Sputter基本原理及知识培训

1、演讲人：王金萍演讲人：王金萍1目录目录第一章第一章 真空真空第二章第二章 等离子体等离子体第三章第三章 溅射原理溅射原理第四章第四章 反应性溅射反应性溅射第五章第五章 溅射镀膜设备溅射镀膜设备第六章第六章 溅射靶及靶材配置溅射靶及靶材配置2目录目录第二章第二章 等离子体等离子体第三章第三章 溅射原理溅射原理第四章第四章 反应性溅射反应性溅射第五章第五章 溅射镀膜设备溅射镀膜设备第六章第六章 溅射靶及靶材配置溅射靶及靶材配置3第一章第一章 真空真空第一章第一章 真空真空41-1 生活中的真空生活中的真空1、大气压、真空、真空度？、大气压、真空、真空度？第一章第一章 真空真空5l帕斯卡帕斯卡 Pa

2、Pa： 1Pa=1N/1Pa=1N/l标准大气压标准大气压 atmatm： 1atm=101325Pa1atm=101325Pal托托 TorrTorr： 1Torr=133.32Pa1Torr=133.32Pal毫巴毫巴 mbarmbar： 1mbar=100Pa1mbar=100Pa2 2、压强单位、压强单位第一章第一章 真空真空3.真空区域的划分真空区域的划分6大气：大气： 103mbar低真空：低真空： 10310-3mbar中真空：中真空： 10-310-6mbar高真空：高真空： 10-610-9mbar超高真空：超高真空： 10-9mbar第一章第一章 真空真空4.平均自由程平均

3、自由程72-2 气体分子平均自由程气体分子平均自由程不同真空度下的平均自由程：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/cm3） 1103 0.9410-5 2.41019110-2 0.94100 2.41014110-6 0.94104 2.41010110-10 0.94108 2.4106第一章第一章 真空真空5.真空系统中气体的流动状态真空系统中气体的流动状态8第一章第一章 真空真空95.真空系统中气体的流动状态真空系统中气体的流动状态第一章第一章 真空真空6.真空的获得真空的获得10 旋叶泵旋叶泵旋叶泵的特点：旋叶泵的特点： 经济耐用经济耐

4、用 工作范围：工作范围： 大气压大气压10-3mbar 极限真空：极限真空： 10-3mbar 缺点：振动、反油缺点：振动、反油第一章第一章 真空真空7.真空的获得真空的获得11 罗茨泵罗茨泵机械泵的特点：机械泵的特点： 启动快，抽速大启动快，抽速大 工作范围：低、中真空工作范围：低、中真空 极限真空：取决于前级泵极限真空：取决于前级泵 罗茨泵压缩比较小，一般罗茨泵压缩比较小，一般需要串联使用；需要串联使用；第一章第一章 真空真空12 涡轮分子泵涡轮分子泵涡轮分子泵的特点：涡轮分子泵的特点： 抽速大、无油、启动快抽速大、无油、启动快 工作范围：工作范围： 10-210-6mbar 极限真空：极

5、限真空： 10-6mbar 缺点：振动、成本高、易损缺点：振动、成本高、易损7.真空的获得真空的获得第一章第一章 真空真空13 油扩散泵油扩散泵油扩散泵的特点：油扩散泵的特点： 经济耐用、无振动经济耐用、无振动 工作范围：工作范围： 10-4 10-9mbar 极限真空：极限真空：10-6mbar 10-9mbar （液氮冷却）（液氮冷却） 缺点：反油、需预热缺点：反油、需预热7.真空的获得真空的获得第一章第一章 真空真空14真空泵极限压强（mbar）启动压强（mbar）旋叶泵110-3 1103水蒸气喷射泵110-3 1103罗茨泵取决于前级泵 1101涡轮分子泵110-6 110-2油扩散

6、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几种常用泵的极限压强与启动压强7.真空的获得真空的获得目录目录第一章第一章 真空真空第三章第三章 溅射原理溅射原理第四章第四章 反应性溅射反应性溅射第五章第五章 溅射镀膜设备溅射镀膜设备第六章第六章 溅射靶及靶材配置溅射靶及靶材配置15第二章第二章 等离子体等离子体第二章第二章 等离子体等离子体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

