第1章+薄膜制备的真空技术基础.ppt

1、薄膜材料制备原理、技术及应用,薄膜材料是相对于体材料而言的，是在体材料表面沉积或制备的一层性质与体材料性质完全不同的物质。,薄膜材料的性质及典型应用,光学性质 电学性质 磁学性质 化学性质 力学性质 热学性质,反射涂层和减反射涂层 光记录介质 光波导,绝缘薄膜 导电薄膜 半导体器件,磁记录介质,扩散阻挡层 防氧化或防腐蚀层,耐磨涂层 显微机械,防热涂层,课程内容,薄膜材料的制备手段 薄膜材料的形核与生长理论 薄膜材料的表征技术 薄膜材料的体系、性能及应用,真空技术基本概念与定律 第一节 气体分子运动论的基本概念 第二节 气体的流动状态和真空抽速 第三节 真空泵简介 第四节 真空的测量,第一章

2、薄膜制备的真空技术基础,为了使被研究的样品不被周围气氛所污染，获取“原子清洁”的表面，薄膜制备和衬底表面形成过程往往是在真空或超高真空中进行的。目前，人们所广泛使用的薄膜制备系统都具有真空系统。,真空(vacuum)：是指在一定空间内低于一个大气压力的气体状态。,真空度：表示在真空状态下气体的稀薄程度，以压力零点为参考点，用单位面积上所受垂直方向的压力值来表示真空度。气体压力越低，真空度越高；压力越高，真空度越低。,国际单位：帕斯卡 1Pa=1N/m2,真空技术基本概念与定律,国际单位：帕斯卡 1Pa=1N/m2,单 位 制,其它常用单位：,1摩尔任何气体在标准状态下所含的分子数是一个定值NA

3、 ，即6.0221023，。,阿伏加德罗定律,玻意尔-马略特定律,一定质量的气体在温度保持不变时，压力和体积的乘积是一个常数，即,盖-吕萨特定律,一定质量气体在压力保持不变时，体积随温度成正比变化，即,PV=常数,查理定律,一定质量气体在体积保持不变时，压力随温度成正比变化，即,VT,PT,道尔顿分压定律,相互间不起化学作用的混合气体的总压力等于组成它的各种气体成分的分压力之和。,P=P1+P2+Pn,每种气体成分的分压力： 指在与混合气体的温度和体积相同，并且与混合气体中所含的这种气体的量完全相等的条件下，该种气体单独存在时的压力。,第一节 气体分子运动论的基本概念,一、气体分子的运动速度及

4、其分布 二、气体的压力和气体分子的平均自由程 三、气体分子的通量 应用实例,一、气体分子的运动速度及其分布,1、经典的气体分子运动论 （1）气体的大量分子每时每刻都处在无规则的热运动之中，其平均速度取决于气体具有的温度。 （2）在气体分子之间和气体分子与容器器壁之间将发生不断的相互碰撞。,结果：使气体分子的速度服从一定的统计分布。 气体本身对外显示出一定的压力。,2、理想气体 气体分子之间除了相互碰撞的瞬间之外，完全不存在相互作用，因此 （1）它们可以被看作是相互独立运动的硬球； （2）硬球的半径远远小于球与球之间的距离。 在一般的温度和压力条件下，所有的气体都可以被看作是理想气体。,其中M为

5、气体分子的相对原子质量，T为热力学温度，R为气体常数,气体分子热运动速度v的分布可以用麦克斯韦尔-玻耳兹曼分布描述为：,（1-1）,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与气体的热力学温度T的比值。,气体分子运动速度的三个分量vi(i=x,y,z)均满足分布函数：,（1-2）,图中是H2和Al蒸气在不同温度条件下的速度分布函数曲线。由图中曲线我们可以看出，气体分子的速度具有很大的分布区间。温度越高，气体分子的相对原子质量越小，分子的平均运动速度越大。,由气体分子的速度分布函数还可以证明，每摩尔气体的动能将只与温度有关，它等于（3/2）RT。,由式1-1可以求出气体分子的平均速

6、度为,（1-3）,二、气体的压力和气体分子的平均自由程,气体的压力 气体分子与容器器壁的不断碰撞对外表现为气体具有一定的压力。气体的压力p与气体分子的动能，或者说是与气体的温度成正比,（1-4）,n为单位体积内的分子数，NA为阿伏伽德罗常数，n/ NA即是单位体积内气体分子的摩尔数。此式被称为理想气体定律，满足这一公式所描述的性质的气体就属于理想气体。,在一般情况下（每个分子每秒进行1020次碰撞），分子运动的轨迹并不是一条直线，而是一条在不断碰撞时改变方向的折线。因此，尽管分子的运动速度很大，但在单位时间内其定向运动的距离却很小。（常温常压下气体分子的平均自由程50nm。）,（1）,气体分子

