實(shí)驗(yàn)一真空蒸發(fā)和離子濺射鍍膜隨著材料科學(xué)的發(fā)展，近年來(lái)薄膜材料作為其中的一個(gè)重要分支從過(guò)去體材料一統(tǒng)天下的局面中脫贏而出。如過(guò)去需要眾多材料組合才能實(shí)現(xiàn)的功能，現(xiàn)在僅需數(shù)幾個(gè)器件或一塊集成電路板就能完成，薄膜技術(shù)正是實(shí)現(xiàn)器件和系統(tǒng)微型化的最有效的技術(shù)手段。薄膜技術(shù)還可以將各種不同的材料靈活的復(fù)合在一起，構(gòu)成具有優(yōu)異特性的復(fù)雜材料體系，發(fā)揮每種材料各自的優(yōu)勢(shì)，避免單一材料的局限性。薄膜的應(yīng)用圍越來(lái)越寬，按其用途可分為光學(xué)薄膜、微電子學(xué)薄膜、光電子學(xué)薄膜、集成光學(xué)薄膜、信息存儲(chǔ)薄膜、防護(hù)功能薄膜等。目前，薄膜材料在科學(xué)技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。因此薄膜材料的制備和研究就顯得非常重要。薄膜的制備方法可分為物理法、化學(xué)法和物理化學(xué)綜合法三大類。物理法主要指物理氣相沉積技術(shù)（PhysicalVaporDeposition,簡(jiǎn)稱PVD）,即在真空條件下，采用各種物理方法將固態(tài)的鍍膜材料轉(zhuǎn)化為原子、分子或離子態(tài)的氣相物質(zhì)后再沉積于基體表面，從而形成固體薄膜的一類薄膜制備方法。物理氣相沉積過(guò)程可概括為三個(gè)階段：1.從源材料中發(fā)射出粒子；2.粒子輸運(yùn)到基片；3.粒子在基片上凝結(jié)、成核、長(zhǎng)大、成膜。由于粒子發(fā)射可以采用不同的方式，因而物理氣相沉積技術(shù)呈現(xiàn)出各種不同形式，主要有真空蒸發(fā)鍍膜、濺射鍍膜和離子鍍膜三種主要形式。在這三種PVD基本鍍膜方法中，氣相原子、分子和離子所產(chǎn)生的方式和具有的能量各不相同，由此衍生出種類繁多的薄膜制備技術(shù)。本實(shí)驗(yàn)主要介紹了真空蒸發(fā)和離子濺射兩種鍍膜技術(shù)。在薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中，膜的質(zhì)量與真空度、基片溫度、基片清潔度、蒸發(fā)器的清潔度、蒸發(fā)材料的純度、蒸發(fā)速度等有關(guān)。在濺射薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程中，氣體流量（壓力）也會(huì)對(duì)形成的薄膜的性質(zhì)產(chǎn)生影響。通過(guò)改變鍍膜條件，即可得到性質(zhì)炯異的薄膜材料。對(duì)制備的薄膜材料，可通過(guò)X射線衍射、電子顯微鏡（掃描電鏡、透射電鏡等）、掃描探針（掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡等）以及光電子能譜、紅外光譜等技術(shù)來(lái)進(jìn)行分析和表征，還可通過(guò)其它現(xiàn)代分析技術(shù)測(cè)試薄膜的各種相應(yīng)特性等。【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?．掌握濺射的基本概念，學(xué)習(xí)直流輝光放電的產(chǎn)生過(guò)程和原理；2．掌握幾種主要濺射鍍膜法基本原理及其特點(diǎn)，掌握真空鍍膜原理；3．掌握真空鍍膜和濺射鍍膜的基本方法；4．熟悉金屬和玻璃片的一般清洗技術(shù)，學(xué)習(xí)薄膜厚度的測(cè)量方法；5．了解真空度、基片溫度、基片清潔度、蒸發(fā)器的清潔度、蒸發(fā)材料的純度、蒸發(fā)速度等因素，在薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)形成薄膜性質(zhì)的影響?！緦?shí)驗(yàn)原理】一真空蒸發(fā)鍍膜原理任何物質(zhì)在一定溫度下，總有一些分子從凝聚態(tài)（固態(tài)，液態(tài)）變成為氣態(tài)離開(kāi)物質(zhì)表面，但固體在常溫常壓下，這種蒸發(fā)量是極微小的。如果將固體材料置于真空中加熱至此材料蒸發(fā)溫度時(shí)，在氣化熱作用下材料的分子或原子具有足夠的熱震動(dòng)能量去克服固體表面原子間的吸引力，并以一定速度逸出變成氣態(tài)分子或原子向四周迅速蒸發(fā)散射。當(dāng)真空度高，分子平均自由程只遠(yuǎn)大于蒸發(fā)器到被鍍物的距離d時(shí)（一般要求~^=（2~3）d），材料的蒸氣分子在散射途中才能無(wú)阻當(dāng)?shù)刂本€達(dá)到被鍍物和真空室表面。在化學(xué)吸附（化學(xué)鍵力引起

