近代物理試驗報告試驗題目：1真空獲得與真空測量2熱蒸發法制備金屬薄膜材料班 級：3磁控濺射法制備金屬薄膜材料學 號：學生姓名：2023-20231學期1試驗1真空獲得與真空測量試驗時間： 地點： 指導學生：【摘要】本試驗承受JCP-350C型熱蒸發/磁控濺射真空鍍膜機，初步了解真空獲得與測量試驗儀器，把握真空的獲得和測量方法。【關鍵詞】鍍膜機；機械泵；集中泵；真空獲得和測量一、試驗目的、學習并了解真空科學根底學問，學會把握低、高真空獲得和測量的原理及方法；、生疏試驗設備和儀器的使用。二、試驗儀器JCP-350C型熱蒸發/磁控濺射真空鍍膜機。三、真空簡介真空“真空”這一術語譯自拉丁文Vacuo，其意義是虛無。其實真空應理解為氣體較淡薄的空間。在指定的空間內，低于一個大氣壓力的氣體狀態統稱為真空。真空的等級真空狀態下氣體淡薄程度稱為真空度，通常用壓力值表示。1958年，第一界國際技術會議曾建議承受“托”(Torr)作為測量真空度的單位。國際單位制(SI)中規定壓力的單位為帕(Pa)。我國承受SI規定。1標準大氣壓(1atm)≈1.013×105Pa(帕)1Torr≈1/760atm≈1mmHg1Torr≈133Pa我國真空區域劃分為：粗真空、低真空、高真空、超高真空和極高真空。粗真空1013105~1333103Pa低真空1333103~1333101Pa高真空 1333101超高真空1333106

~1333106Pa~13331010Pa極高真空 13331010Pa獲得真空的意義整個社會文明的進步、財寶制造以及科技創都具有重大的意義。2真空技術的應用呢、機械、包裝、環境保護、醫藥及醫療機械、石油、化工、食品、光學、電氣、電子、原子能、半導體、航空航天、低溫、專用器械、紡織、造紙、農業以及民用工業等工業部門和科學爭論工作中，因此真空技術在現實生活各種領域中都得到廣泛的應用。四、試驗原理真空的獲得低真空的獲得:獲得低真空常承受機械泵，構造如圖1-1機械泵是運用機械方法不斷地轉變泵內吸氣空腔的體積，使被抽容器內氣體的體積不斷膨脹，從而獲得真空的裝置。它可以直接在大氣壓下開頭工作，極限真空度一般為1.33~1.3310-2PV的大小有關，一般在每秒幾升到每秒幾十升之間。旋片式機械泵通常由轉子、定子、旋片等構造空腔上連接進氣管和出氣閥門。轉子中鑲有兩塊旋

1-1機械泵構造圖子置于油箱中，油起到親熱、潤滑與冷卻的作用。1-2機械泵工作原理圖機械泵工作過程如圖1-2。當轉子順時針轉動時，空氣由被抽容器通過進氣管被吸入，到可以頂開出氣口的活塞閥門而被排出泵外出。高真空的獲得獲得真空用真空泵。真空泵按工作條件的不同分為兩類：能夠在大氣壓下工作的真空泵稱為初級泵〔機器泵，用來產〔集中泵1.33~0.133P取決于油蒸汽壓和氣體分子的反集中，一般能到達1.33×10-5~1.33×10-7Pa。抽氣速率與構造有關，每秒幾升~幾圖1-3集中泵構造圖 3百升不等，油集中泵的構造如示意圖1-3。泵的底部—低，于是便形成一股向出口方向運動的高速蒸汽流，使之具有很好的運載氣體分子的力氣。自己慢下來，而氣體分子獲得向下運動的動量后便快速往下飛去．并且，在射流的界面內，下運動的過程中遇到水冷的泵壁，油分子就被冷凝下來，沿著泵壁流回蒸發器連續循環使用．