7、去固、液、气外，物质存在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。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 辉光放电辉光放电第二章第二章 等离子体等离子体17自然中的等离子体：自然中的等离子体：2-3 雷电雷电2-4 极光极光第二章第二章 等离子体等离子体182-5 日光灯日光灯 2-4 真空镀膜真空镀膜辉光辉光放电放电等离子的应用：等离子的应用：第二章第二章 等离子体等离子体19辉光放电产生的条件：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；在放电开始前，放电间隙间电场是均匀的；放电过程主要

8、是靠阴极发射电子来维持的；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放电气压一般维持在1010-3mbar；放电电流密度一般要维持在放电电流密度一般要维持在10-1102mA/cm2；1. 电压一般为电压一般为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。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：辉光放电：第二章第二章 等离子体等离子体20阴极辉光区阴极辉光区阴极暗区阴极暗区负辉光区负辉光区法拉第暗区法拉第暗区正柱区正柱区0电压电压空间静空间静电荷电荷两

9、极区间两极区间辉光放电示意图辉光放电示意图1、在真空室内安置两个电极。、在真空室内安置两个电极。2、通入压力为、通入压力为10-310-2Pa的气体（通常是的气体（通常是Ar）。）。3、在电极上加上高电压。、在电极上加上高电压。辉光放电辉光放电产生产生等离子体等离子体辉光放电：辉光放电：目录目录第一章第一章 真空真空第二章第二章 等离子体等离子体第四章第四章 反应性溅射反应性溅射第五章第五章 溅射镀膜设备溅射镀膜设备第六章第六章 溅射靶及靶材配置溅射靶及靶材配置21第三章第三章 溅射原理溅射原理第三章第三章 溅射原理溅射原理-1（溅射电源）（溅射电源）22直流溅射：直流溅射：用于导电靶用于导电

10、靶中频溅射：中频溅射：用于导电靶用于导电靶射频溅射：射频溅射：用于绝缘靶用于绝缘靶不同的溅射电源：不同的溅射电源：第三章第三章 溅射原理溅射原理-2（直流溅射）（直流溅射）23Pumping systemtargetPower supplyPlasmasubstrateGasAr_电场电场+电场电场辉光效应辉光效应3-1 直流溅射示意图直流溅射示意图直流溅射原理图：直流溅射原理图：第三章第三章 溅射原理溅射原理-2（直流溅射）（直流溅射）溅射气体应当具备的特性：溅射气体应当具备的特性： 对靶材程惰性；对靶材程惰性； 溅射率高；溅射率高； 价格便宜；价格便宜； 来源方便；来源方便；Ar为较理想的

11、选择为较理想的选择为什么？为什么？溅射气体的选择：溅射气体的选择：第三章第三章 溅射原理溅射原理-2（直流溅射）（直流溅射）大气成分分子量干洁空气中的含量（%）氮 N228.02 78.09氧 O232.00 20.95氩 Ar39.94 0.93二氧化碳 CO244.00 0.03氖 Ne20.18 1.810-3氦 He4.00 5.2410-4甲烷 CH416.04 2.210-4氪 Kr83.70 1.110-4氧化氮 N2O44.02 0.510-4氢 H22.02 0.510-4氙 Xe131.30 0.810-5臭氧 O348.00 1.010-6溅射气体的选择：溅射气体的选择：

12、1.化学稳定性，不会和靶化学稳定性，不会和靶材发生化学反应；材发生化学反应；2.原子量大，溅射率高；原子量大，溅射率高；3.空气中含量高制备比空气中含量高制备比Kr、Xe方便，价格相方便，价格相对便宜；对便宜；第三章第三章 溅射原理溅射原理-3（磁控溅射）（磁控溅射）263-2 磁控溅射示意图磁控溅射示意图低温低温高速高速磁控溅射：磁控溅射：第三章第三章 溅射原理溅射原理-4（射频溅射）（射频溅射）273-3 射频溅射装置示意图射频溅射装置示意图7-7-射频发生器；射频发生器；1-1-基板；基板；2-2-等离子体；等离子体；3-3-射频溅射靶；射频溅射靶；4-4-溅射室；溅射室；5-5-匹配网

