物理专业实验实验一2完整稿解析Word下载.docx

1、105）1.0131031乇（Torr）=11.31510-31.331021013251.331帕（Pa）=1N/m29.8710-67.510-5110-21毫巴（mh）10-40.75100表1-2 真空区域的划分级及特征真空区域物理现象特点主要真空泵、真空计低真空（76010乇）（1大气压103Pa），以分子间碰撞为主，粘滞性流动机械泵、吸附泵，各种粗真空泵；U型压力计，薄膜压力计中真空（1010-3乇）（10310-1Pa）（容器特征尺寸），分子间碰撞、分子与器壁碰撞都为过渡性流动，用克努曾系数确定，为分子流为粘滞流， 机械泵、增压泵、吸附泵；压强真空计、热真空计、振膜真空计高真空（

2、10-310-8乇）（10-110-6Pa），分子与器壁的碰撞为主，分子性流动扩散泵、涡轮分子泵、升华泵、溅射离子泵；热阴极电离真空计，冷阴极电离真空计，压强真空计超高真空（10-810-12乇）（10-610-10Pa）表面现象为主，清洁表面上形成分子层的时间，至少以分钟计加阱扩散泵、消气剂离子泵、溅射离子泵、气氦冷凝泵；B-A电离计、各种改进型热阴极电离计、磁控放电真空计极高真空（10-12乇）（d），气体分子热传导与压力有关的原理制成的。其原理图如图6所示。它是在一玻璃管壳中由两杆支撑一根热丝，热丝通以电流加热，使其温度高于周围气体和管壳的温度，于是在热丝和管壳之间产生热传导。当达到热平

3、衡时，热丝的温度决定于气体热传导，因而也就决定于气体压强。如果预先进行了校准则可用热丝的温度或其相关量来指示气体的压强。当细丝通电加热达热平衡状态时，其热平衡方程为：其中：单位时间气体热传导耗散的热量； ：单位时间热辐射耗散的热量；单位时间支杆导热耗散的热量。图6所示规管中热丝热量散失，在低压强下，只有Qg与压力有关，而QL和Qr均与压力无关，可简写成：热传导量Q与压力p的关系如图7所示。它表明，在一定的加热条件下，可根据低压强下气体分子热传导，即气体分子对热丝的冷却能力作为压强的指示。这就是热传导真空计的基本工作原理。热传导真空计规管热丝的温度T2是压强p的函数，即T2 = f（p）。如果预

4、先测出这个函数关系，便可根据热丝的温度T2来确定压力p。热丝温度的测量方法，有以下三种；a） 利用热丝随温度变化的线膨胀性质；b） 利用热电偶直接测量热丝的温度变化；c） 利用热丝电阻随温度变化的性质。根据第一种测温方法制成的真空计称膨胀式真空计。根据第二种测温方法制成的真空计称热偶真空计。根据第三种测温方法制成的真空计称电阻真空计，在电阻真空计中也有用热敏电阻代替金属热丝的，此种真空计称热敏电阻真空计。其灵敏度较高，但稳定性较差。热偶真空计和电阻真空计是目前粗真空和低真空测量中用得最多的两种真空计。热传导真空计是相对真空计，常常在标准环境下，用绝对真空计或用校准系统进行校准。a）电阻真空计的

5、结构电阻真空计的结构及工作原理如图8所示，利用惠斯通电桥的补偿原理，其中一灯丝作为该电路的其中一个电阻。倘若灯丝所在的气体分子密度改变时，其导热度会有所不同，因此灯丝所表现的温度会不同，间接影响电阻值的大小。其中补偿的方式有固定电压、固定电流以及固定温度方式。不同气体其导热度不同，因此在刻度上需要校正。b）热电偶真空计的结构及工作原理热电偶真空计的结构及工作原理如图9所示，热偶真空计是用在低气压下气体的热导率与气体压强间有依赖关系制成的。它通常用来测量低真空，可测范围为13.330.1333Pa。其中有一根细金属丝（铂丝或钨丝）以恒定功率加热，则丝的温度取决于输入功率与散热的平衡关系，而散热取

6、决于气体的热导率。管内压强越低，即气体分子越稀薄，气体碰撞灯丝带走的热量就越少，则丝温越高，从而热偶丝产生的电动势越大。经过校准定标后，就可以通过测量热偶丝的电动势来指示真空度了。3）电离真空计的结构及工作原理电离真空计的结构及工作原理如图10所示。电离真空计是根据气体分子与电子相互碰撞产生电离的原理制成的。它用来测量高真空度，可测范围为0.1331.3310-6Pa。实验表明，在压强P10-1Pa时，有下列关系成立：其中Ie为栅极电流，P为气体压强，I+为灯丝发出电子与气体分子碰撞后使气体分子电离产生正离子而被板极收集形成的离子电流。K为比例常数。可见，Ie不变（经过用绝对真空计进行校准），

