光伏薄膜沉积1.ppt

CH3微系統科技的技巧 3 1微技術 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MST的特殊需求 1 層技術 構成毫微米和微米及薄層 2 微機械學 構成3D立體構造 3 積體光學 製造平面微小光學元件 4 光纖 在耦合 導引及解偶合 5 流體技術 力量 移動 輸送 3 1 1層技術 指生產微奈米級薄層的方法 應用各種材料沉積在基材上以形成導體 電阻及絕緣層 有些作成靈敏層結構層或犧牲層 1 薄膜技術 厚度介於nm um間 可當晶片之基本結構或當功能層 長層技術有 熱沉積 物理沉積 化學沉積 2 液相沉積 包含流電法 旋轉成形 電解法及其它原理 3 厚膜技術 是印刷電路板導體及絕緣體的標準技術 解析度約50um對MST用處較少 3 1 1 1薄膜沉積 ThinFilmDeposition 熱氧化 Oxidation 矽很容易氧化 氧化矽可當蝕刻製程的覆罩以得所需結構或當電絕緣體 1200C的高溫氧化可加速其製程 物理沉積法PVD PhysicalVaporDeposition 含濺射 Sputtering 及蒸氣 Evaporation 沉積法 用為導體的金屬材料多用此法沉積 濺射法是在真空室中由電漿 plasma 所造成的正離子來轟擊欲為沉積的金屬材料 如鋁 鎢 鈦等 所行成之陰極靶 使靶的原子沉積於基材上 電漿是遭部份離子化的氣體 如氮 氬 臭氧等 亦可加入反應性氣體 如氧 以增加化學作用稱反應性濺射 化學沉積法CVD ChemicalVaporDeposition 是最主要的製程如低壓CVD LPCVD 電漿加強CVD PECVD 等 此製程常用於氮化矽 氧化矽 多晶矽及單晶矽之製作 此法之優點為厚度及物理性質可精確獲得材料純度極高 雷射加工可用於加工及修補 ThinFilmTechniques ThermalDepositionofSiliconOxideWetOxidationDryOxidationPhysicalLayerDeposition PLD EvaporationSputtering DC diodesputtering MagnetronsputteringChemicalVaporDeposition CVD LPCVD APCVDPlasmaEnhancedCVD PECVD LiquidDepositionGalvanic Spincoating Catalytic ThinFilmTechniques ThermalDeposition ThermalDepositionofSiliconOxideNativeOxide oxidationinroomtemperature 20 高溫擴散能力快 氧化速度亦增加每產生厚度X0的氧化層需消耗厚度XS的矽晶片Xs 0 44X0 ThermalOxidation WetOxidation Si s 2H2O g SiO2 s 2H2 g 時間快DryOxidation Si s O2 g SiO2 s 熱爐管通入氧氣及適量氮氣或惰性氣體 慢慢加熱至900 1100 C 標準製程溫度 速度較慢但電性較佳 故在半導體產業中較常用 SiO2製作 ThinFilmTechniques PLD PhysicalLayerDeposition 物理層沈積 高硬度 耐腐蝕 美觀VaporDeposition 蒸鍍 Hightemperature 接近熔點 inavacuumchamberPoorlayeradhesionSputtering 濺度 MagnetronsputteringReactivesputteringBetterlayeradhesion PhysicalVaporDeposition PVD PVD依不同加熱源蒸鍍法可分為真空蒸鍍法 電子束蒸鍍法 常用 雷射束蒸鍍法真空蒸鍍法Vacuumchamber電流通過坩堝加熱蒸鍍源至接近熔點蒸鍍源侷限於如鋁之低熔點金屬缺點 坩堝因被加熱 故可能造成沈積材料污染 PhysicalVaporDeposition PVD 電子束蒸鍍法 ElectronBeamEvaporation 因適用於高熔點材料 故較常用於半導體產業對燈絲加熱電壓使其產生電子束 經靜電聚焦板 加熱蒸鍍源 缺點 會產生X Ray或其他離子而破壞基材雷射束蒸鍍法以雷射束取代電子束不會破壞基材 但昂貴 3 PhysicalVaporDeposition PVD 限制與缺點沈積率低不同材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薄膜對階梯的覆蓋能力差加熱源易對薄膜品質造成污染一般精密的半導體製程與VLSI多以濺鍍法取代蒸鍍法 濺鍍 Sputtering 基本原理 直流濺鍍 氣體輝光放電產生電漿帶電正離子經電場加速撞擊靶材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表面進行沈積 濺鍍種類 直流濺鍍 DC diodeSputtering 靶材接陰電極 基材接陽極沈積率不高磁控濺鍍 MagnetronSputtering 靶材背面加上磁場電磁作用會產生二次電子增加電漿濃度 因而增加沈積率減少氣體離子對基材與容器壁漫無方向的碰撞因電離率增加 可減少氣體消耗非平衡磁控濺鍍 UBM 3 濺鍍種類 高週波濺鍍 Radio FrequencySputtering 若靶材為非導體時 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以高週波取代直流電正離子撞擊靶材 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反應性氣體濺鍍 ReactiveGasSputtering 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起沈積於基底 以改變薄膜成分封閉式非平衡磁控濺鍍法 蒸鍍法與濺鍍法的比較 What sPlasmas