PVD CVD 製程簡介 - ene.isu.edu.t™¼光二極體/期中考... · 1/999 PVD 、CVD 製程簡介...

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PVD、、、、 CVD製程製程製程製程簡介簡介簡介簡介

主講人主講人主講人主講人：：：：光鋐科技光鋐科技光鋐科技光鋐科技主講人主講人主講人主講人：：：：光鋐科技光鋐科技光鋐科技光鋐科技鄭偉蒲鄭偉蒲鄭偉蒲鄭偉蒲鄭偉蒲鄭偉蒲鄭偉蒲鄭偉蒲Epileds Otto Tang

光鋐科技 (台南科學園區)

[email protected]

www.epileds.com.twwww.epileds.com.twwww.epileds.com.twwww.epileds.com.tw

成功大學材料及工程學系光鋐科技(LED)

Quality Assurance

Nakamura

Color Mixing: RGB LEDs

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http://www.polybell.com.tw/

導論

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Step Coverage

CVD的的的的Step Coverage比比比比PVD要好要好要好要好（（（（很重要很重要很重要很重要!!））））

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�鍍膜條件簡介鍍膜條件簡介鍍膜條件簡介鍍膜條件簡介

�PVDPVDPVDPVD簡介簡介簡介簡介

�熱蒸鍍熱蒸鍍熱蒸鍍熱蒸鍍----Thermal evaporatorThermal evaporatorThermal evaporatorThermal evaporator

�電子槍蒸鍍電子槍蒸鍍電子槍蒸鍍電子槍蒸鍍----EEEE----GunGunGunGun

�雷射蒸鍍雷射蒸鍍雷射蒸鍍雷射蒸鍍----Pulse Laser Deposition (PLD)Pulse Laser Deposition (PLD)Pulse Laser Deposition (PLD)Pulse Laser Deposition (PLD)

�濺鍍濺鍍濺鍍濺鍍----SSSSputterputterputterputter

�技術應用技術應用技術應用技術應用

Part I. PVDPart I. PVDPart I. PVDPart I. PVD製程介紹製程介紹製程介紹製程介紹

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真空是什麼?

在一個空間內，如果其氣壓低於一個標準大氣壓力(atm)的氣體狀態，即稱為真空。任何一個罐子，我們抽一些氣體出來，裡面的氣壓比外面低，這時候我們就稱之為「真空」，因此，真空是很容易得到的。人類至今尚未在宇宙間找到絕對真空的地方，科學家也沒有造出一個壓力等於零的空間。

Ref : 輔仁大學輔仁大學輔仁大學輔仁大學物理系物理系物理系物理系凌國基老師講義凌國基老師講義凌國基老師講義凌國基老師講義

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真空的分類

粗略真空（Rough vacuum）：760~1 torr

中度真空（Medium vacuum）：1~10-3 torr

高真空（High vacuum）：10-3~10-7 torr

超高真空（Ultra-high vacuum）：10-7 torr 以下

1 Pa = 1 N/m²1 Torr = 1mmHg （毫米汞柱）

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Ref : 輔仁大學輔仁大學輔仁大學輔仁大學物理系物理系物理系物理系凌國基老師講義凌國基老師講義凌國基老師講義凌國基老師講義

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蒸氣壓蒸氣壓蒸氣壓蒸氣壓

(1atm)

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元素蒸氣壓

Temp(℃)

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平均自由路徑

“平均自由路徑平均自由路徑平均自由路徑平均自由路徑LLLL””””指氣體粒子平均在真空中飛馳經過“此距離”後才會碰到其它粒子。PVD鍍膜則建議真空度要好到氣體原子或分子相碰的距離大於L。

式中k為Boltzmann 常數，D為分子直徑，T為絕對溫

度，P為氣體壓力。

一般蒸發源到基板的距離大約在30到50cm以上，因此P值必須小於10-2 Pa(7.5*10-5 torr)。760 torr → 6.5 x 10-6 cm ~ 65nm (1nm = 10-9 m)

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待鍍物(Source)

氣氛控制(Gas)

