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IBS操作流程-微奈米科技研究中心
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
前言………………………………..…………….3
原理…………………………………………...…3
系統分類……………………………………...…7
配備介紹……………………………………...…9
操作面版介紹……………………………….…11
操作流程…………………………………….…17
注意事項…………………………………….…30
參考文獻……………………………….………32
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(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。
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2-1[2]便是其示意圖。
圖2-1 離子束濺鍍裝置圖。[2]
2-2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10-2~10-4Pa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2-2[2]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(π/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(3π/2),則電子之速度(Ve)將達到正值之最大值。由此可知,微波之電場(E)與電子速度(Ve),其相位差90o(π/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:
微波電漿具有較高的電漿密度(plasma density)及游離率。
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。
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(π/2)。[2]
2-4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,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θ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
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