TheFourthStateofMatterFreelymovingchargedgasparticles i e electronsandions 離子化的氣體 Formedathightemperatures Canbeacceleratedandsteeredbyelectricandmagneticfields Copyright1994GeneralAtomics ThinFilmTechniques CVD ChemicalLayerDepositionPredominantlyusedinthinfilmtechnologyExactlydosed goodthicknesscontrolandphysicalpropertyExtremelyhighpurityApplicablematerials SiliconOxide SiO2 SiliconNitride Si3N4 PolycrystallineSilicon EpitaxyDisadvantages Highprocesstemperature 1250 C andtoxicgases VarioustypeofCVD AtmosphericPressureChemicalVaporDeposition APCVD 通常用來沈積磊晶矽及複合半導體材料在300 450 C低溫下通過反應氣體 可高速沈積二氧化矽冷壁式以減少壁面沈積階梯覆蓋性較差 VarioustypeofCVD LowPressureChemicalVaporDeposition LPCVD 壓力在100Pa 1torr 以下通常用來沈積多晶矽階梯覆蓋性較佳 但沈積速率較慢熱管壁設計 故需定期清理管壁 VarioustypeofCVD PlasmaEnhancedCVD PECVD 150 350 CHighenergyelectronsbreakthechemicalbondsandionizethemoleculesofthelayermaterial BetterdepositionrateanduniformityMetalOrganicCVD MOCVD 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薄膜材料與沈積方式 CVD常用材料二氧化矽 SiO2 蝕刻阻擋層 隔離層 防護層 犧牲層磷矽玻璃 PSG 防護層 如防水氣 犧牲層多晶矽 PolycrystallineSilicon 作為結構層氮化矽 Si3N4 蝕刻保護層碳化矽 SiliconCarbide 作為結構層鎢 W 導體 Polysilicon LPCVD sourcegasSiH4 矽甲烷 silane 570 650 C 100 400mtorr 100 min 630 C Microstructuredependsondepositioncondition100 SiH4sourcegas 100mtorr temp570 C producespolycrystallinefilm600 C grainsarefineandequiaxed625 C grainsarelargeandhaveacolumnarstructureCrystallineorientationofthepolysilicongrainispredominantly 110 forsubstratetemp 600 650 C andispredominantly 100 forsubstratetemp 650 700 C SiliconDioxide Masking 阻擋層 DiffusionMasking 擴散阻擋層 IonImplantationMasking 離子植入阻擋層 EtchingMasking 蝕刻阻擋層 Passivation 防護層 保護晶片表面以減少離子植入時的破壞GateOxide 閘氧化層 MOS閘氧化層及電容的介電層Isolation 隔離層 元件與元件隔離之場氧化層SacrificialLayer 犧牲層 搭配多晶矽作為懸浮結構的犧牲層 EtchingMasking 蝕刻阻擋層 基本的微小樑結構的MEMS製程如下所示 將矽晶圓表面沉積阻擋層Si3N4與SiO2各一層 作為阻擋蝕刻之用 EtchingMasking 蝕刻阻擋層 將光阻旋塗於晶圓表面 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 最後的顯影液需要做適當的調配 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 EtchingMasking 蝕刻阻擋層 使用反應離子蝕刻機 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材料做非等向性的蝕刻 以本製程為例使用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 時間太長可能會蝕刻到矽晶片進而影響接下來的製程 EtchingMasking 蝕刻阻擋層 將光阻去除後 使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 需要蝕刻的厚度為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 1 熱氧化 ThermalOxidation Self limitingprocesstoabout2mmStructuremoredensethanLPCVDSiO2CompressiveresiduestressLPCVDAlsocalledLow temperatureoxidation LTO UseSiH4andO2asprecursorgasesattemperatureof425to450 Candpressureof200 400mtorrCouldproducethickfilm 2mm typically100 minIncludedopantgases suchasPH3 