薄膜制備技術基礎

（優(yōu)選）薄膜制備技術基礎現(xiàn)在是1頁\一共有64頁\編輯于星期五（1）是否容易成核和生長成薄膜；（2）根據(jù)不同的應用目的，選擇金屬（或合金）、玻璃、陶瓷單晶和塑料等作基體；（3）薄膜結構與基體材料結構要對應；（4）要使薄膜和基體材料的性能相匹配，從而減少熱應力，不使薄膜脫落；（5）要考慮市場供應情況、價格、形狀、尺寸、表面粗糙度和加工難易程度等?，F(xiàn)在是2頁\一共有64頁\編輯于星期五（二）基片的清洗1、概述由于薄膜厚度很薄，基片表面的平整度、清潔度都會對所生長的薄膜有影響?；砻娴娜魏我稽c污物都會影響薄膜材料的性能和生長情況。由此可見，基片的清洗是十分重要的?；那逑捶椒ㄖ饕鶕?jù)薄膜生長方法和薄膜使用目的選定，因為基片表面狀態(tài)嚴重影響基片上生長出的薄膜結構和薄膜物理性質(zhì)。

現(xiàn)在是3頁\一共有64頁\編輯于星期五2、基片的清洗方法一般分為去除基片表面上物理附著的污物的清洗方法和去除化學附著的污物的清洗方法。目前，基片清洗方法有：用化學溶劑溶解污物的方法、超聲波清洗法、離子轟擊清洗法、等離子體清洗法和烘烤清洗法等。

現(xiàn)在是4頁\一共有64頁\編輯于星期五第二節(jié)真空技術基礎

真空技術是制備薄膜的基礎，真空蒸發(fā)，濺射鍍膜和離子鍍等均要求沉積薄膜的空間要有一定的真空度，因而獲得并保持真空環(huán)境是鍍膜的必要條件。

現(xiàn)在是5頁\一共有64頁\編輯于星期五一、真空的概念

“真空”拉丁文Vacuo，其意義是虛無=>氣體較稀薄的空間。真空是一個相對的概念“低于一個大氣壓的氣體狀態(tài)?！闭婵諣顟B(tài)是氣體分子運動的動態(tài)結果。標準狀況下氣體的分子密度約為3x1019個/cm31/104大氣壓下氣體的分子密度約為3x1015個/cm3現(xiàn)在是6頁\一共有64頁\編輯于星期五二、真空度的單位真空狀態(tài)下氣體稀薄程度稱為真空度，通常用壓力值表示。1958年，第一界國際技術會議曾建議采用“托”(Torr)作為測量真空度的單位。國際單位制(SI)中規(guī)定壓力的單位為帕(Pa)。我國采用SI規(guī)定。1標準大氣壓(1atm)≈1.013×105Pa(帕)1Torr≈1/760atm≈1mmHg1Torr≈133Pa≈102Pa100Pa=0.75Torr≈1Torr現(xiàn)在是7頁\一共有64頁\編輯于星期五三、真空度的劃分為了研究真空和實際應用方便，常把真空劃分為：低真空（1×105~1×102Pa）中真空（1×102~1×10-1Pa）高真空（1×10-1~1×10-6Pa）超高真空（<1×10-6Pa）四個等級?，F(xiàn)在是8頁\一共有64頁\編輯于星期五現(xiàn)在是9頁\一共有64頁\編輯于星期五四、真空的基本特點

氣體間的碰撞少，平均自由程長與器壁或研究對象表面的碰撞少壓力低，改變化學平衡熱導低化學非活性現(xiàn)在是10頁\一共有64頁\編輯于星期五五、稀薄氣體的基本性質(zhì)1.在真空下，當氣體處于平衡狀態(tài)時可以使用物態(tài)方程加以描述，即：P=nkT2.符合三個過程方程

