實驗2 以電漿濺鍍法製作金屬薄膜.doc

薄膜光學：嘉義大學 羅光耀 教授 PAGE PAGE 9 實驗2 金屬薄膜之製作 一、實驗目的 學習利用熱蒸鍍及電漿濺鍍法(Sputtering Deposition in Plasma Environment)製作金屬薄膜。 1．瞭解真空技術的基本知識； 2．掌握低、高真空的獲得和測量的基本原理及方法； 3．瞭解真空鍍膜的基本知識； 4．學習掌握蒸鍍鍍膜的基本原理和方法． 二、實驗原理 　 　鍍膜技術有很多種，但大體上可分為利用液體及氣體成膜兩種方法，前者大多涉及化學變化，後者皆有些是利用化學作用，有些則是屬於物理作用。如圖(1)所述： 圖(1) 真空鍍膜方法 本教材的重點在於物理氣相沈積的熱蒸發蒸鍍法及電漿濺鍍法，原理及製程將會詳述內文。同學們若對其他鍍膜方法有興趣請自行查閱書籍、網路等資料。 壓力低於一個標準大氣壓的稀薄氣體空間稱為真空．在真空狀態下，由於氣體稀薄，分子之間或分子與其他質點之間的碰撞次數減少，分子在一定時間內碰撞於固體表面上的次數亦相對減少，這導致其有一系列新的物化特性，諸如熱傳導與對流小，氧化作用少，氣體污染小，汽化點低，高真空的絕緣性能好等等．真空技術是基本實驗技術之一，真空技術在近代尖端科學技術，如表面科學、薄膜技術、空間科學、高能粒子加速器、微電子學、材料科學等工作中都佔有關鍵的地位，在工業生產中也有日益廣泛的應用．薄膜技術在現代科學技術和工業生產中有著廣泛的應用．例如，光學系統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，特別是平面型電晶體和超大型積體電路也有賴於薄膜技術來製造；硬質保護膜可使各種經常受磨損的器件表面硬化，大大增強表面耐磨程度；在塑膠、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，在電子電腦中用作存儲記錄介質而佔有重要地位． 薄膜製備的方法主要有真空蒸鍍、濺射、分子束蒸鍍、化學鍍膜等．真空鍍膜，是指在真空條件中採用蒸鍍和濺射等技術使鍍膜材料氣化，並在一定條件下使氣化的原子或分子牢固地凝結在被鍍的基片上形成薄膜．真空鍍膜是目前用來製備薄膜最常用的方法，真空鍍膜技術目前正在向各個重要的科學領域中延伸，引起了人們廣泛的注意． 真空原理與操作 1．真空度與氣體壓力 真空度是對氣體稀薄程度的一種客觀度量，單位體積中的氣體分子數越少，表明真空度越高．由於氣體分子密度不易度量，通常真空度用氣體壓力來表示，壓力越低真空度越高．按照國際單位制(SI)，壓力單位是牛頓/米2，稱為帕斯卡，簡稱帕（Pa）．通常按照氣體空間的物理特性及真空技術應用特點，將真空劃分為幾個區域，見表1． 2．抽真空 用來獲得真空的設備稱為真空泵，真空泵按其工作機理可分為排氣型和吸氣型兩大類．排氣型真空泵是利用內部的各種壓縮機構，將被抽容器中的氣體壓縮到排氣口，而將氣體排出泵體之外，如機械泵、擴散泵和分子泵等．吸氣型真空泵則是在封閉的真空系統中，利用各種表面（吸氣劑）吸氣的辦法將被抽空間的氣體分子長期吸著在吸氣劑表面上，使被抽容器保持真空，如吸附幫浦、離子幫浦和低溫幫浦等．真空幫浦的主要性能可有下列指標衡量： （1）極限真空度：無負載（無被抽容器）時幫浦入口處可達到的最低壓力（最高真空度）． （2）抽氣速率：在一定的溫度與壓力下，單位時間內幫浦從被抽容器抽出氣體的體積，單位（升/秒）． （3）啟動壓力：幫浦能夠開始正常工作的最高壓力． 表1 真空區域劃分及其特點和應用 真空區域 粗真空 低真空 高真空 超高真空 範圍（帕） 105~103 103~10-1 10-1~10-6 10-6~10-12 物理現象 能實現氣體放電，以分子間相互碰撞為主． 能實現氣體放電，分子間相互碰撞和分子與器壁碰撞不相上下． 主要是分子與器壁碰撞． 分子碰撞器壁的次數減少，形成一個單分子層的時間已達到數分鐘以上． 分子密度（釐米-3） 1019~1017 1017~1013 1013~108 108~102 平均自由程(釐米) 10-5~10-3 10-3~101 10~107 107~1012 抽氣系統 機械幫浦 吸附幫浦 機械幫浦 吸附幫浦 擴散幫浦 分子幫浦 超高真空機組 分子幫浦 離子幫浦 低溫幫浦 測量儀器 U 形管壓差計壓力真空表 麥克勞壓力計電阻真空計 熱偶真空計麥克勞壓力計 電離真空計 離地面高度(千米) 14~30 30~90 90~440 440~20000 應用舉例 真空成形、真空輸運、真空濃縮． 真空蒸餾、幹燥、冷凍，真空絕熱，真空焊接． 真空冶金，真空鍍膜，電真空器件，粒子加速器． 表面物理、熱核反應、等離子體