的吸附）和物理吸附（靠分子間德瓦爾斯力產(chǎn)生的吸附）作用下，蒸氣分子就吸附在基片表面上。當(dāng)基片表面溫度低于某一臨界溫度，則蒸氣發(fā)分子在其表面發(fā)生凝結(jié)，即核化過(guò)程，形成“晶核”。當(dāng)蒸氣分子入射到基片上密度大時(shí)，晶核形成容易，相應(yīng)成核數(shù)目也就增多。在成膜過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行中，晶核逐漸長(zhǎng)大，而成核數(shù)目卻并不顯著增多。由于（1）后續(xù)分子直接入射到晶核上；（2）已吸收分子和小晶核移徒到一起形成晶粒；（3）兩個(gè)晶核長(zhǎng)大到互相接觸合并成晶粒等三個(gè)因素，使晶粒不斷長(zhǎng)大結(jié)合。構(gòu)成一層網(wǎng)膜。當(dāng)它的平均厚度增加到一定厚度后，在基片表面緊密結(jié)合而沉積成一層連續(xù)性薄膜。在平衡狀態(tài)下，若物質(zhì)克分子蒸發(fā)熱與溫度無(wú)關(guān)，則飽和蒸氣壓PS和絕對(duì)溫度T有如下關(guān)系：P=K-e_rt （1.1）S式中R為氣體普適常數(shù)，K為積分常數(shù)。在真空環(huán)境下，若物質(zhì)表面靜壓強(qiáng)為P,則單位時(shí)間從單位凝聚相表面蒸發(fā)出的質(zhì)量,即蒸發(fā)率為(1.2)廠=5.833x10_2a(1.2)式中Q為蒸發(fā)系數(shù)，M為克分子量，T為凝聚相物質(zhì)的溫度。若真空度很高（P-0）時(shí)蒸發(fā)的分子全部被凝結(jié)而無(wú)返回蒸發(fā)源，并且蒸發(fā)出向外飛行的分子也沒(méi)有因相互碰撞而返回，此時(shí)蒸發(fā)率為(1.3)廠=5.833x10_2a巴P=5.833x10_2a -K-e豊(1.3)Ts T根據(jù)數(shù)學(xué)知識(shí)從（1.3）式可知，提高蒸發(fā)率r主要決定于上式指數(shù)因式，因而溫度T的升高將使出蒸發(fā)率迅速增加。在室溫T=2930K，氣體分子直徑a=3.5x10_8cm時(shí)，由氣體分子動(dòng)力學(xué)可知?dú)怏w分子平均自由程九可表示為kTA=—=-kTA=—=-\2na2n\2na2p5x103P1.4)式中k為波爾茲曼常數(shù)，n為氣體分子密度。氣體壓強(qiáng)P為帕?xí)r，方的單位為米。根據(jù)（1.4）式可列出表1－1。從表中看出，當(dāng)真空度高于1x10_2帕?xí)r，九大于50cm；在蒸發(fā)源到被鍍物d為15?20cm情況下是滿足A=（2~3）d。因此將真空鍍膜室抽至1x10_2帕以上真空度是必需，方可得到牢固純凈的薄膜。P（帕）10001001011x10_11x10_21x10_3九(m)5x10_65x10_55x10_45x10_35x10_25x10_15離子濺射鍍膜原理1．濺射濺射是指具有足夠高能量的粒子轟擊固體（稱為靶）表面使其中的原子發(fā)射出來(lái)。實(shí)際過(guò)程是入射粒子（通常為離子）通過(guò)與靶材碰撞，把部分動(dòng)量傳給靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成級(jí)聯(lián)過(guò)程。在這種級(jí)聯(lián)過(guò)程中某些表面附近的靶原子獲得向外運(yùn)動(dòng)的足夠動(dòng)量，離開(kāi)靶被濺射出來(lái)。而入射粒子能量的95%用于激勵(lì)靶中的晶格熱振動(dòng)，只有5%

左右的能量傳遞給濺射原子。下面以最簡(jiǎn)單的直流輝光放電等離子體構(gòu)成的離子源為例，說(shuō)明入射離子的產(chǎn)生過(guò)程。2．直流輝光放電考慮一個(gè)二極系統(tǒng)（參考圖1-7），系統(tǒng)的電流和電壓的關(guān)系曲線如圖1-1所示，系統(tǒng)壓強(qiáng)為幾十帕。在兩電極間加上電壓，系統(tǒng)中的氣體因宇宙射線輻射產(chǎn)生一些游離離子和電子，但其數(shù)量非常有限，因此所形成的電流非常微弱，這一區(qū)域AB稱為無(wú)光放電區(qū)。隨著兩極間電壓的升高，帶電離子和電子獲得足夠高的能量，與系統(tǒng)中的中性氣體分子發(fā)生碰撞并產(chǎn)生電離，進(jìn)而使電流持續(xù)增加，此時(shí)由于電路中的電源有高輸出阻抗限制，致使電壓呈一恒定值，這一區(qū)域BC稱為湯森放電區(qū)。當(dāng)電流增加到一定值時(shí)（C點(diǎn)），會(huì)產(chǎn)生“雪崩”現(xiàn)象。離子開(kāi)始轟擊陰極，產(chǎn)生二次電子，二次電子與中性氣體分子碰撞，產(chǎn)生更多的離子，離子再轟擊陰極，陰極又產(chǎn)生出更多的二次電子，大量的離子和電子產(chǎn)生后，放電達(dá)到自持。