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磁控溅射镀膜的简介及其实际操作

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，溅射速率到达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外表使靶材发生溅射，在溅射粒子中，中性的靶原子或分子那么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。假设为环形磁场，那么电子就以近似摆线形式在靶外表做圆周运动，它们的运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶外表的等离子体区域内，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，逐渐远离靶外表，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。

综上所述：磁控溅射是入射粒子和靶的碰撞过程。入射粒子在靶中经历复杂的散射过程，和靶原子碰撞，把局部动量传给靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成级联过程。在这种级联过程中某些外表附近的靶原子获得向外运动的足够动量，离开靶被溅射出来。

2.磁控溅射具有“低温”、“高速”两大特点

产生这两大特点的原理为：磁控溅射是以磁场来改变电子的运动方向，并束缚和延长电子的运动轨迹，从而提高电子对工作气体的电离几率和有效的利用了电子的能量。因此，是正离子对靶材轰击所引起的靶材溅射更加有效。同时受正交电磁场的束缚电子，又只能在其能量要耗尽时才沉积在基片上。所以磁控溅射具有“低温”“高速”这两大特点。

3.磁控溅射设备的主要用途

● 各种功能性薄膜：如具有吸收、透射、反射、折射、偏光等作用的薄膜。例如，低温沉积氮化硅减反射膜，以提高太阳能电池的光电转换效率。

● 时沿装饰领域的应用，如各种全反射膜及半透明膜等，如外壳，鼠标等。

●在微电子领域作为一种非热式镀膜技术,主要应用在化学气相沉积(CVD)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长困难及不适用的材料薄膜沉积,而且可以获得大面积非常均匀的薄膜。

●在光学领域：中频闭合场非平衡磁控溅射技术也已在光学薄膜(如增透膜)、低辐射玻璃和透明导电玻璃等方面得到应用。特别是透明导电玻璃目前广泛应用于平板显示器件、太阳能电池、微波与射频屏蔽装置与器件、传感器等。

●在机械加工行业中,外表功能膜、超硬膜,自润滑薄膜的外表沉积技术自问世以来得到长足开展,能有效的提高外表硬度、复合韧性、耐磨损性和抗高温化学稳定性能,从而大幅度地提高涂层产品的使用寿命。

磁控溅射除上述已被大量应用的领域,还在高温超导薄膜、铁电体薄膜、巨磁阻薄膜、薄膜发光材料、太阳能电池、记忆合金薄膜研究方面发挥重要作用。

4.磁控溅射的设备结构

总体结构共分六个局部，见下列图

平安及报警系统水冷系统〔5〕

平安及报警系统

水冷系统〔5〕

气路单元〔4〕真空系统〔1〕

气路单元〔4〕

真空系统〔1〕

计算机控制系统〔3〕电气控制〔2〕

计算机控制系统〔3〕

电气控制〔2〕

5．操作规程

5.1开机准备工作

5.1.1机械泵旋转方向检验：接上电源后，首先确认机械泵旋转方向，如果发现反转，那么应调相〔厂家现场调试时已做好〕。

5.1.2冷却水检测：将设备接上水冷机，检测出水端是否出水，在确认水路系统正常工作后即可进行下一步。

5.1.3电气检查：检查总供电电源配线是否完好，地线是否接好，所有仪表电源开关全部处于关闭状态。

5.1.4真空系统检测：检查分子泵、机械泵油是否到达标线处。检查所有手动阀门是否处在

关闭状态〔注意，本设备中所使用的手动阀门，顺时针方向为关闭方向，逆时针为翻开方向〕。确定真空室已经处在抽真空的准备状态。

5.1.5靶材的更换：开机前，应根据本次实验的需要相应的靶材。

5.1.6基片安装：先将样品〔待镀基片〕清洗干净进行预处理后，放到基片托盘上，用夹子压紧，然后将装有基片的基片托盘放到基片架上。

5.2开机

5.2.1翻开水冷机电源及泵的开关，翻开冷却水阀门