PVD鍍膜技術

PVD 鍍膜技術. 物理氣相沉積法（Physical Vapor Deposition，簡稱：PVD）顧名思義是以物理機制來進行薄膜堆積而不涉及化學反應的製程技術，所謂物理機制是物質的相變化 ... Youarehere:  Homepage 技術園地 PVD鍍膜技術 PVD鍍膜技術 物理氣相沉積法（PhysicalVaporDeposition，簡稱：PVD）顧名思義是以物理機制來進行薄膜堆積而不涉及化學反應的製程技術，所謂物理機制是物質的相變化現象，如蒸鍍（Evaporation）是藉由蒸鍍源將固態物質加熱至氣態後使其沈積在基材上，而濺鍍（Sputtering）則透過高能粒子撞擊靶材所產生的動量轉移將靶材原子轟擊出來並沉積於基材上。

以下將針對最常用到的真空薄膜沈積技術進行綜合比較，然後再針對其中幾種業界或學術研究實驗室內常用的真空薄膜沈積技術進行簡單介紹。

真空薄膜技術比較 磊晶 濺鍍 蒸鍍 真空薄膜技術比較 技術種類/比較指標  可用材料 膜厚均勻性 膜層內雜質 晶粒大小 膜層緻密度 沈積速度 沈積方向性 熱阻式蒸鍍法  金屬及低熔點材料  一般  一般  10-100nm  一般  1~20Å/s  有方向性 電子束蒸鍍法  金屬及介電材料  一般/良好  低  10-100nm  一般  10~100Å/s  有方向性 濺鍍法  金屬及介電材料  良好  低  <10nm  良好  1~10Å/s  低方向性 磊晶法  金屬及介電材料  良好  極低  <5nm  良好  1Å/s  有方向性 電漿輔助CVD法  介電材料  良好  極低  10-100nm  良好  10~100Å/s  低方向性 磊晶 磊晶原理 MBE原理及相關設備 PLD相關原理與設備 磊晶原理 磊晶（Epitaxy）一詞源於希臘文的epi（在其上）與taxis（有秩序的排列），亦即以有秩序的排列在某基材之上。

從現代技術的意義上來看，磊晶是是指以晶質基材為晶種，並在基材上的某個平面成長出連續性且具備高度週期性排列的單晶薄膜，由於電晶體元件性能取決於矽晶圓材料表面狀態，早期這項技術是用來改善雙極性電晶體元件的性能，而現在則被普遍用於製造矽電晶體到CMOS積體電路等各種元件。

而在製作可應用於高頻、高功率的化合物半導體元件（例如：GaN晶圓）時，這項技術特別重要。

  磊晶技術不只一種，按照分類上來看可分為：   液相磊晶（LPE）LPE是從液相中直接利用沉積法，在晶質基板上成長磊晶層，這種方法對於砷化鎵(GaAs)之類III-V、II-VI族化合物半導體特別有用。

氣相磊晶（VPE）VPE是用晶圓當作晶種，並且是是目前成長矽元件最主要的方法。

而在氣相磊晶中又可分成PVD與CVD兩種技術，前者主要是藉物理現象而後者則主要是以化學反應的方式，來進行薄膜的沉積。

  物理方式（PVD）：PVD的應用大都侷限在金屬薄膜的沉積上。

  化學方式（CVD）：舉凡幾乎所有半導體元件所需要的薄膜，不論半導體、導體或介電材料(Dielectrics)等，都可藉由CVD法來進行配製。

因為CVD是藉反應氣體間的化學反應來產生所需要的薄膜，因此CVD法所製作的薄膜材料，其結晶性(Crystallinity)和理想配比(Stoichiometry)等與材質相關的一些性質，都比PVD法好很多。