氣體開(kāi)始起輝，兩極間電流劇增，電壓迅速下降，這一區(qū)域CD叫做過(guò)度區(qū)，通常稱為氣體擊穿。在D點(diǎn)以后，電流平穩(wěn)增加，電壓維持不變，這一區(qū)域DE稱為正常輝光放電區(qū)，這時(shí)，陰極表面并未全部布滿輝光。隨著電流的增加，轟擊陰極的區(qū)域逐漸擴(kuò)大，達(dá)到E點(diǎn)后，離子轟擊已覆蓋整個(gè)陰極表面。此時(shí)增加電源功率，則使兩極間的電流隨著電壓的增大而增大，這一區(qū)域EF稱做“異常輝光放電區(qū)”在這一區(qū)域，電流可以通過(guò)電壓來(lái)控制，從而使這一區(qū)域成為濺射所選擇的工作區(qū)域。在F點(diǎn)之后，繼續(xù)增加電源功率，兩極間電壓迅速下降，電流則幾乎由外電阻所控制，電流越大，電壓越小，這一區(qū)域FG稱為“弧光放電區(qū)”眾多電子、原子碰撞導(dǎo)致原子中的軌道電子受激躍到高能態(tài)，而后又衰變到基態(tài)并發(fā)射光子，大量光子形成輝光。輝光放電時(shí)明暗光區(qū)的分布情況如圖1-2所示。從陰極發(fā)射出來(lái)的電子能量較低，很難與氣體分子發(fā)生電離碰撞，這樣在陰極附近形成阿斯頓暗區(qū)。電子一旦通過(guò)阿斯頓暗區(qū)，在電場(chǎng)的作用下會(huì)獲得足夠多的能量與氣體分子發(fā)生碰撞并使之電離,離化后的離子和電子復(fù)合泯滅產(chǎn)生光子,形成陰極輝光區(qū)。從陰極輝光區(qū)出來(lái)的電子，由于碰撞損失了能量，已無(wú)法與氣體陰坡珂斯頓暗區(qū)襯底II古輝it的電子能量較低，很難與氣體分子發(fā)生電離碰撞，這樣在陰極附近形成阿斯頓暗區(qū)。電子一旦通過(guò)阿斯頓暗區(qū)，在電場(chǎng)的作用下會(huì)獲得足夠多的能量與氣體分子發(fā)生碰撞并使之電離,離化后的離子和電子復(fù)合泯滅產(chǎn)生光子,形成陰極輝光區(qū)。從陰極輝光區(qū)出來(lái)的電子，由于碰撞損失了能量，已無(wú)法與氣體陰坡珂斯頓暗區(qū)襯底II古輝it直 電接■圖1-2一般直流輝光放電區(qū)域的劃分圖1-3直流輝光放電過(guò)程的電位分布和等離子體鞘層分子碰撞使之電離，從而形成另一個(gè)暗區(qū)，叫做陰極暗區(qū)，又叫克魯克斯暗區(qū)。通過(guò)克魯克斯暗區(qū)以后，電子又會(huì)獲得足夠的能量與氣體分子碰撞并使之電離,離化后的離子和電子復(fù)合后又產(chǎn)生光子，從而形成了負(fù)輝光區(qū)。負(fù)輝光區(qū)是輝光最強(qiáng)的區(qū)域，它是已獲加速的電子與氣體分子發(fā)生碰撞而產(chǎn)生電離的主要區(qū)域。在此區(qū)域,正離子因質(zhì)量較大，向陰極的運(yùn)動(dòng)速度較慢，形成高濃度的正離子區(qū)，使該區(qū)域的電位升高，與陰極形成很大的電位差，此電位差稱為陰極輝光

放電的陰極壓降。此壓降區(qū)域又稱為陰極鞘層，即陰極輝光區(qū)和負(fù)輝光區(qū)之間的區(qū)域，主要對(duì)應(yīng)克魯克斯暗區(qū)，如圖1-3所示。這個(gè)區(qū)域的壓降占了整個(gè)放電電壓的絕大部分，因此也可近似認(rèn)為，僅僅在陰極鞘層中才有電位梯度存在，其形成的電壓降約等于靶電壓。也正因?yàn)檫@個(gè)原因，陽(yáng)極所處位置雖會(huì)影響氣體擊穿電壓，但對(duì)放電后的靶電壓影響不大，即陽(yáng)極位置具有很大的自由度。在實(shí)際濺射鍍膜過(guò)程中，基片（襯底）通常置于負(fù)輝光區(qū)，且作為陽(yáng)極使用。經(jīng)過(guò)負(fù)輝光區(qū)后，多數(shù)電子已喪失從電場(chǎng)中獲得的能量，只有少數(shù)電子穿過(guò)負(fù)輝光區(qū)，在負(fù)輝光區(qū)與陽(yáng)極之間是法拉第暗區(qū)和輝光放電區(qū)，其作用是連接負(fù)輝光區(qū)和陽(yáng)極。3圖1-3直流輝光放電過(guò)程的電位分布和等離子體鞘層（1）濺射粒子（主要是原子，還有少量離子等）的平均能量達(dá)幾個(gè)電子伏，比蒸發(fā)粒子的平均動(dòng)能kT高得多（3000K蒸發(fā)時(shí)平均動(dòng)能僅0.26eV）,濺射所獲得的薄膜與基片結(jié)合較好；（2） 入射離子能量增大（在幾千電子伏圍），濺射率（濺射出來(lái)的粒子數(shù)與入射離子數(shù)之比）增大。入射離子能量再增大，濺射率達(dá)到極值；能量增大到幾萬(wàn)電子伏，離子注入效應(yīng)增強(qiáng)，濺射率下降，如圖1-4所示。（3） 入射離子質(zhì)量增大，濺射率增大。（4） 入射離子方向與靶面法線方向的夾角增大,濺射率增大（傾斜入射比垂直入射時(shí)濺射率大）。