真空镀膜基础知识54733课件

真空及薄膜基础

麦田^.我们生产的为非晶硅薄膜太阳能电池，了解PECVD设备及工艺需要对真空镀膜有一个了解，并且对半导体物理及薄膜知识有一定的认识。我们先对薄膜的概念做一个粗略的了解。薄膜：在严格的学术意义上，认为只有聚集厚度小于某一特征厚度的材料才是真正的薄膜，否则便是一般的薄材料。特征厚度：是利用物质的某些基本性质在物质聚集厚度很薄的情况下会发生异常变化的现象而确定的，即当被选定为参考的某一物理性质或机械性质开始显示出不同于它通常所具有的特点时的厚度，便是给物质的薄膜特征厚度。可以认为薄膜是一种二维的材料。沉积技术：气相沉积（将构成薄膜的物质气化后在沉积到衬底上）液相沉积（在液体中沉积镀膜）气相沉积：比较容易控制薄膜的组分液相沉积：在接近于热平衡的条件下成膜，能获得较好的膜质。气相沉积又分物理气相沉积（physicalvapordeposition）和化学气相沉积（chemicalvapordeposition）一些基本概念薄膜制备方法渗入法沉积法化合扩散离子注入气相扩散固态扩散气相沉积液相沉积pvdcvd真空蒸镀离子镀溅射化学反应法等离子体cvd热分解法电镀化学反应镀膜镀膜常用方法列表非晶薄膜太阳能电池生产需要的镀膜方式：1LPcvd镀TCO导电层2pecvd镀非晶硅薄膜3磁控溅射镀氧化锌减反层和铝背电极或mocvd镀氧化锌膜层薄膜的主要性能膜厚：越均匀越好，一般应控制在一个范围以内比如5%，这与玻璃基板尺寸有关膜表面形貌：通过扫描电子显微镜（SEM）投射电子显微镜（TEM）等分析表明颗粒状态，可获得薄膜表面的致密情况，缺陷状态，退火处理对膜表面的影响等信息。膜机构特性：用X射线衍射分析膜的组成成分，可获得膜的纯度等信息。膜应力：薄膜内部的应力越小越好，通过退火处理可最大程度的释放膜的内部应力。膜与衬底的接触特性：主要是指薄膜与衬底之间的附着力，当然附着力越强越好，可避免薄膜出现缺失，开路等膜的致密性：主要指的是膜层的硬度和抗磨性。避免外界划伤引起的开路现象膜的化学，热稳定性。针对金属膜层：要求制备出的金属膜层的电阻率尽可能低，接近体电阻率薄膜分析常用方法汇总扫描电镜SEM主要分析表面信息,分辨率一般10nm以上,制样简单透射电镜TEM主要分析结构信息，分辨率小于1个原子，制样困难XRD也是分析结构信息，但是不能分析微区结构信息作薄膜，XRD给出方向，SEM选择好的区域，TEM深入分析，这是一个组合拳。膜厚测量：台阶仪，椭偏仪等真空泵：用以产生、改善和维持真空的装置。分气体传输与捕集两种。平均自由程：一个分子每连续与其他两个气体分子碰撞所走过的路程，叫做自由程。相当多自由程的平均值叫做平均自由程。粘滞流：气体分子平均自由程远小于导管最小界面尺寸的流态。此时的流动取决于气体的粘滞性，粘滞流可以使层流或滞流。中间流：在层流和分子流之间状态下分子通过导管的流动。分子流：气体分子平均自由程远大于导管截面最大尺寸的流态。流量：单位时间通过某一界面的气体体积。常温下大气压力与大气分子平均自由程的关系不同真空状态下真空工艺应用粗真空（100000-1000Pa）：气体状态与常压相比只是分子数量的减少，没有气体空间特性的变化，分子间碰撞频繁，此时的吸附气体释放可以不予考虑，气体运动以粘滞流为主。主要是利用压力差产生的力来实现真空力学应用（真空吸引或运输固体、液体、胶体等，真空吸盘起重，真空过滤）。低真空（1000-0.1Pa）：气体分子间，分子与器壁间碰撞不相上下，气体分子密度较小，气体释放也可不考虑，气体运动以中间流为主。利用气体分子密度降低可实现无氧化加热，利用气压降低时气体的热传导和对流逐渐消失的原理可以实现真空隔热及绝缘，利用压强降低液体沸点也降低的原理实现真空冷冻和真空干燥（黑色金属真空熔炼脱气，真空绝缘和真空隔热，真空冷冻及干燥，高速空气动力学实验中的低压风洞）。高真空（0.1-0.000001Pa）：气体分子间相互碰撞极少，气体分子与器壁间碰撞频繁，气体运动以分子流为主，此时的气体释放是影响真空度及抽气时间的一个主要原因。利用气体分子密度低，任何物质与气体残余分子发生化学作用微弱的特点进行真空冶金，真空镀膜（超纯金属、半导体材料的真空提纯及精制，真空镀膜，离子注入、干法刻蚀等表面改性，真空器件的生产：光电管、各种粒子加速器等）。超高真空（>0.0000001Pa）：气体分子与器壁的碰撞次数极少，气体空间只有固体本身的原子，几部没有别的分子或原子的存在，此时压强的升高除了泄漏外主要就是器壁分子的释放。应用：宇宙空间环境的模拟，大型同步质子加速器的运转。常用密封方式O型密封圈（挤压密封），特种橡胶材质，一般用于腔室与门的密封，真空阀门，真空计的衔接处的密封等。钢质波纹管（液压成型、焊接成型），用于真空泵与真空管路等的衔接密封，因其可形变，配合密封圈使用。法兰密封，主要用于电极同轴线的连接等金属密封（O密封、C密封，E密封等）靠的是金属的自紧作用。焊接注：绝对的密封是不存在的，任何材质的腔室材料本身都会有气体分子渗入（一般腔室都制作的很厚），各密封处的渗漏等，腔室内壁吸附分子的释放（腔室都要经过特殊的内壁处理，减少分子吸附）等真空获得本真空系统用到的真空泵有：扩散泵（Diffusionpump），小油封机械泵(Holdingpump)，大油封式旋片泵(Roughingpump)，罗茨增压泵(Blowerpump)，干泵(Processpump)为了获得更好的真空效果及抽气速率通常采用真空泵组合机组来实现。工业常用组合：（机械泵+扩散泵）、（机械泵+分子泵）本系统所用组合：小油封旋片泵+扩散泵大油泵+增压泵+扩散泵干泵：抽特气尾气本真空系统用到罗茨泵的变速靠的是液力联轴器，液压联动技术主要用于轮船驱动等方面，目的就是防过载，保护马达。液压联动的优点：质量轻，传动无磨损，使用寿命长，易于保护电机等。工作过程：气体从入口进入转子和定子之间偏轴转子压缩空气并输送到出口气体在出口累积到一定压强，喷出到大气工作范围及特点：Atmosphereto10-3torr耐用，便宜由于泵的定子、转子都浸入油中，每周期都有油进入容器，有污染。要求机械泵油有低的饱和蒸汽压、一定润滑性、黏度和高稳定性。旋片式机械泵工作示意图一般用油机械泵粗抽真空，不能使系统真空度太高，太高会造成严重的机械泵返油反流，只要达到高真空泵工作范围即可。油位控制吸入气体粉尘多，油污染问题，可在泵入口加一除尘装置和一过滤装置油乳化，吸入气体水蒸汽太多，可加一气镇装置，或者在罗茨泵排气口加冷凝器（乳化就是一种液体离散为很多微粒分散到另一种液体中，成为一种乳液）。吸入气体温度过高，比如高于50℃，应采用气冷罗茨泵对气体降温经常检查泵的各部位温度，及时调节冷却水水量。罗茨泵工作原理罗茨泵压缩气体所需的功率与压差成正比，一旦气体压差过高，泵就可能出现过载现象，造成电机绕组烧损.本罗茨泵使用了液力联轴器，使泵可以无级调速，平稳起动，能够在高压差下工作，起到保护马达的作用。

