磁控溅射设备构造及其沉积薄膜原理

磁控溅射设备构造及其沉积薄膜原理

1. 实验目的：

了解磁控溅射设备的构造，熟悉磁控溅射沉积薄膜的基本原理。

2. 实验内容：

2.1 了解磁控溅射设备的构造

总体来讲，磁控溅射薄膜沉积系统包括：气路、真空系统、循环水冷却系统、控制系统。其中

(1) 气路系统：与PECVD系统类似，磁控溅射系统应包括一套完整的气路系统。但是，与PECVD系统不同的是，PECVD系统中，气路中为反应气体的通道。而磁控溅射系统气路中一般为Ar、N2等气体。这些气体并不参与成膜，而是通过发生辉光放电现象将靶材原子轰击下来，使靶材原子获得能量沉积到衬底上成膜。

(2) 真空系统：与PECVD系统类似，磁控溅射沉积薄膜前需要将真空腔室抽至高真空。因此，其真空系统也包括机械泵、分子泵这一高真空系统。

(3) 循环水冷却系统：工作过程中，一些易发热部件(如分子泵)需要使用循环水带走热量进行冷却，以防止部件损坏。

(4) 控制系统：综合控制PECVD系统各部分协调运转完成薄膜沉积，一般集成与控制柜。

2.2 磁控溅射沉积薄膜原理

在阳极(除去靶材外的整个真空室)和阴极溅射靶材(需要沉积的材料)之间加上一定的电压，形成足够强度的静电场。然后再在真空室内通入较易离子化的惰性Ar气体，在静电场E的作用下产生气体离子化辉光放电。Ar气电离并产生高能的Ar+离子和二次电子e。高能的Ar+阳离子由于电场E的作用会加速飞向阴极溅射靶表面，并以高能量轰击靶表面，使靶材表面发生溅射作用。被溅射出的靶原子(或分子)沉积在基片上形成薄膜。

由于磁场B的作用，一方面在阴极靶的周围，形成一个高密度的辉光等离子区，在该区域电离出大量的Ar+离子来轰击靶的表面，溅射出大量的靶材粒子向工件表面沉积；另一方面，二次电子在加速飞离靶表面的同时，受到磁场的洛伦兹力作用，以摆线和螺旋线的复合形式在靶表面作圆周运动。随着碰撞次数的

增加，电子的能量逐渐降低，到达基片后的能量很小，故基片的温升较低。当溅射量达到一定程度后，靶表面的材料也就被消耗掉，形成拓宽的溅蚀环凹状区。