薄膜制备的真空技术基础
光学薄膜技术第三章--薄膜制造技术
光学薄膜技术第三章——薄膜制造技术—-—-———-—--—--———————-—-——--——-—作者:—--—-————-——--—-————-———————-———日期:第三章薄膜制造技术光学薄膜可以采用物理汽相沉积(PVD)和化学液相沉积(CLD)两种工艺来获得.CLD工艺简单,制造成本低,但膜层厚度不能精确控制,膜层强度差,较难获得多层膜,废水废气对环境造成污染,已很少使用.PVD需要使用真空镀膜机,制造成本高,但膜层厚度能够精确控制,膜层强度好,目前已广泛使用。
PVD分为热蒸发、溅射、离子镀、及离子辅助镀等。
制作薄膜所必需的有关真空设备的基础知识用物理方法制作薄膜,概括起来就是给制作薄膜的物质加上热能或动量,使它分解为原子、分子或少数几个原子、分子的集合体(从广义来说,就是使其蒸发),并使它们在其他位置重新结合或凝聚.在这个过程中,如果大气与蒸发中的物质同时存在,那就会产生如下一些问题:①蒸发物质的直线前进受妨碍而形成雾状微粒,难以制得均匀平整的薄膜;②空气分子进入薄膜而形成杂质;③空气中的活性分子与薄膜形成化合物;④蒸发用的加热器及蒸发物质等与空气分子发生反应形成化合物,从而不能进行正常的蒸发等等.因此,必须把空气分子从制作薄膜的设备中排除出去,这个过程称为抽气。
空气压力低于一个大气压的状态称为真空,而把产生真空的装置叫做真空泵,抽成真空的容器叫做真空室,把包括真空泵和真空室在内的设备叫做真空设备.制作薄膜最重要的装备是真空设备.真空设备大致可分为两类:高真空设备和超高真空设备.二者真空度不同,这两种真空设备的抽气系统基本上是相同的,但所用的真空泵和真空阀不同,而且用于真空室和抽气系统的材料也不同,下图是典型的高真空设备的原理图,制作薄膜所用的高真空设备大多都属于这一类.下图是超高真空设备的原理图,在原理上,它与高真空设备没有什么不同,但是,为了稍稍改善抽气时空气的流动性,超高真空设备不太使用管子,多数将超高真空用的真空泵直接与真空室连接,一般还要装上辅助真空泵(如钛吸气泵)来辅助超高真空泵。
薄膜制备技术 part 3 真空蒸镀 I 基本方法
第三章:真空蒸镀第三章:真空蒸镀真空蒸镀薄膜沉积中的共性问题:超净室镀膜中的气泡是影响膜的特性和附着强度的最大障碍之一,灰尘是产生气泡的主要原因。
超净室+超净真空室超净真空室:除尘,抽气时防止产生湍流。
薄膜沉积中的共性问题:超净室超净室,不能产生灰尘:1、油封机械泵所排出的气体要接到室外;2、用无皮带的直连泵或将泵装在室外;3、用塑料纸张或使用不产生灰尘的纸;4、不能用铅笔;人体污染:呼出气体中颗粒的污染距离0.6-1m ,打喷嚏的污染距离4~5m 。
主要是含有矿物质和盐如钠,钙,铁,镁,氯,铝,硫,钾,磷。
百级超净室:测试一立方英尺/分钟,0.5微米的尘小于100个大气中的尘埃粒子及其大小范围芯片特征尺寸和沾污控制物理气相沉积定义:物理气相沉积(Physical vapor deposition)是利用某种物理过程,如物质的热蒸发或在受到粒子轰击时物质表面原子的溅射等现象,实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移的过程。
物理气相沉积特点(与CVD相比)(1) 需要使用固态的或者熔融态的物质作为蒸发源;(2) 源物质经过物理过程而进入气相;(3) 需要相对较低的气体压力环境;a) 其它气体分子对于气相分子的散射作用较小,b) 气相分子的运动路径近似为一条直线;c) 气相分子在衬底上的沉积几率接近100%。
(4) 在气相中及在衬底表面大多不发生化学反应。
真空蒸发原理定义:真空蒸发镀膜法(简称真空蒸镀)是在真空室中,加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料,使其原子或分子从表面气化逸出,形成蒸气流,入射到基片表面,凝结形成固态薄膜的方法。
