薄膜物理第一章

1、123 幾乎所有的現(xiàn)代薄膜材料都是在幾乎所有的現(xiàn)代薄膜材料都是在真空或是在較低的氣體壓力下制備的真空或是在較低的氣體壓力下制備的，都涉及到，都涉及到氣相的產(chǎn)生、輸運(yùn)以及氣氣相的產(chǎn)生、輸運(yùn)以及氣相反應(yīng)的過程相反應(yīng)的過程。4u 大氣壓: atm, kg/cm2, baru pa: n/m2u torr: mmhg1atm = 1000mbar = 0.1mpa1torr = 133pa薄膜技術(shù)領(lǐng)域：從薄膜技術(shù)領(lǐng)域：從10-7pa到到105pa，覆蓋了，覆蓋了12個(gè)數(shù)量級(jí)個(gè)數(shù)量級(jí)5l在薄膜技術(shù)領(lǐng)域，人為地將真空在薄膜技術(shù)領(lǐng)域，人為地將真空環(huán)境粗略地劃分為環(huán)境粗略地劃分為:l低真空低真空 102 pa

2、l中真空中真空 102 10-1 pal高真空高真空 10-1 10-5 pal超高真空超高真空 50m，每個(gè)空氣分子每個(gè)空氣分子每秒鐘內(nèi)只經(jīng)歷每秒鐘內(nèi)只經(jīng)歷1010次碰撞；次碰撞；氣體分子氣體分子間的碰撞幾率已很小，氣體分子的碰撞將主要是其與容器間的碰撞幾率已很小，氣體分子的碰撞將主要是其與容器器壁之間的碰撞。器壁之間的碰撞。9 氣體分子對(duì)單位面積表面的碰撞頻率，稱單氣體分子對(duì)單位面積表面的碰撞頻率，稱單位面積上氣體分子的通量位面積上氣體分子的通量四、氣體分子的通量（克努森四、氣體分子的通量（克努森knudsen方程）方程）npmrta2證明：證明： 計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)碰撞于器壁或基板上小面積計(jì)

3、算單位時(shí)間內(nèi)碰撞于器壁或基板上小面積da的分子數(shù)的分子數(shù)10 由于分子運(yùn)動(dòng)的無規(guī)性，運(yùn)動(dòng)的各個(gè)方向機(jī)會(huì)由于分子運(yùn)動(dòng)的無規(guī)性，運(yùn)動(dòng)的各個(gè)方向機(jī)會(huì)均等，因此，任何時(shí)刻分子運(yùn)動(dòng)方向在立體角中的均等，因此，任何時(shí)刻分子運(yùn)動(dòng)方向在立體角中的幾率為：幾率為： 設(shè)設(shè)d da與與d的法線夾角為的法線夾角為，單位時(shí)間內(nèi)，單位時(shí)間內(nèi)，速率在速率在vv+dv間從立體角間從立體角d方向飛來碰撞于方向飛來碰撞于da上的分子數(shù)目就是以上的分子數(shù)目就是以dacos為底，為底，v為高的圓筒為高的圓筒中的分子數(shù)：中的分子數(shù)：4d11dvdanvvfdcos)(4 單位時(shí)間內(nèi)單位時(shí)間內(nèi)從從立體角立體角d方向飛來的各種速度的方向飛

4、來的各種速度的分子數(shù)，只需對(duì)上式積分即可求得分子數(shù)，只需對(duì)上式積分即可求得davndvdvvfdandcos4)(cos40 即碰撞于器壁即碰撞于器壁da上的分子數(shù)與分子飛來方向與上的分子數(shù)與分子飛來方向與da法線夾角的余弦成正比。法線夾角的余弦成正比。 任何角度，單位時(shí)間內(nèi)碰撞任何角度，單位時(shí)間內(nèi)碰撞da的總分子數(shù)只需的總分子數(shù)只需對(duì)對(duì)d積分積分12davnddndavd4sincos4202/04vndad所以任何角度，單位時(shí)間內(nèi)碰撞所以任何角度，單位時(shí)間內(nèi)碰撞da的總分子數(shù)為：的總分子數(shù)為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)碰撞于單位面積上的氣體分子數(shù)為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)碰撞于單位面積上的氣體分子數(shù)為：dddsin1

