利用射频溅射法镀金属薄膜

实验3 利用射频溅射法镀金属薄膜

实验时间：2010.10.12 实验地点：福煤实验楼D405 指导老师：吕晶老师

【摘要】磁控溅射技术在薄膜制备领域广泛应用，通过射频溅射法镀金属薄膜实验可以进一步熟悉真空获得和测量，学会使用磁控镀膜技术，了解磁控镀膜的原理及方法和了解真空镀膜技术。

【关键字】磁控溅射；薄膜制备；镀膜技术

0 简介

溅射镀膜的原理是稀薄气体在异常辉光放电产生的等离子体在电场的作用下，对阴极靶材表面进行轰击，把靶材表面的分子、原子、离子及电子等溅射出来，被溅射出来的粒子带有一定的动能，沿一定的方向射向基体表面，在基体表面形成镀层溅射镀膜最初出现的是简单的直流二极溅射，它的优点是装置简单，但是直流二极溅射沉积速率低。在直流二极溅射装置中增加一个热阴极和辅助阳极，就构成直流三极溅射。增加的热阴极和辅助阳极产生的热电子增强了溅射气体原子的电离，这样使溅射即使在低气压下也能进行；另外，还可降低溅射电压，使溅射在低气压，低电压状态下进行;同时放电电流也增大，并可独立控制，不受电压影响。在热阴极的前面增加一个电极（栅网状），构成四极溅射装置，可使放电趋于稳定，但是这些装置难以获得浓度较高的等离子体区，沉积速度较低，因而未获得广泛的工业应用。磁控溅射是由二极溅射基础上发展而来，在靶材表面建立与电场正交磁场，解决了二极溅射沉积速率低，等离子体离化率低等问题，成为目前镀膜工业主要方法之一。

直流溅射和射频溅射是很早就开始应用的溅射技术，在二极溅射系统中已经被采用，直流溅射方法用于被溅射材料为导电材料的溅射和反应溅射镀膜中，其工艺设备简单，有较高的溅射速率。而对陶瓷等介质材料靶，则只能采用射频磁控溅射方法沉积薄膜，射频磁控溅射方法能对任何材料包括各种导体、半导体和绝缘介质进行溅射镀膜。

1 实验目的

①熟悉真空获得的操作过程和方法；

②了解磁控溅射镀膜的原理及方法；

③学会使用磁控溅射镀膜技术。

2 实验设备

JCP-350磁控溅射/真空镀膜机（ZDF-5227B真空计；TDZM-II气体质量流量计；SY型500W射频功率源；SP-II型射频匹配器；JCP-350磁控溅射）；氩气瓶；基片；擦镜纸

3 实验原理

3.1磁控溅射镀膜法的概念

磁控溅射技术是20世纪70年代发展起来的一种新型溅射技术，目前磁控溅射法已在电学膜、光学膜和塑料金属化等领域得到广泛应用，主要用于电子工业、磁性材料及记录介质、光学及光导通讯等，具有高速、低温、低损伤等优点。高速是指沉积速率快；低温和低损伤是指基片的温升低，损伤小。因此磁控溅射法又叫高速低温溅射法。磁控溅射工艺主要用于透明塑料的背面装饰上，也可用于制作透明导电薄膜

3.2磁控溅射法的种类

按磁控溅射中使用的离子源不同，磁控溅射方法有以下几种：①直流反应磁控溅射；②脉冲磁控溅射；③射频磁控溅射；④微波—ECR等离子体增强磁控溅射；⑤交流反应磁控溅射等。磁控溅射法常用的镀膜材料有铬、铬合金、镍合金、黄铜、青铜等。常用的底涂料有聚氨酷、紫外线固化涂料。外涂料有丙烯酸类、氨基甲酸酯类。

3.3磁控溅射镀膜的工作原理

磁控溅射法是在10-3Pa左右的真空中充人惰性气体，并在基片(阳极)和金属靶材(阴极)之间加上高压直流电，由于辉光放电产生的电子激发惰性气体，产生等离子体。等离子体将金属靶材的原子击出，沉积在基片上(如图2-3-1所示)。常用的惰性气体为氩气。