真空蒸发原理主要组成:(1) 真空室;(2) 蒸镀材料;(3) 激活源;(4) 衬底;(5) 其它:加热器、测温器等。
P≤10-6Torr薄膜形成“s-g-s”蒸发的基本过程(1)蒸发过程:通过能量转移,凝聚相→气相该阶段的主要作用因素:饱和蒸气压(2)输运过程:蒸气流在蒸发源与基片之间的飞行该阶段的主要作用因素:分子平均自由程(3)淀积过程:在衬底表面,凝聚→成核→核生长→连续薄膜。
光学实验技术中的薄膜制备与表征指南
光学实验技术中的薄膜制备与表征指南在现代光学实验中,薄膜是一种广泛应用的材料,它具有许多独特的光学性质。
为了实现特定的光学设计要求,科学家们需要制备和表征各种薄膜。
本文将为您介绍光学实验技术中的薄膜制备与表征指南,帮助您更好地理解和应用薄膜技术。
一、薄膜制备技术1. 真空蒸发法真空蒸发法是一种常见的薄膜制备技术,它通常用于金属或有机材料的蒸发。
蒸发源材料通过加热,使其蒸发并沉积在基底表面上,形成薄膜。
真空蒸发法具有简单、灵活的优点,但由于材料的有机蒸发率不同,容易导致薄膜的成分非均匀性。
2. 磁控溅射法磁控溅射法是一种通过离子碰撞使靶材溅射,并沉积在基底上的技术。
这种方法可以获得高质量和均匀性的薄膜。
磁控溅射法通常用于金属、氧化物和氮化物等无机薄膜的制备。
3. 原子层沉积法原子层沉积法(ALD)是一种逐层生长薄膜的方法,通过交替地注入不同的前驱体分子,使其在基底表面上化学反应并沉积。
这种方法可以实现非常精确的厚度控制和成分均一性。
4. 溶胶凝胶法溶胶凝胶法是一种基于溶胶和凝胶的化学反应制备薄膜的方法。
通过溶胶中的物质分子在凝胶中发生凝胶化反应,形成薄膜。
这种方法适用于复杂的薄膜材料。
二、薄膜表征技术1. 厚度测量薄膜的精确厚度对于光学性能至关重要。
常用的测量方法包括激光干涉法、原位椭圆偏振法和扫描电子显微镜等。
激光干涉法通过测量反射光的相位差来确定薄膜厚度,原位椭圆偏振法则通过测量反射光的椭圆偏振状态来推断厚度。
2. 光学性能表征光学性能包括反射率、透过率、吸收率等。
常用的表征方法有紫外可见近红外分光光度计和激光光谱仪。
通过测量样品在不同波长下的吸收或透过光强度,可以得到其光学性能。
3. 表面形貌观察表面形貌对薄膜的光学性能和功能具有重要影响。
扫描电子显微镜和原子力显微镜是常用的表面形貌观察工具。
扫描电子显微镜可以获得样品表面的高分辨率图像,原子力显微镜则可以实现纳米级表面形貌的观察。
4. 结构分析薄膜的结构分析是了解其晶体结构和晶格形貌的重要手段。
薄膜制备技术:第一部分 绪论 田民波
教材: 薄膜技术与薄膜材料 田民波 薄膜制备技术基础 麻莳立男
薄膜材料与薄膜技术 郑伟涛
真空镀膜 李云奇
课程内容
第一章 绪论:薄膜发展史 第二章 真空技术基础 第三章 薄膜生长与薄膜结构 第四章 真空蒸镀(重点MBE,PLD) 第五章 离子镀和离子束沉积 第六章 溅射镀膜 第七章 化学气相沉积
薄膜压力传感器
薄膜可燃气体传感器
薄膜材料的功能分类
⑴ 电学薄膜
⑤ 薄膜太阳能电池
非晶硅、CuInSe2和CdSe薄膜太阳电池。
薄膜材料的功能分类
⑴ 电学薄膜
⑥ 平板显示器件
液晶显示、等离子体显示和电致发光显示三大类平板显示器件所用的 透明导电电极(ITO薄膜)、电致发光多层薄膜(包括ITO膜,ZnS: Mn等发光膜,Al电极膜等)组成的全固态平板显示器件及OLED显示 器件。 ITO薄膜
第一章: 绪论
薄膜技术发展历史
春秋战国时代,鎏金工艺
7世纪,溶液镀银工艺
1000多年前,阿拉伯人发明了电镀
第一章: 绪论-薄膜技术发展历史
19世纪中叶,电解法、化学反应法、真空蒸镀法等, 标志着薄膜技术的逐步成熟,但应用面仍很窄; 20世纪以来,特别是二战以后,随半导体技术的兴起,涌 现了以溅射法为代表的一大批新技术,在学术和实际应用 中取得丰硕成果;
薄膜材料的功能分类
薄膜分类(按功能及其应用领域):
⑴ 电学薄膜
① 半导体器件与集成电路中使用的导电材料与介质薄膜材料: Si、Al、Cr、Pt、Au、多晶硅 SiO2、Si3N4、Ta2O5、SiOF薄膜。
