电子功能薄膜制备与测试

实验一 真空的获得与测量 一实验原理 真空:“低于一个标准大气压里的气体状态”。 相对于大气状态，在真空状态下气体的新特点： 实验一 真空的获得与测量 一实验原理 真空:“低于一个标准大气压里的气体状态”。 相对于大气状态，在真空状态下气体的新特点： 1：气体分子数目的减少，即气体单位体积中所具有的分子数目的减少； 2：伴随着气体分子数目的减少，分子之间、分子与器壁之间相互碰撞的次数逐渐减少； 3：气体分子热运动自由路程的增大。

真空的划分 真空高低的程度是用真空度这个物理量来衡量的，所谓真空度，即是指低压空间中气态物质的稀薄程度。气体的压力越低，其稀薄程度越大，真空度越高。

机械泵:

扩散泵

真空的测量: U型压力计 热偶真空计（热偶规）

3) 电离真空计（电离规）:

二实验内容及步骤:

1. 开启设备电源，检查放气阀已经关闭。 2. 启动机械泵，打开活塞使机械泵与真空室相连，当真空系统的压强到1.3Pa以下时，接通油扩散泵的冷却水，接通加热电源，使扩散泵开始工作。 3. 测量压强的工作要一直进行，要注意扩散泵加热后压强的变化。当温差电偶真空计显示的系统的压强达到0.13Pa时，打开电离真空计电源，预热10分钟后，再使用电离真空计继续进行测量。

4.每隔30秒测量一下压强值并记录。 5.结束实验时，首先断开电离真空计和复合真空计的总电源开关，然后断开扩散泵的加热电源，大约过20分钟后，关闭真空泵与真空室相连阀门，最后切断机械泵电源，真空系统内保持真空，并使机械泵的内部与外界大气相通，同时关闭扩散泵的冷却水。最后依次关闭各电源。

三 注意事项: 1) 对玻璃系统操作一定要轻缓，事先把步骤 拟好，正确无误方可进行实验。 2) 开泵之前一定要关闭放气阀，关泵之前一定要先关闭阀门，然后停泵并立即打开放气阀。 3) 扩散泵开启之前，一定要先使用前级机械泵把真空室抽到一定的真空度。

四 思考题: 1) 使用温差电偶真空计、电离真空计测量的步骤是什么？ 2) 在什么条件下才可以给扩散泵加热？ 3) 突然停电、断水时应采取什么措施？

实验二 磁控溅射镀膜

一实验原理: 1)磁控溅射法是一种较为常用的物理沉积法。磁控溅射是在真空室中，利用低压气体放电现象，使处于等离子状态下的离子轰击靶表面，并利用环状磁场控制辉光放电，使溅射出的粒子沉积在基片上。

2)辉光放电是溅射的基础，溅射镀膜主要是利用辉光放电将氩气离子撞击靶材表面，靶材的原子被弹出而堆积在基片表面形成薄膜。辉光放电属于低气压放电(low pressure discharge)，工作压力一般都低于10mbar，其构造是在封闭的容器內放置两个平行的电极板，利用电子将中性原子和分子激发，当粒子由激发态(excited state)降回至基态(ground state)时会以光的形式释放出能量。

3) 射频溅射 如果靶材为绝缘体，则由于靶材表面带正电位，因而造成靶材表面与阳极的电位差消失，不会持续放电，无法产生辉光放电效应，所以若将直流供电改为射频电源，则绝缘体的靶材也可维持辉光放电。接入射频电源以后，辉光区的电子移动度将大于粒子移动度，靶材表面积累过剩电子，靶材表面直流偏压为负电位，如此即可继续溅镀。 射频放电虽然可在5~30MHz频率范围内进行，实际上，通常工业用频率为13.56MHz，主要是为了避免对通信的干扰，工作压强可降到0.13Pa或更低。

4)平面磁控溅射

二 实验内容及步骤 1)装片：对薄膜基片，先用水洗掉灰尘，再用超声波清洗干净，取出后用高纯度氮气吹干，把干净的基片放在样品架指定位置。 2)开机，依次开启冷却循环水机、开机械泵、真空计，当真空小于10Pa时，开分子泵（“电源”和“启动”），当真空在10-3Pa量级（约20min）时，可满足磁控靶工作真空条件。

