直流與射頻功率濺鍍AZO薄膜及AZO霧化計畫 薄膜工程 修平科技大學電子系 教授 陳宏仁 博士 西 元 2 0 1 2 年 2 月 23 日

課程單元 一、緒論 二、半導體真空系統概論 三、半導體真空系統應用 四、熱及電子槍蒸鍍技術 五、濺鍍原理與技術應用 六、CVD、PECVD、LPCVD原理 七、薄膜特性量測

一、緒論 (一)前言: 1. 薄膜與厚膜之區分: 薄膜:厚度在5µm左右以下 厚膜:厚度在5µm以上者 2. 薄膜形成技術 (1)Physical vapor deposition (PVD) :物理氣相沉積 (2)Chemical vapor deposition (CVD) :化學氣相沉積 PVD: 固體蒸發源 高溫氣化 基板面上之凝結 CVD: 常溫化合物氣體 高溫基板上化學反應 反應生成物之形成

薄膜形成技術

3.厚膜形成技術 網版印刷法、電鍍法、噴霧裂解法、自旋塗佈法… 網版印刷法: 利用以製作之1:1圖型網框為母版， 藉由刮刀擠壓、乾燥、燒結等製程製 作厚膜。

4.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，TiN SiO，SiO2，Ta2O5，Al2O3 InSnO(ITO)，SnO2 ZnO/Ag/ZnO Al，Cu，W，Ti，TiN，多晶Si SiO2，Si3N4，SiOF，有機薄膜 PbTiO3，PZT，SrTiO3，(Ba,Sr)TiO3 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，Ⅱ-Ⅵ族半導體 非晶Si，多晶Si ZnS:Mn，ZnS:稀土類，有機EL ZnO，AlN Ⅲ-Ⅴ族·Ⅱ-Ⅵ族半導體 Si，Ⅲ-Ⅴ族半導體 單晶Si，多晶Si，非晶Si，Ⅲ-Ⅴ族·Ⅱ-Ⅵ族半導體 YBCO，Nb，NbN，Pb

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Si GaAs，InSb，CoNbZr 碳薄膜，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，GdFeCo CoNiCr Fe/Mo，NiFe/Mo，Co/CrMnPt，Co/Cu Ta/NiFe/MnNi/NiFe FeNi/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/TiO2 SnO2，ZnO/Ag/ZnO，SnO2/Ag/SnO2，TiO2，TiN/TiO2 石英，LiNbO3，Ⅲ-Ⅴ族半導體，高分子，YIG TiO2

二、半導體真空系統概論

大 綱 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)

什麼是真空技術? 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.

為何需要真空? 早期為探究真實『原子清潔』的表面，表面分析過程往往須在真空或超高真空中進行的，主要科學儀器之表面分析設備都具有真空系統。 目前半導體主要製程設備如離子佈植、爐管、薄膜濺鍍、電漿蝕刻等皆須使用真空系統。 11

真空壓力單位(力/單位面積) Atmospheres (atm): Pascal (Pa): 國際真空壓力單位 mBar: 現行真空壓力單位 – Scale relative to our atmospheric pressure as 1 atm Pascal (Pa): 國際真空壓力單位 – SI unit equal to N/m2 , 1 Pa = 10-2 mBar mBar: 現行真空壓力單位 – Equal to 1x102Pa. Torr or mmHg: 習用真空壓力單位 – Most commonly used pressure unit, based on mercury vacuum gauges.

真空等級 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 Torr Ultra-High Vacuum (UHV): < 1x10-9 Torr

真空的意義 (1) Monolayer Coverage Time For an ideal gas, the time needed for monolayer coverage is given by: where ZA is impingement rate.

真空的意義 (2) Impingement Rate (Flux) For an ideal gas, the impingement rate is given by: where -the number density of gas molecules (#/m3) v -the mean velocity(m/s)

真空的意義 (3) Collision Free Conditions: P ~ 10-6 Torr P ~ 10-10 Torr Time / ML, Mean Free Path (m) Gas Density, Y (molecules m-3 ) Pressure Degree of Vacuum tML(s) (Torr) 10-9 7×10-8 2×1025 760 Atmospheric 10-6 5×10-5 3×1022 1 Low 10-3 5×10-2 3×1019 Medium 50 3×1016 High 104 5×105 3×1012 10-10 UltraHigh Collision Free Conditions: P ~ 10-6 Torr P ~ 10-10 Torr Maintain a Clean Surface:

Vacuum System

真空系統之主要組成

極限壓力與工作壓力

Vacuum Pump

不同真空之氣流狀態 Viscous flow (黏滯流) Molecular flow (分子流) (過渡流) 氣體分子間有互相碰撞作用，摩擦力 Molecular flow (分子流) 氣體分子完全任意自由活動 Transitional flow (過渡流) 氣體平均自由路徑與儀器主要尺寸相當

抽氣原理 • Molecular flow conductance 氣體平均自由路徑 >>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

抽氣速率 Q • Maximum Speed of a Pump in the Molecular Flow Region Ideal Non-ideal C0:氣體分子平均速度

計算所需抽氣時間 t = (40/0.5)1n(103) = 80 × 2.3log103= 80 × 2.3 × 3 = •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) 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

真空幫浦的種類

真空幫浦的選用 粗略真空 中度真空 高真空 超高真空 壓力(mbar) 1000-1 1-10-3 10-3-10-7 10-8-10-12 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

選用對照表 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-1Torr 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 Vacuum 1Torr-10-3Torr 過渡流 機械式幫浦 熱電偶真空計 熱傳導真空計 對流式真空計 高真空 High Vacuum 10-3Torr-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 Vacuum 10-8Torr以下 鈦昇華幫浦 黏滯性真空計

Pump 分類

Pump 種類 Ultimate Pressure Oil / Oil-Free – Low Vacuum (Rough) – Oil Pumps • Rotary Vane Pumps • Sorption Pumps – High Vacuum Pumps • Diffusion Pumps • Turbo Molecular Pumps – Ultra-High Vacuum • Ion Pumps Oil / Oil-Free – Oil • Rotary Vane Pumps • Diffusion Pumps • Turbo Molecular Pumps – Oil-Free • Ion Pumps • Titanium Sublimation Pumps • Titanium SublimationPumps

Positive Displacement Pump

Dry Mechanical Pump

魯氏幫浦(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 can’t exhaust 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

迴轉葉幫浦(Rotary Vane Pump) Atmosphere to 10-3torr Robust, inexpensive Oil lubricated

工作原理 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 toward the discharge port. When gas pressure exceeds atmospheric pressure, the exhaust valve opens and gas is expelled.

氣鎮(Gas ballasting)之功能 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。

氣鎮裝置原理 (1)永久性氣體之抽氣

(2)凝結性氣體之抽氣

(3)使用氣鎮裝置抽除凝結性氣體：

隔膜幫浦(Diaphragm Pump) pu= 4 mbar

多級幫浦(Multi-stage Pump)

轉爪幫浦(Claw Pump) pu= 0.01 mbar

Kinetic Pump

擴散幫浦(Diffusion Pump)

工作原理 Momentum transfer to gas molecules through collision with directed jet of oil molecules Require cooling water &backing pump 10-3to 10-7Torr Advantage – Robust – High pumping speed for relatively low cost. – No vibration or noise. Disadvantage – Oil as a pumping medium, high risk of back streaming oil, cold traps required – Potential for serious vacuum problems

防止油氣逆流(Back Streaming) Cold trap Fore-line trap Cooled baffle

渦輪幫浦(Turbo Molecular Pump)

工作原理 Molecules 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 bearings Most common HV/UHV pump.

渦輪幫浦之優缺點 • Advantage • Disadvantage – 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.

使用渦輪幫浦之注意事項 When turbo pumps 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.

Entrapment Pump

吸附幫浦(Absorption 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

昇華幫浦(Sublimation Pump) • Heated Ti filament evaporates Ti film onto cooled surface. • Ti getters reactive gases by reaction. • Operate at 10-8-10-11Torr • Inexpensive, reliable • Periodic operation -not primary pumping mechanism

離子幫浦(Ion Pump) High voltage between anode and cathode (~5 kV) Gas molecules are ionized by collisions with electrons and are accelerated to cathode. Sputtered Ti atoms act as "getter" for reactive gases. 10-4Torr to 10-11Torr

離子幫浦之優缺點 • Advantages • Disadvantage – 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.

使用離子幫浦之注意事項 The life of a typical diode pump is 40’000 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.

低溫幫浦(Cry Pump)

低溫幫浦之工作原理 A cryo pump works by freezing and trapping molecules. It is made of cold surfaces (-193 ºC to -255ºC) 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.

