第1章薄膜技术的真空技术基础

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《薄膜物理与技术》课程教学大纲

《薄膜物理与技术》课程教学大纲课程代码：ABCL0527课程中文名称: 薄膜物理与技术课程英文名称：Thin film physics and technology课程性质：选修课程学分数：1.5课程学时数：24授课对象：新能源材料与器件专业本课程的前导课程：《材料表面与界面》、《近代物理概论》、《材料科学基础》、《固体物理》、《材料物理性能》一、课程简介本课程主要论述薄膜的制造技术与薄膜物理的基础内容。

其中系统介绍了各种成膜技术的基本原理与方法，包括蒸发镀膜、溅射镀膜、离子镀、化学气相沉积、溶液制膜技术以及膜厚的测量与监控等。

同时介绍了薄膜的形成，薄膜的结构与缺陷，薄膜的电学性质、力学性质、半导体特性、磁学性质以及超导性质等。

通过本课程的讲授，使学生在薄膜物理基础部分，懂得薄膜形成物理过程及其特征，薄膜的电磁学、光学、力学、化学等性质。

在薄膜技术部分初步掌握各种成膜技术的基本内容以及薄膜性能的检测。

二、教学基本内容和要求掌握物理、化学气相沉积法制膜技术，了解其它一些成膜技术。

学会对不同需求的薄膜，应选用不同的制膜技术。

了解各种薄膜形成的过程及其物理特性。

理解并能运用热力学界面能理论及原子聚集理论解释薄膜形成过程中的一些现象，了解薄膜结构及分析方法，理解薄膜材料的一些基本特性，为薄膜的应用打下良好的基础。

以下分章节介绍：第一章真空技术基础课程教学内容：真空的基础知识及真空的获得和测量。

课程重点、难点：真空获得的一些手段及常用的测量方法。

课程教学要求：掌握真空、平均自由程的概念，真空各种单位的换算，平均自由程、碰撞频率、碰撞频率的长度分布率的公式，高真空镀膜机的系统结构及抽气的基本过程。

理解蒸汽、理想气体的概念，余弦散射率，真空中气体的来源，机械泵、扩散泵、分子泵以及热偶真空计和电离真空计的工作原理。

了解真空的划分，气体的流动状态的划分，气体分子的速度分布，超高真空泵的工作原理。

第二章真空蒸发镀膜法课程教学内容：真空蒸发原理，蒸发源的蒸发特性及膜厚分布，蒸发源的类型，合金及化合物的蒸发，膜厚和淀积速率的测量与监控。

薄膜制备技术基础(原著第4版)

薄膜制备技术基础（原著第4版）作者：[日]麻蒔立男出版社：化学工业出版出版日期：2009年5月开本：16开册数：1册光盘数：0定价：39.8元优惠价：36元进入20世纪，书籍已成为传播知识、科学技术和保存文化的主要工具。