薄膜材料的功能分类
⑴ 电学薄膜
② 超导薄膜
铜基高温超导薄膜: YBaCuO; BiSrCaCuO ; TiBaCuO 铁基高温超导薄膜: LaFeOP;PrFeAsO0.89F0.11;FeSe。
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%)。
西安理工大学
Xi'an University of Technology
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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
西安理工大学
Xi'an University of Technology
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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)
西安理工大学
Xi'an University of Technology
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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
电子电路芯片薄膜制备原理及方法-84页
临界晶核:晶核可以按其大小区分为亚稳定晶 核、临界晶核和稳定晶核。
如果晶核尺寸大于临界晶核的尺寸,晶核可以 稳定长大,小于临界晶核尺寸,则晶核不稳定, 可能解体。
临界晶核可为单原子也可为多个原子时的稳定 晶核密度。
薄膜的成核生长理论
薄膜成核长大的热力学和动力学
薄膜的一般特征
薄膜的应用:
电学:导体,半导体,绝缘体,压电体 光学和光子学:(抗)反射涂层,滤光器,数据存储,
波导,光学带隙 磁性:数据存储层,磁阻磁头 机械力学:摩擦(抗摩)覆盖层,微机械电子系统 热覆盖层:热阻挡层,吸热设备,热电子元件 化学:腐蚀,氧化和环境保护
薄膜的一般特征
薄膜制备的一般特性: 可沉积的材料:金属,半导体,介质,聚合体 薄膜均匀性:制程与设备均匀性,硅片的横向均匀性 沉积方向性:各向异性,易于剥离和沟槽填充; 各向同性,易于台阶覆盖
1)到达衬底表面的原子或分子在表面的吸附 (Adsorb)
2)吸附原子在表面的扩散(Diffusion) 3)吸附原子与其它吸附原子或与表面的反应
(Reaction) 4)凝聚或成核(Aggregation or Nucleation) 5)结构的发展(Morphology),包括表面形貌
通常,薄膜在形成、生长过程中,存在原子(或分子、离 子)之间以及它们与衬底之间的相互作用,并同时发生的 迁移和扩散运动,由此形成的薄膜具有不同的微结构 多晶薄膜:局域有序 织构薄膜:择优取向 单晶薄膜:长程有序
薄膜的微结构通常与原子间和原子与衬底表面间的相互作 用有关,也与原子在衬底表面迁移扩散有关
薄膜成核长大的热力学和动力学
薄膜淀积初始阶段,首先要有新相的晶核形 成。晶核的成核与原子间及其与衬底的相互 作用有关,其规律满足热力学定律。
薄膜物理与技术-1真空技术基础PPT课件
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。
薄膜技术的真空技术基础
桂林电子科技大学
材料科学与工程学
1.3 真空系统的导流能力——流导
对于黏滞流状态:流导随气体压力升高而增加。不同形状管路的流导已被编制成图表不同流导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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工作原理:两个8字形的转子以相反的方向旋转,两个转子始终保持相切合,咬合精度很高,切合处气体始终不能通过,只能从上、下两边被扫出真空系统。极限真空度: 10-2Pa左右;优点:结构简单、无油气回流,抽 速很大。缺点:泵体与转子发热、膨胀,造成泵体损坏;当气体压力低于10-1 Pa时,气体回流造成抽速降低。适用压力范围:10-1~1000Pa。
