北京大学：《近代物理实验 Modern Physics Laboratory》课程教案（独立实验）_4-2 真空镀膜

4-2真空镀膜 实验目的和要求: 试图通过薄膜制备和表征过程,使同学对与真空镀膜有关的物理内容和实验技术有基 本的认识 1.了解真空镀膜的基本原理。 2.了解薄膜的生长过程和影响薄膜生长的主要因素。 3.了解薄膜性能表征的主要手段。 教学内容: 1.讲解真空镀膜机的结构和操作中的注意事项。 2.考察学生对仪器的掌握程度 3.指导学生分别用电阻加热蒸发、电子束蒸发和直流磁控溅射三种方式,在室温下 在NaCl(100)、Si(100和玻璃三种衬底上制备Cu膜或A膜,共9个样品。在抽真空 过程中准备衬底或讨论与真空镀膜有关的基本物理问题 4.用反射式椭偏伩测量样品的厚度并与石英振荡器给出的膜厚作对比。 5.用ⅹ射线衍射仪测量样品的晶体结构,晶粒大小和择优取向 6.扫描电子显微镜来分析和观察样品的表面形貌 实验过程中可能涉及的问题:(有的可用于检查予习的情况,有的可放在实验 室说明牌上作提示,有的可在实验过程中予以引导,有的可安排为报告中要回 答的问题,不同的学生可有不同的要求) 1.镀膜为什么要在真空环境下进行? 2.什么是分子泵?用分子泵获得真空的原理是什么? 3.本实验用什么方法测量膜厚?主要原理是什么?膜厚仪中要设定的工具因子、声阻 抗、和材料的密度分别是什么含义?为能更精确地测量薄膜厚度,可以怎样安放石 英振子的位置和设定膜厚监测仪的参数? 4.在提升整个钟罩时有哪些注意事项? 5.在蒸镀前为什么要先去气?对于电阻加热蒸发为什么预蒸要特别小心? 6.热蒸发特别容易污染系统,必须要有保护观察窗、溅射台和电子束蒸发源的措施, 最好是用玻璃筒将热蒸发电极和坩锅罩起来。 7.磁控溅射为什么能增加溅射速率? 8不同原子的溅射产额不同,为什么薄膜的成分会和靶材的一致呢? 9.如何测量溅射产额?能否设计一个实验方案? 10.射频溅射为什么可以制备绝缘材料薄膜? 11.薄膜的晶粒大小和衬底温度有什么关系?和蒸发速率又有什么关系? 12.如果衬底温度非常低,得到的薄膜可能会具有什么结构,为什么? 13.除了讲义上介绍的三种生长模式外,薄膜还有一种生长模式是会形成一些具有特定 层数的岛,能给出可能的原因吗? 14.溅射制备与热蒸发制备的薄膜外观有何不同,如何解释? 15.薄膜的ⅹ射线衍射谱与粉末的衍射谱的主要差别有哪些?对同样的材料哪一种衍射 谱的谱峰更多? 16.薄膜的厚度会对X射线谱有影响吗?为什么? 难点: 本实验内容较多,每一个实验手段都包含了丰富的物理内容,既不可能在讲义上,也 不可能在课堂上完全讲清楚。因此,要求学生有较强的抓住要点的能力,和直观的洞察 力。实验中的每一个实验步骤对学生也都几乎是全新的,即使有教师亲自示范,也得要求 他们有很强的动手能力。本实验的环节非常多,每一个环节都不能有大的错误,这还要求 学生要能够通盘考虑问题,并做到胆大心细。 可进一步探索的问题: 要在16学时内完成所要求的内容已经非常紧张,进一步的探索只能采用小课题形式, 如考察衬底温度或薄膜厚度对薄膜性能的影响

4-2 真空镀膜 实验目的和要求： 试图通过薄膜制备和表征过程，使同学对与真空镀膜有关的物理内容和实验技术有基 本的认识。 1. 了解真空镀膜的基本原理。 2. 了解薄膜的生长过程和影响薄膜生长的主要因素。 3. 了解薄膜性能表征的主要手段。 教学内容： 1. 讲解真空镀膜机的结构和操作中的注意事项。 2. 考察学生对仪器的掌握程度。 3. 指导学生分别用电阻加热蒸发、电子束蒸发和直流磁控溅射三种方式，在室温下， 在 NaCl(100)、Si(100)和玻璃三种衬底上制备 Cu 膜或 Al 膜，共 9 个样品。在抽真空 过程中准备衬底或讨论与真空镀膜有关的基本物理问题。 4. 用反射式椭偏仪测量样品的厚度并与石英振荡器给出的膜厚作对比。 5. 用 X 射线衍射仪测量样品的晶体结构，晶粒大小和择优取向。 6. 扫描电子显微镜来分析和观察样品的表面形貌。 实验过程中可能涉及的问题：（有的可用于检查予习的情况，有的可放在实验 室说明牌上作提示，有的可在实验过程中予以引导，有的可安排为报告中要回 答的问题，不同的学生可有不同的要求） 1. 镀膜为什么要在真空环境下进行？ 2. 什么是分子泵？用分子泵获得真空的原理是什么？ 3. 本实验用什么方法测量膜厚？主要原理是什么？膜厚仪中要设定的工具因子、声阻 抗、和材料的密度分别是什么含义？为能更精确地测量薄膜厚度，可以怎样安放石 英振子的位置和设定膜厚监测仪的参数？ 4. 在提升整个钟罩时有哪些注意事项？ 5. 在蒸镀前为什么要先去气？对于电阻加热蒸发为什么预蒸要特别小心？ 6. 热蒸发特别容易污染系统，必须要有保护观察窗、溅射台和电子束蒸发源的措施， 最好是用玻璃筒将热蒸发电极和坩锅罩起来。 7. 磁控溅射为什么能增加溅射速率？ 8. 不同原子的溅射产额不同，为什么薄膜的成分会和靶材的一致呢？ 9. 如何测量溅射产额？能否设计一个实验方案？ 10. 射频溅射为什么可以制备绝缘材料薄膜？ 11. 薄膜的晶粒大小和衬底温度有什么关系？和蒸发速率又有什么关系？ 12. 如果衬底温度非常低，得到的薄膜可能会具有什么结构，为什么？ 13. 除了讲义上介绍的三种生长模式外，薄膜还有一种生长模式是会形成一些具有特定 层数的岛，能给出可能的原因吗？ 14. 溅射制备与热蒸发制备的薄膜外观有何不同，如何解释？ 15. 薄膜的 X 射线衍射谱与粉末的衍射谱的主要差别有哪些？对同样的材料哪一种衍射 谱的谱峰更多？ 16. 薄膜的厚度会对 X 射线谱有影响吗？为什么？ 难点： 本实验内容较多，每一个实验手段都包含了丰富的物理内容，既不可能在讲义上，也 不可能在课堂上完全讲清楚。因此，要求学生有较强的抓住要点的能力，和直观的洞察 力。实验中的每一个实验步骤对学生也都几乎是全新的，即使有教师亲自示范，也得要求 他们有很强的动手能力。本实验的环节非常多，每一个环节都不能有大的错误，这还要求 学生要能够通盘考虑问题，并做到胆大心细。 可进一步探索的问题： 要在 16 学时内完成所要求的内容已经非常紧张，进一步的探索只能采用小课题形式， 如考察衬底温度或薄膜厚度对薄膜性能的影响