冷阱的作用是削減油蒸汽分子進入被抽容器。真空的測量測量真空的裝置稱為真空計，常用的油熱耦真空計和電離真空計。熱耦真空計可以測量0.1～10Pa電離真空計利用電子與氣體分子碰撞產生電離電流隨壓強變化的原理制成，可測量范圍是10的－6～－1數量級。留意，電離真空計必需在0.1Pa以下使用，否則會損壞裝置。五、真空鍍膜機局部構造真空獲得和測量設備JCP-350磁控濺射鍍膜機〔2inch基片/多靶共濺射、JCP-1200/1600高真空磁控濺射鍍膜機、TEMD-600/1000電子束蒸發鍍膜機〔蒸發高熔點金屬及氧化物/高速沉積/光學鍍膜〕等。真空泵簡介機械泵得真空，常用的是旋片式機械泵。旋片式機械泵原理見下附圖2。旋片式機械泵使用留意：、檢查油槽中油液面的高度是否符合規定，機械泵轉子的轉動方向與規定方向是否全都；4、機械泵停頓工作時，要馬上使進氣口與大氣相通，防止回油現象。這步由機械泵上的電磁閥自動進展。、機械泵不宜工作過長，否則會影響使用壽命。集中泵中形成一低壓，將集中進入蒸汽流的氣體分子帶至泵口被前級泵抽走。集中泵使用留意：啟動壓強低于1Pa，保證絕大局部的氣體分子以定向集中形式進入高速蒸汽流，高壓會導致一些副反響的發生，影響真空的形成。集中泵一般能到達－5到－7的壓強數量級。熱偶規、電離規的原理和構造真空度的測量可通過復合真空計來進展1-41-5。1-4電離真空計構造圖：，F.陰極，G.柵極B.接被測真空系統

1-5熱偶真空計構造圖:1mv，2.mA3.加熱絲，4.熱偶，5.熱熱偶規原理和構造熱偶真空計是用在低氣壓下氣體的熱導率與氣體壓強間有依靠關系制成的測量低真空，可測范圍為13.33~0.1333Pa。其中有一根細金屬絲〔鉑絲或鎢絲〕以恒定功率強越低，即氣體分子越淡薄，氣體碰撞燈絲帶走的熱量就越少，則絲溫越高，從而熱偶絲產生的電動勢越大。經過校準定標后，就可以通過測量熱偶絲的電動勢來指示真空度了。電離規的原理和構造電離真空計是依據氣體分子與電子相互碰撞產生電離的原理制成的度，可測范圍為0.133~1.3310-6Pa。試驗說明，在壓強P≤1-1Pa時，有以下關系成立:I+/Ie=KPIe為柵極電流，P為氣體壓強，I+為燈絲發出電子與氣體分子碰撞后使氣體分子電離產生正離子而被板極收集形成的離子電流。K為比例常數。可見，Ie不變，經過用確定真空計進展校準，I+的值就可以指示真空度了。留意，只有10-1Pa以上時，才可以翻開電離規管燈絲。否則，將造成規管損壞。5六、真空獲得過程氣路原理七、試驗步驟試驗儀器JCP-350C型熱蒸發/磁控濺射真空鍍膜機(如圖1-6)統、鍍膜室、磁控濺射靶、蒸發電極、旋轉基片臺、工作氣體供給、水冷系統、把握等局部組成，主要應用于沉積金屬膜、介質膜及半導體膜。試驗過程試驗前，先檢查一切預備工作都做好〔鐘罩、放氣閥關好、水翻開且流量足夠。檢查是否有水；開總開關→開啟儀器電源→〔等儀表穩定開工作室〕→→等右窗口降至5.0Pa〔開頭計時〔與旁路閥換抽氣〕→〔45min后〕開主閥〔之前要開前級閥〕→直到左真5×10的-3次方左右為止，即得到真空；關主閥〔要長按〕→關前級閥，旁路閥，連續抽氣〔5min〕→把空氣放入真空罩→1小時后關水→設備冷卻后關機；做完試驗后，真理好儀器，關好試驗室門窗。