1.1 真空的基本知识
按上述第二种说法,比如炮弹在高于大气压的空间飞行是没有问题的,因此可以将高于大气压的空间看作是真空,而对于表面研究,10-8Pa才称得上是真空。
宇宙空间所存在的“自然真空”;利用真空泵抽取所得的“人为真空”。绝对真空:完全没有气体的空间状态。
为了获得真空至少需要
1.1 真空的基本知识
1.2 真空的表征
气流与流导气体流动状态与气体压力、真空容器尺寸的关系根据Knudsen准数Kn:Kn<1: 分子流状态Kn>110粘滞流状态
粘滞态气流的两种不同的流动状态根据Reynolds准数Re:式中,d为容器的特征尺寸(如管路的直径);υ、ρ、η分别是气体的流速、密度和动力学黏度系数。Re>2200 紊流状态 Re<1200 层流状态
真空技术理论报告
关于真空技术基础理论的学习报告本章主要讲述了真空的基础知识及稀薄气体的基本性质,另外阐述了获得真空的主要指标及关键因素,介绍了几种常用真空计的工作原理与测量范围。
1.真空的基本知识薄膜制备方法分物理沉积和化学沉积两大类。
(1)物理气相沉积法是利用蒸镀材料或溅射材料来制备薄膜的,简称PVD (Physical Vapor Deposition) 技术。
其基本制作技术包括:真空蒸发、溅射镀膜和离子镀等。
(2)化学气相沉积是一种化学气相生长法,简称CVD(Chemical Vapor Deposition)技术。
CVD 法是把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物的单质气体供给基片,利用加热、等离子体、紫外光乃至激光等能源,借助气相作用或在基片表面的化学反应(热分解或化学合成)生成要求的薄膜。
它可制备多种物质薄膜。
它们均要求淀积薄膜的空间具有一定的真空度。
因此,真空技术是薄膜制作技术的基础,获得并保持所需的真空环境,是镀膜的必要条件。
1.1真空及其单位真空是指低于一个大气压的气体空间。
与正常的大气相比,是比较稀薄的气体状态。
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”。
在真空技术中对于真空度的高低,可用多个参量来度量,最常用的有“真空度”和“压强”。
此外,也可用气体分子密度、气体分子的平均自由程、形成一个分子层所需的时间等来表示。
(注:“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。
工程中所用旧单位与Pa之关系(1Pa=1N/m2)•毫米汞柱(mmHg)(最早最广泛使用的压强单位)1mmHg=133.322Pa•托(Torr)1Torr (= 1mmHg) =1atm/760 =133.322Pa(atm表示标准大气压,毫米汞柱与托在本质上是一回事,二者相等)• 巴(bar)1bar=105 Pa=105N/m2=106达因/cm2=0.986923 atm• 1 kgf/cm2≈1atm (1atm=1.0333kgf/cm2)• 1 atm=760mmHg=0.1013MPa即1MPa约=10 atm(常用储气瓶满瓶压力约200atm)1.2真空区域的划分粗真空( 1×105--1×103 Pa )⏹低真空(1×103--1×10-1Pa)⏹高真空(1×10-1--1×10-6Pa)⏹超高真空(1×10-6--1×10-10Pa)⏹极高真空(<1×10-10Pa)1.2.1粗真空(1×105--1×103 Pa)在粗真空状态下,气态空间的特性和大气差异不大,气体分子数目多,并仍以热运动为主,分子之间碰撞十分频繁,气体分子的平均自由程很短。
薄膜物理与技术
第一章真空技术基础1、膜的定义及分类。
答:当固体或液体的一维线性尺度远远小于它的其他二维尺度时,我们将这样的固体或液体称为膜。
