等离子特性的测量与溅射镀膜技术的实践
等离子特性的测量与溅射镀膜技术的实践[20191211095526]
摘 要
等离子体技术在生活中发挥着很大的作用，本文介绍等离子体产生的原理与其基本特性和在工业上的应用。本次论文实验主要运用DH2005型直流辉光等离子体装置产生等离子体，观察等离子体，研究并描绘了气体放电的伏安特性曲线。运用DHPS-1型多功能直流溅射实验装置，通过对工作气体流量和基片温度的控制和靶面与基片距离的调节，在适当的电压下产生等离子体，在待镀的基片上形成了金属薄膜，然后将薄膜退火，最终用XRD检测法检测了薄膜的结构。
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关键字:等离子体溅射镀膜
目 录
第一章 引 言 1
1.1等离子体产生的原理 1
1.2等离子体的特性 2
1.3等离子体在工业上的应用 2
第二章 等离子特性的探究 4
3.1直流辉光等离子实验装置与原理 4
3.2等离子特性的探究 7
3.2.1 实验步骤 7
3.2.2 实验数据 8
3.2.3 数据处理 8
第三章 等离子溅射镀膜 10
3.1溅射镀膜的方法 10
3.2直流溅射的工作原理 11
3.3 DHPS-1多功能直流溅射实验装置 12
3.4 等离子溅射镀膜 14
3.4.1 设备安装及调试 14
3.4.2 设备操作及使用注意事项 14
3.4.3 实验步骤 15
3.4.4 实验结果 17
3.5 样品检测 18
3.5.1 样品退火 18
3.5.2 XRD检测 19
3.5.3 测量结果 20
结 束 语 21
参考文献 22
致 谢 23
第一章 引 言
1.1 等离子体产生的原理
在等离子的气体中，我们可以用形如双原子分子的XY结构的类型分子来描述。实验中当用电子碰撞此类的分子时，如果电子所拥有的能量比较小,那么电子会和双原子分子发生大家所熟悉的弹性碰撞，而发生弹性碰撞的时候电子的动能是不会发生改变的。但是如果当电子碰撞的时候拥有很高的能量,那么电子和核碰撞的时候会获得很大的能量。这些电子会被激发到离核比较远的地方，这些分子可以叫做激发状态的分子。双原子分子可以用XY来描述，如果激发态的分子从比较高的能级跃迁到比较低的能级时候会发出些多余的能量，这个过程就可以叫做“退激”过程。
分子是可以电离的，那么在何种情况下分子会发生电离呢，大量的科学实验研究表明,如果碰撞的电子拥有很高的能量,那么电子就可以脱离核的束缚(如图1)所示。
电子对XY型分子碰撞也可以使此分子分解成为X原子和Y原子。可以用“：”来表示分子中成键的电子对，分解之后可以表示为X:Y—>X+Y。这样的电子会使分子容易发生化学反应，所以可以称为化学活性或者基团(如图2)所示。
1.2 等离子体的特性
等离子体的基本反映过程 等离子体特性应用
激发: XY +e → XY* +e 发光特性(光学应用)
退激: XY* → XY +hv (光子)
离解: XY + e →X+Y+ e 化学活性(化学应用)
电离: XY +e → XY* + 2e 或 X* +Y + 2e 导电性 (电气应用)
电子和离子在电场中受加速 高速粒子(力学应用)
粒子间的碰撞产生热效应,粒子和固体表面的碰撞 产生高温(热学应用)
1.3 等离子在工业上的应用
1.等离子可以处理生活中的废物
在实际的生活中我们会制造出很多废物，甚至很多废物是有毒的，我们都知道好多生活垃圾是用火来焚烧的，这样的话会产生出很多有毒的气体，然后这种现象将不复存在了，因为我们现在可以用等离子体来处理危险废物。等离子体可以产生很高的温度能达到几万摄氏度，即使在等离子体的边缘也有几千摄氏度的高温，这种技术很好的处理废物甚至可以处理一些有毒有害的物质并且能把有毒有害的物质转变成可以利用的资源。
2.等离子体可以裂解煤而制成乙炔
我们可以运用等离子体技术裂解煤从而制得乙炔，这时候等离子体产生的温度可以达到很高能够达到5000摄氏度左右，氢气和等离子产生的煤粉发生化学反应可以生成混合气体的乙炔。然后经过分离可以得到浓度很高质量很好的乙炔。
3.等离子体可以实现很好的灭菌效果
