引言及真空技术基础.ppt

引言 薄膜材料薄膜材料的应用薄膜技术所研究的内容薄膜材料与纳米技术 usedapersonalcomputer usedaCDplayer usedatouchingscreeninanATM usedapairofglasses Haveyourealizedthatwithoutthinfilmtechnology therewouldbenomoderncivilization Haveyouever Worldwidemarketofrawmaterialsforthinfilmtechnology Themarkethasbeenestimatedat 7 1billionin2004andwasprojectedas 13 5billionby2009 itrisesataverageannualgrowthrateof13 7 薄膜材料的定义 利用特殊的技术手段 人为制得的 其一维尺度显著小于另外两维尺度的 具有特定性能与用途的材料 Athinfilmisalayerofmaterialwithahighsurface to volumeratio Itisaverythincoatingappliedtothingsthatweuseeveryday ThinFilmscanbemadeofmanydifferentmaterialsandcanbeappliedtoalmostanysurface Itisanimportantandexcitingbranchofmaterialscience 薄膜材料的特点 一般并不是单独存在的结合了不同材料的不同特性种类繁多需要使用特殊的制备与研究方法 为什么要发展薄膜材料 三个理由 不同材料特性的优势互补微电子技术 光电子技术的发展功能性结构的微小型化 薄膜材料的应用 耐磨 防腐与装饰涂层光学涂层光电薄膜微电子技术磁存储技术微机电系统 耐磨 防腐与装饰涂层 光学涂层材料 光电薄膜材料 微电子技术中的薄膜材料 MOSFET N N Polysilicon Thingateoxide Thickoxides Interconnectmetal Heavilydopedregion 磁存储技术中的薄膜材料 磁头与磁记录介质 微机电系统中的薄膜材料 微型反射镜组 Metals Al Cu Au Glass SiOx SiNx Ceramics YBCO PZT Semiconductors Si GaAs Polymers PE PMMA Thinfilmsmaterialsmayinclude 薄膜材料技术的研究内容 薄膜材料的制备技术手段 薄膜材料的结构理论 薄膜材料的表征技术 薄膜材料的体系 性能与应用 Oldpreparationproceduresinclude DippingSprayingPaintingElectro deposition 早期的薄膜制备方法 Dipping 小结 现代的薄膜材料科学与技术 Thinfilmtechnologyistheartandsciencetodepositthinlayersofmaterialsonasubstrateforvariousapplications Withamodernthinfilmtechnology themateriallayerisformedoneatomormoleculeatatime Ittakesplaceinvacuum todepositauniformlayerandtoavoidcontamination Example Acoaterfortoolcoatings AcoaterlineforCDsandDVDs Acoatingsystemforharddisks AclusteredcoatingsystemforIC Acoaterforflatpaneldisplays 第一章 薄膜制备的真空技术基础Fundamentalsofvacuumtechnologyinthinfilmstechniques 要点 气体分子运动论的基本概念真空获得的手段真空度的测量 