National Nano Device Laboratories
熱蒸鍍製程
(Thermal Evaporation)
湯淵富
奈米元件台南廠
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薄膜的成長是一連串複雜的過程所構成的。首先到達基板的原子 必須將縱向動量發散，原子才能『吸附』(adsorption)在基板上。這 些原子會在基板表面發生形成薄膜所須要的化學反應。所形成的薄膜 構成原子會在基板表面作擴散運動，這個現象稱為吸附原子的『表面 遷徙』(surface migration)。當原子彼此相互碰撞時會結合而形成 原子團過程，稱為『成核』(nucleation)。
原子團必須達到一定的大小之後，才能持續不斷穩定成長。因此 小原子團會傾向彼此聚合以形成一較大的原子團，以調降整體能量。
原子團的不斷成長會形成『核島』(island)。核島之間的縫隙須要填 補原子才能使核島彼此接合而形成整個連續的薄膜。而無法與基板鍵 結的原子則會由基板表面脫離而成為自由原子，這個步驟稱為原子的
『吸解』(desorption)。PVD與CVD的差別在於：PVD的吸附與吸解是 物理性的吸附與吸解作用，而CVD的吸附與吸解則是化學性的吸附與 吸解反應。
薄膜沈積機制 (Deposition Mechanism)
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薄膜沈積機制 (Deposition Mechanism)
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薄膜沈積機制 (Deposition Mechanism)
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蒸鍍是在高真空狀況下，將所要蒸鍍的材料利用電阻或電子束加 熱達到熔化溫度，使原子蒸發，到達並附著在基板表面上的一種鍍膜 技術。
在蒸鍍過程中，基板溫度對蒸鍍薄膜的性質會有很重要的影響。
通常基板也須要適當加熱，使得蒸鍍原子具有足夠的能量，可以在基 板表面自由移動，如此才能形成均勻的薄膜。基板加熱至150℃以上 時，可以使沈積膜與基板間形成良好的鍵結而不致剝落。
熱蒸鍍(Thermal Evaporation)原理
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蒸鍍製程的缺點在於成分的控制不易，舉MX分解為例。由於 採用蒸發的方式，若是蒸發化合物，如硫化二銀，就有可能產生硫 和銀分解的狀況，使得被鍍物的成分不精確。
另外，在MO2的受熱分解方程式中，Oxides會因熱分解而產生 氧氣和還原的元素，但氧氣卻容易被vacuum pump吸收，造成蒸發 源和沈積物之間成分的不相等，發生明顯的成分不精確。
此外，在蒸鍍合金時，被鍍物的鍍膜不會依照合金的比例，反 而會依照合金蒸發後的蒸氣壓比鍍在被鍍物上，造成被鍍膜成分的 估算錯誤。
熱蒸鍍(Thermal Evaporation)缺點
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PVD蒸鍍法 真空蒸鍍 濺射蒸鍍 離子蒸鍍
粒子生成機構 熱能 動能 熱能
膜生成速率 可提高(<75μm/min) 純金屬以外很低
(Cu：1μm/min)
可提高(<25μm/min)
粒子 原子、離子 原子、離子 原子、離子
蒸鍍均 勻性
複雜形狀 若無氣體攪拌就不佳 良好但膜厚分佈不均 良好但膜厚分佈不均
小盲孔 不佳 不佳 不佳
蒸鍍金屬 可 可 可
蒸鍍合金 可 可 可
蒸鍍耐熱化合物 可 可 可
粒子能量 很低0.1~0.5 eV 可提高1~100 eV 可提高1~100 eV
惰性氣體離子衝擊 通常不可以 可，或依形狀不可 可
表面與層間的混合 通常無 可 可
加熱（外加熱） 可，通常有 通常無 可，或無
蒸鍍速率10-9m/sec 1.67~1250 0.17~16.7 0.50~833
三種物理氣相沉積法之比較
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Thermal Evaporation (熱蒸鍍)
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Thermal Evaporation (熱蒸鍍)
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Substrate holder in evaporators
Evaporation is carried out at very low pressure, e.g., 10-5 to 10-7 Torr.
