真空知识培训2011.03.04

真空知识培训田晓智2011.3Sputter设备真空检漏真空环境真空如何获得真空如何测量真空应用真空应用粗真空：105～103Pa（真空输送）低真空：103～10-1Pa（真空干燥）高真空：10-1～10-6Pa（真空冶金、真空镀膜）超高真空：10-6～10-10Pa（空间环境模拟）极高真空：10-10Pa（离子加速器，热核反应）1.真空简介2.真空如何获得3.真空如何测量4.真空检漏5.真空镀膜种类6.sputter设备简介真空的概念：1.“真空”一词来自希腊语，原本是“虚无”的意思。2.真空”定义：在给定空间内，低于一个大气压的气体状态。3.不同的真空状态，就意味着该空间具有不同的分子数密度。在标准状态下：（STP：即0℃，101325Pa）气体的分子数密度为2.6870×1025m-3（2.6870×1019cm-3）5.外太空10-14Pa完全没有气体的空间状态称为绝对真空。绝对真空实际上是不存在的。常用压强单位换算表单位Pa帕Torr托mbar毫巴atm大气压1Pa17.5×10-310-29.86923×10-61Torr133.3211.33321.31579×10-31mbar1027.5×10-119.86923×10-41atm1013257601013.2511Pa=1N/㎡1atm=105Pa=760Torr1Torr=1mmHg=133Pa1mbar=100Pa真空度（Pa）分子数（个/cm3）1×1052.7×10191×1002.7×10141×10-42.7×10101×10-82.7×106不同压强下空气分子密度粗真空：105～103Pa（真空输送）低真空：103～10-1Pa（真空干燥）高真空：10-1～10-6Pa（真空冶金、真空镀膜）超高真空：10-6～10-10Pa（空间环境模拟）极高真空：10-10Pa（加速器，热核反应）真空区域划分1.真空简介2.真空如何获得3.真空如何测量4.真空检漏5.真空镀膜种类6.sputter设备简介抽气速率单位换算表单位立方米/秒(m3/s)升/秒(L/s)立方米/小时1立方米/秒(1m3/s)1100036001升/秒(1L/s)10-313.61立方米/小时(1m3/h)2.78×10-40.2781真空泵：是用以产生、改善和维持真空的装置。真空泵分类：1.气体传输泵2.气体捕集泵3.动量传输泵1.气体传输泵：①往复真空泵②旋片真空泵③干封式真空泵④液环式真空泵⑤罗茨泵1.1.1旋片泵图片1.1.2旋片泵工作原理图1.2.1罗茨泵图片1.2.2罗茨泵工作原理图1.3.1滑阀泵图片1.3.2滑阀泵工作原理图↙↑2.气体捕集泵①吸附泵②吸气剂泵③吸气剂离子泵：蒸发、溅射离子泵④低温泵(杜瓦瓶)2.3.1溅射离子泵•溅射离子泵是目前采用最广泛的清洁真空泵，它具有工作压强宽广、极限压强低，对惰性气体抽速大、无噪声、无振动、寿命长，操作方便等优点。•原理：气体分子电离，与钛原子结合沉积在阳极筒内壁和阴极板上（化学吸附），维持抽速。（-钛板）（+不锈钢筒）（-钛板）（磁场）•极限真空6.6×10-9Pa。2.3.2溅射离子泵图片2.4.1低温泵原理利用低温表面冷凝气体的真空泵，又称冷凝泵。低温泵是获得清洁真空的极限压力最低、抽气速率最大的真空泵，广泛应用于半导体和集成电路的研究和生产，以及分子束研究、真空镀膜设备、真空表面分析仪器、离子注入机和空间模拟装置等方面。2.4.2低温泵图片3.动量传输泵1.分子泵：a牵引分子泵b涡轮分子泵c复合分子泵（a、b串联）2.喷射真空泵3.扩散泵4.扩散喷射泵5.离子传输泵•原理：高速运动的刚体表面对气体分子携带（牵引分子泵）；何式系数（涡轮分子泵）•实现抽气的条件：泵在分子流状态下启动；转子高速旋转。•特点：启动快，操作方便，在1~10-8Pa范围内抽速大，可以获得无油真空。