《薄膜材料制备与技术》全套教学课件.pptx

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薄膜材料制备与技术,课程安排,总学时：

36学时第一篇真空技术基础（10学时）第二篇薄膜的物理气相沉积（10学时）第三篇薄膜的化学气相沉积（6学时）第四篇薄膜的生长过程和薄膜结构（8学时）期末考试2学时,课程要求,掌握真空及薄膜的物理基础；对真空获得、真空测量、气体放电、离子溅射、薄膜生长等有较深入的了解；重点掌握真空蒸镀、离子镀、磁控溅射、化学气相沉积、分子束外延等基本工艺；对薄膜材料制备、结构、性能及应用有系统了解。

通过本课程的学习，要求学生初步具有薄膜材料的制备与表征能力。

参考书目,薄膜物理与技术杨邦朝，王文生编著。

电子科学出版社薄膜材料制备原理、技术及应用唐伟忠著。

冶金工艺出版社薄膜技术王力衡。

清华大学出版社薄膜技术顾培夫。

浙江大学出版社真空技术物理基础张树林。

东北工学院出版社真空技术戴荣道。

电子工业出版社,真空产业,1.真空镀膜机,ZZ1688-56系列高真空泵装饰镀膜机,ZZ-1688V双开门系列装饰镀膜机,ZZJ-1600型旋转圆柱靶磁控溅射镀膜机,KC-3A光盘镀膜机,ZZ-1800K高真空卷绕镀膜机,2.真空机组,机械泵,机械泵+扩散泵机组,机械泵+罗茨泵机组,机械泵+分子泵机组,3.真空脱气箱,4.真空油雾消除器,5.真空缓冲罐,6.真空热处理炉,薄膜产业,近年来，随着薄膜技术的飞速发展，薄膜技术的应用已渗透至国民经济科技的各个领域。

最为广泛的应用就是半导体产业。

随着芯片的特征尺寸缩小至0.13m，甚至90nm或45nm（28nm），整个半导体制程工艺就是薄膜制程工艺的集合。

因此薄膜材料及相关的技术研究引起了世界各国科学家的关注。

薄膜理论包括：

薄膜结构理论、薄膜表面界面特性、量子结构和纳米结构方面的理论研究。

薄膜材料包括：

半导体薄膜、磁性薄膜、超导薄膜、有机薄膜、铁电薄膜和生物工程薄膜。

薄膜生长技术包括：

薄膜淀积、薄膜外延等技术。

薄膜应用包括：

信息存储、显示器、传感器、太阳能电池、微电子、光电子、微电子机械系统（MEMS）方面的多种应用。

第一篇真空技术基础,第一章第二章第三章第四章第五章第六章,真空的基本知识理想气体状态方程气体分子运动论气体的流动状态和真空抽速真空的获得真空的测量,几乎所有的现代薄膜材料制备都是在真空或是在较低的气压下进行的，都涉及到气相的产生、输运以及反应的过程。

因此，有关气体的基本性质、真空的获得以及测量等方面的知识，是了解薄膜材料制备技术的基础。

绪言,第一章真空的基本知识,1-1真空的基本概念标准大气压：

海拔高度为零时，空间温度为27的特定点的大气压（国际计量标准规定）。

此时压强等于1.01325105帕（相当760mmHg），每立方厘米的大气中含有分子数为2.51019个。

真空：

指低于一个标准大气压的气体状态（同正常的大气相比，是比较稀薄的气体状态）。

人为真空：

人为的对一个容器抽气而获得的真空空间。

真空度与压强：

真空度与压强是两个概念，不能混淆。

压强越低意味着单位体积中气体分子数越少，真空度越高；反之真空度越低则压强就越高。

气压、海拔高度和温度的关系式：

其中，为气体分子质量，g为重力加速度，z为高度（普通物理学，程守洙主编，P296）。

综上可知：

所谓真空是相对的，绝对的真空是不存在的。

通常所说的真空是一种“相对真空”。

月球表面P=110-12Pa；星球空间P=110-18Pa,海拔高度与气压的对应值表,1-2真空度量单位及区域划分真空度量单位（压强）:

