《薄膜技术基础》PPT课件

薄膜技术与薄膜材料,主讲教师：张显E-mail：zhxian电子材料与元器件教研室,绪论,一、本课程主要内容：薄膜制备的真空技术基础薄膜的物理气相沉积蒸发法薄膜的物理气相沉积溅射法及其它PVD法薄膜的化学沉积薄膜的生长过程和薄膜结构薄膜材料的表征方法薄膜材料及其应用,二、要求了解并掌握薄膜材料最基本的制备技术和表征方法，最基本的薄膜生长理论和几个典型的应用；多思考，多想象，多实践；有一定的作业任务；考查:考试与读书报告三、参考书1郑传涛，薄膜材料与薄膜技术，化学工业出版社，2004。2顾培夫，薄膜技术，浙江大学出版社，1990。3杨邦朝、王文生，薄膜物理与技术，电子科技大学出版社，1994。4王力衡、黄运添、郑海涛，薄膜技术，清华大学出版社，1991。,下载课件：请登录校园网教务系统，在其中寻找该门课程,读书报告：具体要求在教务系统的本门课程讨论中,第1章薄膜制备的真空技术基础,1.1气体分子运动论的基本概念1.2气体的流动状态和真空抽速1.3真空的获得与真空泵简介1.4真空的测量,1、气体分子的运动速度及其分布气体分子运动论认为：气体的大量分子每时每刻都处于无规则的热运动之中，其平均速度取决于气体所具有的温度；同时，在气体分子之间以及气体分子与容器壁之间，发生着不断的碰撞过程，这种碰撞过程的结果之一是使气体分子的速度服从一定的统计分布。气体分子的运动速度服从麦克斯韦尔-玻耳兹曼（Maxwell-Boltzmann）分布：（1-1）式中，M为气体分子的相对原子质量，T为热力学温度，R为气体常数。气体分子运动速度的一维分量i（i=x,y,z三个坐标分量方向)均满足分布函数：（1-2）上式表明：气体分子的速度分布只取决于分子的相对原子质量M与气体热力学温度T的比值。,1.1气体分子运动论的基本概念,根据式1-1，还可以求出气体分子的平均运动速度：（1-3）可见：温度越高、气体分子的相对原子质量越小，则分子的平均运动速度越大；不同种类气体分子的平均运动速度也只与T/M的平方根成正比。在常温条件下，一般气体分子的运动速度是很高的。比如在T=300K时，空气分子的平均运动速度a460m/s。同时由气体的速度分布函数还可以证明，每摩尔气体分子的动能等于（3/2）RT，也只与其热力学温度有关。,2、气体的压力和气体分子的平均自由程,（1）气体的压力气体分子与容器壁的不断碰撞对外表现为气体具有一定的压力。理想气体的压力p与气体分子的动能，或者说是与气体的热力学温度成正比，用理想气体状态方程式描述：（1-4）式中，n单位体积内的分子数；NA为阿伏加德罗（Avogadro)常数；n/NA即等于单位体积内气体分子的摩尔数。真空：宇宙空间所存在的“自然真空”；利用真空泵抽取所得的“人为真空”。绝对真空：完全没有气体的空间状态。一般意义上的“真空”并不是指“什么物质都不存在”。目前，即使用最先进的真空制备手段所能达到的最高真空度下，每立方厘米体积中仍有几百个气体分子。因此，平常所说的真空均指“相对真空状态”。在真空技术中，常用“真空度”习惯用语和“压强”物理量表示真空程度，通常说成“某空间的真空度为多大的压强”。某空间的压强越低意味着真空度越高，反之，压强高的空间则真空度低。,描述气体压强的单位很多，如下表：注：1托就是指在标准状态下，1毫米汞柱对单位面积上的压力。本书采用我国国家标准规定采用的Pa（或MPa、Gpa）作为气体压力的基本单位。,（2）气体分子的平均自由程,分子平均自由程：气体分子在两次碰撞的间隔时间里走过的平均距离。假设某种气体分子的有效截面直径为d，则该气体分子的平均自由程应该等于（1-5）因此，气体分子的平均自由程与单位体积内的气体分子数n成反比。