7、的平均自由程 气体分子的平均自由程指的是一个气体分子在两次碰撞之间运动的平均距离。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,气体分子无规则热运动,认为同种气体分子中每个分子都是直径为d 的刚性球，设想跟踪一个气体分子A。假定其它分子不动，A 分子的质心轨迹是一条折线。凡是其它分子的质心离开此折线的距离小于或等于分子有效直径(d)的，都将与A 分子相碰。以分子有效直径 d 为半径作一圆柱体，质心在该圆柱体内的分子都将与A 分子相碰。,由于单位体积内的气体分子数n与气体压力p成正比（ ），因而分子的平均自由程将与气体的压力呈反比；即气体分子自由程随着气体压力的下降而增加

8、 在气体压力低于0.1Pa的情况下，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间发生的碰撞。,说明：,三、气体分子的通量,单位面积上气体分子的通量 单位时间内,衬底单位表面积上受到气体分子碰撞的次数，其数值等于：,（1-6）,这里,va和n分别是分子的平均速度和气体分子的密度，因子1/4是对气体分子的运动方向和速度进行平均之后得出的一个系数。,注：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，因此薄膜的沉积速度正比于气体分子的通量。,将,代入上式后求出：,（1-7）,即气体分子的通量将与压力呈正比，但与温度和相对原子质量乘积的1/2次方成反比。这一结果又被称为克努森

9、方程，它是真空和薄膜沉积技术中最常用的方程之一。,四、应用实例：计算在高真空条件下清洁衬底被环境中的杂质气体污染所需的时间,其中N为衬底单位表面的原子数。上式表明，在大气条件下，污染衬底被污染所需要的时间约为3.510-9S，而在10-8Pa的高真空中，上述时间可延长至10h左右。,（1-8）,假设每一个向衬底运动过来的气体分子都是杂质，且每一个分子都被衬底所俘获。由式（1-7）可求出衬底完全被一层杂质气体分子覆盖所需要的时间为：,真空度可以粗略划分为： 低真空 102Pa 中真空 102 10-1Pa 高真空 10-110-5Pa 超高真空 10-5Pa,溅射沉积技术和低压化学气相沉积技术,

10、真空蒸发方法沉积薄膜,第二节 气体的流动状态和真空抽速,一、气体的流动状态 二、气体管路的流导 三、真空泵的抽速,一、气体的流动状态,影响气体的流动状态的因素： 容器的几何形状、气体的压力、温度以及气体的种类,气体分子无时无刻不处在无规则的热运动之中，但这种无规则的运动本身并不导致气体的宏观流动。只有在空间存在宏观压力差的情况下，气体作为一个整体才会产生宏观的定向流动。（例如：风的形成）,气体的宏观流动条件：,气压较高时 黏滞流状态,低流速 层流状态,高流速 紊流状态,气体流动状态分类,高真空环境 分子流状态（仅与容器壁碰撞）,分子流状态： 在高真空环境下，气体的分子除了与容器壁碰撞以外，几乎

11、不发生气体分子间的相互碰撞。这种气体流动状态被称为分子流状态。 特点：气体分子的平均自由程超过了气体容器的尺寸或与其相当。,黏滞流状态： 当气压较高时，气体分子的平均自由程很短，气体分子间的相互碰撞极为频繁。这种气体流动状态称为气体的黏滞流状态。,（1-9）,气体流动状态间的界线可以借助于克努森准数Kn来划分，它的定义为：,其中，D为气体容器的尺寸，为气体分子的平均自由程。,(1-10),分子流状态 Kn 110,气体流动状态可以被粗略地划分为三个不同的状态：,层流状态： 在低流速的情况下，黏滞流处于层流状态，即在与气体流动方向垂直的方向上，可以设想存在不同气体流动层的明确的层状流线，且各层气

12、体的流动方向总能保持相互平行。,紊流状态： 气体流速较高的情况下，各层气体的流动方向之间将不再能够保持相互平行的状态，而呈现出一种旋涡状的流动形式。这种流动状态被称之为紊流状态。,黏滞流状态分类,雷诺准数Re是帮助判断气体流动状态的另一个无量纲参数，其定义为,d为容器的特征尺寸； 分别是 气体的流速、密度和动力学黏度系数。,紊流状态 紊流或层流 层流状态,注意: 同一真空系统中的不同部分,完全可能同时存在不同的气体流动状态。例如在高真空室和其附属的气体输送管路中， Kn值和Re值以及相应气体的流动状态就可能完全不同。,二、气体管路的流导,流量：单位时间间隔内通过某一截面的气体量，其数值为单位时

