掃描隧道顯微術(shù)的應(yīng)用課件

真空鍍膜

真空鍍膜

1一、引言二、真空技術(shù)入門三、薄膜材料的制備四、真空蒸發(fā)鍍膜實驗五、薄膜厚度的計算六、薄膜厚度的測量一、引言2

真空鍍膜技術(shù)是一種新穎的材料合成與加工的新技術(shù)，是表面工程技術(shù)領(lǐng)域的重要組成部分。真空鍍膜技術(shù)是利用物理、化學(xué)手段將固體表面涂覆一層特殊性能的薄膜，從而使固體表面具有耐磨損、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化、防輻射、導(dǎo)電、導(dǎo)磁、絕緣和裝飾等許多優(yōu)于固體材料本身的優(yōu)越性能，達到提高產(chǎn)品質(zhì)量、延長產(chǎn)品壽命、節(jié)約能源和獲得顯著技術(shù)經(jīng)濟效益的作用。因此真空鍍膜技術(shù)被譽為最具發(fā)展前途的重要技術(shù)之一，并已在高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展中展現(xiàn)出誘人的市場前景。。一、引言真空鍍膜技術(shù)是一種新穎的材料合成與加工的新技術(shù)，是表面3二、真空技術(shù)入門真空：低于一個大氣壓的氣體狀態(tài)。1643年，意大利物理學(xué)家托里拆利(E.Torricelli)首創(chuàng)著名的大氣壓實驗，獲得真空。自然真空：氣壓隨海拔高度增加而減小，存在于宇宙空間。人為真空：用真空泵抽掉容器中的氣體。二、真空技術(shù)入門真空：低于一個大氣壓的氣體狀態(tài)。4真空度的單位

1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=760mmHg=760(Torr)1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=1.013x105Pa1Torr=133.3Pa真空度的單位

1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=760mmHg=760(Torr5真空區(qū)域的劃分目前尚無統(tǒng)一規(guī)定，一般最常見的劃分為：粗真空低真空高真空超高真空極高真空真空區(qū)域的劃分目前尚無統(tǒng)一規(guī)定，一般最常見的劃分為：6真空的獲得低真空（10－1Pa）——機械泵較高真空（10－3～10－4Pa）——擴散泵更高真空——渦輪分子泵真空的獲得低真空（10－1Pa）——機械泵7真空度的測量實用的真空計主要有：Ｕ形真空計——10－５～1Pa熱傳導(dǎo)真空計——100～10－1

Pa高真空電離真空計——10－1～10－5

PaB－A超高真空電離計——10－1～10－９Pa(貝耶得和阿爾伯特研制)分壓強真空計——10－1～10－１４Pa真空度的測量實用的真空計主要有：8

真空技術(shù)是基本實驗技術(shù)之一，真空技術(shù)在近代尖端科學(xué)技術(shù)，如表面科學(xué)、薄膜技術(shù)、空間科學(xué)、高能粒子加速器、微電子學(xué)、材料科學(xué)等工作中都占有關(guān)鍵的地位，在工業(yè)生產(chǎn)中也有日益廣泛的應(yīng)用。掃描隧道顯微術(shù)的應(yīng)用課件9三、薄膜材料的制備

薄膜制備方法有很多種,如液相制備方法、電化學(xué)制備方法等，直接制備薄膜以氣相沉積為主.包括：◆化學(xué)氣相沉積（CVD)借助空間氣相化學(xué)反應(yīng)在襯底表面上沉積固態(tài)薄膜。◆物理氣相沉積（PVD)用物理方法(如電弧、高頻或等離子等高溫?zé)嵩矗⒃次镔|(zhì)轉(zhuǎn)移到氣相中，在襯底表面上沉積固態(tài)薄膜。包括真空蒸發(fā)、真空濺射等。三、薄膜材料的制備