现实生活中我们有很多东西需要在低温情况下灭菌，比如塑料，光纤之类的物质，这些物质不能再高温下进行灭菌，如果在高温下灭菌会使得物质发生变化，等离子体可以实现高科技的灭菌，当采用此方法时候可以在低温下灭菌不会对物质造成破坏，该项技术无毒无害是个非常好的灭菌技术。
4.等离子隐形技术
等离子体是大家所知道的五种基本物质形态之一，至于其他四种形态，除了大家知道的液态，气态，固态以外还有超密态。如果从宏观的物理的角度来看等离子体的话那么它是电中性的，它是一种气体由离子组成。这就造成了它拥有很多物质所没有的特点。同时好多军事家门都认为等离子体在未来的军事中会有很大的影响力。他们认为如果哪个国家首先掌握了等离子的特性那么这个国家就能在军事上处于优势的状态，从目前各个国家掌握的知识来看等离子技术还处在一个概念理论和实验的初级阶段，但在未来必然会被人们所应用。
第二章 等离子特性的探究
等离子产生的方法有好多种，本章主要探究直流辉光等离子体的特性。
2.1 直流辉光等离子实验装置与原理
本实验所采取的装置是采用DH2005型直流辉光等离子实验装置（如图3所示）。等离子产生主要会被3种因素影响：1.工作气压2.工作气体3.电极距离。
真空，测量，电源，水冷还有供气等系统是组成直流辉光等离子体的装置，其设置的核心是气压可以调节。其中电极的距离是可以被改变的，放电气体可选择的等离子体激发管，如图4说明了它的原理，旋片式机械泵（如图5所示）和相应的阀门组成了这个装置的真空系统，直流稳压电源及电压和电流数显示组成了电源盒测量的系统，水冷系统自带循环冷却水，对其进行冷却的方法是依靠自带的水箱。
图3 DH2005型直流辉光等离子实验装置
图4 直流放电管气路连接示意图
图5旋片式机械泵的结构示意图
当中性原子和具有一定能量的电子发生非弹性碰撞时候，电子会把一部分的动能传给原子。这样会使得原子产生激发或着电离（电路图如图6所示）。
e-+GO-->G*+e-
E-+GO-->G++2e-
原子G*产生的时候会伴随着特定颜色的光，一部分等离子体也会在G+产生的时候产生
。
图 6
气体的低压放电可分为三个阶段：暗放点，辉光放点和电弧放电。各个阶段的放电可以在不同的领域有广泛的应用。放电强度的不一样可以划分这三个阶段，放电电压和电流是存在非常显著的差异的如果从内在的因素来看的话。如图7所示展示了暗区和放电区的电流-电压关系。
图 7
3.2 等离子特性的探究
3.2.1实验步骤
1. 首先要检查电路与气路是否连接，观察冷却水箱里的水有没有达到指定的标 准极板的距离大概要调到90mm左右。
2．观察电源的总开关是否打开，打开后要把冷却水的按钮按下。
3. 把流量计的开关关上，隔膜阀开关打开，真空泵的按钮也要按下，这时候对放电管抽真空。
4. 把电阻的真空计电源开关开上，记下放电管内的压强，压强要低于10pa。打开流量计的开关，适当的调节流量计和进气流量。同时适当的调节隔膜阀使得实验时候的气压要稳定在20pa。
5. 把工作选择的开关打开到“辉光电测量”档，高压开关的按钮要按下，慢慢的调节旋钮。当调节到一定的电压时候，放电管内会发出蓝紫色的光（如图8所示）。缓慢的调节高压的旋钮，并且每次增加20V且要读出电流的值。（如表1所示）。
6. 本次试验结束的时候，要把高压的旋钮调到0，工作选择的开关要关闭，高压开关的按钮也要关闭，真空计也要关闭，真空泵开关也要关闭，冷却水也要关闭，最后必须要关闭总电源。
图8 直流辉光等离子体放电现象
3.2.2相关数据
d=90mm P=20pa
序号 U /V I /mA 序号 U /V I /mA
1 410 0.093 16 710 0.962
2 430 0.129 17 730 1.034
3 450 0.180 18 750 1.104
4 470 0.231 19 770 1.196
5 490 0.269 20 790 1.281
6 510 0.324 21 810 1.372
7 530 0.384 22 830 1.470
8 550 0.431 23 850 1.571
9 570 0.489 24 870 1.673
10 590 0.553 25 890 1.784
11 610 0.612 26 910 1.892
12 630 0.669 27 930 1.923
13 650 0.742 28 950 2.142
14 670 0.812 29 970 2.210
