实验八 真空蒸发镀膜 7Fc |
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真空镀膜属于薄膜技术和薄膜物理范畴,广泛应用在电真空，电子学、光学、能源开发、现代仪器、建筑机械、包装、民用制品、表面科学、以及原子能工业和空间技术中。它可以用来镀制微膜组件，薄膜集成电路，半导体集成电路等所需的电学薄膜；光学系统中需要的反射膜，透设膜，滤光膜等各种光学薄膜；轻工业产品的烫金薄膜等等。由于真空镀膜技术的迅速发展，从而使电子计算机的微型化成为可能，促进了人造卫星，火箭和宇航技术的发展。 cxk=|
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所谓真空镀膜就是指在真空中将金属或金属化合物沉积在基体表面上。从技术角度可分为40年代开始的蒸发镀膜，溅射镀膜和70年代才发展起来的离子镀膜。束流沉积等四种。真空镀膜能在现代科技和工业生产中得到广泛应用，主要在于它具有以下的优点：①它可用一般金属（铝，钛等）代替日益缺乏的贵重金属（金，银）并使产品降低成本，提高质量，节省原材料。②由于真空分子碰撞少，污染少，可获得表面物理研究中所要求的纯净，结构致密的薄膜。③镀膜时间和速度可准确控制，所以可得到任意厚度均匀或非均匀薄膜。④被镀件和蒸镀物均可是金属或非金属，镀膜时被镀件表面不受损坏，薄膜与基体具有同等的光洁度。 6vZt43"m?\
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本实验通过镀铝反射境要达到的目的是：掌握真空蒸发镀膜的原理和操作方法；熟悉金属和玻璃片的一般清洗技术；了解薄膜厚度的光学干涉法测量方法。 ;?#i]Bh>S
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1预习提要 1gL8$ .B?
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真空镀膜是以气体分子动力学为理论基础的技术性强的实验。实验前应复习在高真空高温下固体蒸发的有关知识。预习首先要阅读本书“真空基础知识”部分，掌握本实验所用的真空泵(机械泵，扩散泵)，真空计（热偶计，电离计）的原理和使用方法。然后在熟读本实验时，要着重掌握真蒸发镀膜的原理和实验装置的结构；熟悉金属元件 和玻璃片的清洗技术；了解薄膜厚度的光学干涉法测量原理和方法。在初步掌握上述知识和技能的基础上，根据实验内容要求要自拟实验步骤和操作程序，熟练掌握在试验中提高薄膜质量的操作技巧. d?E4[7<t$1
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2实验原理 t a2 z
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2.1真空蒸发镀膜原理 ,\Z8*Jr3Q
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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。当真空高度，分子自由程 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（靠分子间范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。 "F04c|oR<X
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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： :s ? y,
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(4.2.1) =] 6_{#Z<
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式中R为气体普适常数，K为积分常数。 1Q3%!~<\s
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在真空环境下，若物质表面静压强为P，则单位时间内从单位凝聚相表面蒸发出的质量，即蒸发率为 %_ cg|yy
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(4.2.2) t,UW&iLK
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式中 为蒸发系数，M为克分子量，T为凝聚相物质的温度。 HP1X\h!Ke
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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 ntd
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(4.2.3) wpJ^}+kF
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根据数学知识从（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。 P1vF{ e
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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己程 可表示为 Au%Wrk3j
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（4.2.4） OqUE4. vIP
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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（4.2.4）式可列出表4.2－1。 fte!Ll'
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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15~20cm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。 $Y kp8u,(
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表4.2－1 S(YHwH":
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2.2薄膜的光学干涉测厚原理 C'xU=OnA8
