《金属薄膜的制备及薄膜电阻的动态监测》实验鉴定报告.docx

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1、金属薄膜的制备及薄膜电阻的动态监测实验鉴定报告一、前言当前，伴随着新材料、新技术的飞速发展及半导体集成电路技术的惊人进步，电子信息产业日趋繁荣。体积小、重量轻、超薄型、高性能已成为新时代电子设备的发展趋势。而薄膜器件的出现和技术突破则为推动微电子技术的发展起着极其重要的作用。进入21世纪，全国各大学都进行了系与学科的改编和教学方向的调整，与之相关的教学内容及教材也做出了相应的变化，以适应时代的发展需要。反映新材料和新技术的应用、基础教学与前沿技术发展相结合己成为高校教学改革的方向。实验课教学是实现对学生的科学素质、创造能力及实践经验培养的关键。充分利用实验课的教学一一让学生在掌握基本原理的基础

2、上，有机会接触到新技术的应用和最新工艺设备的使用；随着科研的深入、技术的发展及教学内容的不断深化，进而从技能和经验上缩短学生步入社会所需的适应期。为实现这一目标，并结合本校教师的科研特色，我系已将多个最新科研成果、技术应用引入基础课和实验课教学。薄膜技术及微细加工技术系列实验便是将薄膜材料（或半导体）的器件制备技术中的主要工艺技术引入教学，丰富和拓宽了实验课教学的知识领域，同时也使实验课教学的内容与高新技术产业保持同步。该系列实验将微电子器件加工过程中的三大主要工艺一一薄膜的制备技术、光刻工艺技术、刻蚀工艺技术分别编入实验教学内容，组成薄膜器件制造的系列化实验，使学生通过实验了解薄膜材料的性能

3、和薄膜元器件制造等方面的知识，并掌握薄膜器件制造中的一些工艺技术。该系列实验作为专业课实验已对理科高年级学生开放。为满足对广大工科学生的层次化教学的要求，同时考虑到工科实验学时短、人数多的问题，让学生在短时间内掌握最主要的知识和技能。我们以“薄膜的制备技术”为试点，在原有实验的基础上对设备和真空条件进行改进，选择成本低、小型化、易操作的实验装置，设计成物理思想明确、适合基础实验教学的综合性实验一一金属薄膜的制备及薄膜电阻的动态监测实验。待实验条件成熟并有了一定的教改经验后，还可将其他后续实验进一步向基础实验教学推广。二、设计思想和教学特点设计思想：薄膜的制备技术分为物理气相沉积、化学气相沉积及

4、离子注入和激光制备等等。其中，溅射沉积是物理制备薄膜的常用方法。固体在加速的离子的轰击下，固体表面的原子被剥离，沉积在相对放置的基片上。薄膜的形成过程可分为四个阶段：临界核的形成、粒子的生长成为“岛”、岛连接形成网络结构、连续薄膜。木实验根据在薄膜形成的不同阶段中，阻值会呈现出相应的变化这一特点，在溅射沉积镀膜过程的中，通过对薄膜电压（电阻）的动态监测，利用“电压（电阻）一一镀膜时间”变化曲线形象地描述薄膜生长的特点。教学特点11 .拓展教学思路实验课教学强调的是对学生的科学素质的全面培养。作为层次化教学的最后环节一一综合性实验，应既是对学生综合能力的训练过程，也是让学生积累实践经验的过程。本

5、实验将薄膜器件制造工艺中的金属薄膜制备技术引入基础实验教学，以推广新的教学理念一一将制造业的新工艺、科学研究与教学内容三方面有机融合，并相互促进。教学内容与高新技术相结合，可激发学生学习新知识的积极性，对工艺条件的摸索和研究，又让学生积累了一定的制造经验。2 .因地制宜，发挥特色材料科学和信息技术是现代高新技术产业的基础，而薄膜技术又是电子元器件朝着高集成度、高性能发展的基础技术之一。目前，我系有许多教师从事新材料及新技术的研究、开发和生产，特别是在磁性薄膜材料、超导薄膜材料、磁阻材料及磁敏传感器等方面的研究和开发利用均为前沿课题。一方面，要因地制宜，利用好我系教师的科研成果；另一方面，要学以

6、致用，依据我校的专业特点（侧重冶金、材料、电子信息技术等工程学科），让学生在校期间便接触到这些领域的最新技术，并接受必要的技能训练，为培养出顺应新时代潮流的工程技术人员打下坚实的基础，充分发挥出我校工科物理实验的教学特色。3 .实验内容承前启后金属薄膜的制备及薄膜电阻的动态监测实验内容主要由三个部分组成：应用、学习、了解。应用一一“四端接线法”和电阻的测量，学生在基础实验中已经掌握。作为内容的延伸，实验中利用“四端接线法”，利用动态监测的方法测量金属薄膜在生长的过程中电压、薄膜电阻随时间的变化关系。学习一一本实验是学生学习薄膜物理和薄膜器件制造的开始。在实验内容和要求上，除了掌握基本的直流溅射

7、镀膜的方法和装置，用电压（电阻）一一时间变化特性曲线描述薄膜形成的物理机制等知识外，还要求学生查阅相关资料，了解更多的知识。了解一一在电子器件制造过程中，为确保元器件的精密度和性能稳定，薄膜器件制造的各项工艺中均大量使用真空条件，因此，尽管木实验对真空度的要求较低，但也介绍了一些真空知识，目的是让学生了解真空技术和真空测量技术的基础理论及操作规程，兼顾后续实验内容。三、实腕装置1 .真空条件的选择薄膜制备的方法很多，但大都离不开抽真空。科研和生产中，为了保证器件的性能要求,往往需要较高的真空度。目前，实验室中获得高真空的装置主要有两种：油扩散泵、分子泵。油扩散泵获得高真空所需的时间很长；分子泵