15 690 0.889 30 990 2.313
表1 放电电流与电压的的值
3.2.3 数据处理
由表1可以描绘出放电管内气体的伏安特性曲线（如图9所示）
图9 气体放电电压与电流的关系
第三章 等离子溅射镀膜
3.1 溅射镀膜的方法
1.三电极溅射方法
之所以称为三电极溅射就是因为在以前两电极的装置上加上了第三电极的装置。第三电极作为生成等离子用的电子供应源放出热电子。而又有时候为了放射热电子，使放电稳定化而设置了稳定的电极，所以这种装置又可以被称为四电极溅射装置。金属的高速溅射，制得了几十微米厚的镀层。但是这种装置有一个缺陷就是不能抑制靶材的高速电子轰击基板。这样的话会使得工件温度会显著的上升，还有一个障碍就是灯丝的寿命会影响装置连续工作的时间。
2.磁控管溅射
磁控管溅射法是在与靶表面平行的方向上加一个磁场。如图10所示，因为从靶面溅射出来的高速电子发生偏转而不轰击基片，这就使得电子冲击基片温度不会太高。这样的话也会促进惰性气体离子化。所以可以在0.001帕斯卡的低压情况下进行溅射镀膜。这时的基片所处的环境温度比较低只有100摄氏度。
图 10 磁控管溅射仪器
3.对向靶溅射法
有些物质镀膜的要求是在高速低温的条件下，比如铍莫合金，氧化铁等磁性物质镀膜就是要在这样的情况下进行镀膜。记录材料来说，它们镀膜的要求是在高速低温的条件下。研制出了对向靶溅射的方式。如图11所示，把两块靶材相对布置，基片位于靶的一侧，由线圈产生的外加磁场垂直地加在磁性材料靶的表面，在这里磁场的方向和电场的方向是平行的。这样就可以把Y电子封闭在两个靶之间的空间里，并可促进气体的离子化。因为工件设在靶材的侧面，就可完全不受高速电子的轰击，保证了它的低温。该法的研制成功使超高密度磁记录有了可能。
图 11 对向靶溅射装置示意图
3.2直流溅射的工作原理
由之前的内容可以发现溅射镀膜的方法有好多种的比如：1.三电极溅射方法2.磁控管溅射3.对向靶溅射等等。接下来重点介绍本次论文实验的方法----直流溅射。
我们所说的溅射就是当高速飞行的离子，射向靶面的时候靶上的原子会飞出来，这种现象是在靶上发生的。
摘 要
等离子体技术在生活中发挥着很大的作用，本文介绍等离子体产生的原理与其基本特性和在工业上的应用。本次论文实验主要运用DH2005型直流辉光等离子体装置产生等离子体，观察等离子体，研究并描绘了气体放电的伏安特性曲线。运用DHPS-1型多功能直流溅射实验装置，通过对工作气体流量和基片温度的控制和靶面与基片距离的调节，在适当的电压下产生等离子体，在待镀的基片上形成了金属薄膜，然后将薄膜退火，最终用XRD检测法检测了薄膜的结构。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:等离子体溅射镀膜
目 录
第一章 引 言 1
1.1等离子体产生的原理 1
1.2等离子体的特性 2
1.3等离子体在工业上的应用 2
第二章 等离子特性的探究 4
3.1直流辉光等离子实验装置与原理 4
3.2等离子特性的探究 7
3.2.1 实验步骤 7
3.2.2 实验数据 8
3.2.3 数据处理 8
第三章 等离子溅射镀膜 10
3.1溅射镀膜的方法 10
3.2直流溅射的工作原理 11
3.3 DHPS-1多功能直流溅射实验装置 12
3.4 等离子溅射镀膜 14
3.4.1 设备安装及调试 14
3.4.2 设备操作及使用注意事项 14
3.4.3 实验步骤 15
3.4.4 实验结果 17
3.5 样品检测 18
3.5.1 样品退火 18
3.5.2 XRD检测 19
3.5.3 测量结果 20
结 束 语 21
参考文献 22
致 谢 23
第一章 引 言
1.1 等离子体产生的原理
在等离子的气体中，我们可以用形如双原子分子的XY结构的类型分子来描述。实验中当用电子碰撞此类的分子时，如果电子所拥有的能量比较小,那么电子会和双原子分子发生大家所熟悉的弹性碰撞，而发生弹性碰撞的时候电子的动能是不会发生改变的。但是如果当电子碰撞的时候拥有很高的能量,那么电子和核碰撞的时候会获得很大的能量。这些电子会被激发到离核比较远的地方，这些分子可以叫做激发状态的分子。双原子分子可以用XY来描述，如果激发态的分子从比较高的能级跃迁到比较低的能级时候会发出些多余的能量，这个过程就可以叫做“退激”过程。