低溫幫浦(Cry Pump) “self-contained” Pump speed ~10000 l s-1 “liquid pool”

Pump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

真空計(Vacuum Gauge)

靜水壓力計(Hydrostatic Pressure Gauge) To chamber p p0 h “liquid level gauge” p = 1000 ~ 1 mbar “McLeod gauge” p = 10-1 ~ 10-5mbar

隔膜式真空計(DiaphragmGauge)

熱傳導真空計(1) (Thermal Conductivity Gauge) “Piranigauge” 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”

熱傳導真空計(2) Convection Enhanced PiraniPG105 Gauge INFICON Compact PiraniGauge TPR Convection Enhanced PiraniPG105 Gauge

熱傳導真空計(3) “thermocouple gauge” 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. Atm to 10-4Torr Fast, simple, inexpensive. “thermocouple gauge”

熱傳導真空計(4) TERRANOVA Model 924 ThermocoupleVacuum Gauge

電容式真空計(Capacitance Manometer) 1.量測壓力範圍:0.1~1000 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

熱離子真空計(1)(Ionization Gauge) Heated filament produces electrons via 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 accuracy, widely used.

熱離子真空計(2)(Ionization Gauge) “Bayard-Alpert gauge”

熱離子真空計(3)(Ionization Gauge) 優點 – very reliable – straightforward to operate – easily be de-gassed by electron bombardment 缺點 – hot filament that can “burn out” due to accidental exposure to atmospheric air (sol. two switchable filaments) – significant ionic and electrical pumping effects which produce a lower pressure in the gauge (sol. gauge is used “nude”)

熱離子真空計(4) INFICON Compact VARIAN 571 VARIAN UHV-24P Process Ion Gauge IMR VARIAN 571 VARIAN UHV-24P

(Cold-cathode ionization gauge) 冷陰極離子真空計(1) (Cold-cathode ionization gauge) 10-2Torr–10-6Torr

冷陰極離子真空計(2) INFICON Compact Cold Cathode Gauge IKR

(Quadrupole Residual Gas Analyzer) 四極殘留氣體分析儀 (Quadrupole Residual Gas Analyzer) Quadrupole mass spectrometer – RGA (residual gas analyzer) 10-4to <10-14torr Total pressure mode integrates all ion intensities Partial pressure mode indicates residual vacuum composition Highly accurate, precise Complex, expensive. Mass Spectrometer

(Quadrupole Residual Gas Analyzer) 四極殘留氣體分析儀 (Quadrupole Residual Gas Analyzer) HORIBA STEC RGA ExtorrXT100 Micropole™ System

真空材料與零組件

真空材料與管路閥件 真空材料與零件設計與選用主要決定於真空製程 之特性與真空度需求。 欲使半導體製程之真空系統獲得最佳性能與成本， 真空材料與零件的選用是非常重要的因素。 真空材料與管件選用要求 — 維持真空度 — 不汙染製程 — 於環境與人體無害

特性需求 • 可加工性 • 在操作溫度與壓力下保持強度 • 熱性質 • 氣體負荷 • 反應 • 輻射 • 熱性質 熱膨脹須與接臨材料接近( 例如：超高真空系統flange須承受烘烤 ) • 氣體負荷 材料須不透氣 ( 不具孔隙或裂縫 ) 前處理後材料釋氣量要小 ( 表面不易吸附 ) • 反應 真空材料不與其他材料或製程物質反應 • 輻射 材料曝露在輻射線下 ( 如neutrons, x-rays 或高能粒子 ) 不會放出氣體或裂化，例如：密封彈性體(elastomer)硬化、觀察窗變黑。

真空常用材料 – 金屬 奧斯田不銹鋼 – 材料代號EN58A,EN58B(US321), EN58E(304) 最常用於氫焊腔體 – 釋氣率低 – 材料代號EN58F(347) 不適用於拋光後焊接 中碳鋼 – 可用於真空度低至10-3mbar – 焊接塗佈後可用於更低壓 – 易銹蝕

真空常用材料 – 金屬 鋁與鋁合金 鎳合金：如lnconel, Kovar – 材料便宜、質輕運送方便 – 耐腐蝕、易加工與接合 – 高溫強度差、低含鋅量接點易蝕 – 銅含量易導致焊接問題、焊接後變形量大須後續加工 鎳合金：如lnconel, Kovar – 高溫下高強度 – 極佳抗腐蝕性 – 不易取得、價格高、加工困難

