pvd设备及工艺简介

1、PVD设备及工艺简介 目 录 PVD设备简介设备简介 ?泵 ?靶 ?真空测量 ?真空检漏 PVD工艺简介工艺简介 ?PVD相关概念定义 ?真空度量单位 ?磁控溅射 ?铂阳生产线相关工艺简介 ?合金靶的溅射 ?金属氧化物的溅射 PVD设备简介 铂阳生产线PVD真空设备布局图 抽空系统 抽空系统 一、2X泵 1. 概述概述: 1.1 用途: 2X型旋片式真空泵(以下简称真空泵)是用已抽除特定密封容器内的气体,使该容 器获得一定真空度的基本设备.可供电器、电真空、半导体、食品、原子能、编织 等科研机关、大专院校、工矿企业和生产与教学之用,真空泵可直接获得1.310Pa 以下的真空度,也可作为其它真空

2、设备的前级使用. 抽空系统 1.2 特点及其不适用范围: 真空泵是用黑色金属制造,属较精精密的设备,真空泵的主要工作部件浸在特制的真空泵 油中工作,因此不适用于抽含氧过高的、有毒的、有爆炸性的、对真空泵油起化学作用 或对黑色金属有腐蚀作用的气体,如必须使泵抽出前述情况的气体,应在进气管道上加装 中和、冷却、过滤等有关装置配合使用,否则将影响真空泵使用性能和寿命,也不能作为 压缩机和输送泵使用. 常用泵为2X-30、2X-70泵两种. 抽空系统 2. 技术要求技术要求: 2.1 品种规格及性能: （见右表） ? . 热偶计测量的是各种蒸汽 和永久气体的总压力,而麦化 计只能测出永久气体占的分 压

3、力. ? . 几何抽速是根据几何尺寸 算出的抽速在大气压力时,实 际抽速与几何抽速基本相符 合,在各种不同的压力时,抽 速有一定下降. ? . 温升是指泵温稳定后,在 排气阀门处的油的温度与室 温之差. 型号 项目 2X-30 2X-70 极限压 不掺气 分压力(Pa) 6.010 -2 6.010 -2 力 ? 总压力(Pa) 1.3 1.3 掺气 分压力(Pa) 1.3 1.3 抽气速率 L/S ? 30 70 噪音(声功率级) Db 82 86 抽大气不喷油时间 (min) 1 温升 ? 40 配用电机 功率 kw 3 5.5 转速 r/min 1430 1400 三角皮带 型号/长短

4、mm B/1400 B/1600 配用 根数 3 4 用油 牌号 HFV-100 数量 L 4.5 8 泵主轴转速 r/min 430 450 进气口直径 mm 70 90 进气口连接方式 用法兰与泵体连接 冷却方式 水冷 冷却水最小数量 L/h 480 抽空系统 2.2 型号的组成及代表意义: 2X - 30 表示每秒的抽气速率 表示旋片式真空泵 表示双级泵 2.3 使用环境条件: 环境温度540. 相对温度不大于90%。 抽空系统 3. 结构与工作原理. 3.1 结构: 2X系列的各种真空泵外形和结构基本相同.泵由电机经三角皮带传动转子电机和泵用螺 钉卡板固定在底盘上. 泵由泵体、高转子、

5、低转子、前端板、后端板、高转片、低转片、排气阀、排气罩、视 镜等零部件组成. 在泵体内压入一个中隔板,将泵体分成高低真空室,各室都有排气门.高真空室排气与低真 空室进气相通.高转子前端伸出前轴,后端伸出后轴.前轴通过前端板的轴承支持,经过油密 封室而伸出前端板外;后轴由中隔板上的轴承支持;而伸入低真空室内,低真空室转子则装 在后轴上,故高低转子均由前轴带动,高低转子都有对开的槽子,呈“T”型的转片由弹簧 支撑开而装于槽内.泵的进气口处有过滤网,而排气口处有挡油网,大泵还有挡油板,视镜左 边有掺气阀,下边有放油塞。 抽空系统 1. 皮带轮皮带轮 6. 进气嘴进气嘴 11. 低转子低转子 16.