在常温常压的条件下，气体分子的平均自由程是极短的。例如，在此条件下，空气分子的有效截面直径d0.5nm,平均自由程50nm。由平均自由程还可以求出气体分子的平均碰撞频率=a/。在常温常压的条件下，每个气体分子每秒钟内要经历1010次碰撞。由于气体分子的运动轨迹是一条在不断碰撞的同时不断改变方向的折线，因此，尽管它的平均运动速度很高，但是单位时间里，其定向运动的距离却较小。由于气体分子的平均自由程与单位体积内的气体分子数n成反比，而压强p与n成正比，因此自由程随气体压力的下降而增加。在真空度优于0.1Pa时，气体分子间的碰撞几率已很小，主要是气体分子与容器壁之间的碰撞。分子平均自由程的概念在真空和薄膜技术中有着非常重要的作用。在薄膜材料的制备过程中，薄膜的沉积主要是通过气体分子对衬底的碰撞过程来实现的。,3、气体分子的通量,真空及薄膜技术中常碰到的另一个物理量，是气体分子对于单位面积表面的撞频率，即单位时间内单位面积表面受到气体分子碰撞的次数，称为气体分子的通量（1-6）在薄膜材料的制备过程中，薄膜的沉积主要是通过气体分子对于衬底的碰撞过程来实现的。此时，薄膜的沉积速度正比于气体分子的通量。将式1-3和式1-4代入上式后，可以求出气体分子的通量（1-7）即气体分子的通量与气体的压力呈正比，但与气体的热力学温度以及其相对原子质量的1/2次方成反比。上式又称为克努森（Knudsen）方程，它是真空和薄膜技术中最常用的方程式之一。,例：作为上式的一个应用，我们来计算一下在高真空环境中，清洁表面被环境中的杂质气体分子污染所需要的时间。,求解：假设每一个向清洁表面运动过来的气体分子都是杂质，并均被表面所俘获。由式1-7，可以求出表面完全被一层杂质气体分子覆盖所需要的时间（1-8）式中，N为沉积表面的单位面积上能容纳的一分子层内的气体分子数。由上式可得，在常温常压的条件下，洁净表面被杂质完全覆盖所需要的时间约为3.510-9s；而在10-8Pa的高真空中，这一时间可延长至10h左右。这说明，在薄膜制备技术中获得和保持适当的真空环境是极端重要的。,4、真空区域的划分,低真空102Pa：真空干燥，低压化学气相沉积。中真空10210-1：低压化学气相沉积，溅射沉积。高真空10-110-5：溅射沉积，真空蒸发沉积，电子显微分析，真空浇铸。超高真空10-5：表面物理，表面分析。,1.2气体的流动状态和真空抽速,1、气体的流动状态在空间中存在压力差，导致气体的宏观定向流动。气体的流动状态影响因素：容器几何尺寸，气体的压力、温度及气体的种类。图1.2显示了气体流动状态与真空容器尺寸和气体压力间的关系。气体的流动状态可借助一个无量纲的参数克努森(Knudsen)准数Kn来划分。定义：（1-9）式中，D为气体容器的尺寸；为气体分子的平均自由程。根据Kn的大小，气体的流动状态可分为：（1）分子流状态：Kn110。气体压较高，气体分子平均自由程较短，相互碰撞较频繁，如工作压力较高的化学气相沉积系统就工作在这各状态下。,与分子流状态相比，黏滞流状态的气体流动模式要复杂得多。根据另一个无量纲参数雷诺(Reynolds)准数Re划分气体的黏滞流状态。定义：（1-11）式中，d为容器的特征尺寸（如管路的直径）；、分别是气体的流速、密度和动力学黏度系数。根据Re的大小，气体的黏滞流状态又可分为：（1）层流状态：Re2200，流速较高。此时气体不再能够维持相互平行的层状流动模式，而会转变为一种旋涡式的流动模式，如图1.3b所示。这种气流中不断出现低气压的旋涡称为紊流状态。