Sputter基本原理與知識培訓(xùn)

1、演講人：王金萍演講人：王金萍1目錄目錄第一章第一章 真空真空第二章第二章 等離子體等離子體第三章第三章 濺射原理濺射原理第四章第四章 反應(yīng)性濺射反應(yīng)性濺射第五章第五章 濺射鍍膜設(shè)備濺射鍍膜設(shè)備第六章第六章 濺射靶及靶材配置濺射靶及靶材配置2目錄目錄第二章第二章 等離子體等離子體第三章第三章 濺射原理濺射原理第四章第四章 反應(yīng)性濺射反應(yīng)性濺射第五章第五章 濺射鍍膜設(shè)備濺射鍍膜設(shè)備第六章第六章 濺射靶及靶材配置濺射靶及靶材配置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、大氣壓、真空、真空度？、大氣壓、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標(biāo)準(zhǔn)大氣壓標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 atmatm： 1atm=101325Pa1atm=101325Pal托托 TorrTorr： 1Torr=133.32Pa1Torr=133.32Pal毫巴毫巴 mbarmbar： 1mbar=100Pa1mbar=100Pa2 2、壓強單位、壓強單位第一章第一章 真空真空3.真空區(qū)域的劃分真空區(qū)域的劃分6大氣：大氣： 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 氣體分子平均自由程氣體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 分子數(shù) （mbar） （cm） （個/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.真空系統(tǒng)中氣體的流動狀態(tài)真空系統(tǒng)中氣體的流動狀態(tài)8第一章第一章 真空真空95.真空系統(tǒng)中氣體的流動狀態(tài)真空系統(tǒng)中氣體的流動狀態(tài)第一章第一章 真空真空6.真空的獲得真空的獲得10 旋葉泵旋葉泵旋葉泵的特點：旋葉泵的特點： 經(jīng)濟耐用經(jīng)濟耐

4、用 工作范圍：工作范圍： 大氣壓大氣壓10-3mbar 極限真空：極限真空： 10-3mbar 缺點：振動、反油缺點：振動、反油第一章第一章 真空真空7.真空的獲得真空的獲得11 羅茨泵羅茨泵機械泵的特點：機械泵的特點： 啟動快，抽速大啟動快，抽速大 工作范圍：低、中真空工作范圍：低、中真空 極限真空：取決于前級泵極限真空：取決于前級泵 羅茨泵壓縮比較小，一般羅茨泵壓縮比較小，一般需要串聯(lián)使用；需要串聯(lián)使用；第一章第一章 真空真空12 渦輪分子泵渦輪分子泵渦輪分子泵的特點：渦輪分子泵的特點： 抽速大、無油、啟動快抽速大、無油、啟動快 工作范圍：工作范圍： 10-210-6mbar 極限真空：極

5、限真空： 10-6mbar 缺點：振動、成本高、易損缺點：振動、成本高、易損7.真空的獲得真空的獲得第一章第一章 真空真空13 油擴散泵油擴散泵油擴散泵的特點：油擴散泵的特點： 經(jīng)濟耐用、無振動經(jīng)濟耐用、無振動 工作范圍：工作范圍： 10-4 10-9mbar 極限真空：極限真空：10-6mbar 10-9mbar （液氮冷卻）（液氮冷卻） 缺點：反油、需預(yù)熱缺點：反油、需預(yù)熱7.真空的獲得真空的獲得第一章第一章 真空真空14真空泵真空泵極限壓強極限壓強（mbar）啟動壓強啟動壓強（mbar）旋葉泵旋葉泵110-3 1103水蒸氣噴射泵水蒸氣噴射泵110-3 1103羅茨泵羅茨泵取決于前級泵取

