1、磁控濺射方法制備銅薄膜實驗一、實驗?zāi)康?.掌握物理氣相沉積的基本原理，熟悉磁控濺射薄膜制備的工藝；2 .掌握磁控濺射鍍膜 設(shè)備的結(jié)構(gòu)和原理。二、設(shè)備儀器磁控濺射薄膜沉積臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。結(jié)圖 1 磁 控 濺 射鍍 膜 機LFJ三、實驗原理當(dāng)高能粒子（電場加速的正離子，如Ar+）打在固體表面時，與表面的原子、 分子交換能量，從而使這些原子、分子飛濺出來，沉積到基體材料表面形成薄膜的工藝過程。四、實驗內(nèi)容掌握磁控濺射薄膜制備的氣體放電理論和特性，觀察氣體放電現(xiàn)象，理解氣體放電的物理過 程；掌握磁控濺射膜制備的沉積原理及條件，薄膜制備過程中濺射氣體的選擇、濺射電壓及 基片電位、高純度靶材的影響。五、

2、實驗步驟1.準(zhǔn)備：基體材料載玻片的清洗、烘干、裝夾，銅靶材的安裝；2.方案：描述低真空的抽氣回路:真空室三通閥位置2低真空管道電磁閥機械泵大氣。描述高真空的抽氣回路：真空室 蝶閥擋油器油擴散泵儲氣罐三通閥位置 1低真空管道電磁閥機械泵大氣銅薄膜的沉積工藝參數(shù)：本底真空度、濺射電流、濺射電壓、沉積時間、薄膜厚度。3.步 驟：本底真空獲得后，進(jìn)行氬氣充氣量的控制，濺射過程中電流、電壓和時間的控制，薄膜制備完成后，充入大氣，取出試樣。六.撰寫實驗報告1.真空系統(tǒng)的組成及作用，簡述旋片泵、分子泵的工作原理。2.真空測量系統(tǒng)的組成，簡 述電離真空規(guī)的工作原理。3.氣體放電理論的物理模型。4.銅薄膜沉積原

3、理與影響參數(shù)的 關(guān)系。簡介真空鍍膜 在真空中制備膜層，包括鍍制晶態(tài)的金屬、半導(dǎo)體、絕緣體 等單質(zhì)或化合物膜。雖然化學(xué)汽相沉積也采用減壓、低壓或等離子體等真空手段， 但一般真空鍍膜是指用物理的方法沉積薄膜。真空鍍膜有三種形式，即蒸發(fā)鍍膜、 濺射鍍膜和離子鍍。蒸發(fā)鍍膜通過加熱蒸發(fā)某種物質(zhì)使其沉積在固體表面，稱為蒸發(fā)鍍膜。這種方法最早 由M.法拉第于1857年提出，現(xiàn)代已成為常用鍍膜技術(shù)之一。蒸發(fā)鍍膜設(shè)備結(jié) 構(gòu)如圖1。蒸發(fā)物質(zhì)如金屬、化合物等置于坩堝內(nèi)或掛在熱絲上作為蒸發(fā)源，待鍍工件，如金屬、陶瓷、塑料等基片置于坩堝前方。待系統(tǒng)抽至高真空后， 加熱坩堝使其中的物質(zhì)蒸發(fā)。蒸發(fā)物質(zhì)的原子或分子以冷凝方式

4、沉積在基片表 面。薄膜厚度可由數(shù)百埃至數(shù)微米。膜厚決定于蒸發(fā)源的蒸發(fā)速率和時間（或決 定于裝料量），并與源和基片的距離有關(guān)。對于大面積鍍膜，常采用旋轉(zhuǎn)基片或 多蒸發(fā)源的方式以保證膜層厚度的均勻性。從蒸發(fā)源到基片的距離應(yīng)小于蒸氣分 子在殘余氣體中的平均自由程，以免蒸氣分子與殘氣分子碰撞引起化學(xué)作用。蒸 氣分子平均動能約為0.1 0.2電子伏。蒸發(fā)鍍膜通過加熱蒸發(fā)某種物質(zhì)使其沉積在固體表面，稱為蒸發(fā)鍍膜。這種方法最早由M.法拉第于1857年提出，現(xiàn)代已成為常用鍍膜技術(shù)之一。蒸發(fā)鍍膜設(shè)備結(jié) 構(gòu)如圖1。蒸發(fā)物質(zhì)如金屬、化合物等置于坩堝內(nèi)或掛在熱絲上作為蒸發(fā)源，待鍍工件，如金屬、陶瓷、塑料等基片置于坩堝