6、手柄手柄 21. 挡板挡板 2. 键键 3. 前端板前端板 4. 高转子高转子 7. 密封圈密封圈 8. 排气罩排气罩 9. 过滤网过滤网 12. 弹簧弹簧 13. 低转片低转片 14. 后端板后端板 17. 放油塞放油塞 18. 纸垫纸垫 19. 阀座阀座 22. 视镜视镜 23. 镜框镜框 24定位销钉定位销钉 5. 高转片高转片 10. 泵体泵体 15. 密封圈密封圈 20. 阀片阀片 抽空系统 1. 进气嘴进气嘴 2. 密封圈密封圈 3. 过滤网过滤网 4. 皮带轮皮带轮 6. 高转片高转片 7. 高转子高转子 8. 轴承轴承 9. 前轴前轴 11. 弹簧弹簧 12. 定位销定位销 1

7、3. 排气罩排气罩 14. 排气垫排气垫 16. 泵体泵体 17. 中隔板中隔板 18. 后端板后端板 19. 低转子低转子 21. 键键 22. 低转片低转片 23. 水盖板水盖板 24. 排气阀排气阀 27. 掺气阀掺气阀 27. 放油塞放油塞 表示真空气格表示真空气格. 表示低真空气路表示低真空气路. 5. 前端板前端板 10. 油密封室油密封室 15. 挡油网挡油网 20. 水接头水接头 25. 视镜视镜 抽空系统 3.2 工作原理: 图3是2X系列真空泵原理图,转子3及7与高真空室1及低真空室6相切,转子3与7沿箭头方向 旋转,带动转子槽内滑动的转片8旋转,由于弹簧9及离心力的作用,

8、转片外端紧贴高低真空 室的内表面滑动,把转子与高低真空室所形成的洼形空间从进气嘴2到排气阀门5和从过 气管4到排气阀门10之间分隔开来,形成二或三个容积,并且周期性地大小变化,当在图标 位置继续旋转时,A及C容积逐渐增大,被抽容积气体沿气嘴进入泵内,同时B及D容积逐渐减 小,压力升高,随后冲开排气阀门5及10,将气体排出真空室外,气体经过油面而排于大气之 中,因为油是淹住排气门的,故能防止气体返回真空室,当抽气压力较高时,高低真空室的阀 门都排气,相当于单级泵;当真空度较高时,全部气体进入低真空室,再由排气阀门10排出, 此时二级串联即进入双级泵工作。 如被抽除的气体中含有较高的蒸汽气体时,在

9、气体受到压缩而其蒸汽的分压强超过此蒸 汽在泵内温度下的饱和压力时,此时蒸汽被压缩成为液体,真空泵无法排出而混在真空油 内,使泵的性能大大降低,如果掺入适量的空气,使蒸汽在受到压缩时其分压力也低于泵温 时的饱和压力,则蒸汽在变成液体前就能被排出泵外去,故本系列2X-1以上的泵都装有能 放入一定量气体的掺气阀11(见下图)。 抽空系统 图三 2X系列真空泵原理图 抽空系统 二二.ZJP-300罗茨泵罗茨泵 1. 概述: 1.1 应用: 罗茨真空泵也称机械增压泵,它是快速抽除密封容器中气体的一种较为理想的真空获 得设备.它不能直接从大气压下抽气,须与各类前级泵(如旋片泵、液环泵、滑阀泵等) 配套组成

10、真空系统.广泛应用于冶金、化工、电子、轻纺等领域。 抽空系统 1.2 设计特点: 1.2.1 送气方向垂直由上向下. 1.2.2 在较宽的压力范围内有较大的抽速. 1.2.3 起动快. 1.2.4 对被抽气体中含有粉尘和水蒸气不敏感. 1.2.5 泵腔内无油,可获得清洁真空. 1.2.6 驱动功率小,运转维护费用低. 注意事项: 不可抽除液体介质. 不可抽除易燃、易爆气体. 须用前级泵. 被抽气体中含有固体颗粒时,进气口处应设有过滤装置. 抽空系统 2. 工作原理: 罗茨真空泵是一种旋转式变容真空泵,其泵腔内两个相互轭合的“8”字型转子,由一对 齿轮带动作反向同步高速旋转,使气体不断由位于上方

