實(shí)驗(yàn)三十六 磁控濺射法制備導(dǎo)電薄膜

電子材料與元器件專業(yè)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書PAGEPAGE144實(shí)驗(yàn)三十六磁控濺射法制備導(dǎo)電薄膜實(shí)驗(yàn)名稱：磁控濺射法制備導(dǎo)電薄膜實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目性質(zhì)：綜合訓(xùn)練所涉及課程：薄膜電子材料與元器件，電子信息材料科學(xué)基礎(chǔ)，真空技術(shù)基礎(chǔ)計(jì)劃學(xué)時(shí)：3學(xué)時(shí)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．了解真空的獲得方法和測(cè)量技術(shù)；2．了解機(jī)械泵、分子泵工作原理和操作方法；3．掌握物理汽相沉積法制備薄膜材料的原理和方法；4．掌握磁控濺射鍍膜機(jī)的操作方法。二、實(shí)驗(yàn)原理1．真空的獲得和測(cè)量見（實(shí)驗(yàn)一）2．磁控濺射法制備薄膜材料的原理濺射法是物理氣相淀積薄膜的方法之一。濺射法是利用帶電離子在電場(chǎng)中加速后具有一定動(dòng)能的特點(diǎn)，將離子引向欲被濺射的靶電極。在離子能量合適的情況下，入射離子在與靶表面原子的碰撞過程中使靶原子濺射出來。這些被濺射出來的原子將帶有一定的動(dòng)能，并沿一定方向射向襯底，從而實(shí)現(xiàn)了在襯底上的薄膜沉積。表征濺射特征得參量主要有濺射閾值，濺射率，濺射原子的速度和能量等。濺射閾值：采用濺射法制備的薄膜種類很多，所需要的靶材種類也很多。對(duì)于每一種靶材，都存在一個(gè)能量閾值，低于這個(gè)值就不會(huì)發(fā)生濺射現(xiàn)象。不同靶材其濺射閾值不同。濺射率：它表示正離子轟擊作為陰極的靶材時(shí)，平均每個(gè)正離子能從靶材上打出的原子數(shù)目，就是被濺射出來的原子數(shù)與入射離子數(shù)之比。濺射率的大小與入射離子的能量、種類、靶材的種類，入射離子的入射角等因素有關(guān)。濺射原子的能量和速度：濺射原子的平均逸出能量，隨入射離子能量的增加而增加；在相同轟擊能量下，原子逸出能量隨入射離子質(zhì)量線性增加；不同靶材具有不同的原子逸出能量，濺射率高的靶材料，原子平均逸出能通常較低。具體濺射方式較多，例如直流濺射，射頻濺射，磁控濺射，反應(yīng)濺射，離子束濺射，偏壓濺射等。也可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，將上述各種方法結(jié)合起來構(gòu)成某種新方法，如將磁控濺射和反應(yīng)濺射結(jié)合起來就構(gòu)成磁控反應(yīng)濺射，磁控射頻濺射等。磁控濺射技術(shù)作為一種沉積速率較高，工作氣體壓強(qiáng)較低的濺射技術(shù)具有其獨(dú)特的優(yōu)越性。因?yàn)樗俣葹閂的電子在電場(chǎng)E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，既受電場(chǎng)力的作用，又受洛侖茲力的作用，則電子的運(yùn)動(dòng)軌跡將是沿電場(chǎng)方向加速，同時(shí)繞磁場(chǎng)方向螺旋前進(jìn)電子的運(yùn)動(dòng)路徑由于磁場(chǎng)的作用而大幅度地增加，提高了與原子的碰撞幾率，從而有效地提高了氣體的離化效率和薄膜的沉積速率。如圖1所示。因此，磁控濺射比直流和射頻濺射的沉積速率高很多，其原因：（1）磁場(chǎng)中電子的電離效率提高；（2）在較低氣壓下（0.1Pa)濺射原子被散射的幾率減小，提高了入射到襯底上的原子的能量，從而提高薄膜的質(zhì)量。圖1磁控濺射的工作原理圖三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容采用磁控濺射沉積技術(shù)，在玻璃和硅襯底上鍍金屬Ta薄膜。四、實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)材料磁控濺射鍍膜機(jī)，超聲波清洗儀，Ta靶，硅片，玻璃片，酒精，丙酮等。