薄膜材料的制备过程是 atombyatom 几乎所有的现代薄膜材料都是在真空或是在较低的气体压力下制备的 都涉及到气相的产生 输运以及气相反应的过程 薄膜材料与真空技术 气体分子的速度分布 Maxwell Boltzmann分布气体的压力 理想气体的状态方程气体分子的自由程 碰撞频率 1 1气体分子运动学的基本概念 H2和Al原子在不同温度下的速度分布 典型值 在T 300K时 空气分子的平均运动速度 va 460m s 大气压 atm kg cm2 barPa N m2Torr mm Hg 气体压力的单位与换算 1atm 1000mbar 0 1MPa1Torr 133Pa 薄膜技术领域 从10 7Pa到105Pa 覆盖了12个数量级 气体分子的自由程 空气分子的有效截面半径d 0 5nm 在常温常压下 气体分子的平均自由程 50nm 每个空气分子每秒钟内要经历1010次碰撞 在气体压力低于10 4Pa的情况下 其平均自由程 50m 每个空气分子每秒钟内只经历10次碰撞 气体分子间的碰撞几率已很小 气体分子的碰撞将主要是其与容器器壁之间的碰撞 气体分子对单位面积表面的碰撞频率 称单位面积上气体分子的通量 气体分子的通量 Knudsen方程 气体压力高时 分子频繁碰撞物体表面 气体压力低时 分子对物体表面的碰撞可以忽略 气体分子的通量 Knudsen方程 假设每个向表面运动来的气体分子都是杂质 而每个杂质气体分子都会被表面所俘获 则可估计出不同的真空环境中 清洁表面被杂质气体分子污染所需要的时间为 在常温常压下 3 5 10 9秒 10 8Pa时 10小时 这一方面说明了真空环境的重要性 同时 气体分子通量还决定了薄膜的沉积速率 在薄膜技术领域 人为地将真空环境粗略地划分为 低真空 102Pa中真空102 10 1Pa高真空10 1 10 5Pa超高真空 10 5Pa 真空度的划分 气体流动状态与气体压力 真空容器尺寸的关系 根据Knudsen准数Kn Kn110粘滞流状态 粘滞态气流的两种不同的流动状态 根据Reynolds准数Re Re 2200紊流状态Re 1200层流状态 真空系统中 气体的通过能力称之为流导C 真空系统的导流能力 流导 流导C的大小取决于真空系统 管路 的几何尺寸气体的种类与温度气体的流动状态 分子流或粘滞流 如对分子流 一个处于两直径很大的管路之间的通孔的流导为 不同形状管路的流导已被编制成图表不同流导C1 C2 C3间可相互串联或并联 构成总流导C串联流导 并联流导 就象描述气体流动的欧姆定律 真空系统的导流能力 流导 为获得真空环境 需要选用不同的真空泵 而它们的一个主要指标是其抽速Sp 其定义为 L s 真空泵的抽速Sp与管路的流导C有着相同的物理量纲 且二者对维持系统的真空度起着同样重要的作用 真空泵的抽速 有限流导情况下真空泵的抽速 当真空管路流导为有限 真空容器出口与真空泵入口处的气体压力不相等 但气体流量相等 泵的实际抽速S降低为 即抽速S永远小于泵的理论抽速Sp 且永远小于管路流导C 即S受Sp和C二者中较小的一个所限制 真空泵可以达到的极限真空度 实际的真空系统总存在气体回流 气体泄露 气体释放等现象 设其等效的气体流量Qp 0 并忽略管路流阻 流导C为无穷大 p pp 则气压随时间的变化曲线为 则极限真空度 1 3真空泵简介 输运式 排出式 机械式 旋片式机械真空泵 罗茨泵气流式 油扩散泵捕获式 内消式 可逆式 溅射离子泵不可逆式 真空泵的分类 旋片式机械真空泵的外形图 机械式 旋片式真空泵 简称旋片泵 是一种油封式机械真空泵 其工作压强范围为101325 1 33 10 2 Pa 属于低真空泵 它可以单独使用 也可以作为其它高真空泵或超高真空泵的前级泵 旋片泵可以抽除密封容器中的干燥气体 若附有气镇装置 还可以抽除一定量的可凝性气体 但它不适于抽除含氧过高的 对金属有腐蚀性的 对泵油会起化学反应以及含有颗粒尘埃的气体 1 3 1旋片式机械真空泵 旋片泵主要由泵体 转子 旋片 端盖 弹簧等组成 在旋片泵的腔内偏心地安装一个转子 转子外圆与泵腔内表面相切 二者有很小的间隙 