11、的进气口传输到排气口,再由前级 真空泵抽走,达到抽气目的. (气体流程如下图所示). 抽空系统 3. 结构及说明: 抽空系统 抽空系统 注注: 1. 齿轮箱齿轮箱 5. 从动转子从动转子 9. 压盖压盖 13. 封套封套 17. 排气口托环排气口托环 21. 油杯油杯 2. 端板端板 6. 支撑架支撑架 10. 甩油盘甩油盘 14. 减压阀减压阀 18. 轴承轴承1 22. 电机电机 3. 泵壳泵壳 7. 主动齿轮主动齿轮 11. 活塞环活塞环 15. 减压阀盖减压阀盖 19.轴承轴承2 4. 主动转子主动转子 8. 从动齿轮从动齿轮 12. 锁紧螺线锁紧螺线 16. 进气口托环进气口托环 2

12、0. 联轴节联轴节 抽空系统 4. 技术参数及性能: 数值 项目 型号 ZJP-300 极限压力Pa 几何分压力 Pa 810-1 510 -2 300 30 410 3 110 3 83 77 160 100 4 2890 3.5 280 2X-30 几何抽速 L/S 零流量压缩比 最大允许压差 Pa 起动压力 Pa 噪声 标准 实测 进气口通径mm 排气口通径 mm 电机功率 kw 电机转速 r/min 油量 L 重量 kg 推荐用前级泵 抽空系统 三、分子泵 分子泵是利用高速旋转的转子把动量传输 给气体分子，使之获得定向速度，从而被压 缩、被驱向排气口后为前级抽走的一种真空 泵。 这种泵

13、具体可分为： 的转子相碰撞而获得动量，被驱送到泵的出 （A）牵引分子泵 气体分子与高速运动 口。 和静止的定叶片相互配合来实现抽气的。这 （B）涡轮分子泵 靠高速旋转的动叶片 种泵通常在分子流状态下工作。 式两种分子泵串联组合起来的一种复合型的 （C）复合分子泵 它是由涡轮式和牵引 分子真空泵。 抽空系统 (1).(1).牵引分子泵 分子泵的抽气机理与容积式 机械泵靠泵腔容积变化进行抽 气的机理不同，分子泵是在分 子流区域内靠高速运动的刚体 表面传递给气体分子以动量， 使气体分子在刚体表面的运动 方向上产生定向流动，从而达 到抽气的目的。通常把用高速 运动的刚体表面携带气体分子， 并使其按一定

14、方向运动的现象 称为分子牵引现象。 抽空系统 （2 2）. .涡轮分子泵 涡轮分子泵输送气体应满足二 个必要条件： 1 态下工作。 ）. 涡轮分子泵必须在分子流状 2 与气体分子速度相近的线速度。 ）. 分子泵的转子叶片必须具有 分子泵的转速越高，对提高分 子泵的抽速越有利。实践表明， 对不同分子量的气体分子其速 度越大，泵抽除越困难。 抽空系统 (3).(3).复合分子泵 复合式分子泵是涡轮分子泵与牵引分子泵的串联组合，集两种泵的 优点于一体。泵在很宽的压力范围内 (10-6 1Pa) 具有较大的抽速和 较高的压缩比，大大提高了泵的出口压力。 涡轮级主要用来提高泵的抽速，一般采用有利于提高抽

15、速的叶片形 状，级数在 l0 级以内。牵引级主要用来增加泵的压缩比，提高泵的出 口压力。 复合式分子泵的形式很多，按结构分，主要有两种： 一种是涡轮叶片与盘式牵引泵的串联组合。 一种是涡轮叶片与筒式牵引泵的串联组合。 溅射源 靶 溅射源 一、一般术语: 1. 靶材: 在真空溅射中用来溅射的镀膜材料. 2. 靶: 用粒子轰击的面,标准中靶的含义就是: 溅射装置中由溅射材料所组成的电极. 二、磁控溅射通常使用的靶材分类 1、矩形平面靶； 2、圆柱靶. 溅射源 三、维护与保养三、维护与保养: (一). 矩形平面磁控靶的维护与保养: 1、矩形平面磁控靶的日常维护与保养,其重点就是平面靶材更换作业的过程