雷诺准数Re相当于气体流动的惯性动量与其受到的黏滞阻力之比，它们各自起着破坏与稳定气流的作用。因此，气体流动速度越慢，气体密度越小，容器尺寸越小，气体黏度系数越大，越有利于气流形成层流。注意：在一个真空系统中的不同部分，Kn、Re的数值以及相应的气体流动状态可能是截然不同的。如真空室同与之相接的气体输送管路，很可能出现不同的气体流动状态。,2、气体管路的流导流导C：在真空系统内，真空管路中气体的通过能力。（1-12）式中，p1和p2为部件两端的气体压力；Q为单位时间内通过该真空部件的气体流量，即单位时间内流过的气体体积与其压力的乘积。对于分子流状态：流导与气体的压力无关，就等于单位时间内通过该真空部件的气体体积。但由于气体的流速与气体的种类和温度有关，因此，即使是在压力差相同时，管路中流过的气体量Q也不一样。比如，对于处于两个直径很大的管路间的通孔来说，若通孔的截面积为A，则通孔的流导C正比于通孔两侧气体分子向通孔方向流动的流量差。由式1-7，可求出通孔的流导C：（1-13）式中，n为单位体积内的气体分子数。从此式可知，分子流条件下管路的流导不仅取决于管路的几何尺寸，还与气体的种类和温度有关。对于黏滞流状态：流导随气体压力升高而增加。串联流导：1/C=1/C1+1/C2+1/C3并联流导：C=C1+C2+C3,3、真空泵的抽速,(1)真空泵的抽速：（1-15）式中，p为真空泵入口处的气体压力；Q为单位时间内通过的真空泵入口的气体流量。命题1：真空泵的实际抽速S永远小于理论抽速Sp。证明：用一台抽速为Sp的泵，通过流导C抽真空容器中的气体。设真空容器的压力为p，泵入口处的压力为pp，由于流量各处相等，即Q=C（p-pp)=Sppp，所以，真空容器出口处的实际抽速S降低为：（1-16）由上式可知，SSp，得证。命题2：真空泵的实际抽速S永远小于管路的流导C，且当Sp=C时，S=Sp/2。证明：过程同上。结论：设计真空系统的一个基本原则就是，保证管路的流导C大于真空泵的理论抽速Sp。为什么？,（2）真空泵的极限真空度真空系统极限真空度的影响因素：真空泵的极限真空度真空泵回流气体泄漏程度真空系统：系统的容积管路流导实际的真空泵在运转中总存在着气体的回流现象，如右图所示。我们先仅考虑真空泵回流一个因素。设回流量为Qp，并忽略管路的流阻（C为无穷大，p=pp），则由流量相等的关系式：（1-17）令Q=0，即可求出真空泵可以达到的极限真空度p0为（1-18）同时，由式1-17还可以求出泵的实际有效抽速为（1-19）,它将随着Q的减小以及p趋于p0的过程而趋于零。另外，由于气体通量Q可以表达为气体体积V与压力p的乘积对时间的导数，即（1-20）将其与式1-19结合之后，可积分求出压力随时间的变化规律为（1-21）式中，pi为真空系统在t=0时的真空度，它将随着时间的延长而趋于p0显然，在同时考虑所有影响因素之后，整个真空系统的极限真空度总要低于真空泵的极限真空度。,1.3真空泵的简介,1、真空泵的分类（1）输运式真空泵：以压缩方式将气体输送到系统之外。a、机械式气体输运泵：旋片式机械真空泵、罗茨泵、涡轮分子泵。b、气流式气体输运泵：油扩散泵。（2）捕获式真空泵：依靠凝结或吸附气体分子的方式将气体捕获，并排出系统之外，如低温吸附泵、溅射离子泵。2、各类真空泵简介（1）旋片式机械真空泵a、工作原理：依靠插在偏心转子中的数个可以滑进滑出的旋片将泵体内的气体隔离、压缩，然后将其排出泵体之外。b、极限真空度：10-1Pa左右。c、优点：结构简单、工作可靠。d、缺点：油蒸气回流、同进污染系统。