薄膜实验指导书

薄膜制备实验指导书
实验一磁控溅射法制备金属薄膜
一、实验目的
1、了解磁控溅射实验原理
2、学会操作磁控溅射仪
3、了解影响薄膜质量的因素
二、基本原理
1、薄膜制备过程
溅射沉积是一种物理气相沉积法，利用带有电荷的离子在电场中加速具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的靶材。

溅射过程是轰击粒子与靶原子之间能量传递的结果。

在轰击离子能量合适的情况下，在与靶材表面的原子碰撞过程中，靶材表面原子将获得足够的动能脱离固体表面，这些溅射出来的靶材原子带有一定的动能沿着一定的发向射向衬底，从而实现在衬底上薄膜的沉积（如图1）。

在上述过程中，离子的产生过程与等离子体的产生或气体的辉光放电过程密切相关。

图1
气体辉光放电需要的击穿电压：
log bd pL V L p b
∝+ 其中，p ——腔体压力，L ——电极间距，b ——常数。

发生溅射需要超过一个阈值能量，当能量较小时发生反弹或表面吸附，而能量较大时，会发生离子注入。

溅射过程中激发产生的二次电子可进一步与气体原子碰撞，引发电离或辉光， 几种常用气体的电离能见表格1
表格1
对于以氩离子做为入射离子的情况，入射能量略大于阈值时，产额随能量的平方增加；超过100eV,随能量线性增加；超过750eV,产额将略有增加；1000eV时产额最大（如图2）。

选择不同的电离原子，产额有所差异，其中稀有气体有较大的溅射产额。

图2对不同材料溅射产额与垂直入射氩离子的离子能
图345keV离子射向银，铜和钽靶时，溅射产额与轰击离子原子序数的函数关系
所谓磁控溅射，就是通过在靶材的周围和后面设置磁场，限制二次电子于靶前面，增加轰击率和电离速率，提高溅射效率。

有很多因素影响沉积薄膜的质量，包括电压、真空背底气压、氩气溅射气压、氧分压、流量大小、衬底温度，溅射方式，若是射频溅射，偏压的大小也有一定的影响。

在制备薄膜时需要查阅资料获得各个参数，或者自行研究尝试，在表征测试后得到最好的实验条件。

2、薄膜表征
（1）SEM：扫描电子显微镜
扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopic）的制造是依据电子与物质的相互作用。

当一束高能的入射电子轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征x 射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。

同时，也可产生电子-空穴对、晶格振动（声子）、电子振荡（等离子体）。

原则上讲，利用电子和物质的相互作用，可以获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构、电子结构和内部电场或磁场等等。

（2）XRD：X射线衍射分析
XRD 即X-ray diffraction 的缩写，X射线衍射，通过对材料进行X射线衍射，分析其衍射图谱，获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息的研究手段。

X射线是原子内层电子在高速运动电子的轰击下跃迁而产生的光辐射，主要有连续X 射线和特征X射线两种。

晶体可被用作X光的光栅，这些很大数目的粒子（原子、离子或分子）所产生的相干散射将会发生光的干涉作用，从而使得散射的X射线的强度增强或减弱。

由于大量粒子散射波的叠加，互相干涉而产生最大强度的光束称为X射线的衍射线。

满足衍射条件，可应用布拉格公式：2dsinθ=nλ。

应用已知波长的X射线来测量θ角，从而计算出晶面间距d，这是用于X射线结构分析；另一个是应用已知d的晶体来测量θ角，从而计算出特征X射线的波长，进而可在已有资料查出试样中所含的元素。

（3）XRF：X射线荧光光谱分析
X射线荧光光谱分析(X Ray Fluorescence)，X射线管产生入射X射线（一次X射线），激发被测样品。

受激发的样品中的每一种元素会放射出二次X射线，并且不同的元素所放射出的二次X射线具有特定的能量特性或波长特性。

探测系统测量这些放射出来的二次X射线的能量及数量。

然后，仪器软件将探测系统所收集到的信息转换成样品中各种元素的种类及含量。

X射线照在物质上而产生的次级X射线被称为X射线荧光。

（4）方阻
定义：在一长为l，宽w，高d（即为膜厚），R=ρ*L/S（电阻定义式），此时L=l,S=w*d,故R=ρ*l/(w*d)=(ρ/d)*(l/w).令l=w于是定义了方块电阻R=ρ/d。

