1、关于反应溅射的工艺分析及speedflo的介绍Gencoa 工艺工程师黄汉乐 (Hugo Huang)GENCOA Key Company Facts GENCOA is a private limited company (Ltd) 成立于 1995 by Dr Dermot Monaghan 公司位于英国利物浦GENCOA是一个专业做阴极，离子源，以及speedflo的公司GENCOA目前员工38人（是目前全世界专业只做阴极配件最多人的公司）6 design (Creo 3D CAD)8 process development & simulation14 assembly & test4
2、 sales & tech support (2 Asia based) 其中Hugo是亚洲的工艺/产品工程师3 administration & accounts3 hardware & software (Speedflo) 全球销售阴极数量达3000多个 全球销售speedflo达1000台，在反应溅射控制市场占比95%以上GENCOA 2015年新建的工厂GENCOA新工厂将2016年3月20日落成。总占地面积为2600平方米包括设计部办公室，现代化组装厂以及R&D实验室Gencoa offer the following range of products & process tec
3、hnology for the thin film industry developed over the last 20 yearsGENCOA的产品发展史今天有幸受邀做一个关于反应溅射的工艺介绍，今天所说只是本人对反应溅射的一些看法而已，只是经验之谈，不保证绝对准确，也非常渴望各位指正，共同提高，谢谢！ 本人毕业于东北大学，曾经在深圳JMT工作一年，之后到英国GENCOA至今工作5年。非常感谢母校东北大学，因为东北大学这个名字，给了我很多超出我想像的名誉，非常感谢前辈在这个行业里留下的良好声誉。 这些年多得朋友，同事，客户的支持，我从中学习了很多，领悟了很多，作为一名工艺工程师，我认为我有
4、责任与同行分享以下内容，谢谢！非常感谢我的老师，我的同学，我的朋友，我的客户们！ 写在前面反应溅射的问题点平面靶材打火问题旋转靶材打火问题此阴极不是GENCOA的普通3排磁铁的旋转靶设计像这种就是因为旋转时等离子辉光已经受到基片移动而干扰了，而且leaks的部分代表会有一部分的溅射物沉积到另一个靶管上，这样会大大影响膜层的质量，并且基片加热会很严重，通常会基片温度到120到150度之间。70 mm 100 mm120 mmAC current “leaks”GENCOA 5排磁铁的旋转靶设计但是这种设计就不会对基片加温，也会减少打火，因为两个靶管的等离子体是完全独立的。上一种情况，通过观察窗口
5、你会看到靶管背部也有辉光，那就是leaks的那部分，这一个没有leaks的，靶管背部就不会辉光。解决靶材打火问题阴极磁场设计理念另外无论是平面靶还是旋转靶，我们设计磁场时，都应该让靶材表面的刻蚀面积越大越好。左上图，旋转靶的溅射面刚好到靶材的顶端，这是最理想的状态，这样会大大减少打火状态发生。溅射到顶端并不是因为想让利用率更高点。而是让靶材表面尽可能地干净。这样就会大大减小的靶材表面结瘤和打火现象了。左下图，平面靶也一样，让中间的非刻蚀区越小越好，这样靶材表面更干净，而且靶材利用更高。通常我们的平面靶利用40%到45%旋转靶利用率75%到85%普通3排磁场平面磁场设计左图这两个平面靶，是普通3
6、排磁场设计，与上页的7排磁铁设计对比，表面的刻蚀区完全不一样，普通的一般只有3排磁铁，非刻蚀区很大，利用率通常只有20%。但7排磁铁的利用率达到40%至45%，设计7排磁铁非常不容易，我们公司也是做了大量的测试，才成功的。如果7排磁铁搭配不好，就会形成非平衡磁场，非平衡磁场会对基片轰击很厉害，从而膜层的质量也会大受影响。平面靶材开裂问题下图是一个客户，因为硅靶沉积速率太低，所以他一直在加功率，但他的阴极磁场设计不好，而且冷却不够，结果靶材开裂了。这种情况是非常不可取的，因为阴极设计不同，他会有一个功率密度，当你超过这个功率密度了，表面能量无法释放，剩下来的功率就会转换更热量，然后水温上升，然后
7、靶材高温，然后沉积速率更慢，而且达到一定程度时，靶材膨胀，就裂了。此阴极不是GENCOA的靶材功率密度的计算一般情况下，我们公司不建议加大功率来提升沉积速率，你可以做一个过渡态工艺，同样的功率，如果是过渡态，沉积速率可以提升到2到5倍，例如硅靶的电压一般是340V左右工作，但如果你能让他稳定在450V工作，那么沉积速率就会是3倍了。通常情况下，我们的平面阴极，工作密度是7W/cm2时，走速是1m/min的话，过氧态经过一对硅靶膜厚是15到20nm之间。如果是过渡态就是40到50nm了。如果你加大功率，当然也可以做到，但加功率的风险非常大，有可能靶材开裂，有可能工作不稳定，当然你的电源负荷也在加
