反应式等离子溅射镀膜工艺的三宝

进行等离子溅射镀膜工艺时,有三项宝物是不可或缺的。

  1. 等离子工艺监控器 (plasma monitor and process controller)
  2. 脉冲式直流电源 (pulsed DC power supply) 或是 中频交流电源 (MF AC power supply)
  3. 磁控溅射靶 (magnetron sputtering source) 或称 阴极靶 (cathode source)

第1项的等离子工艺监控器主要负责镀膜的质量与镀率的稳定。

对反应气体(reactive gas)采用高速的PID闭锁回路控制(PID closed loop control),将检测到的等离子信号强度比对内部设定的预设值,根据比对的结果,转成电压信号将差异值输出到负责供应气体的质流量计(MFC: mass flow controller),改变供应气体的流量来修正实际等离子体实际反应的状态。再撷取改变后的等离子体的信号强度,又经比对产生修正的电压信号,重复修正气体流量来变化等离子体的行为表现。如此周而复始,一直修正到实测的等离子体信号与内订的预设值接近,甚至相同。在反应式的溅射镀膜期间,需要能够快速反应改变气体的流量,主要目的在于稳定溅射出来的金属靶材原子或分子与反应气体之间能够维持在一个固定的比例(合金比例)。如果,变化反应气体的速度太慢,合金比例只能在饱和区维持,且镀膜速率将会很慢。要能够提高镀膜速率又能改变合金比例且维持稳定的镀膜状态,这个等离子工艺监控器扮演极为重要且关键的角色。

PID Closed Loop Contorl

第2项是产生等离子最重要的电源供应器,负责稳定供应最高镀膜速率所需的能量,同时也要防止与消除电弧造成的损坏。

基于反应式镀膜工艺在靶材表面处,若使用纯直流电源(DC power supply),会因为电子云的堆积阻碍镀膜速率。脉冲式直流电源供应器与中频电源供应器都需要双磁控靶上的电压保持浮动,不可以接地。两支磁控靶个别接上电源供应器的两个正负输出,电源供应器内部的控制电路会以中频频率切换两个极性的输出,让两个靶面上的电子能够有效地疏散,如此可以提高溅射镀膜的速率,也可以防止靶材表面因为电子电荷堆积太多造成电弧放电,引起镀膜质量不必要的损失。

Reactive magnetron co-sputtering process with ion beam assisted and pulsed DC bias on the substrate

第3项的磁控溅射靶(简称:溅射靶)是关系到靶材的使用率以及溅射效率的好坏。

好的磁控靶具有好的靶材冷却能力以及高的靶材使用率。当磁控靶的设计能够承受高功率的溅射镀膜工艺,第2项的电源供应器就能够完全发挥,提高镀膜的速率,再加上第1项的完美控制,就能够镀出高质量,高产出的镀膜。如果磁控靶的靶材使用率偏低,生产过程中就必须经常停车换靶材,无形中浪费许多的时间,也提高生产成本。因此,磁控靶也在反应式溅射镀膜工艺中居十分重要的角色。

Reactive sputtering for SiO2 with dual magnetron sputtering configuration