圖1-6 JCP-350鍍膜機外觀圖八、試驗結果通過試驗和技術要求，可以對工作室的壓強抽到－3級數，并成功地獲得真空和測量。九、心得體會JCP-350鍍膜機獲得真空JCP-350與留意事項。6評閱意見：評閱意見：評閱教師日期7試驗2利用電阻蒸發法鍍金屬薄膜試驗時間： 地點： 指導學生：【摘要】本試驗承受JCP-350C型熱蒸發/磁控濺射真空鍍膜機的機械泵和油集中泵獲得真空，并把握利用電阻蒸發法鍍金屬薄膜的操作，從而生疏獲得真空和鍍膜的操作過程。【關鍵詞】鍍膜機；機械泵；油散泵；電阻蒸發法；金屬薄膜。一、試驗目的初步生疏納米科學，并了解真空技術的根本學問；生疏有關設備和儀器的使用，了解真空鍍膜的根本學問；了解“真空”對納米材料的制備的重要性，了解常見的納米薄膜材料的物理制備方法；把握蒸發鍍膜的根本原理和最根本的納米薄膜材料的制備方法——熱蒸發法。二、試驗儀器JCP-350C型熱蒸發/磁控濺射真空鍍膜機。三、試驗原理納米薄膜材料制備的方法一些光學零件的光學外表需要用物理方法或化學方法鍍上一層或多層薄膜過該外表的反射光特性或透射光持性發生變化度和光滑度。物理方法電真空、無線電、光學、原子能、空間技術等領域及我們的生活中。真空鍍膜實質上是在高真空狀態下利用物理方法在鍍件的外表鍍上一層薄膜的技術是一種物理現象。真空鍍膜按其方式不同可分為真空蒸發鍍膜、真空濺射鍍膜和現代進展起來的離子鍍膜。這里只介紹真空蒸發鍍膜技術。真空熱蒸發鍍膜主要包括以下幾個物理過程：、承受各種形式的熱能轉換方式，使鍍膜材料蒸發或升華，成為具有確定能量0.1~0.3e〕的氣態粒子〔原子、分子或原子團；、氣態粒子通過根本上無碰撞的直線運動方式傳輸到基片；、粒子沉積在基片外表上并分散成薄膜。影響真空鍍膜質量和厚度的因素:有很多，主要有真空度、蒸發源的外形、基片的位置、8越小，從而能無阻擋地直線到達基片的外表。圖2-1幾種常見的蒸發源外形示意目前，真空蒸發使用的蒸發源主要有電阻加熱、電子加熱、高頻感應加熱、電弧加熱和激光加熱等五大類。電阻加熱承受鎢、鉬、鉭等高熔點金屬做成適當外形的蒸發源，或承受石英坩堝等。依據蒸發材料的性質以及蒸發源材料的浸潤性等制作成不同的蒸發源外形，常見的蒸發源外形2-1。化學法化學方法有很多，比方：化學氣相沉積法(CVD法)、等離子體氣相合成法(PCVD法)、液相法、沉淀法、水熱法、電化學合成、水熱電化學方法、電化學沉積法等。真空蒸發鍍膜法真空蒸發鍍膜，要求從蒸發源出來的蒸汽分子或原子，到達被鍍膜基片的距離要小于鍍膜室內剩余氣體分子的平均自由程，這樣才能保證蒸發物的蒸汽分子能無碰撞地到達基片外表。保證薄膜純潔和結實，蒸發物也不至于氧化。氣體分子運動平均自由程公式：

圖2-2 JCP-350鍍膜機外觀圖式中：d為分子直徑，T為環境溫度〔K〕，p為氣體壓強〔帕〕。對于蒸發源到基片的距離為0.15～0.25米的鍍膜裝置，鍍膜室的真空度須在

帕之間才能滿足要求。依據克拉貝龍方程