7、I+的值就可以指示真空度了。注意，只有在真空度达到10-1Pa以上时，才可以打开电离规管灯丝。否则，将造成规管损坏。3、真空检漏 真空检漏常用的方法是火花仪。根据大气放电原理，当火花仪的高频放电尖端接近玻璃真空系统时，高频电场透过玻璃引起内部低压气体辉光放电，遇有漏气时火花相对于尖端的微移位置不发生变化，且火花明亮。实验内容与测量：1、低真空的获得与测量利用机械泵获得低真空，熟悉其操作规程；利用电阻规或热电偶真空计测量真空度，掌握低真空的测量。测量抽真空时间-真空度的关系，充分反映机械泵性能的两个参数。2、高真空的获得与测量（演示）1）利用机械泵和分子泵构成的抽气系统获得中（高）真空，进一步了

8、解真空系统的操作规程。2）利用复合真空计测量真空度，进一步熟悉真空度的测量。3、实验步骤：1）根据图11连接真空系统。2） 预先调节好热电偶真空计。选择开关置“加热”，加热电流调至130mA，再将选择开关拨回“测量”。3）开机械泵前，先关闭所有放气阀，使系统密闭。4）开启机械泵抽真空，记录数据。开始每隔2分钟记录一次真空度，然后每隔5分钟记录一次。5）测量结束后，先使系统保持真空状态，然后将大气放入机械泵（机械泵的臭气口与大气相通）。在实验报告中列出具体的操作步骤。思考题：1）. 总结抽真空过程的操作步骤和注意事项。2）. 步骤5的操作目的是什么？实验二 直流溅射法制备金属薄膜IT产业的发展已

9、经使我们的世界变得日新月异，丰富多彩；使我们的生活更加方便。但是IT产业的发展基础是微电子技术的发展与成熟，而支持微电子技术不断发展的元器件主要有半导体集成电路（IC）、超大规模集成电路（ULIC）、存储器、微型驱动器/执行器、微型传感器等。尽管这些元件的工作原理各不相同，但它们有一个共同的研究和发展方向需求，即向着小型化、高密度集成化的方向发展。迄今为止，计算机的CPU的工艺尺寸已经达到了45nm，并且随着科学技术的不断进步，单位功能元件小型化、高密度集成化的发展还将会继续下去。支持微电子产业中元器件的小型化和高密度集成化的重要材料之一就是薄膜材料，重要工艺为平面工艺。除此之外，新兴的自旋电

10、子学，也依赖于薄膜材料的制备及其工艺的提高。薄膜是人工制作的厚度在1m以下的固体膜，但这并不是一个严格的定义。薄膜一般来说都是制备在一个衬底（玻璃、半导体硅等）上。制备薄膜的方法基本上可分为两大类，即化学方法和物理方法。具体的分类又可细分为：物理气相沉积法（PVD）、化学气相沉积法（CVD）、液相生成法、氧化法、扩散法、电镀法、溶胶-凝胶法等。物理气相沉积法包括真空蒸发法、溅射法、激光升华法、分子束外延生长法等薄膜制备方法。本实验采用直流溅射法制备金属薄膜，实验中，将采用适当的方法制备用作干涉法测量膜厚的金属膜样品。1. 使同学直接接触薄膜材料，对薄膜材料有一个直观的感性认识。2. 了解和学会

11、直流溅射制备金属薄膜的原理和方法。3. 学会制备干涉法测量膜厚的薄膜样品的方法。实验仪器： 小型直流溅射仪器、金靶、铜靶、铁靶、镍靶、机械泵、超声清洗器、氩气、玻璃衬底（载玻片）、玻璃刀等。1、理解辉光放电的条件及特点；2、认真熟悉溅射法沉积薄膜方法；1、小型直流溅射仪SBC-12型小型直流溅射仪结构如图1所示。它可以在低真空下进行直流溅射，而且简化了真空系统，只需要用机械泵提供12Pa即可，大大缩短了实验时间。2、直流溅射制备金属薄膜溅射是指荷能粒子轰击固体表面（靶材），使固体表面的原子（或分子）从表面射出的现象。这些从固体表面射出的粒子大多呈原子状态，称之为被溅射原子。常用的轰击靶材表面的

