實驗三十六 磁控濺射法制備導電薄膜

電子材料與元器件專業(yè)實驗指導書PAGEPAGE144實驗三十六磁控濺射法制備導電薄膜實驗名稱：磁控濺射法制備導電薄膜實驗項目性質：綜合訓練所涉及課程：薄膜電子材料與元器件，電子信息材料科學基礎，真空技術基礎計劃學時：3學時一、實驗目的1．了解真空的獲得方法和測量技術；2．了解機械泵、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的操作方法。二、實驗原理1．真空的獲得和測量見（實驗一）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中加速后具有一定動能的特點，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能，并沿一定方向射向襯底，從而實現(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。對于每一種靶材，都存在一個能量閾值，低于這個值就不會發(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，平均每個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。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，反應濺射，離子束濺射，偏壓濺射等。也可根據(jù)實際應用，將上述各種方法結合起來構成某種新方法，如將磁控濺射和反應濺射結合起來就構成磁控反應濺射，磁控射頻濺射等。磁控濺射技術作為一種沉積速率較高，工作氣體壓強較低的濺射技術具有其獨特的優(yōu)越性。因為速度為V的電子在電場E和磁感應強度B的磁場中運動時，既受電場力的作用，又受洛侖茲力的作用，則電子的運動軌跡將是沿電場方向加速，同時繞磁場方向螺旋前進電子的運動路徑由于磁場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，從而提高薄膜的質量。圖1磁控濺射的工作原理圖三、實驗內容采用磁控濺射沉積技術，在玻璃和硅襯底上鍍金屬Ta薄膜。四、實驗儀器和實驗材料磁控濺射鍍膜機，超聲波清洗儀，Ta靶，硅片，玻璃片，酒精，丙酮等。五、實驗步驟1．清洗襯底把硅片和玻璃片放進燒杯中，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）打開設備的總電源；（3）打開“放氣閥”，反應室充氣，充氣完畢關“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”要對位好；3．抽真空（1）按下控制電源面板上的“機械泵”按鈕，然后打開“V4”閥進行預抽真空；（2）打開復合真空計的電源，即可監(jiān)測系統(tǒng)的真空度；（3）等到真空度低于30帕后，關閉“V4閥”，按下控制電源面板上的“電磁閥”按鈕，同時打開分子泵總電源，預熱10分鐘；（4）按下分子泵控制面板上的“啟動”按鈕，啟動分子泵，打開“閘板閥G”，抽高真空，真空度達到210-3Pa。4．通入工作氣體（1）按下電離真空計的“功能”按鈕，關閉電離真空計；（2）打開“V1”（3）打開氬氣瓶的閥，打開氣體流量計的總電源，把氣體流量計的開關撥至“閥控”檔,順時針緩慢調節(jié)旋鈕,磁控濺射的工作氣壓一般在3-5Pa,所以可適當調小“閘板法”的通道寬度，大約預留4~5個螺紋高度。5．鍍膜（1）當真空室的壓力穩(wěn)定在3~5Pa的時候,順時針調節(jié)直流電源的“功率微調”旋紐,直至起輝,當電壓突然下降,電流表有讀數(shù)時,可以觀察到真空室輝光放電的現(xiàn)象;（2）繼續(xù)提高功率至實驗要求的功率,然后旋開擋板，按樣品轉動按鈕,打開旋轉開關,順時針調2格左右,使樣品臺緩緩轉動,以便得到均勻的薄膜，計時10分鐘6．取樣關機（1）實驗完畢,緩慢逆時針調小功率開關,直到電壓電流的讀數(shù)為0,關閉電源;（2）氣體流量計讀數(shù)調為0,開關撥到“關閉”檔，關總電源;（3）關閉氣瓶閥,關真空計;（4）關閉V1閥，關閉閘板閥G，關分子泵的停止按鈕，直到分子泵的頻率從600降到0時才可以關分子泵總電源;（5）關閉電磁閥,關機械泵，充氣取樣；（6）取完樣品，關閉反應室，開機械泵，開V4閥，真空度達到10Pa以下，關V4閥，關機械泵，關總電源；（7）關水。六、實驗報告要求實驗目的；實驗內容；實驗設備（儀器），材料；實驗方案設計；實驗數(shù)據(jù)記錄與處理；實驗結果測試與分析；總結。七、考核型式書面實驗報告及實際操作相結合。思考題濺射法制備薄膜材料時，如果靶材料是導電性好，可以用直流電源濺射，如果靶材料是絕緣材料或導電性差，必須用射頻電源，請分析其物理原因。注意事項：1．真空室內有真空時，嚴