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1、NCKU Micro-Nano Technology Center/Southern Region MEMS Center Page37超高真空離子束濺鍍機Ultra-High Vacuum Ion Beam Sputter撰寫者：蔡名琨 部份修改：彭政展 2009/05/23目錄一、 前言.3二、 原理.3三、 系統分類.7四、 配備介紹.9五、 操作面版介紹.11六、 操作流程.17七、 注意事項.30八、 參考文獻.32一、 前言：所謂物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition，簡稱PVD），是以物理現象來沉積的方式，最常使用的有蒸鍍(Evaporation)與濺鍍
2、(Sputter)。蒸鍍最主要的原理是藉由對靶材(Target)加熱，使靶材在高溫（接近熔點）時所產生的飽和蒸氣壓，來進行薄膜的沉積(詳細內容可參看電子蒸鍍機的操作手冊)；然而濺鍍是利用電漿(plasma)中的離子，對有外加電極（Electrode）的靶材進行轟擊(Bombardment)，藉由將靶材上的原子或團簇(cluster)打出，使其沉積在欲沉積的基材(substrate)上，以產生薄膜。而超高真空離子濺鍍法(UHV IBS)便是屬於濺鍍的一種，以下會加以說明。二、 原理：2-1介紹超高真空離子束濺鍍法(UHV IBS)的濺鍍原理和薄膜成長機制與直流磁控濺鍍有許多相似的地方，不同處在於
3、濺射過程中高能離子的來源不是用陰極輝光放電(Cathode Glow Discharge)，而是採用電子迴旋共振(Electron Cyclotron Resonance，簡稱ECR)。也就是說離子源乃是利用微波產生器(microwave generator)來形成的，利用產生的微波控制電場的大小，使電子產生迴旋共振放電(ECR)，以產生高能的離子束。且氣體分子之離子化及加速過程，皆在離子發射源中完成。如圖2-12便是其示意圖。圖2-1 離子束濺鍍裝置圖。22-2電子迴旋共振(ECR)參考圖2-1，當微波通過一個介電層，進入到一個由外加螺形線圈所構成之磁場的腔體中，自由電子受到垂直於磁場方向之
4、微波電場的加速，會繞著垂直於磁場之平面做旋轉。此種現象便稱為電子迴旋加速共振(ECR)，此即在離子槍中產生電漿之區域。當腔體壓力夠低時，將有許多電子環繞著垂直於磁場之平面旋轉，在此過程，電子能量將提高且以螺旋形的旋轉方式向外擴張其迴轉加速半徑rc，直到電子碰撞到氣體分子或腔體壁為止。為了使電漿持續存在，電子必須具有足夠碰撞游離之能量，以平衡某些電子因往電漿外圍擴散而失去的電子。因此，工作壓力必須有其限制，通常控制在10-210-4Pa之間。若工作壓力太高，則電子在迴旋加速的過程，將伴隨許多電子間之碰撞，如此，將使的共振頻率降低，會將低磁場的效能。同樣的，若工作壓力太低，則電子所產生的有效碰撞次
5、數會很少，產生的離子數目也相對的減少，不利於離子束的形成。2-3微波(microwave)原理由圖2-22可以了解微波為何能激發出電漿，當微波進入Ar氣體中時，電子(存在於大氣中)因與氣體碰撞而改變其原先之混亂方向，部份電子將受到微波電場之影響，而改變相位，藉此獲得加速度。如圖2-2(a)2所示，微波振動所產生的電場為由電場作用在電子上之力量，將使電子產生平行於電場方向之加速度，此時，電子之速度與時間的關係，如圖2-2(b)2所示。當微波之電場到達零點(/2)並朝向負方向移動時，則電子之加速度(Ve)將達到負值之最大值，並開始行減速度；接著，電場到下一個零點(3/2)，則電子之速度(Ve)將達
6、到正值之最大值。由此可知，微波之電場(E)與電子速度(Ve)，其相位差90o(/2)，且電子沒有淨能量之增益。使用微波產生的電漿有許多優點：(1) 微波電漿具有較高的電漿密度(plasma density)及游離率。(2) 微波電漿中被活化的分子及化學活化基(chemical radical)的數量可以高出射頻電漿許多。(3) 微波電漿不需要電極，且電漿層(plasma sheath)的電位較低，因此製程上污染的問題較小。圖2-2 (a)微波下電場之影響，與(b)自由電子在真空中的速度，兩者相位差90o(/2)。22-4濺鍍原理當離子從電漿中被引出，並藉由離子槍正偏壓作用，將離子加速去撞擊靶材
7、，讓被打出的原子或團簇(cluster)沉積在基材(substrate)上，來形成薄膜。相較於磁控濺鍍的離子源通常垂直靶材之角度入射，離子束撞擊靶材有一角度可以變動(參考圖2-1)，因此可以調整角度來決定原子或團簇的行進路線。另外，離子束流量與能量是影響沉積的變數，而兩者是獨立控制的。離子流量由離子槍中，電漿密度所決定的，而電漿密度與電子迴旋共振，亦即微波(microwave)的影響有關。另外離子能量由離子槍正偏壓決定的。改變離子流量與能量，在配合改變離子入射角度，其濺鍍速率會較慢，因此可以製備極薄的薄膜。三、 系統分類：圖3.13為系統整體架構，此外，會將系統分五大類來介紹。3-1真空系統真