罗茨泵分3种：低真空罗茨泵；中真空罗茨泵（机械增压泵）；高真空多级罗茨泵（干泵）。液力联轴器简单介绍液力联轴器是一种靠液体作为工作介质的非刚性联轴器。液力联轴器安装与泵与电动机之间，其泵轮与涡轮组成一个可使液体循环流动的密闭工作腔，泵轮安装在输入轴上，涡轮装在输出轴上。电动机带动输入轴旋转时，液体被离心式泵轮甩出。这种高速液体进入涡轮后推动涡轮旋转，将从泵轮获得的能量传递给输出轴。最后液体返回泵轮，形成周而复始的流动，即液力联轴器靠液体来实现电动机与泵之间力矩的传递。液力联轴器输入轴与输出轴靠液体联系，工作构件间不存在刚性连接。因此其过载保护性能和启动性能好，载荷过大而停转时输入轴仍可转动，不致造成马达的损坏;当载荷减小时，输出轴转速增加到接近输入轴的转速。液力联轴器的传动效率等于输出轴转速与输入轴转速之比，一般正常的转速比在0.95以上可获得比较高的效率。液力联轴器的特性因工作腔与泵轮、涡轮的形状不同而有差异。罗茨泵的最大压差由液力联轴器所传递的最大转矩来决定，而液力联轴器可传递的最大转矩可由其中的液体量来调节。当泵在高压差下工作或与前级泵同事启动时，在液力联轴器内部就产生了转速差及会发生滑动，即只传递一定的力矩，使泵减速工作。随着抽气的进行，气体负荷减小，罗茨泵逐渐加速到额定转速，达到最高抽气效率。罗茨泵特点：在较宽压强范围有较大的抽速启动快，迅速工作对气体中的灰尘和水蒸气不敏感转子不需油润滑，提供比较洁净的工作环境设备驱动功率小，机械磨损小结构紧凑，小巧运行维护费用低常出现问题油温高：冷却不好，箱体油位过高，过滤器堵塞，油路堵塞，工作液不合要求涡轮不转：箱体油位过低，过滤器堵塞，液压泵入口漏气轴端漏油：油封损坏，油封没安装好，联轴器产生吸油效应（加一挡风板）转子卡死或损坏：冷却水问题泵突然停机：冷却水问题，前级泵故障导致罗茨泵出口压力过高，罗茨泵过载真空度降低：前级泵故障或性能变差，管道泄露泵内杂音：机件磨损，生产气体中有较大磨耗性颗粒进入泵体，因转子间，与泵腔间狭缝极小（一般0.1-0.2mm）加之泵长期运转存在的磨损都可能导致转子产生碰擦，产生异响。