通常,膜可分为两类:(1)厚度大于1mm的膜,称为厚膜;(2)厚度小于1mm的膜,称为薄膜。
2、人类所接触的真空大体上可分为哪两种答:(1)宇宙空间所存在的真空,称之为“自然真空”;(2)人们用真空泵抽调容器中的气体所获得的真空,称之为“人为真空”。
3、何为真空、绝对真空及相对真空答:不论哪一种类型上的真空,只要在给定空间内,气体压强低于一个大气压的气体状态,均称之为真空。
完全没有气体的空间状态称为绝对真空。
目前,即使采用最先进的真空制备手段所能达到的最低压强下,每立方厘米体积中仍有几百个气体分子。
因此,平时我们所说的真空均指相对真空状态。
4、毫米汞柱和托答:“毫米汞柱(mmHg)”是人类使用最早、最广泛的压强单位,它是通过直接度量长度来获得真空的大小。
1958 年,为了纪念托里拆利,用“托(Torr)”,代替了毫米汞柱。
1 托就是指在标准状态下,1 毫米汞柱对单位面积上的压力,表示为1Torr=1mmHg。
5、真空区域是如何划分的答:为了研究真空和实际使用方便,常常根据各压强范围内不同的物理特点,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和(4)超高真空:< 1′10-6Pa。
6、真空各区域的气体分子运动规律。
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)低真空是气体分子的流动逐渐从黏滞流状态向分子状态过渡,气体分子间和分子与器壁间的碰撞次数差不多;(3)高真空时,气体分子的流动已为分子流,气体分子与容器壁之间的碰撞为主,而且碰撞次数大大减少,在高真空下蒸发的材料,其粒子将沿直线飞行;(4)在超高真空时,气体的分子数目更少,几乎不存在分子间的碰撞,分子与器壁的碰撞机会也更少了。
薄膜材料制备原理、技术及应用
薄膜材料制备原理、技术及应用1. 引言1.1 概述薄膜材料是一类具有微米级、甚至纳米级厚度的材料,其独特的性质和广泛的应用领域使其成为现代科学和工程中不可或缺的一部分。
薄膜材料制备原理、技术及应用是一个重要且广泛研究的领域,对于探索新材料、开发新技术以及满足社会需求具有重要意义。
本文将着重介绍薄膜材料制备的原理、常见的制备技术以及不同领域中的应用。
首先,将详细讨论涂布法、旋涂法和离子束溅射法等不同的制备原理,分析各自适用的场景和优缺点。
然后,将介绍物理气相沉积技术、化学气相沉积技术以及溶液法制备技术等常见的薄膜制备技术,并比较它们在不同实际应用中的优劣之处。
最后,将探讨光电子器件、传感器和生物医药领域等各个领域中对于薄膜材料的需求和应用,阐述薄膜材料在这些领域中的重要作用。
1.2 文章结构本文将按照以下顺序进行介绍:首先,在第二部分将详细介绍薄膜材料制备的原理,包括涂布法、旋涂法以及离子束溅射法等。
接着,在第三部分将探讨物理气相沉积技术、化学气相沉积技术以及溶液法制备技术等常见的制备技术。
然后,在第四部分将介绍薄膜材料在光电子器件、传感器和生物医药领域中的应用,包括各个领域需求和现有应用案例。
最后,在结论部分对整篇文章进行总结,并提出未来研究方向和展望。
1.3 目的本文旨在全面系统地介绍薄膜材料制备原理、技术及应用,为读者了解该领域提供一个基本知识框架。
通过本文的阐述,读者可以充分了解不同的制备原理和方法,并了解到不同领域中对于特定功能或性质的薄膜材料的需求与应用。
同时,本文还将重点突出薄膜材料在光电子器件、传感器和生物医药领域中的重要作用,以期为相关研究提供参考和启发。
以上为“1. 引言”部分内容的详细清晰撰写,请根据需要进行修改补充完善。
2. 薄膜材料制备原理:2.1 涂布法制备薄膜:涂布法是一种常见的制备薄膜的方法,它适用于各种材料的制备。
首先,将所需材料以溶解或悬浮态形式制成液体,然后利用刷子、喷雾或浸渍等方式将液体均匀地涂敷在基板上。
薄膜的制备技术原理及应用
薄膜的制备技术原理及应用1. 简介薄膜是指在厚度较薄的材料表面形成一层均匀的覆盖物。