基板(substrate)

鍍膜條件控制鍍膜條件控制鍍膜條件控制鍍膜條件控制

鍍膜距離(work distance)加熱源(temp)

T

P

D

E

Ref:亮傑科技

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�濺鍍濺鍍濺鍍濺鍍----SSSSputterputterputterputter



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Thermal evaporator-熱蒸鍍

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熱蒸鍍坩鍋種類熱蒸鍍坩鍋種類熱蒸鍍坩鍋種類熱蒸鍍坩鍋種類

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Flash evaporation-閃燃蒸鍍

一種可以在同一個製程中,同時製鍍兩種或多種靶材膜層的技術，因為不同的靶材需要不同的熔點溫度，因此當電阻器還不到熔點溫度時，先不接觸靶材，等溫度到後，才碰觸靶材。因此電阻器平常是空的，只有當蒸發材料時，才將材料放上去，因而可以鍍製不同材料。 http://www.etafilm.com.tw/

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優點:1. 電阻式蒸鍍機設備價格便宜,構造簡單容易維護。2. 靶材可以依需要,做成各種的形狀。

缺點:1. 因為熱量及溫度是由電阻器產生,並傳導至靶材,電阻器本身的材料難免會在過程中參加反應,因此會有些微的污染,造成蒸發膜層純度稍差,傷害膜層的品質。

2. 熱阻式蒸鍍比較適合金屬材料的靶材,光學鍍膜常用的介電質(dielectric)材料,因為氧化物所需熔點溫度更高,大部分都無法使用電阻式加溫來蒸發。

3. 蒸鍍的速率比較慢,且不易控制。4. 化合物的靶材,可能會因為高溫而被分解,只有小部分化合物靶材可以被閃燃式蒸鍍使用。

5. 電阻式蒸鍍的膜層硬度比較差,密度比較低。

http://www.etafilm.com.tw/

Thermal evaporator-熱蒸鍍

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EEEE----Gun evaporatorGun evaporatorGun evaporatorGun evaporator----電子束蒸鍍法電子束蒸鍍法電子束蒸鍍法電子束蒸鍍法

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電子束的加速電子束的加速電子束的加速電子束的加速

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電子束產生電子束產生電子束產生電子束產生

電子束蒸鍍材料形式電子束蒸鍍材料形式電子束蒸鍍材料形式電子束蒸鍍材料形式

電子束蒸鍍坩鍋形式電子束蒸鍍坩鍋形式電子束蒸鍍坩鍋形式電子束蒸鍍坩鍋形式

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優點:1. 使用適當坩堝的水冷卻系統,坩堝本身材質污染蒸發靶材的情況可大幅減輕。2. 膜質的純度高於電阻式蒸鍍。3. 大部分的介電質氧化物靶材,都可以被蒸發。4. 經由設計旋轉式坩堝機制,可以蒸鍍不同靶材材料的多層膜膜層。5. 經由適當微調電子束轟擊位置,可以大幅提高膜層厚度的均勻性。

缺點:1. 沒有控制好的電子束可能會造成靶材材料分解離子化,可能會導致靶材吸收,累積電荷,傷害膜層的表面品質。

2. 電子槍需要大量的電能消耗,因為需要使用10000~15000伏特的電壓持續數個小時,導致電子槍蒸鍍系統,所耗的能量高於其他方法。

EEEE----Gun evaporatorGun evaporatorGun evaporatorGun evaporator----電子束蒸鍍法電子束蒸鍍法電子束蒸鍍法電子束蒸鍍法

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Pulse Laser Deposition (PLD)Pulse Laser Deposition (PLD)Pulse Laser Deposition (PLD)Pulse Laser Deposition (PLD)----脈衝雷射蒸鍍脈衝雷射蒸鍍脈衝雷射蒸鍍脈衝雷射蒸鍍