12、荷能粒子为惰性气体粒子（如氩气离子）和其快速中性粒子，称之为溅射粒子。溅射粒子轰击靶材，从而使靶材表面的原子离开靶材表面成为被溅射原子，被溅射原子沉积到衬底上就形成了薄膜。所以这种薄膜制备技术被称为溅射法。根据溅射粒子获得能量的方式不同，溅射法可分为直流溅射和射频溅射法；根据设备是否利用了磁场，又可分为磁控溅射法和非磁控溅射法；再者根据沉积薄膜的过程中是否存在反应气体，它还可以分为反应溅射法和非反应溅射法。溅射法基于荷能粒子轰击靶材时的溅射效应，而整个溅射过程都建立在辉光放电基础之上的，即溅射粒子都是来源于气体放电。不同的溅射方法所采用的辉光放电方式有所不同。直流溅射法利用的是直流电压产生的辉

13、光放电；射频溅射法是利用射频电磁场产生辉光放电；磁控溅射法是利用平行于靶材表面的磁场控制下的电场或电磁场产生辉光放电；反应溅射是利用惰性气体和活性气体的混合气体在电场或电磁场中产生的辉光放电，常用的活性气体有氧气、氮气等。本实验是利用直流溅射法制备金属薄膜。辉光放电的特征。在直流溅射法中的辉光放电中，从靶材（阴极）和衬底（阳极）之间的电位变化并不是均匀的，而会产生阴极压降（如图2所示）。由放电形成的惰性气体正离子被朝着阴极（靶材）方向加速，并且这些正离子和由其产生的快速中性粒子以它们在阴极电压降区域获得的几乎一样的能量（速度）到达阴极。阴极电压降的大小取决于气体的种类和阴极材料（靶材）。在这些

14、能量粒子和中性粒子的轰击下，靶材原子被从其表面溅射出来，被溅射出来的靶材原子冷凝在阳极（衬底）上，从而形成了薄膜。3、制备用干涉法测量金属薄膜厚度的样品在干涉法测量膜的光路中，主要的构件是半透膜板同待测膜厚的样品构成的空气劈尖，因此待测样品要制作才成台阶状，台阶高度为待测膜厚。另外，为了观察到清晰的干涉条纹，待测膜厚的样品其上表面应该具有很好的反光性。实验内容与测量1、直流溅射制备金薄膜1）准备衬底：切割玻璃根据工件位的大小切割衬底玻璃；清洗用超声波清洗器先在丙酮、无水乙醇、中清洗玻璃衬底，把玻璃衬底烘干后并保存在干净的容器中。2）安装靶材，并把金靶到工作台的距离调到4045mm；3）安放衬底

15、把清洗干净的玻璃衬底后放在镀膜室的工作台上，衬底实行半掩；盖上镀膜室的上盖；4）开启“总电源开关”，机械泵开始对镀膜室抽真空，从真空表上观测镀膜室的真空度。5）充入氩气。 当真空度小于2Pa时，开启氩气瓶的减压阀，然后开气镀膜机的氩气控制阀“针阀”（逆时针旋转为开，氩气流量加大；顺时针旋转为关，氩气流量减少），向镀膜室中充入氩气，使镀膜室的真空度达到34Pa（以溅射电流约在510mA为准）。6）设定“定时器”的时间，即薄膜沉积时间。为防止过热，单次连续溅射时间不要超过60s，制备较厚的膜时，可以采取多次溅射的方法。7）核查溅射电流。按下“试验”按钮，核查“溅射电流表”中的电流是否在510mA之

16、间，立即松开“试验”。8）镀膜。按下“启动”按钮，靶上加上了1000V的溅射电压，金膜开始沉积。这是可以看到靶-衬底之间发出了紫色的等离子体辉光放电现象，“溅射电流表”中显示电流稳定在58mA之间。随时调整“针阀”，控制氩气的流量，维持溅射电流稳定。9）结束镀膜。当“定时器”所设定的时间达到之后，溅射电压降为零，溅射自动停止，溅射电流也为零，完成薄膜的一次沉积。如果需要多次沉积，继续重复68的步骤，直到达到所需沉积时间或膜厚，最终完成薄膜样品的制备。10）关闭系统，终止镀膜试验。依次关闭氩气瓶的减压阀，“针阀”，关上“总电源开关”。11）去样品。用手拉起“镀膜室上盖”上的“放气阀”，给镀膜室放