a.玻義爾定律：PV=Cb.蓋-呂薩克定律：V/T=Cc.查理定律：P/T=C現(xiàn)在是11頁\一共有64頁\編輯于星期五速度分布函數(shù)為：其中m為氣體分子的質(zhì)量3.單位體積內(nèi)速率位于v與v+dv間的粒子數(shù)dN/N為：現(xiàn)在是12頁\一共有64頁\編輯于星期五4.氣體分子運動的幾種平均運動速度a.氣體分子的最可幾速度Vm(討論速率分布)b.氣體分子的平均速度Va(討論分子的平均運動距離)c.氣體分子的均方根速度Vr(討論分子的平均動能)現(xiàn)在是13頁\一共有64頁\編輯于星期五室溫下,壓強為10-9torr時氮分子的平均自由程>50km。因此體積有限的超真空系統(tǒng)中，氣體分子之間或氣體分子與帶電粒子之間的碰撞都可以近似忽略。5、氣體分子的平均自由程：A分子碰撞截面，σ為分子直徑，p為壓強，T為氣體溫度，k為玻耳茲曼常數(shù)。現(xiàn)在是14頁\一共有64頁\編輯于星期五6、單位面積上分子與固體表面碰撞的頻率：

m和T分別為氣體分子的質(zhì)量和溫度。對室溫下的氮氣，在10-6Torr時，v=4.4x1014分子/cm2·s假設每次碰撞均被表面吸附，一個“干凈”的表面只要一秒多鐘就被覆蓋滿了一個單分子層的氣體分子：而在超高真空10-10Torr或10-11Torr時，由同樣的估計可知“干凈”表面吸附單分子層的時間將達幾小時到幾十小時。對于技術和物理研究的影響：表面物理，薄膜沉積現(xiàn)在是15頁\一共有64頁\編輯于星期五7、克努曾定律或余弦定律：

碰撞于固體表面的分子，飛離表面的方向與原入射方向無關，處于與表面法線成θ角的空間區(qū)域（立體角為的dω）的分子的幾率為：余弦定律的意義：（1）固體表面使分子入射的方向性消失；（2）分子在固體表面停留，使氣體和固體表面發(fā)生能量和動量的傳遞?，F(xiàn)在是16頁\一共有64頁\編輯于星期五8.氣體的吸附與脫附氣體吸附：是指固體表面捕獲氣體分子的現(xiàn)象。吸附分為物理吸附和化學吸附。物理吸附：主要靠分子間的相互吸引力，易脫附，只在低溫下有效?；瘜W吸附：當氣體和固體表面原子間生成化合物時，所產(chǎn)生的吸附作用。不易脫附，可發(fā)生在高溫下?，F(xiàn)在是17頁\一共有64頁\編輯于星期五9.電子碰撞氣體引起的電離電子能量較低：不會引起氣體原子（分子）的狀態(tài)發(fā)生變化。能量較高：引起氣體原子（分子）的激發(fā)或電離。激發(fā)：部分價電子躍遷到較高的能級。電離：一個或多個價電子脫離原子或分子的過程?，F(xiàn)在是18頁\一共有64頁\編輯于星期五10.氣體的流動狀態(tài)三種流動狀態(tài)湍流，層流，分子流湍流：當氣體壓強和流速都比較高時，流動呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，宏觀流速矢量有徑向分量．氣體流動受到較大的阻力，通常稱這種流動狀態(tài)為湍流或者旁流。現(xiàn)在是19頁\一共有64頁\編輯于星期五平流（層流）：隨氣體壓強和流速的逐漸降低，流動由具有不同流動速度的各個流動層組成．宏觀流速矢量與管軸平行，流動與氣體的粘滯性有關，稱為平流。平流和湍流都屬于粘滯流。分子流：當壓強進—步降低，氣體分子的平均自由程增大，分子間的相互碰撞減少，分子與管壁的碰撞占主要地位，分于間的內(nèi)摩擦消失，氣體分子以熱運動而自由地獨立地直線前進，這種流動被稱為分子流?，F(xiàn)在是20頁\一共有64頁\編輯于星期五判斷粘滯流與分子流的Knudsennumber(克努森數(shù)):現(xiàn)在是21頁\一共有64頁\編輯于星期五判斷平流與湍流的雷諾數(shù)：現(xiàn)在是22頁\一共有64頁\編輯于星期五11.蒸發(fā)和凝結（1）蒸發(fā)和凝結蒸發(fā)：由固相和液相轉變?yōu)闅庀嗟倪^程。凝結：由氣相轉變?yōu)楣滔嗪鸵合嗟倪^程。（2）蒸汽和氣體由P-V線可知：存在臨界溫度Tc，工作溫度低于Tc，氣體加壓可變成液體，此時的氣體稱為可凝性氣體（蒸汽）工作溫度高于Tc，氣體加壓不可變成液體，此時的氣體稱為永久性氣體（簡稱為氣體）現(xiàn)在是23頁\一共有64頁\編輯于星期五在本課程中定義的蒸汽和氣體凡臨界溫度高于室溫（15℃~25℃）的氣相，稱為蒸汽其特征是在室溫下加壓可液化。如水蒸氣，金屬蒸汽凡臨界溫度低于于室溫（15℃~25℃）的氣相，稱為氣體其特征是在室溫下加壓不可液化。如氫氣，氮氣以上分類的主要原因是:蒸汽加壓液化，液體減壓氣化會對系統(tǒng)的真空度產(chǎn)生影響。現(xiàn)在是24頁\一共有64頁\編輯于星期五（3）飽和蒸汽和不飽和蒸汽飽和蒸汽：汽液平衡共存時的蒸汽。非飽和蒸汽：單一蒸汽存在。飽和蒸汽不符合理想氣體物態(tài)方程，但符合克拉珀龍方程。不飽和蒸汽符合理想氣體物態(tài)方程。現(xiàn)在是25頁\一共有64頁\編輯于星期五第三節(jié)真空系統(tǒng)1.真空系統(tǒng)的結構示意圖真空室泵管路閥門真空測量機械泵分子泵閥門管路閘板閥真空室真空測量真空狀態(tài)是氣體分子運動的動態(tài)結果漏氣與放氣系統(tǒng)中氣體的流動處于分子流狀態(tài)現(xiàn)在是26頁\一共有64頁\編輯于星期五2.真空系統(tǒng)的組成泵—負責抽空系統(tǒng)內(nèi)的剩余氣體機械泵擴散泵分子泵離子泵吸附泵－鈦吸附泵和冷凝吸附泵真空室—安放實驗裝置真空管路—連接真空系統(tǒng)閥門—控制真空系統(tǒng)的連接情況真空的測量不同的真空要求由不同的泵和系統(tǒng)組成現(xiàn)在是27頁\一共有64頁\編輯于星期五3.表征真空系統(tǒng)的幾個參數(shù)(1)體積流速S（體積流率）單位時間流過管道某一特定截面的體積(3)流導C、流阻Z表征氣體沿管道流動的動力或阻力Q=C(P2-P1),P1、P2為管道兩端的壓強(2)流量Q（體積流率）單位時間流過管道某一特定截面的的氣體分子的量現(xiàn)在是28頁\一共有64頁\編輯于星期五穩(wěn)定流動狀態(tài)下流量守恒串連：并連：串連時總流導小于任何連接的流導現(xiàn)在是29頁\一共有64頁\編輯于星期五(4)泵抽速S泵入口處單位時間抽入的氣體體積

