另外一個迷思: PEM的閉鎖迴路控制要用MFC或是PZT valve

這也是個在使用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。

使用PEM在成膜均勻性與均質性的迷思

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。

How long to clean the protection device of collimator

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。

Plasma Emission Monitor (PEM)的分類

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。

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.



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.

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

Multi-channel plasma monitoring and controlling system is available

It has been taking a long time to develop the multi-channel plasma emission monitoring and controlling system. I'm very appreciated in so many friends and customers who devoted themselves in the testing and gave us their great supports. Here is a picture for the product family.

More information will be updated later.

In-vacuum optics protection device

Plasma process is extremely exciting and any in-vacuum optics is easily contaminated by unexpected coatings on mirrors or lenses which are essential to keep the best optical performance for metrology instruments. A special designed in-vacuum optics protection device is able to prevent most of the strong contaminations from the plasma processes, such as sputtering, plasma-CVD or etching. With applying this device, the monitoring stability of plasma process control is assured and preventive maintenance is extended tremendously as well.

~~~ Supported by Dr. Thomas Schütte of PLASUS ~~~