薄膜制備方法有很多種,如液相制備10真空蒸發(fā)鍍膜：在真空中把制作薄膜的材料加熱蒸發(fā)，使其淀積在適當(dāng)?shù)谋砻嫔?。它的?yōu)點是沉積速度較高，蒸發(fā)源結(jié)構(gòu)簡單，易制作，造價低廉，但不能蒸發(fā)難熔金屬和介質(zhì)材料。最大的缺點就是材料的利用率極低（試料在籃狀蒸發(fā)源中以立體角、在舟狀蒸發(fā)源中以立體角四散開來）真空濺射鍍膜：當(dāng)高能粒子(電場加速的正離子)打在固體表面時，與表面的原子、分子交換能量，從而使這些原子、分子飛濺出來，落在襯底上形成薄膜。濺射鍍膜材料的利用率大大高于蒸發(fā)鍍膜。真空蒸發(fā)鍍膜：在真空中把制作薄膜的材料加熱蒸發(fā)，使其淀積在適11薄膜技術(shù)的應(yīng)用

薄膜技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用：例如：光學(xué)系統(tǒng)中使用的各種反射膜、增透膜、濾光片、分束鏡、偏振鏡等；電子器件中用的薄膜電阻，特別是平面型晶體管和超大規(guī)模集成電路也有賴于薄膜技術(shù)來制造；硬質(zhì)保護膜可使各種經(jīng)常受磨損的器件表面硬化，大大增強表面的耐磨程度；在塑料、陶瓷、石膏和玻璃等非金屬材料表面鍍以金屬膜具有良好的美化裝飾效果，有些合金膜還起著保護層的作用；磁性薄膜具有記憶功能，在電子計算機中作存儲記錄介質(zhì)而占有重要地位。薄膜技術(shù)的應(yīng)用薄膜技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和12

四、真空蒸發(fā)鍍膜實驗實驗的準(zhǔn)備工作用DM－300型鍍膜機鍍膜干涉顯微鏡測量膜厚稱重法測膜厚四、真空蒸發(fā)鍍膜實驗實驗的準(zhǔn)備工作13實驗的準(zhǔn)備工作：真空鍍膜相關(guān)知識介紹（真空的獲得和測量、薄膜材料介紹、真空鍍膜實驗等）制備鍍膜用的鋁塊、鎢籃、鉬舟用酒精或丙酮清洗基片（載波片），在基片上做個臺階。我們是利用掩膜辦法來實現(xiàn)，即將基片的一部分表面擋住，使這部分基片蒸發(fā)不上薄膜。用NaOH溶液清洗掉鋁塊、鎢籃、鉬舟表面的氧化物等雜質(zhì)蒸發(fā)室的清洗與安裝稱量載波片的質(zhì)量實驗的準(zhǔn)備工作：14

真空系統(tǒng)(DM—300鍍膜機)真空系統(tǒng)(DM—300鍍膜15

蒸發(fā)系統(tǒng)

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蒸發(fā)源蒸發(fā)源的形狀如下圖，大致有螺旋式(a)、籃式(b)、發(fā)叉式(c)和淺舟式(d)等。

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蒸發(fā)源材料和鍍膜材料的選擇搭配原則

（1）蒸發(fā)源有良好的熱穩(wěn)定性，化學(xué)性質(zhì)不活潑，達到蒸發(fā)溫度時加熱器本身的蒸汽壓要足夠低。（2）蒸發(fā)源的熔點要高于被蒸發(fā)物的蒸發(fā)溫度。加熱器要有足夠大的熱容量。（3）蒸發(fā)物質(zhì)和蒸發(fā)源材料的互熔性必須很差，不易形成合金。（4）要求線圈狀蒸發(fā)源所用材料能與蒸發(fā)材料有良好的浸潤，有較大的表面張力。（5）對于不易制成絲狀、或蒸發(fā)材料與絲狀蒸發(fā)源的表面張力較小時，可采用舟狀蒸發(fā)源。