以雷射光射線當成蒸發熱源，因為雷射可以用高熱蒸發靶材，也有所謂的"光解離作用" (photodissociation)。可以很有效率的蒸發靶材，同時又不會有電荷累積的問題，因此可以得到很好的表面品質。雷射光是一個能量聚焦的光束，即使通過很長的距離後，也不會散失太多的能量。因此靶材可以擺放在比較遠的位置，大幅降低污染問題。不過，雷射是一個非常昂貴的系統，以此方法做出的鍍膜機，價格高昂，讓工業界採用它的比例很低。

Ref: 中央研究院奈米核心設施 http://www.etafilm.com.tw/

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材料對於雷射的吸收材料對於雷射的吸收材料對於雷射的吸收材料對於雷射的吸收

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腔體設計腔體設計腔體設計腔體設計

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利用在蒸發源旁邊，附加一個分離式的離子源，當靶材蒸發到腔体空間時，再使用離子粒子撞擊靶材，將可加速靶材速度，崁入在基板表面。因為離子質量對比於靶材原子或分子,都算是一個很重的粒子,因此重粒子撞擊靶材顆粒,會使得靶材顆粒增加很多的動能。而且因為離子鎗是一個獨立系統,可以獨立的變更發射角,散射角,電流量,電壓量等參數,因此在很多不同的鍍膜方式(不管是蒸鍍或濺鍍)中,都可以使用。應用這種助鍍系統的鍍膜機,只要稍微修改部件的相關位置就可以了。

IADIADIADIAD----離子助鍍離子助鍍離子助鍍離子助鍍


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�濺鍍濺鍍濺鍍濺鍍----SputterSputterSputterSputter



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電漿濺鍍(Plasma Sputtering)是物理氣相沉積(PVD)中的一項重要技術，1852年Grove發現濺鍍沉積方法後，這個方法就一直被不斷的使用及改進，一直延續到今天。

電漿濺鍍(Plasma Sputtering)主要的原理，是在一個真空腔體內通入氬氣(Argon) ，施加大電壓，氬氣將變成電漿狀態。電漿中的氬氣離子(Ar+)會以高速衝向陰極，然後將陰極的鈀材原子撞出，鈀材原子因為氬離子撞擊，飛向正極的基板，然後在基板上濺鍍出一層鈀材材料的膜層。不同於熱能的蒸發方法，電漿狀態的氬離子衝撞及濺鍍鈀材材料是主要的機制。

因為氬離子相對於鈀材原子的顆粒，也是一個重量很重的粒子，高速的衝擊將可使得鈀材粒子獲得充分的動能，鈀材粒子也高速衝向基板，並且大力的崁入基板中，因此有很好的膜層附著力。它的膜質密度甚至比蒸鍍還好。

SputterSputterSputterSputter----射頻濺射射頻濺射射頻濺射射頻濺射


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� 何謂電漿？

– 電漿是由中性原子(分子)、電子(-)、離子(+)所構成

1. 又可稱為物質第4態

2. 游離率主要決定於電漿中電子能量

3. 大部份的電漿反應室中，游離率約0.001%↓

4. 高密度電漿(HDP)源的游離率可達到約1%

5. 太陽中心處→~100%!!

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原子核原子核

自由電子

軌道電子游離電子

e* + A → A* + e

A*→ A + hυ(photos)

在激發的過程中因不同的原子(分子)有不同的能階軌道，因此發光的頻率也就不同，這也說明了為何不同的氣體在電漿中會有不同的顏色。

顏色不同→氣體不同→可用來作<蝕刻 / 清潔>步驟的終端點(endpoint)。

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Sputtering ProcessSputtering ProcessSputtering ProcessSputtering Process

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DC and RF Sputtering

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磁控-電場與磁場的交互作用

在系統內多增加一個磁場，電子因為磁力線的影響，而螺旋性的前進。可以大幅的增加氬氣氣體的離子密度以及碰撞機會。離子密度將會從 1010 ion/cm3 增加到1013 ion/cm3，因此鍍率可以大幅度的提高。同時這樣的系統，也可以用在DC或RF濺鍍中。磁控濺鍍系統的溫度可以不用太高，可以用在連續生產線中。

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SputterSputterSputterSputter----靶材靶材靶材靶材

Sputter最大的缺點最大的缺點最大的缺點最大的缺點 –靶材利用率低靶材利用率低靶材利用率低靶材利用率低!!

