濺鍍（ Sputtering）
談到濺鍍（Sputtering Deposition），就一定要對濺射現象（Sputtering）有基本的了解。所謂濺射，其原理跟撞球非常類似，是指固體表面受到高能量粒子的衝擊，基於動量轉移（Momentum Transfer）的原理，固體表面的原子與分子從這些帶有高能量的粒子取得動能，得以自固體表面被轟擊出來。
濺鍍即是利用上述濺射現象所發展出來的鍍膜技術。通常是藉由高能量的離子束或原子束轟擊待鍍材料，基於上述動量轉移原理，待鍍材料表面的原子將因此獲得額外動能（能量可達數10eV），然後得以脫出母材並在真空環境中以直線運動飛至待鍍物表面沈積成膜。
離子束所使用的工作氣體多為氬氣，主要取其化學鈍性高因此不易與材料發生化學反應。若想要獲得較佳的動量轉移效果（亦即加快薄膜沈積的速度），離子束工作氣體的質量應盡可能接近待鍍材料的質量，例如在濺鍍比較輕的元素時可以使用氖作為工作氣體，而在濺鍍比較重的元素時則需要使用質量更大的氣體（如：氪或氙）。若是要濺鍍的是化合物薄膜，可以通入會與被濺射出物質產生反應的氣體，如此便可在基板上相互反應生成所需的化合物薄膜。
- 主要幾種的濺鍍技術
- 離子束濺鍍（Ion-beam sputtering）
- 離子輔助沈積（Ion-assisted deposition）
- 反應式濺鍍（Reactive sputtering）
- 高功率脈衝磁控濺鍍（High-power impulse magnetron sputtering，HIPIMS）
- 輝光放電濺鍍（Gas flow sputtering）
- 濺鍍技術的優點
- 薄膜沈積速率佳
- 大尺度膜厚控制佳
- 精確成分控制佳
- 可選用之沈積材料多
- 整體製造成本低
- 可在較低的溫度下製備高熔點材料的薄膜
- 在製備合金和化合物薄膜的過程中可保持成分組成比例不變
- 濺鍍技術的限制
由於濺鍍本身受到濺射原子多元散射方向的影響，在具備一定深寬比（Aspect Ratio）的微結構上不易形成連續且均勻覆蓋（Conformal）的金屬膜，進而影響填洞（Hole Filling）或栓塞（Plug-In）的能力；因此，現在濺鍍技術的重點，莫不著重於改進填洞時之階梯覆蓋率（Step Coverage），以增加Ti/TiN反擴散層 / 黏合層 / 濕潤層（wetting Layer）等之厚度，或是發展鋁栓塞（Al-plug）及平坦化製程（Planarization）。若能改善濺鍍的階梯覆蓋率，將能大幅改善元件之電磁特性，並簡化製造流程、降低成本。
圖：階梯覆蓋率示意
濺鍍：高功率脈衝磁控濺鍍（HIPIMS）
HIPIMS（高功率脈衝磁控濺鍍，High Power Impulse Magnetron Sputtering）是一種以高功率脈衝電源進行磁控濺鍍的技術，顧名思義屬於濺鍍法的一種。透過產生比傳統直流濺鍍模式要高上數倍之脈衝電流，可得到比直流濺鍍要高上百倍甚至萬倍電子密度的高密度電漿，可有效提高被濺射粒子的離化率，並可在低基材溫度下得到無孔隙高密度、高結晶性的薄膜。
HIPIMS技術的關鍵核心在於電源供應器，其設計主要是將一組直流電源負載於脈衝模組中的電容，再將脈衝模組連接於靶座。將直流電源供應器的電能累積至充電電壓可達數百、數千伏特的脈衝模組電容中，再以電晶體控制放電的脈衝時間、脈衝頻率。
而要達到符合HIPIMS定義之超高密度電漿狀態，除了要能控制脈衝波形、脈衝工作時間（T on）必須控制在5 到5000 μs、頻率10 到10 kHz 等要求之外，電源供應器必須要能在T on期間供給靶材高達1.0 kW cm2 的脈衝功率密度，以產生高密度電漿，並隨著靶面積大小不同，其電源可能要達到 MW 的脈衝功率。同時又要保持著充足的熄火時間（T off）讓靶材與磁鐵散熱，以確保薄膜沈積過程之穩定。
在如此高的脈衝功率密度下，很容易發生輝光放電轉入電弧放電之現象，影響鍍膜品質，甚至損壞靶座與電源供應器。所以HiPIMS 的電源供應器還必須要能偵測異常放電訊號，抑制靶面的電弧放電以保護電源模組。
HIPIMS的優點
蒸鍍：電子束（E-beam）
早期製備薄膜多半是利用真空熱阻式蒸鍍法，但由於待鍍材料與作為承載器的加熱源直接接觸，因此可用的蒸鍍材料種類與所製備的薄膜純度仍有很大的改善空間，而伴隨著電子束蒸鍍法的發明導入，才大幅改善上述傳統熱阻式蒸鍍法的限制。
