金屬薄膜的制備與工藝研究.pdf

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1、金屬薄膜的制備與工藝研究制備薄膜材料的物理方法很多，但大致可分為二大類(lèi)，化學(xué)方法（包括電化學(xué)方法）和物理方法。化學(xué)方法包括：化學(xué)氣相沉積法（CVD）、液相生成法、氧化法、擴(kuò)散法、電鍍法等。物理方法包括：真空熱蒸發(fā)法、直流濺射、磁控濺射法、射頻濺射、脈沖激光沉積、分子束外延生長(zhǎng)法等薄膜的制備方法。本實(shí)驗(yàn)采用直流濺射法、真空熱蒸發(fā)和磁控濺射法制備金屬薄膜。【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?．學(xué)習(xí)濺射鍍膜的方法，初步了解薄膜形成的機(jī)理；2．了解真空系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和真空測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，掌握機(jī)械泵、擴(kuò)散泵的工作原理及操作規(guī)程；3．學(xué)習(xí)直流濺射制備金屬薄膜的原理和方法；4

2、．學(xué)習(xí)真空熱蒸發(fā)和磁控濺射法制備金屬薄膜的原理和方法；5．研究制備工藝對(duì)薄膜性能的影響?！緦?shí)驗(yàn)原理】一、真空的獲得和測(cè)量“真空”是指低于一個(gè)大氣壓的氣體狀態(tài)。在真空技術(shù)中，以“真空度”來(lái)表示氣體的稀薄程度，真空度越高，氣體壓強(qiáng)越低。通常氣體的真空度直接用氣體的壓強(qiáng)來(lái)表示，常用單位為帕斯卡(Pa)或毫米汞柱(mmHg)——簡(jiǎn)稱(chēng)乇(Torr)，它們之間的關(guān)系為：1毫米汞柱(mmHg)=1乇(Torr)=133帕斯卡(Pa)習(xí)慣上將真空度圖8.1.1-1真空系統(tǒng)框架示意圖分為低真空0-2-3-6-6（10Pa～10Pa），高真空（10Pa～10P

3、a）和超高真空（<10Pa）。真空系統(tǒng)的種類(lèi)繁多，可以說(shuō)幾乎沒(méi)有兩類(lèi)不同的工作使用完全相同的真空系統(tǒng)，而得到滿(mǎn)意的結(jié)果，也就是說(shuō)大多數(shù)都具有較鮮明的“個(gè)性”。但是，任何真空系統(tǒng)都存在“共性”，即都有一個(gè)基本的構(gòu)架，需要由以下幾個(gè)部分組成。真空室（即待抽的空間或鍍膜室或?yàn)R射室）、真空泵（視實(shí)驗(yàn)真空度的要求而定，確定使用那種真空泵或真空泵組）、各種閥門(mén)、真空規(guī)、連接管道和其它附屬設(shè)備，這些部件綜合在一起就組成了真空系統(tǒng)。一個(gè)典型的真空系統(tǒng)框架如圖8.1.1-1所示。系統(tǒng)低真空由圖8.1.1-1中的前級(jí)泵完成，從大氣開(kāi)始工作，進(jìn)行預(yù)抽，使系統(tǒng)達(dá)到

4、低真空，對(duì)于只要求低真空的實(shí)驗(yàn)裝置如“SBC-12小型直流濺射儀”、“低真空干燥箱”等，只需要前級(jí)泵或真空泵組。而對(duì)有些實(shí)驗(yàn)需要的真空度比較高，則需要添加增壓泵和主抽泵，在低真空的基礎(chǔ)上將真空室或制樣室的真空度進(jìn)一步提高，使其達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求。如果實(shí)驗(yàn)需要制樣室的條件是超高真空的話(huà)，就必須添加無(wú)油泵（如：粒子蒸發(fā)泵、低溫吸附泵…）。真空泵有兩個(gè)重要參量：極限真空（真空泵能抽得的最高真空度）和抽氣速率。利用機(jī)械方法獲得真空的設(shè)備稱(chēng)之為機(jī)械泵或機(jī)械真空泵，其中最主要的是轉(zhuǎn)動(dòng)泵、分子泵和羅茨泵。轉(zhuǎn)動(dòng)泵的原理是利用機(jī)械方法使一個(gè)工作室的體積周期性

