磁控溅射镀膜和AFM在氢化纳米硅制作过程中的应用实验报告

虚拟仿真实验报告
在此虚拟仿真实验中，我们可以利用AFM测量到四种不同氢气分压和沉积时间的条件下，氢化纳米硅薄膜的晶化情况、晶粒大小及表面形貌，如图1、图2、图3、图4所示。

图1 氢气分压为60%，沉积时间15分钟
图2 氢气分压为60%，沉积时间60分钟
图3 氢气分压为75%，沉积时间60分钟
图4 氢气分压为75%，沉积时间180分钟
（2）射频磁控溅射工作原理
磁控溅射可以分为直流磁控溅射法和射频磁控溅射法。

直流溅射装置不能用来溅射沉积绝缘介质薄膜。

为了溅射沉积绝缘材料，人们将直流电源换成交流电源。

由于交流电源的正负性发生周期交替，当溅射靶处于正半周时，电子流向靶面，中和其表面积累的正电荷，并且积累
电子，使其表面呈现负偏压，导致在射频电压的负半周期时吸引正离子轰击靶材，从而实现溅射。

辉光放电是在真空中，两个电极之间加上电压时产生的一种气体放电现象，是溅射镀膜的基础。

溅射镀膜基于荷能离子轰击靶材时的溅射效应，而整个溅射过程都是建立在辉光放电的基础之上的，即溅射离子都来源于气体放电。

磁控溅射是利用环状磁场控制下的辉光放电，使用的交流电源主要有双极性脉冲（矩形波或正弦波）中频靶电源与射频靶电源。

高真空多功能磁控溅射镀膜系统，如图5所示，主要由溅射真空室组件、永磁磁控溅射靶、直流电源、射频电源、单基片加热台组件、工作气路、抽气系统、安装机台、真空测量及计算机控制系统等部分组成。

图5 高真空多功能磁控溅射镀膜系统
在仿真实验中，磁控溅射设备的所有设备可如图6进行真实3D模拟，镀膜溅射过程的真空溅射室以及辉光放电过程可如图7和图8真实模拟。

图6 3D仿真模拟磁控溅射设备图7 3D仿真模拟真空溅射室
图8 3D仿真模拟辉光放电过程
（3）原子力显微镜工作原理
原子力显微镜是通过探针与样品之间微弱的相互作用力来获得表面信息。

当两个原子彼此靠近时，电子云发生重叠，原子之间产生了排斥力，通过采集微悬臂的位移，即可得到物体表面的形貌。

原子力显微镜的工作原理如图9所示。

将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。

图9 原子力显微镜的基本结构
在原子力显微镜的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统，如图10所示。

图10原子力显微镜的系统
在仿真实验中，原子力显微镜的整套设备可如图11，图12和图13进行真实模拟。

图11 原子力显微镜（AFM）虚拟仿真仪器图12 原子力显微镜（AFM）探头
图13 原子力显微镜（AFM）反馈系统
[实验仪器]
磁控溅射仪器，原子力显微镜（AFM）。

磁控溅射仪器包括气瓶室，磁控溅射室，其中磁控溅射室包含磁控溅射的电源，溅射腔，计算机等，磁控溅射过程可完全模拟镀膜溅射过程中所有的实验参数设置。

原子力显微镜系统包含SPM探头，控制系统以及显示系统。

图14 磁控溅射设备图15 气瓶室
图16 原子力显微镜（AFM）设备
磁控溅射实验装置包括：高真空多功能磁控溅射镀膜系统、水冷系统、N2气、Ar气，其中高真空多功能磁控溅射镀膜系统主要由溅射真空室组件、溅射靶（三个靶）、直流电源、射频电源、单基片加热台组件、工作气路、抽气系统、安装机台、真空测量及计算机控制系统等部分组成。

1. 磁控溅射室：
实际照片和仿真照片显示：
图1-1磁控溅射室实际仪器
图1-2磁控溅射室仿真仪器
图1-3溅射室打开大视图
操作提示：在实验场景中，鼠标左键点击溅射室左侧把手，把手打开或关闭;鼠标点击溅射室大门，大门打开或关闭。

2. 水冷系统:
实际照片和仿真照片显示：
图2-1水冷系统实际仪器
图2-2水冷系统仿真仪器
图2-3水冷系统大视图
操作提示：在实验场景中，鼠标左键双击水冷系统屏幕，打开大视图，点击电源开关按钮，可打开或关闭水冷系统。