  以下我們將針對物理氣相磊晶中的MBE與PLD進行介紹。

MBE原理及相關設備  圖：MBE系統示意來源：維基百科 MBE（分子束磊晶）是藉由在超高真空環境中，透過熱燈絲加熱坩鍋內之高純度原料產生分子束，蒸發源的溫度高低決定了分子束中的分子通量，此分子束會在高溫單晶基板上進行沈積並因高溫基板所提供的額外熱能使分子可以重新排列，形成高品質單晶薄膜。

  在分子束磊晶技術中，原子與分子在超高真空環境中與基板發生「一次碰撞」的概念非常重要。

理論上在超高真空環境下分子的平均自由徑很長，在此狀態下分子束自發射端到基板表面是以直線路徑運動，並且分子束運動過程不會與其他氣體分子產生碰撞或反應，因此基板上的表面增原子在遵守表面化學動力的條件下，將可形成緻密的磊晶層。

由於MBE法能夠精確的控制化學組成和摻雜剖面，所以是近年來最熱門的磊晶技術。

MBE技術優點 由於磊晶成長速度慢（每秒鐘約莫只有一個原子層的厚度），因此可精控制握磊晶層的厚度，可獲得原子級的平整度與陡峭鍍，這點對於生長原子級厚度的半導體或複雜的奈米結構是非常有利的。

此外，與其他磊晶技術相比較，分子束磊晶的生長溫度較低，因此能有效抑制熱缺陷與熱擴散等現象，確保磊晶成膜品質。

由於系統建置於超高真空環境，因此可結合其他高階的表面分析技術（例如：ESCAM、AES、SIMS、RHEED等等）來了解磊晶相關的化學組成、晶格結構、厚度與平整度等訊息，就這點來說MBE的確是發展新材料與量子結構的最佳工具。

MBE技術限制 MBE技術的優點也同樣是這項技術的缺點，緩慢的沈積速度、不甚理想的大尺寸鍍膜厚度控制、可用來沈積的材料相對較少，造成量產時的製造成本偏高；此外可選用來進行沈積的材料相對較少，也讓這項技術的進一步推廣受到一定程度的限制。

但設備開發商也針對這些技術限制，提出各項改善作法，例如：確保發射室溫度由內到外的一致性、加入擋板以開關分子束減少交叉污染的現象等等。

  MBE相關設備  我們提供下列各款SVTA的MBE設備，這些MBE系統均採模組化計，並可搭載SVTA所開發各式EffusionCell來因應各種不同材料特性或特殊應用需求，此外系統也可依照客戶需求配置為枚葉型（cluster）來擴充設備的應用彈性。

客戶也可另外選購表面分析或其他分析製程的模組。

     SVTAIII-VII-VI化合物半導體專用MBE  SVTA氮化物(Nitride)專用MBE  SVTA氧化物(Oxide)專用MBE  SVTA矽(Silicon)專用MBE   PLD相關原理與設備    圖：PLD示意來源：維基百科   脈衝雷射沉積（PulsedLaserDeposition，PLD），是一種利用聚焦後的高功率脈衝雷射於真空腔體中對靶材進行轟擊，雷射的能量被靶材吸收之後首先激發靶材內部的電子躍遷，之後再轉成熱能等使靶材汽化形成電漿蕈狀團(plasmaplume)。

