實驗4磁控濺射法制備薄膜材料

實驗4磁控濺射法制備薄膜材料實驗目的1.掌握真空的獲得2.掌握磁控濺射法的基本原理與使用方法3.掌握利用磁控濺射法制備薄膜材料的方法二、實驗原理磁控濺射屬于輝光放電范疇，利用陰極濺射原理進行鍍膜。膜層粒子來源于輝光放電中，氬離子對陰極靶材產(chǎn)生的陰極濺射作用。氬離子將靶材原子濺射下來后，沉積到元件表面形成所需膜層。磁控原理就是采用正交電磁場的特殊分布控制電場中的電子運動軌跡，使得電子在正交電磁場中變成了擺線運動，因而大大增加了與氣體分子碰撞的幾率。用高能粒子(大多數(shù)是由電場加速的氣體正離子)撞擊固體表面(靶)，使固體原子(分子)從表面射出的現(xiàn)象稱為濺射。1.輝光放電：輝光放電是在稀薄氣體中，兩個電極之間加上電壓時產(chǎn)生的一種氣體放電現(xiàn)象。濺射鍍膜基于荷能離子轟擊靶材時的濺射效應，而整個濺射過程都是建立在輝光放電的基礎(chǔ)之上的，即濺射離子都來源于氣體放電。不同的濺射技術(shù)所采用的輝光放電方式有所不同，直流二極濺射利用的是直流輝光放電，磁控濺射是利用環(huán)狀磁場控制下的輝光放電。如圖1（a）所示為一個直流氣體放電體系，在陰陽兩極之間由電動勢為的直流電源提供電壓和電流，并以電阻作為限流電阻。在電路中，各參數(shù)之間應滿足下述關(guān)系：V=E-IR使真空容器中Ar氣的壓力保持一定，并逐漸提高兩個電極之間的電壓。在開始時，電極之間幾乎沒有電流通過，因為這時氣體原子大多仍處于中性狀態(tài)，只有極少量的電離粒子在電場的作用下做定向運動，形成極為微弱的電流，即圖(b)中曲線的開始階段所示的那樣。圖1直流氣體放電隨著電壓逐漸地升高，電離粒子的運動速度也隨之加快，即電流隨電壓上升而增加。當這部分電離粒子的速度達到飽和時，電流不再隨電壓升高而增加。此時，電流達到了一個飽和值（對應于圖曲線的第一個垂直段）。當電壓繼續(xù)升高時，離子與陰極之間以及電子與氣體分子之間的碰撞變得重要起來。在碰撞趨于頻繁的同時，外電路轉(zhuǎn)移給電子與離子的能量也在逐漸增加。一方面，離子對于陰極的碰撞將使其產(chǎn)生二次電子的發(fā)射，而電子能量也增加到足夠高的水平，它們與氣體分子的碰撞開始導致后者發(fā)生電離，如圖(a)所示。這些過程均產(chǎn)生新的離子和電子，即碰撞過程使得離子和電子的數(shù)目迅速增加。這時，隨著放電電流的迅速增加，電壓的變化卻不大。這一放電階段稱為湯生放電。在湯生放電階段的后期，放電開始進入電暈放電階段。這時，在電場強度較高的電極尖端部位開始出現(xiàn)一些跳躍的電暈光斑。因此，這一階段稱為電暈放電。在湯生放電階段之后，氣體會突然發(fā)生放電擊穿現(xiàn)象。這時，氣體開始具備了相當?shù)膶щ娔芰Γ覀儗⑦@種具備了一定的導電能力的氣體稱為等離子體。此時，電路中的電流大幅度增加，同時放電電壓卻有所下降。這是由于這時的氣體被擊穿，因而氣體的電阻將隨著氣體電離度的增加而顯著下降，放電區(qū)由原來只集中于陰極邊緣和不規(guī)則處變成向整個電極表面擴展。在這一階段，氣體中導電粒子的數(shù)目大量增加，粒子碰撞過程伴隨的能量轉(zhuǎn)移也足夠地大，因此放電氣體會發(fā)出明顯的輝光。電流的繼續(xù)增加將使得輝光區(qū)域擴展到整個放電長度上，同時，輝光的亮度不斷提高。當輝光區(qū)域充滿了兩極之間的整個空間之后，在放電電流繼續(xù)增加的同時，放電電壓又開始上升。上述的兩個不同的輝光放電階段常被稱為正常輝光放電和異常輝光放電階段。異常輝光放電是一般薄膜濺射或其他薄膜制備方法經(jīng)常采用的放電形式，因為它可以提供面積較大、分布較為均勻的等離子體，有利于實現(xiàn)大面積的均勻濺射和薄膜沉積。2.磁控濺射：平面磁控濺射靶采用靜止電磁場，磁場為曲線形。其工作原理如下圖所示。電子