随着科学技术日新月异地发展，传播知识信息手段，除了书籍、报刊外，其他工具也逐渐产生和发展起来。

但书籍的作用，是其他传播工具或手段所不能代替的。

在当代, 无论是中国，还是其他国家，书籍仍然是促进社会政治、经济、文化发展必不可少的重要传播工具。

详细介绍：第1章薄膜技术1 1生物计算(bio computing)和薄膜技术1 2医用微型机械1 3人工脑的实现（μ Electronics）1 4大型显示的实现1 5原子操控1 6薄膜技术概略参考文献第2章真空的基础2 1真空的定义2 2真空的单位2 3气体的性质2 3 1平均速率 Va2 3 2分子直径δ2 3 3平均自由程 L2 3 4碰撞频率 Z2 4气体的流动和流导2 4 1孔的流导2 4 2长管的流导（L/a≥100）2 4 3短管的流导2 4 4流导的合成2 5蒸发速率参考文献第3章真空泵和真空测量3 1真空泵3 1 1油封式旋片机械泵3 1 2油扩散泵3 1 3吸附泵3 1 4溅射离子泵3 1 5升华泵3 1 6冷凝泵3 1 7涡轮泵（分子泵）和复合涡轮泵3 1 8干式机械泵3 2真空测量仪器——全压计3 2 1热导型真空计3 2 2电离真空计——电离规3 2 3磁控管真空计3 2 4盖斯勒（Geissler）规管3 2 5隔膜真空计3 2 6石英晶振真空计3 2 7组合式真空规3 2 8真空计的安装方法3 3真空测量仪器——分压计3 3 1磁偏转型质谱仪3 3 2四极质谱仪3 3 3有机物质质量分析IAMS法参考文献第4章真空系统4 1抽气的原理4 2材料的放气4 3抽气时间的推算4 4用于制备薄膜的真空系统4 4 1残留气体4 4 2用于制备薄膜的真空系统4 5真空检漏4 5 1检漏方法4 5 2检漏应用实例参考文献第5章薄膜基础5 1气体与固体5 1 1化学吸附和物理吸附5 1 2吸附几率和吸附（弛豫）时间5 2薄膜的生长5 2 1核生长5 2 2单层生长5 3外延基板晶体和生长晶体之间的晶向关系5 3 1外延生长的温度5 3 2基板晶体的解理5 3 3真空度的影响5 3 4残留气体的影响5 3 5蒸发速率的影响5 3 6基板表面的缺陷——电子束照射的影响5 3 7电场的影响5 3 8离子的影响5 3 9膜厚的影响5 3 10晶格失配5 4非晶膜层5 4 1一般材料的非晶化（非薄膜）5 4 2非晶的定义5 4 3非晶薄膜5 4 4非晶Si膜的多晶化5 5薄膜的基本性质5 5 1电导5 5 2电阻率的温度系数（TCR）5 5 3薄膜的密度5 5 4时效变化5 5 5电解质膜5 6薄膜的内部应力5 7电致徙动本章小结参考文献第6章薄膜的制备方法6 1绪论6 2源和膜的组分——如何获得希望的膜的组分6 2 1蒸发和离子镀6 2 2溅射法6 3附着强度6 3 1前处理6 3 2蒸发时的条件6 3 3蒸发法和溅射法的比较(基板不加热情况）6 3 4蒸发、离子淀积、溅射的比较（加热、离子轰击等都进行情况）6 4台阶覆盖率、绕进率、底部覆盖率——具有陡峭台阶的凹凸表面的薄膜制备6 5高速热处理装置（Rapid Thermal Annealing，RTA）6 6等离子体及其在膜质的改善、新技术的开发方面的应用6 6 1等离子体6 6 2等离子体的产生方法6 6 3基本形式和主要用途6 7基板传送机构6 8针孔和净化房参考文献第7章基板7 1玻璃基板及其制造方法7 2日常生活中的单晶制造及溶液中的晶体生长7 3单晶提拉法——熔融液体中的晶体生长7 3 1坩埚中冷却法7 3 2区熔法（Zone Melting，Flot Zone,FZ法）7 3 3旋转提拉法（切克劳斯基Czochralski, CZ法）7 4气相生长法7 4 1闭管中的气相生长法7 4 2其他气相生长法7 5石英玻璃基板7 6柔性基板（Flexible）参考文献第8章蒸镀法8 1蒸发源8 1 1电阻加热蒸发源8 1 2热阴极电子束蒸镀源8 1 3中空阴极放电（HCD）的电子束蒸发源8 2蒸发源的物质蒸气分布特性和基板的安置8 3实际装置8 4蒸镀时的真空度8 5蒸镀实例8 5 1透明导电膜In2O3 SnO2系列8 5 2分子束外延（MBE）8 5 3合金的蒸镀——闪蒸8 6离子镀8 6 1离子镀的方式8 6 2对薄膜的影响8 7离子束辅助蒸镀8 8离子渗，离子束表面改性法8 9激光烧蚀法（PLA）8 10有机电致发光，有机(粉体)材料的蒸镀参考文献第9章溅射9 1溅射现象9 1 1离子的能量和溅射率，出射角分布9 1 2溅射率9 1 3溅射原子的能量9 2溅射方式9 2 1磁控溅射9 2 2ECR溅射9 2 3射频溅射9 3大电极磁控溅射9 4“0”气压溅射的期待——超微细深孔的嵌埋9 4 1准直溅射9 4 2长距离溅射9 4 3高真空溅射9 4 4自溅射9 4 5离子化溅射9 5 溅射的实例9 5 1钽（Ta）的溅射9 5 2Al及其合金的溅射（超高真空溅射）9 5 3氧化物的溅射：超导电薄膜和ITO透明导电薄膜9 5 4磁性膜的溅射9 5 5光学膜的溅射（RAS法）参考文献第10章气相沉积CVD和热氧化氮化10 1热氧化10 1 1处理方式10 1 2热氧化装置10 1 3其他氧化装置10 2热CVD10 2 1主要的生成反应10 2 2热CVD的特征10 2 3热CVD装置10 2 4反应炉10 2 5常压CVD（Normal Pressure CVD, NPCVD）10 2 6减压CVD（Low Pressure CVD, LPCVD）10 3等离子体增强CVD （Plasma Enhanced CVD, PCVD）10 3 1等离子体和生成反应10 3 2装置的基本结构和反应室的电极构造10 4光CVD（Photo CVD）10 5 MOCVD（Metalorganic CVD）10 6金属CVD10 6 1钨CVD10 6 2Al CVD10 6 3Cu CVD10 6 4金属阻挡层（TiN CVD）10 7半球状颗粒多晶硅CVD（HSG CVD）10 8高介电常数薄膜的CVD10 9低介电常数薄膜10 10高清晰电视机的难关，低温多晶硅膜（Cat CVD）10 11游离基喷淋 CVD（Radical Shower CVD，RS CVD）参考文献第11章刻蚀11 1湿法刻蚀11 2等离子体刻蚀，激发气体刻蚀（圆筒型刻蚀）11 2 1原理11 2 2装置11 2 3配套工艺11 3反应离子刻蚀、溅射刻蚀（平行平板型，ECR型，磁控型刻蚀）11 3 1原理和特征11 3 2装置11 3 3配套工艺11 3 4Cu和低介电材料（low K）的刻蚀11 4大型基板的刻蚀11 5反应离子束刻蚀，溅射离子束刻蚀（离子束型刻蚀）11 5 1极细离子束设备（聚焦离子束：Focused Ion Beam, FIB）11 6微机械加工11 7刻蚀用等离子体源的开发11 7 1等离子体源11 7 2高密度等离子体（HDP）刻蚀参考文献第12章精密电镀12 1电镀12 2电镀膜的生长12 3用于制作电子元器件方面的若干方法12 4用于高技术的铜电镀12 5实用的电镀装置示例参考文献第13章平坦化技术13 1平坦化技术的必要性13 2平坦化技术概要13 3平坦薄膜生长13 3 1选择性生长13 3 2利用回填技术的孔内嵌埋（溅射）13 3 3利用氧化物嵌埋技术的平坦化13 4薄膜生长过程中凹凸发生的防止13 4 1偏压溅射法13 4 2剥离法13 5薄膜生长后的平坦化加工13 5 1涂覆13 5 2激光平坦化13 5 3回填法13 5 4回蚀法13 5 5阳极氧化和离子注入13 6嵌埋技术示例13 7化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing, CMP）技术13 8嵌刻法13 9平坦化新技术展望13 9 1使用超临界流体的超微细孔的嵌埋技术13 9 2用STP（Spin Coating Film Transfer and Pressing）法的嵌埋技术13 