L：：0 10：：0 10：：00 100300 l0：：000CL：：0 10：：0 10：：00 100300 l0：：000C圖1-4濺射速率與入射離子能量的關(guān)系/eV（6）不同靶材的濺射率很不相同。圖1-5為Ar+在400KV加速電壓下對(duì)各種元素靶材的濺原子序數(shù)圖1-5Ar+在400KV加速電壓下對(duì)各種元素的濺射產(chǎn)額圖1-6不同入射離子在45KV加速電壓下對(duì)Ag靶的濺射產(chǎn)額射產(chǎn)額的變化情況。由圖中數(shù)據(jù)可以看出，元素的濺射產(chǎn)額呈現(xiàn)明顯的周期性，即隨著元素外層d電子數(shù)的增加，其濺射產(chǎn)額提高，因而，Cu、Ag、Au等元素的濺射產(chǎn)額明顯高于原子序數(shù)圖1-5Ar+在400KV加速電壓下對(duì)各種元素的濺射產(chǎn)額圖1-6不同入射離子在45KV加速電壓下對(duì)Ag靶的濺射產(chǎn)額（7）不同濺射氣體的濺射率也不相同。圖1-6是45KV加速電壓下各種入射離子轟擊Ag靶表面時(shí)得到的濺射率隨入射離子的原子序數(shù)的變化。由圖中結(jié)果可以看出，使用惰性氣體作為入射離子時(shí)，濺射產(chǎn)額較高。而且，重離子的濺射額明顯高于輕離子。但是出于經(jīng)濟(jì)等方面的考慮，多數(shù)情況下均采用Ar離子作為薄膜濺射沉積時(shí)的入射離子。（8）濺射所得薄膜純度高，致密性好；（9）濺射工藝可重復(fù)性好，膜厚可控制，同時(shí)可以在大面積基片上獲得厚度均勻的薄膜。4．濺射類型濺射裝置種類繁多，因電極不同可分為二極、三極、四極直流濺射，磁控濺射，射頻濺射、合金濺射、反應(yīng)濺射等等。直流濺射系統(tǒng)一般只用于靶材為良導(dǎo)體的濺射；而射頻濺射則適用于絕緣體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體等任何靶材的濺射；磁控濺射是通過(guò)施加磁場(chǎng)改變電子的運(yùn)動(dòng)方向，并束縛和延長(zhǎng)電子的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而提高電子對(duì)工作氣體的電離效率和濺射沉積率。磁控濺射具有沉積溫度低、沉積速率高兩大特點(diǎn)。一般通過(guò)濺射方法獲得的薄膜材料與靶材相同，但也有一種濺射方法，其濺射鍍膜的過(guò)程中，引入一種放電氣體與濺射出來(lái)的靶原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成新物質(zhì)，這種方法稱為反應(yīng)濺射。如在O2中濺射反應(yīng)可獲得氧化物薄膜；在n2或nh3中濺射反應(yīng)可獲得氮化物等。（1） 直流濺射直流濺射是最簡(jiǎn)單的一種濺射系統(tǒng)。其示意圖如圖1-7所示。盤(pán)狀的待鍍靶材連接到電圖1-7直流濺射裝置及兩極間氣體放電體系模型源的陰極，與陰極靶相對(duì)的基片則連接到電源的陽(yáng)極。首先將真空室真空抽至10-3-10-4Pa,然后通過(guò)氣體入口充入流動(dòng)的工作氣體如氬氣，并使壓力維持在1.3-13Pa圍，通過(guò)電極加上1-5KV的直流電壓（電流密度1-10mA/cm2）,兩極間便會(huì)產(chǎn)生輝光放電。當(dāng)輝光放電開(kāi)始，正離子就會(huì)轟擊陰極靶，使靶材表面的中性原子逸出，這些中性原子最終在基片上凝結(jié)形成薄膜。在離子轟擊靶材產(chǎn)生出中性原子的同時(shí)，也有大量二次電子產(chǎn)生，它們?cè)陔妶?chǎng)作用下向基片陽(yáng)極方向加速，在這一過(guò)程中，電子和氣體分子碰撞又產(chǎn)生更多的離子，更多的離子轟擊陰極靶材，又產(chǎn)生更多的二次電子和靶材原子，從而使輝光放電達(dá)到自持。直流濺射鍍膜法的優(yōu)點(diǎn)是裝置簡(jiǎn)單，操作方便，可以在大面積的基片上制取均勻的薄膜，并可濺射難熔材料等。但這種方法存在鍍膜沉積速率低、只能濺射金屬導(dǎo)電材料等缺點(diǎn)。因而未經(jīng)改進(jìn)的二級(jí)直流濺射僅在實(shí)驗(yàn)室使用，很少用于生產(chǎn)。而且二級(jí)直流濺射要達(dá)到輝光放電自持，必須滿足兩個(gè)條件，①真空室充入的氣體壓強(qiáng)要適度；②陰極-陽(yáng)極間距要適度。因?yàn)槿绻麣鈮禾突蜿庩?yáng)極間距太短，在二次電子打到陽(yáng)極之前不會(huì)有足夠多的離化碰撞出現(xiàn)；相反，如果氣壓太高或陰陽(yáng)極間距太長(zhǎng)，則會(huì)使產(chǎn)生的離子因非彈性碰撞而減速，當(dāng)它們打擊靶材時(shí)沒(méi)有足夠的能量來(lái)產(chǎn)生二次電子。圖1-8顯示了濺射沉積速率與工作氣體壓力之間的關(guān)系曲線。