6、決于前級泵 1101渦輪分子泵渦輪分子泵110-6 110-2油擴散泵油擴散泵110-9 110-4濺射離子泵濺射離子泵110-11 110-3鈦升華泵鈦升華泵110-11 110-3低溫吸附泵低溫吸附泵110-12 110-3幾種常用泵的極限壓強與啟動壓強幾種常用泵的極限壓強與啟動壓強7.真空的獲得真空的獲得目錄目錄第一章第一章 真空真空第三章第三章 濺射原理濺射原理第四章第四章 反應(yīng)性濺射反應(yīng)性濺射第五章第五章 濺射鍍膜設(shè)備濺射鍍膜設(shè)備第六章第六章 濺射靶及靶材配置濺射靶及靶材配置15第二章第二章 等離子體等離子體第二章第二章 等離子體等離子體16 等離子體是由部分分子、原子及原子被電離后

7、產(chǎn)生的正離子和等離子體是由部分分子、原子及原子被電離后產(chǎn)生的正離子和負(fù)電子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，它是除去固、液、氣外，物質(zhì)存在負(fù)電子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，它是除去固、液、氣外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。等離子體是一種很好的導(dǎo)電體，呈準(zhǔn)中性狀態(tài)。的第四態(tài)。等離子體是一種很好的導(dǎo)電體，呈準(zhǔn)中性狀態(tài)。2-1 輝光放電輝光放電第二章第二章 等離子體等離子體17自然中的等離子體：自然中的等離子體：2-3 雷電雷電2-4 極光極光第二章第二章 等離子體等離子體182-5 日光燈日光燈 2-4 真空鍍膜真空鍍膜輝光輝光放電放電等離子的應(yīng)用：等離子的應(yīng)用：第二章第二章 等離子體等離子體19輝光放電產(chǎn)生的條件：輝光

8、放電產(chǎn)生的條件：1. 在放電開始前，放電間隙間電場是均勻的；在放電開始前，放電間隙間電場是均勻的；2. 放電過程主要是靠陰極發(fā)射電子來維持的；放電過程主要是靠陰極發(fā)射電子來維持的；3. 放電氣壓一般維持在放電氣壓一般維持在1010-3mbar；4. 放電電流密度一般要維持在放電電流密度一般要維持在10-1102mA/cm2；5. 電壓一般為電壓一般為3005000V；濺射所需要的轟擊離子通常采用輝光放電獲得。輝光放濺射所需要的轟擊離子通常采用輝光放電獲得。輝光放電是氣體放電的一種類型，是一種穩(wěn)定的自持放電。電是氣體放電的一種類型，是一種穩(wěn)定的自持放電。輝光放電：輝光放電：第二章第二章 等離子體

9、等離子體20陰極輝光區(qū)陰極輝光區(qū)陰極暗區(qū)陰極暗區(qū)負(fù)輝光區(qū)負(fù)輝光區(qū)法拉第暗區(qū)法拉第暗區(qū)正柱區(qū)正柱區(qū)0電壓電壓空間靜空間靜電荷電荷兩極區(qū)間兩極區(qū)間輝光放電示意圖輝光放電示意圖1、在真空室內(nèi)安置兩個電極。、在真空室內(nèi)安置兩個電極。2、通入壓力為、通入壓力為10-310-2Pa的氣體（通常是的氣體（通常是Ar）。）。3、在電極上加上高電壓。、在電極上加上高電壓。輝光放電輝光放電產(chǎn)生產(chǎn)生等離子體等離子體輝光放電：輝光放電：目錄目錄第一章第一章 真空真空第二章第二章 等離子體等離子體第四章第四章 反應(yīng)性濺射反應(yīng)性濺射第五章第五章 濺射鍍膜設(shè)備濺射鍍膜設(shè)備第六章第六章 濺射靶及靶材配置濺射靶及靶材配置21第

10、三章第三章 濺射原理濺射原理第三章第三章 濺射原理濺射原理-1（濺射電源）（濺射電源）22直流濺射：直流濺射：用于導(dǎo)電靶用于導(dǎo)電靶中頻濺射：中頻濺射：用于導(dǎo)電靶用于導(dǎo)電靶射頻濺射：射頻濺射：用于絕緣靶用于絕緣靶不同的濺射電源：不同的濺射電源：第三章第三章 濺射原理濺射原理-2（直流濺射）（直流濺射）23Pumping systemtargetPower supplyPlasmasubstrateGasAr_電場電場+電場電場輝光效應(yīng)輝光效應(yīng)3-1 直流濺射示意圖直流濺射示意圖直流濺射原理圖：直流濺射原理圖：第三章第三章 濺射原理濺射原理-2（直流濺射）（直流濺射）濺射氣體應(yīng)當(dāng)具備的特性：濺射氣