蒸發(fā)源材料和鍍膜材料的選擇搭配原則

（1）蒸發(fā)源有良好18五、薄膜厚度的計算：在真空中氣體分子的平均自由程為：L=0.65/p(cm)，其中p的單位是Pa。當(dāng)p=1.3×10-3Pa時，L≈500cm。L>>基片到蒸發(fā)源的距離，分子作直線運動。右圖為蒸發(fā)源與任意接收面之間的幾何關(guān)系。五、薄膜厚度的計算：在真空中氣體分子的平均自由程為：L=19設(shè)蒸發(fā)源為點蒸發(fā)源，單位時間內(nèi)通過任何方向一立體角dω的質(zhì)量為：

蒸發(fā)物質(zhì)到達任一方向面積元ds質(zhì)量為:

設(shè)蒸發(fā)物的密度為ρ，單位時間淀積在ds上的膜厚為t，則比較以上兩式可得:設(shè)蒸發(fā)源為點蒸發(fā)源，單位時間內(nèi)通過任何方向一立體角dω的質(zhì)量20對于平行平面ds，，則上式為由可得在點源的正上方區(qū)域(δ=0)時，對于平行平面ds，，21六、薄膜厚度的測量1.干涉顯微鏡法六、薄膜厚度的測量22掃描隧道顯微術(shù)的應(yīng)用課件23薄膜樣品臺階處的干涉條紋，由于薄膜樣品的兩個表面有光程差，干涉條紋發(fā)生了彎曲，通過測量條紋的偏移和條紋間距，即可計算出臺階高度（薄膜厚度）。薄膜樣品臺階處的干涉條紋，由于薄膜樣品的兩個表面有光程差，干24干涉條紋間距Δ0，條紋移動Δ，臺階高為，測出Δ0和Δ，即可測得膜厚t

其中λ為單色光波長，如用白光，λ取待測薄膜基片待測薄膜基片252.稱重法

如果薄膜面積A，密度ρ和質(zhì)量m可以被精確測定的話，膜厚t就可以計算出來：2.稱重法26

3.石英晶體振蕩器法

將石英晶體放入鍍膜室，就有蒸發(fā)的材料淀積到晶體上。而晶體的固有頻率與其質(zhì)量有關(guān)，事先校準(zhǔn)好頻率變化和沉積質(zhì)量的關(guān)系，并認為薄膜密度和塊狀試料密度相同，就可以根據(jù)校準(zhǔn)曲線和石英晶片上薄膜面積測得薄膜厚度。此法廣泛應(yīng)用于薄膜淀積過程中厚度的實時測量，主要應(yīng)用于淀積速度，厚度的監(jiān)測，還可以反過來（與電子技術(shù)結(jié)合）控制物質(zhì)蒸發(fā)或濺射的速率，從而實現(xiàn)對于淀積過程的自動控制。

