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。 

       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。

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电子科技大学

实验报告

姓名：郭章

学号：2010054020022

指导教师：许向东

日期：20xx年6月12日

一：实验室名称：光电楼薄膜制备实验室

二：实验项目名称：薄膜制备工艺流程

三：实验原理 1，磁控溅射原理：

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，呈中性的靶原子（或分子）沉积在基片上成膜。

利用 Ar一02混合气体中的等离子体在电场和交变磁场的作用下，被加速的高能粒子轰击靶材表面，能量交换后，靶材表面的原子脱离原晶格而逸出，转移到基体表面而成膜。

2，实验室采用的为CK-3磁控溅射沉积真空系统，真空度可达10-3pa。溅射在靶原子沉积之后需要对其进行退火，实验室的的退火温度约为3000c。此外溅射系统采用直流与射频两种电源模块，能够自由相互转换。其中直流多对于到点靶材，而射频溅射则可对绝缘体进行溅射。

四，实验目的：

1，了解真空溅射技术在实际中的应用。

2，掌握基本的真空溅射镀膜方法

3，了解实验中的注意事项

五，实验内容

对真空溅射镀膜技术的参观以及反思

六，实验器材

CK-3磁控溅射沉积高真空系统

七，实验步骤

1) 开循环水电源、阀门；开总控电源，确认电源指示灯正常

2) 打开真空机，开机械泵，角阀A，到真空度达到20Pa后，关闭角阀A，开启角阀c

3) 设置基地加热温度，开基片架旋转开关和调节转速，开溅射电源。

4) 关闭闸板阀，开角阀B

5) 开溅射电源进行溅射。

6) 溅射结束，关闭溅射电源

7) 关闭质量流计，设置降温温度。

8) 关闭基片旋转和这么空寂，关闭角阀B，开放气阀。

9) 升起钟罩，取出样品，然后关闭钟罩，关闭角阀C，开角阀A。

10) 关闭总电源，关冷却水，关闭空气压缩机阀门。

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黑色实验总结

1、材料对比

⑴ TiC

TiC是最常见、最经济的一种黑色硬质膜。颜色可以做到比较深，耐磨性能也很好，但其色调不够纯正，总是黑中略带黄色。并且由于钛的熔点相对较低，在溅射时易出现大的颗粒，使其光令度不易得到改善。防指印的能力也不好，擦后变黄、变朦。

⑵ CrC

CrC的总体色调相对TiC要好，虽然达不到TiC那样黑，但更纯正，带白。由于铬在溅射时直接由固态直接变为气态，故虽然铬的溅射系数很大，膜层沉积速率很快，但其光令度却比TiC好。防指印性能也比TiC好。Cr为脆性材料，膜层的残余应力对耐磨性能的影响尤为重要。

⑶ TiAlC

由于铝有细化晶粒的作用，所以TiAlC膜层的光令度和防指印的能力均较好。但是铝的熔点很低，要求铝靶的冷却效果要好，施加在铝靶上的功率也不能太大。从TiAlC膜层本身来说，也要求铝的含量要低，不然不够黑。但如果铝靶的功率太低，很容易中毒。建议采用平面铝靶或使用一定铝含量的铝钛合金靶材。

⑷ TiCrAlC

TiCrAlC是用小平面靶试电的，结果光令度和防指印的能力很好，这可能有两个原因：①材料本身的光令度和防指印的能力较好；②采用平面靶轰击打底。其耐磨能力也比较好，这可能是由于：①TiCrAl靶材致密；②TiCrAlC本身比较耐磨；③小平面靶的功率密度比较高，溅射出的粒子能量较高，故膜层致密。

⑸ TiCN

TiCN是一种硬度与耐磨性能较好的薄膜，其颜色甚至可以比TiC更黑，手摸起来不光滑，有粘粘的感觉，但防指印的能力却很好，擦后不会变色，也不会变朦。

2、实验机配置

⑴ 电源

① AE中频电源

AE电源的精度很高，对靶材的要求不高，电源自我保护的能力比较强，也因此对真空度等外界条件的要求更苛刻，易灭辉。镀出的CrC膜层光令度与防指印的效果较好，但颜色黑中带蓝。耐磨性能也是试过的电源中最好的。

