พื้นฐานของเทคโนโลยีฟิล์มบาง และเทคนิคการผลิตฟิล์มบาง 429650 Integrated Circuit Processing Technology Postgraduate course in Electrical Engineering SUT WEEK 8 พื้นฐานของเทคโนโลยีฟิล์มบาง และเทคนิคการผลิตฟิล์มบาง Lecturer: Dr. Thipwan Fangsuwannarak 1 Thipwan_429650

ทำไมต้องศึกษา Thin Film Technology มีการใช้งานกว้างขวางในกลุ่มงานต่าง ๆ กัน กับการประยุกต์ใช้งานด้านต่างๆ เช่น Optical: Reflective/Antireflective coating Interference filter Memory discs (CDs) Waveguides Electrical: Insulation Conduction Semiconductor devices Piezoelectric drivers Magnetic: Memory discs Chemical: Barriers to diffusion or alloying Protection against oxidation or corrosion Gas/Liquid sensors Mechanical: Micromechanics Thermal: Barrier layers Heat Sink Thipwan_429650

ฟิล์มบางในระดับ นาโนเมตร ถึงไมโครเมตร แผ่นฐานรอง (Substrate) Thin- film & Thick-film Thin film thickness ~ nanometer (nm: 10-9 m) to several micrometers (mm: 10-6 m) ฟิล์มบางในระดับ นาโนเมตร ถึงไมโครเมตร แผ่นฐานรอง (Substrate) Deposition Rate several nm/min to a few mm/min Purify of film in microelectronics fabrications : from 99.9% to 99.99999% Operating at vacuum pressure Thipwan_429650

ขั้นตอนของกระบวนการผลิต Thin Films solid, liquid, vapor, gas วัสดุของฟิล์ม (Source) อัตราการจ่ายกำลังไฟฟ้า?? vacuum, fluid, plasma การนำส่งวัสดุ ไปยังฐานรอง (Transport) Uniformity??, Contamination?? -Substrate condition -Reactivity of arriving material -Energy input การเติบโตของฟิล์ม หรือปลูกฟิล์ม (Deposition) -Annealing time -Annealing temperature การแอลนีล (Annealing) ฟิล์ม โครงสร้าง ?? ส่วนประกอบ?? -Structure -Composition -Properties การวิเคราะห์ (Analysis) Process modification?? Thipwan_429650

Pressure and Vacuum Thipwan_429650

เทคนิคพื้นฐานการผลิต Thin Films - เทคนิคการระเหย (Vacuum Evaporation) การระเหยวัสดุของแข็งที่ต้องการลงบนฐานรอง ซึ่งต้องอยู่ภายในระบบสุญญากาศ จัดอยู่ในกลุ่มของ Physical Vacuum Deposition (PVD) 1. Thermal Evaporator ระดับสุญญากาศตั้งแต่ 10-5-10-8Torr I Thipwan_429650

ส่วนประกอบหลักที่สำคัญในระบบ Thermal evaporator เครื่องทำระบบสุญญากาศ - ทำงานในสภาวะเริ่มต้นต้องใช้ Roughing Pump ความดันบรรยากาศ (760Torr) ถึง 110-3 Torr - ทำงานในสภาวะต่อมาต้องใช้ Cryo-pump หรือ Turbomicro-pump: 10-3 Torr - 10-9 Torr Thipwan_429650

ส่วนให้ความร้อน (heating element) Electricity Heat โดยผ่านกระบวนการของ Joule heating I I อุปกรณ์ตรวจวัดความหนาของฟิล์มในระหว่าง deposition (Thin film thickness sensor) Quartz crystal microbalance (QCM) หรือเรียกว่า piezoelectric microbalance การทำงาน : mass frequency electrical signal Thipwan_429650

