實(shí)驗(yàn)4磁控濺射法制備薄膜材料

實(shí)驗(yàn)4磁控濺射法制備薄膜材料實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.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(shí)驗(yàn)原理磁控濺射屬于輝光放電范疇，利用陰極濺射原理進(jìn)行鍍膜。膜層粒子來(lái)源于輝光放電中，氬離子對(duì)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(lái)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(chǎng)的特殊分布控制電場(chǎng)中的電子運(yùn)動(dòng)軌跡，使得電子在正交電磁場(chǎng)中變成了擺線運(yùn)動(dòng)，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(chǎng)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(gè)電極之間加上電壓時(shí)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(shí)的濺射效應(yīng)，而整個(gè)濺射過(guò)程都是建立在輝光放電的基礎(chǔ)之上的，即濺射離子都來(lái)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(chǎng)控制下的輝光放電。如圖1（a）所示為一個(gè)直流氣體放電體系，在陰陽(yáng)兩極之間由電動(dòng)勢(shì)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(yīng)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(gè)電極之間的電壓。在開(kāi)始時(shí)，電極之間幾乎沒(méi)有電流通過(guò)，因?yàn)檫@時(shí)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(chǎng)的作用下做定向運(yùn)動(dòng)，形成極為微弱的電流，即圖(b)中曲線的開(kāi)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(yùn)動(dòng)速度也隨之加快，即電流隨電壓上升而增加。當(dāng)這部分電離粒子的速度達(dá)到飽和時(shí)，電流不再隨電壓升高而增加。此時(shí)，電流達(dá)到了一個(gè)飽和值（對(duì)應(yīng)于圖曲線的第一個(gè)垂直段）。當(dāng)電壓繼續(xù)升高時(shí)，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(lái)。在碰撞趨于頻繁的同時(shí)，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(duì)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(kāi)始導(dǎo)致后者發(fā)生電離，如圖(a)所示。這些過(guò)程均產(chǎn)生新的離子和電子，即碰撞過(guò)程使得離子和電子的數(shù)目迅速增加。這時(shí)，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(kāi)始進(jìn)入電暈放電階段。這時(shí)，在電場(chǎng)強(qiáng)度較高的電極尖端部位開(kāi)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(huì)突然發(fā)生放電擊穿現(xiàn)象。這時(shí)，氣體開(kāi)始具備了相當(dāng)?shù)膶?dǎo)電能力，我們將這種具備了一定的導(dǎo)電能力的氣體稱為等離子體。此時(shí)，電路中的電流大幅度增加，同時(shí)放電電壓卻有所下降。這是由于這時(shí)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(lái)只集中于陰極邊緣和不規(guī)則處變成向整個(gè)電極表面擴(kuò)展。在這一階段，氣體中導(dǎo)電粒子的數(shù)目大量增加，粒子碰撞過(guò)程伴隨的能量轉(zhuǎn)移也足夠地大，因此放電氣體會(huì)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(kuò)展到整個(gè)放電長(zhǎng)度上，同時(shí)，輝光的亮度不斷提高。當(dāng)輝光區(qū)域充滿了兩極之間的整個(gè)空間之后，在放電電流繼續(xù)增加的同時(shí)，放電電壓又開(kāi)始上升。上述的兩個(gè)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?yàn)樗梢蕴峁┟娣e較大、分布較為均勻的等離子體，有利于實(shí)現(xiàn)大面積的均勻?yàn)R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(chǎng)，磁場(chǎng)為曲線形。其工作原理如下圖所示。電子