電子束蒸鍍法是利用電子鎗所發射之電子束轟擊蒸鍍材料，將高能電子束的動能直接轉換為能熔化蒸鍍材料的熱能，並利用蒸鍍物在接近熔點時所具備的飽和蒸氣壓來進行薄膜的沈積。這項技術除了有更好的熱轉換效率外，鍍率方面也獲得很大的改善，只要透過控制電流來調整電子密度，即可精確調控蒸鍍材料的蒸發速率。
此外此技術在蒸鍍材料選擇方面限制較少，純元素、化合物（仍有部分材料不適用，但可透過輔助技術予以改善，請詳下「技術限制」說明）都可蒸鍍，但在合金材料蒸鍍時則必須考慮到合金內各成分的蒸汽壓必須夠接近才能使用此技術，否則薄膜成分比例會與坩堝內的母材料有相當大的差異。
電子束蒸鍍技術優點
- 利用電子束直接轟擊材料，熱轉換效率高
- 除部分化合物與合金材料外，蒸鍍材料選擇的限制較少
- 材料使用效率高，可減少不必要浪費
- 藉由調控電流密度，可精確調控鍍率（理論上可達至每分鐘1nm的蒸鍍速率）
- 蒸鍍鍍率快，可應用在工業大規模量產的場合
電子束蒸鍍技術限制
- 部分化合物材料會在電子束加熱的過程中解離。這是物理氣相沈積技術（尤其是蒸鍍法）共通的限制，但可採反應式蒸鍍法予以解決。
- 部分絕緣性化合物在電子束連續轟擊時會有電荷累積問題。這會使後續電子受到蒸鍍材料表面電位排斥而無法完全抵達待鍍物表面，此問題可藉由在坩鍋座的電路設計上做接地處理，如此即可將所累積的電荷順利導出。
- 蒸鍍合金方面需考慮合金成分間蒸氣壓的差異，一般來說可透過兩種作法解決，第一種是連續填充（continuous feeding），亦即利用不斷有正確比例的合金材料補充到高溫融熔區的合金液體使其處於穩態，因此能讓蒸發分子的合金比例與材料組成相同；第二種則是透過多源平行共鍍（multi-source co-evaporation），亦即使用2個或多個可獨立運作的電子鎗系統，把某一合金薄膜所需要的各種材料放置在不同的坩鍋中同時進行蒸鍍，只需控制各別坩鍋的蒸鍍速率，基本上即可得到正確比例的合金薄膜。
- 電子束蒸鍍法的成膜品質雖然較熱阻式蒸鍍法來得更緻密，但對某些精密光學元件之要求來說仍有所不足。若要進一步改善鍍膜品質，可藉由創造一個電漿活性反應環境，讓離子化材料蒸氣在基板附近凝結時與反應氣體離子能獲得較佳的化合機率、修正化合物薄膜之化合配比；或者可使用離子鎗輔助蒸鍍（ion-beam-assisted deposition，IAD），藉由在系統內加裝離子鎗並於蒸鍍前用高能氬離子束轟擊基版表面，清潔表面增進薄膜附著的效果，或混入反應性氣體到離子鎗中則可同時強化薄膜的化學反應。若能搭配這兩種輔助技術，電子束蒸鍍法更能符合高端光學精密元件的需求。
蒸鍍：分子束磊晶（MBE）
MBE（分子束磊晶）是真空熱蒸鍍技術中的一種，藉由在超高真空環境中，透過熱組燈絲加熱坩鍋內之高純度原料，產生原子束與分子束並在基板上進行磊晶成長，因此溫度高低決定了原子與分子的通量。
在分子束磊晶技術中，原子與分子在超高真空環境中與基板發生「一次碰撞」的概念非常重要。理論上在超高真空環境下分子的平均自由徑很長，在此狀態下分子束自發射端到基板表面是以直線路徑運動，並且分子束運動過程不會與其他氣體分子產生碰撞或反應，因此基板上的表面增原子在遵守表面化學動力的條件下，將可形成緻密的磊晶層。
MBE 技術優點
由於磊晶成長速度慢（每秒鐘約莫只有一個原子層的厚度），因此可精控制握磊晶層的厚度，可獲得原子級的平整度與陡峭鍍，這點對於生長原子級厚度的半導體或複雜的奈米結構是非常有利的。此外，與其他磊晶技術相比較，分子束磊晶的生長溫度較低，因此能有效抑制熱缺陷與熱擴散等現象，確保磊晶成膜品質。
由於系統建置於超高真空環境，因此可結合其他高階的表面分析技術（例如：ESCAM、AES、SIMS、RHEED等等）來了解磊晶相關的化學組成、晶格結構、厚度與平整度等訊息，就這點來說MBE的確是發展新材料與量子結構的最佳工具。
MBE 技術限制
MBE技術的優點也同樣是這項技術的缺點，緩慢的沈積速度、不甚理想的大尺寸鍍膜厚度控制、可用來沈積的材料相對較少，造成量產時的製造成本偏高；此外可選用來進行沈積的材料相對較少，也讓這項技術的進一步推廣受到一定程度的限制。但設備開發商也針對這些技術限制，提出各項改善作法，例如：確保發射室溫度由內到外的一致性、加入擋板以開關分子束減少交叉污染的現象等等。