5、地?cái)U(kuò)大與縮小來(lái)達(dá)到抽氣目的。它是一種前級(jí)泵，一般在工作室容積最小時(shí)和抽氣管地入口接通，于是氣體就進(jìn)入工作室，直到工作室容積達(dá)到最大并重新與抽氣管隔斷的時(shí)候才停止；以后工作室容積逐漸變小，氣體就被壓縮，直到壓強(qiáng)大于1個(gè)大氣壓時(shí)排氣閥打開(kāi)驅(qū)除氣體。分子泵也是一種利用機(jī)械方法獲得真空的泵，但是它與轉(zhuǎn)動(dòng)真空泵的原理有根本的不同。它只是一種次級(jí)泵，即不能從大氣開(kāi)始工作；它并不是從壓縮與膨脹原理出發(fā)來(lái)進(jìn)行抽氣的。一個(gè)原始的Gaede分子泵包含一對(duì)間距h很小的定子和同軸轉(zhuǎn)子。當(dāng)前級(jí)泵抽氣到預(yù)備真空，滿(mǎn)足氣體分子的l3h時(shí)，開(kāi)始使分子泵的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。由于氣體

6、分子的相互碰撞的機(jī)會(huì)比碰到轉(zhuǎn)子的機(jī)會(huì)少，結(jié)果大量的氣體分子就因外摩擦而被轉(zhuǎn)子表面所驅(qū)動(dòng)，在前級(jí)端集結(jié)而被抽出。目前分子泵已經(jīng)廣泛用于各種鍍膜設(shè)備、加速器、質(zhì)譜儀、表面譜儀和電子顯微鏡等大型設(shè)備中。羅茨泵又稱(chēng)機(jī)械增壓泵，或稱(chēng)雙轉(zhuǎn)子泵，是一種兼有分子泵作用的容積壓縮泵。它由2個(gè)8字形的轉(zhuǎn)子構(gòu)成，轉(zhuǎn)子在定子的空腔內(nèi)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子的外緣形狀和旋轉(zhuǎn)的同步性使轉(zhuǎn)子之間以及轉(zhuǎn)子與定子之間都保持0.1~0.15mm的間隙，因此可以由很高的轉(zhuǎn)速（33000轉(zhuǎn)/分），而沒(méi)有被卡住的危險(xiǎn)。但是這樣的縫隙仍然有交較大的氣導(dǎo)，故在使用時(shí)將會(huì)有大量的氣體返回真空室，因此它

7、要求前級(jí)泵提供預(yù)備真空，在前級(jí)泵的配合下它就起著分子泵的作用。另一方面當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)也有壓縮容積的過(guò)程，它提供另一種抽氣作用。擴(kuò)散泵是一種氣流泵。擴(kuò)散泵主要由泵芯、噴射級(jí)、加熱器、水冷套和相關(guān)附件組成。擴(kuò)散泵的主要參數(shù)有：抽氣速率、極限真空、前級(jí)耐壓和反油率等。泵的抽氣速率主要取決于最靠近高真空端的噴口，但為了增加壓縮比以得到較高的前級(jí)耐壓，需要幾級(jí)噴口加以串聯(lián)。第一噴口和第二噴口通常為傘形，第三噴口可以是傘形也可以是圓筒形，它的作用范圍和噴射泵相似，故稱(chēng)為噴射級(jí)。擴(kuò)散泵的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)部分，不需要特殊的電源和控制臺(tái)，成套設(shè)備價(jià)格

8、較低，故擴(kuò)散泵應(yīng)用較廣泛，在真空泵中仍占較重要位置。本實(shí)驗(yàn)的真空系統(tǒng)只用到機(jī)械泵和擴(kuò)散泵，其實(shí)驗(yàn)操作要領(lǐng)和詳細(xì)的工作原理參閱儀器說(shuō)明書(shū)和相關(guān)書(shū)籍。二、直流濺射法所謂“濺射”是指荷