光伏薄膜沉积2ppt课件

1、CH3 微系統科技的技巧3.1 微技術n微小化及機體化的技術、主要結合微電子學微小化及機體化的技術、主要結合微電子學與傳統感覺器和致動器之技術經修正來滿足與傳統感覺器和致動器之技術經修正來滿足MST的特殊需求的特殊需求:n1.層技術層技術(構成毫微米和微米及薄層構成毫微米和微米及薄層)n2.微機械學微機械學(構成構成3D立體構造立體構造)n3.積體光學積體光學(製造平面微小光學元件製造平面微小光學元件)n4.光纖光纖(在耦合、導引及解巧合在耦合、導引及解巧合)n5.流體技術流體技術(力量、移動、輸送力量、移動、輸送)n3.1.1 層技術層技術n指生產微奈米級薄層的方法指生產微奈米級薄層的方法,

2、應用各種资料沉積應用各種资料沉積在基材上以构成導體在基材上以构成導體,電阻及絕緣層電阻及絕緣層.有些作成有些作成靈敏層結構層或犧牲層靈敏層結構層或犧牲層.n1.薄膜技術薄膜技術:厚度介於厚度介於nm-um間間,可當晶片可當晶片之根本結構或當功能層之根本結構或當功能層.長層技術有長層技術有-熱沉積熱沉積,物物理沉積理沉積,化學沉積化學沉積.n2.液相沉積液相沉積:包含流電法包含流電法,旋轉成形旋轉成形,電解法電解法及其它原理及其它原理.n3.厚膜技術厚膜技術:是印刷電路板導體及絕緣體的是印刷電路板導體及絕緣體的標準技術標準技術.解析度約解析度約50um對對MST用處較少用處較少.3.1.1.1

3、薄膜沉積薄膜沉積(Thin Film Deposition)熱氧化熱氧化(Oxidation):矽很容易氧化矽很容易氧化,氧化矽可氧化矽可當蝕刻製程的覆罩以得所需結構或當電絕緣當蝕刻製程的覆罩以得所需結構或當電絕緣體體.1200C的高溫氧化可加速其製程的高溫氧化可加速其製程.物理沉積法物理沉積法PVD (Physical Vapor Deposition)：含濺射：含濺射(Sputtering)及蒸氣及蒸氣(Evaporation)沉積法沉積法,用為導體的金屬资料多用為導體的金屬资料多用此法沉積用此法沉積.濺射法是在真空室中由電漿濺射法是在真空室中由電漿(plasma)所呵斥的正離子來轟擊欲為

4、沉積的所呵斥的正離子來轟擊欲為沉積的金屬资料金屬资料(如鋁如鋁,鎢鎢,鈦等鈦等)所行成之陰極靶所行成之陰極靶,使靶使靶的原子沉積於基材上的原子沉積於基材上.電漿是遭部份離子化的氣電漿是遭部份離子化的氣體體(如氮如氮,氬氬,臭氧等臭氧等).亦可参与反應性氣體亦可参与反應性氣體(如氧如氧)以添加化學作用稱反應性濺射以添加化學作用稱反應性濺射.化學沉積法化學沉積法CVD (Chemical Vapor Deposition):是最主要的製程如低壓是最主要的製程如低壓CVD(LPCVD)電漿加強電漿加強CVD(PECVD)等等.此製此製程常用於氮化矽程常用於氮化矽,氧化矽氧化矽,多晶矽及單晶矽之製多晶

5、矽及單晶矽之製作作.此法之優點為厚度及物理性質可精確獲得资此法之優點為厚度及物理性質可精確獲得资料純度極高料純度極高.雷射加工可用於加工及修補雷射加工可用於加工及修補.Thin Film TechniquesnThermal Deposition of Silicon OxidenWet OxidationnDry OxidationnPhysical Layer Deposition (PLD)nEvaporationnSputtering: DC-diode sputtering, Magnetron sputteringnChemical Vapor Deposition (CVD)nL