16、.其具体解释 为: 靶材寿命到期或工艺及质量要求等原因,将在用靶材拆下,安装上相同规格尺寸新靶材 的过程. 2、靶材安装前处理: 除油 喷砂 清洗 烘烤 入PVD备用 3、结构与说明: 溅射源 平面靶磁铁布局及说明（图） 安装磁铁过程中,外围区域的磁铁磁极必须保持一致.中间区域的磁铁磁极与外围区域磁 铁磁极必须保持相反.如图?区磁铁磁极可为NSN,也可为SNS.可手挡一块磁铁,根据磁 铁同极相斥,异极相吸的原理,逐个单一的判定磁铁极性是否安装错误)。 溅射源 (二). 圆柱形磁控溅射靶 1、结构与说明（图）： 溅射源 圆柱靶磁铁布局及说明（图）： a. 由于相对应靶材面不一样,圆柱靶磁铁布局相

17、对平面靶磁铁布局要紧促的多,图中宽度 还不到平面靶的一半(50mm). b. 由于磁铁相对紧促,区域磁铁之间(? 之间)安装有导磁材料,既方便安装又可有效 的固定磁铁和磁路的控制. c.圆柱靶磁铁也采用了强力磁铁(4.5Kgauss),中间区域的磁铁安装为尺寸较宽的规格,外 围区域的磁铁安装尺寸较窄的规格、区域之间磁铁极性必须保持相反,跟平面靶布局 同等原理.如图中?区域磁铁磁极可为NSN,也可为SNS(根据工艺自行决定),检查时 跟平面靶一样,手持一块磁铁,根据磁铁同极相斥,异极相吸的原理,逐个单一的判定磁 铁极性是否安装错误. d. 相对圆柱靶靶材为管形,和平面靶材不一样,所以固定磁铁的磁

18、铁座为凸形,如图中所 示.而平面靶磁座则为平面。 真空测量 真空测量真空测量 真空测量 1. 薄膜真空规: 用金属弹片薄膜把规管分隔成两个小室,一侧接被测系统,另一侧作为参考压力室.当 压力变化时薄膜随之而变形,其变形量可用光学方法测量,也可转换为电容或电感量 的变化用电学方法来测,还可用薄膜上粘附的应度规来进行测量. 电容薄膜规分为两种类型: 一种将薄膜的一边密封为参考真空,成为“绝压式”电容 薄膜规;另一种是薄膜的两边均通入气体,成为“差压式”电容薄膜规.电容薄膜规具 有卓越的线性,较高的测量精度和分辨率.单个传感器的测量范围可覆盖5个数量级的 压力区间,短期稳定性优于0.1%,长期稳定性

19、(一年)优于0.4%.电容薄膜规的灵敏度与气 体种类无关,可测蒸气和腐蚀性气体的压力,结构牢固,使用方便,还可作为粗低真空的 副标准和传递标准。 真空测量 电容薄膜规的基本结构如下图所示. 它由两个结构完全相同的固定电极和一个公用的活动电极组成.活动电极薄膜将空间 分成互相密封的测量室和参考室,固定电极和活动电极薄膜构成差动电容器并作为电 桥的两个桥臂.当活动电极处于中间位置时,两个电容的电容量相等,一旦活动电极由于 压差作用偏离中间位置时,则一个电容器增加而另一个电容器的电容减小,由于电容变 化造成电桥不平衡,因而产生输出电压,这个电压经过放大器放大后,由检波器转换成直 流电压进行测量,不同

20、的输出电压对应于不同的压力,电容薄膜现就是利用这样的原理 达到测量压力的目的. 真空测量 2. 热偶真空规: 普通型热偶真空计分为长丝和短丝两种,长丝热偶的加热电流约在90mA150mA,短丝热 偶的加热电流约在28mA30mA,测量范围一般在4102Pa110-1Pa,带温度补偿的定温式 热偶真空计的测量范围1105Pa110-1Pa.多数热偶规是按定流型的方式做的,即加热电 流i为常数.因此加热丝F的温度是随压力P而变化的,所以可用热偶J来测量热丝温度,此时 输出信号为热电势E.即，当压力降低时，气体分子传导走的热量减少，热丝温度随之升 高，故热电偶电势E增大，反之，热电偶电势E减小。如果