五、實(shí)驗(yàn)步驟1．清洗襯底把硅片和玻璃片放進(jìn)燒杯中，倒入適量丙酮，超聲清洗5分鐘，倒掉丙酮，倒入酒精，再超聲清洗5分鐘。2．裝樣品（1）打開冷卻水；（2）打開設(shè)備的總電源；（3）打開“放氣閥”，反應(yīng)室充氣，充氣完畢關(guān)“放氣閥”；（4）按下濺射室蓋“升”按鈕，將蓋緩緩升起；（5）將清洗好的襯底安裝在“樣品托”上；（6）按下濺射室蓋的“降”按鈕，讓蓋緩緩降下，下降過程中注意“蓋”與“室”要對(duì)位好；3．抽真空（1）按下控制電源面板上的“機(jī)械泵”按鈕，然后打開“V4”閥進(jìn)行預(yù)抽真空；（2）打開復(fù)合真空計(jì)的電源，即可監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的真空度；（3）等到真空度低于30帕后，關(guān)閉“V4閥”，按下控制電源面板上的“電磁閥”按鈕，同時(shí)打開分子泵總電源，預(yù)熱10分鐘；（4）按下分子泵控制面板上的“啟動(dòng)”按鈕，啟動(dòng)分子泵，打開“閘板閥G”，抽高真空，真空度達(dá)到210-3Pa。4．通入工作氣體（1）按下電離真空計(jì)的“功能”按鈕，關(guān)閉電離真空計(jì)；（2）打開“V1”（3）打開氬氣瓶的閥，打開氣體流量計(jì)的總電源，把氣體流量計(jì)的開關(guān)撥至“閥控”檔,順時(shí)針緩慢調(diào)節(jié)旋鈕,磁控濺射的工作氣壓一般在3-5Pa,所以可適當(dāng)調(diào)小“閘板法”的通道寬度，大約預(yù)留4~5個(gè)螺紋高度。5．鍍膜（1）當(dāng)真空室的壓力穩(wěn)定在3~5Pa的時(shí)候,順時(shí)針調(diào)節(jié)直流電源的“功率微調(diào)”旋紐,直至起輝,當(dāng)電壓突然下降,電流表有讀數(shù)時(shí),可以觀察到真空室輝光放電的現(xiàn)象;（2）繼續(xù)提高功率至實(shí)驗(yàn)要求的功率,然后旋開擋板，按樣品轉(zhuǎn)動(dòng)按鈕,打開旋轉(zhuǎn)開關(guān),順時(shí)針調(diào)2格左右,使樣品臺(tái)緩緩轉(zhuǎn)動(dòng),以便得到均勻的薄膜，計(jì)時(shí)10分鐘6．取樣關(guān)機(jī)（1）實(shí)驗(yàn)完畢,緩慢逆時(shí)針調(diào)小功率開關(guān),直到電壓電流的讀數(shù)為0,關(guān)閉電源;（2）氣體流量計(jì)讀數(shù)調(diào)為0,開關(guān)撥到“關(guān)閉”檔，關(guān)總電源;（3）關(guān)閉氣瓶閥,關(guān)真空計(jì);（4）關(guān)閉V1閥，關(guān)閉閘板閥G，關(guān)分子泵的停止按鈕，直到分子泵的頻率從600降到0時(shí)才可以關(guān)分子泵總電源;（5）關(guān)閉電磁閥,關(guān)機(jī)械泵，充氣取樣；（6）取完樣品，關(guān)閉反應(yīng)室，開機(jī)械泵，開V4閥，真空度達(dá)到10Pa以下，關(guān)V4閥，關(guān)機(jī)械泵，關(guān)總電源；（7）關(guān)水。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求實(shí)驗(yàn)?zāi)康?；?shí)驗(yàn)內(nèi)容；實(shí)驗(yàn)設(shè)備（儀器），材料；實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理；實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)試與分析；總結(jié)。七、考核型式書面實(shí)驗(yàn)報(bào)告及實(shí)際操作相結(jié)合。思考題濺射法制備薄膜材料時(shí)，如果靶材料是導(dǎo)電性好，可以用直流電源濺射，如果靶材料是絕緣材料或?qū)щ娦圆睿仨氂蒙漕l電源，請(qǐng)分析其物理原因。注意事項(xiàng)：1．真空室內(nèi)有真空時(shí)，嚴(yán)