What’s the difference between the intensity listed in the database and the actual measurement?
This is an interesting question asked often while one touches and senses the plasma by optical emission spectrometry. The radiation we are measuring with the EmiCon OES system is due to a two-step process in the plasma: 1. Ground state atoms are excited by electron collisions in higher electronic levels. The density of the [...]
防镀效果绝佳的蜂巢(honey comb)保护装置—保护光学凖直镜头(collimator)
在PECVD的镀膜过程，对凖直镜头上的蜂巢保护装置进行严苛测试。一个搭载蜂巢保护装置的凖直镜头，安装在KF25的观景窗上(view port)。
新一代的OES (EMICON)在等离子工艺应用上的重要性
回顾等离子工艺使用OES (Optical Emission Spectroscopy)的历史，早在1980年代，已有不少大型的玻璃工业尝试使用OES来协助等离子工艺在量化生产的稳定性，同时，也利用OES的特殊性能开发等离子工艺能够使用的新材料。1990年初期，OES著名的代表产品称为PEM (Plasma Emission Monitor)正式在生产大楼帷幕玻璃的等离子溅射流水线上使用，从single Low-e的能源玻璃进化到更具节能效果的double Low-e规范，到了1990年末期，更应用在平面显示器的镀膜工艺上。在2000年以前发展的PEM，多半采用 窄通滤光器 NBPF (Narrow Band-Passed Filter)搭配一个极为灵敏的 光电倍增管 PMT (Photo Multiplier Tube)，透过一套单晶片的处理器计算侦测讯号强度与内部设定强度的差异，将差异值输出到控制反应气体的流量单元: 早期使用的多半是一个 流量计 (flow meter)搭载一颗 压电陶瓷阀 PZT (Lead zirconate titanate: Pb[ZrxTi1-x]O3 0≤x≤1) valve，反应气体的流量经过变化，再次侦测等离子的强度，不断用回路的方式进行修正，让实际侦测的强度趋近内部设定值。为了稳定PEM的控制，PID计算的控制器也成为PEM Closed Loop Control (PEM闭锁回路控制)中很重要的一个角色。由于等离子工艺进步迅速，加上应用市场快速开发，对于镀膜的质量要求越来越严苛。不仅镀膜的质量在同质性(homogeniety: 镀膜期间随著厚度增加时的质量均匀性)的要求增高，同时对镀膜速率的提升也有很大的期许。 因此，2000年开始，新一代的PEM (EMICON: EMISSION CONTROLLER) 不再使用频宽不够精密的窄通滤光器，改用线性的电荷耦合器件CCD，大幅提升光谱的分辨率(resolution)，不但谱线的位置准确，也因为光谱的分辨率提升，把主要用来监控的原子谱线与旁边夹杂的其他杂讯可以轻易地分离，让控制的范围加大且大幅改善控制的精度。这十年在分光仪的工艺上有长足的进步，不仅光谱的分辨率越来越好，也改善CCD的感光度，这些进步的优点，也替新一代的PEM EMICON打开更多应用的市场。虽然新一代的PEM EMICON在价格上较旧型的PEM贵了许多，但不可抹灭的，新一代的PEM EMICON提供更多更精准的性能让生产与研发有更好的信赖度与发展空间。长期使用的成本估算却是远较旧型要节省不少，最重要的是能够让生产线稳定，增加产能也增加营收。 现今，热门的应用如：大气等离子、大楼帷幕玻璃、平面显示器的生产、触摸屏生产、微机电、太阳能电池、半导体、装饰镀膜、超硬膜与光学镀膜都必须搭載新一代的PEM EMICON，来保障生产的稳定与信赖。 以下是新一代PEM EMICON在等离子工艺中不可或缺的几项重要特徵： 在过渡区域(hysteresis region)能快速有效地稳定在设定点 可提高镀膜速率(deposition rate) 可做线上的质量管理(online QC) 对于等离子工艺系统(或设备)商而言，新一代的PEM [...]