在電漿雲中，包含分子、原子、電子、離子、微粒、融球體等物質，這些物質會沉澱於基板並透過成核機制（nucleation）形成薄膜。

     PLD技術優點 可依據材料特性選用使當的雷射波長及其能量。

製程壓力範圍大，可從10-7mbar到1mbar。

轟擊用的雷射可以用幾何掃描的方式最佳化使用靶材。

可精確控制薄膜成長的速率，可在每次雷射脈衝轟擊下成長出少於單層原子厚度的薄膜（sub-monolayer）。

膜層相對比例可精確控制。

若在製程中導入反應性氣體則可成長出不同薄膜，例如在氧電漿環境中成長出氧化物薄膜。

  PLD技術限制 由於轟擊的動量大，某些材料可能在基材表面會產生再濺射（re-sputtering），因而在基材表面上產生缺陷。

由於轟擊的動能大，來自靶材被轟擊出來的顆粒也可能造成基材表面沈積薄膜的缺陷。

雷射束能能量分布若不均勻，將會導致轟擊後的電漿雲內能量分布或角發射性也不均勻。

較輕與較重的元素在電漿雲內具備不同的擴張速率與角發射性。

為了確保膜層內組成成分，需要在靶材成分上與製程的背景氣氛上作足準備。

  PLD相關設備  我們提供SVTA的SMARTPLD系統，該系統可以配置6個1英寸直徑的靶（或4個2英寸直徑的靶），每個靶材都有各自的旋轉軸，可以獨立旋轉，並且可以和雷射掃描同步作業，使靶材得以均勻被雷射掃描/轟擊，在靈活運用下SMART系統可以在單一真空系統中製備出複合材料之多層結構薄膜。

此外具備下列可擴充項目大幅提升研發的能量： 與準分子雷射結合 雷射掃描裝置 升級為超高真空系統 高壓氧鍍膜裝置 高溫鍍膜套組 進樣腔體 額外的蒸發源（ThermalEvaporationSources、EffusionCells、SputterSources、E-BeamEvaporators、RFPlasmaSources） RHEED和RHEED圖像分析軟體 鍍膜速率監測器 可以結合表面分析設備 濺鍍 濺鍍原理 HIPIMS原理及相關設備 各型RF/DC/磁控濺鍍設備 濺鍍原理 圖：濺鍍現象示意  圖：簡易濺鍍系統示意  談到濺鍍（SputteringDeposition），就一定要對濺射現象（Sputtering）有基本的了解。

所謂濺射，其原理跟撞球非常類似，是指固體表面受到高能量粒子的衝擊，基於動量轉移（MomentumTransfer）的原理，固體表面的原子與分子從這些帶有高能量的粒子取得動能，得以自固體表面被轟擊出來。

濺鍍即是利用上述濺射現象所發展出來的鍍膜技術。

通常是藉由高能量的離子束或原子束轟擊待鍍材料，基於上述動量轉移原理，待鍍材料表面的原子將因此獲得額外動能（能量可達數10eV），然後得以脫出母材並在真空環境中以直線運動飛至待鍍物表面沈積成膜。

離子束所使用的工作氣體多為氬氣，主要取其化學鈍性高因此不易與材料發生化學反應。

若想要獲得較佳的動量轉移效果（亦即加快薄膜沈積的速度），離子束工作氣體的質量應盡可能接近待鍍材料的質量，例如在濺鍍比較輕的元素時可以使用氖作為工作氣體，而在濺鍍比較重的元素時則需要使用質量更大的氣體（如：氪或氙）。

若是要濺鍍的是化合物薄膜，可以通入會與被濺射出物質產生反應的氣體，如此便可在基板上相互反應生成所需的化合物薄膜。

主要幾種的濺鍍技術 直流濺鍍（DCsputtering） 射頻濺鍍（RFsputtering） 磁控濺鍍（Magnetronsputtering） 離子束濺鍍（Ion-beamsputtering） 反應式濺鍍（Reactivesputtering） 高功率脈衝磁控濺鍍（High-powerimpulsemagnetronsputtering，HIPIMS） 濺鍍技術的優點 薄膜沈積速率佳 大尺度膜厚控制佳 精確成分控制佳 可選用之沈積材料多 整體製造成本低 可在較低的溫度下製備高熔點材料的薄膜 在製備合金和化合物薄膜的過程中可保持成分組成比例不變 濺鍍技術的限制 由於濺鍍本身受到濺射原子多元散射方向的影響，在具備一定深寬比（AspectRatio）的微結構上不易形成連續且均勻覆蓋（Conformal）的金屬膜，進而影響填洞（HoleFilling）或栓塞（Plug-In）的能力。

