另外一個迷思: PEM的閉鎖迴路控制要用MFC或是PZT valve


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這是個在使用PEM閉鎖迴路控制時,經常遇到的問題:
到底要用MFC (Mass Flow Controller)就能夠擔負製程的重責大任? 還是需要使用PZT valve?
用一個很簡單的模型來分析就可以做出正確的判斷,不會選擇錯誤了。
要達成一個PEM閉鎖迴路控制的製程,需要下列的物件才能完成。
1. 感測頭: 將電漿光譜的光線收集傳遞給偵測器。這通常是由光學鏡頭與光纖組成的硬體,將光訊號傳遞到偵測器做光電訊號的轉換。因為是光速在傳遞訊號,所以需要的時間可以忽略。
2. 偵測器: 有感度十分靈敏的光電倍增管PMT (Photo-Multiplier Tube),通常轉換時間小於1 ns; 另外一種是CCD偵測器,轉換時間大約需要1~2 ms。
3. CPU / MPU軟體處理: 光訊號轉成電的訊號,經由電腦軟體的計算與處理產生可做控制的訊號輸出,需要的時間大約5-10 ms。
4. MFC或是PZT Valve: 控制反應性氣體流量的閥門從接收到電腦傳來的控制訊號到調整閥門開啟的大小到達指定的位置所需的時間,好的MFC最快可以在幾個ms達成,PZT Valve可以在小於1 ms內達成。
5. 氣體管路: 氣體經過氣閥後需要流經氣體管路到達真空噴出的位置,這段時間視真空鍍膜系統的真空抽氣設計來決定長短,通常需要20 ms(系統有很好的真空抽氣設計)到200 ms不等。
6. 擴散: 氣體抵達真空內部的噴嘴位置,會依照當時真空度的製程條件以擴散的方式離開噴嘴到達電漿製程的區域,這段時間通常小於1 ms.

重複這六個步驟就是一個完整的電漿反應性閉鎖迴路的控制流程。
因此,也很容易看出使用好的MFC大致就能滿足這種製程的要求了。





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这是个在使用PEM闭环控制时,经常遇到的问题:
到底要用MFC (Mass Flow Controller)就能够担负工艺的重责大任? 还是需要使用PZT valve?

用一个很简单的模型来分析就可以做出正确的判断,不会选择错误了。
要达成一个PEM闭环控制的工艺,需要下列的组件才能完成。
1. 传感器: 将等离子体光谱的光线收集传递给传感器。这通常是由光学镜头与光纤组成的硬件,将光信号传递到传感器做光电信号的转换。因为是光速在传递信号,所以需要的时间可以忽略。
2. 传感器: 有感度十分灵敏的光电倍增管PMT (Photo-Multiplier Tube),通常转换时间小于1 ns; 另外一种是CCD传感器,转换时间大约需要1~2 ms。
3. CPU / MPU软件处理: 光信号转成电的信号,经由计算机软件的计算与处理产生可做控制的信号输出,需要的时间大约5-10 ms。
4. MFC或是PZT Valve: 控制反应性气体流量的阀门从接收到计算机传来的控制信号到调整阀门开启的大小到达指定的位置所需的时间,好的MFC最快可以在几个ms达成,PZT Valve可以在小于1 ms内达成。
5. 气体管路: 气体经过气阀后需要流经气体管路到达真空喷出的位置,这段时间视真空镀膜系统的真空抽气设计来决定长短,通常需要20 ms(系统有很好的真空抽气设计)到200 ms不等。
6. 扩散: 气体抵达真空内部的喷嘴位置,会依照当时真空度的工艺条件以扩散的方式离开喷嘴到达等离子体工艺的区域,这段时间通常小于1 ms.