转子槽内装有带弹簧的二个旋片 旋转时 靠离心力和弹簧的张力使旋片顶端与泵腔的内壁保持接触 转子旋转带动旋片沿泵腔内壁滑动 当转子按箭头方向旋转时 与吸气口相通的空间A的容积是逐渐增大的 正处于吸气过程 而与排气口相通的空间C的容积是逐渐缩小的 正处于排气过程 居中的空间B的容积也是逐渐减小的 正处于压缩过程 由于空间A的容积是逐渐增大 即膨胀 气体压强降低 泵的入口处外部气体压强大于空间A内的压强 因此将气体吸入 当空间A与吸气口隔绝时 即转至空间B的位置 气体开始被压缩 容积逐渐缩小 最后与排气口相通 当被压缩气体超过排气压强时 排气阀被压缩气体推开 气体穿过油箱内的油层排至大气中 由泵的连续运转 达到连续抽气的目的 如果排出的气体通过气道而转入另一级 低真空级 由低真空级抽走 再经低真空级压缩后排至大气中 即组成了双级泵 这时总的压缩比由两级来负担 因而提高了极限真空度 镇气阀 空气可通过此阀掺入排气室以降低压缩比 从而使大部分蒸汽不致凝结而和掺入的气体一起被排除泵外 旋片式机械真空泵的抽速曲线 极限真空度可达10 1Pa左右 但有油污染问题 1 3 2罗茨泵 机械式 罗茨泵的外形图 罗茨泵具有以下特点 在较宽的压强范围内有较大的抽速 起动快 能立即工作 对被抽气体中含有的灰尘和水蒸气不敏感 转子不必润滑 泵腔内无油 振动小 转子动平衡条件较好 没有排气阀 驱动功率小 机械摩擦损失小 结构紧凑 占地面积小 运转维护费用低 罗茨泵的结构示意图 罗茨泵不使用油作密封介质 少油污染其适用的压力范围是在0 1 1000Pa之间 在0 位 图a 下转子从泵入口封入v0体积的气体 当转到45 时 图b 该腔与排气口相通 由于排气侧压强较高 引起一部分气体返冲过来 当转到90 时 图c 下转子封入的气体 连同返冲的气体一起排向泵外 这时 上转子也从泵入口封入v0体积的气体 当转子继续转到135 时 图d 上转子封入的气体与排气口相通 重复上述过程 180 图e 位置和0 位置是一样的 转子主轴旋转一周共排出四个v0体积的气体 罗茨泵转子由0 转到180 的抽气过程 罗茨泵组成的真空机组的外形图 罗茨泵可与旋片式机械泵串联成真空机组使用 降低每台泵的负荷 扩大可获得的真空度范围 罗茨泵组成的真空机组的抽速曲线 组成机组使其极限真空度提高到10 2Pa 油扩散泵的外形图 气流式 当油扩散泵用前级泵预抽到低于1帕真空时 油锅可开始加热 沸腾时喷嘴喷出高速的蒸气流 热运动的气体分子扩散到蒸气流中 与定向运动的油蒸气分子碰撞 气体分子因此而获得动量 产生和油蒸气分子运动方向相同的定向流动 到前级 油蒸气被冷凝 释出气体分子 即被前级泵抽走而达到抽气目的 油扩散泵的结构 扩散泵油在高温下会发生氧化 因此扩散泵需要在优于10 2Pa的较高真空度下工作 油扩散泵组成的真空机组的外形图 由扩散泵组成真空机组 其极限真空可达1 10 5Pa 但油污染的问题较为严重 涡轮分子泵Turbomolecularpump 的外形图 机械式 涡轮分子泵的结构示意图 涡轮分子泵运转速度极高 因此需要在优于1Pa的较高真空度下运转 涡轮分子泵的抽速曲线 涡轮分子泵的极限真空度达10 8Pa 适用的压力范围在1 10 8Pa之间 涡轮分子泵 涡轮分子泵应用 涡轮分子泵对产生超纯净的生产条件起着非常重要的作用 在不同领域应用的例子 分析 质谱分析仪 电子显微镜等 半导体工业 电子零部件 集成电路 太阳能电池等 光学 玻璃工业 防热 防反射 反射 光学过滤涂层等 涂层技术 表面防护 装饰性涂层 显示器 屏幕等 真空冶炼 真空焊 真空烧结 真空合金 真空炉等 检漏技术 真空设备 车辆油箱 安全气囊 包装等 科研设备 核物理 聚变反应研究 激光应用等 照明用具行业 灯泡生产 低温吸附 液氦冷凝 泵cryopump的外形图 捕获式 低温吸附 液氦冷凝 泵的结构示意图 低温吸附泵的极限真空度可达10 8Pa 其效能取决于所用的低温温度 被吸附气体的种类 数量 吸附表面的面积等 溅射离子泵的外形图 捕获式 利用低温表面冷凝气体的真空泵 又称冷凝泵 低温泵是获得清洁真空的极限压力最低 