5、3代代入平均速度的表達(dá)式可得入平均速度的表達(dá)式可得npmrta2p 氣體壓力高時(shí)，分子頻繁碰撞物體表面；氣體壓力高時(shí)，分子頻繁碰撞物體表面；p 氣體壓力低時(shí)，分子對(duì)物體表面的碰撞可以氣體壓力低時(shí)，分子對(duì)物體表面的碰撞可以忽略忽略14 假設(shè)每個(gè)向表面運(yùn)動(dòng)來的氣體分子都是雜假設(shè)每個(gè)向表面運(yùn)動(dòng)來的氣體分子都是雜質(zhì)，而每個(gè)雜質(zhì)氣體分子都會(huì)被表面所俘獲，質(zhì)，而每個(gè)雜質(zhì)氣體分子都會(huì)被表面所俘獲，則可估計(jì)出不同的真空環(huán)境中，清潔表面被雜則可估計(jì)出不同的真空環(huán)境中，清潔表面被雜質(zhì)氣體分子污染所需要的時(shí)間為：質(zhì)氣體分子污染所需要的時(shí)間為：* * 清潔表面被污染所需時(shí)間清潔表面被污染所需時(shí)間pnmrtnna2n

6、為表面的原子面密度為表面的原子面密度 15在常溫常壓下：在常溫常壓下： 3.5 10-9秒；秒；10-8pa時(shí)：時(shí)： 10 小時(shí)小時(shí) 這一方面說明了真空環(huán)境的重要性。同這一方面說明了真空環(huán)境的重要性。同時(shí)時(shí), ,氣體分子通量還決定了薄膜的沉積速率。氣體分子通量還決定了薄膜的沉積速率。16一、氣體的流動(dòng)狀態(tài)一、氣體的流動(dòng)狀態(tài)1 1、分子流狀態(tài)、分子流狀態(tài) 氣體分子除了與容器壁發(fā)生碰撞外，幾乎不發(fā)生氣體分子除了與容器壁發(fā)生碰撞外，幾乎不發(fā)生分子間的碰撞。分子的平均自由程大于氣體容器的尺分子間的碰撞。分子的平均自由程大于氣體容器的尺寸或與其相當(dāng)（即氣體主要是在分子和氣壁之間碰撞寸或與其相當(dāng)（即氣體主

7、要是在分子和氣壁之間碰撞過的程中流動(dòng)）。過的程中流動(dòng)）。17 氣體分子間的碰撞較為頻繁。分子的平均自由程較氣體分子間的碰撞較為頻繁。分子的平均自由程較短（即氣體主要是在分子間的碰撞過程中流動(dòng)）。短（即氣體主要是在分子間的碰撞過程中流動(dòng)）。2 2、粘滯流狀態(tài)、粘滯流狀態(tài) 判斷氣體的流動(dòng)狀態(tài)可用判斷氣體的流動(dòng)狀態(tài)可用克努森準(zhǔn)數(shù)克努森準(zhǔn)數(shù): :lkn110 粘滯流狀態(tài)粘滯流狀態(tài)l110kn1 過渡狀態(tài)過渡狀態(tài)dknd為容器的尺寸；為容器的尺寸； 為氣體分子的平均自由程為氣體分子的平均自由程18粘滯流狀態(tài)粘滯流狀態(tài) 低流速時(shí)，為層流狀態(tài)低流速時(shí)，為層流狀態(tài) 流速較高時(shí)，為紊流狀態(tài)流速較高時(shí)，為紊流狀態(tài)

8、 粘滯態(tài)氣流的兩種不同的流動(dòng)狀態(tài)粘滯態(tài)氣流的兩種不同的流動(dòng)狀態(tài)19 層流狀態(tài)，相當(dāng)于氣體分子的宏觀運(yùn)動(dòng)方向與一組相層流狀態(tài)，相當(dāng)于氣體分子的宏觀運(yùn)動(dòng)方向與一組相互平行的流線相一致。相鄰的各流層之間一直維持著相互平行的流線相一致。相鄰的各流層之間一直維持著相互平行的流動(dòng)方向。互平行的流動(dòng)方向。 在靠近容器壁的地方，氣體分子受到器壁的粘滯力在靠近容器壁的地方，氣體分子受到器壁的粘滯力作用，其流動(dòng)速度趨近于零；隨著離開器壁距離的增加作用，其流動(dòng)速度趨近于零；隨著離開器壁距離的增加，氣體的流動(dòng)速度逐漸增加，在容器的中心處，氣體流，氣體的流動(dòng)速度逐漸增加，在容器的中心處，氣體流動(dòng)速度最高。動(dòng)速度最高。