重复这六个步骤就是一个完整的等离子体反应性闭环的控制流程。
因此,也很容易看出使用好的MFC大致就能满足这种工艺的要求了。

使用PEM在成膜均勻性與均質性的迷思


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經常有人認為在真空電漿濺鍍系統上安裝了PEM (Plasma Emission Monitor)或是Emission Controller就可以改善鍍膜的均勻性。把PEM當作神看待,卻不知道這是個大錯特錯的觀念。PEM系統能夠控制鍍膜製程的穩定性,也就是鍍在待鍍物上的膜層的品質是穩定的,在成膜的方向上穩定地把相同品質的薄膜一直鍍到待鍍物上。這是PEM最大的效用,卻無法因為安裝使用了PEM而改善鍍膜厚度在待鍍物的面積分布上的均勻性。

要改善待鍍物表面成膜厚度的均勻性,需要從鍍膜設備的硬體設計下手,舉凡使用的幫浦種類、規格、抽氣位置與供氣的氣導設計,以及製程的條件要求等等。一旦成膜厚度的均勻性能夠達到一定的水準,在來使用PEM讓每個鍍膜控制區域內的成膜品質有最佳化的表現。這樣子才能讓均勻性與均質性的表現兩全其美。





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经常有人认为在真空电浆溅镀系统上安装了PEM (Plasma Emission Monitor)或是Emission Controller就可以改善镀膜的均匀性。把PEM当作神看待,却不知道这是个大错特错的观念。PEM系统能够控制镀膜制程的稳定性,也就是镀在待镀物上的膜层的质量是稳定的,在成膜的方向上稳定地把相同质量的薄膜一直镀到待镀物上。这是PEM最大的效用,却无法因为安装使用了PEM而改善镀膜厚度在待镀物的面积分布上的均匀性。

要改善待镀物表面成膜厚度的均匀性,需要从镀膜设备的硬件设计下手,举凡使用的帮浦种类、规格、抽气位置与供气的气导设计,以及制程的条件要求等等。一旦成膜厚度的均匀性能够达到一定的水平,在来使用PEM让每个镀膜控制区域内的成膜质量有优化的表现。这样子才能让均匀性与均质性的表现两全其美。

EMICON System的工作原理介紹

EMICON是由兩個英文字組成的,分別是EMISSION(放射)與CONTROL(控制)。


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電漿的形成在於原子或分子上的電子受到外來電場游離,再誘發二次電子撞擊更多的原子與分子產生更多的游離態原子與分子,只要外來電場持續供應且環境維持穩定,電漿就能繼續存在。當不同原子與分子上的電子在高低能階之間跳躍,會釋放與吸收各種特定的能量,釋放的能量可用光的波長形式來詮釋,故同一原子或分子內不同能階軌域的電子產生的跳躍,會同時以不同波長的光把能量釋放出來。分析電漿釋放出來的光譜可以得知參與製程反應的電漿物種,進而找出控制反應機制的主要參數。因此,如何控制與觀察電漿的運動與作用就成為一項艱深的學問。

為了研究存在電漿中的各種不同帶電離子與分子的成分與分布,在不影響電漿反應機制的條件下,還能採用回綬控制的方式來穩定製程,光學偵測法是不接觸電漿也不影響電漿作用的唯一選擇,其中能夠完全表現電漿特性的就是採用分光光譜學的量測技術加上特殊設計的回綬控制機制來達到分析電漿物種與穩定製程的雙重目的。其中以OES (Optical Emission Spectroscopy)光放射光譜學的技術最為成熟。為了達到回綬控制的目的,電漿放射出來的光線經由一個準直鏡光學鏡頭焦聚到石英光纖,傳送到分光儀把電漿的光線用光柵分光到一個陣列式的光偶合感測器(Arrayed CCD),每一個感測器上的獨立感測單元代表一個分光後的特定波長,整個陣列分佈把光的資訊轉化成有用的電壓資訊,電腦透過USB電纜取得這一瞬間電漿光線轉化成陣列對應電壓的光譜資訊,再由軟體針對選定的特殊譜線資料做進一步的PID回綬控制。

下圖為EMICON回綬控制的示意圖



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EMICON是由两个英文字组成的,分别是EMISSION(放射)与CONTROL(控制)。