8、大！所以对于陶瓷靶来说，靶材很脆，我建议不要通过加功率来获取高的溅射速率。而且我们有大量的数据证明，过渡态时的，膜的耐磨性会更好，过氧状况的时如果耐磨800次，过渡态的耐磨可以做到2000到3000次像硅靶的反应溅射，过氧状态需要20sccm/kw，但如果是过渡态只需要912sccm/kw。但你需要稳定电压，或者稳定硅离子的浓度，这些就需要一下控制手段了多段布气可调反应溅射均匀性1-3m 玻璃平面沉积均匀性1.5% 对于长度1300mm以上的阴极我们建议3段布气并且实现过渡态镀膜工艺这样可以通过氧气平衡来上下调均匀性只有实现过渡态才有上下可调的空间，否则需要加档板。Lambda Sensors
9、 PEM Sensors讨论问答环节问题一：七排磁铁，会有两对蚀刻线同时蚀刻，相互之间不影响吗？七排磁铁对电源要求很大吧讲讲旋转靶，靶转和磁铁转的区别与好处。黄汉乐答（下同）：七排磁铁，如果搭配好，是不会相互干扰的，所以每一排磁场强度并不是完全一样。图示左边是7排磁铁的，右边的是3排磁铁的，你可以看到左边的磁力线比较平衡。磁力线越平行表示这个靶的利用率越高，靶材表面刻蚀面越大，靶材表面越干净，干净的地方就不会结瘤， 7排磁铁设计 对电源并没有特别的要求。水流量要求是1L/min/kw，水温要求是进水18到22度，出水在25度以下，沉积速率都是稳定的，但当水温出水达到30度，就会有变化了，25度
10、做出来是100nm的工艺，30度做出来就只有80nm了。GENCOA目前不做磁铁旋转阴极，所以我不熟悉，抱歉！讨论问答环节问题二：我们公司使用的是gencoa 的阴极，能否讲下ITO结瘤问题？答: ITO本身就很容易结瘤，但左侧的图片估计你们难以相信。这个ITO是从来没有打磨过的，首先ITO的材料一定要好，第二，还是需要靶材表面干净，也就是刻蚀面积。第三，ITO黑化的跟温差有关，第四，与箱体内H离子有关。如果你们箱体加热的，那么你也要让ITO材料本身也热起来。让温差小点，也就是热靶的技术，但ITO靶材热起来，ITO材料就会裂开，所以这样的话，ITO就需 要做很小很小块的，功率也要下降。一般热靶
11、技术，ITO尺寸也就25*125*6mm，不需要绑定。功率密度不能超过2.5w/cm2，这样的话，靶材表面也可以做到刚才的图片效果。还有用直流脉冲电源也会改善，背板的材质也会不一样。GENCOA常温ITO靶讨论问答环节现在有些人用铜背板，有些人用钼背板，还有些人用钛背板。我建议用锆铜材料背板，硬道够，而且导电导热效果好。右侧两张图表明，铜背板的效果会好点。相同的工艺过程，一个是160KWH效果，一个是350到400KWH效果。所以结瘤可以总结为，可能是表面洁净度的问题，可能是温差的问题，可能是材料本身密度的问题，可能是背板材料的问题，也可能是电源打弧设置的问题。建议ITO工作密度是2.5到3.
12、5w/cm2。一般情况下就2.5w/cm2最好 GENCOA高温ITO靶讨论问答环节问题三：在过氧情况下，平面烧结Si和喷涂Si的区别？答：平面和旋转很难比较，毕竟磁场设计不一样。这里的两个都是旋转的，影响很大，最明显的是折射率，喷涂的，我测试折射率一般在1.4到1.46之间，但烧结的能做到1.38左右，高一点，差一点就会在1.41。打火情况，烧结不容易打火，喷涂的，两个端部可能会打火，需要定期清洁两头。图示是同一个阴极，一次用的是喷涂Si靶，一次用的是烧结Si靶。一个是漫反射效果，一个像镜子一样。当然如果平面和旋转都是烧结的硅靶，我认为膜的性能上应该差异不大。 喷涂旋转Si靶材烧结旋转Si靶
13、材讨论问答环节问题四：平面靶和旋转靶的功率密度多少是合适的？答：平面的反应溅射功率密度是5到7w/cm2。旋转靶的看管外径而定的，如果管外径是75mm的，那么就按靶材宽度为150mm来算，如果是管外径是152mm的。那么就按靶材宽度为300mm来算，功率密度都是5到7w/cm2。以上是触摸屏行业的标准，因为触摸屏行业对SI点的控制要求非常高，所以不能高功率溅射，如果LOWE行业，只要你的冷却效果足够好，可以加一倍。问题五：请问如何计算阴极工作功率最合适？答：以靶材表面积来计算，不同的材料，功率密度不一样的，刚才只是以SI来做例子而已，如果是金属靶可以达到20W/cm2，直接冷却的话有可能达到4