图2-3-1磁控溅射镀膜示意图图2-3-2磁控溅射镀膜原理图

其原理如图2-3-2所示。在真空室内充以0.1Pa的惰性气体氩气，由于高压直流电的作用在阳极(基片)和阴极靶材之间形成一定强度的静电场E。氩气在静电场正的作用下，电离并产生高能的氩离子Ar+和二次电子。高能的Ar+在电场正的作用下朝着阴极靶的方向加速飞去，并以高能量轰击靶表面，使靶材表面发生溅射。被溅射出来的粒子通过等离子体(放电中的电场)中到达阳极表面，使放置在阳极表面的基片表面形成很薄的一层镀膜。在溅射过程中，由于磁场力的作用，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+来轰击靶的表面，溅射出大量的金属粒子向工件表面沉积；另一方面，二次电子在加速飞向靶表面的同时，受到磁场B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，传给基片的能量很小，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，形成拓宽的腐蚀环形凹状区。这种方法的特点是使用了磁控靶，并通过在阴极靶的表面上方造成一个正交电磁场，使靶表面溅射产生的初始电子在电场和磁场的联合作用下，被压缩在近靶面作涡漩运动，在运动中，高能电子不断与惰性气体分子发生碰撞，使后者发生电离，大量电离后的正离子在电场的作用下高速轰击阴极靶，使靶材中的原子（或分子）被轰击出来并飞向基片表面沉积成膜。

3.4磁控溅射源

按结构分，磁控溅射源主要有实心柱状或空心柱状磁控靶、溅射枪或S枪、平面磁控溅射靶四种，见图2-4-1。柱状磁控靶结构简单，可有效地利用空间，可在更低的气压下溅射成膜，适用于形状复杂几何尺寸变化大的镀件。枪型靶呈圆锥形，制作困难，可直接取代蒸发镀膜机上的电子枪，用于对蒸发镀膜设备的改造，适于小型制作，科研用。平面磁控靶按靶面形状分，又有圆形和矩形两种，它制备的膜厚均匀性好，对大面积的平板可连续溅射镀膜，适合于大面积和大规模的工业化生产。

（a）实心柱状（b）平面磁控溅射靶（c）溅射枪或S枪（d）空心柱状磁控台

图2-4-1磁控溅射源

3.5磁控溅射镀膜法的特点

磁控溅射法与蒸发源相比，溅射镀膜的主要特点：①由于放电电流和靶电流分别可控，镀膜可控性好；②由于溅射出的原子、分子能量比热蒸发能量高1—2个数量级，所以溅射法镀膜附着力高。总之，磁控溅射法具有镀膜层与基材的结合力强，镀膜层致密、均匀等优点。但蒸发镀膜却比溅射镀膜生产效率高、生产成本低。一般来说，对于附着力的要求并非功能性的，一般采用真空蒸发镀较为合适。但对于汽车塑料标牌表面装饰的真空镀膜，真空蒸发镀膜由于绕射性、膜层附着力和蒸发源温度偏高等因素的制约，在汽车塑料标牌上的应用不及磁控溅射法。

3.6气动调节阀的工作原理

气动调节阀由执行机构和调节机构组成。执行机构是调节阀的推力部件，它按控制信号压力的大小产生相应的推力，推动调节机构动作。阀体是气动调节阀的调节部件，它直接与调节介质接触，调节该流体的流量。

气动调节阀动作分气开型和气关型两种。气开型是当膜头上空气压力增加时，阀门向增加开度方向动作，当达到输入气压上限时，阀门处于全开状态。反过来，当空气压力减小时，阀门向关闭方向动作，在没有输入空气时，阀门全闭。故有时气开型阀门又称故障关闭型。气关型动作方向正好与气开型相反。当空气压力增加时，阀门向关闭方向动作；空气压力减小或没有时，阀门向开启方向或全开为止。故有时又称为故障开启型。气动调节阀的气开或气关，通常是通过执行机构的正反作用和阀态结构的不同组装方式实现。

4 实验过程

4.1 准备过程

（1）动手操作前认真学习讲义及有关资料，熟悉镀膜机和有关仪器的结构及功能、操作程序与注意事项；

（2）清洗基片。用碱水冲洗，并用无水酒精脱水，最后用棉纱或棉纸包好，放在玻璃皿内备用；

（3）镀膜室的清理与准备。先向钟罩内充气一段时间，然后升钟罩，装好基片，清理