实验2 金属薄膜之制作 \`^jl
一、实验目的 i8]r}a
学习利用热蒸镀及电浆溅镀法(Sputtering Deposition in Plasma Environment)制作金属薄膜。 S;C3R5*:
1.了解真空技术的基本知识; A@4Cfb@
2.掌握低、高真空的获得和测量的基本原理及方法; ??Lxb% 7R
3.了解真空镀膜的基本知识; Jq->DzSmj/
4.学习掌握蒸镀镀膜的基本原理和方法. ,^(T^ -
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二、实验原理 QZY(S*Up
镀膜技术有很多种,但大体上可分为利用液体及气体成膜两种方法,前者大多涉及化学变化,后者皆有些是利用化学作用,有些则是属于物理作用。如图(1)所述: UTz;Sw?~hw
图(1) 真空镀膜方法 VQCPgs
本教材的重点在于物理气相沈积的热蒸发蒸镀法及电浆溅镀法,原理及制程将会详述内文。同学们若对其他镀膜方法有兴趣请自行查阅书籍、网络等数据。 ;%)i/MGEB
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压力低于一个标准大气压的稀薄气体空间称为真空.在真空状态下,由于气体稀薄,分子之间或分子与其它质点之间的碰撞次数减少,分子在一定时间内碰撞于固体表面上的次数亦相对减少,这导致其有一系列新的物化特性,诸如热传导与对流小,氧化作用少,气体污染小,汽化点低,高真空的绝缘性能好等等.真空技术是基本实验技术之一,真空技术在近代尖端科学技术,如表面科学、薄膜技术、空间科学、高能粒子加速器、微电子学、材料科学等工作中都占有关键的地位,在工业生产中也有日益广泛的应用.薄膜技术在现代科学技术和工业生产中有着广泛的应用.例如,光学系统中使用的各种反射膜、增透膜、滤光片、分束镜、偏振镜等;电子器件中用的薄膜电阻,特别是平面型晶体管和超大规模集成电路也有赖于薄膜技术来制造;硬质保护膜可使各种经常受磨损的器件表面硬化,大大增强表面耐磨程度;在塑料、陶瓷、石膏和玻璃等非金属材料表面镀以金属膜具有良好的美化装饰效果,有些合金膜还起着保护层的作用;磁性薄膜具有记忆功能,在电子计算机中用作存储记录介质而占有重要地位. z)0F k
薄膜制备的方法主要有真空蒸镀、溅射、分子束蒸镀、化学镀膜等.真空镀膜,是指在真空条件中采用蒸镀和溅射等技术使镀膜材料气化,并在一定条件下使气化的原子或分子牢固地凝结在被镀的基片上形成薄膜.真空镀膜是目前用来制备薄膜最常用的方法,真空镀膜技术目前正在向各个重要的科学领域中延伸,引起了人们广泛的注意. X$a Mf&x
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真空原理与操作 P%.5xYn
1.真空度与气体压力 _i&\G}mrC
真空度是对气体稀薄程度的一种客观度量,单位体积中的气体分子数越少,表明真空度越高.由于气体分子密度不易度量,通常真空度用气体压力来表示,压力越低真空度越高.按照国际单位制(SI),压力单位是牛顿/米2,称为帕斯卡,简称帕(Pa).通常按照气体空间的物理特性及真空技术应用特点,将真空划分为几个区域,见表1. T'X Rl@
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2.抽真空 &&JMw6
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用来获得真空的设备称为真空泵,真空泵按其工作机理可分为排气型和吸气型两大类.排气型真空泵是利用内部的各种压缩机构,将被抽容器中的气体压缩到排气口,而将气体排出泵体之外,如机械泵、扩散泵和分子泵等.吸气型真空泵则是在封闭的真空系统中,利用各种表面(吸气剂)吸气的办法将被抽空间的气体分子长期吸着在吸气剂表面上,使被抽容器保持真空,如吸附帮浦、离子帮浦和低温帮浦等.真空帮浦的主要性能可有下列指针衡量: B3D4fYQ