The mean free path is very large compared to the substrate to source distance, so that the transport of the vapor stream is collisionless.
Thermal Evaporation
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Film Thickness Monitoring (quartz-crystal microbalance)
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石英振盪式膜厚監視器/控制器
(Deposition monitor / controller) 工作原理介紹：
鍍膜過程中，質量的增加會使石英的振盪頻率產生變化，配合自行輸入的參數，可將變 化的頻率值換算成動態鍍膜速率變化及累積的膜厚值。
STC-200/SQ 膜厚控制器
用途：
精準的鍍膜速率及厚度顯示外，並可迴授信號到電子槍電源供應器或蒸鍍源，進行閉回路的自動 鍍膜速率及膜厚控制。
特點：
1.操作簡單，可單鍵完成Single-Layer鍍膜程序。
2.配合外部界面PLC/PC連線，達到全自動Multi-Layer鍍膜程序。
3.內建RS-232電腦界面，可與電腦連線作業。
4.配備Bipolar高解析類比信號輸出端子，可連接記錄器使用。
5.內建程序記錄器，可提供前次操作數據，便於查詢修正。
6.全功能顯示器，監控鍍膜中各項數據變化，隨時掌握鍍膜速率
、厚度、輸出功率及時間變化，並有同步曲線圖顯示動態流程。
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Auto Vacuum 抽真空操作程序
常見之真空系統
右下圖為常見到的真空系統,一個真空腔配備了一個擴散幫浦，Rotary pump以及閥門等等。目前腔體是在大氣狀態之下，若要進行抽真空則其操作程 序如下:
一、先將擴散幫浦的加熱器打開，同時打開冷卻水，冷卻擴散幫浦的上半 部，此時擴散幫浦與Rotary pump之間的閥門(Foreline Valve)是打開的。
二、等到擴散幫浦夠熱了，暫時關閉擴散幫浦與Rotary pump之間的閥門，
然後打開Rotary pump與腔體之間的閥門(Roughing Valve)。讓Rotary pump對 腔體進行粗抽。此處要特別注意，腔體與擴散幫浦的高真空閥（U-VAC valve) 是關閉的。
三、等到腔體的壓力降到10-2 Torr之後，
關閉roughing valve然後再打開foreline valve，
此時將液態氮加入cold trap 內，等一切就緒，
再打開U-VAC valve,如此一來腔體便可以被到 高真空的要求了。
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擴散幫浦可以說是在高真空幫浦中第一個被研發出來的，早在十九世 紀就已經被人使用，只不過當時該幫浦的最大缺點是常常發生油氣回流到 腔體內形成污染，這是當時使用者最大的顧忌。隨著科技進步，低蒸汽壓 的真空油被研發之後，擴散幫浦便被大量的使用在真空技術上。雖然日前 渦輪幫浦，離子幫浦以及冷凍式幫浦持續更新，抽氣速度又快，又乾淨，
但是壽命長且又堅固的擴散幫浦依舊佔有它一席之位。
真空幫浦的原理乃是真空油被加熱之後，獲得極高的熱能，分子的熱 運動帶著相當大的運動速度，緊接著分子被類似煙囪的幾何架構所導引然 後由噴嘴向下噴射，由於該分子具有極大的運動速度，因此在經由噴射之 後其速度可接近音速。當分子噴出後，倘若周圍附近有氣體分子，則經過 碰撞後，一定會有動量的轉移現象，結果該氣體分子便有向下運動的趨勢
。通常在擴散幫浦的氣體出口處都外接一個Rotary pump，該Rotary pump 產生一吸力，將這些聚集在幫浦出口處的氣體分子帶走，如此一來擴散幫 浦的入口處與出口處會因氣體的分子數的濃度不同而產生擴散現象，擴散 幫浦的名字便因此而來。
擴散幫浦(Diffusion Pump)原理-I
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擴散幫浦之外貌 擴散幫浦之剖面圖
