熱蒸鍍製程(Thermal Evaporation)

湯淵富

台灣半導體研究中心Taiwan Semiconductor Research Institute

薄膜的成長是一連串複雜的過程所構成的。首先到達基板的原子必須將縱向動量發散，原子才能『吸附』(adsorption)在基板上。這些原子會在基板表面發生形成薄膜所須要的化學反應。所形成的薄膜構成原子會在基板表面作擴散運動，這個現象稱為吸附原子的『表面遷徙』(surface migration)。當原子彼此相互碰撞時會結合而形成原子團過程，稱為『成核』(nucleation)。

原子團必須達到一定的大小之後，才能持續不斷穩定成長。因此小原子團會傾向彼此聚合以形成一較大的原子團，以調降整體能量。原子團的不斷成長會形成『核島』(island)。核島之間的縫隙須要填補原子才能使核島彼此接合而形成整個連續的薄膜。而無法與基板鍵結的原子則會由基板表面脫離而成為自由原子，這個步驟稱為原子的『吸解』(desorption)。PVD與CVD的差別在於：PVD的吸附與吸解是物理性的吸附與吸解作用，而CVD的吸附與吸解則是化學性的吸附與吸解反應。

薄膜沈積機制(Deposition Mechanism)

薄膜沈積機制(Deposition Mechanism)

薄膜沈積機制(Deposition Mechanism)

蒸鍍是在高真空狀況下，將所要蒸鍍的材料利用電阻或電子束加熱達到熔化溫度，使原子蒸發，到達並附著在基板表面上的一種鍍膜技術。

在蒸鍍過程中，基板溫度對蒸鍍薄膜的性質會有很重要的影響。通常基板也須要適當加熱，使得蒸鍍原子具有足夠的能量，可以在基板表面自由移動，如此才能形成均勻的薄膜。基板加熱至150℃以上時，可以使沈積膜與基板間形成良好的鍵結而不致剝落。

熱蒸鍍(Thermal Evaporation)原理

蒸鍍製程的缺點在於成分的控制不易，舉MX分解為例。由於採用蒸發的方式，若是蒸發化合物，如硫化二銀，就有可能產生硫和銀分解的狀況，使得被鍍物的成分不精確。

另外，在MO2的受熱分解方程式中，Oxides會因熱分解而產生氧氣和還原的元素，但氧氣卻容易被vacuum pump吸收，造成蒸發源和沈積物之間成分的不相等，發生明顯的成分不精確。

此外，在蒸鍍合金時，被鍍物的鍍膜不會依照合金的比例，反而會依照合金蒸發後的蒸氣壓比鍍在被鍍物上，造成被鍍膜成分的估算錯誤。

熱蒸鍍(Thermal Evaporation)缺點

化合物的蒸發

PVD蒸鍍法 真空蒸鍍 濺射蒸鍍 離子蒸鍍

粒子生成機構 熱能 動能 熱能

膜生成速率 可提高(<75μm/min) 純金屬以外很低(Cu：1μm/min)

可提高(<25μm/min)

粒子 原子、離子 原子、離子 原子、離子

蒸鍍均勻性

複雜形狀 若無氣體攪拌就不佳 良好但膜厚分佈不均 良好但膜厚分佈不均

小盲孔 不佳 不佳 不佳

蒸鍍金屬 可 可 可

蒸鍍合金 可 可 可

蒸鍍耐熱化合物 可 可 可

粒子能量 很低0.1~0.5 eV 可提高1~100 eV 可提高1~100 eV

惰性氣體離子衝擊 通常不可以 可，或依形狀不可 可

表面與層間的混合 通常無 可 可

加熱（外加熱） 可，通常有 通常無 可，或無

蒸鍍速率10-9m/sec 1.67~1250 0.17~16.7 0.50~833

三種物理氣相沉積法之比較

性質方法 沈積速率 大尺寸厚

度控制

精確成份控制

可沈積材料之選用

整體製造成本

蒸鍍(Evaporation)

慢 差 差 少 普通

分子束磊晶成長(MBE)

極慢 差 優秀 少 差

濺鍍(Sputter) 佳 佳 佳 多 優秀

三種物理氣相沉積法之比較

Thermal Evaporation (熱蒸鍍)

Thermal Evaporation (熱蒸鍍)

Substrate holder in evaporators

Evaporation is carried out at very low pressure, e.g., 10-5 to 10-7 Torr.