  圖：階梯覆蓋率示意 HIPIMS原理及相關設備 圖：理論上HIPIMS峰值功率密度  圖：理論上HIPIMS靶材電壓及電流密度  HIPIMS基本原理 HIPIMS(高功率脈衝磁控濺鍍，HighPowerImpulseMagnetronSputtering)是一種以高功率脈衝電源進行磁控濺鍍的技術，顧名思義屬於濺鍍法的一種。

透過產生比傳統直流濺鍍模式要高上數倍之脈衝電流，可得到比直流濺鍍要高上百倍甚至萬倍電子密度的高密度電漿，可有效提高被濺射粒子的離化率，並可在低基材溫度下得到無孔隙高密度、高結晶性的薄膜。

HIPIMS技術的關鍵核心在於電源供應器，其設計主要是將一組直流電源負載於脈衝模組中的電容，再將脈衝模組連接於靶座。

將直流電源供應器的電能累積至充電電壓可達數百、數千伏特的脈衝模組電容中，再以電晶體控制放電的脈衝時間、脈衝頻率。

而要達到符合HIPIMS定義之超高密度電漿狀態，除了要能控制脈衝波形、脈衝工作時間（Ton）必須控制在5到5000μs、頻率10到10kHz等要求之外，電源供應器必須要能在Ton期間供給靶材高達1.0kWcm2的脈衝功率密度，以產生高密度電漿，並隨著靶面積大小不同，其電源可能要達到MW的脈衝功率。

同時又要保持著充足的熄火時間（Toff）讓靶材與磁鐵散熱，以確保薄膜沈積過程之穩定。

在如此高的脈衝功率密度下，很容易發生輝光放電轉入電弧放電之現象，影響鍍膜品質，甚至損壞靶座與電源供應器。

所以HiPIMS的電源供應器還必須要能偵測異常放電訊號，抑制靶面的電弧放電以保護電源模組。

  HIPIMS技術優點 薄膜的基材貼合性（filmadhesion）高 薄膜的緻密度（filmdensity）高 薄膜的缺陷（filmdefect）低 製程溫度低 可在複雜幾何物體上沈積   HIPIMS相關設備 俊尚科技銷售之MGS-600-HIPIMS充分考量靶材於高功率時對於系統硬體所造成的影響以及設備使用與維運上的便利性，因此在設計上著重下列各點： 高功率脈衝直流電源供應器：採用固定脈衝電壓控制波形，能提供瞬間的高電流，因此能提昇濺鍍速率，改善薄膜密度 特殊水冷設計：在高功率運作中，磁鐵陣列因流道優化設計可充分冷卻而不消磁，延長濺鍍源使用壽命 靶材磁鐵獨立：可各別更換，減少保養時間與設備養護成本 前開批次設計：採用4吋機座，最適合量少但樣式多元之研發應用 靈活配置功能：採三源聚焦式設計，並可靈活搭配各式配件，擴增功能   各型RF/DC/磁控濺鍍設備     全系列機種特色： 前開門式設計，便於維護 PLC操作介面，操作直覺 靶材磁鐵獨立，延長使用壽命 適合適合量少但樣式多元之研發 具備各式擴充配件 CS-400 標準雙鎗型系統φ2"濺鍍鎗x2ea搭載DC電源供應器 MGS-500 高階三鎗型系統φ2"濺鍍鎗x3ea搭載RF/DC/PulsedDC電源供應器  MGS-600 高階三鎗型系統φ3"濺鍍鎗x3ea搭載RF/DC/PulsedDC電源供應器 MGS-800 高階三鎗型系統φ6"濺鍍鎗x3ea搭載RF/DC/PulsedDC電源供應器 蒸鍍 蒸鍍原理 電子束蒸鍍 熱阻式蒸鍍 蒸鍍原理 圖：熱蒸鍍原理示意來源：維基百科   在一真空腔體內，將預蒸鍍的材料透過加熱到使其氣化昇華的溫度，讓材料蒸氣沈積於基板上形成一層薄膜。