10高密度微细连接参考文献薄膜制备技术基础（原著第4版）薄膜制备技术基础（原著第4版）薄膜制备技术基础（原著第4版）第1章薄膜技术1 1生物计算(bio computing)和薄膜技术1 2医用微型机械1 3人工脑的实现（μ Electronics）1 4大型显示的实现1 5原子操控1 6薄膜技术概略参考文献第2章真空的基础2 1真空的定义2 2真空的单位2 3气体的性质2 3 1平均速率 Va2 3 2分子直径δ2 3 3平均自由程 L2 3 4碰撞频率 Z2 4气体的流动和流导2 4 1孔的流导2 4 2长管的流导（L/a≥100）2 4 3短管的流导2 4 4流导的合成2 5蒸发速率参考文献第3章真空泵和真空测量3 1真空泵3 1 1油封式旋片机械泵3 1 2油扩散泵3 1 3吸附泵3 1 4溅射离子泵3 1 5升华泵3 1 6冷凝泵3 1 7涡轮泵（分子泵）和复合涡轮泵3 1 8干式机械泵3 2真空测量仪器——全压计3 2 1热导型真空计3 2 2电离真空计——电离规3 2 3磁控管真空计3 2 4盖斯勒（Geissler）规管3 2 5隔膜真空计3 2 6石英晶振真空计3 2 7组合式真空规3 2 8真空计的安装方法3 3真空测量仪器——分压计3 3 1磁偏转型质谱仪3 3 2四极质谱仪3 3 3有机物质质量分析IAMS法参考文献第4章真空系统4 1抽气的原理4 2材料的放气4 3抽气时间的推算4 4用于制备薄膜的真空系统4 4 1残留气体4 4 2用于制备薄膜的真空系统4 5真空检漏4 5 1检漏方法4 5 2检漏应用实例参考文献第5章薄膜基础5 1气体与固体5 1 1化学吸附和物理吸附5 1 2吸附几率和吸附（弛豫）时间5 2薄膜的生长5 2 1核生长5 2 2单层生长5 3外延基板晶体和生长晶体之间的晶向关系5 3 1外延生长的温度5 3 2基板晶体的解理5 3 3真空度的影响5 3 4残留气体的影响5 3 5蒸发速率的影响5 3 6基板表面的缺陷——电子束照射的影响5 3 7电场的影响5 3 8离子的影响5 3 9膜厚的影响5 3 10晶格失配5 4非晶膜层5 4 1一般材料的非晶化（非薄膜）5 4 2非晶的定义5 4 3非晶薄膜5 4 4非晶Si膜的多晶化5 5薄膜的基本性质5 5 1电导5 5 2电阻率的温度系数（TCR）5 5 3薄膜的密度5 5 4时效变化5 5 5电解质膜5 6薄膜的内部应力5 7电致徙动本章小结参考文献第6章薄膜的制备方法6 1绪论6 2源和膜的组分——如何获得希望的膜的组分6 2 1蒸发和离子镀6 2 2溅射法6 3附着强度6 3 1前处理6 3 2蒸发时的条件6 3 3蒸发法和溅射法的比较(基板不加热情况）6 3 4蒸发、离子淀积、溅射的比较（加热、离子轰击等都进行情况）6 4台阶覆盖率、绕进率、底部覆盖率——具有陡峭台阶的凹凸表面的薄膜制备6 5高速热处理装置（Rapid Thermal Annealing，RTA）6 6等离子体及其在膜质的改善、新技术的开发方面的应用6 6 1等离子体6 6 2等离子体的产生方法6 6 3基本形式和主要用途6 7基板传送机构6 8针孔和净化房参考文献第7章基板7 1玻璃基板及其制造方法7 2日常生活中的单晶制造及溶液中的晶体生长7 3单晶提拉法——熔融液体中的晶体生长7 3 1坩埚中冷却法7 3 2区熔法（Zone Melting，Flot Zone,FZ法）7 3 3旋转提拉法（切克劳斯基Czochralski, CZ法）7 4气相生长法7 4 1闭管中的气相生长法7 4 2其他气相生长法7 5石英玻璃基板7 6柔性基板（Flexible）参考文献第8章蒸镀法8 1蒸发源8 1 1电阻加热蒸发源8 1 2热阴极电子束蒸镀源8 1 3中空阴极放电（HCD）的电子束蒸发源8 2蒸发源的物质蒸气分布特性和基板的安置8 3实际装置8 4蒸镀时的真空度8 5蒸镀实例8 5 1透明导电膜In2O3 SnO2系列8 5 2分子束外延（MBE）8 5 3合金的蒸镀——闪蒸8 6离子镀8 6 1离子镀的方式8 6 2对薄膜的影响8 7离子束辅助蒸镀8 8离子渗，离子束表面改性法8 9激光烧蚀法（PLA）8 10有机电致发光，有机(粉体)材料的蒸镀参考文献第9章溅射9 1溅射现象9 1 1离子的能量和溅射率，出射角分布9 1 2溅射率9 1 3溅射原子的能量9 2溅射方式9 2 1磁控溅射9 2 2ECR溅射9 2 3射频溅射9 3大电极磁控溅射9 4“0”气压溅射的期待——超微细深孔的嵌埋9 4 1准直溅射9 4 2长距离溅射9 4 3高真空溅射9 4 4自溅射9 4 5离子化溅射9 5 溅射的实例9 5 1钽（Ta）的溅射9 5 2Al及其合金的溅射（超高真空溅射）9 5 3氧化物的溅射：超导电薄膜和ITO透明导电薄膜9 5 4磁性膜的溅射9 5 5光学膜的溅射（RAS法）参考文献第10章气相沉积CVD和热氧化氮化10 1热氧化10 1 1处理方式10 1 2热氧化装置10 1 3其他氧化装置10 2热CVD10 2 1主要的生成反应10 2 2热CVD的特征10 2 3热CVD装置10 2 4反应炉10 2 5常压CVD（Normal Pressure CVD, NPCVD）10 2 6减压CVD（Low Pressure CVD, LPCVD）10 3等离子体增强CVD （Plasma Enhanced CVD, PCVD）10 3 1等离子体和生成反应10 3 2装置的基本结构和反应室的电极构造10 4光CVD（Photo CVD）10 5 MOCVD（Metalorganic CVD）10 6金属CVD10 6 1钨CVD10 6 2Al CVD10 6 3Cu CVD10 6 4金属阻挡层（TiN CVD）10 7半球状颗粒多晶硅CVD（HSG CVD）10 8高介电常数薄膜的CVD10 9低介电常数薄膜10 10高清晰电视机的难关，低温多晶硅膜（Cat CVD）10 11游离基喷淋 CVD（Radical Shower CVD，RS CVD）参考文献第11章刻蚀11 1湿法刻蚀11 2等离子体刻蚀，激发气体刻蚀（圆筒型刻蚀）11 2 1原理11 2 2装置11 2 3配套工艺11 3反应离子刻蚀、溅射刻蚀（平行平板型，ECR型，磁控型刻蚀）11 3 1原理和特征11 3 2装置11 3 3配套工艺11 3 4Cu和低介电材料（low K）的刻蚀11 4大型基板的刻蚀11 5反应离子束刻蚀，溅射离子束刻蚀（离子束型刻蚀）11 5 1极细离子束设备（聚焦离子束：Focused Ion Beam, FIB）11 6微机械加工11 7刻蚀用等离子体源的开发11 7 1等离子体源11 7 2高密度等离子体（HDP）刻蚀参考文献第12章精密电镀12 1电镀12 2电镀膜的生长12 3用于制作电子元器件方面的若干方法12 4用于高技术的铜电镀12 5实用的电镀装置示例参考文献第13章平坦化技术13 1平坦化技术的必要性13 2平坦化技术概要13 3平坦薄膜生长13 3 1选择性生长13 3 2利用回填技术的孔内嵌埋（溅射）13 3 3利用氧化物嵌埋技术的平坦化13 4薄膜生长过程中凹凸发生的防止13 4 1偏压溅射法13 4 2剥离法13 5薄膜生长后的平坦化加工13 5 1涂覆13 5 2激光平坦化13 5 3回填法13 5 4回蚀法13 5 5阳极氧化和离子注入13 6嵌埋技术示例13 7化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing, CMP）技术13 8嵌刻法13 9平坦化新技术展望13 9 1使用超临界流体的超微细孔的嵌埋技术13 9 2用STP（Spin Coating Film Transfer and Pressing）法的嵌埋技术13 10高密度微细连接参考文献作者：[日]麻蒔立男出版社：化学工业出版出版日期：2009年5月开本：16开册数：1册光盘数：0定价：39.8元优惠价：36元本店订购简单方便，可以选择货到付款、汇款发货、当地自取等方式全国货到付款，满200元免运费,更多请登陆文成图书。

