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磁控溅射简介 许健 引言 1842年格洛夫 Grove 在实验室中发现了阴极溅射现象 迄后70年中 由于实验条件的限制 对溅射机理的认同长期处于模糊不清状态 1970年后出现了磁控溅射技术 最近15年来 进一步发展了一系列新的溅射技术 使得磁控溅射技术从实验室应用技术真正地进入工业化大量生产的应用领域 真空溅射原理 原理 真空镀膜是借助高能粒子轰击所产生的动量交换 把镀膜材料的原子从固体 靶 表面撞出并放射出来 放在靶前面的基材拦截溅射出来的原子流 后者凝聚并形成镀层 阴极发射电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与溅射气体原子发生碰撞 电离出大量的正离子和电子 电子飞向基片 正离子在电场的作用下加速轰击靶材 溅射出大量的靶材原子 呈中性的靶原子 或分子 沉积在基片上成膜 溅射示意图 溅射后的现象 1kev的离子能量下 溅射出的中性粒子 二次电子和二次离子之比约为1000 10 1 一般射频溅射面临的问题 缺点 1 溅射压强高 污染严重 薄膜纯度差2 不能抑制由靶产生的高速电子对基板的轰击 基片温升高 淀积速率低3 灯丝寿命低 也存在灯丝对薄膜的污染问题 磁控溅射的应用 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 具有低温 高速两大特点 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 F q E v B 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 磁控溅射靶表面的磁场和电子运动的轨迹 磁控溅射 工作示意图 磁控溅射 工作示意图 磁控溅射装置实物图 磁控溅射装置实物图 磁控溅射装置示意图 溅射系统 真空控制系统 机械泵 分子泵 气体流出阀 plug inboardsvalve 充气阀 混合真空计真空腔内压强物质流量控制计气体溅射流量 溅射的温度控制 基板温度 最大电压 温度 溅射的电压电流监控 电流 电压 功率 磁控溅射法制备CdS薄膜 射频磁控溅射系统本实验采用射频磁控溅射方法制备CdS薄膜 靶材为高纯CdS 99 99 直径为76mm 厚度为3 2mm 衬底为已经清洗过的导电玻璃 在实验过程中引入高纯Ar 99 9 为溅射气体 衬底的清洗 1 用烧杯将衬底浸在分析纯酒精溶液中 超声波清洗10分钟 2 倒掉酒精 灌入去离子水 超声波清洗5分钟 3 采用去离子水清洗衬底2 3次 直到衬底完全干净 衬底烘干后待用 实验步骤 5 加热衬底至预定温度 6 开射频源起辉 以较低功率对靶材预溅射5分钟 7 调节射频功率使之达到实验要求 待电流电压稳定后 移开挡板 开始沉积薄膜 8 维持溅射条件 至预设时间 本实验溅射时间设为1 5小时 后关射频源 停止起辉 取出样品 1 将已经清洗好的导电玻璃衬底固定在样品托上 2 给靶材挡上挡板 3 关好各气阀先后利用低 高阀抽真空 直至真空度达到标准气压 4 通入适量的高纯气体 并根据实验设计 用质量流量