(6)泵的有效抽速（實際抽速）當一個容器由一根管道連接到泵進行抽氣時，在容器出口處的抽速。(5)泵抽除量R表征泵的抽氣能力R=P1S現(xiàn)在是30頁\一共有64頁\編輯于星期五實際抽速的計算：S=Q/P=截面積*流速系統(tǒng)實際抽速Q(mào)=Sp·Pr=S·P=C(P-Pr)現(xiàn)在是31頁\一共有64頁\編輯于星期五真空計的位置p0,S0p,S實際壓強要比測量壓強高現(xiàn)在是32頁\一共有64頁\編輯于星期五（7）極限真空度只考慮泵抽氣過程總存在氣體回流量Qp凈流量：令Q=0,求出極限真空度現(xiàn)在是33頁\一共有64頁\編輯于星期五分離變量，積分得：其中：Pi為真空室初始真空度（t=0）P0為真空室極限真空度（t→∞）Pt為真空室某一時刻真空度現(xiàn)在是34頁\一共有64頁\編輯于星期五第四節(jié).抽真空和抽真空設備一、抽真空是利用各種真空泵將被抽容器中的氣體抽出，使該空間的壓強低于一個大氣壓的過程?？捎卸喾N方法實現(xiàn)抽真空真空泵：抽真空的裝置現(xiàn)在是35頁\一共有64頁\編輯于星期五3.抽真空和抽真空設備二、真空泵目前常用的真空泵主要有：旋轉式機械真空泵、油擴散泵、復合分子泵、分子篩吸附泵、鈦升華泵、濺射離子泵和低溫泵等。前三種屬于氣體傳輸泵，后四種屬于氣體捕獲泵。能使壓力從一個大氣壓力開始變小，進行排氣的泵常稱為“前級泵”；另一些卻只能從較低壓力抽到更低壓力，這些真空泵常稱為“次級泵”。現(xiàn)在是36頁\一共有64頁\編輯于星期五（1）旋轉式機械真空泵機械泵：凡是利用機械運動以獲得真空的泵，因用油來進行密封，所以屬于有油類泵。原理：利用機械力連續(xù)抽氣、壓縮排除氣體?，F(xiàn)在是37頁\一共有64頁\編輯于星期五工作過程：氣體從入口進入轉子和定子之間偏軸轉子壓縮空氣并輸送到出口氣體在出口累積到一定壓強，噴出到大氣工作范圍及特點：大氣壓10-3torr耐用，便宜油潤滑，污染現(xiàn)在是38頁\一共有64頁\編輯于星期五旋片式機械泵工作示意圖現(xiàn)在是39頁\一共有64頁\編輯于星期五理想情況下，旋片轉動半周后，腔體內(nèi)壓強：n無限大時，p趨向0；極限真空pm有害空間排氣空間與吸氣空間的間隙泵油氣的循環(huán)現(xiàn)在是40頁\一共有64頁\編輯于星期五現(xiàn)在是41頁\一共有64頁\編輯于星期五特點:1.體積小、重量輕、結構簡單工作可靠、經(jīng)濟耐用。