13、间内流过的气体体积与其压力的乘积，即 Q=PV,其中p1和p2为管路两端的气压,管道中的气流,流导：,（1-11）,比例常数C称为流导。式(1-11)即是流导的定义式。,流导定义式表明：在单位压力差下，流经管路元件气流量的大小被称为流导。它是衡量真空管路中气体的通过能力的。,单位：在国际单位制中，气流量Q的单位是Pam3s，P1-P2的单位是Pa，所以流导的单位是m3s。,说明： 流导的大小说明在管路元件两端的压强差P1-P2一定的条件下流经管路元件的气流量的多少。所以作为真空系统管路元件，都希望它的流导值尽可能大一些，使气流能顺利地通过。因此，流导是真空系统管路元件的一个重要参数。,并联流导

14、,串联流导,流导的影响因素：,分子流情况：管路几何尺寸、气体的种类和温度 黏滞流情况：管路几何尺寸、气体的种类和温度、 气体的压力,三、真空泵的抽速,真空泵的一个基本指标是抽速S，定义为：,其中p为真空泵入口处的气压，Q仍为单位时间内通过该处的气体流量。 量纲：m3s 流导：描述的是真空部件的气体通过能力，它将使流动着的气体形成一定程度的压力降低； 抽速：特指一个截面上的气体流速。,根据气体连续流原理，容器出口流量和泵入口处流量与导管任意截面上流量相等，即 Q=PS=PpSp=C(P-Pp),泵对容器的实际抽速S不仅永远小于泵的理论抽速Sp（SSP）,而且也永远小于管路的流导C(SC)。即S是

15、受Sp和C之中较小的一个所限制的。 真空系统设计基本原则：确保管路流导C大于 泵的理论抽速Sp 。,真空室出口处实际抽速,真空泵的另一个技术指标是它能够提供的极限真空度.,对于一个真空系统来说，其能够达到的极限真空度不仅取决于真空泵，还取决于正真空系统，包括系统的气体泄漏程度，系统的容积，以及管路的流导.,第三节 真空泵简介,分类标准：结构和工作原理,真空泵 利用机械、物理、化学或物理化学的方法对被抽容器进行抽气而获得真空的器件或设备，即用各种方法在某一封闭空间中产生、改善和维持真空的装置 。,按结构分：旋片真空泵、往复 真空泵、罗茨真空泵、滑阀真空泵、 液环真空泵、喷射泵等,按真空获得方法,

16、输运式真空泵,捕获式真空泵,对气体进行压缩的方式将气体分子输送到真空系统外,依靠在真空系统内凝结或吸附气体分子的方式将气体分子捕获,一、旋片式机械机械泵 二、罗茨真空泵 三、油扩散泵 四、涡轮分子泵 五、低温吸附泵 六、溅射离子泵,一、旋片式机械机械泵,旋片式真空泵是目前使用最广，生产系列最全的泵种之一。 常见的有：单级旋片泵 、双级旋片泵和高速直联旋片真空泵,旋片式机械泵图片,工作原理： 依靠放置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，然后排除泵体外的。,说明：为了提高气体的密封效果，防止气体回流，旋片式机械泵的运动部件之间只有很小的配合间隙，并且在泵体内还利用油来作为

17、运动部件间的密封物质。同时，油还起着对这些机械部件进行润滑的作用。 主要性能指标： 抽速： 1300l/s 极限真空度：单级旋片泵 1Pa 两级串联 0.01Pa 旋片式机械泵不仅可以单独使用，而且经常被用做其他真空泵的前级真空泵。,磁力驱动罗茨真空泵（无泄漏）系列,二、罗茨真空泵,1944 年德国人发明，适应在 10 1000Pa 压力范围内工作。,工作原理：泵体内的两个呈8字型的转子以相反的方向旋转。转子的咬合精度很高，因而转子与转子之间，转子与泵体之间的间隙中不再使用油来作密封介质。,技术指标： 抽速可达10l/s 极限真空度可以达到102Pa以下 缺点： 这种泵的抽速不仅在压力低于0.

18、1Pa时会下降，而且在压力高于2000Pa时也将迅速降低。因此这种泵一般是与旋转式机械泵串联后使用。,罗茨泵与其它油封式机械泵相比有以下特点： 较宽的压力范围内有较大的抽速； 转子具有良好的几何对称性，故振动小，运转平稳。转子间及转子和壳体间均有间隙，不用润滑，摩擦损失小，可大大降低驱动功率，从而可实现较高转速； 泵腔内无需用油密封和润滑，可减少油蒸气对真空系统的污染； 结构简单、紧凑，对被抽气体中的灰尘和水蒸汽不敏感； 压缩比较低，对氢气抽气效果差； 转子表面为形状较为复杂的曲线柱面，加工和检查比较困难。,应用领域：冶炼、石油化工、电工、电子等行业,三、油扩散泵,KT系列油扩散真空泵,工作原