tomakephosphosilicateglass PSG Tensileresiduestress PSG LTO SiO2氧化層的製作 2 PECVDLow stressandverythickfilm 10to20mm usingthinSi3N4inconjuctionwiththethickSiO2filmtocreatecrack freeSiO2film Usetetraethylorthosilicate TEOS四乙氧基矽烷Si OC2H5 4 asprecursorgasesCrystallineSiO2 quartz PiezoelectricElectricallyinsulatingSpin on Glass SOG Spin coatingtoproducethick 20mm filminconjunctionwithCMPUsedasathickfilmsacrificialmoldingmaterialtopatternthickpolysiliconEtchrateinHF PSG LTO thermaloxide SiliconNitride PECVDSiH4 NH3 orN2 200 400 C RF SixNyHz H2Nearlystress freebuthighetchrateinHFduetoporositystructure沈積速度約5分鐘0 1微米厚LPCVD3SiCl2H2 4NH3 Si3N4 6HCl 6H2 NH3 SiCl2H2 10 1700 900 C 200 500mtorr 沈積速度約20分鐘0 1微米厚Stochiometricandamorphousstructure resistanttochemicalThickfilmtendstocrackduetolargetensileresiduestressLow stressNitride Silicon rich LPCVD850 C 500mtorr NH3 SiCl2H2 1 6NonstochiometricSixNy LoweretchrateinHF 二氧化矽與氮化矽薄膜的顏色 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 4 SiliconCarbide Polymorphicmaterial multicrystallinestructures cubic hexagonal andrhombehedral UseAPCVDorLPCVDExtremelyhardandstrong doesn tmelt CanbeetchedinKOHbut600 CThinfilmcanbedryetchedwithRIEUsingCHF3orSF6combinedwithO2Mustusemetal suchasALandNi asmaskingmaterial sincehighO2contentwillattackPR 常見CVD的比較 3 1 1 2液相沉積 包括流電法 電解法及旋轉成膜流電法 電鍍 Galvanic 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表面上 可得很高的縱橫比 aspectratio 電解法 Catalytic 只適用於金屬材料 將主動電解性金屬 Pd及Pt 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表面發生 旋轉成膜 spin coating 目前主要用於光阻膜上 ThinFilmTechniques LiquidPhase 液向沉積 Liquidphasedeposition galvanic spin coating catalyticGalvanic流電 電鍍 SpinCoating 旋鍍法 一般用於光阻 photoresisit 塗佈Catalyticmethod 電解法 僅適用於金屬 旋鍍法的基本流程 微流電 成形PMMA在導電基板 金屬板加氧化鈦增加附著性 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 溶膠 凝膠沈積法 Sol gel 將薄膜中的相關材料成分混合於溶劑中形成溶膠狀的precursor以Spincoating塗佈precursor形成均勻薄膜 溶膠狀懸浮中的固體粒子經化學反應構成凝膠狀的網絡熱處理後 移除溶劑可將凝膠網絡轉換成固相常用材料 二氧化矽 SOG 氮化矽 氧化鋁 鋯鈦酸鉛 PZT 5 3 1 2微機械學 用於設計及製造微米級的3D機械結構如膜 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矽基製程 80 的產品以此技術為主LIGA製程 有高的縱橫比 可製造精度甚佳的3 D元件 很多金屬材料 可被使用可大量生產複雜的元件 3 1 3積體光學 使用於製造平面微小光學元件 如開關 調光器等 可以傳導光線或轉換光為電子訊號 多整合多元件於同一基材上 主要運用於通訊及微感覺器上 玻璃基材 如光導 藕合器 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有所變化而將光導入光纖 矽基 是其基本材料 十分精密的微溝槽可用來做光導之修正 氧化矽及氮氧化矽也可當光導層 氧化鈮鋰 有良好的光電性質 能在其上製造出被動及主動光學元件 3 1 4光纖 光纖在耦合 導引及光導媒體 多為玻璃 光信號之解耦合方面很有用 光纖感覺器使光學量度系統得以微小化 很多物理及化學量 如速度 壓力或污染濃度可以轉換為光參數 如波幅 相位移 頻譜分析 頻率或時間訊號而得以評估 因能不受干擾的將訊號傳送很遠且高靈敏性 在控制工程上十分重要 3 1 5流體技術 流體裝置可以簡單且安全的產生力量或移動 流體輸送用途很廣且其體積小力量密度高 如醫學上之微投劑系統 吸管 環保上之化學物分析 元件主要元件如微閥門 微幫浦及流體開關 3 2系統技術 完整的系統是由感覺器 信號處理單元及致動器整合而成 以實現完