6、PCVD, APCVDnPlasma Enhanced CVD (PECVD)nLiquid DepositionnGalvanic, Spin coating, CatalyticThin Film Techniques - Thermal Deposition nThermal Deposition of Silicon OxidenNative Oxide (oxidation in room temperature) 20n高溫擴散才干快，氧化速度亦添加n每產生厚度X0的氧化層需耗费厚度XS的矽晶片nXs = 0.44X0Thermal OxidationnWet Oxidation:

7、 Si(s)+2H2O(g)SiO2(s)+2H2(g)n時間快nDry Oxidation: Si(s)+O2(g)SiO2(s)n熱爐管通入氧氣及適量氮氣或惰性氣體，渐渐加熱至9001100C標準製程溫度n速度較慢但電性較佳，故在半導體產業中較常用Thin Film Techniques - PLDnPhysical Layer Deposition物理層沈積n高硬度、耐腐蝕、美觀nVapor Deposition(蒸鍍)nHigh temperature 接近熔點in a vacuum chambernPoor layer adhesionnSputtering(濺度)nMagnetro

8、n sputteringnReactive sputteringnBetter layer adhesionPhysical Vapor Deposition (PVD)nPVD依不同加熱源蒸鍍法可分為n真空蒸鍍法、電子束蒸鍍法常用、雷射束蒸鍍法n真空蒸鍍法nVacuum chambern電流通過坩堝加熱蒸鍍源至接近熔點n蒸鍍源侷限於如鋁之低熔點金屬n缺點：坩堝因被加熱，故能够呵斥 沈積资料污染Physical Vapor Deposition (PVD)n電子束蒸鍍法 (Electron Beam Evaporation)n因適用於高熔點资料，故較常用於半導體產業n對燈絲加熱電壓使其產生電子

9、束， 經靜電聚焦板，加熱蒸鍍源。n缺點：會產生X-Ray或其他離子 而破壞基材n雷射束蒸鍍法n以雷射束取代電子束n不會破壞基材，但昂貴3Physical Vapor Deposition (PVD)n限制與缺點n沈積率低n不同资料熔點與蒸發速率不同，因此對合金或化合物得沈積成分控制不易n薄膜對階梯的覆蓋才干差n加熱源易對薄膜品質呵斥污染n普通精细的半導體製程與VLSI多以濺鍍法取代蒸鍍法濺鍍 (Sputtering)n根本原理直流濺鍍n氣體輝光放電產生電漿n帶電正離子經電場加速撞擊靶材n靶材被轟擊出原子與離子，原子藉由動能及擴散原理在晶片外表進行沈積濺鍍種類n直流濺鍍 (DC-diode Sp

10、uttering)n靶材接陰電極，基材接陽極n沈積率不高n磁控濺鍍(Magnetron Sputtering)n靶材反面加上磁場n電磁作用會產生二次電子n添加電漿濃度，因此添加沈積率n減少氣體離子對基材與容器壁漫無方向的碰撞n因電離率添加，可減少氣體耗费n非平衡磁控濺鍍UBM3濺鍍種類n高週波濺鍍(Radio-Frequency Sputtering)n假设靶材為非導體時，氣體離子撞擊靶材後得不到電子中和，使正電荷累積，與後來的氣體離子排斥n以高週波取代直流電n正離子撞擊靶材陰極後，將陰陽極調換，陰陽變換，此時電子撞擊變成陽極的靶材，以中和其上的正電荷n反應性氣體濺鍍(Reactive Gas

11、 Sputtering)n將少許反應性氣體如N2, O2，烷類等，隨同惰性氣體輸入真空腔，使反應氣體與靶材原子一同沈積於基底，以改變薄膜成分n封閉式非平衡磁控濺鍍法蒸鍍法與濺鍍法的比較Whats PlasmasnThe Fourth State of MatternFreely moving charged gas particles, i.e., electrons and ions.離子化的氣體nFormed at high temperatures.nCan be accelerated and steered by electric and magnetic fields. Copyr

12、ight1994 General AtomicsThin Film Techniques - CVDnChemical Layer DepositionnPredominantly used in thin film technologynExactly dosed, good thickness control and physical propertynExtremely high puritynApplicable materials: Silicon Oxide (SiO2), Silicon Nitride(Si3N4), Polycrystalline Silicon, Epita

