二氧化矽雙靶反應濺射鍍膜

採用脈衝直流雙極電源供應器(電壓源)，輸出端接到兩支以矽為靶材的磁控濺射源 利用電漿監控系統(PEM)控制氧氣的流量，進行無電弧反應式濺射鍍膜的製程。

Figure 1. 從視窗觀看雙靶濺射鍍膜製程

Figure 2. 左右兩靶的脈衝電流波形(峰值電流70A)

Figure 3. 德國Magpuls的直流脈衝電源供應器

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)。

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

多頻道等離子監控系統: EmiCon家族

2006年EmiCon多頻道等離子監控系統全貌。














上層: EmiCon3C and A04D11
3套分光儀: 200nm-850nm (2048 pixels)
4個類比輸出: 直流0-10伏特
2個數位控制點: 1個數位輸入與1個數位輸出

下層: EmiCon3C and A08D44
3套分光儀: 200nm-850nm (2048 pixels)
8個類比輸出: 直流0-10伏特
8個數位控制點: 4個數位輸入與4個數位輸出

Ion Assisted Co-Sputtering (離子輔助共同濺射)

以三支磁控濺射靶加上一個等離子源執行離子輔助共同濺射。其中一支磁控濺射靶接上AE MDX 1.5KW DC電源，另外兩支磁控濺射靶接上兩套Magpuls QP1000/3/35 bp 3KW脈衝直流電源個別執行單極直流脈衝濺射模式(最高頻率可達83KHz，最高電壓可達1000伏特)。等離子源採用Dressler 1.5KW RF射頻電源。下圖為執行離子輔助共同濺鍍時的製程現況。

Pulsed DC脈衝直流電源不同應用的組合

1. 雙極對稱式輸出
這種組合主要用在同靶材的反應式雙磁控濺射靶的鍍膜製程。SiO2, TiO2, Ta2O5, Al2O3, ITO, AZO等。利用改變脈衝作用與非作用的時間來控制濺鍍電漿的密度高低，在特定的電漿阻抗條件下，可優化濺鍍速率與薄膜品質。組合如下：
1.1 脈衝產生控制器 X 1
型號MAGPULS 1000/30/100 bp
• +/- 0-1000V輸出
• 30安培直流輸出(Max.)
• 100安培脈衝電流輸出(Max.)
1.2 直流電源供應器 X 1
型號MAP 1000/20
• 0-1000V輸出
• 0-25安培直流輸出(Max.)
註：在400伏特的濺鍍製程有最大電流輸出25安培。

2. 雙極非對稱式輸出
這種組態大量用在單靶的反應式濺鍍製程以及氮化物硬膜的治具偏壓用途。也有用於雙靶特殊混合的陶瓷合金濺鍍製程。組合如下：
2.1 脈衝產生控制器 X 1
型號MAGPULS 1000/30/100 bp
• +/- 0-1000V輸出
• 30安培直流輸出(Max.)
• 100安培脈衝電流輸出(Max.)
2.2 直流電源供應器 X 1
型號MAP 1000/3 (供應正電壓)
• 0-1000V輸出
• 0-3安培直流輸出(Max.)
2.3 直流電源供應器 X 1
型號MAP 1000/20 (供應負電壓)
• 0-1000V輸出
• 0-25安培直流輸出(Max.)

脈衝直流電源問答集

Q1: RF電源在執行反應式鍍膜時,是否也有防Arc的功能? 用何種方式?
A1: RF的電源與DC或是脈衝DC電源一樣有好多種等級，一般可以從RF電源的規格敘述中知曉是否具有抑制與偵測ARC的功能。其原理與直流電源類似，感知突發的大電流所產生的斜率大小來判斷。一旦確認ARC發生，也是將所有供電中止，經過一個延遲的時間後再次觸發電漿，繼續製程。
RF電源也有所謂的脈衝RF電源，主要目的是希望能夠更有效率地防止ARC的發生。

Q2: MAGPULS可設定輸出的Frequency，其作用是在何地方？ 會對膜的品質有影響嗎？
A2: MAGPULS與其他電源不同，可以針對製程所需來改變電漿的作用與非作用時間，頻率可以利用週期的倒數計算得到(f=1/T)。其他電源因為設計不同而無法提供如此準確與詳細的作用時間控制方法，只好用頻率來說明他們的作用時間。

作用時間的長短會依製程的不同產生電漿製程的控制參數之間的移轉。當作用時間越短，越是偏向電壓控制模式，也就是實際作用的電壓會接近或等於設定的電壓值。當作用時間變長，電壓會逐漸降低，且脈衝電流與平均值流電流會增加，直到達到飽和電流，此時，無論增加任何作用時間將無法再增加脈衝電流與直流電流。
利用這種作用時間的可調性，可以改變電漿製程達到調製不同的薄膜品質的目的。

Q3: 在執行非對稱式濺鍍並加偏壓時，磁控靶是否都使用負輸出，而偏壓使用正輸出，可加強膜的附著力？
A3: 濺鍍靶的靶面都是接到低電位的極性。MAGPULS採用正電場的觀念，輸出端的正與負代表電場方向由正(高)往負(低)。所有UP+與DC+都是把正端(高電位)接到真空腔體上接地，負端(低電位)接到靶材，這樣子才能把Ar離子加速撞擊靶材產生濺鍍。如果正負端正好接反了，只要在MAGPULS內部選用相反極性的模式操作就可以了。因為”負負得正”的道理，很簡單的。

加了偏壓當然對薄膜的附著力有增強的效果。用正電場的觀念，在加偏壓的待鍍物上必須接低電位(UP+模式的負端)。

Q4: 抑弧參數可自行設定，但其參考依據為何？
A4: MAGPULS在輸出端安裝有一個高速的電流感測器，可以同步感知透過輸出迴路帶回來的電漿狀態，當電漿製程發生電弧，電流感知器立即將此突發的脈衝電流與比流器(comparator)中設定的Arc-Level數值比對，如果感知器的數值高於Arc-Level的設定值，MAGPULS就把這次的比對當作偵測到一次電弧。接著由MAGPULS內部的電腦計算累計偵測到的電弧次數是否在設定的時段內達到預先的設定數目，再來判定是否要在LCD面板上顯示電弧發生的次數。

要判斷是否為真正的電弧，只要從較短的作用時間做起，慢慢地把作用時間加長，同時把電流的Arc-Level設定值也加大，直到沒有任何的ARC記錄顯示在LCD為止。如果Arc-Level放到最大還有ARC記錄顯示，這代表電漿製程內真的有電弧的發生。

Q5: 學術單位執行反應式濺鍍時多用RF，若改用MAGPULS可將濺鍍速率提高多少？還有哪些優點？
A5: 舉一個鍍TiO2的例子做比較：
RF最大的飽和鍍膜速率: 1500nm/h，也就是4.16Å/s
DC Pulsed的普通濺鍍速率在40Å/s以上
兩者大概差十倍。其他材料也都大同小異。

優點：
1. 磁控靶的最大功率限制才是DC Pulsed的鍍膜速率上限。如果磁控靶可以耐到20KW，你用一套10KW的Pulsed DC就無法發揮最大的鍍膜速率。但是RF的先天限制，其飽和鍍膜速率一旦達到，無論電源的功率提高多少都無法再增加任何一點的鍍膜速率。
2. ARC可以很有效控制。
3. 擴大製程可調整的空間，可以變動作用時間與電流參數做出不同品質的薄膜。