抽气速率最大的真空泵 广泛应用于半导体和集成电路的研究和生产 以及分子束研究 真空镀膜设备 真空表面分析仪器 离子注入机和空间模拟装置等方面 北方的冬天 在玻璃窗上常结一层霜 这就是低温抽气作用 水蒸汽凝结在0oC以下的玻璃表面上 使空气中水蒸汽的分压强降低了 达到了抽除水蒸汽的目的 同理 如果设法使某一固体表面温度足够低 使其低于空气中主要气体成分的饱和蒸汽压温度 空气中大部份气体被凝结 达到了抽真空的目的 按这种原理抽真空的泵叫低温冷凝泵 利用低温表面上的吸附剂和打在其上的气体分子发生吸附而达到抽气作用的泵叫作低温吸附泵 溅射离子泵的结构示意图 溅射离子泵的极限真空度可以达到10 9Pa 溅射离子泵主要由阳极 阴极 磁场和电源四大部分组成 溅射离子泵又称潘宁泵 它是靠潘宁放电维持抽气的一种无油清洁超高真空泵 是目前抽惰性气体较好的真空获得设备 隔膜真空泵的外形图 隔膜泵的能力较小 1L s 极限真空度较差 100Pa 但无油污染问题 干泵系统的外形图 干泵的能力较大 100L s 极限真空度较高 10 2Pa 无严重的油污染问题 无油干式机械真空泵 又简称干式机械泵 是指泵能从大气压力下开始抽气 又能将被抽气体直接排到大气中去 泵腔内无油或其他工作介质 而且泵的极限压力与油封式真空泵同等量级或者接近的机械真空泵 目前 真空行业使用的大多数机械真空泵都是用油 水或其它聚合物等流体充当泵的工作介质 在泵内起冷却 密封 润滑等多种作用 随着科学技术的发展以及真空应用领域的扩大 原有的机械真空泵及其组成的抽气系统出现了两个急需解决问题 一是泵的工作介质返流污染被抽容器 而这种返流在许多情况下影响产品的质量 数量 增加设备的维护成本 其次 由于某些工艺过程中的反应物质使真空泵内的介质严重变质 使泵不能正常工作 对于普通的无油真空系统来说 虽然可用油封式真空泵加上冷阱或吸附阱之类附件来防止返流 但不能彻底解决问题 而且使系统显得复杂 而使用适当型式的干式机械真空泵 则可以达到理想的使用效果 干式机械真空泵的应用 1 低压化学气相沉积中的多晶硅制备工艺中 2 半导体刻蚀工艺 在这些生产工艺中往往用到或生成腐蚀性气体和研磨微粒 3 除半导体工艺外的某些产生微粒的工艺 不希望微粒混入泵油中 而希望微粒排出泵外 则用一定型式的干式机械真空泵可以满足要求 4 在化学工业 医药工业 食品工业中的蒸馏 干燥 脱泡 包装等 要防止有机溶剂造成污染 适合用干式真空泵 5 用做一般无油清洁真空系统的前级泵 以防止油污染 常用真空泵的工作范围 不同泵种的工作压力范围不同 因而常将两种或三种真空泵结合起来组成真空机组 真空测量方法的分类 各种物理的方法 热电势法电阻法电离法电容法 真空测量用的元件常被称为真空规vacuumgauge 低温的气体分子碰撞高温固体时 会从固体夺取热量 通过被气体分子夺取的热量来计算压力的真空计被成为热传导真空计 包括Pirani真空计和热电偶真空计 热偶规和皮拉尼规都是以气体的热导率随气体压力的变化为基础而设计的 它们是低真空时最常用的测量手段 热偶式的真空规thermocouplevacuumgauge 热偶规仅适用于0 1 100Pa的低真空范围 Pt 采用贵金属铂丝作加热线 镍铬 康铜作热偶丝 利用加热电阻丝中心的热电偶的电动势变化来表示压强与温度关系的真空计 热电偶接在白金pt或钨的细线上 此细线通过电流後会发热 发出的热量通过周围气体分子的热传导 或细线本身的固体热传导 或热辐射放出 利用气体分子承担的热传导量与压力成正比的特点是此真空计的原理 如果保持细线的发热量即保持一定的电流 则周围压力高的时候气体夺走的热量较多 致使细线的温度较低 反过来周围压力低的时候 细线的温度会升高 这种温度的变化通过热电偶检测出来 将热电偶的起电力换成压力之後即可知真空腔内的压力 皮拉尼电阻真空规 热阻式真空规 其工作原理与热偶真空规相似 皮拉尼规以电桥的方法 通过测量热丝的电阻随温度的变化来实现对真空度的测量 热偶真空规不能用于较低或较高真空度的测量 热偶的方法还具有在测量区问内指示值呈非线性 测量结果与气体种类有关 零点漂移严重等缺点 这种方法的优