② 新达中频电源

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磁控溅射镀膜的简介及其实际操作

作者：徐超群

作者单位：乐山师范学院物理与电子工程系

【摘要】溅射技术的最新成就之一是磁控溅射。对于二级溅射、偏压溅射、三级或四级溅射和射频溅射而         言。它们的缺点是沉积速率较低，特别是阴极溅射。因为它们在放电过程中只有大约0.3~0.5%的         气体分子被电离。为了在低气压下进行高速溅射，必须有效的提高气体的离化率。由于在磁控溅         射中引入了正交电磁场使离化率提高到5~6%。于是溅射速率比三级溅射提高10倍左右，对许多         材料，溅射速率达到了电子束蒸发的水平。

【关键字】溅射 电子 电场 磁场 高速

1.磁控溅射的工作原理：

电子e在电厂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，其运动轨迹近似于一条摆线。若为环形磁场，则电子就以近似摆线形式在靶表面做圆周运动，它们的运动路径不仅很长，而且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，从而实现了高的沉积速率。随着碰撞次数的增加，二次电子的能量消耗殆尽，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。

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实验三十六 磁控溅射法制备导电薄膜

实验名称： 磁控溅射法制备导电薄膜

实验项目性质：  综合训练

所涉及课程：薄膜电子材料与元器件，电子信息材料科学基础，真空技术基础

计划学时：3学时

一、实验目的

1．了解真空的获得方法和测量技术；

2．了解机械泵、分子泵工作原理和操作方法；

3．掌握物理汽相沉积法制备薄膜材料的原理和方法；

4．掌握磁控溅射镀膜机的操作方法。

二、实验原理

1．真空的获得和测量见（实验一）

2．磁控溅射法制备薄膜材料的原理

溅射法是物理气相淀积薄膜的方法之一。溅射法是利用带电离子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的靶电极。在离子能量合适的情况下，入射离子在与靶表面原子的碰撞过程中使靶原子溅射出来。这些被溅射出来的原子将带有一定的动能，并沿一定方向射向衬底，从而实现了在衬底上的薄膜沉积。

表征溅射特征得参量主要有溅射阈值，溅射率，溅射原子的速度和能量等。

溅射阈值：采用溅射法制备的薄膜种类很多，所需要的靶材种类也很多。对于每一种靶材，都存在一个能量阈值，低于这个值就不会发生溅射现象。不同靶材其溅射阈值不同。

溅射率：它表示正离子轰击作为阴极的靶材时，平均每个正离子能从靶材上打出的原子数目，就是被溅射出来的原子数与入射离子数之比。溅射率的大小与入射离子的能量、种类、靶材的种类，入射离子的入射角等因素有关。

溅射原子的能量和速度：溅射原子的平均逸出能量，随入射离子能量的增加而增加；在相同轰击能量下，原子逸出能量随入射离子质量线性增加；不同靶材具有不同的原子逸出能量，溅射率高的靶材料，原子平均逸出能通常较低。

具体溅射方式较多，例如直流溅射，射频溅射，磁控溅射，反应溅射，离子束溅射，偏压溅射等。也可根据实际应用，将上述各种方法结合起来构成某种新方法，如将磁控溅射和反应溅射结合起来就构成磁控反应溅射，磁控射频溅射等。

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磁控溅射法制备薄膜材料

一、实验目的：

1、掌握利用磁控溅射法制备薄膜材料的方法

2、掌握磁控溅射法的基本原理

3、掌握磁控溅射仪器设备的使用方法

二、实验仪器

真空镀膜系统、机械泵、分子泵、电离硅管、热偶真空计

三、实验原理

1、真空的获得

用来获得真空的设备称为真空泵，真空泵按其工作机理可分为排气型和吸气型两大类。排气型真空泵是利用内部的各种压缩机构，将被抽容器中的气体压缩到排气口，而将气体排出泵体之外，如机械泵、扩散泵和分子泵等。吸气型真空泵则是在封闭的真空系统中，利用各种表面（吸气剂）吸气的办法将被抽空间的气体分子长期吸着在吸气剂表面上，使被抽容器保持真空，如吸附泵、离子泵和低温泵等。