5、前方。待系統(tǒng)抽至高真空后， 加熱坩堝使其中的物質(zhì)蒸發(fā)。蒸發(fā)物質(zhì)的原子或分子以冷凝方式沉積在基片表 面。薄膜厚度可由數(shù)百埃至數(shù)微米。膜厚決定于蒸發(fā)源的蒸發(fā)速率和時間（或決 定于裝料量），并與源和基片的距離有關(guān)。對于大面積鍍膜，常采用旋轉(zhuǎn)基片或 多蒸發(fā)源的方式以保證膜層厚度的均勻性。從蒸發(fā)源到基片的距離應(yīng)小于蒸氣分 子在殘余氣體中的平均自由程，以免蒸氣分子與殘氣分子碰撞引起化學(xué)作用。蒸 氣分子平均動能約為0.1 0.2電子伏。編輯本段蒸發(fā)鍍膜的類型蒸發(fā)源有三種類型。電阻加熱源：用難熔金屬如鎢、鉭制成舟箔或絲狀， 通以電流,加熱在它上方的或置于坩堝中的蒸發(fā)物質(zhì)（圖1蒸發(fā)鍍膜設(shè)備示意圖）電阻加熱源主要

6、用于蒸發(fā)Cd、Pb、Ag、Al、Cu、Cr、Au、Ni等材料。高頻感應(yīng)加熱源：用高頻感應(yīng)電流加熱坩堝和蒸發(fā)物質(zhì)。電子束加熱源：適 用于蒸發(fā)溫度較高（不低于2000618-1）的材料，即用電子束轟擊材料使其蒸 發(fā)。蒸發(fā)鍍膜與其他真空鍍膜方法相比，具有較高的沉積速率，可鍍制單質(zhì)和不易熱分解的化合物膜。為沉積高純單晶膜層，可采用分子束外延方法。生長摻雜的GaAlAs單晶層的分子束外延裝置如圖2分子束外延裝置示意 圖。噴射爐中裝有分子束源，在超高真空下當(dāng)它被加熱到一定溫度時，爐中 元素以束狀分子流射向基片?；患訜岬揭欢囟?，沉積在基片上的分子可以 徙動，按基片晶格次序生長結(jié)晶用分子束外延法可獲得所

7、需化學(xué)計量比的高純化 合物單晶膜，薄膜最慢生長速度可控制在1單層/秒。通過控制擋板可精確地做 出所需成分和結(jié)構(gòu)的單晶薄膜。分子束外延法廣泛用于制造各種光集成器件和各 種超晶格結(jié)構(gòu)薄膜。濺射鍍膜用高能粒子轟擊固體表面時能使固體表面的粒子獲得能量并逸出表面，沉積 在基片上。濺射現(xiàn)象于1870年開始用于鍍膜技術(shù)，1930年以后由于提高了沉 積速率而逐漸用于工業(yè)生產(chǎn)。常用的二極濺射設(shè)備如圖3二極濺射示意圖。通常將欲沉積的材料制成板材一靶，固定在陰極上。基片置 于正對靶面的陽極上，距靶幾厘米。系統(tǒng)抽至高真空后充入10 1帕的氣體（通 常為氬氣），在陰極和陽極間加幾千伏電壓，兩極間即產(chǎn)生輝光放電。放電產(chǎn)生

