真空、等离子体、真空镀膜和电源课件.ppt

1、真空、等离子体真空镀膜和电源 真空n“真空”这一术语译自拉丁文Vacuo，其意义是虚无。其实真空应理解为气体较稀薄的空间。在指定的空间内，低于一个大气压力的气体状态统称为真空。真空状态下气体稀薄程度称为真空度，通常用压力值表示。n真空技术是基本实验技术之一。自从1643年托里拆利做了著名的有关大气压力实验，发现了真空现象以后，真空技术迅速发展。现在，真空技术已经成为一门独立的前言学科。它的基本内容包括：真空物理、真空的获得、真空的测量和检漏、真空系统的设计和计算等。随着表面科学、空间科学高能粒子加速器、微电子学、薄膜技术、冶金工业以及材料学等尖端科技的发展，真空技术在近代尖端科学技术中的地位越

2、来越重要。真空：低于一个大气压的气体状态。1643年，意大利物理学家托里拆利(E.Torricelli)首创著名的大气压实验，获得真空。自然真空：气压随海拔高度增加而减小，存在于宇 宙空间。人为真空：用真空泵抽掉容器中的气体。真空真空量度单位真空量度单位n1标准大气压=760mmHg=760(Torr)n1标准大气压=1.013x105 Pan1Torr=133.3Pa 真空真空区域的划分真空区域的划分 目前尚无统一规定，常见的划分为：粗真空 低真空 高真空 超高真空 极高真空 )10760(101035Torrpa)1010(10108361Torrpa)1010(1010128106Tor

3、rpa)10(101210Torrpa)1010(1010313Torrpa 真空等离子体n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。等离子体n产生等离子体的方法归结为如下5种：n1.气体放电法 2.光电离法和激光辐射电离 3.射线辐照法 4.高温法 5.冲击波法 在真空状态下，利用辉光放电或弧光放电等气体放电法产生等离子体，是备制各种薄膜的主要方法。如：磁控溅射真空镀膜和多弧离子真空镀膜（PVD）、化学气相沉积（CVD）等离子体n辉光放电glow dischargen是

4、低压气体中显示辉光的气体放电现象。在真空状态下，当两极间电压较高（约1000伏）时，稀薄气体中的残余正离子在电场中加速，有足够的动能轰击阴极，产生二次电子，经簇射过程产生更多的带电粒子，使气体导电。辉光放电时，在放电管两极电场的作用下，电子和正离子分别向阳极、阴极运动，并堆积在两极附近形成空间电荷区。因正离子的漂移速度远小于电子，故正离子空间电荷区的电荷密度比电子空间电荷区大得多，使得整个极间电压几乎全部集中在阴极附近的狭窄区域内。这是辉光放电的显著特征，而且在正常辉光放电时，两极间电压不随电流变化。真空镀膜n真空镀膜技术n蒸发镀蒸发镀：在真空中把制作薄膜的材料加热蒸发，使其 淀积在适当的表面

5、上。包括电阻式，电子束式蒸发等。n磁控溅射磁控溅射：当等离子体中高能粒子(电场加速的正离子)打在固体表 面时，与表面的原子、分子交换能量，从而使这 些原子、分子飞溅出来。包括直流溅射，射频溅射，反应溅射等n离子镀离子镀：兼有蒸发镀和溅射镀的特点。通常把以上几种方法称为物理气相沉积（Physical Vapor Deposition)技术，简称PVD技术。n化学气相沉积（化学气相沉积（CVD）：）：用等离子体中化学反应的方法在基片上沉积薄膜的镀膜 技术真空镀膜n真空镀膜技术特点n在真空中把金属、合金或化合物进行蒸发、溅射或化学反应，然后使其沉积在被涂覆的物体（基体）上的方法称为真空镀膜。n在材料

6、表面上，镀上一层薄膜就能使该种材料具有许多新的物理和化学性能。n过去的镀膜多采用电镀法和化学镀法，存在厚度难以控制，膜层均匀性差，附着力差，并造成环境污染等问题。真空镀膜n真空镀膜技术的应用n平板光学和平板显示n建筑玻璃n半导体制造n数据存储n包装工业n装饰镀和工具镀n太阳能电池真空镀膜n磁控溅射原理n磁控溅射就是以磁场束缚和延长电子的运动路径，改变电子的运动方向，提高工作气体的电离率和有效利用电子的能量。n电子在加速的过程中受到磁场洛仑兹力的作用，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内。n电子的运动的轨迹将是沿电场方向加速，同时绕磁场方向螺旋前进的复杂曲线。即磁场的存在将延长电子在等离子体中的运动