•极限真空度：10-8Pa•前级压强：10Pa•缺点：结构复杂，维护、维修困难，冷却系统要求严格3.1.1分子泵原理3.1.2分子泵图片•原理：气体分子扩散进入高速定向蒸汽流，气流携带分子实现抽气。•特点：结构简单，操作、维修方便，在10-1~10-4Pa范围内抽速大，可以获得无油真空。•极限真空度：10-5Pa•前级压强：40Pa•缺点：返油，不能获得清洁的真空。3.3.1扩散泵原理3.3.2扩散泵图片干式泵(不用油类或者液体密封的变容真空泵)涡旋干式真空泵：◇无油、无污染◇低噪音、低振动◇使用寿命长◇空气冷却◇配气镇阀、可抽可凝性气体主要用途：◇半导体制备设备与处理室抽真空泵；◇用于液晶注入系统；◇分子泵真空系统的前级泵；◇真空密封泵；◇冷泵前级；◇用于科学和化学分析仪器；◇真空发生器；1.真空简介2.真空如何获得3.真空如何测量4.真空检漏5.真空镀膜种类6.sputter设备简介1.真空仪表2.真空规分类：热偶真空计•真空仪表分为：电阻真空计复合真空计电离真空计全量程复合规•真空规管分为：热偶规电阻规电离规1、电阻规⑴工作原理：管内封装一根电阻丝，电阻丝用导线引出管壳，接至测量电路。由测量电路用一定的电压或电流对电阻丝进行加热，在较低压强下，电阻丝的电阻值取决于它周围气体的压强。⑵压力测量范围：101325～10-1Pa2、热偶规⑴工作原理：根据在低压下，气体分子热传导与压力有关的原理制成的。它是在玻璃管壳中由边杆支撑一根热丝，热丝通以电流加热，使其温度高于周围气体和管壳的温度，于是在热丝和管壳之间产生热传导。当达到热平衡时，热丝的温度决定于气体热传导，因而也就决定于气体压力。⑵压力测量范围：102～10-2Pa上为电阻规，下为热偶规3、电离规：冷阴极、热阴极•压力测量范围：10-1～10-5Pa由于电子的平均自由程小,气体在10-1Pa以上,气体不能电离.所以不能反映气压,在10-5Pa以下,会产生光电子,造成指示不准确.•工作原理(下述1.2.3.)(1)电子在电场中飞行时从电场获得能量，若与气体分子碰撞，将使气体分子以一定几率发生电离，产生正离子和次级电子。其电离几率与电子能量有关。电子在飞行路途中产生的正离子数，正比于气体密度n,在一定温度下正比于气体的压力p。因此，可根据离子电流的大小指示真空度。这就是电离真空计工作原理。由灯丝加热提供电子源的电离真空计称为热阴极电离真空计，其型式繁多，各具不同特点和适用不同的压力测量范围。热阴极电离真空计由测量规管(或规头)和电气测量电路(真空计控制单元和指示单元)组成。规管功能是把非电量的气体压力转换成电量——离子电流(2)当气体导电时，电子与气体分子的碰撞频率跟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，气体中的电流就越强。又由于气体分子的密度与气体的压强是直接相关的，因此，测定了气体中电流的大小，即可确定气体的压强。根据上述原理即可制成热阴极电离真空计。最简单的热阴极电离真空计就是一只三极管，F是灯丝电路，通电流后使灯丝受热向外发射电子。在栅极（阳极）上加一正电压，这一正电压可吸引和加速由灯丝发射出来的电子。被加速的电子穿过栅极后，因板极B的电压对栅极为低的负电压，因此电子又被板极推回，再加速向栅极返回。这样，电子在往返的运动中就与其中的气体分子碰撞，使分子电离，变成正离子和二次电子，而正离子将被板极所吸引，在板极电路中形成电流。(3),热电子向处在正电位的加速极飞去,一部分被加速极吸收,另一部分穿出加速极栅间空隙继续向离子收集极飞去,由于收集极是负电位,电子在靠近收极集时受到电场的推斥而返回,在加速极栅间作来回振荡,直到被加速极吸收为止,电子在飞行路程中不断跟管内的气体分子碰撞,使气体电离,正离子被收集极收集,这样在回路中产生了离子流ZJ-2型高真空热阴极电离规主要技术参数1.测量范围：1.3×10-1～1.33×10-5Pa。2.灯丝电压：6V～16V3.灯丝电流：1.5A4.发射电流：5Ma5.