薄膜,第一章課件

薄膜技術(shù)與物理李賢2013.92/3/20231薄膜材料科學(xué)與技術(shù)作用薄膜的發(fā)展概況大體可以分為三個(gè)時(shí)代：(1)公元前2,3世紀(jì)，首飾或裝飾物上鍍金；直到16世紀(jì)，薄膜只是裝飾品，也有節(jié)約金和銀的意義(2)17世紀(jì)到19世紀(jì)前半，作為自然現(xiàn)象的薄膜時(shí)代，把薄膜作為研究對(duì)象來認(rèn)識(shí)。觀察到在液體表面上液體薄膜產(chǎn)生的相干彩色花紋。薄膜產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象引起了研究者的關(guān)注，并對(duì)有關(guān)光的本性的物理學(xué)的發(fā)展作出了貢獻(xiàn)(3)19世紀(jì)后半，功能薄膜時(shí)代的到來，直到現(xiàn)在。1850年，W.R.Grove發(fā)現(xiàn)了濺射現(xiàn)象，1877年，把濺射現(xiàn)象應(yīng)用于薄膜的制備；1887年通過通電導(dǎo)線使材料蒸發(fā)制備薄膜。1900年初，開發(fā)了熱分解CVD法和真空蒸發(fā)鍍膜法。1930年到1940年間，發(fā)現(xiàn)了薄膜形成過程的理論。但只是在制備薄膜的真空系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)有了很大進(jìn)步以后，薄膜的重復(fù)性才有大的改觀。尤其到了20世紀(jì)50年代，隨著電子工業(yè)和信息產(chǎn)業(yè)的興起薄膜技術(shù)顯示出了重要的、關(guān)鍵性的作用2薄膜技術(shù)已經(jīng)滲透到現(xiàn)代科技和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，如航空航天、醫(yī)藥、能源、交通、通信和信息等。另外，在器件的高速化、高集成化、小型化、輕量化方面，薄膜技術(shù)作出了重大的貢獻(xiàn)3主要參考書目《半導(dǎo)體薄膜技術(shù)與物理》葉志鎮(zhèn)等，浙江大學(xué)出版社，2008《薄膜材料制備原理、技術(shù)及應(yīng)用》唐偉忠，冶金工業(yè)出版社，2003《薄膜技術(shù)》顧培夫，浙江大學(xué)出版社，1990《硅外延生長(zhǎng)技術(shù)》B.JayantBaliga著，任丙彥等譯，河北科學(xué)技術(shù)出版社，1992《外延生長(zhǎng)技術(shù)》楊樹人等，國(guó)防工業(yè)出版社，19924第一章真空技術(shù)許多薄膜技術(shù)是在真空下實(shí)現(xiàn)的，“真空”是許多薄膜制備的必要條件，因此，掌握一定的真空知識(shí)是必需的。2/3/202351.1.1真空的定義：壓力低于一個(gè)大氣壓的任何氣態(tài)空間1.1真空的基本概念氣體處于平衡時(shí)，氣體狀態(tài)方程

P=nkTP：壓強(qiáng)（Pa），n：氣體分子密度（個(gè)/m3），k：玻爾茲曼常數(shù)（1.38×10-23J/K）V：體積（m3），m：氣體質(zhì)量（kg），M：分子量（kg/mol）R：氣體普適常數(shù)，T：絕對(duì)溫度（K），R=NA·k，NA：阿佛伽德羅常數(shù)（6.023×1023/mol）

（個(gè)/m3）如：在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，任何氣體分子的密度n=3×1019個(gè)/cm3P=1.33×10-4Pa,T=293K,n=3.2×1010個(gè)/cm3“真空”是相對(duì)的61.1.2真空表示入射頻率：自由程：σ：分子直徑l·P=0.667(cm.Pa)T=25℃71.1.3真空度單位國(guó)際單位制：壓強(qiáng)

壓強(qiáng)高，真空度低壓強(qiáng)低，真空度高幾種單位間換算：1毫米汞柱（mmHg）=1/760atm=133.3Pa=1.00000014Torr≈

1Torr1巴（bar）=105Pa81.1.4區(qū)域劃分

為了便于討論和實(shí)際應(yīng)用，常根據(jù)各壓強(qiáng)范圍內(nèi)不同的物理特點(diǎn)把真空劃分為粗真空、低真空、高真空和超高真空四個(gè)區(qū)域。91.2稀薄氣體的基本性質(zhì)玻義爾定律蓋?呂薩克定律查理定律玻義爾定律：一定質(zhì)量的氣體，在恒定溫度下，氣體的壓強(qiáng)與體積的乘積為常數(shù)。