等离子体的形成在于原子或分子里的电子在外加电场下电离,再诱发二次电子撞击更多的原子与分子产生更多的电离态原子与分子。只要外加电场持续供应且环境保持稳定,等离子体就能继续存在。当不同原子与分子上的电子在高低能阶之间跳跃,会释放与吸收各种特定的能量,释放的能量可用光的波长形式来诠释,故同一原子或分子内不同能阶轨域的电子产生的跳跃,会同时以不同波长的光把能量释放出来。分析电浆释放出来的光谱可以得知参与制程反应的电浆物种,进而找出控制反应机制的主要参数。因此,如何控制与观察电浆的运动与作用就成为一项艰深的学问。

为了研究存在电浆中的各种不同带电离子与分子的成分与分布,在不影响电浆反应机制的条件下,还能采用回绶控制的方式来稳定制程,光学侦测法是不接触电浆也不影响电浆作用的唯一选择,其中能够完全表现电浆特性的就是采用分光光谱学的量测技术加上特殊设计的回绶控制机制来达到分析电浆物种与稳定制程的双重目的。其中以OES (Optical Emission Spectroscopy)光放射光谱学的技术最为成熟。为了达到回绶控制的目的,电浆放射出来的光线经由一个准直镜光学镜头焦聚到石英光纤,传送到分光仪把电浆的光线用光栅分光到一个数组式的光偶合传感器(Arrayed CCD),每一个传感器上的独立感测单元代表一个分光后的特定波长,整个数组分布把光的信息转化成有用的电压信息,计算机透过USB电缆取得这一瞬间电浆光线转化成数组对应电压的光谱信息,再由软件针对选定的特殊谱线数据做进一步的PID回绶控制。

下图为EMICON回绶控制的示意图

Improvement of the response time for a fast PID closed loop control

From time to time, there exists a critical issue to handle multi-channel OES system for a reactive sputtering process which demands high response time of the reactive gas supply. For example, a 3-channel PEM system shown in the figure below has three spectrometers in the PEM controller. Each spectrometer’s configuration has its own recording interval (=exposure time multiplies average number), which might be different from others due to slight differences in the alignments of collimators and the plasma density are different in each gas supply section. For the individual control of each channel, the recording intervals are different, but the spectra data acquisition from spectrometers to the computer’s host software needs to collect all three channels sequentially at a time. That means, if the recording interval settings for 3 channels are 100ms, 125ms, 150ms individually(for example), then the complete system recording interval for a closed loop control is the sum of three individual settings, i.e. 375ms (=100ms + 125ms + 150ms). This result is too bad for a fast PID closed loop control and such kind of control can not provide the highest quality of the film deposited on the substrate. Therefore, the new developed EMICON xMC series is able to acquire spectra data for each channel individually without waiting the others. In this way, each gas supply section can work properly in their optimized configuration to maintain the best quality of the film deposited. The high speed PID closed loop controlled process is achievable finally.
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Of course, this technology can be used for any kind of applications with the demands on different settings for the recording intervals, but the response time is demanded to be very high. Now, only Plasus EMICON MC/HR series can do it.

如何應用OES tool與RGA tool


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常有人問道: 對需要精準控制的電漿(等離子)製程(工藝)中,到底要使用OES還是RGA呢?
說明如下:

  • RGA能看到環境的氣體成分比例與變化,但是無法看到實際參與電漿製程(等離子工藝)的物種與變化,OES卻可以。這是最大的差異。
  • 其次,RGA的反應遲緩,OES可以快速反應。 因此,RGA對於製程(工藝)上出了狀況是很難追蹤與了解實際電漿製程(等離子工藝)的變化。只有使用OES才有機會知道製程(工藝)中真實發生的情形,進而可以找到解決之道。
  • RGA可以當做OES的輔助,兩者相輔相成。

結論: OES掌握製程(工藝)的穩定性,RGA去處理整體環境的穩定性。


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常有人问道: 对需要精准控制的电浆(等离子)制程(工艺)中,到底要使用OES还是RGA呢?
说明如下:

  • RGA能看到环境的气体成分比例与变化,但是无法看到实际参与电浆制程(等离子工艺)的物种与变化,OES却可以。这是最大的差异。
  • 其次,RGA的反应迟缓,OES可以快速反应。 因此,RGA对于制程(工艺)上出了状况是很难追踪与了解实际电浆制程(等离子工艺)的变化。只有使用OES才有机会知道制程(工艺)中真实发生的情形,进而可以找到解决之道。
  • RGA可以当做OES的辅助,两者相辅相成。

