实验七磁控溅射法制膜

1、实验十二、薄膜的磁控溅射法合成与设计一、实验目的1 掌握磁控溅射法制膜的基本原理2 了解多功能磁控溅射镀膜仪的操作过程及使用范围3 学习用磁控溅射法制备金属薄膜4 学习用万用表测量薄膜的电阻二、实验原理1、溅射溅射是入射粒子和靶的碰撞过程。入射粒子在靶中经历复杂的散射过程，和靶原子碰撞，把部分动量传给靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成级联过程。在这种级联过程中某些表面附近的靶原子获得向外运动的足够动量，离开靶被溅射出来。溅射的特点是：(1) 溅射粒子 (主要是原子，还有少量离子等 ) 的平均能量达几个电子伏，比蒸发粒子的平均动能kT 高得多 (3000K 蒸发时平均动能仅 0.26eV)

2、 ，溅射粒子的角分布与入射离子的方向有关。 (2) 入射离子能量增大(在几千电子伏范围内)，溅射率 (溅射出来的粒子数与入射离子数之比增大。入射离子能量再增大，溅射率达到极值； 简单的溅射装置图能量增大到几万电子伏，离子注入效应增强，溅射率下降。 (3)入射离子质量增大，溅射率增大。(4)入射离子方向与靶面法线方向的夹角增大，溅射率增大(倾斜入射比垂直入射时溅射率大)。 (5) 单晶靶由于焦距碰撞(级联过程中传递的动量愈来愈接近原子列方向) ，在密排方向上发生优先溅射。(6) 不同靶材的溅射率很不相同。2、磁控溅射通常的溅射方法，溅射效率不高。为了提高溅射效率，首先需要增加气体的离化效率。为了

3、说明这一点，先讨论一下溅射过程。当经过加速的入射离子轰击靶材(阴极 )表面时，会引起电子发射，在阴极表面产生的这些电子， 开始向阳极加速后进人负辉光区，并与中性的气体原子碰撞，产生自持的辉光放电所需的离子。这些所谓初始电子(primary electrons )的平均自由程随电子能量的增大而增大，但随气压的增大而减小。在低气压下， 离子是在远离阴极的地方产生，从而它们的热壁损失较大，同时，有很多初始电子可以以较大的能量碰撞阳极，所引起的损失又不能被碰撞引起的次级发射电子抵消，这时离化效率很低，以至于不能达到自持的辉光放电所需的离子。通过增大加速电压的方法也同时增加了电子的平均自由程，从而也不能

4、有效地增加离化效率。虽然增加气压可以提高离化率，但在较高的气压下，溅射出的粒子与气体的碰撞的机会也增大，实际的溅射率也很难有大的提高。如果加上一平行于阴极表面的磁场，就可以将初始电子的运动限制在邻近阴极的区域，从而增加气体原子的离化效率。常用磁控溅射仪主要使用圆筒结构和平面结构，如图所示。这两种结构中， 磁场方向都基本平行于阴极表面，并将电子运动有效地限制在阴极附近。磁控溅射的制备条件通常是，加速电压：300800V ，磁场约： 50300G ，气压： 1 10 mTorr ，电流密度： 460mA/cm 2，功率密度： 140W cm 2 ，对于不同的材料最大沉积速率范围从100nm min

5、 到 1000nm min 。同溅射一样，磁控溅射也分为直流(DC) 磁控溅射和射频 (RF)磁控溅射。射频磁控溅射中，射频电源的频率通常在5030MHz 。射频磁控溅射相对于直流磁控溅射的主要优点是，它不要求作为电极的靶材是导电的。因此，理论上利用射频磁控溅射可以溅射沉积任何材料。由于磁性材料对磁场的屏蔽作用，溅射沉积时它们会减弱或改变靶表面的磁场分布，影响溅射效率。因此，磁性材料的靶材需要特别加工成薄片，尽量减少对磁场的影响。两种磁控溅射源的示意图，圆筒结构(a)和平面结构 (b)三、操作过程1 用超声波发生器清洗基片， 清洗过程中加入洗液， 清洗干净后在氮气保护下干燥。 干燥后，将基片倾

6、斜 45o角观察，若不出现干涉彩虹，则说明基片已清洗干净。2 将样品放入样品室内。3 检查水源、气源、电源正常后，打开冷却水循环装置。4抽真空。首先用机械泵抽真空，室内气压达到极限10Pa 后，关上机械泵，然后改用分子泵抽真空，使室内气压达到3× 10-3Pa 以下。5关闭分子泵，机械泵仍然工作，开始放入Ar 气体，关小机械泵阀门，使Ar 气压在8.010× 10-2 Pa。6 在两极之间加上电压，对基片进行溅射镀膜7 薄膜制备完以后，了解万用表的用法，测出薄膜的电阻四、思考题：1 磁控溅射镀膜仪有哪些类型2 磁控溅射镀膜的适用范围【注意事项 】1 真空罩一定要与底座密合好2 实验开始抽真空时，则需要先按下低真空键，等气压达到0Pa时，