启动顺序问题，液压调速和齿轮箱变速（有无旁通阀）的区别泵一般应该运行一年进行一次大检修：齿轮及轴承的磨损，检查密封装置，更换密封圈，检查转子的腐蚀情况，转子结垢情况，泵腔腐蚀及结垢情况。扩散泵介绍油扩散泵是靠喷嘴高速喷射的硅油蒸汽来将气体逐级压缩至排气口，或气体分子溶入油中，等油冷凝回流被重新加热然后气体被释放到排气口，然后被前级泵带走达到抽真空的目的。扩散泵抽速快，构造简单，无机械磨损构件，无噪声污染，但存在油污染，需冷却水和前级泵抽气范围：10-3to10-7Torr配合液氮冷阱使用可达10-9Torr冷阱可用极低的温度降低气体分子的能量或将其吸附在冷阱内部，实现更高的真空。配合冷阱使用虽然可以降低返油，但是同时也降低了扩散泵的抽速，比如一个几乎可以完全防止返油的冷阱可以降低30%左右的抽速，但是却可以提高极限真空度。扩散泵与分子泵的比较扩散泵与分子泵都可以获得高真空，都不能直抽大气，都需要配备前级泵。扩散泵：构造简单，无机械磨损构件，无噪声污染，抽速快，相对便宜，体积大，能耗高，存在油污染（配合冷阱可极大的降低返油）。分子泵：能耗低，体积小，极限真空高，洁净泵，设计复杂，噪声大，价格昂贵。扩散泵常见故障极限真空变低:

系统泄漏，系统太脏，泵油被污染，加热功率不够，冷却水问题（水温、水压、水量、水质）抽气缓慢：加热功率不够，油量不足，腔室污染进气口压力波动加热器输入功率不当，进气口前面系统存在渗漏反应腔污染严重前几压力大，在较高压力下长期工作，误操作，加热功率过高干泵干泵属于机械泵，因为无油，故多用来抽取特气或尾气；其实严格意义上说，他也并不是完全的无油，在传动齿轮及轴承处仍需润滑油或PFPE全氟聚醚油脂润滑，产生的油蒸汽仍可进入泵腔产生污染。干泵大致可分4类（容积式）:多级罗茨，爪式，螺杆式，涡旋式；极限压力：0.1-10Pa。多级罗茨结构各转子有中间壁来隔离构成各级的串联结构，转子直径和形状相同，有时宽度不同，向高压侧方向变窄。三叶压缩比大，抽速低。螺杆结构根据螺杆压缩机原理制成，空压机中的螺杆在一圈以内，而干泵的螺杆在两圈以上，这样的设计可以减小返流量，提高压缩比，但是圈数太多，会使得气体路径变长，影响抽速，所以莱宝有一种中间进气，两边出气的设计，加上气镇可以减少气体粉尘的沉积。螺杆式无油机械真空泵是利用齿轮传动同步反向旋转的相互啮合而不接触的左螺杆与右螺杆作高速转动，利用泵壳和相互啮合的螺旋将螺旋槽分隔成多个密闭空间，吸入气体被封在空间内，自吸入室沿螺杆轴向连续的推移至排出端但无压缩（好比螺母在螺纹回转时被不断向前推进的情景相似），只有螺杆最末端的排出空间对气体有压缩作用。螺杆的各级间可形成压力梯度，以分散压差和提高压缩比。各部间隙和泵转速对泵的性能有很大影响。

爪式泵排气步骤从这个图我们可以看出爪式泵集中了旋片泵与罗茨泵的优点，但是压缩比要比罗茨泵高很多，极限真空等各方面也优于罗茨泵。a吸气排气b吸气排气终止，吸气腔面积最大，两个转子之间还封存了一部分没被排出的气体c转子换向，转子只需转一小角度，封存气体会进入环形空间，环形空间气体压力变大，增大压缩比。d转子进行到下一次吸气的位置，排气孔还没有打开，气体仍被压缩。真空计真空计（规）就是对真空状态计真空度进行测量的器件，常用的是热偶真空计、皮拉尼真空计潘宁冷阴极真空计和热阴极真空计四种。为了测量的方便通常用到的是一些复合真空规，复合真空规一般是两个真空计的组合，可以自动在两个量程之间切换，获得更大的工作范围（和真空泵组合有相似之处）。皮拉尼真空计：利用电阻丝随温度的变化而电阻随之变化的原理来测量，而电阻丝温度的变化又与其周围气体的热导率有关（用平衡电桥的方式来测出待测电阻）。热阴极真空计:气体导电，气体分子被灯丝释放的高速电子撞击电离，碰撞频率与气体密度成正比，气体密度与气体压强又存在关系，故可以通过测定收集到的离子流的大小来确定气体的压强。热阴极电离真空计原理图皮拉尼电阻冷阴极电离真空计是利用的潘宁放电原理。潘宁放电是将放电系统放入一轴向磁场，在低压下使残留的电子，离子等在电磁场的影响下做轮滚线运动（直线运动与圆周运动的和运动），这无疑增加了电子的运动轨迹，可以加速到更高的速度，与气体中性分子碰撞，使其电离，这与磁控溅射有相似之处。热阴极需要加热灯丝来释放电子，冷阴极利用的是低压空间残留带电粒子。潘宁放电原理图电离规常用到的真空计皮拉尼/压电复合真空规测量范围：1大气压至1E-5Torr全量程复合真空规测量范围：1大气压至1E-10Torr注：真空规的安装要求：规管入口应朝下或合适的一侧，以防落入颗粒灰尘及影响测量精度。氦质谱检漏仪

1我们需要检漏的主要地方：各镀膜设备的真空系统，特气管路等

2检漏方式很多，但工业普遍采用氦质谱检漏仪，其具有检漏范围广（10-3～10-8Pa·m3/S

）、性能稳定、精度高、安全方便等优点。3氦质谱检漏仪是根据质谱学原理，利用氦气作为示踪气体，来对各种容器的泄漏、微漏和渗漏(包括材料本身的)进行检测的仪器。

使用氦气作为示踪气体的原因1氦气在空气中含量非常少，只有5ppm（空气中占约1/200，000）；2在被测试的物体内部所残留的空气中的氦气含量也非常少；3由于氦分子量小、分子直径小（在元素周期表中在仅排在氢的后面），即便是极其微小的渗漏孔也能方便地通过；4由于具有化学上的不活跃性，不会污染排气系统及被测试物体，也不容易吸附在腔体表面上，容易放出。5由于具有对人体无害性和不可燃爆性，因此使用安全方便；6对分析管的分辨率要求并不高，容易实现高灵敏度；7不存在环境污染问题。注：不用氢的原因：氢气本身就是易燃易爆气体。氦质谱检漏仪的工作原理灯丝发射出的电子在电离室来回震荡，与电离室内气体和经被检件漏孔进入电离室的氦气相互碰撞使其电离成正离子，这些离子在加速电场作用下经缝隙进入磁场，由于洛伦兹力作用产生偏转，形成圆弧形轨道，轨道半径与粒子的荷质比有关，调节电压使氦离子正好通过缝隙被收集形成离子流经放大器放大，通过输出表及音响显示出来。

