Sputter基本原理培训.ppt

河北东旭投资集团,太阳能研究所,演讲人：王金萍,【SPUTTER,基本原理,】,1,目录,第一章 真空,第二章 等离子体,第三章 溅射原理,第四章 反应性溅射,第五章 溅射镀膜设备,第六章 溅射靶及靶材配置,2,目录,第二章 等离子体,第三章 溅射原理,第四章 反应性溅射,第五章 溅射镀膜设备,第六章 溅射靶及靶材配置,3,第一章 真空,第一章 真空,4,1-1,生活中的真空,1,、大气压、真空、真空度？,第一章 真空,5,帕斯卡,Pa,：,1Pa=1N/,标准大气压,atm,：,1atm=101325Pa,托,Torr,：,1Torr=133.32Pa,毫巴,mbar,：,1mbar=100Pa,2,、压强单位,第一章 真空,3.,真空区域的划分,6,大气：,10,3,mbar,低真空：,10,3,10,-3,mbar,中真空：,10,-3,10,-6,mbar,高真空：,10,-6,10,-9,mbar,超高真空：,10,-9,mbar,第一章 真空,4.,平均自由程,7,2-2,气体分子平均自由程,不同真空度下的平均自由程：,真空度,平均自由程,分子数,（,mbar,）,（,cm,）,（个,/cm,3,）,110,3,0.9410,-5,2.410,19,110,-2,0.9410,0,2.410,14,110,-6,0.9410,4,2.410,10,110,-10,0.9410,8,2.410,6,第一章 真空,5.,真空系统中气体的流动状态,8,第一章 真空,9,5.,真空系统中气体的流动状态,第一章 真空,6.,真空的获得,10,旋叶泵,旋叶泵的特点：,经济耐用,工作范围：,大气压,10,-3,mbar,极限真空：,10,-3,mbar,缺点：振动、反油,第一章 真空,7.,真空的获得,11,罗茨泵,机械泵的特点：,启动快，抽速大,工作范围：低、中真空,极限真空：取决于前级泵,罗茨泵压缩比较小，一般需要串联使用；,第一章 真空,12,涡轮分子泵,涡轮分子泵的特点：,抽速大、无油、启动快,工作范围：,10,-2,10,-6,mbar,极限真空：,10,6,mbar,缺点：振动、成本高、易损,7.,真空的获得,第一章 真空,13,油扩散泵,油扩散泵的特点：,经济耐用、无振动,工作范围：,10,-4,10,-9,mbar,极限真空：,10,-6,mbar,10,-9,mbar,（液氮冷却）,缺点：反油、需预热,7.,真空的获得,第一章 真空,14,真空泵,极限压强（,mbar,）,启动压强（,mbar,）,旋叶泵,110,-3,110,3,水蒸气喷射泵,110,-3,110,3,罗茨泵,取决于前级泵,110,1,涡轮分子泵,110,-6,110,-2,油扩散泵,110,-9,110,-4,溅射离子泵,110,-11,110,-3,钛升华泵,110,-11,110,-3,低温吸附泵,110,-12,110,-3,几种常用泵的极限压强与启动压强,7.,真空的获得,目录,第一章 真空,第三章 溅射原理,第四章 反应性溅射,第五章 溅射镀膜设备,第六章 溅射靶及靶材配置,15,第二章 等离子体,第二章 等离子体,16,等离子体是由部分分子、原子及原子被电离后产生的正离子和负电子组成的离子化气体状物质，它是除去固、液、气外，物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体，呈准中性状态。,2-1,辉光放电,第二章 等离子体,17,自然中的等离子体：,2-3,雷电,2-4,极光,第二章 等离子体,18,2-5,日光灯,2-4,真空镀膜,辉光放电,等离子的应用：,第二章 等离子体,19,辉光放电产生的条件：,在放电开始前，放电间隙间电场是均匀的；,放电过程主要是靠阴极发射电子来维持的；,放电气压一般维持在,1010,-3,mbar,；,放电电流密度一般要维持在,10,-1,10,2,mA/cm,2,；,电压一般为,3005000V,；,溅射所需要的轰击离子通常采用辉光放电获得。辉光放电是气体放电的一种类型，是一种稳定的自持放电。,辉光放电：,第二章 等离子体,20,阴极辉光区,阴极暗区,负辉光区,法拉第暗区,正柱区,0,电压,空间静电荷,两极区间,辉光放电示意图,1,、在真空室内安置两个电极。,2,、通入压力为,10,-3,10,-2,Pa,的气体（通常是,Ar,）。,3,、在电极上加上高电压。,辉光放电,产生,等离子体,辉光放电：,目录,第一章 真空,第二章 等离子体,第四章 反应性溅射,第五章 溅射镀膜设备,第六章 溅射靶及靶材配置,21,第三章 溅射原理,第三章 溅射原理,-1,（溅射电源）,22,直流溅射：,用于导电靶,中频溅射：,用于导电靶,射频溅射：,用于绝缘靶,不同的溅射电源：,第三章 溅射原理,-2,（直流溅射）,23,Pumping system,target,Power supply,Plasma,substrate,Gas,Ar,_,电场,+,电场,辉光效应,3-1,直流溅射示意图,直流溅射原理图：,第三章 溅射原理,-2,（直流溅射）,溅射气体应当具备的特性：,对靶材程惰性；,溅射率高；,价格便宜；,来源方便；,Ar,为较理想的选择,为什么？