3.石英晶體振蕩器法

將石英晶體放入鍍膜室，就有蒸27謝謝掃描隧道顯微術(shù)的應(yīng)用課件28

真空鍍膜

真空鍍膜

29一、引言二、真空技術(shù)入門三、薄膜材料的制備四、真空蒸發(fā)鍍膜實驗五、薄膜厚度的計算六、薄膜厚度的測量一、引言30

真空鍍膜技術(shù)是一種新穎的材料合成與加工的新技術(shù)，是表面工程技術(shù)領(lǐng)域的重要組成部分。真空鍍膜技術(shù)是利用物理、化學(xué)手段將固體表面涂覆一層特殊性能的薄膜，從而使固體表面具有耐磨損、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化、防輻射、導(dǎo)電、導(dǎo)磁、絕緣和裝飾等許多優(yōu)于固體材料本身的優(yōu)越性能，達到提高產(chǎn)品質(zhì)量、延長產(chǎn)品壽命、節(jié)約能源和獲得顯著技術(shù)經(jīng)濟效益的作用。因此真空鍍膜技術(shù)被譽為最具發(fā)展前途的重要技術(shù)之一，并已在高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展中展現(xiàn)出誘人的市場前景。。一、引言真空鍍膜技術(shù)是一種新穎的材料合成與加工的新技術(shù)，是表面31二、真空技術(shù)入門真空：低于一個大氣壓的氣體狀態(tài)。1643年，意大利物理學(xué)家托里拆利(E.Torricelli)首創(chuàng)著名的大氣壓實驗，獲得真空。自然真空：氣壓隨海拔高度增加而減小，存在于宇宙空間。人為真空：用真空泵抽掉容器中的氣體。二、真空技術(shù)入門真空：低于一個大氣壓的氣體狀態(tài)。32真空度的單位

1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=760mmHg=760(Torr)1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=1.013x105Pa1Torr=133.3Pa真空度的單位

1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=760mmHg=760(Torr33真空區(qū)域的劃分目前尚無統(tǒng)一規(guī)定，一般最常見的劃分為：粗真空低真空高真空超高真空極高真空真空區(qū)域的劃分目前尚無統(tǒng)一規(guī)定，一般最常見的劃分為：34真空的獲得低真空（10－1Pa）——機械泵較高真空（10－3～10－4Pa）——擴散泵更高真空——渦輪分子泵真空的獲得低真空（10－1Pa）——機械泵35真空度的測量實用的真空計主要有：Ｕ形真空計——10－５～1Pa熱傳導(dǎo)真空計——100～10－1

Pa高真空電離真空計——10－1～10－5

PaB－A超高真空電離計——10－1～10－９Pa(貝耶得和阿爾伯特研制)分壓強真空計——10－1～10－１４Pa真空度的測量實用的真空計主要有：36

真空技術(shù)是基本實驗技術(shù)之一，真空技術(shù)在近代尖端科學(xué)技術(shù)，如表面科學(xué)、薄膜技術(shù)、空間科學(xué)、高能粒子加速器、微電子學(xué)、材料科學(xué)等工作中都占有關(guān)鍵的地位，在工業(yè)生產(chǎn)中也有日益廣泛的應(yīng)用。掃描隧道顯微術(shù)的應(yīng)用課件37三、薄膜材料的制備

薄膜制備方法有很多種,如液相制備方法、電化學(xué)制備方法等，直接制備薄膜以氣相沉積為主.包括：◆化學(xué)氣相沉積（CVD)借助空間氣相化學(xué)反應(yīng)在襯底表面上沉積固態(tài)薄膜?！粑锢須庀喑练e（PVD)用物理方法(如電弧、高頻或等離子等高溫?zé)嵩矗⒃次镔|(zhì)轉(zhuǎn)移到氣相中，在襯底表面上沉積固態(tài)薄膜。包括真空蒸發(fā)、真空濺射等。三、薄膜材料的制備

薄膜制備方法有很多種,如液相制備38真空蒸發(fā)鍍膜：在真空中把制作薄膜的材料加熱蒸發(fā)，使其淀積在適當(dāng)?shù)谋砻嫔稀Ｋ膬?yōu)點是沉積速度較高，蒸發(fā)源結(jié)構(gòu)簡單，易制作，造價低廉，但不能蒸發(fā)難熔金屬和介質(zhì)材料。最大的缺點就是材料的利用率極低（試料在籃狀蒸發(fā)源中以立體角、在舟狀蒸發(fā)源中以立體角四散開來）真空濺射鍍膜：當(dāng)高能粒子(電場加速的正離子)打在固體表面時，與表面的原子、分子交換能量，從而使這些原子、分子飛濺出來，落在襯底上形成薄膜。濺射鍍膜材料的利用率大大高于蒸發(fā)鍍膜。真空蒸發(fā)鍍膜：在真空中把制作薄膜的材料加熱蒸發(fā)，使其淀積在適39薄膜技術(shù)的應(yīng)用