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各式各式各式各式PVDPVDPVDPVD鍍法比較鍍法比較鍍法比較鍍法比較

業界常使用PVD機台–––– 蒸鍍法蒸鍍法蒸鍍法蒸鍍法 (Evaporation)(Evaporation)(Evaporation)(Evaporation)–––– 濺鍍法濺鍍法濺鍍法濺鍍法 (Sputtering deposition)(Sputtering deposition)(Sputtering deposition)(Sputtering deposition)–––– 分子束磊晶成長分子束磊晶成長分子束磊晶成長分子束磊晶成長 (Molecular Beam (Molecular Beam (Molecular Beam (Molecular Beam EpitaxyEpitaxyEpitaxyEpitaxy，，，，MBE)MBE)MBE)MBE)

它是一個相當特別，用來製鍍單層結晶膜的方法。由於它產生的膜層是結晶化的，帶有晶格方向性。和光學膜一般希望“非結晶，無方向性”的特性相反，因此它只被用在非常特殊的用途中。Ex：成長石墨烯薄膜


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�濺鍍濺鍍濺鍍濺鍍----SputterSputterSputterSputter



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薄膜物理厚度=d薄膜光學厚度=nd

厚度監厚度監厚度監厚度監控控控控

厚度監厚度監厚度監厚度監控控控控

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影響均勻度原因影響均勻度原因影響均勻度原因影響均勻度原因

1.S1.S1.S1.Sourceourceourceource 2.2.2.2.蒸發入射角蒸發入射角蒸發入射角蒸發入射角

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影響均勻度原因影響均勻度原因影響均勻度原因影響均勻度原因

蒸發源與基板夾角關係蒸發源與基板夾角關係蒸發源與基板夾角關係蒸發源與基板夾角關係

12um

5um

2um(20K)photoresistence

黃光製程1.陰影效應2.Under cut

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Ref:中央大學薄膜中心

Dome型行星式

平面型

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行星式行星式行星式行星式

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Glancing Angle Deposition (GLAD)

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Nano Rod

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φ=0 and 180 α does not change

Zig-zag (sweep)

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Helices (Rotary substrate)

偏振光偏振光偏振光偏振光

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�CVDCVDCVDCVD簡介簡介簡介簡介

�APCVDAPCVDAPCVDAPCVD

�LPCVDLPCVDLPCVDLPCVD

�PECVDPECVDPECVDPECVD

�HDPCVDHDPCVDHDPCVDHDPCVD

�其他應用其他應用其他應用其他應用

Part II. CVDPart II. CVDPart II. CVDPart II. CVD製程介紹製程介紹製程介紹製程介紹

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CVD簡介� CVD (Chemical Vapor Deposition)是一種藉由氣體混合物之化學反應

在晶圓表面沉積一層固態薄膜的製程。概念為：

1. 經化學作用或熱分解 (亦可稱裂解)

2. 材料源由外加氣體提供

3. CVD製程的反應物必須為氣相的形式

� CVD製程具有5個基本化學反應：

1. 熱裂解→化合物以熱的方式分解 (通常無氧)

2. 光分解→化合物以輻射能的方式破壞鍵結

3. 還原→分子與氫作用

4. 氧化→分子與氧作用

5. 氧化還原→結合3、4產生新的化合物

� 好的階梯覆蓋性 & 較大的深寬比

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1. 2.

3. 4.

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5a. 5b.

6. 7.