第1章薄膜技术的真空技术基础-文档资料

桂林电子科技大学
材料科学与工程学
1.1 真空的基本知识
桂林电子科技大学
材料科学与工程学
1.1 真空的基本知识
桂林电子科技大学
材料科学与工程学
1.2 真空的表征
1 气体分子的平均自由程
分子平均自由程：气体分子在两次碰撞的间隔时间里走过的平均距离。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。
不同流导C1、C2、C3间可相互串联或并联，构成总流导C ——串联流导：1/C= 1/C1+ 1/C2+ 1/C3
——并联流导：C=C1+C2+C3
（就象描述气体流动的欧姆定律）
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材料科学与工程学
1.4 真空泵的抽速
为获得真空环境，需要选用不同的真空泵，而它们的一个主要指标是其抽速Sp，其定义为 Q Sp p ( L/s ) 式中，p为真空泵入口处的气体压力； Q为单位时间内通过的真空泵入口的气体流量。真空泵的抽速Sp与管路的流导 C有着相同的物理量纲，且二者对维持系统的真空度起着同样重要的作用
由于气体分子的运动轨迹是一条在不断碰撞的同时不断改变方向的折线，因此，尽管它的平均运动速度很高，但是单位时间里，其定向运动的距离却较小。
由于气体分子的平均自由程与单位体积内的气体分子数n 成反比，而压强p与n成正比，因此自由程随气体压力的下降而增加。在真空度优于0.1Pa时，气体分子间的碰撞几率已很小，主要是气体分子与容器壁之间的碰撞。分子平均自由程的概念在真空和薄膜技术中有着非常重要的作用。在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衬底的碰撞过程来实现的。
Q S p Q p S p p (1