8、空腔體分為準備室與成膜室兩部份，故可使成膜室維持超高真空(除非污染或破真空)。為維持超高真空、避免污染，不採用油汽式擴散幫浦(Oil Diffusion Pump)，而採用迴旋幫浦(Rotary Pump)與渦輪分子幫浦(Turbo Molecular Pump)之組合，可使成膜室真空腔體(Deposition Chamber)達到約110-9torr的最低壓力(一般實驗可達到7810-9torr的壓力)。3-2控制系統本系統與一般DC或RF磁控濺鍍系統最大之差別在於其使用微波產生器(microwave generator)，利用產生的微波來控制電場大小，使電子產生迴旋共振放電(ECR)來產生
9、高能的離子束。使所有氣體分子之離子化及加速過程皆在離子發射源中完成。3-3加熱與量測系統有石英燈管及熱電耦式測溫計(Thermal Couple Thermometer)做為基板之加熱控制系統，準備室溫度最高可加至200、成膜室溫度可加至800。量測設備中，主要有測定濺鍍腔體真空度的離子真空計(Ion Gauge)及管路真空度的熱電耦式真空計(Thermal Couple Gauge)；氣體流量之控制則採用質流量計(Mass Flow Controller)。3-4冷卻系統包含冰水主機、冷卻水循環管路與冷卻水塔。3-5進排氣管路及其他系統圖3.1 系統整體架構。3四、 配備介紹： 機台 操作主
10、機 氮氣流量控制閥(破真空) ； 氣源開關(工作氣體) 冰水機五、 操作面版介紹： 真空壓力計IG1 IG2 加熱面版 主控面版 Title畫面 Exhaust畫面 Process畫面 Bake畫面 Trace畫面 Shutter畫面 Alarm畫面 Anode current 氣源流量控制面版Ar流量控制面板 N2流量控制面板 Pf與Pr調控面版IV六、 操作流程：6-1(在Exhaust畫面中)1. 破真空前，先確定準備室窗flange螺絲處於鬆配合狀態。2. 按預備室(preparation chamber)的operate + vent破真空(vent前請先確認“IG2燈號“為熄滅並將
11、IG2控制器電源關閉，詳見”注意事項1”)。3. 當看到ATM2燈亮且TMP2、RP2與IG2熄滅後，便表示破真空已經完成，可以取消vent。4. 清潔(酒精擦拭)準備室窗口的flange面後，放入wafer試片，確定lock於holder上後，抬高鎖上螺絲。5. 開始抽真空，按operate+ exhaust，待ATM2燈熄滅且TMP2、RP2與IG2燈亮後，便可取消exhaust，此時可以察看preparation chamber的壓力（IG2燈亮後，才可以打開IG2控制器電源）。 6-2(在Process畫面中)(此步驟可去除水分)1. 按預備室的operate +pre heat。2.
12、 控制加熱面版的參數，可加熱到200(最大值)，操作流程如下。Spenterenter輸入200enterdisplay3. 同樣的，達到200後，開始降溫，操作流程如下。Spenterenter輸入0enterdisplay4. 同時關掉加熱器，同樣輸入operate+ pre heat。6-3(在Trans畫面中)(此步驟要非常注意)1. 先確定wait position位置是否正確(在RECEIVE POS)或傳遞桿是否歸位。（請注意”WAIT POS”的燈號是否亮燈）2. 打開準備室與沉積室間的閥門，按operate+ISV1，ISV1燈會亮。3. 手動傳遞桿，開始將wafer慢慢移入
13、deposition chamber。（傳遞桿請推到底）4. 按operate + trance，使wafer holder被支撐架撐起在deposition chamber裡面。5. 將傳遞桿慢慢拉出。（手持手電筒，一手照明、一手將傳遞桿推回原始位置）6. 關掉準備室與沉積室間的閥門，按operate + ISV1，ISV1燈會熄滅。7. 按operate + proce position，讓wafer holder升到可以鍍的位置（PROCE POS）。8. 此時可以考慮要不要加熱wafer，這裡加熱目的為”製程參數”的不同，依個人研究需要加溫，其操作程序如下。 按process中沉積室的
14、operate + Sub heat 如要加熱到最高溫800時，需分段加熱，0200400600800，以防溫度上升太快，會超過最高溫800，損壞儀器。加熱方法同6-2。 而降溫只需8004000即可，目測當溫度降到200左右時，即可關掉加熱源operate + Sub heat，不用等到室溫在關掉。9. 因加熱會造成真空度變差，此時抽到超真空會花一段時間。6-4(在Process畫面中)1. 當真空度足夠，要開始鍍膜時，需關掉觸控面版的IG1，按operate + IG1，目的是防止Ar壓力太高，對ion gauge不佳。此外，需看真空壓力計面版的FIL燈熄滅才表示IG1真正的關閉。 2.