- เทคนิคการระเหย (Vacuum Evaporation) 2. Electron Beam Evaporator (EBE)หรือ Electron Beam Physical Vapor Deposition (EBPVD) หลักการ ใช้ลำอิเล็กตรอนพลังงานสูง (kV) กระแทก (bombard) วัสดุที่ต้องการ (material target: metal, alloy , ceramic) จัดอยู่ในกลุ่มของ Physical Vacuum Deposition (PVD) อัตราการเติบโตของฟิล์มสูง (high growth rate) ไม่เกิดความร้อนสูงที่ substrate อื่น ๆ อายุการใช้งานจำกัดของขดลวด แบบไส้ใน electron gun อื่น ๆ Thipwan_429650

- เทคนิคสปัตเตอร์ริง (Sputter Deposition) มีประโยชน์ต่องานประเภทอื่น ๆ ในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์กว้างกว่า evaporator แต่ก็ยังจัดอยู่ในกลุ่มของ Physical deposition สามารถปลูกฟิล์มได้หลากหลายชนิด เช่น ฟิล์มโลหะ ฉนวน หรือ สารกึ่งตัวนำ สามารถเปลี่ยนสารประกอบของฟิล์ม โดยการเปลี่ยนแผ่น Target composition หรือใช้ Reactive gas เพื่อปรับเปลี่ยนสารประกอบของฟิล์ม Deposition rate ต่ำในระดับ 1nm/min : Nanotechnology และปรับ ให้สูงถึง mm/min Thipwan_429650

- เทคนิคสปัตเตอร์ริง (Sputter Deposition) หลักการ : สร้างการดิสชาร์จ (discharge) ของประจุก๊าซเฉื่อย เช่น Ar ทำให้เกิดแสงพลาสม่า (plasma: ก๊าซแตกตัวเป็นไอออน (ionized)) ไปทำให้อะตอมของ target นั้นหลุดออกมา (sputtering) ลงบน substrate หรือสามารถผสมก๊าซอื่น ๆ เช่น O หรือ N กับ Ar เพื่อให้เป็น Reactive sputtering plasma Cathode, - Anode, + Plasma แหล่งกำเนิดของ sputtering คือ magnetron ซึ่งอยู่ติดด้านหลังของTarget เมื่อเกิดสนาม ไฟฟ้าและแม่เหล็กค่าสูง ๆ บริเวณดังกล่าวแล้ว ionized gas (Ar) จะถูกดักมาอยู่บริเวณผิวของ Target และชนกับอะตอมของ Target Thipwan_429650

เทคนิคต่าง ๆ ของ Sputtering : DC Sputtering เหมาะกับวัสดุของ Target แบบ insulating material ต้องการแรงดันไฟฟ้า 1012 Volt เพื่อไป sputtering RF Sputtering Magnetron Sputtering ใช้กับ DC หรือ RF ก็ได้ กลับขั้วแล้วจะเกิดกระบวนการ back-sputtering Remove thin surface layers such as residual oxide ความถี่ ~13.56MHz สามารถ sputter ได้ทั้งวัสดุที่ เป็นตัวนำ และฉนวน หรือ ประกอบ ด้วยกันที่เรียกว่า co-sputtering target Blocking Capacitor Matching Network RF generator เพื่อเพิ่มความหนาแน่นของ Ar+ ให้เกิดการชนที่ target มากขึ้น Increase of deposition rate at low Ar pressure

เทคนิคต่าง ๆ ของ Sputtering : Reactive Sputtering ผสม reactive gas เช่น O หรือ N ในระหว่างการปลูกฟิล์ม จะได้ฟิล์มที่มี สารประกอบ ต่าง ๆ เช่น SiOx, SiNx อื่น ๆ Ion Beam Assisted Deposition (IBAD) สามารถใช้ได้กับ evaporator หรือ sputtering (หรือ chemical vapor deposition) bombard surface with ions low voltage (50-300eV) สามารถเปลี่ยนคุณสมบัติต่างๆ ของฟิล์ม นิยมใช้ในอุตสาหกรรมการเคลือบฟิล์มคาร์บอน (tetrahedral amorphous carbon) หลักการ: ไม่ใช้ magnetron source แต่ใช้ ion source (Kaufman ion source) Thipwan_429650