金属薄膜的制备

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1、金属薄膜的制备应物1001班张进保U201017303【实验目的】1．了解真空系统的结构和真空测量技术的基础知识，掌握机械泵、扩散泵的工作原理及操作规程。2．学习溅射镀膜的方法，初步了解薄膜形成的机理；学习直流溅射制备金属薄膜的原理和方法；学习真空热蒸发和磁控溅射法制备金属薄膜的原理和方法。3．研究制备工艺对薄膜性能的影响。【实验原理】一、真空的获得和测量“真空”是指低于一个大气压的气体状态。在真空技术中，以“真空度”来表示气体的稀薄程度，真空度越高，气体压强越低。通常气体的真空度直接用气体的压强来表示，常用单位为帕斯卡(Pa)或毫米汞柱(mmHg)——简称乇(Torr)，它们之间的关系为：1

2、毫米汞柱(mmHg)=1乇(Torr)=133帕斯卡(Pa)习惯上将真空度分为低真空（100Pa～10-2Pa），高真空（10-3Pa～10-6Pa）和超高真空（<10-6Pa）。二、直流溅射法所谓“溅射”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又称为溅射法。溅射法基于荷能粒子轰击靶材时的

3、溅射效应，而整个溅射过程都是建立在辉光放电的基础之上，即溅射离子都来源于气体放电。不同的溅射技术所用的辉光放电方式有所不同。直流溅射法利用的是直流电压产生的辉光放电；射频溅射法是利用射频电磁场产生的辉光放电；磁控溅射法是利用平行于靶材表面的磁场控制下的辉光放电。就直流溅射法中所利用的直流电压产生的辉光放电来说，靶材（阴极C）和衬底（阳极A）之间电位的变化并不是均匀的，而会产生所谓的阴极电压降（Uc）。d是靶材（阴极C）和衬底（阳极A）之间的距离。由放电形成的惰性气体正离子被朝着阴极（靶材）方向加速，并且这些正离子和由其产生的快速中性粒子以它们在阴极电压降区域获得的几乎一样的速度到达阴极。阴极电

4、压降的大小取决于气体的种类和阴极材料。在这些能量离子和中性粒子的轰击下，靶材原子被从其表面溅射出来，被溅射出来的靶材原子冷凝在阳极（衬底）上，从而形成了薄膜。直流溅射法制备薄膜时，需要对镀膜室抽真空。因为它可以在较低的真空度下进行直流溅射，只需用机械真空泵提供1～2Pa的真空度即可。三、磁控溅射法溅射基本过程包括在阴阳极之间加一定电压（直流或射频），使惰性气体（Ar）电离产生等离子体。靶材为阴极，衬底为阳极，等离子体中的高能离子Ar+轰击靶材，由于动量传输作用，靶材原子或离子逸出表面，弥散开来，并沉积在衬底表面上形成薄膜。直流溅射为在阴阳极之间加直流电压，适用于导体靶材；射频溅射为两极间加射频

5、电压，适用于导体和绝缘体靶材。磁控溅射（直流或射频）是利用磁场来增强等离子放电，特别适用于要求高沉积速率和低衬底温度的场合。【实验仪器】SBC-12小型直流溅射仪；KYKY磁控溅射和蒸发镀膜机；机械泵；超声波清洗器；玻璃基片等。【实验内容】直流溅射法制备金属薄膜1．将铜靶移到工作台的距离调到40～45毫米。2．将基片或载波片先后放入丙酮、无水乙醇中用超声法清洗，把玻璃衬底烘干后放在镀膜室的工作台上；盖上镀膜室的上盖。上盖上带有金靶，注意切勿污染！3．打开“总电源开关”，机械泵开始对镀膜室抽真空，从真空表上观测镀膜室的真空度。当真空度小于2Pa时，。4．设定好“定时器”的时间，即薄膜制备时间。为

6、防止过热，单次连续溅射的时间不要超过60秒，制备较厚的薄膜时，可采取多次溅射的办法。5．按下“试验”按钮，核查“溅射电流表”中显示的电流是否在7—10毫安之间，立即松开“试验”按钮；然后，按下“启动”按钮，铜靶上被加上1000伏的溅射电压，铜薄膜沉积开始。这时，可以看见镀膜室内发出蓝色的等离子体辉光放电现象，“溅射电流表”中显示的电流稳定在5～8毫安左右。随时通过对空气控制阀“针阀”的仔细调节，控制空气的流量，使镀膜室的真空度稳定（即保持溅射电流的稳定）。注意：（1）不要使“溅射电流表”中显示的电流超过12毫安，以免烧坏设备；（2）不要接触镀膜室上盖上的铜靶的电压输入端头，以免触电。6．当“定

7、时器”所设定的沉积时间达到之后，溅射电压降为零，溅射自动停止，“溅射电流表”中显示的电流为零，薄膜制备完毕。7．观察不同工艺条件对溅射速率的影响：a.溅射距离（靶与衬底的距离）改变溅射距离，通过颜色判断膜厚，研究距离对溅射速率的影响。设定靶与衬底的距离为4.5cm和6.5cm，分别镀1，2，4分钟，观察膜厚的变化；b.溅射气压（溅射电流）：改变溅射气压（电流），通过颜色判断膜厚，研究溅射气压对溅射