21、预先已测出热电偶电势E与压 力的关系，那就可根据毫伏表的指示直接给出被测系统的压力。 真空测量 3. 电阻真空规(热阻真空规): 电阻真空规是皮拉尼在1906年发明的,故又称皮拉尼规.这种规的热丝温度是随压力而变 化的,由于温度的改变导致热丝电阻的变化,用测量电阻的变化来测量真空度. 真空测量 4. 电离真空规: 由收集极、栅网、灯丝构成。热阴极灯丝发射的电子；由带正电的栅网进行加速，得 到充足的撞击能量；气体分子与高速飞行的电子发生碰撞而被电离，碰撞的频率与气 体分子的密度有关。密度大， 碰撞的频率就高，产生的离子也越多，反之就越小；而 气体分子的密度又与气体的压强有着直接关系, 因此, 如

22、果能测定气体中被电离的离 子流的大小, 即可确定气体的压强；带负电压的收集极捕获被电离的气体离子，就形 成了与气体压强成比例的电流，测到了真空度。 真空检漏 真空检漏 真空检漏 定义定义: 检漏-泄漏检测,寻找漏气部位及测量漏率大小的过程(漏气是绝对的,不漏气是相对的, 绝对不漏气是不存在的.我们通常所说的“不漏”是相对检漏仪器灵敏度而言的,是指设 备上存在漏孔的漏率小于检漏仪器的最小可检漏率). 一泄漏的危害性一泄漏的危害性: 设备或器件因功能不同,泄漏的大小、部位和泄漏的物质不同,泄漏所带来的危害程度 和危害表现也就不同.泄漏的危害性主要表现在以下几方而: 1、破坏真空设备或真空器件的工作

23、真空度. 真空设备和器件要求在一定的真空度下工作,一般真空设备本身带有抽气系统,设备工 作时真空系统仍然对其抽气,微小的泄漏存在一般不会影响其工作真空度,但是比较严 重的泄漏仍然会破坏设备的平衡压力,干扰甚至破坏设备的正常工作,镀膜机真空度的 破坏,将影响膜层质量. 真空检漏 2、破坏仪器设备内部的工作压力. 各种仪器或设备的式作压力是不同的.如高规、中规、低规在工作过程中的压力都有一定 的范围的,如漏气就检测不准确. 3、使贮存的高压气体或燃料损失. 贮存高压气体或燃料的气瓶或贮罐如果有泄漏,大量的气体或燃料将会白白损耗掉,造成 一定的经济损失. 4、对器件内部气氛造成污染. 有些微电子器件

24、不仅要求在一定的压力下工作,面且只允许在某些气体下工作,然而,有泄 漏的存在,外部环境中的有害气体(如水蒸气)可能进入到设备或器件内部,使器件内部环境 发生改变,致使不能正常工作甚至失效.如灯泡、灯管. 真空检漏 5、污染大气环境. 装有易燃、易爆、有毒、放射性及其他有害人们身体健康的物质的贮罐一旦有漏,这些有 害物质使进入周围大气环境中,对大气造成污染,影响人们的身体健康,危及人们的生命安 全. 二、检漏方法的分类二、检漏方法的分类: 检漏的方法很多,它们的原理,使用条件和适应范围等既有相同之处,又有许多不同之处, 纵横交错很难严格加以分类.习惯上按检漏时被检件内部所处的状态将检漏方法分为两

25、 类: 真空检漏 二、检漏方法的分类二、检漏方法的分类: 检漏的方法很多,它们的原理,使用条件和适应范围等既有相同之处,又有许多不同之处, 纵横交错很难严格加以分类.习惯上按检漏时被检件内部所处的状态将检漏方法分为两 类: 1、加压检漏法(正压检漏). 将被检件内部充以比外部压力更高的示漏气体,当被检件器壁上存在漏孔时,示漏气体通 过漏孔漏出,在被检件外面用适当的方法判断有无示漏气体漏出,从哪里漏出,漏出量多少 等.就可以判断有无漏气,漏孔的位置和大小. 2、真空检漏法(负压检漏). 将被检件内部抽成真空,将示漏气体施于被检件外部,如果被检件器壁上有漏,示漏气体通 过漏孔进入被检件内部,利用某