检漏原则及方法原则：从上而下（氦气密度小）由近到远（检漏仪响应时间随距离而不同）方法：喷氦法（负压，真空系统的检漏常用方法）吸氦法（通氦加压，特气管路等常用方法）

检漏步骤接通电源，打开开关。按预抽阀预抽检漏仪内部真空。启动时间大概十分钟，内部真空抽至5Pa左右打开灯丝通过波纹管连接检漏仪至待检管路，起动用相应的泵抽待检管路及波纹管真空至5Pa左右。打开检漏仪上的阀门，使管路与检漏仪联通。调节漏率指示条位置及喇叭声响大小对要检部位喷氦检漏检漏结束，关闭灯丝。关闭检漏仪真空阀门，关机。打开放气阀，关闭电源。

检测部位腔门密封圈法兰，拆卸过的重点检测气动阀门，拆卸过的重点检测焊缝接口注：每次检漏都是有针对性的进行，各拆卸过的部件，密封圈及阀门是重点。检漏仪技术参数灵敏度：也即最小检漏率启动时间：一般是指预抽真空时间漏率检测范围：工作范围反应时间：指仪器节流阀完全开启,本底讯号为零(或补偿到零)时,由恒定的氦流量使输出仪表讯号上升到最大值的0.63所需要的时间

清除时间：指输出仪表讯号稳定到最大值后,停止送氦,其讯号下降到最大值的0.37所需要的时间

质谱室工作真空及极限真空：描述仪器性能的重要参数，可用检漏仪的真空规测定入口处抽速：重要参数，可用流量计测定等离子体

等离子体状态（plasma）：等离子体就是处于自由运动状态下阴阳带电粒子共存并呈电中性状态的物质，也把等离子体称作物质的第四种状态。物质随着能量的增加，通过熔化，蒸发，离子化的方式可实现固态、液态、气态、等离子体四种状态的变化，宇宙中约99%的物质都处于等离子体状态。等离子体生成方式：辉光放电，X射线、g射线照射，激光照射等。常用方式：气体放电，即在平板电容结构的两个平板电极上施加射频或直流脉冲电压，使处于真空环境下的气体产生辉光放电，形成等离子体。等离子体的发生：如果使低压气体处于电场中，在气体中所存在的少量的自由电子就会被加速，由于气体比较的稀薄，电子的平均自由程较大，因而容易被加速到较高的速度。这些高速电子与中性的原子、分子碰撞后，便会失去部分能量，如果所发生的是弹性碰撞，就会增加中性原子，分子的动能，于是气体的温度便会相应地升高，如果发生的是非弹性碰撞，那么就会发生离解、离化、激发等现象，因而产生出大量的各种离子，游离基。这些粒子在化学性质上是活化的，他们有助于生成新的粒子和发生化学反应。而电子在损失掉能量以后又会被电场加速，他们不断地反复着被加速----与分子原子碰撞的过程，于是气体便很快地电离而成为等离子体发生放电现象。并非任何的电离气体都是等离子体。只要绝对温度不为零，任何气体中总存在有少量的分子和原子电离。严格地说来，只有当带电粒子地密度足够大，能够达到其建立的空间电荷足以限制其自身运动时，带电粒子才会对体系性质产生显著的影响，也即只有这样密度的电离气体才能转变为等离子体。除此之外，等离子体的存在还有其特征的空间和时间限度

。放电的维持靠的是2次电子。Pecvd设备等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术是基于通过辉光放电方式得到的低温等离子体使含有薄膜组成的气态物质发生化学反应，从而实现薄膜材料生长的一种薄膜制备技术。可以充分利用等离子体各反应粒子及活性基团从高频电场获得的能量在较低温度衬底上键合成膜。Pecvd成膜一般包括三个基本过程：1）电子获得能量撞击反应气体，使其分解电离生成含有离子和活性基团的混合物。

2）各种活性基团向薄膜生长表面即衬底表面扩散输运，因为基团平均自由程很短故同时