直流濺射系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)足夠的離化碰撞，要求氣壓不能低于1.3Pa，但是這種自持輝光放電最嚴(yán)重的缺陷是用于產(chǎn)生放電的惰性氣體對(duì)所沉積形成的薄膜構(gòu)成污染。而在低氣壓下要想自持輝光放電和足夠的離化碰撞，就需要提供額外的電子源，而不是靠陰極發(fā)射出來(lái)的二次電子，或者提高已有電子的離化效率。三極濺射系統(tǒng)就是通過(guò)一個(gè)另加的熱陰極（加熱的鎢絲）產(chǎn)生的電子注入到系統(tǒng)中，以滿足自持輝光放電所需要的電子量，達(dá)到高效率的直流濺射目的，如圖1-9。提高電子的離化效率則可通過(guò)施加磁場(chǎng)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，磁場(chǎng)的作用

是通過(guò)改變電子的運(yùn)動(dòng)方向，使電子的運(yùn)動(dòng)路徑增加，從而提高電子和氣體分子的碰撞機(jī)會(huì)，是通過(guò)改變電子的運(yùn)動(dòng)方向，使電子的運(yùn)動(dòng)路徑增加，從而提高電子和氣體分子的碰撞機(jī)會(huì)，耙而逼方線廠7〉廠、、靈圖1-10平面磁控靶的結(jié)構(gòu)（2）磁控濺射磁控濺射法是在靶的后背裝上一組永磁體，如圖1-10示，從而在靶的表面形成磁場(chǎng)，使部分磁力線平行于靶面。由此，原本在二級(jí)濺射中，靶面發(fā)射的電子在電場(chǎng)力作用下直線飛離靶面的過(guò)程中又將受到磁場(chǎng)的洛侖茲力作用而返回靶面，由此反復(fù)形成“跨欄式”運(yùn)動(dòng)，并不斷與氣體分子發(fā)生碰撞。這樣就將初始電子的運(yùn)動(dòng)限制在鄰近陰極的區(qū)域，既增加了氣體原子的離化效率，又使本身變?yōu)榈湍茈娮?，避免了?duì)基片的強(qiáng)烈轟擊。由于磁控濺射中電子運(yùn)動(dòng)行程的大大延長(zhǎng)，顯著的提高了陰極位降區(qū)的電子密度，從而可使濺射氣壓降低一個(gè)數(shù)量級(jí)為10-i-10-2耙而逼方線廠7〉廠、、靈圖1-10平面磁控靶的結(jié)構(gòu)（污染）和降低基片溫度的目的。常用磁控濺射儀主要使用圓筒結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)，如圖1-11所示。這兩種結(jié)構(gòu)中，磁場(chǎng)方向都基本平行于陰極表面，并將電子運(yùn)動(dòng)有效地限制在陰極附近。囲柱靶備控溉肘靶的示意圖電子運(yùn)動(dòng)軌跡濺射軌逝磁控濺射靶材表面的磁煬利電子的運(yùn)動(dòng)軌跡圖4-11磁控濺射儀濺射靶的圓筒結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)囲柱靶備控溉肘靶的示意圖電子運(yùn)動(dòng)軌跡濺射軌逝磁控濺射靶材表面的磁煬利電子的運(yùn)動(dòng)軌跡圖4-11磁控濺射儀濺射靶的圓筒結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)在20世紀(jì)70年代磁控濺射技術(shù)出現(xiàn)以前，真空蒸發(fā)噴鍍技術(shù)由于其高沉積速率而成為氣相沉積技術(shù)的主要方法，而目前由于磁控濺射法的薄膜沉積速率已達(dá)到與蒸鍍相當(dāng)?shù)乃剑瑥亩咕哂兄颇しN類多、工藝簡(jiǎn)便的磁控濺射技術(shù)成為了目前工業(yè)中最常用的物理氣相沉積技術(shù)。磁控濺射又分為直流（DC）磁控濺射和射頻（RF）磁控濺射。（3）射頻濺射無(wú)論是二級(jí)直流濺射還是磁控直流濺射，所面對(duì)的另一個(gè)困難是絕緣介質(zhì)材料，其原因在于轟擊于介質(zhì)靶材表面上的離子無(wú)法中和而造成靶面電位升高。外加電壓幾乎都加在了靶上，極間電位降低，離子的加速和電離迅速減小，直到放電停止。為此，發(fā)展了可以濺射絕緣介質(zhì)材料的射頻濺射法。圖1-12射頻濺射原理圖（a）圖1-12射頻濺射原理圖（a）負(fù)半周（b）正半周，故能使介質(zhì)靶的濺射得以進(jìn)行。然而，在兩個(gè)電極上加上高頻電壓產(chǎn)生輝光放電時(shí)，兩個(gè)電極都會(huì)產(chǎn)生陰極暗區(qū)，在一個(gè)頻率周期，兩個(gè)電極將交替成為陰極和陽(yáng)極，并受到正離子轟擊而產(chǎn)生濺射。顯然，這時(shí)無(wú)法在基片上濺射薄膜。因此，實(shí)用的濺射鍍膜系統(tǒng)常采用兩個(gè)金屬電極面積大小不等，形成非對(duì)稱平板結(jié)構(gòu)。把高頻電源接在小電極上，而將大電極和屏蔽板等相連后接地作為另一極，這樣，在小電極表面產(chǎn)生的陰極壓降就比大電極的陰極壓降大得多。