2.設有氣鎮(zhèn)閥，可抽除少量水蒸氣；但降低系統(tǒng)的真空度。3.不適用于抽除對金屬有腐蝕的，對泵油起化學反應、含有顆粒塵埃的氣體，易燃易爆的氣體。4.抽真空的能力不好。5.潤滑油的回流和會發(fā)會對真空系統(tǒng)造成污染?，F(xiàn)在是42頁\一共有64頁\編輯于星期五(2)擴散泵現(xiàn)在是43頁\一共有64頁\編輯于星期五（一概述）

油擴散真空泵是用來獲得高真空和超高真空的主要設備，廣泛用于電子工業(yè)、化學工業(yè)、真空冶煉等高科技領域。油擴散泵的工作壓力范圍10-1－10-６Pａ，其極限壓力是10-8Pa。油擴散泵一定要在壓力低于40Pa的時候才能開油擴散泵，分子泵則要低于1Pa才能啟動。

現(xiàn)在是44頁\一共有64頁\編輯于星期五（二）油擴散泵工作原理接機械泵擴散泵油被泵外電爐加熱產(chǎn)生油蒸氣油蒸氣沿蒸氣導管上升到管頂油蒸氣經(jīng)傘形噴嘴向下噴出產(chǎn)生射流氣體分子與射流中油分子碰撞發(fā)生動量交換氣體分子與射流一起向下運動油蒸汽與水冷的泵壁相遇而冷卻回流氣體分子則被帶到排氣口附近被抽走現(xiàn)在是45頁\一共有64頁\編輯于星期五擴散泵的壓縮比n蒸汽流分子密度,v蒸汽流在噴口處的速度，L射流的有效長度，D0=ND,D氣體分子在油蒸汽中的擴散系數(shù),PL前級泵的壓強，Pu真空室的壓強。討論：n,v,L,K越大，D越小，抽氣效果越好(2)擴散泵的實際壓強與PL成正比現(xiàn)在是46頁\一共有64頁\編輯于星期五討論：(1)為了提高壓縮比，采用多級噴嘴(2)選擇抽真空性能較好的前級泵(3)選擇性能良好的擴散泵油(4)減少返流進氣口處安裝水冷擋板或液氮冷阱但降低抽速現(xiàn)在是47頁\一共有64頁\編輯于星期五（三）油擴散泵特點1獲得的極限真空高，為10-5Pa.2在10-1-10-4Pa壓強范圍內(nèi)，有恒定的大抽速，但抽氣量不大，正好與旋片泵銜接.3無運動部分，無磨損，壽命長.4結構簡單，維護方便，制造方便，工作時安靜.5工作介質(zhì)是油，存在油污染.6.被抽氣體不能易燃、易爆、腐蝕性.7啟動慢.現(xiàn)在是48頁\一共有64頁\編輯于星期五(3)渦輪分子泵現(xiàn)在是49頁\一共有64頁\編輯于星期五渦輪分子是靠高速轉動的轉子攜帶氣體分子獲得超高真空的一種機械真空泵。工作壓力范圍為1Pa~10-8Pa。先進的泵可以獲得10-9Pa的極限壓力。泵的轉速為10000r/min~50000r/min,這種泵的抽速范圍很寬，在九個數(shù)量級間具有恒定的抽速。分子泵主要用作超高真空泵和高真空泵，單它不能直接對大氣排氣，需要配前級真空泵。分子泵對較輕氣體抽速很大，對氫的抽速比對空氣的抽速大20%。（一）概述現(xiàn)在是50頁\一共有64頁\編輯于星期五（二）渦輪分子泵工作原理α1

