Ćwiczenie 33	Technika próżni i preparatyka nanoszenia warstw metalicznych	Ocena teorii
Zespół nr 6	Wczelik Jakub	Ocena sprawozdania
2 III 1999	Wydz. E.A.I. i E., Rok 1, Grupa 5	Uwagi

Próżnią nazywa się stan panujący w obszarze wypełnionym gazami, których ciśnienie jest niższe od ciśnienia atmosferycznego. Z wysoką próżnią mamy do czynienia, gdy zawiera się ono w granicach 10^-1 - 10¹⁶ Pa. Próżnię uzyskuje się w izolowanych komorach za pomocą pomp próżniowych: obrotowych (ciśnienia do 10^-3 Pa), lub dyfuzyjnych (ciśnienia do 10^-6 Pa). Innymi elementami aparatur próżniowych są m. in. odpowiednie złącza, zawory, przepusty, mieszki, wykonywane z metalu (rzadziej ze szkła), jak również odpowiednie mierniki (np. manometry).

Próżnia wykorzystywana jest w wielu procesach technologicznych, głównie dzięki łatwości otrzymywania czystych chemicznie substancji, przeprowadzania dyfuzji, domieszkowania, uzyskiwania warstw przez naparowywanie, lub napylanie. Próżnia jest również stosowana tam, gdzie trzeba zmniejszyć do minimum opory, lub korozję, np. w nowoczesnej elektronice.

Ćwiczenie ma za zadanie zapoznanie techniki próżniowej poprzez wykorzystanie podstawowej aparatury do uzyskiwania próżni, i napylenie warstwy metalu na szklane płytki.

Cele ćwiczenia:

Głównym celem pomiarów było wyznaczenie zależności między zmierzoną grubością napylonych próżniowo warstewek srebra, a ich oporem właściwym, oraz późniejsze powiązanie tejże zależności z tzw. Efektem rozmiarowym. Dodatkowo na podstawie wykonanych pomiarów należało wykreślić krzywą działania pompy próżniowej.

Przebieg ćwiczenia:

• Zapoznanie się z budową i zasadami działania sprzętu: urządzenia próżniowego do rozpylania katodowego, próżniomierza i stanowisk do pomiaru grubości i oporu właściwego napylonych warstw.

• Uruchomienie pompy próżniowej i pomiary czasu uzyskiwania próżni.

• Rozpoczęcie i obserwacja pokrywania szklanych płytek warstwami srebra za pomocą rozpylania katodowego.

• Po spreparowaniu płytek pomiary: grubości warstw metodą transmisji optycznej i oporu właściwego warstw za pomocą czteropunktowej sondy do pomiarów elektrycznych.

Podczas działania pompy próżniowej wykonano sześć pomiarów czasu w chwilach, gdy wartość ciśnienia osiągała wartości oznaczone na skali logarytmicznej próżniomierza: odpowiednio 1, 0.5, 0.2, 0.1, 0.05, i 0.01 tora. Dokładność próżniomierza wynosi 10%, pomiaru czasu ±2 s.

Srebro napylono na pięć płytek, otrzymując na każdej z nich warstwę różnej grubości dzięki umieszczeniu ich w urządzeniu próżniowym w różnych odległościach od źródła atomów srebra (katody).

Następnie dla każdej z pięciu płytek wykonano po jednym pomiarze grubości. Po umieszczeniu płytki w urządzeniu do pomiaru transmisji optycznej odczytywało się wynik w skali procentowej, następnie porównywało się go z wzorcową krzywą kalibracyjną dla długości fali świetlnej λ = 500 nm prześwietlającą warstwę srebra, z której można było wprost odczytać grubość warstwy w angstremach. Niestety, ze względu na dużą bezwładność miernika i niedokładność wykresu krzywej kalibracyjnej błąd metody sięga tu 15%.

Wyniki otrzymane dla spreparowanych płytek:

Odczyt [%]	Grubość warstwy [Å]
47	120
14	310
12	350
7	410
5	440

Pomiary elektryczne warstw wykonano za pomocą tzw. sondy czteropunktowej. Składa się ona z czterech elektrod, które można delikatnie przytknąć do warstwy metalu. Środkowe dwie elektrody są końcówkami woltomierza, natomiast elektrody zewnętrzne tworzą wraz z warstwą zamknięty obwód prądu z włączonym miliamperomierzem. Takie rozwiązanie pozwala na uniknięcie błędów pomiaru napięcia spowodowanych punktowym przyspawaniem do płytki elektrod prądowych.

Znając z pomiaru średnie wartości napięcia U_śr. i natężenia I_śr. przepływającego przez próbkę prądu stałego, możemy wg prawa Ohma wyznaczyć opór liniowy R_S warstwy przewodnika, oraz opór powierzchniowy R_P , dany relacją:

R_P = 4.2·R_S ,gdzie

Opór właściwy możemy następnie wyznaczyć ze wzoru:

,

gdzie d jest wyznaczoną grubością warstwy. Zatem:

ρ = 4.2·R_S·d.

Zestawienie wyników:

d [ ]	Iśr. [mA]	Uśr. [mV]	RS [Ω]	ρ [Ω·m·10^-8]
120	8,03	5,9	0,73	3,70
310	7,56	2,1	0,28	3,65
350	7,64	1,8	0,24	3,54
410	7,95	2,2	0,28	4,85
440	7,54	1,3	0,18	3,24

Efekt rozmiarowy:

Rezystancja elektryczna w metalach spowodowana jest rozpraszaniem się nośników prądu - elektronów na defektach sieci krystalicznej oraz na drganiach termicznych sieci, tzw. fononach. Zwykle opór metalu zależy wyłącznie od materiału i temperatury, nie zależy natomiast od kształtu i wielkości przewodnika. Jednak w przypadku przewodnictwa bardzo cienkich warstw, kiedy grubość warstwy d staje się porównywalna ze średnią długością drogi swobodnej elektronów (kilkaset Å), rezystancja rośnie.

Efektem rozmiarowym nazywa się wpływ zwierciadlanych rozproszeń elektronów na granicznych powierzchniach cienkiej próbki.

---