2018--薄膜材料与技术-第1章-真空技术基础

薄膜在基片上形成，可分为
凝结形核长大
阶段
伴随复杂物理化学过程
涉及
材料学物理学化学
薄膜材料与技术
制备技术

主要研究：各种薄膜材料的
形成机制成分结构
特性性能
西安理工大学
Xi'an University of Technology
教学要求和考核方式：
1、不缺课，杜绝迟到，认真听讲，独立思考； 2、要复习并独立完成作业，作业要评分； 3、开卷考试，考核成绩＝作业（10%）+ 课堂（10%）+ 考试（80%）。
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-3-
薄膜材料与技术
材料科学与工程学院 2018 ©
Thin Film Materials & Technologies
薄膜材料与技术 Thin Film Materials & Technologies
武涛副教授 2018年秋季学期
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Xi'an University of Technology
-1-
薄膜材料与技术
材料科学与工程学院 2018 ©
■ 换句话说，由于液柱形成的压力与环境气压互相平衡，可以用水银柱产生的压力作为大气压的量度！把高度为760 mm的水银柱所产生的压力定义为1个大气压 (1 atm） 1 atm = 760 mmHg（Torr，托）
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薄膜材料与技术
材料科学与工程学院 2018 ©
1 真空技术基础

真空技术基础

不需要油作为介质，又称为无油泵
1.3 真空的获得－抽真空
极限真空（极限压强Pu）和抽气速率
——是表示真空泵性能的两个重要参数。极限压强是该系统所能达到的最低压强；抽气速率是在规定压强下单位时间抽出气体的体积，它决定抽真空所需要的时间。
理论上，一个系统所能达到的真空度：
Q V dP P Pu i S S dt
旋片式机械泵结构示意图和工作原理图
1.3 真空的获得－抽真空
玻－马洛特定律
V P P0 1 V V n次循环后
V Pn P0 V V
n
P0 V lg mt lg 1 Pi V Kt
lgP0/Pi
Pn达到极限值？
体分子的扩散系数；v油蒸气在喷口处的速度扩散泵的实际抽速：
S (3 ~ 4)d
2
d是进气口直径
泵油要求：
化学稳定性好（无毒、无腐蚀）热稳定性好（高温不分解）抗氧化较低的饱和蒸气压（小于等于10-4Pa）
工作时应有尽可能高的蒸气压
无任何阻挡的话，返油率高达10-3mg/cm2· s
1.3 真空的获得－抽真空
赫兹－克努曾公式
va 8k T 8 RT m M

P 2mk T
温度一定时, P
稀薄气体的基本性质
示例
气体分子密度
P n 7.2 10 (m-3 ) T
22
标准状态： P = 105Pa，n = 2.461019分子/cm3
P = 1.3 10-8Pa，n = 3.24105分子/cm3
1 1 nva 3.24 10 5 8.5 10 4 6.9 10 9 分子 / cm2 s 4 4

薄膜-器件(一)

薄膜的表征
第一章
薄膜技术
1.1 薄膜研究概况 1.2 真空技术基本知识，真空设备以及检测
1.1 薄膜研究概况 1.什么是薄膜？
固体的一维线性尺度远远小于它的其他二维尺度时，我们称之为薄膜。例如：Z方向1nm~几十µm，而Y，X方向无限延长。
薄膜
1微米(μ m)
1.1
薄膜研究概况
2.薄膜研究的历史
扩散泵
增压泵
1.2 真空技术基本知识；真空设备以及检测
5.真空获得
抽气曲线
用一个S＝5升/ 秒的真空泵，对一体积为10升的容器进行抽气， 2秒后是否压强P ＝0呢？
P0
强压
Pu 时间
1.2 真空技术基本知识；真空设备以及检测
6.真空系统及检漏
检漏常见方法
压力检漏法：打气检漏法、氨检漏法等高频火花检漏法：加高频高压电场时的金属尖端在大气中能放电，低压气体更容易受电场激发引起放电。真空计检漏法：热真空计示漏物质：H2、丙酮、酒精等电离计示漏物质：H2、He、Ar、CO2等质谱仪检漏法：选择绝对性→更精确
7.真空测量
反应温度高低的方法有很多种，最简单的是利用热丝本身的电阻来标示，可选用电阻温度系数大的材料如钨等，制成测量管（真空规管）。使用时将其连接于被测压强处即可。
1.2 真空技术基本知识；真空设备以及检测
7.真空测量
热电偶真空计
热电偶材料的选择较大热电势和热电势温度变化率较高电导率、低电阻温度系数、低比热物理化学性能、热电特性稳定
现代薄膜技术：电子器件：
年代电子器件
30年代电子管
50-60年代 70-80年代 90年代-21 世纪晶体管集成电路大规模集成电路