方阻就是方块电阻，指一个正方形的薄膜导电材料边到边之间的电阻。

方块电阻有一个特性，即任意大小的正方形边到边的电阻都是一样的，不管边长是1米还是0.1米，它们的方阻都是一样，这样方阻仅与导电膜的厚度等因素有关。

三、实验仪器及样品
1.实验仪器
本实验使用中国科学院沈阳科学仪器研制中心有限公司的JGP280型高真空磁控溅射系统。

2、实验样品
透明玻璃衬底，Ti金属靶，
四、实验步骤及注意事项
（1）以金属Ti膜为例
准备:用去离子水、酒精、丙酮分别超声清洗基片。

使用磁控溅射仪前清理腔体以保证能够较快速度抽真空。

（2）磁控溅射仪操作流程：
开机：
1、打开房间电源总闸，打开冷却水电源，打开控制柜供电电源（共2个）
2、打开真空计，靶挡板控制电源，样品转动控制电源
3、打开V4阀门释放样品室真空
4、打开样品室顶盖，放置基板，放置靶材
5、关闭顶盖，关闭V4阀门
抽真空
6、打开机械泵，打开V1阀门到最大，观察真空度
7、真空度小于5Pa时，关闭V1阀门
8、打开电磁阀
9、等待1分钟，打开分子泵
10、等待2分钟，打开插板阀G到最大
11、观察真空度（一般真空度需要达到3X10-4）
溅射
12、到达所需真空度之后，关闭电离真空计（以免气流过大，将电离真空计冲坏）
13、打开流量计，溅射电源预热
14、打开气瓶（只需开气瓶，不用调节减压阀），打开V2阀门
15、将流量计的开关调至阀空档，调节气流大小（一般在15-20之间）
16、调节插板阀G，同时观察真空度，直至获得所需氩气气压
17、打开靶材挡板，旋转溅射电源的电压旋钮进行起辉（Ti一般在300-350V之间辉光可以稳定）
18、起辉后关闭靶材挡板，打开样品台挡板
19、打开电脑桌面软件“Mould175应用程序”，打开样品台自传（参数不用修改，其他功能键不用使用）
20、打开靶材挡板的同时开始计时
21、计时时间到时关闭靶材挡板
取样品
22、关闭样品台自传，关闭样品挡板
23、关闭溅射电源（先将电源旋钮转至最小，再关闭电源）
24、关闭V2阀门，关闭流量计（将气流旋钮旋至最小，再将开关旋至关闭），关闭气瓶
25、关闭插板阀G（第二次转不动之后才算关闭）
26、关闭分子泵
27、等待分子泵转速为0（大概需要8分钟左右），关闭电磁阀，关闭机械泵
28、打开V4阀门释放样品室真空
29、打开样品室顶盖、取出基板、取出靶材
30、关闭顶盖，关闭V4阀门
关机
31、打开机械泵，打开V1阀门至最大，观察真空度
32、真空度小于10Pa，关闭V1阀门，关闭机械泵
33、关闭控制柜上的多有电源，关闭控制柜总电源，关闭循环冷却水电源，关闭房间总闸。

注意：直流溅射：不能用于溅射电介质，只能用于溅射高电导的金属、半导体等。

射频（RF）溅射：导入射频电场来电离气体，可用于导体和绝缘体的溅射。

五、预习思考题
1、工作电压、氩气气压、流量等参数的变化会对薄膜造成什么样的影响？包括成相、致密度等。

2、制备不同的金属薄膜时，如何对参数进行有效地预测？
六、实验报告要求
1、实验目的
2、简述实验原理、实验步骤
3、记录实验参数和样品表征结果
4、分析实验数据，得出结论
七、思考题
1、溅射产额对于薄膜沉积速率、薄膜致密度、薄膜成相结果有什么影响，为什么会有这些影响？
2、射频溅射和直流溅射有什么具体的区别？能使用射频溅射制备金属薄膜吗？
实验二磁控溅射法制备金属氧化物薄膜
一、实验目的
同上一个实验
二、基本原理
同上一个实验
三、实验仪器及样品
仪器同上一个实验
样品
以氧化铟（In2O3）、钛酸钡（BaTiO3）、氧化锌（ZnO）为例。

