薄膜物理与技术课件1-8
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
20
③ 指定空间内，低于一个大气压的气体状态（科学概念） 用气压表示空气的稀密程度。
什么是气压？
容器里飞来飞去的气体分子一直在频繁地撞击容器壁， 其趋势是向外推挤容器壁。单个分子碰在器壁上产生的力自 然是微不足道的，然而同时碰在器壁上的分子数目非常巨 大，合起来就是很大的力，这种推力就是气压。 气压的性质是，当温度和体积不变时，容器中的空气越 稀薄，也就是说容器中气体分子的数越少，气压越低。在自 然环境中，海拔越高的地方，气压越低。也就是说，越往高 空（外太空）去，便越接近“完全空”的真空。
22
1.1.2
真空术语(six vacuum terms)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
① 速度分布(velocity distribution) 教材图1－1的麦克斯韦速率分布曲线。 最可几速度 平均速度
v m = 1 . 41 RT ( cm / s )( 1 − 3 ) 讨论速度分布 M
v a = 1 . 59
v r = 1 . 73
11
微机械与薄膜技术
薄膜技术能实现材料的微米、纳米超微细加工。由此实现的微机 械具有无限的应用前景。
图0-7
微型马达实例图
12
图0-7
微机械挽救重症患者生命（左），可进入血管的微型机器人（右）
13
加速度传感器
用于汽车防撞系统的气囊，及时充气膨胀就是靠检测汽车的加速度，并由 此触发信号。 机器人行走，也要靠行走中因倾斜产生的力（加速度）来控制步行姿势。 为了测量加速度，离不开由薄膜技术及超微细加工技术制作的传感器。
26
真空术语（续） ⑤ 饱和蒸汽压（重点与难点）
把各种固液体放入密闭的容器中，在任何温度下都会蒸发，蒸发出 来的气压称为蒸汽压。在一定温度下，单位时间内蒸发出来的分子数与
凝结在器壁和回到蒸发物质的分子数相等时的蒸汽压称为饱和蒸汽压。
这说明环境气压只有低于物质的饱和蒸汽压，物质才会蒸发。因 此，选择真空室所用的材料时，应选择饱和蒸汽压低的材料，一般比要 求达到的真空低两个数量级。 饱和蒸汽压与温度关系密切，随温度的升高，饱和蒸汽压迅速增加。 物质的蒸发温度规定为饱和蒸汽压=1.33Pa时的温度。
薄膜气相沉积的三个条件：
热的气相源，冷的基板，真空环境（大部分情况）
利用真空的原因有： ①化学非活性 (non chemical activity) N2,O2 ②热导低 (low thermal conductivity)
几千度高温，真空室外不受影响；与传统钢铁行业比较。
③与气体分子之间的碰撞少 (low collision) 蒸发效率更高 ④压力低 (low pressure) 更容易蒸发。
1 2 πσ
2
λ =
n
(1 − 6 )
λ =
kT 2 πσ
2
P
(1 − 7 )
气体种类和温度一定时，λP＝常数。 对于25℃空气，
0.667 λ= (cm)(1 − 8) P
σ：分子直径；n：分子密度
24
真空术语（续）
③ 碰撞次数/入射频率(incident frequency) 单位时间，在单位面积的器壁上发生碰撞的气体分子数称为 “入射频率”。 Hertz-Knudsen 公式： 根据（1-1）和（1-4）：
图0-8
加速度传感器
14
MEMS＆NEMS与薄膜微加工技术
MEMS（micro electro-mechanical system,微电子机械系统） NEMS（nano electro-mechanical system,纳电子机械系统） 薄膜技术与微加工技术为二者创造了良好条件。
图0-9
高精细喷墨打印机
这些真空用品并非完全空，只是“空气及其稀薄的空间”。
P = nkT (1 − 1)
P n = 7.2 × 10 (个 / m 3 )(1 − 2) T
22
P＝105Pa， n≈1019个/cm3 即使当P＝10－11Pa，n≈103个/cm3
19
1.1.1 真空定义(definition)
② 就真空使用者的目的而论，只要该空间的气体可以 忽略不计，就可以认为是真空了。 对于炮弹来说，在高于大气的空间飞行没有问题，因 此可以把高于大气的空间看成真空； 对于彩电的显像管，为了保证电子的运动，10－2Pa即 可； 对于表面分析，10－8 Pa才能进行研究。 所以上述定义无法具体实施。
29
π
• 超高真空的应用
在普通高真空，例如 10-6Torr时，对于室温下的氮气， ν＝4.4 ×1014分子/cm2S，如果每次碰撞均被表面吸附，按 每平方厘米单分子层可吸附5×1014个分子计算，一个“干净” 的表面只要一秒多钟就被覆盖满了一个单分子层的气体分 子。 而在超高真空10-8Pa或10-9Pa 时，由同样的估计可知“干 净”表面吸附单分子层的时间将达几小时到几十小时之久。
田民波，清华大学出版社，《薄膜技术与薄膜材料》 唐伟忠，冶金工业出版社， 《薄膜材料制备原理、技术及应用》 时间安排：14次课+1次期中考试+1次机动课 +期末成绩（65%）