3. 氮气:
实际照片和仿真照片显示：
图3-1氮气实际仪器图3-2氮气仿真仪器
图3-3氮气瓶开关大视图
操作提示：在实验场景中，鼠标左键按住总阀不放，可打开总阀，右键按住总阀不放，可关闭总阀；鼠标左键按住减压阀不放，可打开减压阀，右键按住减压阀不放，可关闭减压阀4. 氩气:
实际照片和仿真照片显示：
图4-1氩气实际仪器图4-2氩气仿真仪器
图4-3氩气瓶开关大视图
操作提示：
在实验场景中，鼠标左键按住总阀不放，可打开总阀，右键按住总阀不放，可关闭总阀；鼠标左键按住减压阀不放，可打开减压阀，右键按住减压阀不放，可关闭减压阀
5. 机械泵:
实际照片和仿真照片显示：
图5-1机械泵实际仪器
图5-2机械泵仿真仪器操作提示：在实验场景中通过软件系统控制
6. 空气压缩机:
实际照片和仿真照片显示：
图6-1空气压缩机实际仪器
图6-2空气压缩机仿真仪器操作提示：在实验场景中通过软件系统控制
7. 显示器:
实际照片和仿真照片显示：
图7-1显示器实际仪器
图7-2显示器仿真仪器
操作提示：在实验场景中，鼠标双击显示器，打开软件系统；
软件系统_真空系统面板：（图中红色线框起来的部分都是可操作的，具体操作方式见下文实验指导）
图7-3真空系统面板
软件系统_系统供气面板：（图中红色线框起来的部分都是可操作的，具体操作方式见下文实验指导）
图7-4系统供气面板
软件系统_工艺电源面板：（图中红色线框起来的部分都是可操作的，具体操作方式见下文实验指导）
图7-5工艺电源面板AFM设备
1.SPM仪器：
实际照片和程序中的显示：
真实仪器仿真仪器
仪器双击打开的大视图
操作提示：
1)放置白色纸片：鼠标点击“在检测器下方，放置一张白色小纸条”选项，选项呈现
出选中状态，仪器的检测器下方出现白色小纸片视图。

2)检测器水平位置调节旋钮：鼠标左击，旋钮顺时针旋转，探测器水平向左移动。

鼠
标右击，旋钮逆时针旋转，探测器水平向右移动。

鼠标点击按下不放，可进行旋钮的连续调节操作。

鼠标单击，可进行旋钮的单步调节操作。

3)检测器垂直位置调节旋钮：鼠标左击，旋钮顺时针旋转，探测器垂直向前移动。

鼠
标右击，旋钮逆时针旋转，探测器垂直向后移动。

鼠标点击按下不放，可进行旋钮的连续调节操作。

鼠标单击，可进行旋钮的单步调节操作。

4)激光器水平位置调节旋钮：鼠标左击，旋钮顺时针旋转，激光器水平向左移动。

鼠
标右击，旋钮逆时针旋转，激光器水平向右移动。

鼠标点击按下不放，可进行旋钮的连续调节操作。

鼠标单击，可进行旋钮的单步调节操作。

5)激光器垂直位置调节旋钮：鼠标左击，旋钮顺时针旋转，激光器垂直向前移动。

鼠
标右击，旋钮逆时针旋转，激光器垂直向后移动。

鼠标点击按下不放，可进行旋钮的连续调节操作。

鼠标单击，可进行旋钮的单步调节操作。

6)探针水平位置调节旋钮：鼠标左击，旋钮顺时针旋转，探针水平向左移动。

鼠标右
击，旋钮逆时针旋转，探针水平向右移动。

鼠标点击按下不放，可进行旋钮的连续调节操作。

鼠标单击，可进行旋钮的单步调节操作。

7)探针垂直位置调节旋钮：鼠标左击，旋钮顺时针旋转，探针垂直向前移动。

鼠标右
击，旋钮逆时针旋转，探针垂直向后移动。

鼠标点击按下不放，可进行旋钮的连续调节操作。

鼠标单击，可进行旋钮的单步调节操作。

8)纸片视图窗口：用来观察激光器光线反射到纸片上的光斑及光斑变化的视图。

9)探针下方视图窗口：用来观察激光器光线照射到探针或探针下方的光斑及光斑变化
的视图。

10)探针局部放大视图：调节激光器位置或探针位置时，可观察到光斑与探针的相对位
置，便于调节光路，将激光束聚焦照射在悬臂背面前端，即针尖的背面。

2.控制机箱：
实际照片和程序中的显示：
真实仪器仿真仪器
操作提示：
控制机箱是SPM系统的主要电子控制系统。

该仪器在主场景中不允许拖动或删除。

该仪器在主场景中无可双击打开的大视图。

3.计算机控制系统：
实际照片和程序中的显示：
真实仪器仿真仪器
仪器双击打开的大视图
操作提示：
[现象及问题]
图像与理论得到的结果一致第三部分结果与讨论[实验数据]
[数据处理]。