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Sputter


Sputter

輔仁大學 物理系

凌國基老師
Plasma
最基本的形成 plasma 的方法為 dc diode discharge 如圖一,在陰極的地方接負電,陽 極的地方接地,加入工作氣體之後二平板間即會產生電漿。

圖一、Dc diode plasma discharg

e showing ionization by electrons accelerated by the electric field between two electrodes.

作用原理

圖二、電漿形成示意圖
見圖二一個真空腔內,有一對平行電板分別接上正負電。當真空腔內的一些自由 電子被吸引往陽極方向跑,途中有可能會撞上其它的氣體分子,在具有足夠能量的狀況 下會造成氣體分子的游離,產生正的氣體離子(後簡稱正離子)。若能量不夠有可能只是

造成氣體分子裡的電子產生躍遷,當躍遷的電子回歸基態時會發出光茫而這現象稱之為 輝光放電(部分的輝光是由正離子撞到自由電子兩者結合時產生的)。產生的正離子受電 場影響撞向陰極。這時正離子所帶的能量取決於所加電壓的大小,例加 110 伏特的電壓 正離子就是帶有 110eV 的能量撞向陰極。能量夠大的話就會把陰極金屬板上的材料打出 來,當我們在上方加裝一個基板,就形成濺鍍的機制。不夠大的話就算撞不出來也有可 能把陰極板上的電子撞出來,那這打出來的電子又會重回到前面的過程,持續的循環下 去。這整個就是產生電漿的機制。 電子一定要經過足夠的距離加速,才有足夠的能量使氣體分子游離或者產生電子的 躍遷,再加上要大於平均自由徑才有二分之一的機會撞上其他的分子,所以有一段距離 是沒有輝光產生的,這段距離稱之為法拉第暗區。

圖三、詳細的電漿區域分布 圖三中的 Dark spaces 即為法拉第暗區。通常我們在運用的時候,會將法拉第暗區 之前的區域弄的很大,而之後的區域弄的很小(幾個 mm)。實際例子如日光燈管。 要如圖三將法拉第暗區看的這麼清楚的話,其各項參數都要調整的很好,在特定 的電壓、特定的真空度、特定的頻率下才會形成。

DC Sputter
見圖四,一個平行電板、一個電阻 R、一個可變電壓。當他開始運作時會呈圖五的關系。

圖四、DC Sputter 簡圖

圖五、current-voltage relation for the various types of plasma discharges between two powered electrodes.
一開始運作的時候還沒有輝光放電,電流還很小所以電壓降都是在平行電板的地 方,此稱為 Townsend discharge。當開始有了輝光放電之後,有一部分陰極會有輝光,這 時若將電壓增加則漸漸的整個陰極都會產生輝光,氣體比較離子化,電阻減少所以電壓 減少,此稱為正常輝光放電(normal glow)。這時看到的是紅色的輝光,如果我們要成為 濺鍍要再加更大的電壓,這時才會看到藍紫色的輝光。我們一般用的濺鍍大概是在 500-600 伏特其位置大約是在異常輝光放電(asnormal glow)。圖四的系統可以說是超級電 源供應器(電壓可以很高也可以很低,電流可以到 150A,現實上應該沒有這種電源供應 器),因為大家要嘛就做正常輝光放電,要嘛就做 ARC,沒有一種電源供應器是可以做 出三種輝光都可以用的。

當電壓繼續升高會有什麼現象,是不是打進來的電子的動能一直增加所以金屬板會 越來越熱,因此出來的電子也越多,那電流跟著變大(增加電壓到一個程度,氣體離子 化增加,電阻更是減少,幾乎完全導通)。電流變大(此時之電流相當大,大約為 100A 左 右)。那二電板間的電壓就變的很小(大約只有 30、40V),這就是 Arc 的性質也就是弧光 放電。In Arc discharge,陰極的溫度很高,由陰極產生熱電子。(glow discharge 是由二次 電子,而 arc 是由熱電子) 以前播放電影的光源是在一個大鐵箱內,用兩個碳棒加電壓加到圖五上的 Arc 的範 圍,使有大量的電子從一邊打到另一根碳棒,就會發生很強的 Arc。通常短路的時候放 出的光一下子就沒有,因為電源供應器不夠力,無法持續的供給大電流,不然就是有什 麼地方燒壞了。Arc 的一瞬間是電流很大,電壓很小,要保持的話就要有很特殊的電源 供應器。 基本上圖五,平常都是分成三個區域的,而各別對鍍膜都有其幫助。而圖六就是平 常用的濺鍍的電壓分佈狀況,就是圖五 Townsend 到正常輝光放電( normal glow)這個區 間。