反应式等离子溅射镀膜工艺的三宝
进行等离子溅射镀膜工艺时，有三项宝物是不可或缺的。 等离子工艺监控器 (plasma monitor and process controller) 脉冲式直流电源 (pulsed DC power supply) 或是 中频交流电源 (MF AC power supply) 磁控溅射靶 (magnetron sputtering source) 或称 阴极靶 (cathode source) 第1项的等离子工艺监控器主要负责镀膜的质量与镀率的稳定。 对反应气体(reactive gas)采用高速的PID闭锁回路控制(PID closed loop control)，将检测到的等离子信号强度比对内部设定的预设值，根据比对的结果，转成电压信号将差异值输出到负责供应气体的质流量计(MFC: mass flow controller)，改变供应气体的流量来修正实际等离子体实际反应的状态。再撷取改变后的等离子体的信号强度，又经比对产生修正的电压信号，重复修正气体流量来变化等离子体的行为表现。如此周而复始，一直修正到实测的等离子体信号与内订的预设值接近，甚至相同。在反应式的溅射镀膜期间，需要能够快速反应改变气体的流量，主要目的在于稳定溅射出来的金属靶材原子或分子与反应气体之间能够维持在一个固定的比例(合金比例)。如果，变化反应气体的速度太慢，合金比例只能在饱和区维持，且镀膜速率将会很慢。要能够提高镀膜速率又能改变合金比例且维持稳定的镀膜状态，这个等离子工艺监控器扮演极为重要且关键的角色。 PID Closed Loop Contorl 第2项是产生等离子最重要的电源供应器，负责稳定供应最高镀膜速率所需的能量，同时也要防止与消除电弧造成的损坏。 基于反应式镀膜工艺在靶材表面处，若使用纯直流电源(DC power supply)，会因为电子云的堆积阻碍镀膜速率。脉冲式直流电源供应器与中频电源供应器都需要双磁控靶上的电压保持浮动，不可以接地。两支磁控靶个别接上电源供应器的两个正负输出，电源供应器内部的控制电路会以中频频率切换两个极性的输出，让两个靶面上的电子能够有效地疏散，如此可以提高溅射镀膜的速率，也可以防止靶材表面因为电子电荷堆积太多造成电弧放电，引起镀膜质量不必要的损失。 Reactive magnetron co-sputtering process with ion beam assisted and pulsed DC bias [...]
A New Honey Comb Device To Protect Expensive Quartz Window Of View Port
Wow! It’s a long time not to write an article in this blog. In the past years, a new developed honey comb device which provides a solution to solve the contamination problem on quartz window of view port. From time to time, the contamination onto the quartz (or pyrex) window of the view port coming [...]
另外一个迷思：PEM的闭锁回路控制要用MFC或是PZT valve?
这是个在使用PEM闭环控制时，经常遇到的问题: 到底要用MFC (Mass Flow Controller)就能够担负工艺的重责大任? 还是需要使用PZT valve? 用一个很简单的模型来分析就可以做出正确的判断，不会选择错误了。 要达成一个PEM闭环控制的工艺，需要下列的组件才能完成。 1. 传感器: 将等离子体光谱的光线收集传递给传感器。这通常是由光学镜头与光纤组成的硬件，将光信号传递到传感器做光电信号的转换。因为是光速在传递信号，所以需要的时间可以忽略。 2. 传感器: 有感度十分灵敏的光电倍增管PMT (Photo-Multiplier Tube)，通常转换时间小于1 ns; 另外一种是CCD传感器，转换时间大约需要1~2 ms。 3. CPU / MPU软件处理: 光信号转成电的信号，经由计算机软件的计算与处理产生可做控制的信号输出，需要的时间大约5-10 ms。 