19、理：将油加热至高温蒸发状态（约200），让油蒸气呈多级状向下定向高速喷出时不断撞击被抽的气体分子，并将部分动量传给这些气体分子，使其被迫向排气口方向运动，在压缩作用下被排出泵体。同时，受到泵体冷却的油蒸气又会凝结起来返回泵的底部。 应用：1、只能被用在110-6Pa之间分子流状态的真空状态下，而不能直接与大气相连。 2、在使用油扩散泵之前需要采用各种形式的机械泵预抽真空至1Pa左右。,应用领域： 真空镀膜、真空炉、电子、化工、航空、航天、冶金、材料、生物医药、原子能、宇宙探测等高科技领域,缺点： 泵内油蒸气的回流会直接造成真空系统的污染。,四、涡轮分子泵,1958 年，德国人 W Becker

20、 发明了涡轮分子泵。 工作原理：对气体分子施加作用力，并使气体分子向特定的方向运动。 结构：涡轮分子泵是由一系列的动、静相间的叶轮相互配合组成，每个叶轮上的叶片与叶轮水平面倾斜成一定角度，动片与定片倾角方向相反，主轴带动叶轮在静止的定叶片之问高速旋转，高速旋转的叶轮将动量传递给气体分子使其产生定向运动，从而实现抽气目的。 对一般气体分子的抽除极为有效。,应用特点： （1）工作压力范围宽，在 10-1 10-8 pa 范围内具有稳定抽速达到1000l/s； （2） 起动时间短，能抽除各种气体和蒸气； （3） 分子泵适用于在要求清洁的高真空和超高真空的仪器及设备上使用。也可用来作为离子泵、升华泵、

21、低温泵等气体捕集超高真空泵的前级预抽真空泵使用，这将获得更低的极限压力或更清洁的无碳氢化合物的真空环境。,五、低温吸附泵,工作原理：依靠气体分子在低温条件下自发凝结或被其他物质表面吸附的性质实现对气体分子的去除，进而获得高真空。,影响因素：1、低温温度； 2、吸附物质的表面积； 3、被吸附气体的种类。 极限真空度：10-110-8Pa之间。 经常被用来吸附物质表面的气体； 1、金属表面； 2、高沸点气体分子冷凝覆盖了的低温表面； 3、具有很大比表面的吸附材料。 低温吸附泵的运转成本较高，但它作为获得无油高真空环境的一种手段，既可以只配以旋片泵等低真空泵种作为唯一的高真空泵使用，又可以与其他高真

22、空泵种，如涡轮分子泵等联合使用。,六、溅射离子泵,工作原理：靠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阴极时又会溅射出大量的Ti原子。由于Ti原子的活性很好，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，从而在真空室内实现无油的高真空环境。,特点：1、抽速对于不同的气体是不一样的（活性高的气体， 抽速大）； 2、溅射离子泵所抽除的气体分子不会在高温下再被 释放出来。 缺点：Ti电极的不断溅射使得离子泵的寿命是有一定限度的。,优点： 溅射离子泵是一种获得清洁超高真空的真空获得设备，它具有清洁、真空度高、无噪声、无振动

23、、操作方便等优点。离子泵工作是封闭系统，不需要有连续工作的前级真空系统。 应用： 溅射离子泵是无油超高真空机组的主泵，可应用于高能粒子加速器，受控热核反应装置、电真空器件、半导体材料制备、电子显微镜、质谱仪等科学实验装置及其它需要超高真空的工业设备中,说明：由于不同的泵种的工作压力范围不同，实际运用中为达到一定的真空度，将两种或以上真空泵组合起来形成真空泵机组。,第四节 真空的测量,一、热偶真空规和皮拉尼真空规 二、电离真空规 三、薄膜真空规,一、热偶真空规和皮拉尼真空规,真空规：真空测量的元件被称为真空规。 共同点：热偶真空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

24、低真空里最常用的测量手段。,热偶真空规和皮拉尼真空规区别： 热偶真空规：通过测量热丝温度实现 皮拉尼真空规：通过测量热丝的电阻随温度的 变化实现,热偶真空规,皮拉尼真空规,工作原理：在热偶真空规中，将作为热丝的Pt丝悬起并在其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。,缺点：1、在测量区间中指示值呈非线性； 2、测量结果与气体种类有关； 3、零点漂移严重。 优点：结构简单，使用方便。,测量区间：0.1 - 100 Pa.( 高于100Pa, 气体的热导率不再随气压的变化而显著变化；低于0.1Pa,气体分子传导走的热量在总加热功率中的比例过小，测量的灵敏度下降。,二、电离真空规,电离真空规是高真空范围最常使用的测量方法。,工作原理：由热阴极发射出的电子将在飞向阳极的过程中碰撞