实验一磁控溅射法制备薄膜材料
一、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。
二、 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。
三、 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 1.33Pa的Ne为
例，其关系如图5 -1 所示。
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
出
电ift密度
图5-1气体直流辉光放电的形成
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?0.1A/cm 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 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。
（氧化物薄膜），这就是反应溅
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四、实验内容
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1、 在教师指导下学生查阅有关文献，了解磁控溅射制备薄膜的原理； 2、 在教师指导下，学习磁控溅射镀膜机的正确使用； 3、 在教师指导下，按照实验程序进行薄膜制备实验；MltH 1） 、开相关设备的电源，并开冷却水和空压机；电\ 2） 、打开放气阀，待没有气压声时打开真空室大门； 3） 、把玻璃样品安放在靶台的适当位置，关闭真空室大门；
4） 、关闭放气阀，打开机械泵控制电源，然后打开旁抽阀，开始抽真空，直 到真空度低于5Pa；
5） 、关闭旁抽阀，打开前级阀，开分子泵电源，逐渐打开翻板阀，开始抽真 空，此时分子泵的转速为8400r/s,频率为135Hz。当真空度为3X10-3Pa时，分 子泵转速为2700r/s，频率为450Hz,电压55V，电流3.3A;
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磁控溅射法制备薄膜材料实验报告