分子是可以电离的，那么在何种情况下分子会发生电离呢，大量的科学实验研究表明,如果碰撞的电子拥有很高的能量,那么电子就可以脱离核的束缚(如图1)所示。
电子对XY型分子碰撞也可以使此分子分解成为X原子和Y原子。可以用“：”来表示分子中成键的电子对，分解之后可以表示为X:Y—>X+Y。这样的电子会使分子容易发生化学反应，所以可以称为化学活性或者基团(如图2)所示。
1.2 等离子体的特性
等离子体的基本反映过程 等离子体特性应用
激发: XY +e → XY* +e 发光特性(光学应用)
退激: XY* → XY +hv (光子)
离解: XY + e →X+Y+ e 化学活性(化学应用)
电离: XY +e → XY* + 2e 或 X* +Y + 2e 导电性 (电气应用)
电子和离子在电场中受加速 高速粒子(力学应用)
粒子间的碰撞产生热效应,粒子和固体表面的碰撞 产生高温(热学应用)
1.3 等离子在工业上的应用
1.等离子可以处理生活中的废物
在实际的生活中我们会制造出很多废物，甚至很多废物是有毒的，我们都知道好多生活垃圾是用火来焚烧的，这样的话会产生出很多有毒的气体，然后这种现象将不复存在了，因为我们现在可以用等离子体来处理危险废物。等离子体可以产生很高的温度能达到几万摄氏度，即使在等离子体的边缘也有几千摄氏度的高温，这种技术很好的处理废物甚至可以处理一些有毒有害的物质并且能把有毒有害的物质转变成可以利用的资源。
2.等离子体可以裂解煤而制成乙炔
我们可以运用等离子体技术裂解煤从而制得乙炔，这时候等离子体产生的温度可以达到很高能够达到5000摄氏度左右，氢气和等离子产生的煤粉发生化学反应可以生成混合气体的乙炔。然后经过分离可以得到浓度很高质量很好的乙炔。
3.等离子体可以实现很好的灭菌效果
现实生活中我们有很多东西需要在低温情况下灭菌，比如塑料，光纤之类的物质，这些物质不能再高温下进行灭菌，如果在高温下灭菌会使得物质发生变化，等离子体可以实现高科技的灭菌，当采用此方法时候可以在低温下灭菌不会对物质造成破坏，该项技术无毒无害是个非常好的灭菌技术。
4.等离子隐形技术
等离子体是大家所知道的五种基本物质形态之一，至于其他四种形态，除了大家知道的液态，气态，固态以外还有超密态。如果从宏观的物理的角度来看等离子体的话那么它是电中性的，它是一种气体由离子组成。这就造成了它拥有很多物质所没有的特点。同时好多军事家门都认为等离子体在未来的军事中会有很大的影响力。他们认为如果哪个国家首先掌握了等离子的特性那么这个国家就能在军事上处于优势的状态，从目前各个国家掌握的知识来看等离子技术还处在一个概念理论和实验的初级阶段，但在未来必然会被人们所应用。
第二章 等离子特性的探究
等离子产生的方法有好多种，本章主要探究直流辉光等离子体的特性。
2.1 直流辉光等离子实验装置与原理
本实验所采取的装置是采用DH2005型直流辉光等离子实验装置（如图3所示）。等离子产生主要会被3种因素影响：1.工作气压2.工作气体3.电极距离。
真空，测量，电源，水冷还有供气等系统是组成直流辉光等离子体的装置，其设置的核心是气压可以调节。其中电极的距离是可以被改变的，放电气体可选择的等离子体激发管，如图4说明了它的原理，旋片式机械泵（如图5所示）和相应的阀门组成了这个装置的真空系统，直流稳压电源及电压和电流数显示组成了电源盒测量的系统，水冷系统自带循环冷却水，对其进行冷却的方法是依靠自带的水箱。
图3 DH2005型直流辉光等离子实验装置
图4 直流放电管气路连接示意图
图5旋片式机械泵的结构示意图
当中性原子和具有一定能量的电子发生非弹性碰撞时候，电子会把一部分的动能传给原子。这样会使得原子产生激发或着电离（电路图如图6所示）。
e-+GO-->G*+e-
E-+GO-->G++2e-
原子G*产生的时候会伴随着特定颜色的光，一部分等离子体也会在G+产生的时候产生
。
图 6
气体的低压放电可分为三个阶段：暗放点，辉光放点和电弧放电。各个阶段的放电可以在不同的领域有广泛的应用。放电强度的不一样可以划分这三个阶段，放电电压和电流是存在非常显著的差异的如果从内在的因素来看的话。如图7所示展示了暗区和放电区的电流-电压关系。
图 7