(1)极限真空度:无负载(无被抽容器)时帮浦入口处可达到的最低压力(最高真空度). 1_'ZbZv4h
(2)抽气速率:在一定的温度与压力下,单位时间内帮浦从被抽容器抽出气体的体积,单位(升/秒). LZeR.8XM>
(3)启动压力:帮浦能够开始正常工作的最高压力. Au
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表1 真空区域划分及其特点和应用 NO&OuiN
真空区域 粗真空 低真空 高真空 超高真空 t :_7O7
范围(帕) 105~103 103~10-1 10-1~10-6 10-6~10-12 O;XF'r_
物理现象 能实现气体放电,以分子间相互碰撞为主. 能实现气体放电,分子间相互碰撞和分子与器壁碰撞不相上下. 主要是分子与器壁碰撞. 分子碰撞器壁的次数减少,形成一个单分子层的时间已达到数分钟以上. #X)s=Y&5!T
分子密度(厘米-3) 1019~1017 1017~1013 1013~108 108~102 lIf Our
平均自由程(厘米) 10-5~10-3 10-3~101 10~107 107~1012 mb#)w`<
抽气系统 机械帮浦 D -jew &B
吸附帮浦 机械帮浦 ]Kf HuYjM
吸附帮浦 扩散帮浦 ?;$g, 2n
分子帮浦 超高真空机组 b`2~
分子帮浦 (GeJBw,Q
离子帮浦 &^}w|J?
低温帮浦 eRf8'-"#-
测量仪器 U 形管压差计压力真空表 麦克劳压力计电阻真空计 oxRu:+N
热偶真空计麦克劳压力计 \3KCZ
电离真空计 Bg3^BOT
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离地面高度(千米) 14~30 30~90 90~440 440~20000 [~J4:yDd=
应用举例 真空成形、真空输运、真空浓缩. 真空蒸馏、干燥、冷冻,真空绝热,真空焊接. 真空冶金,真空镀膜,电真空器件,粒子加速器. WN0^hDc-
表面物理、热核反应、等离子体、物理、超导技术,宇航技术. ZK;HW
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3.真空的测量 >Nov9<p
测量真空度的装置称为真空计.真空计的种类很多,根据气体产生的压力、气体的粘滞性、动量转换率、热导率、电离等原理可制成各种真空计.由于被测量的真空度范围很广,一般采用不同类型的真空计分别进行相应范围内真空度的测量.常用的有热耦真空计和电离真空计.热耦真空计也叫热耦规,通常用来测量低真空,可测范围为10~10-1 Pa,它是利用低压下气体的热传导与压力成正比的特点制成的.电离真空计也叫电离规,是根据电子与气体分子碰撞产生电离电流随压力变化的原理制成的,测量范围为10-1~10-6 Pa.使用时特别注 (YR1ML3N
意,当压力高于10-1 Pa或系统突然漏气时,电离真空计中的灯丝会因高温很快被氧化烧毁,因此必须在真空度达到10-1 Pa以上时,才能开始使用电离真空计.为了使用方便,常把热偶真空计和电离真空计组合成复合真空计. xGA%/dy,;
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蒸镀镀膜 Jlzhn#5c-
蒸镀镀膜就是在真空中通过电流加热、电子束轰击加热和激光加热等方法,使薄膜材料蒸镀成为原子或分子,它们随即以较大的自由程作直线运动,碰撞基片表面而凝结,形成一层薄膜.蒸镀镀膜要求镀膜室内残余气体分子的平均自由程大于蒸镀源到基片的距离,尽可能减少蒸镀物的分子与气体分子碰撞的机会,这样才能保证薄膜纯净和牢固,蒸镀物也不至于氧化.由分子动力学可知气体分子的平均自由程为 <"t >!I
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式中k 为玻兹曼常数,T 为气体温度,σ 为气体分子有效直径,p 为气体压力.此式表明,气体分子的平均自由程与压力成反比,与温度成正比.在25 ℃的空气情况下 V7&