β1

γ1

ⅠⅡ當Ⅰ側的氣體分子與葉片相碰后反射方向在α1角內(nèi)的將又回到Ⅰ側；撞擊在γ1角內(nèi)再反射的氣體分子將進入Ⅱ側；反射方向在β1角內(nèi)的氣體分子最后將進入到Ⅱ側或散射回Ⅰ側。動葉片工作原理圖α2

β2

γ2

ⅠⅡα1﹤α2，γ1﹥γ2凈氣體流ⅡⅠ現(xiàn)在是51頁\一共有64頁\編輯于星期五1.泵的排氣壓力與進氣壓力之比稱為壓縮比。壓縮比除與泵的級數(shù)和轉速有關外，還與氣體種類有關。2.分子量大的氣體有高的壓縮比。3.渦輪分子泵必須在分子流狀態(tài)(氣體分子的平均自由程遠大于導管截面最大尺寸的流態(tài))下工作才能顯示出它的優(yōu)越性,因此要求配有工作壓力為1～10-2帕的前級真空泵。三、性能現(xiàn)在是52頁\一共有64頁\編輯于星期五1渦輪分子泵的優(yōu)點是啟動快；2能抗各種射線的照射；3耐大氣沖擊；4無氣體存儲和解吸效應；5無油蒸氣污染或污染很少，能獲得清潔的超高真空。渦輪分子泵廣泛用于高能加速器、可控熱核反應裝置、重粒子加速器和高級電子器件制造等方面。渦輪分子泵的特點現(xiàn)在是53頁\一共有64頁\編輯于星期五（4）鈦升華泵加熱Ti絲使其蒸發(fā)到冷壁.Ti原子與氣體反應.工作范圍10-8-10-11Torr便宜，可靠，無噪音，無振動，無斷電問題需要再生，很難排除惰性氣體和甲烷現(xiàn)在是54頁\一共有64頁\編輯于星期五液氮冷卻有很大表面積的分子篩10-3Torr->10-10Torr(可以用兩個泵交替工作)很容易飽和多泵聯(lián)合工作>200°C烘烤除去吸附的氣體簡單，無振動，便宜，無油污染極限真空與泵的溫度相關。（5）冷凝泵金屬表面，高沸點氣體覆蓋的低溫表面，分子篩，活性碳等現(xiàn)在是55頁\一共有64頁\編輯于星期五（6）吸附泵可吸附有毒有害氣體和易燃易爆氣體無油真空泵常和其它干式真空泵聯(lián)合使用運行成本高現(xiàn)在是56頁\一共有64頁\編輯于星期五真空泵的比較現(xiàn)在是57頁\一共有64頁\編輯于星期五為何高真空泵管道粗，低真空泵管道細？現(xiàn)在是58頁\一共有64頁\編輯于星期五種類原理工作壓強范圍機械泵油封機械泵（單級）油封機械泵（雙級）分子泵羅茨泵利用機械力壓縮排除氣體大氣壓至1Pa大氣壓至10-2Pa10-1~10-7Pa103~10-3Pa蒸氣噴射泵水銀擴散泵油擴散泵油噴射泵靠蒸氣噴射的動量把氣體帶走1~10-6Pa干式泵濺射離子泵鈦升華泵利用濺射或升華形成吸氣、吸附排除氣體10-2~10-8Pa吸附泵冷凝泵冷凝吸附泵利用低溫表面對氣體進行物理吸附排除氣體大氣壓至10-2Pa10-3~10-10Pa10-3~10-8Pa現(xiàn)在是59頁\一共有64頁\編輯于星期五第四節(jié)真空測量

一、概述測量原理均是利用測定在低氣壓下與壓強有關的某些物理量，再經(jīng)變換后確定容器的壓強。當壓強改變時，這些和壓強有關的特性也隨之變化的物理現(xiàn)象，就是真空測量的基礎。任何具體的物理特性，都是在某一壓強范圍才最顯著。因此，任何方法都有其一定的測量范圍，即為該真