9、在流速較高的情況下，氣體的流動(dòng)不能再維持相互平行在流速較高的情況下，氣體的流動(dòng)不能再維持相互平行的層流狀態(tài)模式，而會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N漩渦式的流動(dòng)模式，這的層流狀態(tài)模式，而會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N漩渦式的流動(dòng)模式，這時(shí)氣流中不斷出現(xiàn)一些低氣壓的漩渦。時(shí)氣流中不斷出現(xiàn)一些低氣壓的漩渦。稱為紊流狀態(tài)稱為紊流狀態(tài)20 除流速外也可用雷諾除流速外也可用雷諾（reynolds）準(zhǔn)數(shù)準(zhǔn)數(shù)re判斷氣體的判斷氣體的流動(dòng)狀態(tài)流動(dòng)狀態(tài): d-為容器特征尺寸；為容器特征尺寸；v-為流速；為流速；-為密度；為密度；-為粘度系數(shù)。為粘度系數(shù)。vdre re2200 紊流狀態(tài)紊流狀態(tài) re100pa時(shí)，氣體的熱導(dǎo)率將不再隨壓強(qiáng)變化而顯著變時(shí)

10、，氣體的熱導(dǎo)率將不再隨壓強(qiáng)變化而顯著變化，所以此時(shí)測(cè)量的靈敏度迅速下降；在化，所以此時(shí)測(cè)量的靈敏度迅速下降；在p0.1pa后，后，氣體分子熱傳導(dǎo)帶走的熱量，在總加熱功率中所占的氣體分子熱傳導(dǎo)帶走的熱量，在總加熱功率中所占的比例過小，測(cè)量靈敏度也迅速下降。比例過小，測(cè)量靈敏度也迅速下降。67特點(diǎn)特點(diǎn)：儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便：儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：測(cè)量區(qū)域內(nèi)，指示值呈非線性、測(cè)量結(jié)果與氣測(cè)量區(qū)域內(nèi)，指示值呈非線性、測(cè)量結(jié)果與氣體種類有關(guān)、零點(diǎn)飄移嚴(yán)重。體種類有關(guān)、零點(diǎn)飄移嚴(yán)重。 2、皮拉尼真空規(guī)、皮拉尼真空規(guī) （熱阻式真空規(guī)）（熱阻式真空規(guī)） 利用測(cè)量熱絲電阻值隨溫利用測(cè)量熱絲電阻值隨

11、溫度的變化來測(cè)定氣壓。度的變化來測(cè)定氣壓。68二、電離真空規(guī)二、電離真空規(guī) 陰極陰極發(fā)射的電子發(fā)射的電子在飛向陽極的過程中在飛向陽極的過程中碰撞氣體分子，并使碰撞氣體分子，并使后者電離，由離子收后者電離，由離子收集極接受電離的離子集極接受電離的離子，根據(jù)，根據(jù)離子電流強(qiáng)度離子電流強(qiáng)度ii的大小，就可以測(cè)量的大小，就可以測(cè)量出環(huán)境真空度。出環(huán)境真空度。69 因?yàn)殡x子電流因?yàn)殡x子電流i ii的大小將取決于的大小將取決于陰極發(fā)射的電子陰極發(fā)射的電子電流強(qiáng)度電流強(qiáng)度ie、氣體分子的碰撞截面氣體分子的碰撞截面以及以及氣體分子密度氣體分子密度（即壓強(qiáng)即壓強(qiáng)p p) )等三個(gè)因素，在固定陰極發(fā)射電流和氣體等

12、三個(gè)因素，在固定陰極發(fā)射電流和氣體種類的情況下，離子電流強(qiáng)度將直接取決于電離氣體種類的情況下，離子電流強(qiáng)度將直接取決于電離氣體的的分子密度（即分子密度（即壓力壓力）。 其測(cè)量下限約為其測(cè)量下限約為1010-5-5papa，受陰極發(fā)射的高能電子在，受陰極發(fā)射的高能電子在離子收集極上產(chǎn)生光電子（形成離子收集極上產(chǎn)生光電子（形成虛假的離子電流虛假的離子電流）所）所限制。限制。70 適用壓力范圍適用壓力范圍1010-1-11010-5-5pa,pa,因?yàn)楫?dāng)壓力大于因?yàn)楫?dāng)壓力大于1010-1-1papa時(shí)電子的平均自由程太小，氣體不能電離，故不能反時(shí)電子的平均自由程太小，氣體不能電離，故不能反映氣壓。映