在许多领域,薄膜制备技术被广泛应用,如电子器件、光学器件、能源存储等。
本文将介绍薄膜的制备技术原理及其在不同领域的应用。
2. 薄膜制备技术原理2.1 物理气相沉积 (Physical Vapor Deposition, PVD)物理气相沉积是一种将材料从固态直接转变为薄膜状态的制备方法。
其基本原理是在真空环境中,通过蒸发或溅射,将源材料沉积到基底上。
2.1.1 蒸发法 (Evaporation)蒸发法在物理气相沉积中被广泛应用。
源材料首先被加热至其沸点,然后分子经过蒸发,成为气态粒子,最终在基底表面沉积。
2.1.2 溅射法 (Sputtering)溅射法通过将高能量粒子轰击源材料,使其表面原子迅速离开,然后在基底上形成薄膜。
溅射法制备的薄膜通常具有较好的质量和均匀性。
2.2 化学气相沉积 (Chemical Vapor Deposition, CVD)化学气相沉积是一种基于化学反应形成薄膜的制备方法。
其基本原理是在高温和高压条件下,将气态前驱体分解产生反应物,在基底上沉积形成薄膜。
2.2.1 热CVD (Thermal CVD)热CVD是一种常见的化学气相沉积方法,其反应物通常是气态前驱体。
通过调节温度和气体流量,控制反应物在基底上的沉积。
2.2.2 低压CVD (Low Pressure CVD)低压CVD是在低压条件下进行的化学气相沉积方法。
通过控制气体压力和底座温度,可以精确控制反应物的沉积速率和组成。
2.3 溶液法 (Solution Process)溶液法是在液相中形成溶液,然后将溶液沉积到基底上形成薄膜的制备方法。
溶液法制备薄膜成本低、工艺简单,因此在某些领域具有广泛的应用。
2.3.1 染料敏化太阳能电池 (Dye Sensitized Solar Cells, DSSCs)染料敏化太阳能电池是一种利用染料分子吸收光能并将其转化为电能的光电转换装置。
薄膜制备的真空技术基础
真空应用技术
将真空技术应用于各个领域,如电子、冶金、化 工、航空航天等。
02
真空镀膜技术
真空蒸发镀膜
总结词
真空蒸发镀膜是一种基于加热蒸发材料的镀膜技术,通过将材料加热至熔融状态 ,然后在真空中蒸发并凝结在基材表面形成薄膜。
详细描述
在真空蒸发镀膜过程中,蒸发源可以是电阻加热、电子束加热或激光加热等。蒸 发材料在高温下升华或熔化,然后在基材表面凝结形成薄膜。该技术适用于制备 金属、非金属、化合物等薄膜材料,具有操作简单、成膜速度快等优点。
磁控溅射镀膜
总结词
磁控溅射镀膜是一种基于溅射现象的镀膜技术,通过在真空 环境中利用磁场控制带电粒子轰击靶材表面,使靶材原子或 分子从表面溅射出来并在基材表面沉积形成薄膜。
详细描述
磁控溅射镀膜技术具有高沉积速率、高附着力、高纯度等优 点,广泛应用于制备各种金属、非金属、化合物等薄膜材料 。该技术可以通过改变工艺参数和靶材种类来控制薄膜的成 分和性能。
技术挑战
需要解决制备过程中材料的选择、成膜机制、界面反应等问题,以确 保获得高性能的薄膜。
低成本高效制备技术
总结词
详细描述
低成本高效制备技术是未来薄膜制备的重 要发展方向。
随着市场对薄膜材料需求的增加,低成本 高效制备技术将有助于降低生产成本,提 高生产效率,满足大规模应用的需求。
发展趋势
技术挑战
详细描述
通过优化真空系统的气体成分和压力,可以改变薄膜与 基材之间的相互作用,从而提高附着力。此外,对基材 进行适当的预处理,如清洗、表面活化等,也有助于增 强附着力。
薄膜性能优化
总结词
优化薄膜性能是薄膜制备的最终目标,涉及多个方面 。
薄膜制备技术:第二部分 真空技术基础-田民波详述
真空区域的划分
薄膜制备和分析技术对于真空度要求 真空蒸发沉积需要高真空和超高真空范围(<10-3 Pa); 溅射沉积需要中、高真空(10-2 ~ 10-5 Pa); 低压化学气相沉积需要中、低真空(10~ 100 Pa); 电子显微技术维持的分析环境需要高真空; 材料表面分析需要超高真空。
稀薄气体的基本性质
经过n个循环后