4. MFC或是PZT Valve: 控制反应性气体流量的阀门从接收到计算机传来的控制信号到调整阀门开启的大小到达指定的位置所需的时间，好的MFC最快可以在几个ms达成，PZT Valve可以在小于1 ms内达成。 5. 气体管路: 气体经过气阀后需要流经气体管路到达真空喷出的位置，这段时间视真空镀膜系统的真空抽气设计来决定长短，通常需要20 ms(系统有很好的真空抽气设计)到200 ms不等。 6. 扩散: 气体抵达真空内部的喷嘴位置，会依照当时真空度的工艺条件以扩散的方式离开喷嘴到达等离子体工艺的区域，这段时间通常小于1 ms. 重复这六个步骤就是一个完整的等离子体反应性闭环的控制流程。 因此，也很容易看出使用好的MFC大致就能满足这种工艺的要求了。
使用PEM在成膜均匀性(uniformity)与均质性(homogeneity)的迷思
经常有人认为在真空电浆溅镀系统上安装了PEM (Plasma Emission Monitor)或是Emission Controller就可以改善镀膜的均匀性。把PEM当作神看待，却不知道这是个大错特错的观念。PEM系统能够控制镀膜制程的稳定性，也就是镀在待镀物上的膜层的质量是稳定的，在成膜的方向上稳定地把相同质量的薄膜一直镀到待镀物上。这是PEM最大的效用，却无法因为安装使用了PEM而改善镀膜厚度在待镀物的面积分布上的均匀性。 要改善待镀物表面成膜厚度的均匀性，需要从镀膜设备的硬件设计下手，举凡使用的帮浦种类、规格、抽气位置与供气的气导设计，以及制程的条件要求等等。一旦成膜厚度的均匀性能够达到一定的水平，在来使用PEM让每个镀膜控制区域内的成膜质量有优化的表现。这样子才能让均匀性与均质性的表现两全其美。
EMICON System的工作原理
EMICON是由两个英文字组成的，分别是EMISSION(放射)与CONTROL(控制)。 等离子体的形成在于原子或分子里的电子在外加电场下电离，再诱发二次电子撞击更多的原子与分子产生更多的电离态原子与分子。只要外加电场持续供应且环境保持稳定，等离子体就能继续存在。当不同原子与分子上的电子在高低能阶之间跳跃，会释放与吸收各种特定的能量，释放的能量可用光的波长形式来诠释，故同一原子或分子内不同能阶轨域的电子产生的跳跃，会同时以不同波长的光把能量释放出来。分析电浆释放出来的光谱可以得知参与制程反应的电浆物种，进而找出控制反应机制的主要参数。因此，如何控制与观察电浆的运动与作用就成为一项艰深的学问。 为了研究存在电浆中的各种不同带电离子与分子的成分与分布，在不影响电浆反应机制的条件下，还能采用回绶控制的方式来稳定制程，光学侦测法是不接触电浆也不影响电浆作用的唯一选择，其中能够完全表现电浆特性的就是采用分光光谱学的量测技术加上特殊设计的回绶控制机制来达到分析电浆物种与稳定制程的双重目的。其中以OES (Optical Emission Spectroscopy)光放射光谱学的技术最为成熟。为了达到回绶控制的目的，电浆放射出来的光线经由一个准直镜光学镜头焦聚到石英光纤，传送到分光仪把电浆的光线用光栅分光到一个数组式的光偶合传感器(Arrayed CCD)，每一个传感器上的独立感测单元代表一个分光后的特定波长，整个数组分布把光的信息转化成有用的电压信息，计算机透过USB电缆取得这一瞬间电浆光线转化成数组对应电压的光谱信息，再由软件针对选定的特殊谱线数据做进一步的PID回绶控制。 下图为EMICON回绶控制的示意图
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 [...]
在等离子工艺中如何选用OES tool与RGA tool
常有人问道: 对需要精准控制的等离子工艺中，到底要使用OES还是RGA呢? 说明如下: RGA能看到环境的气体成分比例与变化，但是无法看到实际参与等离子工艺中的物种与变化，OES却可以。这是最大的差异。 其次，RGA的反应迟缓，OES可以快速反应。 因此，RGA对于工艺上出了状况是很难追踪与了解实际等离子工艺的变化。只有使用OES才有机会知道工艺中真实发生的情形，进而可以找到解决之道。 RGA可以当做OES的辅助，两者相辅相成。 结论: OES掌握工艺的稳定性，RGA去处理整体环境的稳定性。