15、選擇靶材，按operate + TG select。(靶材種類：A：Al靶、B：Ti靶、C：Si靶、D：AlN靶； 2009.05.23)。(注意：若選A靶外的靶材，作完sputter後，需歸位，按operate + home。)3. 按operate + Sub rotation，這樣，旋轉鍍才會較均勻。4. 必須蓋上deposition chamber 視窗的擋板，以免作sputter時會污染玻璃。6-5(在Process畫面中)(設定實驗的參數)1. 按operate + DEPO EXRA/D，需先打開這個選項，才可控制其他面板。2. 開始通入Ar氣體，看右方panel，依序打開閥門。
16、先按operate + GV1，再按operate + GV2。關掉時，依序相反，先GV2，在GV1。3. 左方面板下方panel，打開開關（等待約5秒），將operate 切換成on，再將output control（output current）調至想要的實驗參數。4. 開右方面版panel兩處power，使line及IV燈亮，並轉動右方的左邊兩個旋鈕，使其有一點數據出現。5. 控制Ar的流量，調MFC1，步驟如下。先Lock(取消) 按open(Ar流量會全開)等IV有電流出現，再按一次open取消，同時按flow set設定流量按Lock固定住。6. 調兩處power的I/V，輸入實驗
17、的數值(此處為離子槍控制電子迴旋共振，以產生解離離子的電壓/電流)。7. 右上方line燈on後，調Pr、Pf值，使Pf、Pr，最好Pr = 0（阻抗匹配值）。6-6(在Shutter畫面中)1. 按operate + ECR sputter shutter先pre sputter（電子槍離子出口處的shutter），清一下靶材。時間約35分鐘，自己要用手錶計時。此時可以看process畫面或去成膜室看是否要開始pre sputter。2. 設定要鍍的時間，然後按operate + sub shutter，substrate檔板會自動移開，此乃真正鍍膜時間。3. 可回process畫面，看HE
18、AT及DEPO是否有ion打出（打開觸控面板的IG1燈號使燈亮），並可開IG1看工作壓力多少，但不可開太久。6-7(關機作業)-將所有流程反方向關回去即是停止製程1. 停止濺鍍，在shutter畫面中，按operate + ECR sputter shutter關閉。2. 右方panel之電壓(與電流)需歸零(即I.V歸0)且電源關閉，line的電源亦關閉。3. 左下方panel之output control調至0，其下之operate按off，並將power關閉。4. 在process畫面中，關掉控制Ar進入deposition chamber的閥門。先按operate + GV2，再按op
19、erate + GV1。5. 在process畫面中，按operate + DEPO EXRA/D關閉。6. 在process畫面中，若有使用B、C或D的靶材，靶材需歸位，按operate + Home。7. 在process畫面中，因wafer仍在旋轉，關掉sub rotation。8. 回Trans畫面中。(1) 因為wafer holder有旋轉過需歸位，按operate + ROTE HOME，等燈停止閃爍。(2) 按operate + Trace position，將wafer holder下降到傳遞桿可以接收的位置。(3) 確定wait position後，按operate + I
20、SV1，打開ISV1。(4) 移動傳遞桿推入成膜室（推到底卡住wafer holder）。(5) 按operate + receive pos使支撐架下降，確定wafer holder被卡在桿子面。(6) 移出傳遞桿（推回原始位置）。(7) 按operate + ISV1，關ISV1。9. 回Exhaust畫面。步驟同6-1七、 注意事項1. Preparation chamber閥門(flange螺絲)因長期受應力作用，有下垂的現象，若關不好，則真空度便抽不上去。在旋轉閥門的旋鈕時，需將閥門往上抬，確保周圍密合後才旋緊旋鈕。2. IG2觸控面板的燈熄不算真正的關閉，還需將真空壓力計的powe
21、r(右圖所示)關閉才可破真空，若不注意而破真空會導致IG2燒掉。3. deposition chamber的加熱，需分段加熱，以防溫度上升太快，會超過最高溫800，損壞儀器。方法參考下圖deposition chamber的校溫表。(基板加熱目前屬於未校溫情況，若有製程需要請洽中心吳博士解決) 98/05/23立4. 修正錯誤。如發生錯誤，需跳到alarm畫面按reset修正錯誤。若有蜂鳴聲，可以按BUZZER OFF取消。八、 參考文獻1. 王志欽，一維奈米碳管結構分析與模擬研究，92年6月。2. 鍾秉憲，鈷奈米粒子之選擇性物理沉積，92年6月。3. 原廠操作手冊。本文件及文件之內容屬國科會
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