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物理氣相沈積PVD -電子束蒸鍍(E-beam)

蒸鍍技術原理目的

物理氣相沉積(Physical vapor depositionPVD)係利用物理過程來進行沉積薄膜的技術。所謂物理過程是物質的相變化現象,例如蒸鍍即是由將固態物質經由加熱的方式使固態物質轉變為氣態,並透過真空系統使其沉積於基板上。就像日常生活中,煮開水時,水會蒸發變成水蒸氣,當碰到鍋蓋,鍋蓋溫度冷,水蒸氣就凝結在鍋蓋上。

物理氣相沉積顧名思義是利用物理機制來進行薄膜堆積而不涉及化學反應。所謂物理機制是指蒸鍍源物質的相變化,如由固態轉化為氣態(蒸鍍),或由氣態轉變為電漿態(濺鍍)進行薄膜的沉積。早期蒸鍍使用熱電阻加熱法,但金屬靶材與加熱源(通常為鎢舟)直接接觸,能蒸鍍的材料種類有限,靶材耗損量大,得到的薄膜純度也不足。而利用電子槍產生的電子束轟擊金屬靶材的電子束蒸鍍法則可有效地改善熱蒸鍍法的限制。

電子束蒸鍍法是利用高能電子束的動能轉換為熔化靶材的熱能,並利用靶材在接近熔點時的飽和蒸汽壓進行鍍膜,元素蒸氣壓請參見圖一。此法除了有很好的熱轉換效率外,蒸鍍速率亦能精準控制,靶材種類選擇的限制較少,除部分化合物及合金外,多數材料皆能蒸鍍且基板不需加熱即可成長薄膜。

▲ (圖一)元素蒸氣壓

E-beam結構與操作原理

E-gun電子槍金屬蒸鍍系統構造如圖二,是利用電子束來執行蒸鍍源的加熱。利用高壓電使鎢絲線圈產生電子後,利用加速電極將電子引出,再透過偏向磁鐵(Bending magnet),將電子束彎曲270∘,引導打到坩堝內的金屬源上,使其金屬靶材局部熔融。在高真空下(4×10-6 Torr)金屬源之熔點與沸點接近,容易使其蒸發,而產生金屬的蒸氣流,遇到晶片時即沉積在上面。透過加速電壓的功率調整,即可調整加熱的溫度,使其可控制薄膜沉積的速率。

▲ (圖二)E-gun電子槍金屬蒸鍍系統構造示意圖

蒸鍍系統優點

可大面積成長薄膜,且腔體多設計為可容納多片基板,故具有高度的產出效率。透過石英震盪片(Quartz crystal)可精準的監控薄膜沉積厚度與鍍率,也可於設備中裝入多個坩堝,可於不破真空下連續成長多層金屬薄膜。系統設計簡單,容易維護,是產業界成長光學薄膜、透明導電膜等生產使用。

蒸鍍技術運用

光學薄膜(眼鏡與鏡片的反射防止膜、特殊鏡子等)、構成顯示器的電極・半導體膜・絕緣膜等(電漿電視與有機EL、液晶顯示器)・電子零件(電容、半導體集積迴路等)、食品包裝材料(裝餅乾糖果用的袋子有的蒸鍍上一層鋁膜)。