由于陰極壓降的大小決定轟擊電極離子的能量，當(dāng)大電極的面積大到足以使轟擊其的離子能量小于濺射閾能時(shí)，則在大電極上就不會(huì)濺射。因而，只在小電極上裝上靶材，而將基片置于大電極上，就可實(shí)現(xiàn)高頻濺射鍍膜，其國(guó)際采用的通用頻率為13.56MHZ。理論上利用射頻磁控濺射可以濺射沉積任何材料。由于磁性材料對(duì)磁場(chǎng)的屏蔽作用，濺射沉積時(shí)它們會(huì)減弱或改變靶表面的磁場(chǎng)分布，影響濺射效率。因此，磁性材料的靶材需要特別加工成薄片，盡量減少對(duì)磁場(chǎng)的影響。5．濺射薄膜的生長(zhǎng)特點(diǎn)不管薄膜的制備采用什么方法，但薄膜的形成大致都要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)階段，（1）最初階段，外來(lái)原子在基底表面相遇結(jié)合在一起形成原子團(tuán)，當(dāng)原子團(tuán)達(dá)到一定數(shù)量即形成“核”，然后再逐漸形成“島”；（2）隨著原子的不斷增多，很多島逐漸結(jié)合起來(lái)形成“通道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)”；（3）后續(xù)原子再不斷填補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的空隙，逐漸形成連續(xù)的薄膜。濺射法制取薄膜時(shí)，由于到達(dá)基片的濺射粒子（原子、分子、及其團(tuán)簇）的能量比蒸發(fā)鍍膜大的多，因而會(huì)給薄膜的生長(zhǎng)和性質(zhì)帶來(lái)一系列影響。首先，高能量濺射粒子的轟擊會(huì)造成基片溫度的上升和應(yīng)力的增加。濺射薄膜的應(yīng)力主要來(lái)自兩個(gè)方面，一方面是本征應(yīng)力，因?yàn)R射粒子沉積于正在生長(zhǎng)的薄膜表面的同時(shí)，其帶有的能量也對(duì)薄膜的生長(zhǎng)表面帶來(lái)沖擊，造成薄膜表面晶格的畸變。如果基片溫度不夠高，晶格中的熱運(yùn)動(dòng)不能消除這種晶格畸變，就在薄膜中產(chǎn)生應(yīng)力。對(duì)于反應(yīng)濺射的化合物薄膜，這種本征應(yīng)力可高達(dá)幾個(gè)GPa,

甚至超過(guò)lOGPa。另一方面由于薄膜與基片熱膨脹系數(shù)的差異所致，在較高溫度鍍膜后冷卻至室溫，也會(huì)使薄膜產(chǎn)生熱應(yīng)力。應(yīng)力的存在會(huì)改變薄膜的硬度、彈性模量等力學(xué)性能，以及薄膜與基片的結(jié)合力。對(duì)于TiN等硬質(zhì)薄膜，由于存在巨大的應(yīng)力，并且這種應(yīng)力會(huì)隨薄膜厚度的增加而增加，因而在厚度增加后（如〉5um）有時(shí)硬質(zhì)薄膜會(huì)自動(dòng)從基片上剝落。濺射薄膜的能量與濺射電壓、真空室氣體的壓強(qiáng)以及靶和基片的距離等有關(guān)，因而濺圖1-13濺射薄膜結(jié)構(gòu)示意圖（T--基片溫度，Tm圖1-13濺射薄膜結(jié)構(gòu)示意圖（T--基片溫度，Tm-薄膜熔點(diǎn)）材料的清洗清洗一般意味著除去物質(zhì)表面不需要的不干凈物質(zhì)。如物理污染物（油脂、灰塵等）。被鍍玻璃基片、鎢蒸發(fā)器、鋁條、玻璃鐘罩等材料、配件清潔程度直接影響薄膜的牢固性和均勻性，玻璃片和蒸發(fā)器、鋁條表面的任何微量的灰塵、油斑雜質(zhì)及植物纖維等都會(huì)大大降低薄膜附著力，并使薄膜出現(xiàn)花斑和過(guò)多過(guò)大的針空，不久會(huì)自然脫落。因此會(huì)使鋁鏡減少反射，增加吸收。所以加強(qiáng)清洗是非常必要的。清洗上述污染物的方法很多，如機(jī)械清洗、溶劑浸漬沖洗、電化學(xué)清洗、離子轟擊清洗、超聲波清洗等。不同材料，不同污染物，清洗的方法不同。（1） 鎢蒸發(fā)器和鋁條的清洗方法是：先用自來(lái)水沖去塵埃，放入濃度為20%的氫氧化鈉溶液中煮10分鐘（鋁條煮半分鐘），除去表面氧化物和油跡，達(dá)到見(jiàn)鎢發(fā)亮為止；然后用自來(lái)水沖洗，浸在離子水（或蒸餾水）中沖洗，取出用無(wú)水乙醇脫水烘干便可。（2） 玻璃片的清洗方法是：用去污粉察洗除去一般油污和塵埃；然后用清水沖洗放在重鉻酸鉀和硫酸混合溶液中浸10~30分鐘，取出后先后用自來(lái)水、蒸餾水沖洗；最后用無(wú)水乙醇脫水，烘干后便可使用。清洗的過(guò)程中手指不能直接與被鍍物表面和酸堿接觸。（3） 玻璃鐘罩用濃度約為30%的氫氧化鈉溶液擦洗掉鍍上的鋁膜，然后用自來(lái)水、蒸餾水沖洗，無(wú)水乙醇脫水烘干便可。近年來(lái),化學(xué)清洗劑比較多,也可以根據(jù)不同材料,選用化學(xué)試劑清洗。