金屬鍍膜技術系列ㄧ 金屬蒸鍍 修平技術學院 電子工程系教授兼工學院院長 陳宏仁 教授 2010/5/29.

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1 金屬鍍膜技術系列ㄧ 金屬蒸鍍 修平技術學院 電子工程系教授兼工學院院長 陳宏仁 教授 2010/5/29

2 Content 蒸鍍的原理及蒸鍍源介紹 電子束製程的技術 電子束蒸鍍的相關參數關係 金屬蒸鍍膜的常發生問題及常用量測方法 Q&A

3 Processes of Thin Film Deposition
Physical Vapor Deposition Chemical Vapor Deposition Thermal CVD Plasma-Assisted CVD Photo CVD MOCVD Laser-Assisted CVD Electron-Assisted CVD Evaporation Sputtering Ion Plating MBE

4 蒸鍍(Evaporation) 原理: 蒸鍍根基於一種概念,就是在任何物質上方皆存在一有 限 的蒸氣壓; 此物質不是昇華(Sublimation)就是蒸鍍 (Evaporation)之ㄧ. 優點: 因為低壓下作業, 可得最高純度(對蕭特基接觸面有益). 缺點: 較差的階梯覆蓋(Step coverage),形成合金(金屬化合物) 可能較困難.

5 Evaporator System 二種主要的蒸發源:燈絲(Filament) 【Thermal coater】
電子束(E-Beam)【E-Beam coater】 燈絲(Filament) 電子束(E-Beam)

6 Electron Beam Heated Evaporation Source
270 degree bent electron beam Evaporation cones POCO Graphite of material hearth liner 4-pocket rotary copper hearth (0 V) magnetic field Beam forming aperture Recirculating cooling water Cathode filament (-10,000 V)

7 Easily Maintenance & Replacement for E-Beam Source
Crucible Cover Crucible STIH-270-2CK Turret Source Base Unit

8 Reduced Beam Curl Magnetics
Improved Source Magnetics Reduce Beam Curl Traditional Magnetic Enhanced Magnetics Melt Inventory Usage Melt Inventory Usage 改善電子束隨材料深度 降低而有側挖的現象!! Model "Straight Shooter"

9 Electron Beam Evaporation System
( Model: E600)

10 電子束製程的技術 熱平衡關係 蒸鍍速率與蒸鍍源效率關係 蒸鍍分佈與凝態速率的關係 電源供應與電子束控制關係 電子束蒸發源的結構: 設計與操作
基板溫度與偏壓的影響

11 熱平衡關係(Heat Balance) Qi = Qv+ Qr+ Ql+Qn+Qx+Qc 經過蒸鍍製程的整體製程的熱平衡
where Qi: 在被加速到陽極的電子束發展出的功率. Qv: 在燈絲被加速到陽極的電子束撞擊所損失功率.(可被忽略) Qr: 從液態被蒸鍍材料表面藉著熱輻射所損失的功率. (依賴著蒸鍍溫度;對頑抗性金屬W,Mo,Qr大; 相對室溫下Zn,Al Qr小) Ql: 對被蒸鍍材料蒸鍍的潛熱(latent heat). Qn: 對被蒸鍍材料因游離及二次電子產生所造成的功率損失.(max 20%) Qx: 起因於x-ray產生損造成的功率損失. Qc : 坩堝藉傳導所損失的功率.(坩堝的熱傳導主要依賴接觸面積, 表面張力, 表面粗糙度,及流體靜力學)

12 尤其需注意 Qc : 坩堝藉傳導所損失的功率 坩堝的熱傳導主要依賴接觸面積, 表面張力, 表面粗 糙度,及流體靜力學 在水冷的銅坩堝,此種功率損失也許可以高到輸入功 率 的75%

13 Geometry for crucible heating calculation
E =1 (heater) Th Heat Input Tc, mT Heat Output A e (Crucible)

14 蒸鍍速率與蒸鍍源效率關係 蒸氣壓P: ln P = const. ( 1/T )
蒸鍍速率(evaporation rate)對任何材料一般會遵 守Langmuir-Knudsen關係式: 蒸鍍速率dm/dt= kAP(M/T)-2 where A = 被蒸鍍材料表面積 P = 被蒸鍍材料的蒸氣壓 M = 分子重量 T = 絕對溫度 k = 常數 蒸氣壓P: ln P = const. ( 1/T )

15 蒸鍍分佈與凝態速率的關係 在自由分子流區域,沉積分佈可以用傳統的cosine分佈關係.
使用虛擬蒸發源(virtual source), 可以得到較好的cosine分 佈預測值. 虛擬蒸發源(virtual source)高於實際蒸發源,能從虛擬蒸發 源(virtual source)獲得較理想的蒸氣流勝過實際蒸發源. 虛擬蒸發源(virtual source)的位置會隨蒸鍍速率改變就如同 隨電子束密度 而變一樣.