〔式中A和B是與物質有關的常數〕，物質的蒸氣壓p是溫度T的函數。對于質量為M的物質，其蒸發率可用下式表示9(2-2-1)上式中MVp單位ap大小。一些金屬的蒸發溫度見表(2-2-1)，蒸發物在加熱蒸發過程中會釋放氣體，將使鍍膜室內壓強上升，影響鍍膜質量，故鍍膜機構抽速要配備適當，使鍍膜室內維持所需真空度；相?預熔蒸發?一段時間，然后再適當提高加熱溫度，移開擋板正式蒸鍍。層構造致密，簡潔結晶，附著力也強，否則相反。的幾率增多，簡潔結晶化，并使薄膜缺陷削減，同時薄膜內應力也會削減，基片溫度低，則易形成無定形構造膜。求基片溫度適當高一些，可以削減薄膜內應力。電阻蒸發法所需要的主要設備和器材JCP-350C型熱蒸發/磁控濺射真空鍍膜機、機械泵、集中泵、儲氣罐、電極、蒸發電源、水槽、復合真空計〔熱電偶真空計和電離真空計、蒸發電極〔電阻加熱源〕、基片臺擋板等。四、試驗步驟試驗儀器主要設備JCP-350C型熱蒸發/磁控濺射真空鍍膜機，器材機械泵、集中泵、前級閥、旁路閥、主閥、基片擋板、轉速設定〔含電離管〔包括水的循環系統銅片等。試驗過程試驗前，先檢查一切預備工作都做好〔鐘罩、放氣閥關好、水翻開且流量足夠，并清洗基片〔載玻片，真空室內放好材料〔銅正常，正常后關好真空腔、放氣閥；開設備總開關，首先用機械泵對系統進展抽氣，翻開機械泵、翻開旁路閥；過會關閉旁路閥，開啟前級閥，開啟集中泵。前級閥和旁路閥相互開啟和關閉〔開前級關旁路；關前級開旁路；儲氣罐的壓強不能大于5P，互換45min，開啟主閥，工作室的壓強很快就下降到－3級數；鍍膜：開啟蒸發電源，漸漸加大蒸發電流，認真觀看蒸發舟內變化，當舟內材料開頭流淌〔cu的蒸發電流130-150A〕翻開基片太擋板，開動基片臺旋轉馬達，使基片臺旋轉〔使膜更均勻〕開頭計時，1min后停頓鍍膜：逆向關閉鍍膜時開啟的開關；關機：關主閥→集中泵加熱〔其他一切要正常，確定要保持機械泵，水正常至少30min前方可停頓，否則集中泵會損壞；取樣：開放氣閥→真空室→取樣→關真空室、放氣閥→開機械泵抽真空到復合真10Pa以下；101小時前方可停頓，關水，機械泵，總電源。五、試驗結果當電流加到足夠大時銅漸漸熔化，變成液態，然后快速蒸發，自由地彌布到基片的玻璃片上，漸漸形成一層薄膜，即為金屬銅成功的鍍在了基片上。六、結果爭論及處理方法基片外表保持清潔，不然會影響薄膜的結實性和均勻性。讓蒸發源與基片的距離適當遠些，這樣可使基片在蒸鍍過程中慢速轉動，工件要盡量靠近轉動軸線放置。真空鍍膜時間要適當，不要過長也不能太短，盡量把握讓鍍的膜厚度適當。七、心得體會JCP-350C型熱蒸發/磁控濺射真空鍍膜機的操作得到了進一步的生疏；并在試驗中明白了，真空鍍膜在生活中的作用。評閱意見：評閱意見：評閱教師日期11試驗3利用射頻濺射法鍍金屬薄膜試驗時間： 地點： 指導學生：了解射頻濺射鍍膜與蒸發鍍膜的優缺點，從中讓體會射頻鍍膜在我們生活中的應用。【關鍵詞】真空獲得；射頻濺射；優缺點一、試驗目的進一步生疏真空獲得的操作；生疏相關設備和儀器的使用；了解磁控濺射薄膜操作原理及應用。二、試驗儀器JCP-350C型熱蒸發/磁控濺射真空鍍膜機三、試驗原理濺射法鍍膜的進展簡介磁控濺射技術作為一種格外有效的薄膜沉積方法,被普遍和成功地應用于很多方面,特別是在微電子、光學薄膜和材料外表處理領域中,用于薄膜沉積和外表掩蓋層制備。1852年Grove首次描述濺射這種物理現象,20世紀40年月濺射技術作為一種沉積鍍膜方法開頭得60年月后隨著半導體工業的快速崛起,這種技術在集成電路生產工藝中,用于沉積集成電路中晶體管的金屬電極層,才真正得以普及和廣泛的應用。