蒸發(fā)器與薄膜質(zhì)量蒸發(fā)器是由熱穩(wěn)定性良好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、出氣量少、純度高的耐高溫材料制成。對(duì)于絲狀和片狀蒸發(fā)物一般采用鎢和鉑絲做成螺旋式、螺旋式絲狀蒸發(fā)器如圖1-14。對(duì)粉末狀圖1-14絲狀蒸發(fā)器 圖1-15舟狀蒸發(fā)器本實(shí)驗(yàn)蒸發(fā)物為鋁薄片，采用舟狀蒸發(fā)器和絲狀蒸發(fā)器均可。實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常采用直徑為0.5mm的單股鎢絲制成螺旋式或波浪式蒸發(fā)器，它可使蒸發(fā)鋁條放置穩(wěn)定，接觸面大受熱

均勻。實(shí)驗(yàn)時(shí)先將鋁條變成V字型，懸掛在鎢蒸發(fā)器上；當(dāng)系統(tǒng)真空度達(dá)到10-2帕以上時(shí)，通電加熱鎢蒸發(fā)器至白熾狀態(tài)，使鋁熔化蒸發(fā)（鋁在真空中蒸發(fā)溫度為990oC）鋁蒸發(fā)前要先液化，因鎢在液化鋁中有一定溶解度和液化鋁的表面力作用，故液態(tài)鋁一般不會(huì)掉下來(lái)，而很好的附著于鎢蒸發(fā)器上，如圖1-16。圖1-16鋁條加熱前后狀態(tài)本實(shí)驗(yàn)采用舟狀蒸發(fā)器。鋁膜的質(zhì)量除上面談到的與真空度、玻璃片清潔度有關(guān)外，還與蒸發(fā)物（鋁）、蒸發(fā)器（鎢）的純度、蒸發(fā)速度有關(guān)。蒸發(fā)物的純度直接影響著薄膜的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，為了得到較高純度的鋁膜，要求選擇純度高的鋁，實(shí)際上絕對(duì)純的鋁不存在。所以我們采用預(yù)熔的辦法讓雜質(zhì)蒸發(fā)到檔板上，而不要使雜質(zhì)蒸發(fā)到玻璃片上。預(yù)熔時(shí)蒸發(fā)物和蒸發(fā)器要放出大量氣體，使真空度降低，待真空度恢復(fù)到要求真空度時(shí)，才可以進(jìn)行蒸發(fā)鍍膜。蒸發(fā)速度也影響膜的結(jié)構(gòu)和均勻性，蒸發(fā)溫度愈高均勻性愈好；蒸發(fā)溫度低，蒸鍍時(shí)間拉長(zhǎng)，會(huì)使真空度降低，因此會(huì)產(chǎn)生軟膜。但蒸發(fā)溫度不宜過(guò)高，以免使蒸發(fā)物和蒸發(fā)器中比鋁熔點(diǎn)高的雜質(zhì)蒸發(fā)出來(lái)?！緦?shí)驗(yàn)儀器】實(shí)驗(yàn)所用儀器為海康創(chuàng)業(yè)（）科技生產(chǎn)的FZJ-Z289A型多功能鍍膜機(jī)。如圖1-17所示；SGC-2型自動(dòng)橢圓偏振測(cè)厚儀?！緦?shí)驗(yàn)步驟】首先將制備薄膜的襯底材料---基片準(zhǔn)備好：用超聲波清洗機(jī)在丙酮溶液中超聲振蕩，然后用鑷子取出烘干，并放入干燥器中保存待用。然后使用多功能濺射儀進(jìn)行鍍膜實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)步驟如下：一安裝薄膜基片和蒸發(fā)材料打開(kāi)充氣微調(diào)，使空氣進(jìn)入蒸發(fā)室；2．輕輕將玻璃罩拿掉，將清洗好的基片安裝在濺射臺(tái)底蒸發(fā)時(shí)間愈短，膜的結(jié)構(gòu)愈致密、離子裁射制真空蓋發(fā)儀平面團(tuán)圖1-17FZJ-Z289A鍍膜機(jī)原理圖座下方，用螺絲輕輕上緊；將適量鍍膜材料（鋁片或鋁絲或其他）放入干凈的蒸發(fā)舟中。蒸發(fā)時(shí)間愈短，膜的結(jié)構(gòu)愈致密、離子裁射制真空蓋發(fā)儀平面團(tuán)圖1-17FZJ-Z289A鍍膜機(jī)原理圖3．輕輕將玻璃罩扣好，并確認(rèn)玻璃罩底部位置接合完好。二抽真空開(kāi)循環(huán)水I開(kāi)電源------開(kāi)機(jī)械泵-——開(kāi)旁路閥|,抽真空至10Pa以下；開(kāi)|前級(jí)閥-——開(kāi)分子泵|——開(kāi)碟閥，然后按下工作鍵------抽真空至5X10-Pa,三⑴濺射鍍膜將碟閥關(guān)閉至接近關(guān)閉狀態(tài)（開(kāi)氬氣瓶充氬氣或者空氣）；調(diào)充氣微調(diào)| 至工作壓力為2----3Pa左右（此時(shí)需要和碟閥配合調(diào)節(jié)）；開(kāi)磁控濺射電源