国际单位制导出（法定）的基本单位是帕斯卡（Pascal），系千克米秒制，符号Pa。

1Pa=1N/m2=1牛顿/平方米托（Torr）1958年为纪念托里拆利，Torr代替了毫米汞柱。

1Torr=1/760atm=1mmHg=133.3Pa巴（bar）系厘米克秒制。

1bar=105Pa;1atm=1.01325105Pa,低真空中真空高真空超高真空,10210210-1Pa10-110-5Pa（10-6Pa）10-5Pa（10-6Pa）,真空区域划分:

第二章理想气体状态方程,真空技术中遇到的是稀薄气体，这种稀薄气体的性质与理想气体差异很小，因此在研究稀薄气体的性质时，可以不加修正地直接应用理想气体状态方程。

理想气体的宏观特性是通过P、V、T三个状态参量来描述的，在平衡状态下，各部分的压强和温度是一致的。

它们的状态变化遵循一定的客观规律。

1、波义尔定律,PV=C,2、盖吕萨克定律,V=CT,3、查理定律,P=CT,4、道尔顿定律P=P1+P2+Pn5、阿佛伽德罗定律：

在相同温度和相同压强下，一摩尔的任何气体所占有的体积都相同。

（T0=273.15K，P0=1大气压的标准状态下，这个体积都是0=22.41升）,.实验定律:

其中:

m为气体的质量，M为气体的摩尔质量，为气体分子的相对原子质量，k为玻耳兹曼常数，N为气体分子的个数，n为单位体积内的分子数，R为普适气体衡量（摩尔气体常数），N0为阿伏伽德罗常数。

.理想气体状态方程：

第三章气体分子运动论,.气体分子的运动速度及其分布:

1.气体分子按速度分布的实验测定:

实验装置及原理:

A-金属蒸气产生处；S-分子束定向装置；D,D-共轴圆盘；轴以角速度旋转。

2.实验的一般结果,0oC时空气分子的速度分布,理想气体压力（P）与气体的热力学温度（T）、气体分子单位体积内的分子数（n）和玻耳兹曼常数（k=R/N0，N0为阿伏伽德罗常数6.0221023个）的关系为：

.气体的压力和气体分子的平均自由程:

平均自由程（）与气体的热力学温度（T）、玻耳兹曼常数（k=R/N0）、某种气体分子的有效截面直径d（常温常压下0.5nm）、气体压力和单位体积内气体分子数n之间的关系为（普通物理学，程守洙主编，P299）：

平均自由程（）与气体分子的有效截面直径d（常温常压下0.5nm）和单位体积内气体分子数n的关系为（本书中）：

常温、常压下，空气分子的平均自由程nm。

这表明：

在常温、常压的条件下，气体分子的平均自由程是极短的。

已知气体分子的平均自由程，还可以求出其平均碰撞频率，它等于v/。

在常温、常压的条件下，每个空气分子每秒钟内要经历1010次碰撞。

可以想象，此时气体分子的运动轨迹并不是一条直线，而是一条不断碰撞的同时不断改变方向的折线。

这时尽管气体分子的平均运动速度很高，但在单位时间里，其定向运动的距离却较小。

.气体分子的通量:

单位面积上气体分子的通量：

气体分子对于单位面积表面的碰撞频率。

单位时间内，单位面积表面受到气体分子碰撞的次数应该等于：

其中，n，分别为单位体积内的气体分子数和气体分子的平均速度。

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碰撞来实现的。

所以，薄膜的沉积速度正比于气体分子的通量。

将气体分子的平均速度和气体压力公式带入上式，可得：

此式称为克努森方程。

即：

气体分子的通量与气体的压力成正比，但与气体的热力学温度（?

）以及气体的相对原子质量的1/2此方成反比。

克努森方程的实际应用：

计算一下高真空环境中，清洁表面被环境中的杂质气体分子污染所需要的时间。

假设每一个向清洁表面运动来的气体分子都是杂质，而且，每一个杂质气体分子都会被表面俘获，利用上式，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为（N为表面的原子面密度）：

上式表明，在常温、常压的条件下，洁净表面被杂质完全覆盖所需的时间约为3.510-9s；而在10-8Pa的高真空中，这一时间可延长至10h左右。

第四章气体的流动状态,和真空抽速,4-1气体的流动状态分子流状态：

在高真空环境中，气体分子的平均自由程大于气体容器的尺寸或与其相当，气体分子除了与容器器壁发生碰撞外，几乎不发生气体分子间的碰撞过程，这种气体的流动状态被称为气体的。