7、轨迹，提高了它参与原子碰撞和电离过程的几率，因而在同样的电流和气压下可以显著地提高溅射的效率和沉积的速率。真空镀膜磁控溅射原理图真空镀膜n磁控溅射特点n膜厚可控性和重复性好n薄膜与基片的附着力强n可以制备绝大多数材料的薄膜，包括合金，化合物等n膜层纯度高，致密。真空镀膜n直流溅射：用于导电靶n中频溅射：用于导电靶n射频溅射：用于绝缘靶不同的溅射方式真空镀膜n反应溅射n在溅射镀膜时，有意识地将某种反应性气体如氮气，氧气等引入溅射室并达到一定分压，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，如各种金属氧化物，氮化物，碳化物及绝缘介质等薄膜。n直流反应溅射存在靶中毒，阳极消失问题，上个世

8、纪80年代出现的直流脉冲或中频孪生溅射，使反应溅射可以大规模的工业应用。真空镀膜n反应磁控溅射所用的靶材料(单元素靶或多元素靶)和反应气体(氧、氮、碳氢化合物等)通常很容易获得很高的纯度,因而有利于制备高纯度的化合物薄膜。n反应磁控溅射中调节沉积工艺参数,可以制备化学配比或非化学配比的化合物薄膜,从而达到通过调节薄膜的组成来调控薄膜特性的目的。n反应磁控溅射沉积过程中基板温度一般不会有很大的升高,而且成膜过程通常也并不要求对基板进行很高温度的加热,因此对基板材料的限制较少。n反应磁控溅射适于制备大面积均匀薄膜,并能实现镀膜的大规模工业化生产。反应溅射的特点真空镀膜n现代工业的发展需要应用到越来

9、越多的化合物薄膜。n如光学工业中使用的T iO2、SiO2和Ta2O5 等硬质膜。n电子工业中使用的ITO透明导电膜,SiO2、Si3N4 和Al2O3等钝化膜、隔离膜、绝缘膜。n建筑玻璃上使用的ZnO、SnO2、TiO2、SiO2等介质膜。反应溅射的应用电源 直流电源用于磁控溅射 直流电源输出曲线 直流电源直流电源DC power supplyvacuum pumpspump exhaustsubstratetargetplasma cloudworking gasvacuum chamberNSSNMagnets电源nMDX Series:500W,1KW,1.5KW,2.5KW,5KW,

10、10KW,可以叠加到80KW，Air-coolednMDXII Series:15KW,30KW,可以叠加到120KW,Air-coolednPinnacle Series:3KW,6KW,6*6KW,10KW,10*10KW,20KW,可以叠加到200KW,Air-coolednSummit Series:25*25KW,50KW,可以叠加到500KW,Air-coolednDiamond Series:8KW,15KW,Water-cooled,用于光盘制造 直流电源种类直流电源种类电源 直流脉冲电源直流脉冲电源 直流脉冲电源用于磁控溅射 直流脉冲电源输出曲线DC power supply

11、vacuum pumpspump exhaustsubstratetargetplasma cloudworking gasvacuum chamberNSSNMagnets电源nPinnacle Plus+Series:5KW,5*5KW,10KW,可以叠加到60KW,Air-cooled,Frequency:5350KHznDC Supply Pulsing Accessories:500W480KW 直流脉冲电源种类直流脉冲电源种类脉冲作用脉冲作用n中和靶表面正离子，避免产生Arc电源中频电源输出曲线图 中频电源输出曲线中频电源输出曲线中频电源用于双靶输出曲线图电源 中频电源中频电源Ar

12、gon FlowO2 FlowNeeds to be veryclose with fast valve(MFC too slow,needmore like piezo-electric valve at 2msspeed)Pump 1:Diffusion Pump(Ar+O2)(-)IonsPump 2:Getter Pump(Al+O2)XValve ControllerSetpointFeedback(FromP.S.or PEM)+-+-(+)中频电源用于双靶磁控溅射电源nPE and PEII Series:5KW,10W,可以叠加到60KW,water-cooled,Freque

13、ncy:40KHznCrystal Series:60KW,120KW,180KW,water-cooled,Frequency:2080KHz,用于大面积溅射镀膜 中频电源种类中频电源种类电源射频电源输出曲线图 射频电源射频电源Plasma cloud-+-+-+-+-+-+Electrical insulatorRF voltage source+射频电源用于磁控溅射电源射频电源用于刻蚀 射频电源射频电源电源刻蚀示意图 射频电源射频电源Gas ionsphoto-resistGas ionsisotropicanisotropiclayer being etched电源射频电源用于PECVD 射频电源射频电源电源nDressler Cesar Series:300W,600W,1KW,1.2KW,2KW,2.5KW,3KW,5KW,Frequency:13.56MHznVM Matching Networks VM600A,VM1000A,VM1500,VM5000 射频电源种类射频电源种类nApex Series:1.5KW 5.5KW,Frequency:13.56MHznNavigator Matching Networks