11、體應(yīng)當(dāng)具備的特性： 對靶材程惰性；對靶材程惰性； 濺射率高；濺射率高； 價格便宜；價格便宜； 來源方便；來源方便；Ar為較理想的選擇為較理想的選擇為什么？為什么？濺射氣體的選擇：濺射氣體的選擇：第三章第三章 濺射原理濺射原理-2（直流濺射）（直流濺射）大氣成分大氣成分分子量分子量干潔空氣中的含量干潔空氣中的含量（% %）氮氮 N N2 228.02 28.02 78.0978.09氧氧 O O2 232.00 32.00 20.9520.95氬氬 ArAr39.94 39.94 0.930.93二氧化碳二氧化碳 COCO2 244.00 44.00 0.030.03氖氖 NeNe20.18 2

12、0.18 1.81.81010-3-3氦氦 HeHe4.00 4.00 5.245.241010-4-4甲烷甲烷 CHCH4 416.04 16.04 2.22.21010-4-4氪氪 KrKr83.70 83.70 1.11.11010-4-4氧化氮氧化氮 N N2 2O O44.02 44.02 0.50.51010-4-4氫氫 H H2 22.02 2.02 0.50.51010-4-4氙氙 XeXe131.30 131.30 0.80.81010-5-5臭氧臭氧 O O3 348.00 48.00 1.01.01010-6-6濺射氣體的選擇：濺射氣體的選擇：1.化學(xué)穩(wěn)定性，不會和靶化學(xué)

13、穩(wěn)定性，不會和靶材發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；材發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；2.原子量大，濺射率高；原子量大，濺射率高；3.空氣中含量高制備比空氣中含量高制備比Kr、Xe方便，價格相方便，價格相對便宜；對便宜；第三章第三章 濺射原理濺射原理-3（磁控濺射）（磁控濺射）263-2 磁控濺射示意圖磁控濺射示意圖低溫低溫高速高速磁控濺射：磁控濺射：第三章第三章 濺射原理濺射原理-4（射頻濺射）（射頻濺射）273-3 射頻濺射裝置示意圖射頻濺射裝置示意圖7-7-射頻發(fā)生器；射頻發(fā)生器；1-1-基板；基板；2-2-等離子體；等離子體；3-3-射頻濺射靶；射頻濺射靶；4-4-濺射室；濺射室；5-5-匹配網(wǎng)絡(luò)；匹配網(wǎng)絡(luò)；6-6-電源；

14、電源；射頻濺射：射頻濺射：第三章第三章 濺射原理濺射原理-4（射頻濺射）（射頻濺射）28阻抗匹配：阻抗匹配：ErR3-4 簡單電路簡單電路右圖中：右圖中：E：理想電源：理想電源r ：電源內(nèi)阻：電源內(nèi)阻R：負(fù)載電阻：負(fù)載電阻當(dāng)負(fù)載電阻等于電源內(nèi)阻時，當(dāng)負(fù)載電阻等于電源內(nèi)阻時，負(fù)載將獲得最大功率，這種工作狀負(fù)載將獲得最大功率，這種工作狀態(tài)就稱為匹配。態(tài)就稱為匹配。第三章第三章 濺射原理濺射原理-4（射頻濺射）（射頻濺射）29阻抗匹配：阻抗匹配：阻抗匹配：阻抗匹配：指負(fù)載阻抗與電源阻抗互相適配，得到最大功率輸出地一種工作狀態(tài)。阻抗匹配的兩種情況：阻抗匹配的兩種情況：1. 純電阻電路負(fù)載等于電源內(nèi)阻；

