实验四
磁控溅射技术镀膜实验

一、实验目的

（1）了解磁控溅射镀膜的工作原理。

（2）了解简单磁控溅射镀膜设备的安装过程。

（3）掌握磁控溅射镀膜设备的操作使用方法。

二、实验原理

磁控溅射是20世纪70 年代在阴极溅射的基础上加以改进而发展起来的一种新型溅射镀膜方法。它克服了阴极溅射速率低、基片升温高的致命弱点，并获得了迅速的发展和广泛的应用。磁控溅射具有高速、基片低温和沉积膜损伤低等优点。

磁控溅射的工作原理如图4－1所示，电子e在电场E的作用下，在飞向基板的过程中与Ar原子发生碰撞，使其电离出Ar ^＋ 和一个新的电子e，电子飞向基片，Ar ^＋ 在电场的作用下加速飞向阴极靶，并以高能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则由于不显电性而直接沉积在基片上形成薄膜。二次电子e一旦离开了靶面，就会同时受到电场和磁场的作用，产生 E （电场）× B （磁场）所指的方向漂移，简称 E × B 漂移，其运动轨迹近似一条摆线。若为环形磁场，则电子以近似摆线的形式在靶表面做圆周运动，它们的运动路径不仅很长，还被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，并且在该区域中电离出大量的Ar来轰击靶材，从而实现了较高的沉积速率。随着碰撞次数的增加，二次电子e的能量消耗殆尽，逐渐远离靶表面，并在电场E的作用下最终沉积在基片上。由于该电子的能量很低，传递给基片的能量很小，致使基片温升较低。

综上所述，磁控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，与靶原子碰撞，把部分动量传给靶原子，此靶原子又与其他靶原子碰撞，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。

磁控溅射是以磁场来改变电子的运动方向，并束缚和延长电子的运动轨迹，从而提高电子对工作气体的电离概率和有效利用电子的能量。因此，正离子对靶材轰击所引起的靶材溅射更加有效。同时，受正交电磁场束缚的电子又只能在其能量要耗尽时才沉积在基片上，所以磁控溅射具有低温、高速这两大特点。

三、实验仪器

本实验采用合肥科晶材料技术有限公司生产的VTC－16－ D型等离子磁控溅射镀膜仪制备金属薄膜，其设备主要由溅射真空石英腔室、磁控溅射靶、基片台、工作气路、抽气系统、靶头支撑架、真空测量及电控系统等部分组成，主体结构如图4－2所示。

四、实验步骤

1．实验设备安装

（1）连接真空泵。

（2）连接气瓶。

（3）接入总机电源、真空泵电源，打开控制线路空气开关。

（4）安装靶。

2．实验操作使用

（1）盖好上盖，拧紧上盖的放气阀和前面板上的可调微进气阀。

（2）将要镀膜的基片放在靶材正下方的基片平台上。

（3）旋转上盖上方的指针，使不锈钢挡片正好挡住靶材溅射方向。

（4）打开真空泵，开始抽腔室中的气体，可根据实验要求决定是否进行清洗。

清洗过程：抽真空到1Pa左右，打开气瓶（气瓶请安装减压阀），打开微量调节阀，使腔内气压保持在10Pa左右，这样一边抽真空一边充气清洗，持续5min，关闭微量调节阀抽真空到1Pa以下，如此反复洗气3～5次（清洗过程也可根据实验要求自行调整）。清洗结束后将真空度调到2Pa左右（可根据实验要求自行调整真空度）。

（5）按下“Test”键（真空度需要在5Pa以下），设备启辉正常，电流表显示当前的电流值。一般正常溅射电流为20～50mA（不同的靶材所需的电流和真空度是不一样的，需要通过反复实验来确定）。

（6）按下“Test”键、电流满足要求后，通过定时器调整溅射时间（120s），按下“Start”键，“Sputtering”指示灯亮，调节电流旋钮到所需的电流值，设备开始预溅射，到达溅射时间后，预溅射结束。

（7）旋转上盖上方的指针，使不锈钢挡片远离靶材溅射方向，然后按下“Start”键，“Sputtering”指示灯亮，设备开始按设定的电流和时间溅射，直至溅射时间结束。

五、问题与思考

（1）使用等离子磁控溅射镀膜仪制备薄膜时，腔内气压、溅射电流和溅射时间的调控范围是多少？Au、Ag和Cu等金属薄膜材料溅射电流的适宜范围是多少？

（2）使用等离子磁控溅射镀膜仪制备薄膜时，有哪些方法可以调节气压？进行启辉时有哪些常用的技巧？

（3）使用等离子磁控溅射镀膜仪制备薄膜时，薄膜的厚度主要受哪些因素的影响？ 7iHZFt8P2EKMPanHVIcqcfBgaSL6s0Va6LG1P9i2SZ1GNgArJxylswdscO+hMhER