The mean free path is very large compared to the substrate to source distance,

so that the transport of the vapor stream is collisionless.

Thermal Evaporation

Film Thickness Monitoring (quartz-crystal microbalance)

石英振盪式膜厚監視器/控制器(Deposition monitor / controller)

工作原理介紹：

鍍膜過程中，質量的增加會使石英的振盪頻率產生變化，配合自行輸入的參數，可將變化的頻率值換算成動態鍍膜速率變化及累積的膜厚值。

膜厚控制器用途：

精準的鍍膜速率及厚度顯示外，並可迴授信號到電子槍電源供應器或蒸鍍源，進行閉回路的自動鍍膜速率及膜厚控制。

特點：

1.操作簡單，可單鍵完成Single-Layer鍍膜程序。

2.配合外部界面PLC/PC連線，達到全自動Multi-Layer鍍膜程序。

3.內建RS-232電腦界面，可與電腦連線作業。

4.配備Bipolar高解析類比信號輸出端子，可連接記錄器使用。

5.內建程序記錄器，可提供前次操作數據，便於查詢修正。

6.全功能顯示器，監控鍍膜中各項數據變化，隨時掌握鍍膜速率、厚度、輸出功率及時間變化，並有同步曲線圖顯示動態流程。

腔體高真空計值

腔體低真空計值

FV真空計值

蒸鍍觀察用玻璃視窗製程完畢務必擦拭清潔

旋轉速度控制旋鈕固定一格、勿變更

晶圓有無正常轉動

啟動晶圓旋轉功能

氮氣Vent破真空

旋轉啟動開關always 在ON狀態

電極輸出功率旋鈕PS:蒸鍍完畢需歸零

輸出勿超過250

務必分辨清楚以利蒸鍍時之設定與觀察

電極TH1

TH2

TH3

電極TH4

TH5

TH6

電極輸出開關On/Off

PS:蒸鍍完畢需關閉

膜厚計製程參數示意圖

熱蒸鍍機(Thermal Coater)鍍膜製程條件參考

材料種類 熔點(Tm)參考熔化電流 約可達之厚度(Å) 材料純度、樣式與尺寸 Tooling%

1. 鋁 Al (TH 5) 660℃125 (大鎢舟)

10顆 1000 99.99%shot、dia2X3mm 95%

2. 鉻 Cr (TH 3) 1857℃155 (小鎢舟)

5顆 1000 99.99%granule、2-4mm 66%

3. 鎳 Ni (TH 1) 1453℃140 (小鎢舟)

4顆 1000 99.995%slug、dia2X8mm 67%

4. 鈦 Ti (TH 2) 1660℃170 (小鎢舟)

5顆 1000 99.995%slug、dia2X3mm 48%

5. 金 Au (XXX) 1064℃ X X99.99%shot、dia2X3.3mm

X

6. MgF2 (TH 4) 1261℃100 (小鎢舟)

5顆 1000 99.99% granule、2-4mm 95%

7. 銅 Cu (TH 6) 1084℃115 (小鎢舟)

2顆 100099.999%slug、

dia2.6X6mm50%

1. 小鎢舟(10mm X 100mm)熔化蒸鍍電流會小於大鎢舟(15mm X 100mm)。鎢舟放置之位置請依照蒸鍍源之標示。2. 蒸鍍時電流輸出宜緩慢增加，避免過快造成鎢舟斷裂，須注意輸出電流值最大禁止超過220。3. 蒸鍍金屬鉻(Cr)時，為固態直接變氣態之過程，無金屬熔化之階段就會有鍍率發生。4. 鎢舟材料為消耗品，請使用者自備。使用過之廢棄鎢舟請放置於指定之回收盒內，請勿任意丟棄。5. 暫不開放上列其他之蒸鍍物種，勿自行攜帶蒸鍍未開放之材料，違規者將取消使用資格。