26、种方法将漏进的示漏气体检测出来,从而判断出漏孔的存 在,漏孔的位置和大小. 真空检漏 3、一般常用检漏方法 一般情况，设备检漏分为粗检漏和细检漏,粗检漏即用检漏液(正压状态下)或酒精喷洒(负 压状态下),漏点看有无气泡产生或真空度的变化,细检漏即用氦质普仪进行检漏,通过仪器 上读数上的变化判断是否漏气. 4、氦质谱仪检漏常规注意点： （1）、检漏仪与镀膜机连接位,应连接在前级管理上. （2）、检漏仪要在正常状态. （3）、喷示气体要从检漏部位的上部开始喷吹(从上往下的原则),因为氦气质量较轻,会 向上漂移,从下部喷吹容易产生误判. （4）、氦气的流量不要过大,防止检漏仪机械泵泵油氦中毒。 （5

27、）、一般情况，设备应从以下两个方面进行检漏: 工作气路和真空室及其前级管道的 检漏. PVD工艺简介 一、PVD相关概念的定义 1、真空的定义 真空：泛指低于一个大气压的气体状态。与普通的大气状态相比，分子密度较为稀 薄，从而气体分子与气体分子，气体分子与器壁之间的碰撞几率要低些。 2、PVD(Physical Vapor Deposition)的定义 物理气相沉积，是指在真空条件下，用物理的方法使材料沉积在基体上的薄膜制备技 术。 二、真空的度量单位 帕斯卡工程大气 标准大气托（Torr 压强单位 巴（bar） （Pa） 压（at） 压（atm） ） 磅力每平 方英寸 （psi） 1 Pa

28、1 = 0.00001ba 10.1971 9.86921 7.50061 145.041 r 0?6 at 0?6 atm 0?3 Torr 0?6 psi 1 bar = 100 000 Pa 1 1.0197 0.98692 750.06 14.504 at atm Torr psi 1 0.96784 735.56 14.223 atm Torr psi 1 14.696 = 760 Torr psi 19.3371 0?3 psi 1 at = 98 066.5 = 0.980665 Pa bar 1 atm = 101 325 = 1.01325 1.0332 Pa bar at

29、1 Torr 133.322 1.33321 1.35951 1.31581 Pa 0?3 bar 0?3 at 0?3 atm 1 表1 压强单位换算表 6894.76 51.715 三、磁控溅射 1、磁控溅射的工作原理 电子在电场E的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出 Ar+ 和新的电子； 新电子飞向基片，Ar +在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面， 使靶材发生溅射。 在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜，而产生的二次电 子会受到电场和磁场作用，产生E（电场）B（磁场）所指的方向漂移，简称E B漂移，其运动轨迹近似于 磁控溅射一条摆线。若

30、为环形磁场，则电子就以 近似摆线形式在靶表面做圆周运动，它们的运动路径不仅很长，而且被束缚在 靠近靶表面的等离子体区域内，并且在该区域中电离出大量的Ar +来轰击靶材， 从而实现了高的沉积速率。随着碰撞次数的增加，二次电子的能量消耗殆尽， 逐渐远离靶表面，并在电场E的作用下最终沉积在基片上。由于该电子的能量很 低，传递给基片的能量很小，致使基片温升较低。 图1 磁控溅射工作原理示意图 2、磁控溅射的优点： （1）沉积速率大，生产效率高。由于采用了高速碰撞电极，可以获得非常大的轰 击离子电流，所以靶表面的刻蚀速率和膜的沉积速率都很高。 （2）基体温升低。由于正交电磁场控制后减少了电子对基体的碰撞

31、，因此减少了 电子对基体的轰击能量，从而避免了基体温升过高，这对基体易受高温影响的元件 来说是很有利的。 2、磁控溅射的优点： （1）沉积速率大，生产效率高。由于采用了高速碰撞电极，可以获得非常大的轰 击离子电流，所以靶表面的刻蚀速率和膜的沉积速率都很高。 （2）基体温升低。由于正交电磁场控制后减少了电子对基体的碰撞，因此减少了 电子对基体的轰击能量，从而避免了基体温升过高，这对基体易受高温影响的元件 来说是很有利的。 3、溅射成膜理论 （1）蒸发论。这种理论认为溅射是由于气体正离子轰击阴极靶，使靶表面受轰击 的部位产生局部高温区，该区靶材达到了蒸发温度而产生蒸发。 （2）碰撞论。这种理论认为

