真空鍍膜實驗報告

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上真空鍍膜 預習報告陳嘉琦 【摘要】真空鍍膜最為基礎的兩種方法就是蒸發(fā)法和濺射法。本實驗采用的是蒸發(fā)法鍍膜。理想的鍍膜結果應在真空環(huán)境下進行，所以先對真空室進行抽真空，再進行鍍膜。一、引言 真空鍍膜也叫物理氣相沉積（PVD：physics vaporous deposit），它是利用某種物理過程，如物質的熱蒸發(fā)或在受到粒子束轟擊時物質表面原子的濺射等現(xiàn)象，實現(xiàn)物質從源物質到薄膜的可控的原子轉移過程。物理氣相沉積技術中最為基礎的兩種方法就是蒸發(fā)法和濺射法。不僅兩種物理氣相沉積方法已經大量應用于各個技術領域之中，而且為了充分利用這兩種方法各自的優(yōu)點，還開發(fā)出了許多介于上述兩

2、種方法之間的新的薄膜沉積技術。 2、 實驗目的1、復習鞏固真空的獲取實驗2、完成鍍膜過程 三、實驗原理真空鍍膜是在真空室中進行的（一般氣壓低于），當需要蒸發(fā)的材料（金屬或電介質）加熱到一定溫度時，材料中分子或原子的熱振動能量可增大到足以克服表面的束縛能，于是大量分子或原子從液態(tài)或直接從固態(tài)（如、）汽化。當蒸汽粒子遇到溫度較低的工件表面時，就會在被鍍工件表面沉積一層薄膜?，F(xiàn)在對源加熱方式、真空度對膜層質量的影響及蒸發(fā)源位置對薄膜均勻性的影響等問題作簡要說明。（1）源加熱器 如圖(a)(b)為電阻型源加熱器，它們由高熔點的金屬做成線圈狀（稱為絲源）或舟狀（稱為舟源）。加熱源上可承載被蒸發(fā)材料。由于

3、掛在絲源上的被蒸發(fā)物質（如鋁絲）可形成向各個方面發(fā)射的蒸汽流，因此絲源可用為點源，而舟源則可近似圍內發(fā)射的面源。對于不同的被蒸材料，可選取由不同材料做成，形狀各異的加熱器。電阻源加熱器具有簡便、設備成本低等優(yōu)點，但由于加熱器與蒸發(fā)物在電阻加熱器上的裝載量不能太多，因此所蒸膜厚也將受到限制。圖1(c)是一種電子束蒸發(fā)源的示意圖。它是利用高電壓加速并聚焦的電子束經磁偏轉，在真空中直接打到蒸發(fā)源表面，使蒸發(fā)物表面的局部溫度升高并溶化來實現(xiàn)真空沉積的。（2）物質的蒸發(fā)速度 在一定的溫度下，每種液體或固體物質都有特定的平衡蒸氣壓。單位源物質表面上物質的凈蒸發(fā)速率為：其中，為一個系數(shù)，介于之間；和分別是該

4、物質的平衡蒸汽壓和實際情況下的分壓。上式的另一種形式為：其中，為單位物質表面的質量蒸發(fā)速度，為分子或原子的相對原子質量，是氣體的熱力學溫度，為氣體常數(shù)，為阿伏伽德羅常數(shù)。由于物質的平衡蒸氣壓隨著溫度的上升增加很快，因而對物質蒸發(fā)速度影響最大的因素是蒸發(fā)源的溫度。（3）真空度對膜層質量的影響真空度足夠高，可以使蒸汽分子以射線狀從蒸發(fā)源向基體發(fā)射。這樣可以使蒸發(fā)材料的利用率及沉積速率大大提高。在正常工作時要求真空室內氣體分子的平均自由程比蒸發(fā)源到被鍍基體的距離大得多。一般要求氣體分子平均自由程是源到基體距離的23倍，因此對于的真空鍍膜機，要求其真空度為帕至帕。如果沒有足夠高度的真空度，真空室內的殘