圖六、短間隙直流輝光放電電壓分佈圖

RF Sputter
如果我們陰極上的靶材是容易氧化的材料,加入的氣體為氧氣。比如靶材為鈦加入的氣 體為氧氣、氬氣(混合比例不對,氧會在靶材表面形成電壓),打下來的時候氧氣還會跟 靶材起作用,產生一層膜也就是形成一層絕緣體如圖七。鈦為負極故會把正的氧離子吸 引過來,過了一陣子 TiO2 氧化層成為帶正電的,而正的氧離子就不會再打下來,而濺 鍍的現象就停止了。這也就是直流濺鍍的缺點,靶材一定要是金屬且會與靶材作用的氣 體一定要少到一個程度。反應氣體少到一個程度又有其他的問題,像用鈦鍍二氧化鈦, 氧少到一固程度的話,有可能會氧化不足,無法鍍成二氧化鈦。

圖七、以 DC Sputter 鍍製 TiO2
解決的辨法是使用 RF 濺鍍見圖八,要不然就是將基板離的遠一點,下面打出鈦而 氧氣從上面加入,這樣也是可以鍍出來,不過速度超慢。

圖八、以 RF Sputter 鍍製 TiO2

當電源改成 RF 的時候,鈦靶為正時電子吸引過來、為負的時候正氧離子吸引過來。 電子被吸引過來的速度永遠比正氧離子快的多,所以最後的電荷分佈會變成如圖九。

圖九、RF Sputter 的電壓分佈
當電壓為正的時候收集電子(collect electrons),當電壓為負的時候收集離子( collect ions)。收集電子的速度永遠比收集離子快,經幾次之後平均下來,當它平衡可以發覺收 集離子打上來的平均動能有這麼多。所以可以知道雖然 TiO2 是絕緣體,但整體的平均 電壓是負的。

因此知道鍍製 TiO2 時還是用 RF 鍍 TiO2 靶是最好的,雖然鍍膜速度是非常慢的, 但我們還可以補氧,所以可以鍍製出很好的 TiO2 膜。不像 DC 因用的是鈦靶下去鍍,所 以會補多少氧是無法確定的,那折射率是多少也就無法確定。

RF Matching Networks
對於一個 LCR 線路,可以得到
2

L

d q dt
2

+R

dq dt

+q=0

可解出 其解為

q=Qe
'

- R t 2L

cos (w t+ ? )
`
2

Where

w = w 0 -( R

2L

) ,w0=

2

1 LC

Q 等於在電容內的電荷量 現若有一個外加的 RF 電源供應器,其頻率為ω,則其電路圖變為

如此 eq.則變為

L

d q dt
2

2

+R

dq dt

+ qm ?=

?o s c

t

如此則其解,如圖十

圖十、RLC 電路的解 有了這個觀念後,基本上可以把濺鍍系統看成一個 RLC 電路,也就有上述所求 出的頻率。RF 濺鍍都有上下兩個部份,上面一個是 RF 控制器,下面一個是 Matchbox。Matchbox 的結構如圖十一,它的電容是可調的,也就是可以調我們 的頻率。

圖十一、Typical RF matchbox used for plasma proccssing.
從圖十中知 1.當 i m 很小的時候即指功率加進來後,在電容的地方通過的功率很小。即加進來的功率 被反射回去。 2.每一個 RF 濺鍍薄膜過程因為幾何結構及電漿電阻(plasma resistance)(我們原來假設 plasma resistance=0),會有一個自己的自然頻率(nature frequency ) w ' ,而在放電過程中 不同的條件其電漿電阻是不相同的。→其自然頻率 w ' 是不相同的,所以我們需要加 入一個 Matchbox,如圖來改變其自然頻率。 大部份的 RF 電源供應器在設計時,假設其 output impedance 為 50 ? ,而最常用的

Matchbox 如圖十一,有兩個可變電容及一個固定電感,此 Matchbox 會消耗掉一半的功 率,現在的 Matchbox 都是可以自動調整。


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