结论: OES掌握制程(工艺)的稳定性,RGA去处理整体环境的稳定性。

Plasma Emission Monitor (PEM)的分類


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Plasma Emission Monitor (PEM)有兩大主流:
(a) lens filter type(濾光片型)
(b) spectroscopic type(分光型)
(a) 濾光片型的每個頻道只能一次看一個波長,如果要看另外一個波長,就需要更換濾光片。通常此濾光片以中心波長為主,向長波與短波方向延展大約各5nm。所以,濾光片型的PEM沒有所謂的光譜解析度,濾光片能看到的是包含很寬廣的一個積分光譜區域。因為全光譜都被此濾光片濾光了,所以通過的光線強度十分微弱,因此需要一個很靈敏的偵測器來取得光線的強度資訊並加以放大成為可以分析使用的電訊號。所以,濾光型的光感應裝置包含: 一個防鍍的準直鏡頭(一根小管子,不是蜂巢)、一片濾光片、一個PMT(Photo-Multiplier Tube)光電倍增管偵測器,來把光的訊號轉成電的訊號。
(b) 分光型的每個頻道使用陣列方式的arrayed CCD分光光譜儀,可同時看到分佈在200nm-1100nm光譜範圍內的2048個光譜譜線資料,光學解析度可達1.4nm。光感應的裝置包含: 一個安裝蜂巢式的防鍍裝置的準直鏡頭、真空內部導光的石英光纖、光纖導光用的真空法蘭、外部導光的石英光纖、arrayed CCD分光光譜儀。

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Plasma Emission Monitor (PEM)有两大主流:
(a) lens filter type(滤光片型)
(b) spectroscopic type(分光型)
(a) 滤光片型的每个频道只能一次看一个波长,如果要看另外一个波长,就需要更换滤光片。通常此滤光片以中心波长为主,向长波与短波方向延展大约各5nm。所以,滤光片型的PEM没有所谓的光谱分辨率,滤光片能看到的是包含很宽广的一个积分光谱区域。因为全光谱都被此滤光片滤光了,所以通过的光线强度十分微弱,因此需要一个很灵敏的侦测器来取得光线的强度信息并加以放大成为可以分析使用的电讯号。所以,滤光型的光感应装置包含: 一个防镀的准直镜头(一根小管子,不是蜂巢)、一片滤光片、一个PMT(Photo-Multiplier Tube)光电倍增管侦测器,来把光的讯号转成电的讯号。
(b) 分光型的每个频道使用数组方式的arrayed CCD分光光谱仪,可同时看到分布在200nm-1100nm光谱范围内的2048个光谱谱线数据,光学分辨率可达1.4nm。光感应的装置包含: 一个安装蜂巢式的防镀装置的准直镜头、真空内部导光的石英光纤、光纤导光用的真空法兰、外部导光的石英光纤、arrayed CCD分光光谱仪。

How long to clean the protection device of collimator


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準直鏡頭上的蜂巢式防鍍裝置(honey comb protection device),不是filter,防鍍裝置上的蜂巢結構,主要是靠內徑的大小來阻擋原子與分子在特殊真空壓力下進入蜂巢內管。這是根據自由平均路徑的計算得到的結果。蜂巢結構的深度(此管狀裝置的長度)正好將所有會進入到深處汙染光學鏡片(鏡頭)都擋住。根據準直徑頭擺放的位置來決定多久要清潔一次。PECVD的應用,如果擺放位置正確,可能兩到三年的使用還不需要清潔。大部分需要清潔的應用會是濺鍍(sputtering),有些擺放位置比較接近靶材鍍膜的表面,多久需要清潔一次,很難說得準。若擺放在很近鍍膜區域而且一定會被鍍到的位置,當鍍膜製程的操作壓力高,自由平均路徑短,此時蜂巢裝置的表面很快會被鍍上一層厚厚的鍍膜,就需要經常清潔。如果操作壓力低,自由平均路徑變長,在蜂巢裝置上的鍍膜,會進入管內且表面上的鍍膜雖會增加但是增加速度較慢,此時清潔的時間間隔會拉長不會很頻繁。何時需要做清潔? 可以在EMICON軟體上加以特殊的endpoint設定,在每一個主要的monitoring tracks上都做一個lower limit的設定,一旦所有條件都達到,就可以輸出一個digital TTL signal通知需要清潔了。原理是: 蜂巢結構如果被鍍膜遮蔽,所有的監視譜線的強度會同時減弱,而不是其中的某些譜線強度減弱。因為強度的衰減是全面性的發生,所以很容易由設定的終點條件來判斷是否需要做清潔。