,（2）罗茨（Roots）真空泵a、工作原理：两个8字形的转子以相反的方向旋转，两个转子始终保持相切合，咬合精度很高，切合处气体始终不能通过，只能从上、下两边被扫出真空系统。b、极限真空度：10-2Pa左右；c、优点：结构简单、无油气回流，抽速很大。d、缺点：泵体与转子发热、膨胀，造成泵体损坏；当气体压力低于10-1Pa时，气体回流造成抽速降低。e、适用压力范围：10-11000Pa。,（3）油扩散泵a、工作原理：将油加热至高温蒸发状态（约2000C），让油蒸气呈多级状向下定向高速喷出时不断撞击气体分子，并将部分动量传递给这些气体分子，使其被迫向排气口方向运动，在压缩作用下排出泵体。同时，被泵体冷却后的油蒸气又会凝结起来返回泵的底部。b、极限真空度：10-6Pa；c、优点：极限真空度高，抽速很大，根据口径大小，抽速可以从每秒几升至每秒上万升不等。d、缺点：油蒸气回流，污染。e、工作状态：分子流状态的真空状态不能与大气直接相连，使用油扩散泵之前，需要采用各种形式的机械泵将系统预抽至1Pa左右。f、适用压力范围：110-6Pa,（4）涡轮分子泵a、工作原理：涡轮分子泵的转子叶片具有特定的形状，在它以2000030000r/min的高速旋转时，叶片将动量传给气体分子，同时，涡轮分子泵中装有很多级叶片，上一级叶片输送过来的气体分子又会受到下一级叶片的作用而被进一步压缩至更下一级。像油扩散泵一样，也是靠对气体分子施加作用力，并使气体分子向特定的方向运动的原理来工作的。b、极限真空度：10-8Pa；c、优点：极限真空度高，压缩比高，油蒸气的回流可以忽略，抽速可达1000L/s。d、缺点：价格较高。e、工作状态：在使用中多用旋片式机械泵作为其前级泵。f、适用压力范围：110-8Pa,（5）低温吸附泵a、工作原理：依靠气体分子会在低温下自发凝结或被其他物质表面吸附的物理现象实现对气体分子的去除，进而获得高真空。b、极限真空度：10-110-8Pa，取决于所采用的低温温度、吸附物质的表面积、被吸附气体的种类等因素；c、优点：极限真空度高，可获得无油高真空；除H2、He、Ne外，对各种气体抽速均很大。d、缺点：运转成本较高。e、工作状态：既可以只配以旋片泵等低真空泵种作为惟一的高真空泵使用，又可以与其他高真空泵种，如涡轮分子泵等联合使用，预真空度应达到10-1以下，以减少吸附泵的负荷并避免在泵体内积聚过厚的气体冷凝产物。,（6）溅射离子泵a、工作原理：高压阴极发射出的高速电子与残余气体分子相互碰撞后引起气体电离放电，而电离后的气体分子在高速撞击Ti阴极时又会溅射出大量的Ti原子。由于Ti原子的活性很高，因而它将以吸附或化学反应的形式捕获大量的气体分子并使其在泵体内沉积下来，从而在真空室内造成无油的高真空环境。b、极限真空度：与其他泵种串联使用，可达10-8Pa。抽速取决于所抽气体的活性等因素。c、优点：极限真空度高，可获得无油高真空。d、缺点：寿命有限。,1、热偶真空规和皮拉尼真空规（真空测量用的元件称为真空规）（1）热偶真空规热电偶温度计：是用两根不同的金属丝组成，把两丝联接的一端置入一个固定的低温箱中，另一端置入某温度媒质中，当回路中有电流通过时，便可通过电流计或电位计测出温差电流的大小，并在刻度盘上刻出对应的温度值。这样，便可制做热电偶温度计。热偶真空规：在作为热丝的Pt丝中通过恒定强度的电流。在达到热平衡以后，电流提供的加热功率与通过空间热辐射，金属丝热传导以及气体分子热传导而损失的功率相等，因而热丝的温度将随着真空度的不同而呈现有规律的变化。这时，用热电偶的方法测出热丝本身的温度，也就相应测出了环境的压力。问题1：为什么热偶真空规不能用于较低或较高真空度的测量，只能用于0.