3)磁控溅射操作： 基片加热至所需温度，开气瓶阀门→开减压阀→关高真空测量（开低真空测量）→检查质量流量控制器流量应为最小（零位）和“关闭”状态→开质量流量控制器电源→调节流量同时观察低真空指示≥0.5Pa→直流源操作（RF源操作下述），将电压电位器调到最小（逆时针）→开ON开关→增加电压同时观察电流指示到所需功率（VI）→镀膜达到所需厚度时进行“关机操作”。 RF源操作 先选200W量程，调Ua电位器有指示，看pf•pr比例，要求pf：pr>5:1，调好200V→Ua电位器逆时针最小→开UT10分钟→开Ua “ON” →调C1和C2，使反射功率最小→增加Ua电压≥500V，同时观察自偏表头指有指示说明开始辉光放电→达到所需厚度时进行“关机操作”。

4)关机操作： 关电源→将电源电位旋钮逆时针最小（DC和RF类同）→关工作气体（将质量流量计流量调到零位，同时将控制开关调到“关闭”位置）→关基片自动挡板→关基片片加热控制→待基片温度降到接近室温可将基片从镀膜室取出。

三 注意事项 1)磁控靶在RF源工作状态时，若功率到300W还不能正常工作（不起辉），可适当增加工作气压（不同靶材工作气体压强不同）。 2)质量流量控制器操作前务必关闭高真空电离规测量。 3)质量流量控制器“清洗状态”，慎重使用，只有当该控制器严重污染导致“漏气”时才使用。 4)RF源工作时，“反射”功率要反复调节，才能达到最小。 5)RF工作时，设备地线“质量”很关键，若接地电阻太大或有干扰，会导致真空测量及其他部件不能正常工作。 6)基片加热停止后不要即刻给镀膜室“放气”，否则会导致薄膜氧化影响质量。

四 思考题 1)为什么通入气体以前，必须关闭高真空电离规？ 2)实验过程中出现不起辉的问题，怎样处理？

实验三 电子束蒸发镀膜

一 实验原理: 1)真空蒸发是制备薄膜的一种常用工艺，在工业上应用较多。具体过程是：通常在真空度为10-4-10-5Torr的真空室内进行，采用电阻式加热、 电子束加热、电弧加热及激光加热等加热方法，是金属或者合金等材料蒸发和升华，由固态变为气态（原子、分子或原子团）；蒸发的气态粒子通过基本上没有碰撞的直线方式从蒸发源传输到基片上，并在基片上沉积成膜。导电材料、介质材料、磁性材料和半导体材料等，都可以通过真空蒸发工艺制备。

2)真空蒸发原理 蒸发镀膜要求从蒸发源出来的蒸汽分子或原子，到达被镀膜基片的距离要小于镀膜室内残余气体分子的平均自由程，这样才能保证蒸发物的蒸汽分子能无碰撞地到达基片表面。气体分子运动平均自由程公式：

根据克拉贝龙方程，物质的蒸气压Pv是是温度T的函数。对于质量为M的物质，其蒸发率可用下式表示：

3)电子束蒸发

二实验内容及步骤: 1)基片清洗以及安装：对薄膜基片，先用水洗掉灰尘，再用超声波清洗干净，取出后用高纯度氮气吹干，把干净的基片放在样品架指定位置。 2)镀膜材料的准备，安放在蒸发用坩埚内。 3)盖好钟罩，抽真空，达到蒸发镀膜的真空要求（10-4Pa左右）。 4)开启坩埚的加热电源，烘烤样片。 5)预熔镀膜材料。 6)移开基片的挡板，设定样片基片的加热程度，把蒸镀材料的加热到一定温度（熔点以上），开始蒸镀。 7)蒸膜厚度达到要求以后，把挡板拨回原位，依次关闭镀膜材料、基片的加热电源，等基片冷却到室温左右，关闭真空泵，开启钟罩，取出样片进行测试。