（1）机械泵

机械泵是运用机械方法不断地改变泵内吸气空腔的容积，使被抽容器内气体的体积不断膨胀压缩从而获得真空的泵，机械泵的种类很多，目前常用的是旋片式机械泵。

机械泵可在大气压下启动正常工作，其极限真空度可达10-1Pa，它取决于：①定子空间中两空腔间的密封性，因为其中一空间为大气压，另一空间为极限压强，密封不好将直接影响极限压强；②排气口附近有一“死角”空间，在旋片移动时它不可能趋于无限小，因此不能有足够的压力去顶开排气阀门；③泵腔内密封油有一定的蒸汽压（室温时约为10-1Pa）。

（2）分子泵 分子泵是利用高速旋转的转子把动量传输给气体分子，使之获得定向速度，从而被压缩、被驱向排气口后为前级抽走的一种真空泵。

这种泵具体可分为：

1)牵引分子泵 气体分子与高速运动的转子相碰撞而获得动量，被驱送到泵的出口。

2)涡轮分子泵 靠高速旋转的动叶片和静止的定叶片相互配合来实现抽气的。这种泵通常在分子流状态下工作。

3)复合分子泵 它是由涡轮式和牵引式两种分子泵串联组合起来的一种复合型的分子真空泵。

2、溅射镀膜

溅射技术与真空蒸发技术有所不同。“溅射”是指荷能粒子轰击固体表面（靶），使固体原子或分子从表面射出的现象。射出的粒子大多呈原子状态，常称为溅射原子。用于轰击靶的溅射粒子可以是电子，离子或中性粒子，因为离子在电场下易于加速获得所需要动能，因此大都采用离子作为轰击粒子。溅射过程建立在辉光放电的基础上，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；三极溅射是利用热阴极支持的辉光放电；射频溅射是利用射频辉光放电；磁控溅射是利用环状磁场控制下的辉光放电。溅射镀膜与真空蒸发镀膜相比，有许多优点。如任何物质均可以溅射，尤其是高熔点，低蒸气压的元素和化合物；溅射膜与基板之间

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磁控溅射镀膜技术

姓名：揣涛涛

学号：

班级：

综合介绍 （课程作业） 1015221011 2010级电子科学与技术1班 1

摘要：上世纪80年代开始，磁控溅射技术得到迅猛的发展，其应用领域得到了极大的推广。现在磁控溅射技术已经在镀膜领域占有举足轻重的地位，在工业生产和科学领域发挥着极大的作用。正是近来市场上各方面对高质量薄膜日益增长的需要使磁控溅射不断的发展。在许多方面，磁控溅射薄膜的表现都比物理蒸发沉积制成的要好；而且在同样的功能下采用磁控溅射技术制得的能够比采用其他技术制得的要厚。因此，磁控溅射技术在许多应用领域包括制造硬的、抗磨损的、低摩擦的、抗腐蚀的、装潢的以及光电学薄膜等方面具有重要是影响【1】、【2】。

前言：磁控溅射技术得以广泛的应用,是由该技术有别于其它镀膜方法的特点所决定的。其特点可归纳为:可制备成靶材的各种材料均可作为薄膜材料,包括各种金属、半导体、铁磁材料,以及绝缘的氧化物、陶瓷等物质,尤其适合高熔点和低蒸汽压的材料沉积镀膜在适当条件下多元靶材共溅射方式,可沉积所需组分的混合物、化合物薄膜;在溅射的放电气中加入氧、氮或其它活性气体,可沉积形成靶材物质与气体分子的化合物薄膜;控制真空室中的气压、溅射功率,基本上可获得稳定的沉积速率,通过精确地控制溅射镀膜时间,容易获得均匀的高精度的膜厚,且重复性好;溅射粒子几乎不受重力影响,靶材与基片位置可自由安排;基片与膜的附着强度是一般蒸镀膜的10倍以上,且由于溅射粒子带有高能量,在成膜面会继续表面扩散而得到硬且致密的薄膜,同时高能量使基片只要较低的温度即可得到结晶膜;薄膜形成初期成核密度高,故可生产厚度10nm以下的极薄连续膜【1】。

一、磁控溅射工作原理【3】：

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，氩离子对阴极靶材产生的阴极溅射作用。氩离子将靶材原子溅射下来后，沉积到元件表面形成所需膜层。磁控原理就是采用正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。

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