真空鍍膜實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上真空鍍膜 預(yù)習(xí)報(bào)告陳嘉琦 【摘要】真空鍍膜最為基礎(chǔ)的兩種方法就是蒸發(fā)法和濺射法。本實(shí)驗(yàn)采用的是蒸發(fā)法鍍膜。理想的鍍膜結(jié)果應(yīng)在真空環(huán)境下進(jìn)行，所以先對(duì)真空室進(jìn)行抽真空，再進(jìn)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(guò)程，如物質(zhì)的熱蒸發(fā)或在受到粒子束轟擊時(shí)物質(zhì)表面原子的濺射等現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)從源物質(zhì)到薄膜的可控的原子轉(zhuǎn)移過(guò)程。物理氣相沉積技術(shù)中最為基礎(chǔ)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(jīng)大量應(yīng)用于各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域之中，而且為了充分利用這兩種方法各自的優(yōu)點(diǎn)，還開(kāi)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(shù)。 2、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、復(fù)習(xí)鞏固真空的獲取實(shí)驗(yàn)2、完成鍍膜過(guò)程 三、實(shí)驗(yàn)原理真空鍍膜是在真空室中進(jìn)行的（一般氣壓低于），當(dāng)需要蒸發(fā)的材料（金屬或電介質(zhì)）加熱到一定溫度時(shí)，材料中分子或原子的熱振動(dòng)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(dāng)蒸汽粒子遇到溫度較低的工件表面時(shí)，就會(huì)在被鍍工件表面沉積一層薄膜。現(xiàn)在對(duì)源加熱方式、真空度對(duì)膜層質(zhì)量的影響及蒸發(fā)源位置對(duì)薄膜均勻性的影響等問(wèn)題作簡(jiǎn)要說(shuō)明。（1）源加熱器 如圖(a)(b)為電阻型源加熱器，它們由高熔點(diǎn)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(zhì)（如鋁絲）可形成向各個(gè)方面發(fā)射的蒸汽流，因此絲源可用為點(diǎn)源，而舟源則可近似圍內(nèi)發(fā)射的面源。對(duì)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(jiǎn)便、設(shè)備成本低等優(yōu)點(diǎn)，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(jīng)磁偏轉(zhuǎn)，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(lái)實(shí)現(xiàn)真空沉積的。（2）物質(zhì)的蒸發(fā)速度 在一定的溫度下，每種液體或固體物質(zhì)都有特定的平衡蒸氣壓。單位源物質(zhì)表面上物質(zhì)的凈蒸發(fā)速率為：其中，為一個(gè)系數(shù)，介于之間；和分別是該

4、物質(zhì)的平衡蒸汽壓和實(shí)際情況下的分壓。上式的另一種形式為：其中，為單位物質(zhì)表面的質(zhì)量蒸發(fā)速度，為分子或原子的相對(duì)原子質(zhì)量，是氣體的熱力學(xué)溫度，為氣體常數(shù)，為阿伏伽德羅常數(shù)。由于物質(zhì)的平衡蒸氣壓隨著溫度的上升增加很快，因而對(duì)物質(zhì)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(duì)膜層質(zhì)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(shí)要求真空室內(nèi)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(duì)于的真空鍍膜機(jī)，要求其真空度為帕至帕。如果沒(méi)有足夠高度的真空度，真空室內(nèi)的殘