真空常用材料 – 金屬 黃銅 (Brass)：Cu – 15~20%Zn 鈦(Titanium) 銅(Copper) – 真空中清潔度高、重量輕、延性佳 – 例：常用其補氣性於ion pump cathodes和getter pump filaments. 銅(Copper) – 含氧量低、氧氣流傳導性高 (OFHC) – 容易加工、抗腐蝕 – 氫氣氖下硬焊不易 黃銅 (Brass)：Cu – 15~20%Zn – 適用於特殊應用、材料等級多、抗腐蝕 – 100oC以上操作有鋅蒸氣問題、小心鑄孔

真空常用材料 – 陶瓷與玻璃 陶瓷(Ceramics) 玻璃(Glass) – 對於使用溫度可達1500oC的真空元件是最適合材料 – 使用時需戴無棉質手套防止刮痕與碰撞 ( 脆性 ) – 可以硬焊法與金屬接合獲得複合材料元件 – 加工不易 玻璃(Glass) – 廣泛用於真空腔體、元件與管路 – 最常用玻璃為硼玻璃(borosilicate glass, 如Pyrex) – 可用於觀察窗(View port)、鉛玻璃可阻隔X光 – 抗腐蝕性佳

真空常用材料 – 塑膠 塑膠 ( Plastics ) 與金屬相較，通常塑膠易吸氣、易透氣，使用需小心 – PTFE • 低釋氣率、電絕緣佳、使用溫度較高之塑膠、具自潤滑效果 • Glass-filled PTFE：使強度提高、透氣量降低 – Polycarbonate. • 中釋氣率與吸水性、電絕緣佳 – Nylon and Acrylic • 高釋氣率與吸水性、具自潤滑效果 – PVC • 高釋氣率與吸水性、可性、用於暫時性管路(如：測漏). – Polyethylene • 完全釋氣後才可用 – Synthetic Resins • 不建議使用

彈性體密封( Seals ) 橡膠(NitrileRubber) Viton PTFE • 最常用密封環材料 • 最常用密封環材料 • 接合容易(如：大型機台安裝) Viton • 適用於低壓、低釋氣率、耐熱 • 受壓過大後維持永久變形 • 需真空100oC烘烤1小時 去除成形添加劑 PTFE • 耐壓差、不建議使用 可裝卸密封塑膠之釋氣率

金屬密封(Metal Seals) 銅環(Copper Ring) • 使用刀口(knife edges)設計( 如：Conflat) 、小心損壞刀口 • 可烘烤至450oC 銦線 (Indium Wire) • 質軟、法藍鎖緊後連續變形、易於再擠壓成型 鋁線 (Aluminum Wire) • 容易製造、平面法藍密封、法藍須研磨至0.8 µm 金線(Gold Wire) • 鈍性、可烘烤至450oC須施加較高法藍栓荷重與法蘭平整度(0.4 µm). • 首購價昂貴但消耗品可回收

迴轉幫浦用油 – 低蒸氣壓、潤滑性佳、使用溫度一般在80oC 以下 – 氟化聚醚類油(如：福比林Fomblin)可用於具 腐蝕蒸氣下

擴散幫浦用油 碳氫化合油 矽油 聚本乙醚 氟化聚醚 • 超低蒸氣壓、熱穩定性、潔淨系統用(如電子顯微鏡) • 系統內油氣沉積會造成導電層 • 由石油提煉、適於真空度低於10-7mbar • 與空氣作為形成碳化合物會導致幫浦性能下降 • 系統內油氣沉積會造成碳導電層 矽油 • 高溫穩定、適於真空度低於10-5~ 10-9mbar • 滿足高速運轉需求 • 系統內油氣沉積會造成絕緣層 聚本乙醚 • 超低蒸氣壓、熱穩定性、潔淨系統用(如電子顯微鏡) • 系統內油氣沉積會造成導電層 • 價格昂貴 氟化聚醚 • 化學穩定佳、抗氧化能力強 • 用於粒子轟擊或含侵蝕成份的系統 • 價格昂貴但抽氣效果遜於他種油

接頭 ( Fittings ) 氣體接管VCR接頭用(如1/4“ 316不銹鋼管)