薄膜技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用：例如：光學(xué)系統(tǒng)中使用的各種反射膜、增透膜、濾光片、分束鏡、偏振鏡等；電子器件中用的薄膜電阻，特別是平面型晶體管和超大規(guī)模集成電路也有賴于薄膜技術(shù)來制造；硬質(zhì)保護膜可使各種經(jīng)常受磨損的器件表面硬化，大大增強表面的耐磨程度；在塑料、陶瓷、石膏和玻璃等非金屬材料表面鍍以金屬膜具有良好的美化裝飾效果，有些合金膜還起著保護層的作用；磁性薄膜具有記憶功能，在電子計算機中作存儲記錄介質(zhì)而占有重要地位。薄膜技術(shù)的應(yīng)用薄膜技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和40

四、真空蒸發(fā)鍍膜實驗實驗的準(zhǔn)備工作用DM－300型鍍膜機鍍膜干涉顯微鏡測量膜厚稱重法測膜厚四、真空蒸發(fā)鍍膜實驗實驗的準(zhǔn)備工作41實驗的準(zhǔn)備工作：真空鍍膜相關(guān)知識介紹（真空的獲得和測量、薄膜材料介紹、真空鍍膜實驗等）制備鍍膜用的鋁塊、鎢籃、鉬舟用酒精或丙酮清洗基片（載波片），在基片上做個臺階。我們是利用掩膜辦法來實現(xiàn)，即將基片的一部分表面擋住，使這部分基片蒸發(fā)不上薄膜。用NaOH溶液清洗掉鋁塊、鎢籃、鉬舟表面的氧化物等雜質(zhì)蒸發(fā)室的清洗與安裝稱量載波片的質(zhì)量實驗的準(zhǔn)備工作：42

真空系統(tǒng)(DM—300鍍膜機)真空系統(tǒng)(DM—300鍍膜43

蒸發(fā)系統(tǒng)

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蒸發(fā)源蒸發(fā)源的形狀如下圖，大致有螺旋式(a)、籃式(b)、發(fā)叉式(c)和淺舟式(d)等。

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蒸發(fā)源材料和鍍膜材料的選擇搭配原則

（1）蒸發(fā)源有良好的熱穩(wěn)定性，化學(xué)性質(zhì)不活潑，達到蒸發(fā)溫度時加熱器本身的蒸汽壓要足夠低。（2）蒸發(fā)源的熔點要高于被蒸發(fā)物的蒸發(fā)溫度。加熱器要有足夠大的熱容量。（3）蒸發(fā)物質(zhì)和蒸發(fā)源材料的互熔性必須很差，不易形成合金。（4）要求線圈狀蒸發(fā)源所用材料能與蒸發(fā)材料有良好的浸潤，有較大的表面張力。（5）對于不易制成絲狀、或蒸發(fā)材料與絲狀蒸發(fā)源的表面張力較小時，可采用舟狀蒸發(fā)源。

蒸發(fā)源材料和鍍膜材料的選擇搭配原則

（1）蒸發(fā)源有良好46五、薄膜厚度的計算：在真空中氣體分子的平均自由程為：L=0.65/p(cm)，其中p的單位是Pa。當(dāng)p=1.3×10-3Pa時，L≈500cm。L>>基片到蒸發(fā)源的距離，分子作直線運動。右圖為蒸發(fā)源與任意接收面之間的幾何關(guān)系。五、薄膜厚度的計算：在真空中氣體分子的平均自由程為：L=47設(shè)蒸發(fā)源為點蒸發(fā)源，單位時間內(nèi)通過任何方向一立體角dω的質(zhì)量為：

蒸發(fā)物質(zhì)到達任一方向面積元ds質(zhì)量為:

設(shè)蒸發(fā)物的密度為ρ，單位時間淀積在ds上的膜厚為t，則比較以上兩式可得:設(shè)蒸發(fā)源為點蒸發(fā)源，單位時