三注意事项 1)预熔镀膜材料时要保证挡板挡在样片上。 2)样片取出前要冷却样片到室温左右。

四 思考题: 1)真空度对电子束蒸发镀膜有什么影响？ 2)为什么沉积薄膜之前，要先烘烤样片？

实验四 硅光电池特性研究

一实验原理: 1)光电池简介 光电池是一种很重要的光电探测元件，它不需要外加电源而能直接把光能转换成电能．最受重视的是硅光电池，因为它有一系列优点：性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，转换效率高，能耐高温辐射等．同时，硅光电池的光谱灵敏度与人眼的灵敏度较为接近，所以很多分析仪器和测量仪器常用到它．

2)硅光电池简介 硅光电池分为晶体硅光电池以及a－Si（非晶硅）光电池两大类。 晶体硅光电池主要分为单晶硅与多晶硅光电池，用P型（或n型）硅衬底，通过磷（或硼）扩散形成PN结成制作，生产技术成熟，是光伏市场上的主导产品。采用埋层电极、表面钝化、强化陷光、密栅工艺、优化背电极及接触电极等技术，光电转换效率有较大提高。 a－Si（非晶硅）光电池一般采用高频辉光放电方法使硅烷气体分解沉积而成。由于外解沉积温度低，可在玻璃、不锈钢板、陶瓷板、柔性塑料片上沉积约1μm厚的薄膜，易于大面积化，成本较低，多采用PIN结构。

3)光电池的工作原理-光生伏特效应

4)硅光电池的负载特性

二 实验内容及步骤 1)准备若干待测量硅光电池； 2)打开模拟器的电源，打开氙灯和降温风扇； 3)把标准电池接入模拟器测试端，调节光强使得输出达到AM1.5的标准测试条件； 4)接入硅光电池，开始测量，并记录测试结果。

三 注意事项 1)开启氙灯同时要打开降温风扇； 2)调节光强，使输出达到合适条件。

四 思考题 1)实验中所用光源功率变大，光电池的哪些参数发生变化？ 2)硅光电池的输出与入射光照射瞬间有没有滞后现象？

实验五 太阳能电池窗口材料- ZnO的光学特性研究

一实验原理: 1)氧化锌: ZnO薄膜是一种光学透明薄膜，纯ZnO及其掺杂薄膜具有优异光电性能，用途广阔，而且原料易得、价格低廉、毒性小，是一种在高新技术领域及广阔的民用领域极具发展潜力的薄膜材料。ZnO薄膜作为极好的透明电极材料，主要用作太阳电池的窗口材料，对促进廉价太阳电池的发展具有重要意义。

优质的ZnO薄膜具有C轴择优取向生长的众多晶粒，每个晶粒都是生长良好的六角形纤锌矿结构，晶格常数a=0. 325nm，c=0 优质的ZnO薄膜具有C轴择优取向生长的众多晶粒，每个晶粒都是生长良好的六角形纤锌矿结构，晶格常数a=0.325nm，c=0.521nm，ZnO薄膜的电阻率高于10-8Ωcm。ZnO薄膜的高电阻率与单一的Ｃ轴结晶择优取向决定了它具有良好的压电常数与机电耦合系数，可用作各种压电、压光、电声与声光器件。制备条件、掺杂、退火均能不同程度的改变氧化锌薄膜的特性，使其拥有更大的应用范围。譬如通过掺杂或退火条件可形成ZnO简单半导体，导电性能大幅提高，电阻率可降低到10-2Ωcm数量级。

2)光谱吸收原理 半导体材料通常能强烈地吸收光能。在光吸收过程中，具有一定能量的光子，将电子从低能态激发到高能态。电子从激发态回到基态并发射光子的过程，称为复合跃迁。与跃迁过程相对应，在半导体的透射光谱和发光光谱图上留下特征性的谱线或谱带，研究这些谱线或谱带可以了解半导体中相应的能量状态及其间的跃迁过程，这些跃迁过程包括带—带跃迁、激于跃迁、子带间跃迁、和杂质中心有关的跃迁、自由载流子的带内跃迂、晶格振动态之间的跃迁和共振等等。在紫外和可见光波段，有时包括近红外波段是电子从价带跃迁到导带引起的强烈吸收区域，称为基本吸收区，这是半导体光吸收过程中最为重要的一部分，其吸收系数可高达104－105cm-1。跃迁过程伴随着非平衡裁流子的产生和光电导现象的出现。在这一吸收区的低能端，吸收系数很陡峭地下降，可以在10－102 meV的能量范图内下降3—4个数量级之多。