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真空镀膜所得薄膜厚度通常在10nm~1 范围内，对此范围内的厚度测量使用最多的方法是光学干涉法。本实验采用光学干涉显微镜测量，其原理如图－1，一束光经分光器分成强度相同的A、B两束光，使这两束光分别经M1、M2反射后在汇合成一束光C,由于不同的光路有不同的光程，他们的光程差造成了光的位相差，产生光的干涉。当M1、M2间有一夹角时，则人眼可以看到亮暗相间的干涉条纹，因此可以利用光干涉来确定光程差。 z; Gbqr?{{
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图4.2－1光学干涉显微镜原理图 7 +W?Qo
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将薄膜制成台阶状，台阶一侧为薄膜，另一侧为裸露的基片表面如图4.2－2（a），将这样的薄膜代替反射镜M1那么光束A中从薄膜反射和从基片表面反射的光程差不同，它们和光束B干涉时，由于光程差不同而造成干涉条纹移动，如图4.2－2（b）所示。 ,LW%'tQ~"
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我们从干涉条纹移动量算出台阶高度（即薄膜厚度）d为 3YNkT"~T
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（4.2.5） K+T TYQ
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式中 为光的波长，N为条纹移动的间隔数。 NB yN}e
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（4.2.6） 0 ?*I_[Y
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式中 为干涉条纹移动距离， 为相邻两干涉条纹之间的间隔距离。 Wg;TXs/
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图－2台阶状反射面造成干涉纹移动（a）（b） 5FR#_}k]_F
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当用白光作光源时，则有 $T%<'=u|E
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（4.2.7） }oxaB9r
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当用绿光 作光源时，则有 OL9C #er
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（4.2.8） X}QmeY[0I
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3材料的清洗 gkn/E}K#
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清洗一般意味着除去物质表面不需要的不干净物质。如物理污染物（油脂、灰尘等）。 jW0z|jr
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被镀玻璃基片、钨蒸发器、铝条、玻璃钟罩等材料、配件清洁程度直接影响薄膜的牢固性和均匀性，玻璃片和蒸发器、铝条表面的任何微量的灰尘、油斑杂质及植物纤维等都会大大降低薄膜附着力，并使薄膜出现花斑和过多过大的针空，不久会自然脱落。因此会使铝镜减少反射，增加吸收。所以加强清洗是非常必要的。清洗上述污染物的方法很多，如机械清洗、溶剂浸渍冲洗、电化学清洗、离子轰击清洗、超声波清洗等。不同材料，不同污染物，清洗的方法不同。 3g
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（1）钨蒸发器和铝条的清洗方法是：先用自来水冲去尘埃，放入浓度为20%的氢氧化钠溶液中煮10分钟（铝条煮半分钟），除去表面氧化物和油迹，达到见钨发亮为止；然后用自来水冲洗，浸在离子水（或蒸馏水）中冲洗，取出用无水乙醇脱水烘干便可。 _"Ke=v_5
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（2）玻璃片的清洗方法是：用去污粉察洗除去一般油污和尘埃；然后用清水冲洗放在重铬酸钾和硫酸混合溶液中浸10~30分钟，取出后先后用自来水、蒸馏水冲洗；最后用无水乙醇脱水，烘干后便可使用。清洗的过程中手指不能直接与被镀物表面和酸碱接触。 /!uBk3x:
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（3）玻璃钟罩用浓度约为30%的氢氧化钠溶液擦洗掉镀上的铝膜，然后用自来水、蒸馏水冲洗，无水乙醇脱水烘干便可。 9}Ave:X^
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近年来,化学清洗剂比较多,也可以根据不同材料,选用化学试剂清洗。 ZV^J5wYE
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图4.2－3真空镀膜装置 O]!DNN
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真空镀膜装置有金属（即镀膜机）和玻璃制成的两种。为了教学的直观和节省开支，本实验采用自行安装的由机械泵⑧玻璃油扩散泵⑦真空计⑨玻璃阀门10~14等，借助玻璃管道组合成的真空系统；用玻璃钟罩代替镀膜室①简单供电系统等构成的真空镀膜装置如图4.2－3。它与镀膜机的结构基本一样。真空系统提供 帕以上真空度，在镀膜时与法兰盘间有真空密封胶圈⑥，蒸发器③固定在电极上，在蒸发器与被镀件台架⑤间安一档板④，来档住在预熔时蒸发器和蒸发物中低熔点杂质蒸发到镜面上。蒸镀开始时旋转连杆将档板转至镀膜室一旁。管道阀11、12用来对镀膜室、扩散泵预抽气，它与高真空阀10、充气阀14相配合可以切断镀膜室与扩散泵之间的通道，这可实现在不停真空泵情况下，镀膜室即可进行下次被镀物的安装或提前取出镀件，而扩散泵仍处在高真空的工作状态。这对连续镀铝反射镜的生产是很有意义的。 ;BvWU\!
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5蒸发器与薄膜质量 lV="IP^7
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蒸发器是由热稳定性良好、化学性质稳定、出气量少、纯度高的耐高温材料制成。对于丝状和片状蒸发物一般采用钨和铂丝做成螺旋式、螺旋式丝状蒸发器如图－4。对粉末状蒸发物则采用钽、钼、铂等材料做成舟状蒸发器如图4.2－5。 M$A !
