磁控溅射法制备薄膜材料实验报告.doc

实验一磁控溅射法制备薄膜材料
实验目的
1、详细掌握磁控溅射制备薄膜的原理和实验程序;
2、制备出一种金属膜,如金属铜膜;
3、测量制备金属膜的电学性能和光学性能;
4、掌握实验数据处理和分析方法,并能利用 Origin 绘图软件对实验数据进行处理和分析。
实验仪器
磁控溅射镀膜机一套、万用电表一架、紫外可见分光光度计一台;玻璃基片、金属铜靶、氩气等实验耗材。
实验原理
1、磁控溅射镀膜原理
(1)辉光放电
溅射是建立在气体辉光放电的基础上,辉光放电是只在真空度约为几帕的稀薄气体中,两个电极之间加上电压时产生的一种气体放电现象。辉光放电时,两个电极间的电压和电流关系关系不能用简单的欧姆定律来描述,以气压为 的 Ne 为例,其关系如图 5 -1 所示。

图 5-1 气体直流辉光放电的形成
当两个电极加上一个直流电压后,由于宇宙射线产生的游离离子和电子有限,开始时只有很小的溅射电流。随着电压的升高,带电离子和电子获得足够能量,与中性气体分子碰撞产生电离,使电流逐步提高,但是电压受到电源的高输出阻抗限制而为一常数,该区域称为
“汤姆森放电”区。一旦产生了足够多的离子和电子后,放电达到自持,气体开始起辉,出现电压降低。进一步增加电源功率,电压维持不变,电流平稳增加,该区称为“正常辉光放电”区。当离子轰击覆盖了整个阴极表面后,继续增加电源功率,可同时提高放电区内的电压和电流密度,形成均匀稳定的“异常辉光放电”,这个放电区就是通常使用的溅射区域。随后继续增加电压,当电流密度增加到~ 2时,电压开始急剧降低,出现低电压大电流的弧光放电,这在溅射中应力求避免。
(2)溅射
通常溅射所用的工作气体是纯氩,辉光放电时,电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞,电离出大量的氩离子和电子,电子飞向基片。氩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,这些被溅射出来的原子具有一定的动能,并会沿着一定的方向射向衬底,从而被吸附在衬底上沉积成膜。这就是简单的“二级直流溅射”。
(3)磁控溅射
通常的溅射方法,溅射沉积效率不高。为了提高溅射效率,经常采用磁控溅射的方法。磁控溅射的目的是增加气体的离化效率,其基本原理是在靶面上建立垂直与电场的一个环形封闭磁场,将电子约束在靶材表面附近,延长其在等离子体中的运动轨迹,提高它参与气体分子碰撞和电离过程的几率,从而显著提高溅射效率和沉积速率,同时也大大提高靶材的利用率。其基本原理示意见图 5-2。
图 5-2 磁控溅射镀膜原理
磁控溅射能极大地提高薄膜的沉积速度,改善薄膜的性能。这是由于在磁控溅射时气体压力减小了,使薄膜中嵌入的气体杂质减少,薄膜表面气孔减少而密实,膜面均匀一致。
磁控溅射可以分为直流磁控溅射和射频磁控溅射,射频磁控溅射中,射频电源的频率通常在 5~ 30MHz。溅射过程中还可以同时通入少量活性气体(如氧气),使它和靶材原子在基片上形成化合物薄膜(氧化物薄膜),这就是反应溅射。
2、溅射装备
以平面溅射方式为例,如图 5-3 所示的溅射装置图。在真空室中,基片与圆形靶表面正对且用带孔挡板隔开,其中阴极靶用循环水冷却,基片架上附有加热或通冷却水装置。

实验内容
1、在教师指导下学生查阅有