5、余氣體分子可能是很可觀的。由空氣動(dòng)力學(xué)可知，當(dāng)氣壓為時(shí),每平方厘米基體表面，每秒鐘內(nèi)，可有個(gè)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(jié)構(gòu)和成份，因此在真空鍍膜時(shí)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(dāng)一個(gè)點(diǎn)源放在一個(gè)半徑為的球心位置時(shí)，則在整個(gè)球面上得到的沉積層厚度是均勻的。實(shí)際的蒸發(fā)源總有一定線度，不能看成理想的點(diǎn)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(zhuǎn)動(dòng)，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(shè)計(jì)是將工件盤(pán)做成既能自轉(zhuǎn)（繞軸），又能公轉(zhuǎn)（繞軸）的行星盤(pán)結(jié)構(gòu)（如圖3所示），這種結(jié)構(gòu)對(duì)膜層的均勻性是更為有利的。圖2 圖3四、實(shí)驗(yàn)過(guò)程實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要可分為兩個(gè)：真空的獲取過(guò)程與鍍膜過(guò)程。1、真空的獲?。?）開(kāi)機(jī)械泵，將三通閥向里推置死點(diǎn)。（2）開(kāi)啟真空計(jì)測(cè)量前級(jí)低真空，開(kāi)機(jī)預(yù)熱一定的時(shí)間后，將“加熱測(cè)量”開(kāi)關(guān)置于“測(cè)量”位置（有兩個(gè)測(cè)量檔，先置于其中任意一檔）。再對(duì)儲(chǔ)氣瓶進(jìn)行抽氣，觀察熱偶真空計(jì)的度數(shù)，若真空度增加，表明當(dāng)前測(cè)量檔測(cè)量的是儲(chǔ)氣瓶的真空度。若真空度變化不大，表明當(dāng)前測(cè)量

7、的是腔體的真空度。通過(guò)這個(gè)步驟，可以確定熱偶計(jì)的兩個(gè)“測(cè)量”檔分別對(duì)應(yīng)哪個(gè)區(qū)域的真空。（3）開(kāi)啟真空計(jì)測(cè)量前級(jí)低真空，使系統(tǒng)抽至6.7Pa以上真空度。（4）接通冷卻水及擴(kuò)散泵加熱器，擴(kuò)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(diǎn)，對(duì)腔體進(jìn)行預(yù)抽。真空計(jì)換擋測(cè)量腔體的真空度，使其壓強(qiáng)小于6.7Pa。（6）加熱完畢后，將三通閥推至死點(diǎn)，打開(kāi)真空蝶閥，此時(shí)油擴(kuò)散泵與機(jī)械泵同時(shí)處于工作狀態(tài)，觀察熱偶計(jì)的讀數(shù)。當(dāng)?shù)驼婵諟y(cè)量等于或小于0.13Pa時(shí)，轉(zhuǎn)至高真空測(cè)量，直至機(jī)組達(dá)到極限真空度以上。2、 鍍膜開(kāi)啟鍍膜開(kāi)關(guān)，緩慢調(diào)節(jié)鍍膜電流，觀察鍍膜過(guò)程。實(shí)驗(yàn)過(guò)程可用以下流程圖表示：五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果 實(shí)

8、驗(yàn)過(guò)程中最終的鍍膜電流因?yàn)檫_(dá)到了滿偏，并且繼續(xù)調(diào)大才完成了鍍膜，所以未能對(duì)鍍膜電流進(jìn)行正確的讀數(shù)。下圖為實(shí)驗(yàn)鍍膜結(jié)果：由于保護(hù)不周，鍍膜層發(fā)生了剮蹭，剛鍍膜完成時(shí)是光滑的表面。六、實(shí)驗(yàn)總結(jié) 在做鍍膜實(shí)驗(yàn)之前，首先進(jìn)行了另外一個(gè)小實(shí)驗(yàn)。將一小杯水放入真空室中，開(kāi)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(huì)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?yàn)橥饨鐗簭?qiáng)的減少，開(kāi)始膨脹上浮，直到到達(dá)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(jìn)一步的升高真空度，水不斷汽化，這個(gè)過(guò)程需要吸熱，所以一部分水的溫度會(huì)降低，直至結(jié)冰。開(kāi)始真空鍍膜實(shí)驗(yàn)的第一個(gè)關(guān)鍵準(zhǔn)備工作，就是真空的獲取。因?yàn)樵谧鲞@個(gè)實(shí)驗(yàn)前先做了前面水的實(shí)驗(yàn)，所以要先對(duì)真空室進(jìn)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(kāi)始對(duì)真空室進(jìn)行抽真空。獲得真空后，開(kāi)啟鍍膜，慢慢調(diào)大鍍膜電流，每調(diào)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(gè)小球，再增大電流，小球變?yōu)榱艘粩傄后w，此時(shí)稍稍調(diào)節(jié)電流，液體蒸發(fā)，就已經(jīng)開(kāi)始了鍍膜，直至將鍍膜空間被填滿。鍍膜完成后