17、入空气。镀膜室回到大气压之后，打开镀膜室上盖，取出薄膜样品。注意事项：（1）、溅射电流不能超过12mA；（2）、不要接触镀膜室上盖上的金靶的电压输入接头，以免触电；（3）、取样品时，工作台温度较高，避免烫伤。2、通过上述操作，分别制备出沉积时间为4min、6min、10min、15min、20min的金膜样品（其它条件保持一致）。3、改变靶基距沉积薄膜，研究靶基距对薄膜厚度的影响。（选做）4、直流溅射制备铁、镍薄膜采用沉积金膜相同的实验步骤沉积铁膜和镍膜，用于测磁电阻。5、利用干涉法测量膜厚1）测量某一沉积时间（15min）下制备的薄膜厚度，然后用这一薄膜厚度除以其对应的沉积时间就获得了单位时

18、间内沉积的薄膜厚度，即薄膜的沉积速率；2）用沉积速率乘以沉积时间可以获得不同沉积时间下的薄膜厚度。数据记录与处理： 需要记录：靶基距、沉积时间、氩气压强、溅射电流、膜厚、沉积速率。数据记录表：金属膜的制备条件金靶到工作台的距离（靶基距）:沉积速率：样品标号2345沉积时间 /min氩气压强 /Pa溅射电流 /mA薄膜厚度 /nm思考题1）. 直流溅射法制备薄膜时，膜厚的均匀性如何保证？2）. 靶基距对膜厚如何影响？3）. 如何在沉积过程中，保持稳定的沉积速率?4）. 制备用干涉法测量薄膜厚度的样品时，应该注意哪些问题？实验三、 光的干涉测量膜厚干涉现象是波动的重要特征之一，利用光的干涉现象，我

19、们可以测量许物理参量，因此它应经得到了广泛的应用。根据相干光源的获得方式，可以将干涉分为两大类：分波面干涉和分振幅干涉。分振幅干涉包括等倾干涉和等候干涉两种。本实验将直接感受光的干涉现象、并通过实验加深对其理解。除此之外，直接接触分振幅干涉的实际应用劈尖和牛顿环。薄膜的厚度（膜厚）是薄膜材料的一最基本、最重要的物理量，它在很大程度上决定着薄膜材料的物理特性（如电学性质、光学性质、磁学性质、力学性质等），因此，膜厚的测量在薄膜材料研究中和生产中占有非常重要地位。膜厚的测量方法主要有干涉法、台阶仪测量法、扫描电子显微镜观测法、断面透射电子显微镜观测法、椭圆偏振仪法、电阻测量法、Rutherford

20、背散射法等，其中干涉法在设备的投入上最为经济，在测量上最简便。因此，现在用干涉方法测量薄膜厚度的技术已被广泛地应用在科研开发和生产中。1、观察空气劈尖和牛顿环产生的干涉现象，加深对干涉原理的理解。2、掌握用空气劈尖产生的多光束干涉的方法测量薄膜膜厚的原理和方法；3、了解提高干涉条纹清晰度（反衬度）的方法及清晰度4、双光束分光光度计测膜厚 读数显微镜、半透膜、载玻片、钠光灯、薄膜样品、双光束分光光度计。1、干涉法测膜厚干涉法测量薄膜厚度的装置如图1所示。它是由钠光灯、对数显微镜、半透膜板三部分组成。半透膜板同待测膜厚的薄膜样品之间构成一个空气劈尖，钠光灯发出的光通过读数显微镜的分光镜垂直入射到空

21、气劈尖上，产生等厚干涉现象。通过读数显微镜能够观察并测量到干涉条纹。待测膜厚的薄膜样品做成一个台阶形状，由于薄膜的膜厚d产生的台阶，使得空气劈尖产生的等厚干涉条纹发生了移动。如图2所示，如果等厚干涉条纹的间距为a，干涉条纹移动的距离为b，入射光的波长为，则膜厚d同a、b、的关系可由下式给出： （1）通常，从实验中测出a和b的值，再已知入射光的波长，就可以用公式（1）计算得出待测薄膜的膜厚d。2双光束分光光度计测膜厚对透明度较高的均匀薄膜，在测量薄膜的透射谱和反射谱时，都会在透射谱和反射谱上叠加因干涉形成的峰和谷。利用其干涉峰与谷，可以估算薄膜的厚度。其原理如图3所示。计算公式为： （2）其中： d膜厚；，相邻的蜂（谷）的对应的波长；平均折射率。1、 利用读数显微镜测量薄膜厚度1）. 利用台阶膜和半透膜构成劈尖；2）. 利用读数显微镜测量干涉条纹的间距（取20个条纹）3）. 利用公式（1）计算薄膜的厚度2、 利用双光束分光光度计测膜厚（选做