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摘 要

本课题采用电阻真空镀膜方法沉积不同厚度的金属Ni膜在Al₂ O₃单晶基片上，通过定量控制时间、距离、原材料的质量变化，探讨最适合在Al₂O₃单晶基片上镀Ni膜的条件。利用日本的JEE420高真空镀膜仪，以电阻蒸发方式制备Ni膜；利用Veeco的Dektak8表面轮廓仪，测试薄Ni膜的厚度和表面粗糙度；利用X射线衍射测试Ni膜的相结构，晶粒尺寸；利用利用原子力显微镜研究其表面拓朴结构；利用扫描电子显微镜，研究其形貌。

通过本实验的数据发现，当镀膜位置距离蒸发源为12.5 cm时Ni的质量小于0.4284 g时，镀膜表面容易产生开裂，从而影响到产品的性能；当Ni的质量处于0.4284-0.5654 g时，薄膜的增长从岛状生长逐渐先层状生长方式过渡；当Ni的质量大于0.5654 g时，由于Wu丝与熔融的Ni发生作用而形成较脆的镍钨合金，容易断裂而影响到实验的进行。

关键词：Al₂O₃单晶基片 电阻真空镀膜 薄膜增长 表面形貌

Structure and morphology of Ni films on Al₂O₃ single crystal substrates

Abstract

Al₂O₃ is well known that single-crystal substrate have a high temperature, chemical resistant, chemical stability, excellent thermal conductivity, thermal properties, dielectric properties, excellent electrical properties and chemical stability and others. Since the metal surface is difficult to infiltrate the Al₂O₃ single crystal substrate. Surface morphology impact on performance is particularly prominent. So we need to single crystal substrate metal which can help us make the Al₂O₃ single crystal substrates easier plating in the production and processing, while improving the binding force between the metal and expand the scope of application.

Through the experiment data, found that when the quality of the Ni is smaller than 0.4284 g, the coating surface is prone to cracking, which affect the performance of the product; When the quality of the Ni is in 0.4284-0.5654 g, the growth of thin films from the island growth gradually first layer transition; When the quality of the Ni is greater than 0.5654 g, because Wu silk and molten Ni interact to form a brittle nickel-tungsten alloy, easy to fracture and affect the experiment.

Key Words: Al₂O₃ single crystal substrates; Resistance vacuum coating; Film growth; Surface morphology

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 文献综述 1

1.2.1 Al₂O₃单晶的性能及应用 1

1.2.2 薄膜成核与生长 3

1.2.3 气相沉积镀膜法 4

1.2.4 真空镀膜技术 6

1.2.5 原子力学显微镜 9

1.2.6 扫描电子显微镜 10

1.3 研究内容及目的 10

第二章 实验原材料及方法 12

2.1 实验原料与仪器设备 12

2.2 工艺流程 12

2.3 实验步骤及原理 13

2.3.1 Ni膜的制备 13

2.3.2 测量Ni膜厚度 14

2.3.3 利用电镜研究表面形貌 14

第三章 实验结果与分析 15

3.1 实验数据 15

3.2 实验分析 15

3.2.1 Ni单质的质量的变化对所镀的Ni膜厚的影响 15

3.2.2 SEM观测表面形貌 16

3.2.3 AFM观测表面形貌 17

第四章 实验结论 21

参考文献 22

致谢 24

第一章 绪论

1.1 引言

随着科技的发展，信息高速公路、数字地球等新概念的提出，影响并带动了全球科技的发展。目前环保科技、生命科学、材料科学和纳米科技是高科技重点研究的领域。但下个世纪的基本元件将是纳米电子集成电路。它是微电子器件的下一代，有自己的理论技术和材料。现有的微电子器件，是纯的硅、锗和稼砷等晶体半导体作为主要材料，依据历史文献知道，真空镀膜技术制备的平整基底，满足纳米电子器件进行组装的需要。表面薄膜研究、纳米及微电子器件等技术的发展，仪器开发与监测方法体系的研究，将成为真空镀膜技术发展的重点研究^[1]。

为了使金属与Al₂O₃单晶基片有很好的结合强度的，我们需要比较系统地研究金属化过程，适当的增加基体的接触面积，提高基体的表面粗糙度，探索最适合镀膜的条件，已获得比较理想的表面形貌，以往试验研究表明：与无Ni膜相比，经过镀Ni膜处理的Al₂O₃单晶基片与铸件基体的界面强度可增大5倍以上。金属-陶瓷界面的结构与性能，自1960年以来已经有许多研究的重点，主要包括金属陶瓷的粘接，钎焊，微电子包装，薄膜技术，金属氧化的耐高温过程，光伏电池，保护涂层金属，生物活性植入物涂料，以及高温下的飞机部件^[2-5]。固—固界面研究的复杂性，不仅产生于两侧界面的长程原子排序的不同，还受到其界面形成的各种各样的缺陷、独特的结构、不同的组成的影响，从而抑制了界面现象的量化处理。

1.2 文献综述

1.2.1 Al₂O₃单晶的性能及应用

Al₂O₃单晶又称“蓝宝石”，是一种常用的红外光学材料，Al₂O₃单晶具有很宽的透过波段（0.15~7 μm），是一种极为理想的多光谱、宽波段窗口材料。与普通的宽波段窗口材料相比，它具有优异的机械特性和光学特性，所以常被用为红外材料；同时，蓝宝石还具有极好的电气特性和化学稳定性好等优点。欲获得尺寸大、质量高的蓝宝石单晶，需选取适合的生长方式。从熔体中生长的晶体，具有高纯度、生长速率快和晶体完整性好等优点，是目前制备大尺寸的单晶最常用到晶体生长方式^[6]，同时，研究表明提拉法是生长蓝宝石单晶最普遍的方法^[7]。

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