage increases to keep filament at constant current

29、.Atm to 10-4Torr Fast,simple,inexpensive.“thermocouple gauge”第65页，共131页。66(4)TERRANOVA Model 924 ThermocoupleVacuum Gauge 第66页，共131页。67(Capacitance Manometer)1.量測壓力範圍:0.11000 Torr 2.利用隔膜因壓差產生位移而改變電容3.常用於PECVD、濺鍍等半導體製程設備Baratron第67页，共131页。68(1)(Ionization Gauge)Heated filament produces electrons via

30、thermionic emission.Electrons are accelerated towards anode grid.Many electrons pass through the grid and create positive ions from collisions with gas molecules.Ions are accelerated to collector wire.Measure the current between anode and collector.Operate at 10-4 to 10-11Torr Sensitive,high accurac

31、y,widely used.第68页，共131页。69熱離子真空計(2)(Ionization Gauge“Bayard-Alpert gauge”第69页，共131页。70熱離子真空計(3)(Ionization Gauge)very reliable straightforward to operate easily be de-gassed by electron bombardment hot filament that can“burn out”due to accidental exposure to atmospheric air(sol.two switchable filam

32、ents)significant ionic and electrical pumping effects which produce a lower pressure in the gauge(sol.gauge is used“nude”)第70页，共131页。71(4)INFICON Compact Process Ion Gauge IMR VARIAN 571 VARIAN UHV-24P 第71页，共131页。72冷陰極離子真空計(1)(Cold-cathode ionization gauge)10-2Torr10-6Torr 第72页，共131页。73(2)INFICON Co

33、mpact Cold Cathode Gauge IKR 第73页，共131页。74Quadrupole Residual Gas Analyzer)Quadrupole mass spectrometer RGA(residual gas analyzer)10-4to 封閉系統之壓力上升速率，V：腔體體積壓力達平衡時，抽氣率=漏氣率QL=Spu S ：抽氣速率，Pu：最佳壓力 第106页，共131页。107肥皂泡(I)使用空氣或氦氣灌入真空系統內(1atm)將肥皂水塗於可疑區域，觀察是否有氣泡產生 具低表面張力液體效果較好(O)以膠帶或低壓黏土 Apiezon Q)暫時洩漏，但非永久之計

34、不適於超高真空系統第107页，共131页。108(Thermal Conductivity Detector)原理類似 Pirani第108页，共131页。109質譜儀測漏法(1)最靈敏且最重要之測漏儀殘留氣體分析儀(residual gas analyserRGA)僅需分辨He與H使用He，除H外粒子速度最快，鈍性，空氣中含量低第109页，共131页。110第110页，共131页。111質譜儀測漏法(2)cold trap影響測漏結果質譜儀搭配內側法 偵測10-8mbar|s-1.使用標準校正儀第111页，共131页。112He測漏儀測漏法第112页，共131页。113第113页，共131页

35、。114Loadlock第114页，共131页。115第115页，共131页。116長晶磊晶微影(去光阻)薄膜蝕刻金屬連線(鍍膜)黏晶 封膠(除氣)晶圓退火離子佈植長晶爐真空退火爐分子束磊晶系統電漿去光阻機電漿輔助氣相沉積離子佈植機高密度電漿蝕刻機濺鍍機晶圓熱壓黏合機真空除氣槽高 10-310-6高 10-310-4高 10-310-6中 110-2中 1010-3高 10-310-6高 10-310-6高 10-310-6中 110-2低中 1010-2第116页，共131页。117Thin film deposition)Poly-Si deposition Epi-Si depositi

36、on Dielectrics(SiO2,Si3N4),Ti2O5)deposition Metals(Al-Cu,Ti,TiN,W,Cu,Ta,TaN)deposition Chemical vapor deposition(CVD)Physical vapor deposition(PVD)第117页，共131页。118物理性鍍膜Physical Vapor Deposition(PVD)Hot filament thermal deposition Electron beam deposition 電阻加熱蒸鍍法利用鎢絲加熱所需的金屬材料，使之分解為單元子或原子聚合體，並結合或凝聚在矽晶圓

37、表面，形成薄膜。電子鎗蒸鍍法是利用高能聚焦的電子束轟擊到固態蒸發源表面，使之熔化並蒸發到矽晶圓表面上，形成薄膜。第118页，共131页。119第119页，共131页。120蒸鍍原理蒸鍍源之選擇常用做蒸鍍源之材料將電阻通電加熱，使欲鍍金屬熔化，產生蒸氣蒸氣再抽真空腔體內，自由飛至受鍍基材表面冷卻沉積熔點需高於蒸鍍材料之沸點。不能與蒸鍍材料起化學作用於蒸鍍材料蒸鍍時，本身必須不會被蒸發。材料名稱2610 2996 3410 3727 熔點o C 石墨(C)鎢(W)鉭(Ta)鉬(Mo)第120页，共131页。121 螺旋狀：蒸鍍材料熔融之後，需能吸附於絲狀蒸發源之上。錐形狀：可蒸鍍塊狀材料與昇華性材

38、料，用於度小量之線型材料。圓凹形：可視為一”點蒸發源”。大容量：適合於多層膜之蒸鍍加蓋：可防止粉狀材料噴出。第121页，共131页。122PVD(Sputtering deposition)第122页，共131页。123第123页，共131页。124第124页，共131页。125Metal PVD Cluster Tool 第125页，共131页。126 Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition PECVD的沉積原理與一般的CVD之間並沒有太大的差異。電漿中的反應物是化學活性較高的離子或自由基，而且基板表面受到離子的撞擊也會使得化學活性提高。這兩項因素

39、都可促進基板表面的化學反應速率，因此PECVD在較低的溫度即可沉積薄膜。在積體電路製程中，PECVD通常是用來沉積SiO2與SiN4等介電質薄膜。PECVD的主要優點是具有較低的沉積溫度;而PECVD的缺點則是產量低，容易會有微粒的汙染。而且薄膜中含有大量的氫原子。第126页，共131页。127PECVD 真空封合壓力控制壓力量測流量計校正分氣盤(gas showerhead)接地電極(含substrate heater)RF電極(含匹配調整)壓力控制(downstream mode)第127页，共131页。128PECVD Concept TwoSEQUEL Express Input Ca

40、ssette Output Cassette Wafer Wafers Hander MultistationSequential Deposition Chamber Water-cooled Showerheads Resistively Heated Pedestal *High proportion of the total product use 第128页，共131页。129離子佈植機(Ion Implanter)氣體櫃電機系統真空幫浦離子源電機系統電漿泛注系統真空幫浦離子束晶圓終端分析儀磁鐵分析儀第129页，共131页。130Process gases Source RF Process chamber RF coils Plas ma Wafer E-Chuck Byproducts to the pump Bias RF Helium backside cooling Inductively coupled plasma(ICP)第130页，共131页。131第131页，共131页。