5、余氣體分子可能是很可觀的。由空氣動力學可知，當氣壓為時,每平方厘米基體表面，每秒鐘內，可有個氣體分子與其發(fā)生碰撞。由于殘余氣體中包含各種氣體成份，尤其是氧等氣體分子容易被基體吸附后改變膜層的結構和成份，因此在真空鍍膜時必須保持一足夠高的真空度。（4）蒸發(fā)源位置與薄膜的均勻性由理論分析可知當一個點源放在一個半徑為的球心位置時，則在整個球面上得到的沉積層厚度是均勻的。實際的蒸發(fā)源總有一定線度，不能看成理想的點源，因此球面上的淀積量不可能很均勻，線度越大，均勻性越差。此外，基體也不可能恰好是半徑為的球面，它們常常是一些平面或有特定曲率半徑的曲面，這也影響了鍍層的均勻性。為了使鍍層有良好的均勻性，目前

6、常用的方法是使載工件的平面繞圖2所示的軸轉動，把一小面源置于距中心為的位置上，這樣可使均勻性得到改善。更精良的設計是將工件盤做成既能自轉（繞軸），又能公轉（繞軸）的行星盤結構（如圖3所示），這種結構對膜層的均勻性是更為有利的。圖2 圖3四、實驗過程實驗過程主要可分為兩個：真空的獲取過程與鍍膜過程。1、真空的獲?。?）開機械泵，將三通閥向里推置死點。（2）開啟真空計測量前級低真空，開機預熱一定的時間后，將“加熱測量”開關置于“測量”位置（有兩個測量檔，先置于其中任意一檔）。再對儲氣瓶進行抽氣，觀察熱偶真空計的度數(shù)，若真空度增加，表明當前測量檔測量的是儲氣瓶的真空度。若真空度變化不大，表明當前測量

7、的是腔體的真空度。通過這個步驟，可以確定熱偶計的兩個“測量”檔分別對應哪個區(qū)域的真空。（3）開啟真空計測量前級低真空，使系統(tǒng)抽至6.7Pa以上真空度。（4）接通冷卻水及擴散泵加熱器，擴散泵約加熱40分鐘后即可正常工作。（5）將三通閥拉出至死點，對腔體進行預抽。真空計換擋測量腔體的真空度，使其壓強小于6.7Pa。（6）加熱完畢后，將三通閥推至死點，打開真空蝶閥，此時油擴散泵與機械泵同時處于工作狀態(tài)，觀察熱偶計的讀數(shù)。當?shù)驼婵諟y量等于或小于0.13Pa時，轉至高真空測量，直至機組達到極限真空度以上。2、 鍍膜開啟鍍膜開關，緩慢調節(jié)鍍膜電流，觀察鍍膜過程。實驗過程可用以下流程圖表示：五、實驗結果 實

8、驗過程中最終的鍍膜電流因為達到了滿偏，并且繼續(xù)調大才完成了鍍膜，所以未能對鍍膜電流進行正確的讀數(shù)。下圖為實驗鍍膜結果：由于保護不周，鍍膜層發(fā)生了剮蹭，剛鍍膜完成時是光滑的表面。六、實驗總結 在做鍍膜實驗之前，首先進行了另外一個小實驗。將一小杯水放入真空室中，開始抽真空狀態(tài)，可以觀察到，隨著真空度的升高，水杯中的水像沸騰了一般，最終液態(tài)水會變?yōu)楣虘B(tài)水，真空室的腔壁溫度降低。前面是的沸騰主要原因是原先在水中的氣泡因為外界壓強的減少，開始膨脹上浮，直到到達水面氣泡破裂，氣泡不斷地被釋放，就形成了沸騰現(xiàn)象。再進一步的升高真空度，水不斷汽化，這個過程需要吸熱，所以一部分水的溫度會降低，直至結冰。開始真空鍍膜實驗的第一個關鍵準備工作，就是真空的獲取。因為在做這個實驗前先做了前面水的實驗，所以要先對真空室進行清理，將真空室中的水擦干，再將約5mm的鋁條放在加熱器上，蓋上厚玻璃后，開始對真空室進行抽真空。獲得真空后，開啟鍍膜，慢慢調大鍍膜電流，每調大一次，停止5s觀察現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)隨著電流的增大，加熱器逐漸發(fā)紅，繼續(xù)增大電流，鋁條從條狀匯聚為了一個小球，再增大電流，小球變?yōu)榱艘粩傄后w，此時稍稍調節(jié)電流，液體蒸發(fā)，就已經開始了鍍膜，直至將鍍膜空間被填滿。鍍膜完成后