8、 的正離子在電場作用下飛向陰極，與靶表面原子碰撞，受碰撞從靶面逸出的靶原 子稱為濺射原子，其能量在1至幾十電子伏范圍。濺射原子在基片表面沉積成膜。 與蒸發(fā)鍍膜不同，濺射鍍膜不受膜材熔點的限制可濺射W、Ta、C、Mo、WC TiC等難熔物質(zhì)。濺射化合物膜可用反應(yīng)濺射法，即將反應(yīng)氣體（O、N、HS CH等）加入Ar氣中，反應(yīng)氣體及其離子與靶原子或濺射原子發(fā)生反應(yīng)生成化合物 （如氧化物、氮化物等）而沉積在基片上。沉積絕緣膜可采用高頻濺射法?；?裝在接地的電極上，絕緣靶裝在對面的電極上。高頻電源一端接地，一端通過匹 配網(wǎng)絡(luò)和隔直流電容接到裝有絕緣靶的電極上。接通高頻電源后，高頻電壓不斷 改變極性。等

9、離子體中的電子和正離子在電壓的正半周和負(fù)半周分別打到絕緣靶 上。由于電子遷移率高于正離子，絕緣靶表面帶負(fù)電，在達(dá)到動態(tài)平衡時，靶處 于負(fù)的偏置電位，從而使正離子對靶的濺射持續(xù)進(jìn)行。采用磁控濺射可使沉積速 率比非磁控濺射提高近一個數(shù)量級。離子鍍蒸發(fā)物質(zhì)的分子被電子碰撞電離后以離子沉積在固體表面，稱為離子鍍。這 種技術(shù)是D.麥托克斯于1963年提出的。離子鍍是真空蒸發(fā)與陰極濺射技術(shù)的結(jié) 合。一種離子鍍系統(tǒng)如圖4離子鍍系統(tǒng)示意圖，將基片臺作為陰極，外殼作陽極， 充入惰性氣體（如氬）以產(chǎn)生輝光放電。從蒸發(fā)源蒸發(fā)的分子通過等離子區(qū)時發(fā) 生電離。正離子被基片臺負(fù)電壓加速打到基片表面。未電離的中性原子（約占

10、蒸 發(fā)料的95% ）也沉積在基片或真空室壁表面。電場對離化的蒸氣分子的加速作 用（離子能量約幾百幾千電子伏）和氬離子對基片的濺射清洗作用，使膜層附 著強度大大提高。離子鍍工藝綜合了蒸發(fā)（高沉積速率）與濺射（良好的膜層附 著力）工藝的特點，并有很好的繞射性，可為形狀復(fù)雜的工件鍍膜。光學(xué)鍍膜材料（純度:99.9%-99.9999% ）高純氧化物氧化硅、SiO ,二氧化鉿、HfO 二硼化鉿，氯氧化鉿二氧化鋯、ZrO2 , 二氧化鈦、TiO2，一氧化鈦、TiO,二氧化硅、SiO2，三氧化二鈦、Ti2O3，五 氧化三鈦、Ti3O5，五氧化二鉭、Ta2O5，五氧化二鈮、Nb2O5 ,三氧化二鋁 Al2O3

11、，三氧化二銃、Sc2O3，三氧化二錮、In2O3 ,二鈦酸錯、Pr（TiO3）2 , 二氧化鈰、CeO2 ,氧化鎂、MgO ,三氧化鎢、WO3，氧化釤、Sm2O3，氧化 釹、Nd2O3，氧化祕、Bi2O3，氧化錯、Pr6O11，氧化銻、Sb2O3，氧化釩、V2O5，氧化鎳、NiO，氧化鋅、ZnO，氧化鐵、Fe2O3，氧化鉻、Cr2O3，氧 化銅、CuO等。高純氟化物氟化鎂、MgF2，氟化鐿、YbF3，氟化釔、LaF3，氟化鏑、DyF3，氟化釹、 NdF3，氟化鉺、ErF3，氟化鉀、KF，氟化鍶、SrF3，氟化釤、SmF3，氟化鈉、 NaF，氟化鋇、BaF2，氟化鈰、CeF3，氟化鉛等。高純金屬