8、获得高真空所需的时间较短，但成本较高。从成本和时间上考虑，以上两种装置仅适用于为理科或专业课排实验。为了满足工科实验教学的特点，必须换个角度选择真空金属镀膜的条件，即在低真空条件下使用抗氧化性较强的金属靶完成金属薄膜的制备和监测。2 .金属镀膜方式我们选用直流（二极）溅射镀膜的方式，此方法所需真空度低，薄膜的制备过程很直观。较其他溅射方法设备简单且小型化，操作简便，适合由学生操作的对温度和沉积条件要求不高的工科实验。选金（Au）、铜（Cu）作为靶的材料。如果时间允许或要求更低些，还可略去氮气，在空气中完成薄膜的制备和监测工作（此时应注意选择适当的靶材料）。3 .实验装置如附件图1所示，实验中使

9、用的主要仪器有：经过改装的SBCT2小型离子溅射仪、机械泵、直流电源、数字电压、电流表及负气。SBC-12小型离子溅射仪是为扫描电镜制作样品而设计的，该仪器不需要很高的真空度就可以进行离子溅射或蒸碳膜。利用该仪器的优点，结合实验内容的要求，以SBC-12小型离子溅射仪为原形进行了以下改进：真空室内的工作台上增加了四个测量电极和引线一一用于监测薄膜电压、薄膜电阻随时间的变化。扩大工作台的可移动范围一一方便改变工艺条件，对结果进行比较和讨论。设置刻度标尺一一通过测量溅射距离，感受溅射距离对薄膜沉积速率的影响。四、实验内容和要求基本内容：1 .学习真空的获得和溅射镀膜原理，复习“四端接线法”测量电阻

10、的知识。2 .了解生产工艺程序，清洗样品基片。3 .用实验室提供的模板和工艺条件，镀出四个测量电极。4 .接好四个测量电极，参考实验室建议的工艺条件调节实验装置。包括：真空度、样品基片与靶的距离、离子溅射电流、溅射时间等。5 .抽真空，开始镀膜，同时测出预定时间间隔的两电极间的电压值，还可同时测量电流值。6 .用作图描绘金属薄膜的形成过程中，电压和薄膜电阻随时间的变化关系。扩展和研究性实验内容：1. 使用金属铜靶，完成上述内容；2. 选择不同的离子溅射电流，其他条件相同，完成镀金膜内容（可不测数据）；3. 改变样品基片与靶的距离（即溅射距离），其他条件相同，镀两片金膜；通过2或3的样品膜的颜色

11、（即厚度）进行比较，可让学生总结出部分影响金属镀膜速率的因素。综合1的内容与基本内容的结果，验证金属薄膜的电压、薄膜电阻随时间变化的规律，了解不同金属材料的沉积速率和对溅射条件的要求等知识。五、实验数据1 金（Au）膜在形成过程中的电压一一时间关系曲线附件图2所示。2 金（Au）膜在形成过程中的电阻一一时间关系曲线附件图3所示。3 图4所示为理科实验中，采用磁控溅射镀膜法制备金属铝薄膜时，用XT记录仪测量的薄膜形成过程中的电压一一时间关系曲线，真空度为：4IO3Pao对以上图表进行比较可看出，使用低真空度条件的小型溅射装置的测量结果同样可以较好地反映出金属薄膜形成过程中的电压变化规律。实验中采

12、用逐点测量的方法记录数据，虽然曲线中有部分跳跃点，没有连续记录的曲线平滑，但能训练学生的数据采集能力，还可让学生分析数据中的一些突变及对测量产生影响的原因。由于本实验的测量过程不可逆，对测量失败的学生可考虑提供X-Y记录仪，快速记录。六、总结作为教学改革的探索，选择涉及面广的薄膜技术和应用性强的微细加工工艺引入基础实验教学，除了考虑其内容新颖、吸引力强外，还需要兼顾整个实验教学内容的连续性和拓展性。在前阶段的实验中，学生已学过“四端接线法”、作图法等，对半导体材料的电学特性也有了一定的认识，本实验可成为前期实验的延伸。科学素质及技能训练上，学生从清洗基片等基本工艺开始，自己制作电极和薄膜，提高

13、了动手能力并可积累操作经验；通过查阅资料、分析结果，可提高学生的自学能力和研究能力。在学会课程中所介绍的直流溅射镀膜法的基础上，有兴趣的同学还可对相关知识做进一步了解和学习。如：薄膜的形成机理、其他形式的镀膜方法、薄膜技术和薄膜器件制造技术的发展状况等。综上所述，本实验作为综合性的基础实验具有以下优点：1 实验内容新颖，与现代工艺技术联系紧密，实践性强；2 设备小型化、操作简便，物理现象清晰、直观，适合大范围的理工科实验教学；3 知识拓展性强。本实验教学可起到抛砖引玉的作用，学生可以通过自学和与教师交流，更深入地了解与薄膜物理和薄膜技术有关的知识。此外，为调动学生深入学习的积极性，鼓励学生用本实验的成果一一自己镀出的金属膜,继续进行其他题目的实验。如：用光的干涉法测量薄膜厚度等实验。让学生对科学实验产生兴趣，愿意并有能力深入研究是我们实验教学的最终目标。附件：图1金属薄膜的制备及薄膜电阻的动态监测实验装置图2金（AU）膜在形成过程中的电压一一时间关系曲线图3金（AU）膜在形成过程中的电阻一一时间关系曲线图4XT记录仪测量的薄膜形成过程中的电压一一时间关系曲线，真空度为：4103Pa