13、xynDisadvantages: High process temperature (1250C) and toxic gasesVarious type of CVDnAtmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition (APCVD)n通常用來沈積磊晶矽及複合半導體资料n在300450C低溫下通過反應氣體，可高速沈積二氧化矽n冷壁式以減少壁面沈積n階梯覆蓋性較差Various type of CVDnLow Pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD) n壓力在100Pa(1 torr)以下n通常用來沈積多晶

14、矽n階梯覆蓋性較佳，但沈積速率較慢n熱管壁設計，故需定期清理管壁Various type of CVDnPlasma Enhanced CVD (PECVD)n150350 CnHigh energy electrons break the chemical bonds and ionize the molecules of the layer material.nBetter deposition rate and uniformitynMetal Organic CVD (MOCVD)n將氫化物如砷化三氫或有機金屬聚合物三聚乙基鎵的反應氣體，於流場通過試片置放處進行薄膜沈積CVD薄膜资料與

15、沈積方式nCVD常用资料n二氧化矽(SiO2)：蝕刻阻擋層、隔離層、防護層、犧牲層n磷矽玻璃(PSG)：防護層(如防水氣)、犧牲層n多晶矽(Polycrystalline Silicon)：作為結構層n氮化矽(Si3N4): 蝕刻保護層n碳化矽(Silicon Carbide):作為結構層n鎢(W)：導體PolysiliconnLPCVD: source gas SiH4(矽甲烷，silane), 570-650C, 100400 mtorr, 100 /min (630 C)nMicrostructure depends on deposition conditionn100% SiH4 s

16、ource gas, 100 mtorr, temp 570C, produces polycrystalline filmn600 C, grains are fine and equiaxedn625 C, grains are large and have a columnar structurenCrystalline orientation of the polysilicon grain is predominantly (110) for substrate temp, 600650C. and is predominantly (100) for substrate temp,

17、 650700C.Silicon DioxidenMasking阻擋層nDiffusion Masking擴散阻擋層nIon Implantation Masking離子植入阻擋層nEtching Masking蝕刻阻擋層nPassivation防護層：保護晶片外表以減少離子植入時的破壞nGate Oxide閘氧化層：MOS閘氧化層及電容的介電層nIsolation隔離層：元件與元件隔離之場氧化層nSacrificial Layer犧牲層：搭配多晶矽作為懸浮結構的犧牲層Etching Masking蝕刻阻擋層n根本的微小樑結構的MEMS製程如下所示： n n 將矽晶圓外表沉積阻擋層Si3N4與

18、SiO2n 各一層，作為阻擋蝕刻之用。n n n n Etching Masking蝕刻阻擋層 將光阻旋塗於晶圓外表，光阻所需之厚度與光 阻之種類和製程有關聯，在製作時必須考量此 點，且重複的測試，並以所設計之第一道光罩 加以曝光及顯影，做出濕蝕刻所需之窗口。曝 光的時間，需考量到光阻種類及厚度，以及曝 光機的光源強度。最後的顯影液需求做適當的 調配，其所需之顯影時間，可用顯微鏡觀察光 阻有無去除乾淨，來決定曝光的時間長短。Etching Masking蝕刻阻擋層 运用反應離子蝕刻機(RIE)，將阻擋層Si3N4 及SiO2去除，以便進行濕蝕刻的步驟。RIE 是利用電漿對不同的资料做非等向性的

19、蝕 刻，以本製程為例运用O2及CF4氣體，以適 當的流量蝕刻SiO2及Si3N4，蝕刻時間與流 量及阻擋層厚度有關。時間太長能够會蝕刻 到矽晶片進而影響接下來的製程。 Etching Masking蝕刻阻擋層 將光阻去除後，运用蝕刻液對晶圓作濕蝕刻製 程，蝕刻至略比懸臂樑厚度稍厚。本製程所使 用的蝕刻液為氫氧化鉀(KOH)，蝕刻溫度設定在 70度C，以此條件每小時約蝕刻24UM的厚度， 矽晶片厚度約525UM，需求蝕刻的厚度為 510UM，以此速度約蝕刻21小時即可，但因矽 晶片厚度不是均勻的，所以在最後一個小時，必 須在旁監控以免蝕刻深度超過預定值。SiO2氧化層的製作 - 1n熱氧化(Th

