摩擦学实验报告.docx

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1、气相沉积实验报告一、实验目的：1、掌握真空的获得与测量技术2、懂得预处理对真空镀膜技术的重要性及常见的预处理设备及流程。2、了解中频磁控溅射镀膜的工作原理、设备、特点、工艺过程、适用范围。3、掌握磁控溅射镀膜原理、设备、特点、工艺过程及使用特点。4、了解反应磁控溅射的特点、靶打火和阳极消失的原因及抑制措施。5、运用磁控溅射镀膜技术在玻璃载玻片上镀上铜膜。二、实验设备：1、预处理生产线。2、中频磁控溅射镀膜机。三、实验要求：1 了解预处理对真空镀膜技术的重要性及常见的预处理设备及流程。2 了解多弧离子镀的工作原理、设备、特点、工艺过程、适用范围。3 了解多弧离子镀薄膜的特点、液滴的抑制措施。4

2、了解磁控溅射镀膜原理、设备、特点、工艺过程及使用特点。5 了解反应磁控溅射的特点、靶打火和阳极消失的原因及抑制措施。四、实验步骤：A）打开总电源；B）开冷水机、气泵、开维持泵、维持阀；C）样品预处理1、热清洗剂溶液中超声清洗（除油污）503min2、热清洗剂溶液中超声清洗（除污垢）502min3、自来水充分漂洗两次常温30sec4、去离子水漂洗两次常温20sec5、第一次酒精脱水2min6、第二次酒精脱水2min7、吹干或烘干(80-120oC)D）装炉，关炉门；E）开机械泵、上阀对真空室抽气；F）当机械泵把真空室中的大气抽到IOOOPa时，开分子泵；G）当真空室的气压被抽到2Pa时，关上阀，

3、开高阀，用分子泵抽高真空。H）当真空室的气压被抽到1X10-2Pa时，即可在基体上沉积TiN薄膜；I）沉积过程步骤工艺参数抽真空镀膜本底真空度达到1.0X0-2pa轰击Ar压强，Pa2偏压，V1000时间，min10过渡层沉积Ar压强，Pa3.010,靶电流，A15偏压，V500占空比0.7时间，min1TiN膜沉积Ar压强，Pa50氮气流量，seem20靶电流，A0.8偏压，V200占空比0.7时间，min5J）沉积完毕后关掉磁控溅射靶冷却;1）待温度至80C左右，开炉取样。五、实验结果：【实验原始数据：】1溅射气压和溅射速率的关系镀膜速率（Amin）14151824304248溅射气压/P

4、a1.61.51.31.10.90.650.52 .加热过程中温度与真空度的关系:温度/23.523.724.129.036.046.059.066.076.086.096.0106气压/IO3Pa2.94.14.44.03.83.73.63.63.53.53.63.6温度/C116126136146156166167165154152157165气压/IO3Pa3.63.63.63.63.63.63.53.43.33.23.13.0温度/C169166163165167164164气压/IO3Pa2.92.82.72.62.52.42.33 .溅射功率与溅射速率的影响电压U/V3036394

5、5电流I/A0.050.10.150.2溅射功率/W1.53.65.859溅射速率A/min9203560【实验成果总结】1、试验成果本实验成功在两块玻璃基底上，用磁控溅射方法得到铜薄膜。2、基片加热过程中真空度的变化基片加热过程中随着温度上升，气压迅速升高，随后气压降低至不变，至温度稳定后，气压持续降低。1、镀膜速率与溅射气压的关系用30秒内膜厚度的增长量来度量溅射速率，在溅射电流1=0.IA,靶磁场电流I=15A的条件下，在一定范围内，溅射气压越大，溅射速率越小。4、镀膜速率与溅射功率的关系用60秒内膜厚度的增长量来度量溅射速率，溅射气压P=1.3Pa,靶磁场电流I=15A,在一定范围内，

6、溅射电流（溅射功率）越大，溅射速率越大，且成线性关系。5、溅射功率和溅射气压对溅射速率影响在一定范围内溅射气压越大，溅射速率越小，并且提高靶的溅射功率能够提高溅射速率。六、实验结果分析:1 .基片加热过程中真空度的变化基片加热时温度与真空度的变化关系(ed1OOe70140温度CC)由右图可知，随着温度上升，气压迅速升高，随后气压降低至不变，至温度稳定后，气压持续降低。基片暴露在空气中会吸附气体分子（主要是水蒸气），在基片加热的过程中这些吸附的分子会迅速释放出来导致迅速气压上升，这就解释了曲线前面的上升段。当气体大部分释放完后，气体释放速率降低，并且气体温度上升与真空泵抽气平衡，气压基本不变，

7、温度上升至接近指定温度时，温度上升速率减慢，低于真空泵抽气速率，气压开始下降且到达指定温度后，温度基本不变，下降速率越来越快。2 .镀膜速率与溅射气压的关系用30秒内膜厚度的增长量来度量溅射速率，在溅射电流ro.iA,靶磁场电流1=1.5A的条件下得到图像：由图可知，在一E氾围内，溅射气压越大，溅射速率越小。分析：气压越大，真空室内氧气分子密度二,.就越大，镀膜材料分子运动的平均自由”史，压一.程就越小，即材料分子在飞往基片过程中更容易与氧气分子碰撞，导致到达基片的材料分子减少，故气压大溅射速率低。3、镀膜速率与溅射功率的关系：用60秒内膜厚度的增长量来度量溅射速率，溅射气压P二13Pa,靶磁