12、類高純鋁，高純鋁絲，高純鋁粒，高純鋁片，高純鋁柱，高純銅，高純銅絲， 高純銅片，高純銅粒，高純鉻，高純鉻粒，高純鉻粉，高純鉻塊，鉻條，高純鉆， 高純鉆粒，高純金，高純金絲，高純金片，高純金粒，高純銀，高純銀絲，高純 銀粒，高純銀片，高純鉑，高純鉑絲，高純鉿，高純鉿粉，高純鉿絲，高純鉿粒， 高純鎢，高純鎢粒，高純鉬，高純鉬粒，高純鉬片，高純硅，高純單晶硅，高純 多晶硅，高純錯，高純錯粒，高純錳，高純錳粒，高純鉆，高純鉆粒，高純鈮， 高純錫，高純錫粒，高純錫絲，高純鎢，高純鎢粒，高純鋅，高純鋅粒，高純釩， 高純釩粒，高純鐵，高純鐵粒，高純鐵粉，高純鈦，高純鈦片，高純鈦粒，海面 鈦，高純鋯，高純鋯絲

13、，海綿皓碘化鋯，高純鋯粒，高純鋯塊，高純碲，高純碲粒， 高純錯，高純鎳，高純鎳絲，高純鎳片，高純鎳柱，高純鉭，高純鉭片，高純鉭 絲，高純鉭粒，高純鎳鉻絲，高純鎳鉻粒，高純鑭,高純錯，高純釓,高純鈰，高純鋱， 高純秋，高純釔，高純鐿，高純銩，高純銖，高純銠，高純把，高純銥等.混合料氧化鋯氧化鈦混合料，氧化鋯氧化鉭混合料，氧化鈦氧化鉭混合料，氧化鋯 氧化釔混合料，氧化鈦氧化鈮混合料，氧化鋯氧化鋁混合料，氧化鎂氧化鋁混合 料，氧化錮氧化錫混合料，氧化錫氧化錮混合料，氟化鈰氟化鈣混合料等混合料普$普理鎏m BaT_03、理鎏塑 PrT_03、s、SrT_03、f w LaT_03、 曼N、Zns、關(guān)制

14、永、Na3A_F6 H 曼N、zse、 uso8、as市，陶湃，站湃，站市，Bs(1 - 99.9%99.999% )曹措Mf ( N一措)，i (T 一措)，sNn 措)，f (cr 措)，措(Mg 措)，ss措(Nb措)，期措(sn措)，fis措(措)，滯措(m措)，1 (Fe 措)，ffifis措(ZrA一措)，蜜En措(T一措)，解措(zr 措)，爵措(S一措)，期措(CU措)，ffi措(Ta措)，探措(Ge措)，滯措(Ag措)，1 (C。措)，眇措(AU措)，普措(Gd措)，W措(La措)，宓措(Y措)， 部措(ce措)，邰措(Hf措rS&措(M。措)，彈措(FeN 一措rV措， W

15、措,瀛食措,弟措,彈奔措,SSS措,期滯朝措,蹄爵措Nnr措糧眇制 措M。廚盥BM2 31 IT。措，N0 措、MfNs措，MfN 弟措，MfNss措，M 善措，爵善都措、sfNes措、川喜卅措，喜卅措，MfNs措, nM富措，WMESSB，nM昏措，nM富措 hM富措 h 昌昏 措 、lllMfN 站措、IIlMfNnfis措、田MfNnffi措、田MfNnss措，氟化鎂靶、氟化釔靶、氟化鎂靶，硒化鋅靶、氮化鋁靶，氮化硅靶，氮化硼靶， 氮化鈦靶，碳化硅靶，鈮酸鋰靶、鈦酸錯靶、鈦酸鋇靶、鈦酸鑭靶、氧化鎳靶等 陶瓷濺射靶材。編輯本段真空鍍膜安全操作規(guī)程1 .在機床運轉(zhuǎn)正常情況下，開動機床時，必須先開水管，