,溅射气体的选择：,第三章 溅射原理,-2,（直流溅射）,大气成分,分子量,干洁空气中的含量（,%,）,氮,N,2,28.02,78.09,氧,O,2,32.00,20.95,氩,Ar,39.94,0.93,二氧化碳,CO,2,44.00,0.03,氖,Ne,20.18,1.8,10,-3,氦,He,4.00,5.24,10,-4,甲烷,CH,4,16.04,2.2,10,-4,氪,Kr,83.70,1.1,10,-4,氧化氮,N,2,O,44.02,0.5,10,-4,氢,H,2,2.02,0.5,10,-4,氙,Xe,131.30,0.8,10,-5,臭氧,O,3,48.00,1.0,10,-6,溅射气体的选择：,1.,化学稳定性，不会和靶材发生化学反应；,2.,原子量大，溅射率高；,3.,空气中含量高制备比,Kr,、,Xe,方便，价格相对便宜；,第三章 溅射原理,-3,（磁控溅射）,26,3-2,磁控溅射示意图,低温,高速,磁控溅射：,第三章 溅射原理,-4,（射频溅射）,27,3-3,射频溅射装置示意图,7-,射频发生器；,1-,基板；,2-,等离子体；,3-,射频溅射靶；,4-,溅射室；,5-,匹配网络；,6-,电源；,射频溅射：第三章 溅射原理,-4,（射频溅射）,28,阻抗匹配：,E,r,R,3-4,简单电路,右图中：,E,：理想电源,r,：电源内阻,R,：负载电阻,当负载电阻等于电源内阻时，负载将获得最大功率，这种工作状态就称为匹配。,第三章 溅射原理,-4,（射频溅射）,29,阻抗匹配：,阻抗匹配：,指负载阻抗与电源阻抗互相适配，得到最大功率输出地一种工作状态。,阻抗匹配的两种情况：,纯电阻电路负载等于电源内阻；,当电源和负载含有阻抗成分时就必须满足共轭关系，即电阻成分相等，电抗成分数值相等而符合相反，这种匹配就是共轭匹配。,第三章 溅射原理,-4,（射频溅射）,30,阻抗匹配：,射频电源,匹配网络,反应腔室3-5,可调匹配网络,由于射频溅射设备的放电阻抗大多为,10K,，射频电源的内阻大约为,50,，所以二者要进行良好的匹配。,由于设备内的电极和挡板的布置等是变化的所以要利用匹配网络进行匹配。以使射频功率有效地输入到设备内。,目录,第一章 真空,第二章 等离子体,第三章 溅射原理,第五章 溅射镀膜设备,第六章 溅射靶及靶材配置,31,第四章 反应性溅射,第四章 反应性溅射,32,在溅射镀膜时，有意识地将某种反应性气体引入溅射室并达到一定的分压，即可改变或控制沉积特性，从而获得不同于靶材的新物质薄膜，这就叫反应性溅射；,通入不同的反应气体就可以得到不同的沉积膜层：,通入氧气可以形成氧化膜；,通入氮气可以形成氮化膜；,通入甲烷（,CH4,）可以形成碳化物膜；,通入硫化氢（,H2S,）可以形成硫化物膜；,反应性溅射：,第四章 反应性溅射,33,Pumping system,target,Power supply,substrate,Gas,Ar&O,2,_,电场,+,电场,Ar,+,O,-,Zn,（,Zn,）,反应性溅射：,目录,第一章 真空,第二章 等离子体,第三章 溅射原理,第四章 反应性溅射,第六章 溅射靶及靶材配置,34,第五章 溅射镀膜设备,第五章 溅射镀膜设备,35,5-1,溅射镀膜设备,第五章 溅射镀膜设备,36,5-2,溅射镀膜设备示意图,C1,C2,C3,C6,C5,16,5,4,3,2,7,8,AZO,Ag,预留,Al,Al,NiV,C7,各个腔室底压要求：,上下料腔室底压：,C1/C7,1 x 10,-3,mbar,缓冲腔室底压 ：,C2/C6,3 x 10,-6,mbar,传输腔室底压 ：,C3/C5,1.5 x 10,-6,mbar,工艺腔室底压 ：,C4/1,C4/8,1.5 x 10,-6,mbar,目录,第一章 真空,第二章 等离子体,第三章 溅射原理,第四章 反应性溅射,第五章 溅射镀膜设备,37,第六章 溅射靶及靶材配置,第六章 溅射靶及靶材的配置,38,6-1,平面靶,6-2,圆柱靶,第六章 溅射靶材及靶材的配置,39,圆柱靶与平面靶利用率比较,第六章 溅射靶材及靶材的配置,40,6-3,靶材配置示意图,C1,C2,C3,C6,C5,1,6,5,4,3,2,7,8,AZO,Ag,预留,Al,Al,NiV,C7,第六章 溅射靶材及靶材的配置,41,SPUTTER,沉积工艺,膜层,沉积速率,沉积厚度,膜厚均匀性,面电阻,面电阻均匀性,透光率,AZO,200nm*m/min,100,2.5nm,5%,300/,5%,82.5%(,波长,450,1100 nm,光线,),Al,400nm*m/min,200,5nm,5%,0.5/,5%,无,NiV,100nm*m/min,50,1.25nm,5%,12/,5%,无,注：此参数是暂行确定，具体参数根据实际情况可能会有改动,。,膜层参数：,讲解结束,讲解结束，谢谢！,42,