8、场电流1=1.5A得到图像:由图可知，在一定范围内，溅射电流（溅射功率）越大，溅射速率越溅射功率和澈射速率的关系60-/C,x大，且成线性关系。540-分析：/溅射电流的提高，轰击靶材料20的氮离子的浓度提高，就会有更多的装靶材料被溅射出来；另外，溅射粒子003frf1h念69的能量也提高，使薄膜与基片的附着激射功率（W）力增加，加快了薄膜的形成速率。而讲义上说溅射速率与溅射功率基本成正比关系，实验结果与此符合得较好。需要注意的是，溅射时电流与电压之间的关系遵循公式：I=KVn,而式中的参数K、n与气压、靶材料、磁场和电场有关，实验中注意到靶磁场的增大会使溅射电压减小，因此猜想靶磁场增大会使K

9、增大。对于靶材蚀刻跑道的讨论：审、JjJ跑道宽度内，假设在X=a处是临界磁约束点，即电图6蚀刻跑*子在此区域内被约束来回反射。但能被约束的电子并不都是在X=a处才反射，也即是说电子的横向宏观振荡半径并不都是a,而是0a内均可发生，因此在X=a区域内各处电子的浓度并不相同，显然X=0处是所有受约束的电子运动的必经之路，浓度最大，越往士a处能到达的电子数目越少，其浓度也就越小（但不能认为该处的浓度为零），可以近似认为符合高斯分布，如图8（a）所示。随着刻蚀的加深，靶面下降，更强的磁力线露出靶面（需要说明的是，磁力线本身的分布并不因溅射而有所改1aX图7镜像场磁力线分布4xwn图8跑道断面的电子浓度

10、分布（a）及刻速断面（b）示熊图/由于试验用的铜靶使用时间很长，靶面上留下了很深的蚀刻轨道。蚀刻跑道形状如图6,截面如图8（b）所示，这是由于俗T1A1沿靶面一圆周上径向有一如图7的镜像磁场，使电子被约束在变)，约束力增强，临界约束半径减小即约束区域变窄，于是溅射区域也随之变窄。如此长期作用下去，刻蚀跑道的形状就自然是宽度连续收缩，中心深度加剧的倒高斯分布，如图8(b)所示。抽真空装置的比较：实验时老师问到上次做电子衍射的油扩散泵原理，油扩散泵与涡轮分子泵都是用来抽高真空的真空泵，但是原理不同。油扩散泵是利用气体的扩散现象实现排气作用，当扩散泵受到电炉加热时会产生大量蒸汽，蒸汽流沿导管传输到上

11、部，经喷嘴向下喷出。在射流界面两边，被抽气体与界面内气体存在很大浓度差，从而使被抽容器的气体分子源源不断地越过界而，扩散进入射流，而被带至与机械泵连接的管道中。射流在往下运动过程中，碰到有冷却水管冷却的泵壁，油分子被冷凝，沿着泵壁流回蒸发器继续循环使用，即可获得较高的真空度。在两次实验中接触了三种真空泵。真空泵是用来获得真空的器械，按照泵的抽气速率和抽气方式分为机械泵，分子泵，扩散泵等。实际使用中应该根据对真空度的不同要求，选择合适的真空泵，有时可能需要几种真空泵组合使用，用于工业化生产。关于溅射功率和溅射气压对溅射速率影响的讨论：虽然分析的结果是提高靶的溅射功率能够提高溅射速率，但是查阅资料

12、表明，如果溅射功率过大，靶的温度将过高，甚至可能靶开裂，升华和熔化。因此，溅射靶的力学性质和导热性能是限制提高溅射速率的重要因素。为了提高溅射速率，应该将基片尽可能靠近溅射源，但必须保证稳定的异常辉光放电。而对于溅射气体分压和溅射速率的关系，实验中表明在一定范围内溅射气压越大，溅射速率越小。而我查找资料后，发现在低气压范围(O.1-0.25Pa),溅射气压和溅射速率却是正相关的，这是由于气压升高，气体分子数增多，电离产生的轰击离子增多，靶材溅射出的原子增多，并且在低气压范围内，气体分子对溅射原子的阻挡作用不明显，因此呈现出溅射气压和溅射速率的正相关关系因此，在实际镀膜中，应该综合考虑溅射功率和溅射气压对溅射速率的影响，选择合适的溅射功率和溅射气压，使得镀膜质量达到最佳效果。七、结论本实验成功在两块玻璃基底上，用磁控溅射方法得到铜薄膜。通过本实验，了解并掌握了磁控溅射镀膜机的操作。学习了关于真空的获得、磁控溅射以及镀膜的相关知识。并且得到了在一定范围内，溅射气压增大溅射速率减小，以及溅射功率与溅射速率成正比的结论。通过本次实验，发现并思考了实验中出现的问题，领悟了物理实验的相关实验精神。