引言:磁控溅射的基本原理是F.M.Penning在1939年首先提出来的, 这一原理应用于平面磁控溅射是1972年J.S.Chapin首先提出的。磁控溅射镀膜是科研和工业应用最广泛的镀膜技术之一。溅射镀膜是在真空室中, 利用低压放电现象, 使正离子撞击靶原子, 溅射出的靶原子朝一定方向射向基片, 在基片上沉积成薄膜。

磁控溅射镀膜的基本原理是采用类似于正交电磁场的特殊分布, 通过正交电场和磁场控制电子的运动轨迹, 使得电子在正交电磁场中变成了螺旋线或摆线运动, 以增加电子与气体分子碰撞的概率, 增加成膜效率。

在真空室和静止的电磁场中, 电子在电场力的作用下加速飞行过程中, 利用低电气体放电现象, 与真空中氩原子发生碰撞, 电离出Ar+并产生电子, 正离子Ar+在电场中加速获得足够的能量, 加速飞向阴极溅射靶并以高能量轰击靶表面, 使靶材发生溅射。这些被溅射出来的原子带有一定的动能, 并沿一定的方向射向基片, 中性的靶原子 (或分子) 沉积在基片上形成薄膜。在磁场B洛伦兹力的作用下, 二次电子e1以螺旋线或摆线等形式在加速飞向基片时, 被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内, 在靶表面作圆周运动, 运动路径很长, 有效地提高了电子碰撞和电离的效率。随着电子e1与真空中氩原子碰撞次数的增加, 能量逐渐降低, 低能量的电子e1将如图中e3运动规迹, 沿磁力线来振荡, 最终在电场作用下沉积在基片上。因为此时电子的能量已很低, 所以沉积到基片上后基片温升也较低。

实验仪器:采用程控复合真空计, 溅射镀膜系统 (溅射靶, 基片架, 溅射气体配气) , 气体质量气流计。

验验步聚:1.先利用洗洁精, 丙酮等物质清洗玻璃基片;2.然后通过机械泵将气体环境抽成低真空状态 (10 Pa) ;3.到达10Pa后利用分子泵将环境达到高真空水平 (4.8×Pa) , 此时阀门挡板处于打开状态;4.接下来关闭阀门挡板, 通入氩气, 调节压强至1.9Pa, 打开实验电源, 调节电流电压以及靶磁场电流, 通电;5.打开薄膜厚度检测仪, 观察薄膜厚度, 等待5分钟, 清理仪器内的氧化物;6.调节仪器内温度至300℃;7.打开金属挡板, 开始溅射, 至溅射到相应厚度后;8.调节气压, 观察溅射速度;9.调节电流, 观察溅射速度;10.调节靶磁场电流, 观察溅射速度;11.取出, 利用超声波清洗基片, 观察镀层坚硬程度;12.重复以上步骤, 但在室温下进行镀膜, 记录相应实验数据 (如下) 。

由实验结果可知, 气压与铜膜的生成速率成负相关, 溅射电流与铜膜的生成速率成正相关, 基片温度越高, 生成的铜膜越致密。

溅射气压是影响薄膜结构和性能的主要因素之一。溅射气压对生长速率的影响要综合考虑分子平均自由程和溅射靶-基片间距的大小。当分子平均自由程大于靶与基片的间距时, 增加溅射气压可提高薄膜生长速率;当分子平均自由程小于靶与基片的间距时, 增加溅射气压会降低薄膜的生长速率。由气体分子动力学可知气体分子平均自由程λ可表示为:式中, k为波尔兹曼常数, n为气体分子密度, T为温度, P为压强为气体分子有效直径。当压强单位取帕时, λ的单位为米。在较高的溅射气压下, 被溅射出来的粒子随着碰撞次数的增加, 平均自由程降低, 能够到达基片的粒子的能量降低, 不利于形成致密、结晶性好的薄膜。合适的溅射气压可以制备出质量好的薄膜。

随着溅射电流的增加, 单位时间内电子流量增加, 氩离子量增多, 使单位时间内溅射出的靶原子增多, 铜膜生成速率增大。与室温相比, 300度高温下铜膜的致密程度较高, 不易破损。

基片温度对薄膜结构有较大影响。因为基片温度高, 使吸附原子的动能随着增大, 跨越表面势垒的几率增多, 容易结晶化, 并使薄膜缺陷减少, 薄膜内应力也相应减小。基片温度低, 薄膜不易结晶, 易形成无定形结构的薄膜。但基片温度过高时会出现大颗晶粒, 使膜层表面粗糙, 也会影响薄膜性能。