当泵室体积大,被抽容积小时,即ΔV/V 越大, V/(V+ΔV)n→0越快,Pn →0越快。 但n→∞时Pn →0。实际上不可 能,有一极限值,因为泵结构 上存在“有害空间→ 出气口与 转子密封点之间的极小空隙空 间。1处的气体不能被排走, 会穿过2点,回到吸气侧。
旋片式机械真空泵
每秒转子转m次,则t秒转 n=mt,这时待抽空间的 压强为Pt:
分子泵 钛升华泵
气体捕获泵 溅射离子泵
低温冷凝泵
真空的获得
几种常用真空泵的工作压强范围
旋片式机械真空泵
旋片泵结构示意图
旋片泵工作原理图
旋片式机械真空泵
若待抽真空室体积V,初始压强 初始压强P0,旋转一周排 出气体体积为ΔV,根据 根据P1V1= P2V2,有
转到第二周时,P1作为P0
旋片式机械真空泵
分子束的反射
碰撞于固体表面的分子,它们飞离表面的方向与原入射方 向无关,并按与表面法线方向所成角度 角度θ的余弦进行 分布,则一个分子在离开其表面时,处于立体角dω(与表面 法线成 与表面法线成θ角)中的几率是:
稀薄气体的基本性质
余弦定律的意义: (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
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
*
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)
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不同流导C1、C2、C3相互串联或并联,形成
总流导C:
串联流导
1 1 1 1 CC C C
1
2
3
并联流导
C C C C
1
2
3
26
1.2.3 真空泵的抽速
S Q 薄膜制备的真空技术基础 pp
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
思考:真空泵的抽速和管路的流导有何区别?
结果:气体分子的速度服从一定统计分布, 气体本身对外显示一定的压力。
3
理想气体模型:
气薄膜体制备分的真子空技之术基间础 除相互碰撞的瞬间之外,完全不 存在相互作用,即它们可被看作是相互独立的硬 球,且硬球的半径远小于球与球之间的距离。
在一般的温度和压力条件下,所有气体可看 作理想气体。
Maxwell-Boltzmann分布:
27
薄膜制备的真空技术基础
图1.4a: 流量相等
Q=C (p-pp)= Sp pp
实际抽速
SQ
SC p
p S C
p
当Sp=C时, S=Sp/2。
图1.4 没有回流(a)和有回流(b) 情况下真空系统的模型
真空系统设计的一个基本原则:确保C大于Sp。
28
真空泵可以提供的极限真空度
f(v)
4
(
3
M)ve 2
2
M2v 2RT
2RT
4
薄膜制备的真空技术基础
温度越高,相对原子质量越小, 分子的平均运动速度越大。
5
f(v)
v 薄膜制备的真空技术基础
v p v2
2RT
v
p
M
v
8RT πM
v v2 3RT
M
6
1.1.2 气体的压力和气体分子的平均自由程
薄膜制备的真空技术基础
理想气体的压力:
nπMv2 nRT
p
N
A
A
气压单位:
1 Pa=1 N/m2
1 atm =760 mmHg= 101 325 Pa
1 Torr=1 mmHg=133.3 Pa
1 mbar =100 Pa
7
薄膜制备的真空技术基础 8
气体分子的平均自由程: 薄膜气制备体的真分空技子术基在础 两次碰撞的间隔时间里走过的平 均距离。
λ
1 nπd
2
d — 气体分子的有效截面直径
计算:常温常压下λ空气。
d空气≈0.5nm,
n
pN A
RT
λ空气≈50nm
9
薄膜制备的真空技术基础 10
薄膜制备的真空技术基础
平均碰撞频率= v /λ ≈1010
降低气体压力,减小碰撞几率, 获得较大的平均自由程。
11
1.1.3 气体分子的通量 薄膜制备的真空技术基础
衬底完全被一层杂质气体分子覆盖所需要的时间:
τφ N N
2πMRT
Np
N — 清洁表面的原子面密度
A
常温、常压, τ≈3.5×10-9 s
p=10-8 Pa, τ≈10h
13
真空环境划分:
薄膜制备的真空技术基础
低真空
> 102 Pa
中真空
102 ~ 10-1 Pa
高真空
10-1 ~ 10-5 Pa
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。
φnv 4
Np A
2πMRT
克努森方程
气体分子对衬底碰撞 薄膜沉积 薄膜沉积速度正比于气体分子的通量
12
计算:在高真空的条件下,清洁表面被环境中 的杂质气体分子污染所需时间。
薄膜制备的真空技术基础
(假设: 每一个向清洁表面运动过来的气体分子都是杂 质,且每一个杂质分子都会被该表面所俘获。)
22
1.2.2 气体管路的流导 薄膜制备的真空技术基础
流导:真空管路中气体的通过能力。 C Q p1 p2
p1、p2 — 管路两端的气压 Q — 单位时间内通过管路的气体流量
(单位时间内流过的气体体积与压力的乘积)
23
分子流气体:流导C与压力无关,受管路形状 影响薄膜,制备且的真与空技气术基体础 种类、温度有关。
例:一个处于两个直径很大的管路间的通孔,
设孔的截面积为A,则其流导应正比于通孔两
侧气体分子向通孔方向流动的流量之差。通孔
的流导
CφAA n
RT 2πM
24
薄膜制备的真空技术基础 25
粘滞流气体:气体流导的数值还随气体的压力 呈薄现膜制复备的杂真空的技术变基础化。 一般规律是,当压力升高时,气体通过单位面 积的流量有增加的趋势,因而管路流导的数值 随压力的升高而增加。
18
薄膜制备的真空技术基础 19
克努森(Knudsen)准数 薄膜制备的真空技术基础
Kn
D λ
D — 气体容器的尺寸
分子流状态 Kn<1 过渡状态 Kn=1~100 粘滞流状态 Kn > 100
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薄膜制备的真空技术基础 21
层流状态:低流速黏滞流所处的气流状态,即气 体宏观薄膜运制备动的真方空技向术基与础 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。
薄膜制备1的真空薄技术膜基础 制备的真空技术基础
1.1 气体分子运动论的基本概念 1.2 气体的流动状态和真空抽速 1.3 真空泵简介 1.4 真空的测量
1
1.1 薄气膜制备体的真分空技子术基运础 动论的基本概念
固体
液体
气体
2
1.1.1 气体分子的运动速度及其分布
薄膜制备的真空技术基础
气体分子运动论: 气体分子一直处无规热运动; 平均运动速度取决于温度; 分子之间和分子与器壁之间相互碰撞。
1.2 气体的流动状态和真空抽速
1.2薄.1膜制气备的体真空的技术流基础动状态 气体分子的无规则运动本身并不导致气体的
宏观流动。只有在空间存在宏观压力差的情况下, 气体作为一个整体才会产生宏观的定向流动。
气体的流动状态根据气体容器的几何形状、 气体的压力、温度以及气体的种类不同而存在很 大差别。
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分子流状态:在高真空环境下,气体的分子除了 与容薄器膜制壁备的碰真空撞技术以基础外,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。 (化学气相沉积系统)
超高真空
< 10-5 Pa
真空蒸发沉积: 高真空和超高真空(<10-3 Pa);
溅射沉积:
中、高真空(10-2 ~ 10Pa);
低压化学气相沉积:中、低真空(10~ 100Pa);
电子显微分析: 高真空;
材料表面分析: 超高真空。
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薄膜制备的真空技术基础 15
薄膜制备的真空技术基础 16