黏滞流状态：

当气体压力较高时，气体分子的平均自由程较短，气体分子间的相互碰撞较为频繁。

我们将这种气体的流动状态称为气体的。

克努森准数Kn划分分子流状态与黏滞流状态,其中，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，气体的流动可被划分为三个不同的区间:

分子流状态：

Kn1过渡状态：

Kn1110黏滞流状态：

Kn110,4-2气体管路的流导,流导：

真空系统中总包括有真空管路，而真空管路中气体的通过能力称为它的流导。

设某一真空部件使流动着的气体形成一定程度的压力降低，则其流导C的定义为：

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（L）。

流导的求解：

当不同的流导C1，C2，C3之间相互串连或并联时，形成的总流导C可以通过下式求出：

串联流导：

并联流导：

4-3真空泵的抽速（Sp）抽气速率：

指在规定压强下单位时间所抽出气体的体积，它决定抽真空所需要的时间。

其单位为升/秒（L/s），其定义式为：

式中，p为真空泵入口处的气体压力；Q为单位时间内通过真空泵入口的气体流量。

真空泵的抽速与管路的流导有相同的量纲，两者对于维持真空系统的真空度起着同样重要的作用。

极限压强（极限真空）：

对于任何一个真空系统而言，都不可能得到绝对真空（P=0），而是具有一定的压强P0;这是该系统所能达到的最低压强，是真空系统能否满足镀膜需要的重要指标之一。

其数值不仅取决于真空泵，还取决于整个真空系统，包括系统的气体泄漏程度、系统的容积，以及上面强调过的管路流导。

因此，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。

真空环境的获得需要使用各种各样的真空泵，真空泵是真空系统的主要组成部分。

按照获得真空的不同方法，可以将真空泵分为两大类，即输运式真空泵和捕获式真空泵。

输运式真空泵采用对气体进行压缩的方式将气体分子输送至真空系统之外；而捕获式真空泵则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，排除于真空过程之外。

第五章真空的获得,输运式真空泵又可被细分为机械式气体输运泵和气流式气体输运泵。

旋片式机械真空泵、罗茨泵以及涡轮分子泵是机械式气体输运泵的典型例子，而油扩散泵则属于气流式气体输运泵。

捕获式真空泵包括低温吸附泵、溅射离子泵等。

5-1旋片式机械真空泵,常用机械泵有旋片式、定片式和滑阀式等。

其中旋片式机械泵噪声最小，运行速度高，应用最为广泛，其结构如左图所示。

为了提高对于气体的密封效果，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，在泵体的内部还用油作为旋片与泵体之间的密封物质。

另外，油还起着对这些机械部件进行润滑的作用。

机械泵的转子及定子全部浸泡在油箱内，因此机械泵油的作用很重要，机械泵油的基本要求是饱和蒸气压低，要具有一定的润滑性和粘度，以及较高的稳定性。

使用机械泵抽除带有水蒸气的混合气体时，蒸气分压强也会在压缩过程中同样逐渐增大。

当蒸气分压强增大到饱和蒸气压，而总压强还不足以推开排气阀所需的压强时，蒸气就会凝结成水，并与机械泵油混合形成一种悬浊液，这将使泵油质量严重破坏，影响油的密封、润滑作用，并能使泵壁锈蚀。

为此常常使用气镇泵，即在靠近排气口的地方开一小孔，在气体尚未压缩之前，由小孔渗入一定量的干燥空气，协助打开排气阀门，让水蒸气在未凝结之前被排出泵外，显然，气镇泵对极限真空度稍有影响。

（B）根据波义尔定律PV=C（T），压强与体积的乘积等于一个与温度有关的常数。

如果待抽容器的体积为V，初始压强为P0，转子第一次旋转所形成的空间体积为V。

则旋片转过一周后，待抽空间的压强P1降低为：

经过n个循环后：

（C）旋片式机械泵的抽速可以用下述方法予以估计。

设在泵的每次旋转中，转子与定子间体积为V的气体被全部排除至泵腔之外。

这时，泵的理论抽速应该等于：

式中，f为泵的转速。

上式适用于压力比较高时；当压力比较低时，由下式可知，必须有