16 虛擬蒸發源(virtual source)高於實際蒸發源

17 電子束蒸發源的結構:設計與操作 蒸鍍源: 具有無氧銅水冷裝置(using water-cooled copper)
優點: 無污染及可使用於反應性金屬的蒸鍍. 缺點: 較低的蒸鍍效率. 使用頑抗性金屬做成的蒸渡舟(using refactoryLiners with insulation) 優點: 效率比水冷方式提高4 到5 倍的增益 蒸鍍速率也可以更好控制 缺點: 需較長時間達到平衡; 需較長冷卻時間 蒸發源的冒泡現象,可藉著降低電子束密度來改善此現象

18 基板溫度與偏壓的影響 對於鍍厚膜的工業應用而言, 當基板溫度加熱至被蒸鍍材 料熔點的一半或
三分之一時,蒸鍍物的正常體(normal bulk) 性質可以得到. 當沉積速率增加時, 被給定的壓力,對被氣體及其他污染物 的損傷影響將降 低 沉積物的微結構及張力性質可以藉著控制溫度而改善 最近在基板加偏壓促使基板表面被離子轟擊,此趨勢會降低 柱狀顆粒成長 (Columnar Grain)及改善沉積物的密度

19 聚焦磁極調整與電子束 點形狀的關係

20 電子束蒸鍍的相關參數關係 真空在蒸鍍中的影響 (Effect of Vacuum on Evaporation)
在真空腔中的氣體 (Gases in the Vacuum Chamber) 對蒸鍍速率所造成的污染物 (Contaminant to Evaporant Ratio) 蒸鍍速率 (Rate of Evaporation) 不同物質的蒸鍍 (Evaporation of Various Materials) 純物質的蒸鍍 (Evaporation of Pure Elements) 合金的蒸鍍 (Evaporation of Alloys)

21 真空在蒸鍍中的影響 因為低壓下(10-6Torr)作業, 可得最高純度

22 The Vacuum vs Pumping Time (New Unloading)
Time(Min) Pressure(torr) 結果 壓力(torr) 0.5 3.5E+02 1.0E+03 1.20E+02 1 1.0E+02 1.00E+01 2 1.0E+01 1.00E-05 3 1.0E+00 1.30E-06 5 1.0E-01 10 5.60E-07 1.0E-02 20 2.50E-07 1.0E-03 30 1.80E-07 1.0E-04 40 1.40E-07 1.0E-05 60 1.00E-07 1.0E-06 120 9.50E-08 1.0E-07 720 9.30E-08 1.0E-08 Start to test from door closed

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24 在真空腔中的氣體 真空腔體不管腔體多乾淨或抽真空再久都會含有小量氣體;這些氣體的 來源有 以下來源:
腔體壁(Wall):腔體壁或腔體內部表面會緩慢溢氣(outgassing);在製程執 行過程中,腔體內部表面溫度會增加而造成溢氣速率增加. 被設計的漏氣(Designed leaks):透過足夠的抽氣系統所造成的系統設計 的微漏 意外的漏氣(Accidental leaks):透過封真空處的微漏 未被吸附的碳氫鍵(Untrapped Hydrocarbons):從不同的來源得到;尤 其是擴散幫浦(Diffusion Pump) 製程蒸鍍材料(Processed Materials):當材料被加熱時,溢氣正進行. (Virtual Leaks):在螺絲頭中,平板下所吸附的氣體 如果被蒸鍍物屬於化學反應性的,在分子間碰撞過程中,增加形成化合 物的機率

25 對蒸鍍速率所造成的污染物 反應性金屬在高蒸鍍速率狀態下,移除污染性的氣體分子快過被這些氣體分子置換的速度；如此會降低沉積物中的汙染水準低到可期望的範圍。 使用擋板(Shutter)延長沉積時間直到壓 力達到期望低的水準 。 污染性的氣體量依賴於材料的使用加熱 的方式，為了避免此現象；在電子束蒸鍍 源的蒸鍍材料應該在真空中被預融 (Premelted)。

26 蒸鍍速率 (Rate of Evaporation)
蒸鍍速率對於蒸鍍材料的溫度變化反應快速 較重要的控制: 電子束的位置,掃描頻率,掃描振幅大小影響蒸鍍材 料的溫度及伴隨著改變 磁場強度及方向 封閉迴路的監控:藉著偵測蒸鍍速率及沉積率,監控 器可以調節功率的輸入 至蒸發源,依序調節蒸鍍及沉 積速率. 蒸鍍材料的持有方式(Material handling)對蒸鍍速率 影響重要; 甚至如棒狀回饋蒸發源(Rod fed source)

27 The Relationship between Proportional
Gain, Interval, and Differential

28 Electrical Connectio(1) standard female BNC on atmosphere side
Materials: 304 Cres, Teflon®, Beryllium Nickel Springs Finish: Stainless Steel with gold plated Maxtek Next Generation Cool Dr awer™ Cooling: Water 0.2 GPM using 1/8" OD Tube Temp Operational environment to 300 C with water cooling, 160 C without Electrical Connectio(1) standard female BNC on atmosphere side Air Supply: PSI regulated Crystal: Industry standard inch diameter

