实验三十六 磁控溅射法制备导电薄膜

电子材料与元器件专业实验指导书PAGEPAGE144实验三十六磁控溅射法制备导电薄膜实验名称：磁控溅射法制备导电薄膜实验项目性质：综合训练所涉及课程：薄膜电子材料与元器件，电子信息材料科学基础，真空技术基础计划学时：3学时一、实验目的1．了解真空的获得方法和测量技术；2．了解机械泵、分子泵工作原理和操作方法；3．掌握物理汽相沉积法制备薄膜材料的原理和方法；4．掌握磁控溅射镀膜机的操作方法。二、实验原理1．真空的获得和测量见（实验一）2．磁控溅射法制备薄膜材料的原理溅射法是物理气相淀积薄膜的方法之一。溅射法是利用带电离子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的靶电极。在离子能量合适的情况下，入射离子在与靶表面原子的碰撞过程中使靶原子溅射出来。这些被溅射出来的原子将带有一定的动能，并沿一定方向射向衬底，从而实现了在衬底上的薄膜沉积。表征溅射特征得参量主要有溅射阈值，溅射率，溅射原子的速度和能量等。溅射阈值：采用溅射法制备的薄膜种类很多，所需要的靶材种类也很多。对于每一种靶材，都存在一个能量阈值，低于这个值就不会发生溅射现象。不同靶材其溅射阈值不同。溅射率：它表示正离子轰击作为阴极的靶材时，平均每个正离子能从靶材上打出的原子数目，就是被溅射出来的原子数与入射离子数之比。溅射率的大小与入射离子的能量、种类、靶材的种类，入射离子的入射角等因素有关。溅射原子的能量和速度：溅射原子的平均逸出能量，随入射离子能量的增加而增加；在相同轰击能量下，原子逸出能量随入射离子质量线性增加；不同靶材具有不同的原子逸出能量，溅射率高的靶材料，原子平均逸出能通常较低。具体溅射方式较多，例如直流溅射，射频溅射，磁控溅射，反应溅射，离子束溅射，偏压溅射等。也可根据实际应用，将上述各种方法结合起来构成某种新方法，如将磁控溅射和反应溅射结合起来就构成磁控反应溅射，磁控射频溅射等。磁控溅射技术作为一种沉积速率较高，工作气体压强较低的溅射技术具有其独特的优越性。因为速度为V的电子在电场E和磁感应强度B的磁场中运动时，既受电场力的作用，又受洛仑兹力的作用，则电子的运动轨迹将是沿电场方向加速，同时绕磁场方向螺旋前进电子的运动路径由于磁场的作用而大幅度地增加，提高了与原子的碰撞几率，从而有效地提高了气体的离化效率和薄膜的沉积速率。如图1所示。因此，磁控溅射比直流和射频溅射的沉积速率高很多，其原因：（1）磁场中电子的电离效率提高；（2）在较低气压下（0.1Pa)溅射原子被散射的几率减小，提高了入射到衬底上的原子的能量，从而提高薄膜的质量。图1磁控溅射的工作原理图三、实验内容采用磁控溅射沉积技术，在玻璃和硅衬底上镀金属Ta薄膜。四、实验仪器和实验材料磁控溅射镀膜机，超声波清洗仪，Ta靶，硅片，玻璃片，酒精，丙酮等。五、实验步骤1．清洗衬底把硅片和玻璃片放进烧杯中，倒入适量丙酮，超声清洗5分钟，倒掉丙酮，倒入酒精，再超声清洗5分钟。2．装样品（1）打开冷却水；（2）打开设备的总电源；（3）打开“放气阀”，反应室充气，充气完毕关“放气阀”；（4）按下溅射室盖“升”按钮，将盖缓缓升起；（5）将清洗好的衬底安装在“样品托”上；（6）按下溅射室盖的“降”按钮，让盖缓缓降下，下降过程中注意“盖”与“室”要对位好；3．抽真空（1）按下控制电源面板上的“机械泵”按钮，然后打开“V4”阀进行预抽真空；（2）打开复合真空计的电源，即可监测系统的真空度；（3）等到真空度低于30帕后，关闭“V4阀”，按下控制电源面板上的“电磁阀”按钮，同时打开分子泵总电源，预热10分钟；（4）按下分子泵控制面板上的“启动”按钮，启动分子泵，打开“闸板阀G”，抽高真空，真空度达到210-3Pa。4．通入工作气体（1）按下电离真空计的“功能”按钮，关闭电离真空计；（2）打开“V1”（3）打开氩气瓶的阀，打开气体流量计的总电源，把气体流量计的开关拨至“阀控”档,顺时针缓慢调节旋钮,磁控溅射的工作气压一般在3-5Pa,所以可适当调小“闸板法”的通道宽度，大约预留4~5个螺纹高度。5．镀膜（1）当真空室的压力稳定在3~5Pa的时候,顺时针调节直流电源的“功率微调”旋纽,直至起辉,当电压突然下降,电流表有读数时,可以观察到真空室辉光放电的现象;（2）继续提高功率至实验要求的功率,然后旋开挡板，按样品转动按钮,打开旋转开关,顺时针调2格左右,使样品台缓缓转动,以便得到均匀的薄膜，计时10分钟6．取样关机（1）实验完毕,缓慢逆时针调小功率开关,直到电压电流的读数为0,关闭电源;（2）气体流量计读数调为0,开关拨到“关闭”档，关总电源;（3）关闭气瓶阀,关真空计;（4）关闭V1阀，关闭闸板阀G，关分子泵的停止按钮，直到分子泵的频率从600降到0时才可以关分子泵总电源;（5）关闭电磁阀,关机械泵，充气取样；（6）取完样品，关闭反应室，开机械泵，开V4阀，真空度达到10Pa以下，关V4阀，关机械泵，关总电源；（7）关水。六、实验报告要求实验目的；实验内容；实验设备（仪器），材料；实验方案设计；实验数据记录与处理；实验结果测试与分析；总结。七、考核型式书面实验报告及实际操作相结合。思考题溅射法制备薄膜材料时，如果靶材料是导电性好，可以用直流电源溅射，如果靶材料是绝缘材料或导电性差，必须用射频电源，请分析其物理原因。注意事项：1．真空室内有真空时，严