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SiO2 3000Å

SiO2 700Å

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CVD沉積系統

�APCVD (常壓) →約760torr

�LPCVD (低壓) →約0.1~5torr

�PECVD (電漿增強)

�HDPCVD (高密度電漿)

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PECVD – 電漿增強化學氣相沉積

� PECVD (Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition)

� 常見用於沉積Oxide、Nitride

– SiH4 + 2N2O → SiO2 + 2N2 + 2H2

– SiH4 + NH3 → SixNyHz + 3H2

� 電漿可增強化學反應

� PECVD可在較低的溫度(150~450℃)達到較高的速率

� 用途：

– 晶片表面保護、抗水氣、改變介面n值

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PECVD → SiO2

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GaN = 2.5

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HDPCVD� 特色：

1. 高密度的混合氣體朝向晶片表面2. 可填充高深寬比的間隙3. 可同時沉積&蝕刻4. 晶圓具偏壓和熱負載

� 5大製程步驟：1. 離子感應沉積2. 濺鍍蝕刻3. 再沉積4. CVD

5. 反射

� 用途：填充高 / 低k材料

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CVD比較

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磊晶機台簡介

MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition)

有機金屬化學氣相沉積

威科愛思強湯瑪士

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� 何謂MOCVD?

Ⅲ族的(CH3)3Ga TMGa (三甲基鎵) 、(CH3)3In TMIn (三甲基銦)等，與Ⅴ族特殊氣體如：AsH3 (arsine) 砷化氫、PH3 (phosphine)磷化氫、NH3等，通過特殊載體氣流送到高溫的GaAs晶片、Sapphire(藍寶石)等晶片上，在反應器內的高溫下使材料發生化學反應，並沉積在晶片上，而得到磊晶片上形成一層半導體結晶膜。

� 基本化學式：四元TMGa(g) + AsH3(g) → GaAs(s) +CH4(g)

藍光TMGa(g) + NH3(g) → GaN(s)+CH4(g)+N2(g)+H2(g)

� MOCVD技術與機台的設計、應用包涵多種學問與原理：物理、化學、數學、流體力學、熱力學、機械力學、材料學及電磁學等。

� Recipe x MOCVD機台 = 磊晶結果

MOCVD反應原理

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MOCVD_成膜過程1. 反應氣體或元素因熱裂解由邊界層(boundary layer)向基板表面輸送，

透過氣相擴散，入射原子衝撞基板，部分被反射，部份則吸附於基板上。

2. 基板表面吸附原子並於表面上擴散，產生原子間之二次衝撞而形成團簇(cluster,原子集合體)，或在表面上停留某段時間後，再度蒸發解析脫離。

3. 表面反應，核形成團簇反覆與表面擴散原子衝撞，或以單原子再次釋出，而當原子數超過某一臨界值後開始成長，與鄰接之團簇聚合而成連續膜，大多為三維團簇，以二維團簇方式成長情形也有。

4. 反應生成物之蒸發解析脫離。5. 脫離之反應生成物向外擴散(out diffusion)(氣相擴散)。

邊界層

供給排氣

原料(i)輸送(氣相擴散)

(ii)吸附表面擴散

(iii)反應，核形成

horizontal gas flow

(iv) 解析脫附

(v) 向外擴散

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MOCVD_Epi成長

<邊界層邊界層邊界層邊界層>

表面擴散表面擴散表面擴散表面擴散 & 反應反應反應反應團簇團簇團簇團簇 & 成長成長成長成長

CH4 =CH3 + H

H++H+=H2

<晶片表面晶片表面晶片表面晶片表面>

擴散擴散擴散擴散HHH

N

CH3

Ga

CH3

CH3

前導物前導物前導物前導物_分解分解分解分解

- radical

吸附吸附吸附吸附CH3

CH3-

radical

HHH

NGa CH3

CH3

CH3

H2

H2

H2H2

<氣相層氣相層氣相層氣相層>

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Principle of MOCVD

H2 , N2 P=10-200 mbar

TMGa, AsH3

TMGa, NH3

TMIn , PH3

高純度、精準混合安全性晶體品質、膜厚均勻

GaAs , InP substrate, T ~ 400 - 1200°C

100 rpm

生產方向Cost Down

Ga (CH ) + AsH GaAs + 3CH3 3 3 4

TMAl, TMGa,

, sapphire

5 -

Ga (CH ) + NH GaN + 3CH3 3 3 4

H2

真空幫浦

氣體混合反應室廢氣排除系統

節流閥

過濾

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MOCVD 沉積標準

�厚度均勻性厚度均勻性厚度均勻性厚度均勻性

�Epi合成均勻性合成均勻性合成均勻性合成均勻性

�雜質濃度參雜均勻性雜質濃度參雜均勻性雜質濃度參雜均勻性雜質濃度參雜均勻性

�清潔晶片表面清潔晶片表面清潔晶片表面清潔晶片表面

�Wafer to wafer uniformity

�Run to run stability (reproducibility)