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图－4丝状蒸发器 图4.2－5舟状蒸发器 i ib- \j4d
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本实验蒸发物为铝薄片。蒸发器采用直径为0.5mm的单股钨丝制成螺旋式或波浪式蒸发器，它可使蒸发铝条放置稳定，接触面大受热均匀。实验时先将铝条变成V字型，悬挂在钨蒸发器上。当系统真空度达到10-2帕以上时，通电加热钨蒸发器至白炽状态，使铝熔化蒸发（铝在真空中蒸发温度为990oC）铝蒸发前要先液化，因钨在液化铝中有一定溶解度和液化铝的表面张力作用，故液态铝一般不会掉下来，而很好的附着于钨蒸发器上，如图4.2－6 C%h_!z":
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图4.2－6铝条加热前后状态 p V M;xxJ
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铝膜的质量除上面谈到的与真空度、玻璃片清洁度有关外，还与蒸发物（铝）、蒸发器（钨）的纯度、蒸发速度有关。 wlJ_, wA
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蒸发物的纯度直接影响着薄膜的结构和光学性质，为了得到较高纯度的铝膜，要求选择纯度高的铝，实际上绝对纯的铝不存在。所以我们采用预熔的办法让杂质蒸发到档板上，而不要使杂质蒸发到玻璃片上。预熔时蒸发物和蒸发器要放出大量气体，使真空度降低，待真空度恢复到要求真空度时，才可以进行蒸发镀膜。 v~ SN2,h
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蒸发速度也影响膜的结构和均匀性，蒸发温度愈高，蒸发时间愈短，膜的结构愈致密、均匀性愈好；蒸发温度低，蒸镀时间拉长，会使真空度降低，因此会产生软膜。但蒸发温度不宜过高，以免使蒸发物和蒸发器中比铝熔点高的杂质蒸发出来。 n!2|;|$}Z
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6薄膜厚度测量方法 r i z({
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为测量所镀薄膜厚度，薄膜必呈现台阶状，这可利用掩膜办法（即将基片的一部分表面挡住，使这部分基片蒸发不上薄膜）来实现。掩膜的边缘必须很薄很平，并与基片紧密靠在一起，以便使台阶很徒，台阶面与底之间的过渡宽度w应尽量窄，如图4.2－2（a）。这是保证测量精度的关键之一，因为光学干涉显微镜的视场只有0.25mm。 ( s*}=
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使用6JA 光学干涉显微镜测薄膜厚度，它是干涉仪和显微镜的组合，外形结构如图4.2－7。用来测膜厚的调试使用方法如下： N z8iU@!a
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（1）寻求干涉条纹 ["z$rk
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将玻璃片有薄膜一面对着光线放置在显微镜工作台上，来回调节大旋钮，可使工作台上下方向移动，以便物镜对薄膜表面调焦，直至能从目镜能看到清晰的彩色干涉条纹。干涉条纹中有两条是黑色的，称为“0”级干涉条纹。根据这两条条纹，我们能肯定无误的确定台阶造成的干涉条纹的移动。调节旋钮7和9，使条纹间距适中。 K)n( U9#
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使台阶处薄膜边沿与干涉条纹方向垂直。将目镜转动至其上的十字线中一条与干涉条纹垂直。移 图4.2－7干涉显微镜结构图 yTk9+ >
H]-nm+
动平移盘和旋转轮，使工作台面做任意方向移动和转动，使各种干涉条纹弯曲处距该线有大致相等的距离。 [Z 1 Eje X
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（2）读数 ie)Qsw@
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从目镜中可以看到一刻尺标有数字，转动读书鼓则十字线和刻尺附近的两条平行线一起移动，而刻尺不动。当十字线中一线对准N2线中心，从两短平行线在刻度尺上的位置可读出第一位数字，如图4.2－8所指为“4”，在从读数鼓可以读出第二位和第三位数字，若为“61”，还可估读最后一位数字，若为“4”那么N2的读数为“4.614” 。如此类推，可先后读出N1、、N4、N2、N3，这为一组读数。在不变动被测薄膜位置的情况下，测出10组数据。 MFVFr "
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如果时间充裕，为测得结果更准，可将被测薄膜稍改变一点（小于0.5mm）重复上述测量，再测10组数据。 /dO& r'!:
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7实验内容 a-7nA
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（1）了解真空镀膜装置的结构，镀制铝反射镜；从中掌握真空蒸发镀膜的原理和操作。 m^`X|xK-
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（2）正确清洗玻璃片、钨蒸发器和蒸发物铝条。 H94$Xi"Bd
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（3）测所镀薄膜厚度，并分析薄膜的质量 !
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8实验要求与注意事项 E_$ S T 3
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（1）自拟实验步骤和操作程序。同老师讨论后，方可实验。认真观察并记录实验过程中发生的实验现象和问题，并在实验报告上详细解释其中两个。 &:Q" "e!
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（2）清洗后的玻璃片和铝条等，应带白手套或用清洁的镊子去拿取安装。 DK:d'zb
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（3）实验中若遇到临时突然停电，应立刻关闭阀门10和11封闭扩散泵，退出加热电炉，其他阀门、开关恢复到到实验前状态。
