真空鍍膜基本技術介紹 15
(渦輪分子pump)
- Cryo pump (冷凍pump) - Diffusion Pump (擴散pump)
真空測漏
氦氣測漏儀
使用氦氣原因 : 1. 2. 3. 4. 質量最輕的惰性氣體 分子體積小，能穿透微小縫隙，偵測微漏 因其為惰性氣體，不易與其它氣體結合 空氣中含量極低，僅有5 p.p.m. (5E-6 mbar l/s)
電中性的原子解離成帶電離子和電子
電子脫離離子束縛所需的能量 Energy of an electron > 13.6eV
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發光現象(Luminous Phenomenon)
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
電子躍遷至不同軌域所需的能量 Energy of an electron < 13.6eV
PEM
- SiO2 鍍膜用 - 控制plasma voltage或強度為 常數 - MFC流量計反應 時間 ~ms
MFC流量計
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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
Matching Box
Cathode
13.56MHz RF Power Generator
一大氣壓的空氣成分比例
1 atm(1013mbar), 20oC, Dry Air Gas N2 O2 Ar CO2 Volume(%) 78.08 20.95 0.93 0.033 Partial Pressure (mbar) 792 212 9.47 0.31
Ne
He
1.8×10-3
5.24×10-4
重要元件
1. 2. 質譜儀：磁性四極質譜分析儀 真空幫浦 高真空幫浦：Turbo Pump 前級幫浦： 油式→迴轉式機械幫浦 無油式(乾式)→薄膜、渦卷幫浦
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平均自由徑(Mean free path of length)
Q: 什麼是平均自由徑(MFP)？ A: 氣體分子運動的過程中，互相碰撞的統計平均距離
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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

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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
平均自由徑的簡易算法
P=6.25x10-3 mbar
MFP=1 cm
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平均自由徑(續)

平均自由徑對薄膜沉積的影響 平均自由徑小 - 粒子碰撞,不利於沉積 平均自由徑大 – 無粒子碰撞,利於沉積
1ATM氣體分子間的距離 氣體分子的大小 = 約10000倍
=6 μm
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粗抽pump
- RP+BP
(油式迴轉pump+魯式 pump) - Dry pump+BP (乾式pump) 高真空pump - Turbo Molecular pump
LVG (低真空計) 真空腔體 Vent HVG (高真空計) ATM大氣感測器
(破真空閥)
RV(粗抽閥)
MV (主閥) 高真空Pump 粗抽Pump FV (前級閥)
1 Torr
10-6 Torr
A與B兩個腔體皆置於一大氣壓的環境下，請 問哪個腔體承受一大氣壓力的力量較大 ? (1)A腔體 >> B腔體 (2)約相同 (3)B腔體 >> A腔體
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問題 2
M2 GV1 GV2 M3 GV3
當M2的壓力為5x10-1Torr，M3的壓力為5x10-4Torr時， 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 ?
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Thornton’s Structure Zone Model For Sputtered Films

濺鍍沉積的薄膜結構為 柱狀結構
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Sputter Yield
每個Ar離子，在不同的能量下，可打出的靶材原子比率
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Pre-Sputtering (預打)
6. 真空度與力量的關係 7. 磁控濺射源的磁鐵作用 8. Sputtering Yield 9. CVD 的step coverage
10. Gauge & pump 與流體特性的關聯
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主題一
真空介紹
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壓力(Pressure)
Q: 什麼是壓力？ A: 由分子之撞擊產生 壓力= 力/面積
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電漿/等離子體(Plasma)?
低 Low 溫度 Temperature 高 High
固態 Solid
液態 Liquid
氣態 Gas
電漿態 Plasma
原子 Atom
原子 Atom
離子 電子 ion Electron
離子 ion
電子 Electron
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離子化(Ionization)
Insulating target (SiO2, TiO2…etc) Plasma
Substrate
真空鍍膜基表面吸附的原子 為吸附原子經吸解後，重新回到氣相
a. 長晶
b. 晶粒成長
c.
晶粒聚縮
d. 縫道填補
e. 沉積膜成長
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長度單位
•1m(米) =102cm(釐米) =103mm(毫米) =106μm(微米) =109nm(奈米) =1010Å (埃)


1mbar= 0.75Torr= 1hpa(100pa) 1 Torr= 133pa 1 Pa= 1 N/m2
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真空與高度關係

海平面 (0km) ~1013mbar (760Torr)
1.9×10-2
5.3×10-3
CH4
N2O
2×10-4
5×10-5
2×10-3
5×10-4
1atm, 20oC, Humidity= 50%,
→Steam vapor=11.7mbar, total pressure= 1013+11.7= 1025mbar
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問題 1
A B
真空鍍膜基本技術 介紹
簡谷衛
真空鍍膜基本技術介紹
1
主題
1. 真空技術介紹
2. PVD 濺鍍原理介紹
3. CVD鍍膜原理介紹
4. 真空鍍膜製程設備重要元件介紹
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2
十大重要觀念
1. 尺度(scale) 2. 分子流與黏滯流 3. 抽真空時的氣體來源 4. 平均自由徑
5. 空氣的組成
抽氣時影響壓力的氣體來源

低真空與體積有關 / 高真空與面積有關
資料來源：實用真空技術 呂登復編著
真空鍍膜基本技術介紹 13
何時需要真空？




乾淨的空間和表面 – CRT 避免氧化 - 燈泡 保存食品 真空吸附 真空熱處理 真空鍍膜 …
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如何抽真空
BG (製程真空計)
P1
>
P2
>
p3
1ATM(一大氣壓)= 2.5*1019 分子/cm3
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水銀柱與真空
Q: 甚麼是真空? A: 一個空間內之壓力小於周圍環境之壓力
Atmosphere
1大氣
Vacuum
真空
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氣體分子的大小
氣體 动力学直径 (nm) 0.26 0.289 0.317 0.33 0.34 0.346 氣體 动力学直径 (nm) 0.364 0.376 0.38 0.39 0.396 0.43
(1)1000 kg (2)600kg (3)0.6kg
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主題二
PVD濺鍍原理介紹
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PVD濺鍍
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爐式真空濺鍍系統
Gas(製程氣體) 冷卻水Outlet Cathode(陰極,靶機, 濺射源) 冷卻水Inlet LVG (低真空計) HVG (高真空計) MV(主閥) Target 靶材 BG (製程真空計)



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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 成靶面毒化 靶材毒化(poison) 降低沉積速率 濺鍍不穩 電漿熄滅
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Closed Loop 控制
- 反應性濺鍍量產，電壓/光學設定值 確保製程穩定， Plasma Voltage 薄膜特性均一性
He H2 NO CO2 Ar O2
N2 CO CH4 C2H4 Xe C3H8
1 μm =1000nm ; 1mm = 1000μm ; 1m=1000mm 1根頭髮直徑~70 μm
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壓力單位(Pressure Unit)