磁控溅射镀膜的简介及其实际操作

磁控溅射镀膜的简介及其实际操作

作者：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，溅射速率达到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表面使靶材发生溅射，在溅射粒子中，中性的靶原子或分子则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。若为环形磁场，则电子就以近似摆线形式在靶表面做圆周运动，它们的运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，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，逐渐远离靶表面，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，把部分动量传给靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成级联过程。

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在这种级联过程中某些表面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

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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。

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时沿装饰领域的应用，如各种全反射膜及半透明膜等，如手机外壳，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,表面功能膜、超硬膜,自润滑薄膜的表面沉积技术自问世以来得到

长足发展,能有效的提高表面硬度、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

总体结构共分六个部分，见下图

水冷系统（5）

真空系统（1）

电气控制（2） 计算机控制系统（3） 安全及报警系统 气路单元（4） 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，则应调相（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、机械泵油是否达到标线处。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，逆时针为打开方向）。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 打开水冷机电源及泵的开关，打开冷却水阀门，接通冷却水，启动二个控制柜的总电源，相关电源的仪表盘点亮，表示设备供电正常。

5.2.2 启动机械泵: 见真空系统原理图，按下控制软件界面的机械泵启动按纽，指示灯亮，此时机械泵工作。机械泵工作后，打开溅射室的旁抽阀及电磁阀开关，机械泵对真空室及分子泵泵腔（若上次实验后分子泵泵腔保持真空状态，可在真空室内压强下降到10Pa以下再打开电磁阀）进行抽气。打开复合真空计进行测量。真空计使用方法详见（《NYGF-II复合真空计使用说明书》）。 5.2.3 启动分子泵：先打开分子泵控制电源开关（本设备总电源打开后分子泵控制电源已带电），当真空计读数小于10Pa时，按下分子泵电源面板上绿色的“运行”按纽，其电源控制面板上显示“速率追踪中”，分子泵开始工作。约4-8分钟后，分子泵电源面板上的转速为24000R/Min，实际频率为400HZ时，分子泵进入正常工作状态。这时先关闭旁抽阀，再打开超高真空插板阀对真空室抽气。此时参考复合真空计使用说明书，可测量高真空。在分子泵

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连续抽气，并经12小时以上连续抽气后，溅射室的真空度可达极限真空约为4.0×10Pa的指标。 5.3 镀膜

用分子泵+机械泵对真空室连续抽真空，利用复合真空计监测真空室内的真空度。待真空室内本底真空度达到本次实验所预期要求后，即可准备镀膜工作。 5.3.1 通入气体

打开进气阀，将管道中的气体抽掉（若设备长时间不用，当机械泵对真空腔体预抽时，

即要打开进气阀，同时对管道进行预抽），打开流量控制器前级的截止阀（前面板上的三个阀门），接通流量控制器与溅射室，此时，打开流量显示仪电源，在面板上调节设定好进入气体的流量，相应气体通入溅射室，同时溅射室的真空度会相应下降，压力上升，此时通过调节溅射室插板阀的开口大小进而来调节溅射室的压力，以达到实验所要求的压力， 5.3.2 直流溅射

本系统共有三只靶，其中二只靶接的是直流电源，进行直流溅射；溅射室压力达到放电要求后，选好靶位，打开相应的电源，缓慢调节直流溅射电源面板上的功率调节按纽，同时观察电流与电压的变化，调整到所需功率后既可。 5.3.3 射频溅射

本系统共有三只靶，其中一只靶接的是射频电源，射频电源的详细使用见附件：《SY型射频功率源使用说明》。 5.4 关机

溅射完成后，可按反向依次关闭相关电源及阀门，进行关机操作了。 5.4.1 停止镀膜

镀膜完成后，先关溅射电源，然后关闭气路（按照从气瓶到真室室的顺序将气路上所有的阀门都关上），停止基片转动，停止加热及偏压等，再关闭相关控制电源。 5.4.2 关闭系统

关闭射频电源及相关气路阀门后，利用分子泵对真空室进行再次抽气，使系统进入高真空状态。关闭和真空室连接的所有阀门，使真空室保持真空状态。

关闭分子泵：先按分子泵“停止”按钮，待分子泵实际频率降到“0”，转速降到0即可。待分子泵停稳后，依次关闭电磁阀、机械泵、复合真空计电源，最后关闭设备的总控制电源，关闭冷却水阀门。

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