13、氣壓。三、薄膜真空規(guī)三、薄膜真空規(guī) 是依靠金屬薄膜在氣體是依靠金屬薄膜在氣體壓力差作用下，產(chǎn)生機(jī)械壓力差作用下，產(chǎn)生機(jī)械位移來對(duì)壓強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量。位移來對(duì)壓強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量。71 薄膜真空規(guī)有兩個(gè)被隔薄膜真空規(guī)有兩個(gè)被隔開的真空腔，當(dāng)一個(gè)腔內(nèi)壓開的真空腔，當(dāng)一個(gè)腔內(nèi)壓力已知，另一個(gè)腔壓力未知力已知，另一個(gè)腔壓力未知的情況，的情況，薄膜的位移量薄膜的位移量將與將與兩個(gè)兩個(gè)腔內(nèi)的壓力差腔內(nèi)的壓力差成正比。成正比。 薄膜的位移是依靠測(cè)量薄膜的位移是依靠測(cè)量薄膜與另一金屬電極間的薄膜與另一金屬電極間的電容電容c1 的變化而實(shí)現(xiàn)的。的變化而實(shí)現(xiàn)的。72 其測(cè)量下限約為其測(cè)量下限約為1010-3-3papa，這相當(dāng)

14、于探測(cè)到，這相當(dāng)于探測(cè)到薄膜位移只有一個(gè)薄膜位移只有一個(gè)原子尺度的大小原子尺度的大??；其測(cè)量上限；其測(cè)量上限受薄膜材料本身抗破壞性強(qiáng)度的限制。受薄膜材料本身抗破壞性強(qiáng)度的限制。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：可用于氣體絕對(duì)壓力的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果與可用于氣體絕對(duì)壓力的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果與氣體種類無關(guān)氣體種類無關(guān)73 不同種類真空規(guī)的壓力適用范圍不同種類真空規(guī)的壓力適用范圍74n薄膜材料在現(xiàn)代科技領(lǐng)域占有重要的地位，可作為大薄膜材料在現(xiàn)代科技領(lǐng)域占有重要的地位，可作為大家今后作為科學(xué)家或工程師的職業(yè)方向家今后作為科學(xué)家或工程師的職業(yè)方向n真空技術(shù)是現(xiàn)代薄膜材料技術(shù)的基礎(chǔ)真空技術(shù)是現(xiàn)代薄膜材料技術(shù)的基礎(chǔ)n不同的薄膜制備方法

15、涉及到不同的真空環(huán)境不同的薄膜制備方法涉及到不同的真空環(huán)境真空度真空度n不同的真空度需要采用不同的真空獲得方法與真空測(cè)不同的真空度需要采用不同的真空獲得方法與真空測(cè)量方法量方法75u 為什么在薄膜制備技術(shù)的討論中，先要討論真為什么在薄膜制備技術(shù)的討論中，先要討論真空環(huán)境與真空技術(shù)？空環(huán)境與真空技術(shù)？u 熟悉真空度的物理單位及其相互換算。熟悉真空度的物理單位及其相互換算。u 根據(jù)氣體流動(dòng)狀態(tài)所表現(xiàn)出的特性，我們是如根據(jù)氣體流動(dòng)狀態(tài)所表現(xiàn)出的特性，我們是如何劃分氣體流動(dòng)狀態(tài)的？何劃分氣體流動(dòng)狀態(tài)的？u 說明分子通量的物理意義？討論分子通量是如說明分子通量的物理意義？討論分子通量是如何影響薄膜純度和

16、薄膜沉積速率的。何影響薄膜純度和薄膜沉積速率的。u 了解真空泵的主要性能指標(biāo)。了解真空泵的主要性能指標(biāo)。u 了解主要的真空泵種類。了解主要的真空泵種類。u 了解主要的真空測(cè)量方法。了解主要的真空測(cè)量方法。761、使用真空泵系統(tǒng)對(duì)、使用真空泵系統(tǒng)對(duì)30升的真空系統(tǒng)抽真空到升的真空系統(tǒng)抽真空到 10-6torr。關(guān)閉真空系統(tǒng)。關(guān)閉真空系統(tǒng)3分鐘后，系統(tǒng)壓力升至分鐘后，系統(tǒng)壓力升至10-5torr。 （1）求系統(tǒng)的壓力升高率（）求系統(tǒng)的壓力升高率（torrl/s) （2）求使用抽速為）求使用抽速為sp=40l/s的真空泵時(shí)，系統(tǒng)可以的真空泵時(shí)，系統(tǒng)可以達(dá)到的極限真空度。達(dá)到的極限真空度。2.、為電子顯微鏡和真空退火爐（壓力均為、為電子顯微鏡和真空退火爐（壓力均為10-5 torr) 選配真空泵和真空計(jì)。設(shè)選配真