第一章真空技术基础

几个基本概念：
• 真空：气体分子数量低于大气压状态的空间。但不是完全空的。 • 真空术语：本底真空度：全密封真空腔体内抽空时的气压。工作真空度：实验或工艺过程中所必需的气体压力。极限真空度：没有漏气和内壁脱气条件下，真空泵所能达到的最低气压。真空规：测量真空中气压的仪表或传感器。真空度单位：气压的单位。真空度就是真空中的气压。真空度的测量就是气压的测量。
1mba 100 1atm
1.013×105 760
二、真空区域的划分
1105 ~ 1102 Pa
粗真空
低真空高真空超高真空
1102 ~ 1101 Pa
粘滞流
1101 ~ 1106 Pa
110 Pa
11010 Pa
6
粘滞流
分子流
极高真空
分子流
三、固体对气体的吸附及气体的脱附
• 缺点：泵内油蒸汽的回流会直接造成真空系统的污染。 • 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、宇宙探测等领域。
思考：
1. 扩散泵能否单独使用，即从大气开始抽真空？为什么？ 2. 如果使用扩散泵时，忘记开冷却水，结果会怎样？
附：钛升华泵
加热钛靶蒸发生成钛膜，并与气体发生反应工作范围 10-8-10-11 Torr 价格便宜，可靠
油扩散泵的结构如示意图
• 泵的底部—是装有真空泵油的蒸发器，真空泵油经电炉加热沸腾后，产生一定的油蒸汽，蒸汽沿着蒸汽导流管传输到上部，经由三级伞形喷口向下喷出。喷口外面的压强较油蒸汽压低，于是便形成一股向出口方向运动的高速蒸汽流，使之具有很好的运载气体分子的能力。油分子与气体分子碰撞，由于油分子的分子量大，碰撞的结果是油分子把动量交给气体分子自己慢下来，而气体分子获得向下运动的动量后便迅速往下飞去．并且，在射流的界面内，气体分子不可能长期滞留，因而界面内气体分子浓度较小．由于这个浓度差，使被抽气体分得以源源不断地扩散进入蒸汽流而被逐级带至出口，并被前级泵抽走．慢下来的蒸汽流在向下运动的过程中碰到水冷的泵壁，油分子就被冷凝下来，沿着泵壁流回蒸发器继续循环使用．冷阱的作用是减少油蒸汽分子进入被抽容器。

薄膜物理与技术-1真空技术基础PPT课件

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目录
• 真空技术基础 • 真空获得技术 • 真空测量技术 • 真空镀膜技术 • 薄膜性能检测技术
01 真空技术基础
真空定义与特性
真空定义
真空是指在给定的空间内，气体压力低于一个大气压的状态。在真空技术中，通常使用托斯卡或帕斯卡作为压力单位。
真空特性
而实现气体的压缩和排除。
分子泵特性
抽气速率高、工作压力范围广、无油污染、维护简单等。
分子泵分类
直联型分子泵、侧流型分子泵、复合型分子泵等。
扩散泵抽气原理与特性
扩散泵抽气原理
利用加热的吸气剂将气体分子吸进吸气剂表面，再通过扩散作用将气体分子从吸气剂表面传递到泵的出口，从而实现气体的排除。
扩散泵特性
真空技术的分类与应用
真空技术的分类
根据应用需求，真空技术可分为真空镀膜、真空热处理、真空电子器件制造等。
真空技术的应用
真空技术在科学研究、工业生产、航空航天、电子工业等领域有广泛应用，如电子显微镜、太阳能电池、平板显示器的制造等。
02 真空获得技术
机械泵抽气原理与特性
机械泵抽气原理
机械泵分类
真空具有低气体压力的特性，这使得物质在真空中表现出不同的物理和化学性质。例如，气体分子间的碰撞减少，气体分子的平均自由程增加。
真空的度量与单位
真空度
真空度是指真空空间内的气体压力，通常用压力范围来表示，如低真空、中真空、高真空和超高真空。
真空单位
常用的真空单位有帕斯卡（Pa）、托斯卡（Torr）和巴（bar）。1 Torr = 133.322368 Pascal。
利用高速旋转的叶轮将气体吸入，通过压缩和排出来实现气体压缩和排除。

第1章真空技术的物理基础

• 2. 镀膜和材料制取设备 • 真空蒸发镀膜，溅射镀膜，离子镀膜，化学气相沉积镀膜。等 3. 电子学和光电子学的应用 • 半导体中硅薄膜，超纯硅，提纯，二极管，三极管，PN结，超大规模，超大规模集成电路，光电子器件的制备以及应用。 • 等等，都需要真空环境。
•
• 4。真空冶金 • 真空熔炼，真空焊接，真空热处理，真空蒸馏等等。 • 5. 表面物理中应用 • 各种表面分析仪器，如低能电子衍射仪，俄歇电子能谱仪，光电子能谱仪，二次离子质谱仪等，这些仪器可以分析材料组分，结构，化学组成，污染，掺杂等，可以监视材料的生长、制作、分解、激活，分析其机理及影响其寿命的因素。 • 6. 宇宙航行及空间科学研究。 • 太空极高真空环境需要在地球上模拟，有许多新的现象，是大气环境中所没有的。例如没有对流，没有内摩擦。 • 7. 在原子研究中和利用中的应用。
• •
•
3) 高真空（1×10-2~1×10-6Pa）此时气体分子密度更加降低，容器中分子数很少。因此，分子在运动过程中相互间的碰撞很少，气体分子的平均自由程已大于一般真空容器的限度，绝大多数的分子与器壁相碰撞，因而在高真空状态蒸发的材料，其分子（或微粒）将按直线方向飞行。另外，由于容器中的真空度很高，容器空间的任何物体与残余气体分子的化学作用也十分微弱。在这种状态下，气体的热传导和内摩擦已变得与压强无关。

2 P
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此式表明，气体分子的自由程与压强成反比，与温度成正比。显然，在气体种类和温度一定的情况下
在25°C的空气情况下或
P 0.667(cm 数
1.13 吸附与脱附
• 处在气体中的表面，以两种重要方式与气体相互作用，即吸附与脱附。 • 吸附即分子附着于表面，脱附系分子从表面逸出。究竟是出现吸附或脱附，则根据具体情况而定。 • 如果表面是洁净的，置于气体中就出现吸附； • 反之，如果它业已吸附大量气体，置于真空中就出现脱附。气体分子在表面与空间之间的这种相互转换在真空技术中具有重要的意义。

