实验4磁控溅射法制备薄膜材料

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1、实验4磁控溅射法制备薄膜材料一、实验目的1.掌握真空的获得2.掌握磁控溅射法的基本原理与使用方法3.掌握利用磁控溅射法制备薄膜材料的方法二、实验原理磁控溅射属于辉光放电范畴，利用阴极溅射原理进行镀膜。膜层粒子来源于辉光放电中，氮离子对阴极靶材产生的阴极溅射作用。氮离子将靶材原子溅射下來后,沉积到元件表面形成所需膜层。磁控原理就是采用止交电磁场的特殊分布控制电场中的电子运动轨迹，使得电子在正交电磁场中变成了摆线运动，因而大大增加了与气体分子碰撞的几率。用高能粒子（人多数是由电场加速的气体正离子）撞击固体表面（靶），使固体原子（分子）从表面射出的现

2、彖称为溅射。1.辉光放电：辉光放电是在稀薄气体中，两个电极之间加上电压时产生的一种气体放电现象。溅射镀膜基于荷能离子轰击靶材时的溅射效应，而整个溅射过程都是建立在辉光放电的基础之上的，即溅射离子都来源于气体放电。不同的溅射技术所采用的辉光放电方式有所不同，直流二极溅射利用的是直流辉光放电，磁控溅射是利用环状磁场控制下的辉光放电。如图1（a）所示为一个直流气体放电体系，在阴阳两极之间出电动势为的直流电源提供电压和电流，并以电阻作为限流电阻。在电路中，各参数之间应满足下述关系：V=E-IR使真空容器中Ar气的压力保持一定，并逐渐提高两个电极之间的电

3、压。在开始时，电极之间几乎没有电流通过，因为这时气体原子大多仍处于中性状态，只有极少量的电离粒子在电场的作用下做定向运动，形成极为微翦的电流，即图（b）中曲线的开始阶段所示的那样。图1直流气体放电随着电压逐渐地升高，电离粒子的运动速度也随之加快，即电流随电压上升而增加。当这部分电离粒子的速度达到饱和时，电流不再随电压升高而增加。此时，电流达到了一个饱和值（对应于图曲线的第一个垂直段）。当电压继续升高时，离子与阴极之间以及电子与气体分子之间的碰撞变得重耍起来。在碰撞趋于频繁的同时，外电路转移给电子与离子的能量也在逐渐增加。一方面，离子对于阴极的碰

4、撞将使其产生二次电子的发射，而电子能量也增加到足够高的水平，它们与气体分子的碰撞开始导致后者发生电离，如图（a）所示。这些过程均产生新的离子和电子，即碰撞过程使得离子和电子的数目迅速增加。这时，随着放电电流的迅速增加，电压的变化却不大。这一放电阶段称为汤生放电。在汤生放电阶段的后期，放电开始进入电晕放电阶段。这时，在电场强度较高的电极尖端部位开始出现一些跳跃的电晕光斑。因此，这一阶段称为电晕放电。在汤生放电阶段之后，气体会突然发生放电击穿现象。这时，气体开始具备了相当的导电能力，我们将这种具备了一定的导电能力的气体称为等离子体。此时，电路中的电

5、流大幅度增加，同时放电电压却有所下降。这是由于这时的气体被击穿,因而气体的电阻将随着气体电离度的增加而显著下降，放电区出原来只集中于阴极边缘和不规则处变成向整个电极表面扩展。在这一阶段，气体中导电粒子的数目大量增加，粒子碰撞过程伴随的能量转移也足够地大，因此放电气体会发出明显的辉光。电流的继续增加将使得辉光区域扩展到整个放电长度上，同时，辉光的亮度不断提高。当辉光区域充满了两极之间的整个空间之后，在放电电流继续增加的同时,放电电压又开始上升。上述的两个不同的辉光放电阶段常被称为正常辉光放电和异常辉光放电阶段。异常辉光放电是一般薄膜溅射或其他薄膜

6、制备方法经常采用的放电形式，因为它可以提供面积较大、分布较为均匀的等离子体，有利于实现大面积的均匀溅射和薄膜沉积。1.磁控溅射：平面磁控溅射靶采用静止电磁场，磁场为曲线形。其工作原理如下图所示。屯子在电场作用下，加速飞向基片的过程中与氮原子发生碰撞。若电子具有足够的能量（约为30eV）o时，则电离出Af并产生电子。电子飞向基片，Ai•+在电场作用下加速飞向阴极溅射靶并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子（或分子）沉积在基片上形成薄膜。二次屯子ei在加速飞向基片时受磁场B的洛仑兹力作用，以摆线和螺旋线状的复合形式在靶表面

7、作圆周运动。该电子d的运动路径不仅很长，而且被电磁场束缚在靠近靶表面的等离子体区域内。在该区中电离出大量的AT用来轰击靶材，因此磁控溅射具有沉积速率高的特点。随着碰撞次数的增加，电子⑵的能量逐渐降低，同时，⑵逐步远离靶面。低能电子&将如图中es那样沿着磁力线来回振荡，待电子能量将耗尽时，在电场E的作用下最终沉积在基片上。由于该电子的能量很低，传给基片的能量很小，使基片温升较低。在磁极轴线处电场与磁场平行，电子e2将直接飞向基片。但是，在磁控溅射装置屮，磁极轴线处离子密度很低，所以e2类电子很少，对基片温升作用不大。图2磁控溅射工作原理图嚴射靶磁

8、控溅射的基本原理就是以磁场改变电子运动方向，束缚和延长电子的运动路径，提高电子的电离概率和有效地利用了电子的能量。因此，在形成高密度等离子体的异常辉光