PV=C或P1V1

=P2V21、10蓋?呂薩克定律：一定質(zhì)量的氣體，在壓強(qiáng)一定時(shí)，氣體的體積與絕對(duì)溫度成正比。

V=CT或V1/T1=V2/T2查理定律：一定質(zhì)量的氣體，如果保持體積不變，則氣體的壓強(qiáng)與絕對(duì)溫度成正比。

P=CT或P1/T1=P2/T2

111.2稀薄氣體的基本性質(zhì)2、氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度及其分布?xì)怏w分子運(yùn)動(dòng)論認(rèn)為：氣體的大量分子每時(shí)每刻都處于無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)之中，其平均速度取決于氣體所具有的溫度；同時(shí)，在氣體分子之間以及氣體分子與容器壁之間，發(fā)生著不斷的碰撞過程，這種碰撞過程的結(jié)果之一是使氣體分子的速度服從一定的統(tǒng)計(jì)分布。氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度υ服從麥克斯韋爾-玻耳茲曼(Maxwell-Boltzmann)分布：121.2稀薄氣體的基本性質(zhì)M：氣體分子的相對(duì)原子質(zhì)量T：熱力學(xué)溫度R：氣體常數(shù)上式表明：氣體分子的速度分布只取決于分子的相對(duì)原子質(zhì)量M與氣體熱力學(xué)溫度T的比值。131.2稀薄氣體的基本性質(zhì)氣體分子的速度具有很大的分布空間。溫度越高、氣體分子的相對(duì)原子質(zhì)量越小，分子的平均運(yùn)動(dòng)速度越大

141.2稀薄氣體的基本性質(zhì)不同種類氣體分子的平均運(yùn)動(dòng)速度也只與T/M的平方根成正比在常溫條件下，一般氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度是很高的。比如在T=300K時(shí)，空氣分子的平均運(yùn)動(dòng)速度υa≈460m/s氣體分子的平均運(yùn)動(dòng)速度151.2稀薄氣體的基本性質(zhì)最可幾速度——用于討論速度分布平均速度

——用于計(jì)算分子運(yùn)動(dòng)的平均距離均方根速度——用于計(jì)算分子的平均動(dòng)能161.3真空的獲得工具——真空泵Pui：泵對(duì)i氣體的極限壓強(qiáng)（Pa）Qi：室內(nèi)各種氣源（Pa·L/s）Si：泵對(duì)i氣體的抽氣速率（L/s）Pi：i氣體的分壓（Pa）V：真空室容積（L）17真空泵的種類及工作原理1、機(jī)械泵：組成部件：定子、轉(zhuǎn)子，嵌于轉(zhuǎn)子的兩個(gè)旋片以及彈簧工作原理：玻意-耳馬略特定律，PV=K。P1(V+△V)=P0VV：真空室體積18旋片式機(jī)械泵結(jié)構(gòu)(剖面)圖工作原理圖1920泵油的作用：密封潤(rùn)滑和冷卻機(jī)械泵的局限性：對(duì)水蒸汽等可凝性氣體存在很大困難21油擴(kuò)散泵結(jié)構(gòu)及工作原理

2、擴(kuò)散泵22工作原理：依靠從噴嘴噴出的高速（200米/秒）高密度的蒸汽流而輸送氣體以油為工作蒸汽的稱為油擴(kuò)散泵必須與機(jī)械泵配合使用Pf：前級(jí)真空壓強(qiáng)n：蒸汽分子密度U：油蒸汽速度L：出氣口至進(jìn)氣口的蒸汽擴(kuò)散長(zhǎng)度D0：=常數(shù)23馬達(dá)電源機(jī)械泵機(jī)械泵放氣閥243、分子泵