加熱的方式有很多種，有透過電熱絲阻抗進行加熱、有透過電子束進行加熱、有透過雷射進行加熱、有透過高周波進行加熱等。

  而從材料上來看，大部分金屬材料皆可作為蒸鍍材料使用，而氧化物或氟化物如SiO2、TiO2、MgF2等也可作為蒸鍍材料使用，隨著有機光電技術發展低溫型有機光電材料也被用於蒸鍍製程來製備OLED、OPV、OTFT等元件。

選用蒸鍍材料時需仔細評估材料特性來選用適當的加熱技術與硬體，避免材料在熔融狀態下有毛細作用、滲透至容器孔隙或冷凝塞口等現象。

  為了避免材料蒸氣在抵達基板前與真空腔體內殘留氣體分子產生碰撞，造成材料蒸氣無法附著於基板，因此需要良好的真空環境，一般建議真空壓力至少要在1.0x10-7Torr以下，如此除了可以有效避免上述現象外，亦可降低蒸發材料的蒸發溫度。

在蒸鍍過程中，普遍透過材料蒸氣沈積在石英晶片上造成震盪頻率的衰退來即時監控基板上薄膜沈積的厚度，而在光學元件製作上則會搭配廣域光譜儀進行監控，以便得到更細緻的薄膜厚度控制量。

  以下將分別針對電子束蒸鍍與熱阻式蒸鍍兩種技術及相關產品來進行說明。

  電子束蒸鍍  圖：電子束蒸鍍示意來源：維基百科   早期製備薄膜多半是利用真空熱阻式蒸鍍法，但由於待鍍材料與作為承載器的加熱源直接接觸，因此可用的蒸鍍材料種類與所製備的薄膜純度仍有很大的改善空間，而伴隨著電子束蒸鍍法的發明導入，才大幅改善上述傳統熱阻式蒸鍍法的限制。

  電子束蒸鍍法是利用電子鎗所發射之電子束轟擊蒸鍍材料，將高能電子束的動能直接轉換為能熔化蒸鍍材料的熱能，並利用蒸鍍物在接近熔點時所具備的飽和蒸氣壓來進行薄膜的沈積。

這項技術除了有更好的熱轉換效率外，鍍率方面也獲得很大的改善，只要透過控制電流來調整電子密度，即可精確調控蒸鍍材料的蒸發速率。

  此外此技術在蒸鍍材料選擇方面限制較少，純元素、化合物（仍有部分材料不適用，但可透過輔助技術予以改善，請詳下「技術限制」說明）都可蒸鍍，但在合金材料蒸鍍時則必須考慮到合金內各成分的蒸汽壓必須夠接近才能使用此技術，否則薄膜成分比例會與坩堝內的母材料有相當大的差異。

電子束蒸鍍技術優點   利用電子束直接轟擊材料，熱轉換效率高 除部分化合物與合金材料外，蒸鍍材料選擇的限制較少 材料使用效率高，可減少不必要浪費 藉由調控電流密度，可精確調控鍍率（理論上可達至每分鐘1nm的蒸鍍速率） 蒸鍍鍍率快，可應用在工業大規模量產的場合 電子束蒸鍍技術限制   部分化合物材料會在電子束加熱的過程中解離。

這是物理氣相沈積技術（尤其是蒸鍍法）共通的限制，但可採反應式蒸鍍法予以解決。

部分絕緣性化合物在電子束連續轟擊時會有電荷累積問題。

這會使後續電子受到蒸鍍材料表面電位排斥而無法完全抵達待鍍物表面，此問題可藉由在坩鍋座的電路設計上做接地處理，如此即可將所累積的電荷順利導出。

蒸鍍合金方面需考慮合金成分間蒸氣壓的差異，一般來說可透過兩種作法解決，第一種是連續填充（continuousfeeding），亦即利用不斷有正確比例的合金材料補充到高溫融熔區的合金液體使其處於穩態，因此能讓蒸發分子的合金比例與材料組成相同；第二種則是透過多源平行共鍍（multi-sourceco-evaporation），亦即使用2個或多個可獨立運作的電子鎗系統，把某一合金薄膜所需要的各種材料放置在不同的坩鍋中同時進行蒸鍍，只需控制各別坩鍋的蒸鍍速率，基本上即可得到正確比例的合金薄膜。