磁控濺射技術消滅和進展,以及80年月用于制作CD的反射層之后,磁控濺射技術應用的領域得到極大地擴展,逐步成為制造很多產品的一種常用手段,并在最近十幾年,進展出一系列的濺射技術。磁控濺射的種類濺射共濺射、直流濺射、射頻濺射、脈沖濺射、中頻濺射、高速率濺射和自濺射等。工作氣體Ar的作用惰性氣體(Ar),作為氣體放電的載體。在高壓作用下Ar原子電離成為Ar+離子和電子,產生等離子輝光放電,電子在加速飛向基片的過程中,受到垂直于電場的磁場影響,使電子產生偏轉,被束縛在靠近靶外表的等離子體區域內,電子以擺線的方式沿著靶外表前進,在運動過程中不斷與Ar原子發生碰撞,電離出大量的Ar+離子,與沒有磁控管的構造的濺射相比,離化率快速增加10～100倍,因此該區域內等離子體密度很高。經過屢次碰撞后電子的能量漸漸12降低,擺脫磁力線的束縛,最終落在基片、真空室內壁及靶源陽極上。氣體流量計簡介測量氬氣的氣流量。渦街流量計:主要用于工業管道介質流體的流量測量,如氣體、液體、蒸氣等多種介質。其特點是壓力損失小,量程范圍大,精度高,在測量工況體積流量時幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數的影響。V:V錐流量計由于其構造簡潔、結實、易復制、通用性強、價格較低廉等特點，廣泛應用于石油化工、自然氣等領域。本產品抑制了標準孔板、文丘里管、噴嘴等節流裝置，諸如易磨損、壓損大、范圍度〔量程比〕小、現場安裝條件高、要求直管段過長等自身缺陷，它可以在很寬的雷諾數范圍內對各種流體的流量進展準確測量。還有一體化孔板流量計：是將標準孔板與多參數差壓變送器〔或差壓變送器、溫度變送器及壓變送器〕配套組成的高量程比差壓流量裝置。氣動閥工作原理閥的調整部件，它直接與調整介質接觸，調整該流體的流量。氣動調整閥動作分氣開型和氣關型兩種。氣開型是當膜頭上空氣壓力增加時，閥門向增閥門向關閉方向動作，在沒有輸入空氣時，閥門全閉。故有時氣開型閥門又稱故障關閉型。氣關，通常是通過執行機構的正反作用和閥態構造的不同組裝方式實現。選用濺射法鍍膜的材料，適合雙極脈沖、直流和射頻濺射材料濺射法鍍膜的材料有玻璃、塑料、陶瓷、金屬、非金屬、合金、氧化物、氮化物、碳化物、離子晶體和半導體等薄膜材料，及光學鍍膜材料等。適合雙極脈沖材料有金屬和非金屬材〔如TiO膜、介質膜、絕緣保護膜等。適合直流濺射主要用于氧化物材料、合金材料鍍膜。適合射頻濺射有光學材料、金屬或非金屬〔塑料、玻璃、陶瓷等〕的工件鍍鋁、銅、鉻、鈦金、銀及不銹鋼等金屬膜或非金屬材料等。磁控濺射工作原理控濺射的工作原理是指電子在電場 E的作用下，在飛向基片過程中與氬原子發生碰撞，使其電離產生出Ar 和的電子；電子飛向基片，Ar 在電場作用下加速飛向陰極靶，并以高能量轟擊靶外表，使靶材發生濺射。在濺射粒子

圖1-1 JCP-350鍍膜機外觀圖13中，中性的靶原子或分子沉積在基片上形成薄膜，而產生的二次電子會受到電場和磁場作用，產生E〔電場〕×B〔磁場〕所指的方向漂移，簡稱 E×B漂移，其運動軌跡近似于一條擺線。假設為環形磁場，則電子就以近似擺線形式在靶外表做圓周運動，它們的運動路徑不僅很長，而且被束縛在靠近靶外表的等離子體區域內，并且在該區域中電離出大量的Ar 來轟擊靶