3.2 等离子特性的探究
3.2.1实验步骤
1. 首先要检查电路与气路是否连接，观察冷却水箱里的水有没有达到指定的标 准极板的距离大概要调到90mm左右。
2．观察电源的总开关是否打开，打开后要把冷却水的按钮按下。
3. 把流量计的开关关上，隔膜阀开关打开，真空泵的按钮也要按下，这时候对放电管抽真空。
4. 把电阻的真空计电源开关开上，记下放电管内的压强，压强要低于10pa。打开流量计的开关，适当的调节流量计和进气流量。同时适当的调节隔膜阀使得实验时候的气压要稳定在20pa。
5. 把工作选择的开关打开到“辉光电测量”档，高压开关的按钮要按下，慢慢的调节旋钮。当调节到一定的电压时候，放电管内会发出蓝紫色的光（如图8所示）。缓慢的调节高压的旋钮，并且每次增加20V且要读出电流的值。（如表1所示）。
6. 本次试验结束的时候，要把高压的旋钮调到0，工作选择的开关要关闭，高压开关的按钮也要关闭，真空计也要关闭，真空泵开关也要关闭，冷却水也要关闭，最后必须要关闭总电源。
图8 直流辉光等离子体放电现象
3.2.2相关数据
d=90mm P=20pa
序号 U /V I /mA 序号 U /V I /mA
1 410 0.093 16 710 0.962
2 430 0.129 17 730 1.034
3 450 0.180 18 750 1.104
4 470 0.231 19 770 1.196
5 490 0.269 20 790 1.281
6 510 0.324 21 810 1.372
7 530 0.384 22 830 1.470
8 550 0.431 23 850 1.571
9 570 0.489 24 870 1.673
10 590 0.553 25 890 1.784
11 610 0.612 26 910 1.892
12 630 0.669 27 930 1.923
13 650 0.742 28 950 2.142
14 670 0.812 29 970 2.210
15 690 0.889 30 990 2.313
表1 放电电流与电压的的值
3.2.3 数据处理
由表1可以描绘出放电管内气体的伏安特性曲线（如图9所示）
图9 气体放电电压与电流的关系
第三章 等离子溅射镀膜
3.1 溅射镀膜的方法
1.三电极溅射方法
之所以称为三电极溅射就是因为在以前两电极的装置上加上了第三电极的装置。第三电极作为生成等离子用的电子供应源放出热电子。而又有时候为了放射热电子，使放电稳定化而设置了稳定的电极，所以这种装置又可以被称为四电极溅射装置。金属的高速溅射，制得了几十微米厚的镀层。但是这种装置有一个缺陷就是不能抑制靶材的高速电子轰击基板。这样的话会使得工件温度会显著的上升，还有一个障碍就是灯丝的寿命会影响装置连续工作的时间。
2.磁控管溅射
磁控管溅射法是在与靶表面平行的方向上加一个磁场。如图10所示，因为从靶面溅射出来的高速电子发生偏转而不轰击基片，这就使得电子冲击基片温度不会太高。这样的话也会促进惰性气体离子化。所以可以在0.001帕斯卡的低压情况下进行溅射镀膜。这时的基片所处的环境温度比较低只有100摄氏度。
图 10 磁控管溅射仪器
3.对向靶溅射法
有些物质镀膜的要求是在高速低温的条件下，比如铍莫合金，氧化铁等磁性物质镀膜就是要在这样的情况下进行镀膜。记录材料来说，它们镀膜的要求是在高速低温的条件下。研制出了对向靶溅射的方式。如图11所示，把两块靶材相对布置，基片位于靶的一侧，由线圈产生的外加磁场垂直地加在磁性材料靶的表面，在这里磁场的方向和电场的方向是平行的。这样就可以把Y电子封闭在两个靶之间的空间里，并可促进气体的离子化。因为工件设在靶材的侧面，就可完全不受高速电子的轰击，保证了它的低温。该法的研制成功使超高密度磁记录有了可能。
图 11 对向靶溅射装置示意图
3.2直流溅射的工作原理
由之前的内容可以发现溅射镀膜的方法有好多种的比如：1.三电极溅射方法2.磁控管溅射3.对向靶溅射等等。接下来重点介绍本次论文实验的方法----直流溅射。
我们所说的溅射就是当高速飞行的离子，射向靶面的时候靶上的原子会飞出来，这种现象是在靶上发生的。
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