真空蒸发和离子溅射镀膜.doc

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1、实验一真空蒸发和离子溅射镀膜随着材料科学的发展，近年来薄膜材料作为其中的一个重要分支从过去体材料一统天下的局面中脱赢而出。如过去需要众多材料组合才能实现的功能，现在仅需数几个器件或一块集成电路板就能完成，薄膜技术正是实现器件和系统微型化的最有效的技术手段。薄膜技术还可以将各种不同的材料灵活的复合在一起，构成具有优异特性的复杂材料体系，发挥每种材料各自的优势，避免单一材料的局限性。薄膜的应用围越来越宽，按其用途可分为光学薄膜、微电子学薄膜、光电子学薄膜、集成光学薄膜、信息存储薄膜、防护功能薄膜等。目前，薄膜材料在科学技术和社会经济各个领域发挥着越来越

2、重要的作用。因此薄膜材料的制备和研究就显得非常重要。薄膜的制备方法可分为物理法、化学法和物理化学综合法三大类。物理法主要指物理气相沉积技术(PhysicalVaporDeposition,简称PVD)，即在真空条件下，采用各种物理方法将固态的镀膜材料转化为原子、分子或离子态的气相物质后再沉积于基体表面，从而形成固体薄膜的一类薄膜制备方法。物理气相沉积过程可概括为三个阶段：1.从源材料中发射出粒子；2.粒子输运到基片；3.粒子在基片上凝结、成核、长大、成膜。由于粒子发射可以采用不同的方式，因而物理气相沉积技术呈现出各种不同形式，主要有真空蒸发镀膜、溅

3、射镀膜和离子镀膜三种主要形式。在这三种PVD基本镀膜方法中，气相原子、分子和离子所产生的方式和具有的能量各不相同，由此衍生出种类繁多的薄膜制备技术。本实验主要介绍了真空蒸发和离子溅射两种镀膜技术。在薄膜生长过程中，膜的质量与真空度、基片温度、基片清洁度、蒸发器的清洁度、蒸发材料的纯度、蒸发速度等有关。在溅射薄膜的生长过程中，气体流量（压力）也会对形成的薄膜的性质产生影响。通过改变镀膜条件，即可得到性质炯异的薄膜材料。对制备的薄膜材料，可通过X射线衍射、电子显微镜（扫描电镜、透射电镜等）、扫描探针（扫描隧道显微镜、原子力显微镜等）以及光电子能谱、红外

4、光谱等技术来进行分析和表征，还可通过其它现代分析技术测试薄膜的各种相应特性等。【实验目的】1．掌握溅射的基本概念，学习直流辉光放电的产生过程和原理；2．掌握几种主要溅射镀膜法基本原理及其特点，掌握真空镀膜原理；3．掌握真空镀膜和溅射镀膜的基本方法；4．熟悉金属和玻璃片的一般清洗技术，学习薄膜厚度的测量方法；5．了解真空度、基片温度、基片清洁度、蒸发器的清洁度、蒸发材料的纯度、蒸发速度等因素，在薄膜生长过程中对形成薄膜性质的影响。【实验原理】一真空蒸发镀膜原理任何物质在一定温度下，总有一些分子从凝聚态（固态，液态）变成为气态离开物质表面，但固体在常温

5、常压下，这种蒸发量是极微小的。如果将固体材料置于真空中加热至此材料蒸发温度时，在气化热作用下材料的分子或原子具有足够的热震动能量去克服固体表面原子间的吸引力，并以一定速度逸出变成气态分子或原子向四周迅速蒸发散射。当真空度高，分子平均自由程远大于蒸发器到被镀物的距离d时（一般要求），材料的蒸气分子在散射途中才能无阻当地直线达到被镀物和真空室表面。在化学吸附（化学键力引起的吸附）和物理吸附（靠分子间德瓦尔斯力产生的吸附）作用下，蒸气分子就吸附在基片表面上。当基片表面温度低于某一临界温度，则蒸气发分子在其表面发生凝结，即核化过程，形成“晶核”。当蒸气分子

6、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）后续分子直接入射到晶核上；（2）已吸收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。在平衡状态下，若物质克分子蒸发热与温度无关，则饱和蒸气压和绝对温度T有如下关系：(1.1)式中R为气体普适常数，K为积分常数。在真空环境下，若物质表面静压强为P，则单位时间从单位凝聚相表面蒸发出的

7、质量，即蒸发率为(1.2)式中为蒸发系数，M为克分子量，T为凝聚相物质的温度。若真空度很高（）时蒸发的分子全部被凝结而无返回蒸发源，并且蒸发出向外飞行的分子也没有因相互碰撞而返回，此时蒸发率为(1.3)根据数学知识从（1.3）式可知，提高蒸发率主要决定于上式指数因式，因而温度T的升高将使出蒸发率迅速增加。在室温,气体分子直径时，由气体分子动力学可知气体分子平均自由程可表示为（1.4）式中k为波尔兹曼常数，n为气体分子密度。气体压强P为帕时，的单位为米。根据（1.4）式可列出表1－1。从表中看出，当真空度高于帕时，大于50cm；在蒸发源到被镀物d为1

8、5~20cm情况下是满足。因此将真空镀膜室抽至帕以上真空度是必需，方可得到牢固纯净的薄膜。表1－1P（帕）10001001