透明玻璃基片，硅基片，氧化铟靶材, 钛酸钡靶材、氧化锌靶材。

四、实验步骤及注意事项
实验步骤类似上一个实验。

若需要通入一定量的氧气，则要使用混气室，开V3和V6阀门。

由于氧化铟导电性较好，可以使用直流溅射，但是有可能出现不稳定的情况，因此可以选择射频溅射。

氧化锌与钛酸钡均需要使用射频溅射模式。

为保证制备出质量较高的薄膜，需要给靶材加温，一般在打开分子泵后真空度达到10-3Pa时开启加热板开始加热，注意升温速率不能过快。

对于透明导电薄膜ITO，表征时一般利用紫外-可见吸收光谱表征其光学性质。

紫外—可见吸收光谱（UV-vis）：
紫外-可见光谱可以测量材料对紫外-可见光的吸收、透射和反射光谱，具有方法简单、精度高、测量范围广等优点。

根据光谱可以计算半导体材料的带隙宽度：在半导体吸收边附近，吸光系数遵循下式
()/2n g
=-
ahv A hv E
其中，α为吸收系数（光线通过溶液或某一物质前的入射光强度与该光线通过溶液或物质后的透射光强度比值的以10为底的对数，即lg(Iin/Iout)），h为普朗克常数，ν为光的频率，Eg为半导体的禁带宽度，A为常数。

对直接半导体，n=1；对间接半导体，n=4。

五、预习思考题
1、射频溅射有什么特点？与直流溅射有什么不同的地方？
2、射频溅射时需要调节的偏压有什么作用？
六、实验报告要求
同上一个实验
七、思考题
1、氧分压的大小可能会对成膜过程有什么影响？
2、氧化铟薄膜、氧化锌薄膜、钛酸钡薄膜有什么特点，在工业上有什么应用？
3、基底的选择有什么要求？选择不同的基底，对薄膜成相会有什么影响？
实验三溶胶凝胶法制备金属氧化物薄膜
一、实验目的
以制备铁酸铋（BiFeO3）薄膜为例。

1、了解溶胶凝胶法原理，熟悉实验流程
2、学会使用相关实验设备
二、基本原理
溶胶－凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。

凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。

三、实验仪器及样品
甩胶机，烘胶机，热处理炉，紫外分光光度计
四、实验步骤及注意事项
1、首先配制溶胶
将硝酸铋（Bi(NO3)3⋅5H2O）加入N,N-二甲基甲酰胺（HCON(CH3)2）中，搅拌约15min
2、然后加入硝酸铁（Fe(NO3)3⋅9H2O）搅拌溶解
3、加入络合剂柠檬酸（C6H8O7⋅H2O），充分搅拌到完全溶解后静置48 h，得到深黄色BFO 溶胶。

4、在Pt/Ti/SiO2/Si基片（也可以选择其他基片）上旋涂制膜，采用转速方案为300 rpm匀胶3 s，1000 rpm匀胶3s，3500 rpm匀胶30 s，每旋涂一层将湿膜200°C烘干5min以挥发溶剂，旋涂三层（薄膜厚度只与溶胶浓度及转速有关）。

5、对薄膜进行热处理，热处理过程为：200°C保温300 s挥发溶剂有机物，400°C保温400s 有机物及硝酸根裂解，650°C高温900s薄膜BFO结晶成相。

6、对制备成的薄膜进行XRD、SEM、UV-vis、磁性等结构及性能的表征。

7、分析实验数据，得出结论。

五、预习思考题
1、溶胶凝胶法可以制备哪些类型的薄膜？对环境条件会有怎样的要求？
2、凝胶前驱体的pH值对薄膜制备会有怎样的影响？
六、实验报告要求
同上一个实验
七、思考题
1、如何选择确定制备前驱体的药品？
2、作为一种化学沉积制备薄膜法，跟磁控溅射等物理方法相比有什么优点和缺点？溶胶凝胶法制备的薄膜主要能够应用在哪些领域？
实验四、真空蒸发镀膜
1.打开房间总闸、循环水开关，打开面板总电源与功率源。

2.打开真空计电源、分子泵电源等控制台其他电源开关
3.打开桌面软件MEB600控制系统
3.1释放样品室真空：点击右下角充气阀图标至图标为绿色，等待时间结束（约800s）
3.2打开样品室，放置样品、靶材（真空镀膜靶材位于左侧，外侧为舟1）
3.3点击抽真空流程（或按照磁控溅射步骤顺序手动进行抽真空操作）
3.4达到需要的真空度后（参考值：8.0E-4Pa），关闭真空计
3.5如需加热样品，打开温控仪部分进行加热
3.6选择舟1，调节电压值进行预热（约1.0V），后缓慢增加电压至材料呈熔化状态（具体电压条件视溅射材料而定，以铜为例溅射电压约为1.3V）
3.7打开挡板进行溅射，开始计时
3.8溅射时间到后关闭靶材挡板，关闭溅射电压
3.9点击关机流程等待流程结束
4.释放真空（同2.1步操作），打开腔室取出样品
5.关闭样品室，抽真空保护（类似磁控溅射抽真空保护步骤，建议手动操作）
6.确认关机流程，关闭电脑，关闭控制台其他电源
7.关闭功率源、总电源、循环水开关及房间总闸。