《犹太人经商智慧》青少年教育文学丛书.pdf

实验一磁控溅射法制膜
一、实验目的
掌握磁控溅射法制膜的基本原理
了解多功能磁控溅射镀膜仪的结构、操作过程及使用范围
学习用磁控溅射法制备金属薄膜

二、实验原理
1、溅射
简单的溅射装置图
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(),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;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:300~800V,磁场约:50~300G,气压:1 ~10 mTorr,电流密度:4~60mA/cm,功率密度:1~40W/cm,对于不同的材料最大沉积速率范围从100nm/min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50~30MHz。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、实验设备
实验采用FJL600E1型超高真空磁控溅射与离子束溅射镀膜系统。本系统主要由磁控溅射室、磁控溅射靶、样品水冷和加热炉转盘、直流电源、射频电源、离子束溅射室、Kaufman离子枪及电源、四工位转靶、加热转盘、进样室、样品库、RF反溅靶、样品退火炉、磁力送样机构、泵抽系统、真空测量系统、气路系统、电控系统和微机控制镀层系统组成。
四、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,~10×10-2Pa。
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,停抽真空,关主机电源及冷却水。
五、思考题:
磁控溅射镀膜仪有哪些类型
磁控溅射镀膜的适用范围
【注意事项】
真空罩一定要与底座密合好
磁控靶、离子枪、分子泵及水冷盘工作时,一定要通水冷却。
磁控溅射室