32、溅射现象是弹性碰撞的直接结果。当正离子轰击阴极 靶时，直接将其能量传递给靶表面上某个原子或分子，使该原子或分子脱离附近其 他原子或分子的束缚而从靶表面弹射出来。如果轰击离子的能量不足，则只能发生 振动而不产生溅射。如果轰击离子能量很高时，溅射原子数与轰击离子数之比值将 减小，这可能是因为轰击离子能量过高而发生离子注入现象的缘故。 （3）混合论。认为溅射是热蒸发和弹性碰撞的综合过程。 在上述三种溅射理论中，当前倾向于混合论理论。 图2 溅射原理示意图 4、辉光放电 （1）直流辉光放电的形貌和参量分布图 图3 辉光放电等离子体的形态和名称 i. 阿斯顿暗区，不发生电离和激发； ii. 阴极辉光区，

33、气体分子激发发光； iii. 阴极暗区，产生很强的电离，具有很高的正离子浓度，有较强的空间电荷； iv. 负辉光区，光度最强，有较强的负空间电荷； v. 法拉第暗区，电离和激发都很小；不一定是辉光放电必须的，是起连接作用。 vi. 正柱区，等离子区，几乎与法拉第暗区等电位，在气体放电中的作用就是传导 电流； （2）帕邢定律 在图11所示的两个平行平板电极上加以直流电压后，在极间形成均匀电场。令极间 距离为d，压力为p，如果气体成分和电极材料一定，气体恒温，那么在冷电极条件 下，击穿电压Uz是pd的函数，而不单独是p、d这两个变量的函数。当改变pd时，Uz 有一极小值Uzmin。这便是气体放电的

34、帕邢定律。 图4 帕邢定律图解 图6为某些气体的帕邢曲线 图5 某些气体的帕邢曲线Uz=f（pd） （4）气体放电伏安特性曲线 J/A.cm-2 图6 气体放电伏安特性曲线图 图6为高输出阻抗直流电源控制的低压气体放电的J-U特性曲线。 a.电压小时，由宇宙射线或空间残留的少量离子和电子的存在只有很小的电流。增 加电压，带电粒子能量增加，碰撞中性气体原子，产生更多带电粒子，电流密度随 之平稳增加，进入“汤森放电区”。 b.电流增加到一定程度，发生“雪崩”现象，离子轰击阴极，释放二次电子，二次 电子与中性气体原子碰撞，产生更多离子，这些离子再轰击阴极，又产生更多的二 次电子，如此循环，当产生的电

35、子数正好产生足够多离子，这些离子能够再生出同 样数量的电子时，进入自持状态，气体开始起辉，电压突然降低，电流密度升高， 此为“正常辉光放电区”。 c.放电自动调整阴极轰击面积，最初轰击是不均匀的，随着电源功率增大，轰击面 积增大，直到阴极面上电流密度几乎均匀为止。当轰击区域覆盖整个阴极面后，再 进一步增加功率，会使放电区内的电压和电流密度同时升高，进入溅射工艺工作区 域，即“异常辉光放电区”。 d.在异常辉光放电区内，如果阴极没有水冷或继续增加功率，当电流密度达到约 0.1A/cm2以上，将有热发射电子混入二次电子之中，随后发生又一个“雪崩”。由 于输入阻抗限制着电压，将形成低压大电流的“弧光

36、放电”。 e.形成“异常辉光放电”的关键是击穿电压VB，主要取决于二次电子的平均自由程 和阴阳极之间的距离。为了引起最初的雪崩，每个二次电子必须产生出约10-20个离 子。若气压太低或极间距离太小，二次电子撞到阳极之前，无法到达所需要的电离 碰撞次数；若气压太高或极间距离太大，气体中形成的离子将因非弹性碰撞而减速， 以致于当轰击阴极时，已无足够的能量产生二次电子。 四、铂阳生产线相关工艺简介 1、太阳能薄膜电池生产工序中，PVD的目的： 沉积背电极（AZO+AL） （1）、AZO: A:增强对光的反射； B:硅层的保护层，阻止金属原子扩散到硅层； C:在AZO膜层上上镀AL比直接在非晶硅层上镀