由於擴散幫浦最主要的原動力來自於真空油被加熱，使真空油的分子具有高速 度的運動速度，所以具有一個加熱器是擴散幫浦的特色。該加熱器置於擴散幫浦的 底部，真空油被煮沸之後其蒸汽壓隨著煙囪向上竄，至頂部後再隨噴嘴射出，真空 油的分子在撞擊幫浦的內壁後會形成液體慢慢流回底部，為了使真空油的分子容易 凝結成液體，通常擴散幫浦都有水管環繞在真空幫浦的上半部藉此冷卻，一般而言 擴散幫浦都具有溫度偵測器，倘若溫度過高時，便會自動切斷電源。
擴散幫浦(Diffusion Pump)原理-II
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cold trap 以及gate valve 防止油氣回流的baffle
擴散幫浦早期最擔心的是真空油的回流污染腔體，雖然使用低蒸氣壓的真空油
，但是油氣在高溫運作時，難免還是會有油氣回流的現象。為了避免該現象，現代 的擴散幫浦都附帶一些組件，該組件一般稱之為baffle，該baffle置於擴散幫浦的 上端，藉此將油氣擋下，除此之外加一個 cold trap也是一個非常重要的附件，每 次使用擴散幫浦之前便將cold trap加滿液態氮，如此一來當油氣吸附到cold trap 的內部時，便馬上冷卻下來，如此油分子根本無法到達腔體內部。
擴散幫浦(Diffusion Pump)原理-III
真空油回流之情形
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高真空計值 低真空計值
DP&RP真空計值
蒸鍍時確定
試片是否有無轉動
蒸鍍觀察用玻璃視窗 製程完畢務必擦拭清潔
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底座加熱 溫度控制器
DP溫度控制器 設定溫度160℃
!!勿任意更改!!
DP溫度控制器 輸出電流值
設定溫度5℃
!!勿任意更改!!
冷卻啟 動開關
電源 開關
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電極總關關
※只有蒸鍍啟動前才開啟※
※蒸鍍完畢務必關閉開關※
※以免接觸底座電極時發生危險※
電極輸出功率旋鈕 手動蒸鍍時才用到 自動蒸鍍時則歸零
旋轉啟動開關 always 在ON狀態
Heater加熱燈管 務必分辨清楚
以利蒸鍍時之設定與觀察 電極1B
電極1A
電極電壓計
電極開關開啟時為208V 關閉則歸零
電極電流計 注意勿超過300A
旋轉速度控制旋鈕 固定一格、勿變更
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Run time ：T1+T2+T3 總時間
Phase time：T3 shutter 打開開始蒸鍍時間 XTAL：石英震盪片使用程度 (new 99%)
膜厚計
film number 1~5材料種類 已經固定，勿擅自更改
膜厚計
1.蒸鍍前按ZERO鍵歸零 2.蒸鍍前按STSRT鍵，
選4 Rest/Start Process (重複兩次) 確定為Process Stop畫面才可蒸鍍
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膜厚計製程參數示意圖
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材料種類 熔點(Tm) 熔化蒸鍍功率 蒸鍍條件與可達之厚度(Å) 材料純度、樣式與尺寸 Tooling%
1. 鋁 Al 660℃ 30％ ~ 32％ 2顆 750-950 99.999%shot、
dia4X6mm 59.3%
2. 鉻 Cr 1857℃ 44％ ~ 46％ 15顆 1000-1200 99.99%granule、2-4mm 75.57%
3. 鎳 Ni 1453℃ 38％ ~ 40％ 1顆 700-950 99.995%slug、
dia6X6mm 51.6%
4. 鈦 Ti 1660℃ 41％ ~ 43％ 2顆 2450-2700 99.995%slug、
dia6X6mm 57.43%
5. 金 Au 1064℃ 34％ ~ 36％ 16顆 1250-1500 99.99%shot、
dia2X3.3mm 49.4%
1. 所使用鎢舟皆為10mm X 100mm，單一電極(1A)蒸鍍下之測試結果。
2. 蒸鍍時功率宜緩慢增加，避免加電流過快造成鎢舟斷裂。