20、ermal Oxidation)nSelf-limiting process to about 2 mmnStructure more dense than LPCVD SiO2nCompressive residue stressnLPCVDnAlso called Low-temperature oxidation (LTO)nUse SiH4 and O2 as precursor gases at temperature of 425 to 450 C and pressure of 200400 mtorrnCould produce thick film ( 2 mm), typi

21、cally 100 /minnInclude dopant gases, such as PH3, to make phosphosilicate glass (PSG)nTensile residue stress (PSG LTO thermal oxideSilicon NitridenPECVDnSiH4 + NH3 (or N2) (200400C, RF) SixNyHz+ H2nNearly stress-free but high etch rate in HF due to porosity structuren沈積速度約5分鐘0.1微米厚nLPCVDn3SiCl2H2 +

22、4NH3 Si3N4 + 6HCl + 6H2, NH3 : SiCl2H2 = 10:1n700900C, 200500 mtorr, 沈積速度約 20分鐘0.1微米厚nStochiometric and amorphous structure, resistant to chemicalnThick film tends to crack due to large tensile residue stressnLow-stress Nitride: “Silicon-richnLPCVD 850C, 500 mtorr, NH3 : SiCl2H2 = 1:6nNonstochiometr

23、ic SixNy, Lower etch rate in HF二氧化矽與氮化矽薄膜的顏色n熱成長的二氧化矽折射率1.48與氮化矽折射率1.97的顏色表4Silicon CarbidenPolymorphic material: multicrystalline structures (cubic, hexagonal, and rhombehedral) nUse APCVD or LPCVD nExtremely hard and strong, doesnt melt.nCan be etched in KOH but 600CnThin film can be dry etched wi

24、th RIE nUsing CHF3 or SF6 combined with O2 nMust use metal, such as AL and Ni, as masking material (since high O2 content will attack PR)常見CVD的比較3.1.1.2 液相沉積液相沉積n包括流電法包括流電法,電解法及旋轉成膜電解法及旋轉成膜n流電法流電法(電鍍電鍍)Galvanic:將基材浸入電解質中在電將基材浸入電解質中在電極間加電壓使各種金屬沉積在具微細結構的基材外表極間加電壓使各種金屬沉積在具微細結構的基材外表上上.可得很高的縱橫比可得很高的縱橫比(a

25、spect ratio).n電解法電解法(Catalytic):只適用於金屬资料只適用於金屬资料.將主動電將主動電解性金屬解性金屬(Pd及及Pt)沉積於基材上後利用光罩圖形得到沉積於基材上後利用光罩圖形得到圖案、電解反應在接觸到電解液的外表發生圖案、電解反應在接觸到電解液的外表發生.n旋轉成膜旋轉成膜(spin-coating):目前主要用於光阻膜上目前主要用於光阻膜上.Thin Film Techniques Liquid Phase(液向沉積)nLiquid phase deposition : galvanic, spin-coating, catalyticnGalvanic流電電鍍n

26、Spin Coating旋鍍法：普通用於光阻(photoresisit)塗佈nCatalytic method 電解法：僅適用於金屬旋鍍法的根本流程微流電n成形PMMA在導電基板金屬板加氧化鈦添加附著性n流電法沈積金屬鎳、銅、金以及鎳鈷、鎳鐵合金，鎳基的電解液常用n可製成完工金屬件或作為射出之成形模具溶膠凝膠沈積法n溶膠凝膠沈積法(Sol-gel)n將薄膜中的相關资料成分混合於溶劑中构成溶膠狀的precursorn以Spin coating塗佈precursor构成均勻薄膜，溶膠狀懸浮中的固體粒子經化學反應構成凝膠狀的網絡n熱處理後，移除溶劑可將凝膠網絡轉換成固相n常用资料：二氧化矽(SOG)

