东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 20 页 2.6.1 磁控溅射原理简介
利用磁控溅射制备薄膜，最早要追溯到1935年Penning的实验。继而在一年后和五年后， Penning相继发明圆柱和圆筒磁控溅射阴极。至此，Penning放电、 Penning规、Penning离子源相继出现。但当时该装置却没能得到应用。直到1969年以后，柱状同轴磁控溅射技术才得到迅速发展。1971年， P. J. Clarke首先发表了S-枪式的磁控溅射源专利。1974年底 Chapin第一次发表了关于平面磁控溅射镀膜的论文。由于磁控溅射的诸多优点，这种方法在短短几十年里得到了迅速的发展，各种类型的磁控溅射装置相继问世[37]。
磁控溅射基本原理为：在一相对稳定真空状态下，阴阳极间产生辉光放电，阴阳极间气体分子被离子化而产生带电电荷，其中正离子受阴极之负电位加速运动而撞击阴极上的靶材，将其原子等粒子溅出，此溅出之原子则沉积于阳极之基板上而形成薄膜[38]。
图2.11为磁控溅射设备简要模型：电子在交互电场与磁场E×B作用下将气体电离后撞击靶材表面，使靶材的原子或分子溅射出来并在基板面经过吸附、凝结、表面扩散迁移、碰撞结合形成稳定晶核。然后再通过吸附使晶核长大成小岛，岛长大后互相联结聚结，最后形成连续状薄膜。
磁控溅射具有高速、低温、低损伤等优点，特别是易于连续制作大面积均匀的薄膜，便于实现自动化和大批量生产。近年来磁控溅射已在大规模集成电路、电子元器件、磁及光磁记录、平板显示器，以及光学、能源、机械工业等产业化领域广泛应用。
图2.11 磁控溅射设备简要模型
东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 21 页 2.6.2 实验用磁控溅射镀膜装置介绍
本论文工作中制备TiO2和PbS薄膜所用磁控溅射设备是中国科学院沈阳科学仪器研制中心所生产的JGP-450A型磁控溅射沉积系统。如下图2.12示。
图2.12 JGP-450A型磁控溅射沉积系统
它可用于在高真空背景下，充入高纯氩气，采用磁控溅射方式制备各种金属膜、介质膜、半导体膜、磁性薄膜。其系统主要由溅射真空室、磁控溅射靶、基片水冷加热台、工作气路、抽气系统、安装机台、真空测量及电控系统等部分组成。设备总图如图2.13（左）示。该系统集成度较高，当放入衬底后，可使用电脑软件控制操作。
溅射真空室真空获得和工作气路示意图如图2.13（右）示。系统极限真空度约为6.67?10-5 Pa。系统短时间暴露大气并充干燥氮气后，再开始抽气，40分钟可达到6.6?10-4 Pa。选用分子泵T+机械泵R通过一个超高真空闸板阀G主抽，并通过一个旁抽角阀V1进行旁路抽气；使用时，可先运行机械泵，并用复合真空计观测其真空度，当其至1 Pa左右时，可关闭V1，打开电磁阀DF，并运行分子泵，直至真空度达到实验需求。通过两路MFC质量流量控制器充工作气体，一路100sccm、一路200sccm。每路配有角阀V5、V6，配有混气室，还可不经混气室从角阀V2单独进气。通过V4阀充入干燥氮气放气。
东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 22 页 真空及气路系统图磁 控 溅 射 室V1GV2V3V4混 气 室DFRV5V6MFC2R-DFMFC1
图2.13 磁控溅射设备总图（左）和真空获得和气路组件（右）
除此之外，磁控溅射系统主要由以下几个组件组成： 1、磁控溅射靶组件
溅射溅射靶组件主要包括靶头、可折弯靶支杆、CF100无氧铜圈密封的靶法兰、齿轮减速异步电动机带动的靶挡板系统和螺旋升降机构等组成。其示意如图2.14。
图2.14 磁控靶组件示意图
磁控真空室采用多靶溅射结构，靶在下，基片在上，向上溅射成膜，溅射真空室下底盘上有三个靶位；每个靶配有单独的电动挡板，计算机控制挡板开合。
2、电控单元
用于调节溅射时的功率大小。通过功率调节，可得到实验所需的溅射膜厚度。其中，三个靶材的控制电源中两个为直流电源，一为射频电源。设备上有一台RF500W射频电源，可接在溅射室的永磁靶上，打开电源开关预热5分钟即可工作。开启板压开关，
东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 23 页 调板压到200V后反复调节适配器使反射功率最小，若此时板压、板流、功率都正常，即电源工作正常。如果起辉不当或未起辉，可调节匹配。图2.15为直流电源控制简图：
加热控温电源开关功率调节 2.15 直流电源控制面板
3、计算机控制系统：
该软件用于控制靶挡板的多靶共溅/直溅设备，软件与靶挡板控制电源、转盘控制电源之间通过RS232通讯实现控制。软件运行后，显示界面如图2.16：
图2.16 计算机软件控制界面
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