加速极电压：≤250V6.离子收集极电压：-25V7.规管常数：0.15±10%Pa-1。8.开封前检查规管真空度不能低于5×10-2Pa。9.规管连接方向最好与水平垂直。10.规管除气，其真空度不应低于5×10-3Pa。4.全量程真空规•全量程真空规灯丝抗氧化能力强，允许瞬间暴露大气。•101325～5×10-7Pa1.真空简介2.真空如何获得3.真空如何测量4.真空检漏5.真空镀膜种类6.sputter设备简介常用的方法：1.粗真空检漏-渗透法、火焰法2.高真空检漏-氦质谱检漏仪检漏的基本概念：真空检漏就是检测真空系统的漏气部位及其大小的过程。N----离化室F-----灯丝S1----离子加速极S2----出口缝隙S-----抑制栅D----收集极2----氦离子束1,3–其他离子束氦质谱检漏原理：分析模块1:涡轮分子泵2:离子源3:前置放大器4:质谱仪5:测试漏孔TL76:真空计PSG4007:吸入器阀8:吸入器管线连接件9:支架构件检漏示意图1:质谱仪2:带进气口组件的涡轮分子泵3.LDS1000的真空计4:选件:内部测试漏孔5:选件:泵模件6:测试室真空计7:试件8:测试室9:测试气10:泵阀11:真空泵系统12:进气口阀1.真空简介2.真空如何获得3.真空如何测量4.真空检漏5.真空镀膜方法6.sputter设备简介薄膜的制备方法•气相法：化学气相沉积（CVD）物理气相沉积（PVD）•液相法：化学镀、电镀、浸渍镀、溶胶-凝胶等。•其他方法：喷涂、涂敷等。•CVD（化学气相沉积）指把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其它气体引入反应室，在衬底表面发生化学反应生成薄膜的过程。分类：常压化学汽相淀积(APCVD)、低压化学汽相淀积(LPCVD)、等离子体增强化学汽相淀积（PECVD）、金属有机化学汽相淀积(MOCVD)等。•PVD（物理气相沉积）指在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。分类：蒸发、溅射（RF射频、MF中频、DC直流）、离子镀、分子束外延等。在压力为102～10-1Pa的容器内，在两个电极之间加上直流电压后就会发生如下图所示的放电过程PVD（溅射）通过电场加速离子产生溅散作用辉光放电区域划分溅射及成膜示意图磁控溅射横截面磁控溅射原理：通过磁场，增长电子运动轨迹，从而提高碰撞、电离工艺气体的几率。磁控溅射的优点•沉积速率高：电离效率高/原子散射几率小•工作气压低：降低污染/提高原子能量磁控溅射的缺点•对靶材溅射不均匀•不适合于铁磁材料磁控溅射中电子运动轨迹的加长磁力线走廊不闭合时，总体溅射率降低，缺口处几乎没有任何溅射-------磁力线走廊必须封闭。1.真空简介2.真空如何获得3.真空如何测量4.真空检漏5.真空镀膜种类6.sputter设备简介Sputter设备组成真空箱体、传动系统、抽气系统、冷却系统、各类气体系统、镀膜系统、电源系统、控制系统等国产TCO前电极镀膜设备国产ITO、AZO镀膜设备背电极TCO镀膜设备设备规格：•常温成膜方式，生产节拍：33~35s；•基板玻璃尺寸：W(1100mm)×L(1300mm)，厚度：3mm~5mm•设备尺寸:21.0m×3.5m×2.80m（仅指设备本身的尺寸）镀膜参数•AZO:标准厚度为100nm±2.5nm、面电阻为:＜300[Ω/□]•Al:标准厚度为200nm±5nm、面电阻为＜0.5[Ω/□]•NiV:标准厚度为50nm±1.25nm、面电阻？设备配置简图：箱体作用本底压强漏率C1/C7上下料室≤1x10-1Pa≤10-4Pal/sC2/C6缓冲室≤3x10-4Pa≤10-4Pal/sC3/C5传输室≤1.5x10-4Pa≤10-4Pal/sC4工艺室≤1.5x10-4Pa≤10-4Pal/sAZOAg(预留)AlNiVC1C2C3C4C5C6