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。 精品文档，超值下载
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。
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～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 （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。
四、实验内容
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； 1）、开相关设备的电源，并开冷却水和空压机； 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3×10-3Pa时，分子泵转速为2700r/s，频率为450Hz，电压55V，电流3.3A；
6)、打开氩气瓶和对应的MCF控制阀，MCF流量显示仪打到阀控位置，然后调节流量为20SCCM（即标况下20mL/min），此时真空室气压为5.5×10-2Pa缓慢调节翻板阀开口的大小，调节真空室气压至1到2Pa之间（本实验为1.6Pa）； 7)、打靶台挡板开直流电源开关，调节功率，可以观察到，当为10W左右时，开始出现辉光，并且辉光呈绿色，并随功率的增大颜色变亮； 8)、开样品挡板开始溅射；
9)、停止溅射：将功率逐渐调制0，并关闭溅射电源，关闭氩气瓶和对应的MCF控制阀；关闭翻板阀，关闭分子泵电源，直到分子泵频率和转速都降为0时，关闭前级阀；关闭机械泵；
10)、开放气阀，直至没有气流声，然后打开真空室大门，取出样品，可观察到玻璃样品上已镀上一层银白色的膜。
11)、关闭真空室并将其抽至低真空，然后关闭空压机、水冷系统等，并切断总电源。
4、在教师指导下测量薄膜的电学和光学性质； 5、对薄膜性能进行分析； 6、总结实验结果，撰写实验报告。
五、实验数据与数据处理
在实验中，老师对电镀薄膜进行了时间控制，时间分别控制在10s和60s。这两种的放射率测量的结果如下图：
电镀10秒的薄膜
电镀60秒的薄膜
六、实验结论
从上面两幅波长与反射率的关系可以看出:
磁控溅射法制备薄膜材料实验报告