3) ZnO薄膜的光学特性测试 高阻ZnO薄膜透光率与波长的关系

低阻ZnO:Al薄膜透光率与波长的关系

4)磁控溅射法制备ZnO薄膜 磁控溅射法是目前（尤其是国内）研究最多、最成熟的一种ZnO薄膜制备方法, 此法适用于各种压电、气敏和透明导体用优质ZnO薄膜的制备。用此法即使在非晶衬底上也可得到高度Ｃ轴取向的ZnO薄膜。溅射可分为普通溅射和反应溅射。若靶材是Zn，沉积过程中Zn与环境气氛中的氧气发生反应生成ZnO则是反应溅射；若靶材是ZnO陶瓷，沉积过程中无化学变化则为普通溅射法。

二 实验内容及步骤: 1)开机 2)基片的清洗以及装片 3)磁控溅射制备高阻ZnO薄膜 4)关机，取出薄膜样片 5)使用XRF测试ZnO薄膜的成分组成，对比不同实验条件制备的样片的成分组成 6)使用台阶仪测试薄膜厚度，对比不同溅射时间与样片厚度的关系 7)使用组合测试仪测试ZnO薄膜的光学性质，分析薄膜透过谱，计算制备样片的禁带宽度。

三 思考题 1)ZnO薄膜的光学性质和薄膜厚度有什么关系？ 2)ZnO的透过率不理想的原因是什么？

实验六 超导薄膜特性研究

一实验原理: 1)超导薄膜介绍： 超导体具有两大宏观特征，即零电阻和完全抗磁性（即迈斯纳效应）。由于零电阻特性，因而超导体可以输送大电流不发热，几乎不损耗能量。超导体进入超导态，内部不再有剩余磁通，被称为超导体的第二个特性--完全抗磁性，也就是迈斯纳效应。可以简化地用超导体内磁感应强度为零表示。 超导薄膜材料是厚度小于1微米的超导材料。超导薄膜除几何尺寸与块状超导体不同外，其结构和超导性质也有较大差别。对于块状超导体，磁场穿透层很薄 ，可以忽略不计，具有完全的抗磁性。但是超导薄膜的磁场穿透层与薄膜相比，就不能忽略不计。此外，当超导薄膜厚度很小时（小于10纳米），它的超导临界转变温度将下降。

2)超导的主要特性参数以及测量 互感法测试超导转变温度原理图 (a)正常态的薄膜 (b)超导态薄膜:

二实验内容及步骤: 1)超导薄膜的制备 2)临界温度Tc的测量：薄膜放入Tc测量设备中，开启Origin软件，将样品放入液氮中，等待温度降低，观察 R-Tc测量曲线，出现零电阻时记录相应温度并保存。样片取出，升温。 3)临界电流密度Jc的测量：先在薄膜样品上刻蚀出一个宽度为微米量级的微桥，给微桥通以电流I，并监测微桥两端的电压V。使电流I不断增大，直至样品失超，电压V不为零，记录此时的电流即Ic。这里以电压降为1V/cm为判据来判定样品失超。利用样品的临界电流Ic，再除以样品的横截面积，即可计算出临界电流密度Jc。

4)表面电阻Rs的测量： 测量方案如图2所示。 为超导薄膜组成的蓝宝石介质谐振器无载品质因数。利用两个已知表面电阻的标准试样来组装谐振器，以此可以由测量得到的谐振器无载品质因素定出参数A与B。例如，可以在零电阻（Rs=0）时校正得到A=。再利用已知表面电阻的标准试样组装谐振器并测量品质因数，利用刚得到A 值求出B。确定A和B后就可以由高温超导薄膜组装的谐振器无载品质因数求出超导薄膜的表面电阻值。

三 注意事项 1)基片放入制备设备之前一定要保持清洁。 2)使用液氮时按流程操作，小心灼伤 3)刻蚀薄膜时要十分小心，如果出现桥断裂或者过刻蚀应重新刻蚀，以免影响测试结果。

四 思考题: 1)测量Tc时，如果R-T曲线不发生跳变，原因可能有哪些？ 2)磁测量Jc时，对磁场的大小有没有限制？