①將擋板位置旋轉(zhuǎn)至C;慢慢旋轉(zhuǎn)電流調(diào)節(jié)旋鈕至起輝，記下起輝電壓；減小和增加電流調(diào)節(jié)|,觀察輝光放電情況。（注意電壓不要過(guò)大）將電流調(diào)節(jié)旋至電壓為300V,濺射20分鐘（濺射過(guò)程中可打開(kāi)|工作旋轉(zhuǎn)注意調(diào)速不要太快）濺射完畢后------關(guān)磁控濺射電源C四取出薄膜，更換基片1?關(guān)碟閥——關(guān)充氣微調(diào)-----（關(guān)氬氣）----關(guān)前級(jí)閥2.開(kāi)放氣閥------約2分鐘后------打開(kāi)玻璃鐘罩并輕輕取下------取出制備薄膜。五真空蒸發(fā)鍍膜1.2345．關(guān)放氣閥I打開(kāi)旁路閥關(guān)旁路閥五真空蒸發(fā)鍍膜1.2345．關(guān)放氣閥I打開(kāi)旁路閥關(guān)旁路閥二開(kāi)|真空噴鍍電源A（或B）扌由真空至WlOPa開(kāi)碟閥6．7．由真空至1O-3Pa將擋板位置旋轉(zhuǎn)至對(duì)應(yīng)的A（或B）；緩緩調(diào)節(jié)電流調(diào)節(jié)旋鈕，至樣品舟發(fā)紅、及至樣品蒸發(fā)（注意：電流調(diào)節(jié)一定要緩慢增加，并密切觀察樣品舟及樣品的變化情況）蒸發(fā)完畢后 將電流調(diào)節(jié)調(diào)至最小等待樣品舟溫度降到接近室溫。開(kāi)前級(jí)閥關(guān)真空噴鍍電源A或B六取出薄膜，更換基片1.關(guān)—2.開(kāi)放氣閥七清潔玻璃鐘罩關(guān)充氣微調(diào)（關(guān)氬氣） 關(guān)前級(jí)閥約2分鐘后 打開(kāi)玻璃鐘罩并輕輕取下取出制備薄膜。若是真空蒸發(fā)鍍膜，每次蒸發(fā)完畢后需對(duì)玻璃鐘罩進(jìn)行清洗。用脫脂棉或紗布或衛(wèi)生紙粘取適量30%氫氧化鈉溶液或無(wú)水乙醇，擦洗玻璃鐘罩部至干凈。待玻璃鐘罩干燥后，蓋上玻璃鐘罩，并確保底部密封接合。八抽真空并關(guān)機(jī)關(guān)放氣閥2?打開(kāi)旁路閥------抽真空至W10Pa關(guān)旁路閥------開(kāi)前級(jí)閥|------開(kāi)碟閥——抽真空至10-￥a關(guān)碟閥——關(guān)工作鍵| 至分子泵轉(zhuǎn)速為零；依次關(guān)閉前級(jí)閥---■!分子泵 1機(jī)械泵關(guān) 關(guān)循環(huán)水。 結(jié)束【膜厚測(cè)量】一?儀器及型號(hào)：SGC-2型自動(dòng)橢圓偏振測(cè)厚儀二．儀器的結(jié)構(gòu)和原理：（一）儀器的結(jié)構(gòu)本儀器分為光源、接收器、主機(jī)、電子及通訊四部分，外觀參看下圖1-17。光源：采用波長(zhǎng)為632.8nm的氦氖激光光源①其特點(diǎn)是：光強(qiáng)大、光譜純、波長(zhǎng)穩(wěn)定性好。接收器：采用光電倍增管⑤，把光訊號(hào)變?yōu)殡娪嵦?hào)，經(jīng)放大后輸出至微機(jī)，由微機(jī)選擇出消光位置的角度值。3?主機(jī)部分：除以上兩項(xiàng)外，還有起偏組件②，樣品臺(tái)③，檢偏組件④。4.電子及通訊部分⑥：采集光強(qiáng)及對(duì)應(yīng)的角度值并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，再接收由計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令逐步靠近消光點(diǎn)。（二）儀器的原理使一束自然光經(jīng)起偏器變成線偏振光。再經(jīng)1/4波長(zhǎng)片，使它變成橢圓偏振光入射在待測(cè)的膜面上。反射時(shí)，光的偏振狀態(tài)將發(fā)生變化。通過(guò)檢測(cè)這種變化，便可以推算出待測(cè)膜面的某些光學(xué)參數(shù)。如圖1-18所示。入射單色平行光束經(jīng)起偏器變成線偏振光，通過(guò)1/4波片Q后通常為一橢圓偏振光。光束經(jīng)透明薄膜S反射后，其偏振態(tài)即振幅與相位發(fā)生變化，對(duì)于給定的透明薄膜試樣，只要調(diào)節(jié)起偏器P和1/4波片Q的相對(duì)方位，可使透明薄膜反射后的橢圓偏振光被變成線偏振光。調(diào)節(jié)檢偏器A至消光位置，以確定振幅衰減量。圖1-17SGC-2圖1-17SGC-2型自動(dòng)橢圓偏振測(cè)厚儀圖1-18SGC-2型自動(dòng)橢圓偏振測(cè)厚儀測(cè)厚原理圖三、儀器使用和測(cè)量方法3.1、 主機(jī)部分接通主機(jī)電源;將主機(jī)上的各條線與下部對(duì)應(yīng)的插座連接好；打開(kāi)主機(jī)開(kāi)關(guān)，面板上的電源指示燈及開(kāi)關(guān)的指示燈同時(shí)亮起；打開(kāi)電腦，用USB線連接好主機(jī)與電腦，此時(shí)主機(jī)面板上的USB狀態(tài)指示燈亮起，并且電腦右下角的托盤(pán)中出現(xiàn)USB設(shè)備的圖標(biāo)；如果儀器校正