薄膜真空技术

涡轮分子泵（Turbomolecular Pump）
（a）外观
（b）内部结构
（c）工作原理
工作原理：
1）泵内交错布臵转向不同的多级转子和定子； 2）转子叶片以20k~60k r/min的高速旋转； 3）叶片通过碰撞将动能不断传递给气体分子； 4）气体分子被赋予动能后被逐级压缩排出。
涡轮分子泵
工作区间：1~10-8 Pa
优
点：1）造价较低的高真空泵方案；2）没有机械运动部件。
缺
点：油蒸汽回流有可能污染真空系统（不宜在分析仪器和超高真空场合使用）。
使用注意事项：
扩散泵油在高温下会发生氧化，因此扩散泵需要在优于10-2Pa 的较高真空度下工作
• 扩散泵必须和机械泵联合工作，才能构成高真空抽气
系统。单独的扩散泵时没有抽气作用的 • 理论上，扩散泵的极限真空取决于泵油的蒸气压。而且泵油必须具备很高的热稳定性和化学稳定性 • 扩散泵油在高温下接触一旦大气非常容易变质。即使
时常温下，长期接触大气也会因为吸收水分而降低性
能。因此扩散泵内应尽量保存良好的真空状态 • 扩散泵油易挥发，因此在进气口都有挡油的冷阱
低温吸附泵
工作原理：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，而获得高真空。真空度依赖于温度、吸附物质表面积、被吸附气体种类等因素。极限真空度：10-1-10-8 Pa。
由于罗茨泵是一种无内压缩的真空泵，通常压缩比很低，故工作时需要前级泵
在1Pa左右的压强范围内其有相当大的抽气速率，在这范围内机械泵的抽速很小，扩散泵还只刚刚开始工作。罗茨泵可以弥补上述两种真空泵抽气速率的脱节。
罗茨泵可与旋片式机械泵串联成真空机组使用，降低每台泵的负荷，扩大可获得的真空度范围

Chapter 1(真空基本知识)

真空系统的指标（续）
理论上，任何一个真空系统所能达到的真空度可由下列方程确定：
Q V dPi P = Pu + − ⋅ S S dt
Pu:真空泵的极限压强(Pa)； S:泵的抽气速率(L／s)； Pi:被抽空间气体的分压强； V:真空室的体积； Q:真空室内的各种气源(Pa•L／s)； t:时间(s)。
区别：“真空度”和“压强”
“真空度”和“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愈少，真空度愈高；反之真空度越低则压强就越高。由于真空度与压强有关，所以真空的度量单位是用压强来表示。
在真空技术中，压强所采用的法定计量单位是帕斯卡(Pascal)，简称帕 (Pa)，是目前国际上推荐使用的国际单位制(1971年国际计量会议正式确定)。托（Torr）是在最初获得真空时 (1958年托里拆利)就被采用的、真空技术中的独特单位。
dp = dω
π
⋅ cos θ
余弦散射定律的重要意义
分子从表面反射与飞来方向无关这一点非常重要。它意味着可将飞来的分子看成一个分子束从一个方向飞来，亦可看成按任意方向飞来，其结果都是相同的。余弦定律(又称“克努曾定律”) 的重要意义在于： (1)它揭示了固体表面对气体分子作用的另一个方面，即将分子原有的方向性彻底“消除”，均按余弦定律散射； (2)分子在固体表面要停留一定的时间，这是气体分子能够与固体进行能量交换和动量交换的先决条件，这一点有重要的实际意义。
真空泵---获得真空的关键
种机械泵
蒸汽喷射泵
类
排气原理
利用机械力压缩和排除气体 (气体传输) 靠蒸气喷射的动量把气体带走
工作压强范围（约）

薄膜物理与技术

第一章真空技术基础1、膜得定义及分类。

答：当固体或液体得一维线性尺度远远小于它得其她二维尺度时，我们将这样得固体或液体称为膜。

通常，膜可分为两类：（1）厚度大于1mm得膜，称为厚膜；（2）厚度小于1mm得膜，称为薄膜。

2、人类所接触得真空大体上可分为哪两种？答：（1）宇宙空间所存在得真空，称之为“自然真空”；（2）人们用真空泵抽调容器中得气体所获得得真空，称之为“人为真空”。

3、何为真空、绝对真空及相对真空？答：不论哪一种类型上得真空，只要在给定空间内，气体压强低于一个大气压得气体状态，均称之为真空。

完全没有气体得空间状态称为绝对真空。

目前，即使采用最先进得真空制备手段所能达到得最低压强下，每立方厘米体积中仍有几百个气体分子。

因此，平时我们所说得真空均指相对真空状态。

4、毫米汞柱与托？答：“毫米汞柱（mmHg）”就是人类使用最早、最广泛得压强单位，它就是通过直接度量长度来获得真空得大小。

1958 年，为了纪念托里拆利，用“托（Torr）”，代替了毫米汞柱。

1 托就就是指在标准状态下，1 毫米汞柱对单位面积上得压力，表示为1Torr=1mmHg。

5、真空区域就是如何划分得？答：为了研究真空与实际使用方便，常常根据各压强范围内不同得物理特点，把真空划分为以下几个区域：（1）粗真空：l´105 ~ l´102 Pa，（2）低真空：l´102 ~ 1´10-1Pa，（3）高真空：l´10-1 ~ 1´10-6Pa与（4）超高真空：< 1´10-6Pa。

6、真空各区域得气体分子运动规律。

答：（1）粗真空下，气态空间近似为大气状态，分子仍以热运动为主，分子之间碰撞十分频繁；（2）低真空就是气体分子得流动逐渐从黏滞流状态向分子状态过渡，气体分子间与分子与器壁间得碰撞次数差不多；（3）高真空时，气体分子得流动已为分子流，气体分子与容器壁之间得碰撞为主，而且碰撞次数大大减少，在高真空下蒸发得材料，其粒子将沿直线飞行；（4）在超高真空时，气体得分子数目更少，几乎不存在分子间得碰撞，分子与器壁得碰撞机会也更少了。