13、络；匹配网络；6-6-电源；电源；射频溅射：射频溅射：第三章第三章 溅射原理溅射原理-4（射频溅射）（射频溅射）28阻抗匹配：阻抗匹配：ErR3-4 简单电路简单电路右图中：右图中：E：理想电源：理想电源r ：电源内阻：电源内阻R：负载电阻：负载电阻当负载电阻等于电源内阻时，当负载电阻等于电源内阻时，负载将获得最大功率，这种工作状负载将获得最大功率，这种工作状态就称为匹配。态就称为匹配。第三章第三章 溅射原理溅射原理-4（射频溅射）（射频溅射）29阻抗匹配：阻抗匹配：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：阻抗匹配的两种情况：纯电阻

14、电路负载等于电源内阻；纯电阻电路负载等于电源内阻；1. 当电源和负载含有阻抗成分时就必须满足共轭关系，即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。配就是共轭匹配。第三章第三章 溅射原理溅射原理-4（射频溅射）（射频溅射）30阻抗匹配：阻抗匹配：射频电源射频电源匹配网络匹配网络反应腔室反应腔室3-5 可调匹配网络可调匹配网络 由于射频溅射设备的放由于射频溅射设备的放电阻抗大多为电阻抗大多为10K，射频电源的内阻大约为射频电源的内阻大约为50，所以二者要进行，所以二者要进行良好的匹

15、配。良好的匹配。 由于设备内的电极和挡由于设备内的电极和挡板的布置等是变化的所板的布置等是变化的所以要利用匹配网络进行以要利用匹配网络进行匹配。以使射频功率有匹配。以使射频功率有效地输入到设备内。效地输入到设备内。目录目录第一章第一章 真空真空第二章第二章 等离子体等离子体第三章第三章 溅射原理溅射原理第五章第五章 溅射镀膜设备溅射镀膜设备第六章第六章 溅射靶及靶材配置溅射靶及靶材配置31第四章第四章 反应性溅射反应性溅射第四章第四章 反应性溅射反应性溅射32 在溅射镀膜时，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，一定的分压，

16、 即可改变或控制沉积特性，即可改变或控制沉积特性， 从而获得不同于靶材的新从而获得不同于靶材的新物质薄膜，这就叫反应性溅射；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；通入氧气可以形成氧化膜；通入氮气可以形成氮化膜；通入氮气可以形成氮化膜；通入甲烷（通入甲烷（CH4）可以形成碳化物膜；）可以形成碳化物膜；通入硫化氢（通入硫化氢（H2S）可以形成硫化物膜；）可以形成硫化物膜；反应性溅射：第四章第四章 反应性溅射反应性溅射33Pumping systemtargetPower supplysubstra

17、teGasAr&O2_电场电场+电场电场Ar+O-Zn（Zn）反应性溅射：目录目录第一章第一章 真空真空第二章第二章 等离子体等离子体第三章第三章 溅射原理溅射原理第四章第四章 反应性溅射反应性溅射第六章第六章 溅射靶及靶材配置溅射靶及靶材配置34第五章第五章 溅射镀膜设备溅射镀膜设备第五章第五章 溅射镀膜设备溅射镀膜设备355-1 溅射镀膜设备溅射镀膜设备第五章第五章 溅射镀膜设备溅射镀膜设备365-2 溅射镀膜设备示意图溅射镀膜设备示意图C1C2C3C6C516543278AZOAg预留预留AlAlNiVC7各个腔室底压要求：各个腔室底压要求：上下料腔室底压：上下料腔室底压：C1/

18、C7 1 x 10-3 mbar缓冲腔室底压缓冲腔室底压 ：C2/C6 3 x 10-6 mbar传输腔室底压传输腔室底压 ：C3/C5 1.5 x 10-6 mbar1. 工艺腔室底压工艺腔室底压 ：C4/1C4/8 1.5 x 10-6 mbar目录目录第一章第一章 真空真空第二章第二章 等离子体等离子体第三章第三章 溅射原理溅射原理第四章第四章 反应性溅射反应性溅射第五章第五章 溅射镀膜设备溅射镀膜设备37第六章第六章 溅射靶及靶材配置溅射靶及靶材配置第六章第六章 溅射靶及靶材的配置溅射靶及靶材的配置386-1 平面靶平面靶6-2 圆柱靶圆柱靶第六章第六章 溅射靶材及靶材的配置溅射靶材及靶材的配置39圆柱靶与平面靶利用率比较圆柱靶与平面靶利用率比较第六章第六章 溅射靶材及靶材的配置溅射靶材及靶材的配置406-3 靶材配置示意图靶