接頭 ( Fittings ) 簧管 (bellows) 絕大多數廠商均提供搭配法藍之標準化接頭，包刮 直管 (pipe)、彎管 (elbow)、T型管 (T-piece)、十字管 (cross-piece)和簧管 (bellows) 簧管 (bellows) 通常以不銹鋼製成，有兩形式

迴旋簧管 液壓成型、結構堅固、高彈性、縱向位移不易 (convoluted bellows)

邊焊簧管 (edge welded bellows) (manipulators)之線性移動 • 由不銹鋼圓片壓模成型、在內外接線焊接 • 由不銹鋼圓片壓模成型、在內外接線焊接 • 低彈性、縱向變形較大 • 可用作振動隔離、閥制動器之密封與提供操縱器 (manipulators)之線性移動 (edge welded bellows)

導引 (Feed-through) 傳遞動作、流體、電源或訊號穿過真空腔壁 液體 電源或訊號 • 以循環液冷卻或加工作腔體內元件 • 以循環液冷卻或加工作腔體內元件 電源或訊號 • 以玻璃或陶瓷絕緣體焊在法蘭上，承載導線 • 訊號可以多腳或同軸電線傳遞

導引 (Feed-through) 線性動作 • 以塗有真空脂之O環或邊焊簧管密封導入

導引 (Feed-through) 旋轉動作(以塗有真空脂之O環密封導入) 擺動軸 磁力聯結(Magnetic Coupling) (a) Greased elastomer (b) Wobble shaft (c) Magnetic coupling

導引 (Feed-through) 鐵磁性流體旋轉通路(Ferrofluidic) • 以含鐵粉之低蒸氣壓液體在強磁場下密封 • 以含鐵粉之低蒸氣壓液體在強磁場下密封 • 適用轉速範圍廣(0 -50000 rpm)

閥(Valves) 薄膜閥(diaphragm valve) 直角閥 (right angle valve) • 以螺絲控制可撓膜密封 • 以螺絲控制可撓膜密封 • 釋氣率較高 • 應用：粗抽至10-3mbar 直角閥 (right angle valve) • 以螺絲控制O-ring密封 • 應用：粗抽、通氣、測漏閥

閥(Valves) 全金屬直角閥 (all-metal right angle valve) 蝴蝶閥 (butterfly valve) • 使用銅環密封、軸以簧管密封、可烘烤、手動應用：超高 真空系統 蝴蝶閥 (butterfly valve) • 使用O環密封、打開後氣導佳、O環需潤滑 • 應用：擴散幫浦進氣控制、節流閥

閥(Valves) 變漏閥(Variable Leak Valves) 針型變漏閥 UHV精密型變漏閥 • 針型(Needle) – 針以簧管密封 • UHV精密型 – 使用銅刀密封 – 可烘烤至450oC、漏氣率：由500至10-10mbar | s-1 針型變漏閥 UHV精密型變漏閥

閥(Valves) 氣體管線切換或開關用(1/4” 316不綉鋼管) Bellow 氣動閥 Bellow 手動閥

壓力調節閥(Pressure Regulators) 氣體管線減壓或穩壓用 Diaphragm Regulator

真空測漏

真空測漏 (Leaks) • 洩漏量之量測與控制是確保真空度的要素， 但也常是最枯燥困難的 • 系統原始設計良莠有決定性影響 • 沒有無洩漏之真空系統 • 洩漏量之量測與控制是確保真空度的要素， 但也常是最枯燥困難的 • 系統原始設計良莠有決定性影響 • 測漏分為零件測漏與系統測漏

實漏與虛漏(Real & Virtual Leaks ) 實漏：氣體由外界環境進入真空腔體內 — 孔漏 ‧ 黏滯流：溫度上升，洩漏速率下降 ‧ 分子流：溫度下降，洩漏速率上升 ‧ 孔洞臨界尺寸：約10個分子的直徑 — 滲漏 ‧ 氣體分子擴散穿越腔體材料 ‧ 溫度上升，洩漏速率大幅上升 ‧ 如：He穿過玻璃，氫穿過橡膠O型環 虛漏：吸附氣體由腔體內壁、孔洞、狹縫處釋出 — 如：水氣