14、0W/cm2。问题六：靶管与靶管不污染最理想距离为多少？答：这个是每个厂家的阴极设计不一样而不一样的，我们GENCOA的GRS可以做到只有30mm的距离。讨论问答环节问题七：关于speedflo控制器所有通道控制不住是什么原因，还有自动关机是什么原因？答：如果所有通道突然同时这样子，可能是进去的架子放气，也可能是系统漏气，也可能是Speedflo程序停止工作了。Speedflo停止工作到目前为止只有一种情况CPU温度过高，因为Speedflo就是一台电脑，电脑的CPU工作温度要求不超过30度。今年的Speedflo加强了冷却效果，今年出的货，目前在中国市场还没有一台坏的，谢谢！所以如果Spee
15、dflo真的出现问题，我们非常希望客户及时反馈给我，这样我们才知道怎么去分析，否则我们有时以为只是偶发事件。谢谢！因为我们的Speedflo现在在中国市场上已经超过了200台了。有时工作量很大，而忘记了，抱歉，我们的Speedflo到目前为止全球出货超过1000台。问题八：那个ac chanelled (No Leaks)是如何实现的，增加屏蔽还是磁场设计？答：这个也是一个很独特的设计，你看得很认真，这个问题非常好，普通的旋转靶，里面只有3道磁铁，像平面靶一样，但我们的里面有5道磁场，也就是一个管里的磁铁就是5排。还有一些独特设计我们在靶管外还有一个磁棒，这是我们公司的专利产品，你可以看到靶材
16、背面一点光都没有，是非常理想的状态，一般阴极设计，溅射300nm时，基片温度会超过100度，但这个只有50度，甚至40度，所以一般OLED和超薄PET膜的工艺非常适用。Industry standard magnetics with AC power mode and electron movement70 mm 100 mm120 mm AC current “leaks” 问题八的图示NRELMagnetic field Gencoa bars no AC leakage70 mm100 mm120 mm AC current “channelled”问题八的图示这是额外活性阳性的旋转靶设
17、计：阳极包括磁场，电场，水冷，布气。 从图上可以看出活性阳性已经有效地束缚了电子对基材的轰击，以及改善了leaks的交流影响。 这个阳极可以加不同的电位。 接地效果 接到电源地线 接单独的偏压电源 接悬浮电压 问题八的图示讨论问答环节问题九：ITO 溅射过程低功率就会波动很大（600W）功率加大后就很稳定了（1KW）为什么？答：因为功率密度太低了，就会这样，所以ITO一般建议工作密度至少在1w/cm2以上，否则电荷在靶材表面不均匀。当然加大氩气量也可以，但ITO如果想要好的质量，建议工作压力不要超过0.2Pa。台湾人比较喜欢在0.08到0.1Pa工作，甚至0.05Pa的都有，工作压力越低，对阴
18、极的要求就越高了，否则会不稳定，我一般建议是0.2PA工作ITO，这样的工艺比较稳定，而且好调。问题十：讲讲平面烧结SI和旋转喷涂SI的区别，两者得到的SIO2对ITO的影响。答：我个人认为，平面烧结Si，如果工作稳定，对ITO的质量更好，一般要求过渡态生产，否则会串氧，影响ITO的品质。烧结的靶材折射率更低，对透过率很有帮助。而且平面靶不需要维护，成本低。旋转靶的使用周期长，如果成本允许，旋转绕结Si也可以，但存在leaks的问题，对阴极要求高点，还要保证不漏水不漏气。如果是旋转喷涂Si靶，我认为效果没有平面烧结Si靶的好，当然如果你对这个行业长期看好，可以选择旋转烧结Si靶。问题十一：水温
19、影响溅射速率，原因是什么呢？答：估计是材料的物理性质，以及功耗的问题，热膨胀导致靶材密度降低。Speedflo控制器Speedflo 反应气体控制器 Version A 8 channelsVersion B 2 channel (mini)关于Speedflo，这里面有很多我的客户了，有些人用得很熟练了，今天主要是说一下，为什么需要Speedflo，以及Speedflo如果搭配工艺。目前GENCOA只有以下两款speedflo。反应溅射探测基本原理反应气体输入发射基片靶材 控制(Speedflo)Part. Press.透明程度，导电程度电压，频率，等离子发放输出(气体流量计） 反应气体流量控制speedflo可以配用美国MKS的流量计，还有国产ETON（怡东科技产）的流量计。主要需要考虑流量计的反应速度以及精确度。Speedflo本身的计算周期为5到20msec。SpeedFlo - 输入感应1, PEM 材料在真空溅射时，的分子电离跃迁光谱信号，每种材料或气体都有自己的特性光谱波长信号。2,（Target Voltage) 靶电源电压模拟信号3, CCD等离子光谱全波段光谱信号4,（lambda sensor）氧分压传感器信号5, Penning（潘宁规）光谱信号 Speedflo控制器Speedflo控制器