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准直镜头上的蜂巢式防镀装置(honey comb protection device),不是filter,防镀装置上的蜂巢结构,主要是靠内径的大小来阻挡原子与分子在特殊真空压力下进入蜂巢内管。这是根据自由平均路径的计算得到的结果。蜂巢结构的深度(此管状装置的长度)正好将所有会进入到深处污染光学镜片(镜头)都挡住。根据准直径头摆放的位置来决定多久要清洁一次。PECVD的应用,如果摆放位置正确,可能两到三年的使用还不需要清洁。大部分需要清洁的应用会是溅镀(sputtering),有些摆放位置比较接近靶材镀膜的表面,多久需要清洁一次,很难说得准。若摆放在很近镀膜区域而且一定会被镀到的位置,当镀膜制程的操作压力高,自由平均路径短,此时蜂巢装置的表面很快会被镀上一层厚厚的镀膜,就需要经常清洁。如果操作压力低,自由平均路径变长,在蜂巢装置上的镀膜,会进入管内且表面上的镀膜虽会增加但是增加速度较慢,此时清洁的时间间隔会拉长不会很频繁。何时需要做清洁? 可以在EMICON软件上加以特殊的endpoint设定,在每一个主要的monitoring tracks上都做一个lower limit的设定,一旦所有条件都达到,就可以输出一个digital TTL signal通知需要清洁了。原理是: 蜂巢结构如果被镀膜遮蔽,所有的监视谱线的强度会同时减弱,而不是其中的某些谱线强度减弱。因为强度的衰减是全面性的发生,所以很容易由设定的终点条件来判断是否需要做清洁。

Advanced EMICON (Emission Controller) system vs. traditional PEM (Plasma Emission Controller) system

A traditional PEM (Plasma Emission Monitor) system in charge of a closed loop control of a reactive sputtering process is well-known established in a variety of coating applications in decades.  Normally a high sensitivity PMT (Photo-Multiplier Tube) detector amplifies the light signal coming from plasma zone filtered by a narrow band-pass filter or scattered by a grating system or a monochromator.  A long narrow tube with a simple collimating lens installed in front of the filter to block the contamination to the lens from plasma particles typically is mounted very close to the plasma zone and it is suffering high temperature from plasma heating and severe coating on the surface.  Along the light path, only the spectra information filtered is able to be monitored and a disadvantage is its band width of the filter is too large for spectra analysis and the control precision is also limited due to very poor optical resolution.  Typically a good bandpass filter has CWL (Central Wavelength Length) +/- 2nm and FWHM (Full Width Half Maximum) 10+/-2nm.



An advanced spectroscopic EMICON (EMIssion CONtrol) system equips high precision linear arrayed CCD detector and some revolutionary optics along the light path from plasma zone to the detector.  Optical resolution is easily achieved in less than 1.5nm.  For some applications request higher optical resolution, a solution is available to obtain 10 times better as well.  This is really good for the study of plasma species in the process.  EMICON allows the monitoring by multiple line elements and different band spectra in the same LOS (Light-Of-Sight) simultaneously, which an user can easily tell the ratio among different ions, atoms and molecules those involved in the plasma reaction.  With the merit of broad band spectral range, the characteristics and behaviors of plasma particles participated in the plasma reaction are realized in detail.  To stabilize the plasma reaction, it is possible to establish a closed loop control with PID regression built-in function.  An Online QC can be achieved as well through easy-to-use endpoint settings on the software.