PVD-实验说明书

综合性实验---磁控溅射镀金属薄膜

实 验 说 明 书

[实验目的]

1.了解磁控溅射镀膜装置的基本结构，包括真空系统，过程监控系统；

2.了解磁控溅射镀膜机的工作原理，并能掌握正确的操作步骤；

3.学会测量薄膜生长的厚度及计算出生长速率；

4.掌握磁控溅射中沉积工艺与薄膜生长之间的关系。

 [实验装置]

磁控溅射镀膜机，金相显微镜，超声波清洗仪，电子天平。

[实验原理]

磁控溅射的特点是电场和磁场的方向相互垂直。从物理学中可知，处在电场与磁场正交的电子，其运动方程为：

式中e和m分别是电子的电量和质量，电子的运动轨迹如左图所示，以轮摆线的形式沿着靶子表面向垂直于，平面的方向前进，电子运动被束缚在一定空间内，从而大大减小了电子在容器壁上的复合损耗。这样的正交电磁场可以有效地将电子的运动路程在靶面附近，从而显著地延长了电子的运动路程，增加了同工作气体分子的碰撞几率，提高了电子的电离效率，因而使等离子体密度加大，致使磁控溅射速率数量级地提高。由于电子每经过一词碰撞损失一部分能量，经多次碰撞后，丧失了能量成为“最终电子”进入离阴极靶面较远的弱电场区，最后到达阳极时已经是能量消耗殆尽的低能电子，也就不再会使基片过热，因此基片温度可大大降低。同时高密度等离子体被磁场束缚在靶面附近，有不与基片接触，这样电离产生的正离子能十分有效地轰击靶面，而基片又可免收等离子体的轰击，因而基片温度又可降低，此外，由于工作气压降低至零点几帕，减少了对溅射出来的原子或分子的碰撞，故提高了沉积率。这样，磁控溅射便有效地解决了阴极溅射中基片温度升高和溅射速率低两大难题。

[实验内容、要求] 

１．　沉积系统中对真空系统的掌握：

（1）熟悉实验装置结构（包括靶的结构，使用后的表面情况），画出气体流程图，同时标注出装置的电极（图中必须有下列组件）：

机械泵，涡轮分子泵，真空计及相应的探头位置（两个），放空阀，前级阀，旁路阀，手动闸板阀，氩气气源，减压阀，气体质量流量计，靶材，阴极，阳极，真空腔体，挡板，水冷却,以及必要的管线连接。了解这些组件在本系统中的作用。

（2）真空操作步骤：

1、将要镀膜的玻璃基片进行逐个称重（玻璃基片需要先用分析纯的丙酮超声清洗干净，晾干）。然后放入真空镀膜机中抽真空。

2、磁控溅射镀膜机的操作步骤

真空系统操作（操作前接通冷却水进行冷却）

1）启动机械泵；

2）开启真空计（参阅说明书）；

3）开启旁路阀：（10Pa后关该阀），注意压强计的读数变化；

4）开启前级阀：＜10Pa后；

5）开启闸板阀（手动闸板阀），观察热偶真空计与电离规真空计的读数变化；

6）启动分于泵至400转／秒，真空＜910－3Pa。满足镀膜对真空室本底真空度的要求。

    注意事项

1）确保冷却水满足温度及流量要求

2）镀膜室高真空状态下，切忌不要开旁路阀

3）分子泵启动前。定要先开主阀（闸板阀）并确认旁路阀在“关闭”状态

3．镀膜操作

1）逐渐关小手动闸板阀，同时打开氩气高压开关，调节低压仓压力，打开气体质量流量计开关，调节气体流量，旋转确认真空满足要求；

2）当真空室真空度稳定后，关闭真空规；

3）开启基片旋转并调节适度转速；

4）启动靶电源后逐增加电压至辉光放电，并调节至适当功率，约 1－2分钟后打开挡板，                      开始镀膜；

5）镀膜至要求厚度后，关闭靶电源，旋转质量流量计、靶挡板等。

制备金属膜的制备条件：

本底真空 <910－3Pa

溅射气压     0.5－2.5 Pa

靶与基片间距离    80－120 mm

靶直径        50 mm

靶功率       80－120W

镀膜时间: 5-10分钟

注意事项：

1）磁控靶起辉后，延迟一段时间再打开挡板，以防靶表面污染物沉积到基片上

2）镀膜前定要将主阀关小，以减小对分于泵的负载及反应气体的不必要浪费。

停机操作

1）关真空计，关气体质量流量计；

2）关闸板阀；

3）停分子泵，分子泵转速降到0后还需要约3分钟的时间；

4）关前级阀；

5）停机械泵；

6）断冷却水；

7）15分钟后接通放空阀，打开真空室，取出样品；然后关闭腔体，用机械泵抽真空５分钟；

实验中需要注意观察的几点：

1）机械泵和涡轮分子泵的位置；

2）真空测量的探头的位置；

3）两个真空规现实数据的起始点和稳定点；

4）靶材的位置和方向；

5）阴极和阳极的结构；

6）放电的情形。

工艺参数记录：

靶材：Cu

靶功率：    W，靶材：Cu，本底真空度：    Pa，

工作真空度：    Pa，沉积时间：      分钟。

数据处理部分：

工作压强：0.6Pa

基片面积：25.476.2 mm

玻璃基片1初始质量m10：                玻璃基片1镀膜后的质量m11

玻璃基片2初始质量m20：                玻璃基片2镀膜后的质量m21

玻璃基片3初始质量m30：                玻璃基片3镀膜后的质量m31

镀膜时间T（min）:            

薄膜的沉积速率：              (μm/min)

实验结论:

在上述工艺条件下，Cu薄膜的沉积速率是：

按照下列提示记录数据并回答下题（写在试验报告的后面）:

1.装置A中哪些部位通有冷却水?为什么这些部位会发热?

2.氩气在镀膜过程中的作用是什么?为什么需要选用Ar气？

3.阳极样品台为什么要在镀膜过程中旋转？

4.为什么在接通靶电源后需要用挡板将靶材遮挡1-2分钟?

5.靶功率是如何得到的？如何调节靶功率？

大家在写实验报告时，注意，要写同组的3个同学的名字，指导老师写：满卫东

思考题：

1.涡轮分子泵为什么需要水冷却？

2.玻璃基片如果没有清洗干净，会出现什么现象？

3.在磁控溅射过程中，为什么等离子体主要聚集在阴极附近？

4.在磁控溅射过程中,请解释一下放在阳极上的待镀样品温升的原因,如何能够降低阳极上的温升,请至少使用两种以上不同的方法解决，及各自的机理是什么?

5.阐述一下磁控溅射镀膜的优点。

6.如果你要升级该磁控设备的硬件，你认为可以在系统中加装哪些组件，为什么？