15、純電阻電路負(fù)載等于電源內(nèi)阻；2. 當(dāng)電源和負(fù)載含有阻抗成分時就必須滿足共軛關(guān)系，即當(dāng)電源和負(fù)載含有阻抗成分時就必須滿足共軛關(guān)系，即電阻成分相等，電抗成分?jǐn)?shù)值相等而符合相反，這種匹電阻成分相等，電抗成分?jǐn)?shù)值相等而符合相反，這種匹配就是共軛匹配。配就是共軛匹配。第三章第三章 濺射原理濺射原理-4（射頻濺射）（射頻濺射）30阻抗匹配：阻抗匹配：射頻電源射頻電源匹配網(wǎng)絡(luò)匹配網(wǎng)絡(luò)反應(yīng)腔室反應(yīng)腔室3-5 可調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)可調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò) 由于射頻濺射設(shè)備的放由于射頻濺射設(shè)備的放電阻抗大多為電阻抗大多為10K，射頻電源的內(nèi)阻大約為射頻電源的內(nèi)阻大約為50，所以二者要進行，所以二者要進行良好的匹配。良好的匹配。 由于

16、設(shè)備內(nèi)的電極和擋由于設(shè)備內(nèi)的電極和擋板的布置等是變化的所板的布置等是變化的所以要利用匹配網(wǎng)絡(luò)進行以要利用匹配網(wǎng)絡(luò)進行匹配。以使射頻功率有匹配。以使射頻功率有效地輸入到設(shè)備內(nèi)。效地輸入到設(shè)備內(nèi)。目錄目錄第一章第一章 真空真空第二章第二章 等離子體等離子體第三章第三章 濺射原理濺射原理第五章第五章 濺射鍍膜設(shè)備濺射鍍膜設(shè)備第六章第六章 濺射靶及靶材配置濺射靶及靶材配置31第四章第四章 反應(yīng)性濺射反應(yīng)性濺射第四章第四章 反應(yīng)性濺射反應(yīng)性濺射32 在濺射鍍膜時，在濺射鍍膜時， 有意識地將某種反應(yīng)性氣體引入濺射室并達到有意識地將某種反應(yīng)性氣體引入濺射室并達到一定的分壓，一定的分壓， 即可改變或控制沉積特

17、性，即可改變或控制沉積特性， 從而獲得不同于靶材的新從而獲得不同于靶材的新物質(zhì)薄膜，這就叫反應(yīng)性濺射；物質(zhì)薄膜，這就叫反應(yīng)性濺射；通入不同的反應(yīng)氣體就可以得到不同的沉積膜層：通入不同的反應(yīng)氣體就可以得到不同的沉積膜層：通入氧氣可以形成氧化膜；通入氧氣可以形成氧化膜；通入氮氣可以形成氮化膜；通入氮氣可以形成氮化膜；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；通入硫化氫（通入硫化氫（H2S）可以形成硫化物膜；）可以形成硫化物膜；反應(yīng)性濺射：第四章第四章 反應(yīng)性濺射反應(yīng)性濺射33Pumping systemtargetPower supplysubstrateGasAr&O2_

18、電場電場+電場電場Ar+O-Zn（Zn）反應(yīng)性濺射：目錄目錄第一章第一章 真空真空第二章第二章 等離子體等離子體第三章第三章 濺射原理濺射原理第四章第四章 反應(yīng)性濺射反應(yīng)性濺射第六章第六章 濺射靶及靶材配置濺射靶及靶材配置34第五章第五章 濺射鍍膜設(shè)備濺射鍍膜設(shè)備第五章第五章 濺射鍍膜設(shè)備濺射鍍膜設(shè)備355-1 濺射鍍膜設(shè)備濺射鍍膜設(shè)備第五章第五章 濺射鍍膜設(shè)備濺射鍍膜設(shè)備365-2 濺射鍍膜設(shè)備示意圖濺射鍍膜設(shè)備示意圖C1C2C3C6C516543278AZOAg預(yù)留預(yù)留AlAlNiVC7各個腔室底壓要求：各個腔室底壓要求：1. 上下料腔室底壓：上下料腔室底壓：C1/C7 1 x 10-3 mbar2. 緩沖腔室底壓緩沖腔室底壓 ：C2/C6 3 x 10-6 mbar3. 傳輸腔室底壓傳輸腔室底壓 ：C3/C5 1.5 x 10-6 mbar4. 工藝腔室底壓工藝腔