�Less maintenance (high through-put)

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ALD簡介� ALD (Atomic Layer Deposition) – 原子層沉積

� 藉由依序注入適當之前驅物(氣相)，並於兩前驅物之間注入惰性氣體(Ar或N2)加以區隔，使ALD技術可成長高品質且高均勻性之薄膜。最主要的關鍵在於「自限成膜」(self-limiting growth)，可在每次成長循環中只成長單層原子層。

� 優點：

1. 包覆性極佳，可適用任意深寬比之溝槽

2. 可形成無孔洞大面積薄膜 (pin hole free films)

3. 製程重複性與穩定性高

4. 可成長晶型或非晶型薄膜

5. 可成長混成薄膜、漸變折射率之薄膜

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ALD之原理

� 最常見於沉積Al2O3薄膜，主要有4個步驟：

1. 將前驅物A注入並吸附於基材之表面：注入前驅物TMA後，TMA和基材表面的羥基(OH－)反應，並釋出甲基分子。

2. 藉由持續注入惰性氣體及抽氣，將未反應之前驅物以及副產物(甲基分子)帶離腔體。

3. 將前驅物B注入並吸附於基材之表面：水和吸附於表面TMA分子之甲基反應，同時形成Al-O-Al鍵結並提供新的羥基做為下次TMA反應之鍵結。

4. 清除多餘未反應之前驅物及反應後之副產物。

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AVD (Atomic Vapor Deposition)

� 突破產能及成本限制的次世代奈米製程解決方案!!!

� 較ALD的優勢：

1. 不需每個cycle間通入惰性氣體清除反應物

2. 不需受反應機制限制，可自由控制沉積溫度

3. 無起始介面的選擇性

4. 可沉積金屬、碳化或氮化金屬等多重薄膜組成

5. 適用45nm以下製程、High κ、3D FET、Flash NAND

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�硬度硬度硬度硬度

�厚度厚度厚度厚度

�電性電性電性電性

�光性光性光性光性

�微結構微結構微結構微結構

Part III. Part III. Part III. Part III. 量測工具量測工具量測工具量測工具

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�硬度

1.鉛筆硬度計

2.百格刀測試

�厚度

1.a-step

2.光束干涉法

3.橢圓偏光儀

4.斷面-SEM or TEM

量測工具

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�電性

1.片電阻

2.Hall effect

�光性

1.穿透率與反射率

2.折射係數

3.霧度

4.能隙

量測工具

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�微結構

1.材料鑑定-XRD、XRF、EDX

2.晶粒大小-XRD、TEM、SEM

3.表面型態-SEM、AFM

4.斷面-SEM

5.水滴角

量測工具

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AFM

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3~5 um

SEMAl deposition by E-beam at Room temperature

Al ~

Ti ~SiO2~

600~1000 nm

Al deposition by E-beam at 200℃

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XRD & TEM

Ref:Solar Energy Materials & Solar Cells 92 (2008) 1025– 1029

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XRF

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Thank youThank youThank youThank you----------------

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Reference

� 半導體製造技術，Michael Quirk & Julian Serda，2007

� Plasma Potential in CCP, 太陽光電製程設備技術專輯, 張志振

� Introduction of ALD, NTU, 蔡豐羽

� 薄膜光學與鍍膜技術(6)-李正中教授

� 透明導電膜-楊明輝

� Low-Magnetoresistance RuO2–Al2O3 Thin-Film, Thermometer and its

Application ,Y. Y. Chen · P. C. Chen · C. B. Tsai · K. I. Suga ·K. Kindo (2008)

� HONG XIAO， “半導體製程技術導論” ，台灣培生教育出版股份有限公司，2001

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