真空镀膜

真空镀膜

孔健聪,黄东

（汕头大学物理系，广东汕头）

摘要：本实验利用多功能真空镀膜机，通过机械泵和扩散泵来抽真空，运用电阻热蒸发的方法来镀铝膜。同时测量机械泵和扩散泵的抽气速率，并结合实验操作来了解复合真空计及真空镀膜机的内部结构和镀膜的实验原理及方法。

关键词：真空机械泵、扩散泵、电阻热蒸发铝膜

一、引言

真空镀膜是将固体材料置于真空室内，在真空条件下，将固体材料加热蒸发，蒸发出来的原子或分子能自由地弥漫到容器内。当把一些加工好的基板材料放在其中时，蒸发出来的原子或分子就会吸附在基板上逐渐形成一层薄膜。真空蒸镀属于物理气相沉积法。

二、实验原理

1.真空的获得

当前各种真空泵，大致可以分为两类：一类称为“外排”型，即真空泵将气体排出泵体外，如旋片泵、扩散泵、分子泵等；另一类称为“内吸”型，即真空泵在一封闭系统中，气体吸附在泵体之内，如吸附泵、钛升华泵、溅射离子泵、冷凝泵等。本实验用的是外排型真空泵，为机械泵+扩散泵。

（1）机械泵实验用的机械泵是旋片泵，只有一个工作室。泵主要由定子、旋片、转子组成。在泵腔内偏心地装有转子，转子槽中装有两块旋片，由于弹簧弹力作用而紧贴于缸壁(转动后还有旋片离心力)。转子和旋片将定子腔分成吸气和排气两部分。当转子在定子腔内旋转时周期性地将进气口方面容积逐渐扩大而吸入气体，同时逐渐缩小排气口一侧的容积将已吸入的气体压缩并从排气阀排出。排气阀浸在油里以防止大气流入泵中。泵油通过油孔及排气阀进入泵腔，使泵腔内所有的运动表面被油覆盖，形成了吸气腔与排气腔之间的密封。

（2）扩散泵利用特制油液的热蒸汽流从三个或四个喷口高速向下喷泻，

带动气体分子自上而下作定向流动，形成上下压差，从而把气体分子带走。

2.真空的测量

a)热偶真空计通常用来测量地真空的真空计，可测范围为10-1—10-3Torr.其中

的一根金属丝以恒定功率加热到200℃。由于气体热导率随压强变化，所吸热丝的温度成为压强的函数。

b)电离规管其结构类此一个三极电子管。阴极发射的电子被阳极栅加速后具

有一定能量与气体分子作电离碰撞，使气体电离。所产生的正离子被外围圆筒形离子收集极收集，工作中离子流与电子流之比与压强成正比。

3.蒸发源的选取

蒸发源的形状如下图，大致有螺旋式(a)、篮式(b)、发叉式(c)和浅舟式(d)等，本实验采用的是螺旋式蒸发源。

4.真空镀膜

真空镀膜是将固体材料置于真空室内，在真空条件下，将固体材料加热蒸发，蒸发出来的原子或分子能自由地弥布到容器的内部空间中。当把一些加工好的基板材料放在其中时，蒸发出来的原子或分子就会吸附在基板上逐渐形成一层薄膜。真空镀膜有两种方法,一是蒸发,一是溅射。本实验采用蒸发方法，即在真空中把铝材加热蒸发，使其淀积在基片的表面上形成铝膜。

三、实验步骤

1.检查真空镀膜机及复合真空计上各开关，并它们全部置在“关”的位置（特别是复合真空计上的规管电源一定要置在“关”的位置）；

2.接通真空镀膜机总电源，再把钟罩操作旋钮拨至“钟罩升”，等钟罩升至适当位置后拨至“关”；

3.把制作薄膜的铝材处理后放置在蒸发源的适当位置，再用挡板挡住蒸发源；把经清洗、干燥处理后的玻璃片放置在工作架的适当位置；然后把钟罩操作旋钮拨至“钟罩降”使钟罩降至最低位置后拨至“关”；

4.接通复合真空计电源，校准“测量2”的加热电流为108mA；

5.接通真空镀膜机冷却水源，再接通真空镀膜机的“机械泵及扩散泵”电源，“拉”低阀，用“测量2”监测钟罩内的气压变化，记录相应的P（t）～t曲线，直到钟罩内的气压值下降为5Pa后，“推”低阀，改用“测量1”监测系统内的气压变化（此时要重新确认“测量1”的加热电流为108mA），直到系统内的气压值为5Pa时，“开”高阀；

6.再次采用“测量2”监测钟罩内的气压变化，记录相应的P（t）～t曲线，直到钟罩内的气压值为0.1Pa后，接通复合真空计上的规管电源，启用电离规管对钟罩内的气压变化进行监测并记录相应的P（t）～t曲线，直到钟罩内的气压值下降为0.015Pa以下；

7.用电源插销接通所选用的蒸发源“电极”，再接通“烘烤、蒸发”电源，调节其电流强度为40A并维持约1分钟，移开挡板，继续增大电流至50A并维持30秒，然后把电流强度调节为零，同时关闭复合真空计上的规管电源！

8.在进行抽气10分钟后，“关”高阀，“机械泵及扩散泵”改接为“机械泵”；

9.机械泵继续开动，水源不关，开风扇吹扩散泵……30分钟后接通“充气阀”对钟罩内“充气”，在充气完成后升钟罩，取出镀膜片；

10.再经半小时后关机械泵、水源及总电源。

四、数据处理

1.第一阶段：抽钟罩，钟罩内压强P(t)与时间t关系：

时间t(s)306090120150180210240270压强P(Pa)29282621151311.510.59.8时间t(s)300330360390420450480510540

压强P(Pa)9.28.68.17.87.57.37.1 6.9 6.6时间t(s)570600630660690720750780810压强P(Pa) 6.5 6.4 6.2 6.1 6.05 6.0 5.8 5.7 5.65

时间t(s)840900960102010801140压强P(Pa) 5.6 5.5 5.4 5.25 5.15 5.05

5

10

15

20

25

30

20040060080010001200时间t (s )

压强P(t) (Pa)

时间t

图1开高阀前的P（t）-t 曲线

2.第二阶段：开高阀，抽系统（5Pa-0.1Pa）

时间t(s)153045607590105120压强P(Pa)7.5 6.4 6.1 5.8 5.7 5.5 5.2 4.75

时间t(s)135150165180195210225压强P(Pa)

4.4

3.9

3.7

3.05

2.4

2.0 1.35

1

2

3

4

5

6

7

8

50

100

150

200

250

时间t (s )

压强P(t) (Pa)

时间t

图2开高阀后的P（t）-t 曲线