29 Single vs. Multi-crystal Sensorheads
(max 6 pcs) (max 2 pcs)

30 MAXTEK'S MDC-360 IS POWERFUL,controlling up to four single or multi-pocket sources.
•Controlling and interfacing with up to four single, dual or multi-crystal sensors. •The MDC-360 rate controller has up to 99 processes, 999 layer definitions and 32 complete material definitions. MAXTEK'S MDC-360 IS FLEXIBLEwith an extensive list of material and system parameters including multiple rate ramps. •The MDC-360 rate controller is fully programmable discrete I/O and 2.5 to 10 MHz sensor crystal support. MAXTEK'S MDC-360 IS FULLY SUPPORTEDby Maxtek's DCM software. •The PC software streamlines the setup, debugging and fine tuning of complex processes and systems. It interfaces with the rate controller to allow complete archiving of process, system and run time data. MAXTEK'S MDC-360 IS EASY TO USE,with a menu-driven user interface, a built in materials library and named process and material recipes.

31 不同物質的蒸鍍 幾乎所有的元素,合金,及化合物可以被 蒸鍍.除非某 些化合物在蒸鍍過程中會造成不可逆向解離則不適合 蒸鍍.
因為電子束加熱的發展,以往鍍膜受限於 低蒸氣 壓或非常高溫度的鍍膜需要都已 經不需要

32 純物質的蒸鍍 常用的蒸鍍純金屬: Al,Au,Ag,Zn,… 低蒸氣壓的純金屬: Mo, W, C
最容易反應的純金屬: Nb,Ti, Ta… 高溫下會意想不到的純金屬: Iron, Ni, Co 鈦(Ti)可以取代鋁(Al)蒸鍍在塑膠基板上 鉭(Ta)被鍍成微細粉末作為填充電容器 鉻(Cr)可以被鍍在鋼鐵上 矽(Si)及鍺(Ge)可以被鍍在玻璃上

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34 金屬蒸鍍膜的常發生問題及常用量測方法 金屬蒸鍍膜常發生問題 金屬蒸鍍膜常用量測方法

35 金屬蒸鍍膜常發生問題 Step Coverage HillLock Electromigration

36 Evaporation Step Coverage
蒸鍍膜的階梯覆蓋起因於被 蒸鍍材料較差的方向性之故. 加熱及旋轉基板有助於階梯 覆 蓋的問題但蒸鍍對於AR>1 時 無法形成連續膜 我們需要一較差方向性的金 屬化--->較高壓力 (a)較低基板溫度 及無轉動 (b)加熱及旋轉 (a)具有微小表面原子移動率及深寬比為1 的隨時間演變的蒸鍍(亦即有較低基板溫度 及無轉動);(b)在旋轉及加熱基板的最後沉 積的剖面

37 The Electromigration Problem for
Interconnect Metals

38 HillLock 電子流動方向 Void形成 Hillock形成

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40 金屬蒸鍍膜常用量測方法1

41 金屬蒸鍍膜常用量測方法2

42 金屬蒸鍍膜常用量測方法3

43 薄膜的電子特性---電阻值(Resistance)
resistivity = fundamental property of a material resistance = resisitvity combined with geometry Four point probe: eliminates resistance of wires still have contact resistance need to know spacing of inner probes to convert to resistivity careful not to puncture film with probes placement of measurement points is arbitrary more mathematical analysis need two measurements with contacts alternated

44 Resistance & Sheet Resistance
L R = r =Rs W T W R T R1 R2 r Rs= Sheet Resistance = (if W=L) Resistance seen by current going from left to right is same in each block

45 The Transmittance of BK-7 Glass as Dummy Wafer
470 nm

46 The application notes of TCO by Branchy Technology
The sheet resistance: 7 W/ PS. The optical transparency of BK7 glass is 91% from 470 to 700 nm so the transmittance of ITO film on BK7 glass is measured (87.2/91=96 %)

47 Reliability of Branchy ITO process (Continue to 10 runs )

48 Processing and Material Failure Temp.

49 Film thickness and roughness
MACHINE: Stylus profilometer (Dektak, Alphastep, Talystep) electro-magnetic sensors detect the vertical motion of the stylus as it is moved horizontally across the sample. MEASUREMENT: film thickness (step height) changes of 200 Å to 65 µm vertical resolution of about 10 Å roughness horizontal resolution depends on tip radius PROBLEM: stylus penetrates soft films, high aspect ratio

50 Quartz Crystal Monitor (QCM)
Using piezoelectric properties of quartz crystal put electrodes on thin (0.3 mm) disk of quartz alternating voltage deforms crystal periodically (vibrates) resonant vibration frequency between 5 and 6 MHz deposition of film on crystal shifts frequency to lower values relate film thickness to frequency shift IF film density is known crystal can be used for up to about 5 mm of material Caution: stress and heat can also change vibration frequency

51 薄膜的機械特性---應力(Stress)
Internal Stress / Residual Stress - curvature deposit film on thin, flexible substrate Tensile stress - film wants to be smaller Measure curvature of sample: Mechanical measurement (height at edge vs. height at center) stylus profilometer Compressive stress - film wants to be larger •Laser methods (angle of reflection) •interference techniques with a flat reference