37、AL的结晶性好，有利于形成连续的 薄膜，因此前者的导电性要较后者好； （2）、AL: A:电流输出电极； B:光反射层，增强光的利用； 总之，背电极的作用如下： A：沉积芯片的背电极，保证有效收集单位面积的载流子 B：减少出射光（通过背电极将第一次透过非晶硅层但未被吸收利用的光反射回 去，再次被非晶硅吸收），有效提高光在非晶硅薄膜中的吸收利用率 C：填充2#激光刻线凹槽，作为连接子电池正负电极的内联导线 2、工作气体的选择 Ar： 特点: 用惰性气体氩气作为工作气体,可以大大提高溅射速率,而且惰性气体原子的化 学性质极为稳定,惰性气体离子束产生的溅射及沉积现象属于单纯的物理过程,因此不 会改变

38、溅射与沉积材料的基本性质,另外，惰性气体中,氩气的制成方便,成本低廉。 3、PVD工艺参数 传输设置： 传输设置： 传输设置：19/18/17/16， 19/18/17/16，靶消耗：19/18/17/16，靶消 靶消耗：0650Kwh 0650Kwh 耗：0650Kwh 内容 数值 偏差 内容 数值 偏差 内容 数值 偏差 功率功率功率0. 9 0.1 10 脉冲靶 (Kw) 9 0.1 脉冲靶 (Kw) (Kw) 1 脉冲靶三 一（AZO Ar(sccm 二（AZO Ar(sccAr(sccm （AZO靶） 400 4 靶） 300 3 200 2 靶） ) m) ) O2(sccmO2(

39、sccO2(sccm 0 0 0 0 0 0 ) m) ) 压力 0.78 0.03 (Pa) 传输设置：19/18/17/16， 靶消耗：0650Kwh 内容 数值 偏差 脉冲靶 功率(Kw) 10 0.1 备注：AZO靶的传输设置由Al靶的靶消耗而定，整线的传输设 四（AZO 置相同，具体数据见下面Al靶工艺参数设置。 靶） Ar(sccm) 250 2 O2(sccm) 0 0 压力 0.78 0.03 (Pa) 压力0. 0.45 (Pa) 03 压力(Pa) 0.45 0.03 传输设置：19，靶消耗： 传输设置：18，靶消耗： 传输设置：17，靶消耗： 传输设置：16，靶消 080

40、0Kwh 800900Kwh 9001100Kwh 耗：11001300Kwh 内容 数值 偏差 直流靶 一 功率 （Al靶） (Kw) 15 0.1 Ar(sccm 200 ) 2 内容 数值 15 200 偏差 0.1 2 内容 数值 偏差 内容 数值 偏差 功率 (Kw) Ar(sccm ) 功率 14.5 0.1 (Kw) Ar(sccm 200 ) 2 功率 (Kw) 14 0.1 Ar(sccm 200 2 ) 压力压力 0.25 0.02 (Pa) (Pa) 0.25 0.02 压力压力0.0 0.25 0.02 0.25 (Pa) (Pa) 2 Al靶工艺参数 PVD工艺参数的

41、选择，主要基于在保证膜层质量达标的情况下，尽量减少成膜时间。 为优化成膜工艺，通常采用如下措施： （1）尽量用大功率成膜（电源本身受限，功率只能加到一定程度）； 增加功率，主要是为了提高溅射离子的初始能量及其数量。有一点值得注意，并非入 射离子初始能量越高，靶材的溅射产额就越大。从理论上讲，有如下规律： 在离子能量超过溅射阈值后，随着离子能量的增加，在150ev以前，溅射产额和离子 能量的平方成正比；在150ev1kev范围内，溅射产额和离子能量成正比；在 1kev10kev范围内，溅射产额变化不显著；能量再增加，溅射产额却显示出下降的趋 势。 图7 原子溅射产额和入射离子能量的关系 注：相关定义 A:溅射阈值：将靶材原子溅射出来所需的入射离子最小能量值。与入射离子的种类关 系