臥式渦輪分子泵的結(jié)構(gòu)示意圖25工作原理：處于氣體中的固體表面以一定方向運(yùn)動(dòng)，所有飛到這表面的氣體分子，經(jīng)過碰撞后都具有一定的分速度，其大小與方向等于固體的速度。Turbo-Molecular泵：通過高速旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片，不斷地對(duì)氣體分子施以定向的動(dòng)量和壓縮作用。需要前置真空泵（10-3Torr）4、濺射離子泵5、吸附泵6、升華泵可見參考書261.4真空測(cè)量1、熱真空計(jì)：工作原理：在低真空時(shí)，熱傳導(dǎo)則與壓強(qiáng)成正比A、皮拉尼（Pirani）真空計(jì)：測(cè)定因溫度變化引起燈絲電阻的變化B、熱電偶：用熱電偶測(cè)定溫度變化引起電動(dòng)勢(shì)變化的真空計(jì)

Q=Q1+Q2+Q3

輻射

傳導(dǎo)

氣體(T1，T2)=e(T1)-e(T2)e(T1)、e(T2)是接點(diǎn)的分熱電動(dòng)勢(shì)

關(guān)于熱電偶：（1）熱電動(dòng)勢(shì)僅與熱電偶的材料和接點(diǎn)溫度有關(guān)（2）中間導(dǎo)體定律：熱電偶回路中，加入兩端溫度相同的中間導(dǎo)體，不會(huì)影響熱電動(dòng)勢(shì)。27皮拉尼真空計(jì)熱電偶真空計(jì)28單位時(shí)間內(nèi)氣體分子從加熱燈絲表面?zhèn)鬟f到熱真空計(jì)玻璃管的熱量若確定，Q3與壓強(qiáng)P成正比；實(shí)際上：氣體分子與固體表面的碰撞過程非常復(fù)雜難確定很難計(jì)算出Q3

通常需用絕對(duì)真空計(jì)校準(zhǔn)高真空時(shí)，自由程l>>r2-r1(r2玻管半徑)，由于壓強(qiáng)很低，Q3<<Q1-Q2，Q3與壓強(qiáng)無關(guān)。稱為聚合系數(shù)；T1和T2分別為熱絲和玻管溫度；r1和L分別為熱絲的半徑和長(zhǎng)度292、電離真空計(jì)

工作原理：

燈絲F發(fā)射熱電子，發(fā)射的熱電子（e）被加速極A加速，碰撞氣體分子（M）而使其電離，電離產(chǎn)生的離子數(shù)和氣壓P成正比Ii:離子收集極C得到的離子流Ie:加速極A得到的電子流兩者之比稱為電離系數(shù)30熱陰極電離真空計(jì)31假設(shè)：陰極與離子收集極的間距為d電子的平均自由程為le電子每與氣體分子碰撞一次就能產(chǎn)生一次電離計(jì)算的P要較壓縮真空計(jì)實(shí)際測(cè)得的壓強(qiáng)低故改為已知得32Ie為常數(shù)時(shí)Ii=IeKP=CP離子流僅與壓強(qiáng)成正比測(cè)出離子流，經(jīng)放大后可用轉(zhuǎn)換為壓強(qiáng)刻度的表頭指示測(cè)量范圍：10-1～10-6PaP>10-1Pa，飽和P<10-6Pa，高速電子→X射→IX→Ii↑B-A型：改變離子收集極，板狀柱狀，X射↓→IX↓→P～10-10PaK：電離真空計(jì)的靈敏度通常為4～4033名稱原理精度反應(yīng)時(shí)間工作壓力范圍（Pa）其它U形管壓強(qiáng)計(jì)根據(jù)液柱差測(cè)量壓力0.5托數(shù)秒10-5~10-2作為校正標(biāo)準(zhǔn)，與氣體種類無關(guān)麥克勞真空計(jì)（壓縮真空計(jì)）根據(jù)壓縮后的液柱差測(cè)量壓力幾%~幾十%數(shù)分10~10-3(10-4)作用校正標(biāo)準(zhǔn)，不適宜測(cè)可凝性氣體皮拉尼真空計(jì)（電阻真空計(jì)）利用氣體分子的熱傳導(dǎo)10%以上數(shù)秒103~10-2(10-3)靈敏度因氣體種類而變，熱絲狀態(tài)不同，零點(diǎn)變化。熱電偶真空計(jì)靈敏度易變肖魯斯電離真空計(jì)利用熱電子電離殘余氣體10~20%10-3秒10~10-2靈敏度因氣體種類而變，對(duì)電極和管壁除氣極為重要，應(yīng)注意燈絲斷裂熱陰極電離真空計(jì)10-1~10-6B-A型真空計(jì)10-1~10-10磁控放電真空計(jì)（潘寧真空計(jì)）利用磁