27、、氮化矽、氧化鋁、鋯鈦酸鉛(PZT)53.1.2 微機械學微機械學n用於設計及製造微米級的用於設計及製造微米級的3D機械結構如膜、機械結構如膜、懸臂樑、齒輪、簧片及槽等以組成感覺器及致懸臂樑、齒輪、簧片及槽等以組成感覺器及致動器。可量產主要的兩個製程為動器。可量產主要的兩個製程為n矽基製程：矽基製程：80%的產品以此技術為主的產品以此技術為主nLIGA製程：有高的縱橫比製程：有高的縱橫比,可製造精度甚可製造精度甚佳的佳的3-D元件元件,很多金屬资料很多金屬资料,可被运用可大量可被运用可大量生產複雜的元件生產複雜的元件.3.1.3 積體光學積體光學n运用於製造平面微小光學元件运用於製造平面微小光

28、學元件,如開關如開關,調光器等調光器等.可以可以傳導光線或轉換光為電子訊號傳導光線或轉換光為電子訊號,多整合多元件於同一基多整合多元件於同一基材上材上.主要運用於通訊及微感覺器上主要運用於通訊及微感覺器上.n玻璃基材：如光導玻璃基材：如光導,藕合器藕合器,濾光格柵及頻譜量測器濾光格柵及頻譜量測器.可利用離子交換或植入法讓導體在直徑方向的折射率可利用離子交換或植入法讓導體在直徑方向的折射率有所變化而將光導入光纖有所變化而將光導入光纖.n矽基矽基:是其根本资料是其根本资料,非常精细的微溝槽可用來做光非常精细的微溝槽可用來做光導之修正導之修正.氧化矽及氮氧化矽也可當光導層氧化矽及氮氧化矽也可當光導層

29、.n氧化鈮鋰氧化鈮鋰:有良好的光電性質有良好的光電性質,能在其上製造出被動能在其上製造出被動及主動光學元件及主動光學元件.n3.1.4 光纖光纖n光纖在耦合光纖在耦合,導引及光導媒體導引及光導媒體(多為玻璃多為玻璃) 光信光信號之解耦合方面很有用號之解耦合方面很有用.光纖感覺器使光學量度光纖感覺器使光學量度系統得以微小化系統得以微小化.很多物理及化學量很多物理及化學量,如速度如速度,壓壓力或污染濃度可以轉換為光參數力或污染濃度可以轉換為光參數,如波幅如波幅,相位相位移移,頻譜分析頻譜分析,頻率或時間訊號而得以評估頻率或時間訊號而得以評估.因能因能不受干擾的將訊號傳送很遠且高靈敏性不受干擾的將訊

30、號傳送很遠且高靈敏性,在控制在控制工程上非常重要工程上非常重要.n3.1.5 流體技術流體技術n流體裝置可以簡單且平安的產生力量或移動流體裝置可以簡單且平安的產生力量或移動.流流體輸送用途很廣且其體積小力量密度高體輸送用途很廣且其體積小力量密度高.如醫學如醫學上之微投劑系統上之微投劑系統,吸管吸管.環保上之化學物分析環保上之化學物分析.元元件主要元件如微閥門件主要元件如微閥門,微幫浦及流體開關微幫浦及流體開關.3.2 系統技術系統技術n完好的系統是由感覺器完好的系統是由感覺器,信號處理單元及致動器整合而成信號處理單元及致動器整合而成,以實現以實現完好的功能完好的功能,故需运用系統概念和架構以及信號處理方法來整合系故需运用系統概念和架構以及信號處理方法來整合系統元件統元件.n資訊科技資訊科技:電腦輔助軟體用於設計及製程之模擬是需求的電腦輔助軟體用於設計及製程之模擬是需求的.測測試及診斷也是必須的試及診斷也是必須的.n際間連接技術際間連接技術:主要任務是製造機械的主要任務是製造機械的,電的及光學的連接物電的及光學的連接物