實漏與虛漏(Real & Virtual Leaks ) (b) 偽漏 (c) 合併 原則上當腔壓小於1 mbar，漏氣率與腔體無關壓力差皆為1 atm

氫在不同材料腔體內虛漏變化

漏氣率(Leak Rate) QL= V (dp/dt) QL= S × pu 壓力達平衡時，抽氣率 = 漏氣率 每單位時間之洩漏氣體量 dp/dt ú > 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= S × pu S ：抽氣速率，Pu：最佳壓力

測漏法 肥皂泡(I) 蓋漏法(O) — 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 — 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 蓋漏法(O) — 以膠帶或低壓黏土 (如Apiezon Q) 覆蓋可疑區域， 若壓力下降表示為洩漏點 — 暫時洩漏，但非永久之計 — 不適於超高真空系統

測漏法 熱傳導偵測器(Thermal Conductivity Detector) 原理類似 Pirani 或熱電偶真空計 通入特殊氣體 ( 如二氧化碳 ) ，以偵測器感測不同氣體 之熱傳導效應 價格便宜，用途廣 使用外側(O)檢測，需使用風扇 壓力可低至10-3 mbar 需使用不燃氣體 —

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 analyser ; RGA) 僅需分辨He與H 注意氣體穿透性，如He與H會穿透O環，需選用 其他氣體 —

質譜測漏儀

質譜儀測漏法 (2) 利用渦輪分子幫浦取代擴散幫浦，避免cold trap影響測漏結果 質譜儀搭配內側法 — 操作便利 — 操作便利 — 偵測10-8mbar | s-1. — He 測漏儀校正 — 使用標準校正儀 — 測漏能力會受溫度影響

四種主要He測漏儀測漏法

半導體真空系統應用

Loadlock 系統設計

系統分類 半導體製程 晶圓製造：長晶→切片→邊緣研磨→研磨侵 蝕→退火→拋光→洗淨→檢驗包裝 積體電路：磊晶→微影( 去光阻 )→擴散→離 子佈植→蝕刻→金屬連線( 鍍膜 )→晶圓切割 IC封裝：黏晶→焊線→封膠( 除氣 )→檢切/成 型→印字→檢測

主要半導體製程之真空要求 製程 真空度(mbar) 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 設備 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 10-3~10-6 高 10-3~10-4 中 1~10-2 中 10~10-3 低～中 10~10-2

薄膜沉積(Thin film deposition) ·Poly-Si deposition ·Epi-Si deposition ·Dielectrics (SiO2, Si3N4), Ti2O5) deposition ·Metals (Al-Cu, Ti, TiN, W, Cu, Ta, TaN) deposition Chemical vapor deposition (CVD) Physical vapor deposition (PVD)

Physical Vapor Deposition (PVD) 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。

簡單熱蒸鍍真空系統

真空熱蒸鍍原理 蒸鍍原理 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 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)

熱蒸鍍常見的蒸鍍源之形狀 絲狀蒸鍍源 ‧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料，用於度小量之線型材料。 舟狀蒸鍍源 ‧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。

PVD – 濺鍍(Sputtering deposition) 濺鍍薄膜沉積法利用高能量粒子(通常為由電場加速的正離子)衝擊固態靶的表面，靶源子與這些高能粒子交換能量後，由表面飛出，沉積在矽晶圓上，形成薄膜，這種方法稱為濺鍍。

磁控濺鍍基本原理

濺鍍設備真空系統 磁控濺鍍設備

Metal PVD Cluster Tool

電漿輔助化學氣相沉積 ‧ 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。

PECVD 反應室系統設計 ‧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)

商業化PECVD 系統 Concept Two®SEQUEL Express® Input Cassette Output Cassette Wafer Wafers Hander MultistationSequential Deposition Chamber Water-cooled Showerheads Resistively Heated Pedestal * High proportion of the total product use

離子佈植機(Ion Implanter) 氣體櫃 電機系統 真空幫浦 離子源 電漿泛注系統 離子束 晶圓 終端分析儀 磁鐵分析儀

感應式耦合電漿蝕刻機 Plas ma 反應室上方是：陶瓷或是石英 射頻源產生感應耦合是電漿 射頻源產生電漿且控制離子密度 Process gases Source RF 射頻源產生感應耦合是電漿 Process chamber RF coils Plas ma Wafer 射頻源產生電漿且控制離子密度 E-Chuck Byproducts to the pump 射頻偏壓控制離子轟擊能量 Bias RF Helium backside cooling 離子能量和密度獨立地被控制 Inductively coupled plasma (ICP)

商業化 Etching Cluster System