429650 Integrated Circuit Processing Technology Postgraduate course in Electrical Engineering SUT WEEK 8 พื้นฐานของเทคโ

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

2. ทำไมต้องศึกษาThin 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

3. 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

4. ขั้นตอนของกระบวนการผลิตThin 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

5. Pressure and Vacuum Thipwan_429650

6. I I เทคนิคพื้นฐานการผลิตThin Films - เทคนิคการระเหย(Vacuum Evaporation) การระเหยวัสดุของแข็งที่ต้องการลงบนฐานรอง ซึ่งต้องอยู่ภายในระบบสุญญากาศ จัดอยู่ในกลุ่มของ Physical Vacuum Deposition (PVD) 1. Thermal Evaporator ระดับสุญญากาศตั้งแต่10-5-10-8Torr Thipwan_429650

7. ส่วนประกอบหลักที่สำคัญในระบบThermal evaporator • เครื่องทำระบบสุญญากาศ • - ทำงานในสภาวะเริ่มต้นต้องใช้Roughing Pumpความดันบรรยากาศ(760Torr)ถึง 110-3Torr • - ทำงานในสภาวะต่อมาต้องใช้Cryo-pumpหรือ Turbomicro-pump:10-3 Torr - 10-9 Torr Thipwan_429650

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

9. - 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)จัดอยู่ในกลุ่มของPhysical Vacuum Deposition (PVD) • อายุการใช้งานจำกัดของขดลวด • แบบไส้ใน electron gun • อื่น ๆ • อัตราการเติบโตของฟิล์มสูง • (high growth rate) • ไม่เกิดความร้อนสูงที่ substrate • อื่น ๆ Thipwan_429650

10. - 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

11. Cathode, - Plasma Anode, + - เทคนิคสปัตเตอร์ริง(Sputter Deposition) หลักการ : สร้างการดิสชาร์จ (discharge)ของประจุก๊าซเฉื่อย เช่นArทำให้เกิดแสงพลาสม่า (plasma: ก๊าซแตกตัวเป็นไอออน(ionized))ไปทำให้อะตอมของtarget นั้นหลุดออกมา(sputtering)ลงบน substrate หรือสามารถผสมก๊าซอื่น ๆ เช่น Oหรือ Nกับ Arเพื่อให้เป็น Reactive sputtering plasma แหล่งกำเนิดของ sputteringคือmagnetron ซึ่งอยู่ติดด้านหลังของTargetเมื่อเกิดสนาม ไฟฟ้าและแม่เหล็กค่าสูง ๆ บริเวณดังกล่าวแล้วionized gas (Ar) จะถูกดักมาอยู่บริเวณผิวของ Targetและชนกับอะตอมของ Target Thipwan_429650

12. เทคนิคต่าง ๆ ของ Sputtering: • DC SputteringเหมาะกับวัสดุของTargetแบบinsulating material • ต้องการแรงดันไฟฟ้า 1012 Volt เพื่อไป sputtering • RF Sputtering • Magnetron Sputtering • ใช้กับ DCหรือ RFก็ได้ • 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

13. เทคนิคต่าง ๆ ของ Sputtering: • Reactive Sputtering • ผสม reactive gas เช่น O หรือ Nในระหว่างการปลูกฟิล์มจะได้ฟิล์มที่มี สารประกอบต่าง ๆ เช่น SiOx, SiNxอื่น ๆ • Ion Beam Assisted Deposition(IBAD) • สามารถใช้ได้กับevaporatorหรือ sputtering(หรือchemical vapor deposition) • bombard surface with ions • low voltage (50-300eV) • สามารถเปลี่ยนคุณสมบัติต่างๆ ของฟิล์ม • นิยมใช้ในอุตสาหกรรมการเคลือบฟิล์มคาร์บอน (tetrahedral amorphous carbon) • หลักการ: ไม่ใช้magnetron source แต่ใช้ion source (Kaufman ion source) Thipwan_429650