真空镀膜 2

深圳大学实验报告课程名称：近代物理实验

实验名称：真空镀膜

学院：物理科学与技术学院

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一．实验目的

1．、直接地接触薄膜材料，对薄膜材料有一个直观的感性认识；

2．了解和学会直流磁控溅射制备金属薄膜的原理和方法；

3．了解清洗基片和测量薄膜膜厚的方法。

二．实验仪器

直流磁控溅射镀膜机；气体质量流量计；数显复合真空计；超声波清洗器；石英晶体振荡膜厚监控仪；氩气；K9玻璃基片等。

三．实验原理

一、真空的获得和测量

1．真空的获得

各级真空，均可通过各种真空泵来获得．不同的真空泵，都不可能在整个真空范围内工作，有些泵可直接从大气压下开始工作，但极限真空度都不高，如机械泵和吸附泵，通常这类泵用作前级泵；而有些泵则只能在一定的预备真空条件下才能开始正常工作，如扩散泵、离子泵等，这类泵需要前级泵配合，可作为高真空泵．一般利用分子泵－机械泵组来获得10-2Pa以上的高真空。本实验真空系统的主泵选分子/增压泵，前级泵选用直联高速旋片式机械泵。

（1）机械泵: 获得低真空常用的方法是采用机械泵．机械泵是运用机械方法不断地改变泵内吸气空腔的容积，使被抽容器内气体的体积不断膨胀从而获得真空的泵．机械泵的种类很多，目前常用的是旋片式机械泵．机械泵可以从大气压开始工作，常被用来获得高真空泵的前缀真空和高真空系统的预备真空。通常，机械泵的极限压强为1×10-1 Pa．

（2) 分子/增压泵：最早用来获得高真空的泵是扩散泵，目前依然广泛使用．

2.．真空的测量

测量真空度的装置称为真空计或真空规．由于被测量的真空度范围很广，真空计的种类很多．根据气体产生的压强、气体的粘滞性、动量转换率、热导率、电离等原理制成了各种真空计．本实验选用数显复合真空计来测量镀膜室内的真空度，测量范围：1×105Pa～1×10-4Pa。

二、基片的清洗方法

基片上的污染物会影响在它上面形成的薄膜的性质。对于玻璃基片，清洗的方法有若干种：1.用化学溶剂等清洗的方法

如果玻璃表面的污染物质是一般的油类时，也经常用化学溶剂来把油脂溶解掉。最标准的化学溶剂是罗铬酸和硫酸混合液（把重铬酸溶解于浓硫酸使之达到饱和的溶液在室温用几个小时，若是接近沸腾状态的溶液只要用几分钟，就能把严重的污染清洗干净，但是，一般因玻璃种类而异，大多数光学玻璃手酸或碱侵蚀时，在玻璃表面就会产生由二氧化硅骨架形成的所谓腐蚀斑痕。而且由于这种混合液含有铬离子，故废液的处理很麻烦，因此，最近，大多采用处理半导体的强碱溶液。在玻璃污染不是很严重的时候，依次浸入丙酮、酒精、流水的方法也是有效的。使用化学溶剂时，最后玻璃要用流水进行充分的冲洗，并且随后从沸水或者沸腾的酒精中取出来，迅速进行干燥，等等。这些都是有效的措施。

2、超声波清洗

若使超声波在液体中传播，则在液体中就会产生空穴又产生又消失的现象（气穴效应），这是空穴内的压力，瞬时局部地升高，如果作用到放在液体中的固体表面，就产生局部升温和局部高速流动，结果就将固体表面洗净。这就是超声波清洗的原理。该方法对于除去油脂

类污染物是有效的。

三、直流溅射制备金属薄膜

所谓“溅射”就是指荷能粒子轰击固体表面（靶材），使固体表面的原子（或分子）从表面射出的现象。这些从固体表面射出的粒子大多呈原子状态，通常称为被溅射原子。常用的轰击靶材的荷能粒子为惰性气体离子（如氩离子）和其快速中性粒子，它们又被称为溅射粒子。溅射粒子轰击靶材，从而使靶材表面的原子离开靶材表面成为被溅射原子，被溅射原子沉积到衬底上就形成了薄膜。所以这种薄膜制备技术被称为溅射法。溅射法又可以细分为：直流溅射法、磁控溅射法、射频溅射法和反应溅射法。

本实验所使用的薄膜制备方法是直流溅射法，直流溅射法利用的是直流电压产生的辉光放电。

电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子。电子飞向基片，氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉积在基片上成膜。二次电子在加速飞向基片的过程中受磁场洛仑磁力的影响，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内，该区域内等离子体密度很高，二次电子在磁场的作用下围绕靶面做圆周运动，该电子的运动路径很长，在运动过程中不断撞击电离出大量的氩离子轰击靶材，经过多次的碰撞后电子的能量逐渐降低，拜托磁力线的束缚，远离靶材，最终沉积在基片上。当基片表面温度低于某一临界温度，则靶原子（或分子）在其表面发生凝结，即核化过程，形成“晶核”。当靶原子（或分子）入射到基片上密度大时，晶核形成容易，相应成核数目也就增多。在成膜过程继续进行中，晶核逐渐长大，而成核数目却并不显著增多。由于（1）后续靶原子（或分子）直接入射到晶核上；（2）已吸收靶原子（或分子）和小晶核移徒到一起形成晶粒；（3）两个晶核长大到互相接触合并成晶粒等三个因素，使晶粒不断长大结合。构成一层网膜。当它的平均厚度增加到一定厚度后，在基片表面紧密结合而沉积成一层连续性薄膜。

四．实验设备

真空镀膜设备HCJ-400A高真空镀膜机系统框图如图7所示。图8 为HCJ-400A高真空镀膜机的照片，图9-图15为镀膜机控制表盘和应用到的各种仪器。

图7 HCJ-400A高真空镀膜机系统框图

图8 HCJ-400A高真空镀膜机图9 镀膜机控制表盘

图10 气体质量流量计图11 微机型数显复合真空计

图12 分子/增压泵电源图13 磁控DC电源

图15 石英晶体振荡膜厚监控仪

五．实验内容与步骤

1. 实验内容

（1）了解真空镀膜装置的结构，镀制单层金属钼薄膜；从中掌握真空镀膜的原理和操作。（2）正确清洗基片。

（3）记录相关参数，分析薄膜的质量。

2.实验步骤

（1）基片先放入超声波清洗器清洗约三分钟，再以无水酒精擦洗，最后用拭镜纸擦拭并用吸耳球清洁表面。为了防止基片受到污染，应尽快送入镀膜室。烘干后的玻璃基片将放在镀膜室的上盖上；在镀膜室内已安装有金属钼（Mo）靶。

（2）开机操作：合上用户端总电源开关，控制柜电源指示灯亮，电压表头指示380V电压，表明系统正常；