電子束蒸鍍法的成膜品質雖然較熱阻式蒸鍍法來得更緻密，但對某些精密光學元件之要求來說仍有所不足。

若要進一步改善鍍膜品質，可藉由創造一個電漿活性反應環境，讓離子化材料蒸氣在基板附近凝結時與反應氣體離子能獲得較佳的化合機率、修正化合物薄膜之化合配比；或者可使用離子鎗輔助蒸鍍（ion-beam-assisteddeposition，IAD），藉由在系統內加裝離子鎗並於蒸鍍前用高能氬離子束轟擊基版表面，清潔表面增進薄膜附著的效果，或混入反應性氣體到離子鎗中則可同時強化薄膜的化學反應。

若能搭配這兩種輔助技術，電子束蒸鍍法更能符合高端光學精密元件的需求。

  電子束蒸鍍相關設備 俊尚科技提各式RD到量產用電子束蒸鍍設備，美國Temescal電子束蒸鍍設備已經是全球化合物半導體製程市占率最高的品牌，並獲得國內大廠指定採用。

電子束蒸鍍技術搭載特殊基材載具可發揮斜向蒸鍍的效果，成長出具備奈米尺度三維結構的薄膜，可應用於感測器、光學元件、生醫材料等前瞻領域。

TemescalFC-2800化合物半導體：Life-Off製程專用 TemescalFC-4400化合物半導體：Life-Off製程專用 TemescalUF-5700化合物半導體：Life-Off製程專用 JSTEBS-500-GLAD斜向蒸鍍專用   熱阻式蒸鍍 圖：熱阻式蒸鍍示意來源：維基百科  熱阻式蒸鍍是運用電流導入電熱絲後因電熱絲本身的電阻所產生的熱來蒸鍍材料，蒸鍍材料則是放置在金屬舟或燈絲包覆起來的坩堝，當到達材料昇華溫度後，蒸發出的材料蒸氣形成密度內高外低的分布雲團，並沉積於真空腔體內的基板。

為避免所沈積的薄膜分布不均，通常基板載具會進行旋轉以避免蒸汽雲團密度分布的差異造成薄膜沈積不均勻。

在熱阻式蒸鍍的基本架構上，透過客製化基材載具、掩板與高效率高溫/低溫蒸發源的使用，並透過設備與手套箱相互連結創造一低水氧無揚塵的作業環境，這類高度客製化的熱阻式蒸鍍設備特別是合用於OLED、OPV、QLED、全固態電池等光電元件的研發與製備。

   熱阻式蒸鍍技術優點   可使用的材料種類廣，從高溫金屬材料到低溫有機材料皆可使用 可因應不同的材料特性選用不同的蒸發源 透過電流調整蒸發速率，搭配PID控制器的狀態下可獲得非常穩定的蒸發速率 透過模擬材料蒸汽雲團密度的分布，可客製化出高均勻性的基板載具 可使用石英震盪型膜厚儀進行即時膜厚監控 熱阻式蒸鍍技術限制   材料使用效率低，易造成浪費 材料沈積的動能低，相較於濺鍍法，以熱阻式法製備的膜層不緻密 需要良好的真空環境（1.0x10-7Torr以下），蒸發氣雲團不會跟真空腔體殘留氣體碰撞，造成鍍膜效率低落   熱阻式蒸鍍相關設備        JSTCE-400標準型熱蒸鍍系統（不可連接GB）    JSTOM-400進階型熱蒸鍍系統（可連接GB）  JSTOM-2012R高階型熱蒸鍍系統（可連接GB並搭載HPOC蒸發源）