(完整版)电子科大薄膜物理(赵晓辉)第一章真空介绍

PV＝nmolRT=nmolecularkT=nMvrms2/3NA nmol=m/M nmolecular =7.2*1022P/T
2. 气体分子的速度分布 • 麦克斯韦速度分布函数
表示分布在速度附近单位速度间隔内的分子数占总分子数的比率。
气体分子速度分布
3. 三个重要速度表示
• 最可几速度： • 平均速度 • 均方根速度
4. 压力单位
Pressure unit
Pa
Pa
1
Bar
Atm
0.00001 9.869×10-6
Bar
100000 1
9.869×10-1
Atm
101325 1.01325 1
Torr
133.32 0.001333 1.316×10-3
Torr 7.501×10-3 7.501×102 760 1
vacuum-bottle, 真空瓶，真空干燥器，真空注入，溅射，LPCVD
高真空 10-1－10-6Pa :蒸发，离子源超高真空＜10-6Pa ：表面分析，粒子物理
§1-2 稀薄气体的基本性质
1. 理想气体状态方程
低压状态下，可用理想气体的状态方程（波义尔定律、盖·吕萨克定律、查理定律）来描述，遵守麦克斯韦——玻尔兹曼分布。
SYMBOL
N2 O2 Ar CO2 Ne He Kr H2 Xe H2O
PERCENT BY VOLUME
78 21 0.93 0.03 0.0018 0.0005 0.0001 0.00005 0.0000087 Variable
PARTIAL PRESSURE
TORR
PASCAL
593 158 7.1 0.25 1.4 x 10-2 4.0 x 10-3 8.7 x 10-4 4.0 x 10-4 6.6 x 10-5 5 to 50

薄膜物理总结

一．薄膜制备的真空技术基础：薄膜制备方法物理方法：热蒸发法溅射法离子镀方法化学方法：电镀方法化学气相生长法1,气体分子的平均自由程：气体分子在两次碰撞的间隔时间里走过的平均距离。

21d n πλ= d — 气体分子的有效截面直 2,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。

3,流导：真空管路中气体的通过能力。

分子流气体：流导C 与压力无关，受管路形状影响，且与气体种类、温度有关。

4,真空泵的抽速: p — 真空泵入口处气体压力Q — 单位时间内通过真空泵入口处气体流量5,真空环境划分：低真空> 102 Pa中真空102 ~ 10-1 Pa高真空10-1 ~ 10-5 Pa超高真空< 10-5 Pa低压化学气相沉积：中、低真空（10~ 100Pa ）;溅射沉积：中、高真空（10-2 ~ 10Pa ）;真空蒸发沉积：高真空和超高真空（<10-3 Pa ）;电子显微分析：高真空;材料表面分析：超高真空。

6,气体的流动状态:分子流状态：在高真空环境下，气体的分子除了与容器壁外,几乎不发生气体分子间的相互碰撞。

特点：气体分子平均自由程大于气体容器的尺寸或与其相当。

（高真空薄膜蒸发沉积系统、各种材料表面分析仪器）粘滞流状态：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较为频繁。

粘滞流状态的气体流动模式：层流状态：低流速黏滞流所处的气流状态，即气体宏观运动方向与一组相互平行的流线相一致。

紊流状态：高流速黏滞流所处的气流状态，气体不再能够维持相互平行的层状流动模式，而呈现出一种旋涡式的流动模式。

克努森（Knudsen）准数:分子流状态Kn＜1过渡状态Kn＝1~100粘滞流状态Kn ＞ 1007,旋片式机械真空泵工作原理：玻意耳-马略特定律（PV=C）即：温度一定的情况下，容器的体积和气体压强成反比。

性能参数：理论抽速Sp：单位时间内所排出的气体的体积。

薄膜制备的真空技术基础

01
分子流状态：在高真空环境下，气体的分子除了
02
与容器壁碰撞以外，几乎不发生气体分子间的相
03
互碰撞。
04
特点：气体分子平均自由程大于气体容器的尺寸
05
或与其相当。（高真空薄膜蒸发沉积系统、各种
06
材料表面分析仪器）
07
粘滞流状态：当气压较高时，气体分子的平均自
08
由程很短，气体分子间的相互碰撞较为频繁。
涡轮分子泵★ 工作原理：高速旋转的叶片（2000-3000r/min）将动量传给气体分子，并使其向特定方向运动。特点：压缩比高（氮气 109，氢气 103），无油。适用范围：1~10-8 Pa
工作原理：
低温吸附泵
薄膜制备的真空技术基础
*
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而获得高真空。
薄膜制备的真空技术基础
*
设：回流量Qp，
令Q=0，极限真空度
实际抽速
流量相等
压力随时间的变化规律
t=0时的真空度
1.3 真空泵简介
薄膜制备的真空技术基础
*
01
03
02
旋片式机械真空泵★
薄膜制备的真空技术基础
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工作原理：依靠安置在偏心转子中的可以滑进滑出的旋片将气体隔离、压缩，然后排出泵体之外。
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本章小结
薄膜制备的真空技术基础
*
1
概念：平均自由程，通量，流导，抽速
2
真空的划分，气体流动状态的划分（克努森准数Kn）
3
真空泵的工作原理及适用范围（旋片式机械真空泵、涡轮分子泵、溅射离子泵）
4
真空计的工作原理及适用范围（热偶真空规、电离真空规）