17
成绩组成： 平时成绩（出勤率15%）+期中成绩（20%）
1 Vacuum technology： Fundamental knowledge
平均吸附时间
气体分子以空间飞行为主
气体分子以吸附停留为主
大气压105Pa
迄今获得的最高真空是10-12Pa 讲解图1-2
28
• 气体分子从固体表面的反射
克努曾研究低压气体流动规律，证明余弦定律成立： 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成θ角的余弦进行分布。一个 分子离开表面时，处于立体角dω（与表面法线成θ角）中 的几率为 dω • cos θ (1 − 11) dp = 1/π 由于归一化条件，即位于2π立体角中的几率为1而出现 的。 余弦定律的意义： 固体表面会将分子原有的方向性彻底消除，均满足余弦定 律；分子在固体表面要停留一定时间，使之与固体进行能 量交换。
2
图0-1 通过互联网可以按计划、远距离地操作自宅家电
3
图0-2
可以代替我们工作的机器人
4
0.2 PDP and films
PDP(plasma display panel)——等离子体平板显示器 LCD(liquid crystal display)——液晶显示器 21世纪进入了以PDP，LCD为代表的平板显示器时代。
27
1.1.3 真空的划分
区域 物理特性 压力范围/Pa 气体分子密度 /(个/cm3) 平均自由程/cm 气流特点 105～102 1019～1016 10-5～10-2 ①气体分子 间的碰撞为 主 ②粘滞流 102～10-1 1016～1013 10-2～10 过渡区域 10-1～10-6 1013～108 10～106 ①以气体分子与 器壁的碰撞为主 ②分子流 ③已不能按连续 流体对待 10-6～10-9 108～105 106～109 分子间的 碰撞极少 <10-9 <105 >109 气体分子 与器壁表 面的碰撞 频率较低 粗真空 低真空 高真空 超高真空 极高真空
1 v = nυ a (1 − 9) 4
参见教材第6页图1-2。
P v= (1 − 10) 2πmkT
25
真空术语（续） ④ 气体与蒸汽（难点） 对于每种气体，都有一个特定温度，即高于此温度时， 气体无论怎样都不会液化，称为该气体的临界温度。 室温高于临界温度的气态物质称为气体，反之称为蒸汽。 参见教材第3页表1-1，可知氮、氢、氩、氧等临界温度 低于室温，所以室温下称它们为气体，而水、金属在气态时 就称为蒸汽，二氧化碳的临界温度为31℃，与室温接近， 因此很容易液化。
5
图0-3
PDP的断面结构
6
发展迅猛的TFT（thin film transistor）－LCD
图0-4
薄膜三极管与显示象素
图0－4中的一个象素大小 约几十微米，薄膜三极管的特征尺寸一般 为3～5微米。制作薄膜三极管需要在玻璃基板上形成非晶硅或多晶硅半导 体膜，还要形成原极，栅极，漏极，每个像素都要有共用电极和显示电 极。此外，还要产生RGB三原色的滤色膜。 这些都离不开薄膜技术和微细加工技术。
薄膜物理与技术
武莉莉 材料科学与工程学院
1
0 Introduction： Application of films in high technology
0.1 Internet and film technology
信息社会中，信息采集、处理和网络 设备需要大量的电子元器件、电子回路、 集成电路等。 薄膜技术是制作它们的基础。
本章主要内容： 真空的概念（重点） 真空的获得（重点、难点） 真空的测量
18
1.1 真空的基本概念 (Basic concepts of vacuum)
1.1.1 真空定义(definition)（3种说法） ① 什么也不存在的空间（ 17世纪） 真空就是没有空气的空间。
真空包装袋、暖水瓶瓶胆、电灯泡等——真空产品
以PDP为例，制作的关键是在对角线1m以上大尺寸玻璃板表面形 成数以百万计的放电胞。放电胞的节距一般为200～400微米，胞间障 壁宽度为50微米，高150微米。汇流电极由透明导电膜做成，选址电 极由Ag膜等做成。为保证电极寿命，需要在前玻璃基板表面涂覆MgO 保护膜。 要制作这些电极及各种膜层，离不开薄膜技术及微细加工技术。
包括以物理气相沉积和化学气相沉积为代表的成膜技 术，以离子束刻蚀为代表的微细加工技术，成膜、刻蚀过 程的监控技术，薄膜分析、评价与检测技术等等。
16
课程内容及时间安排
第1章——真空技术基础； 第2章~第4章——物理气相沉积； 第5章~第6章——化学气相沉积； 第7章~第9章——薄膜物理；
参考资料：
RT ( cm / s )( 1 − 4 ) M
RT ( cm / s )( 1 − 5 ) M
计算分子运动的平均距离 计算分子的平均动能
均方根速度
23
真空术语（续）
② 平均自由程(average free distance/mean free path) 每个分子在连续两次碰撞之间的路程称为“自由程”。
9
图0-5
利用薄膜技术进行生物计算机研究
10
人造大脑
人的大脑细胞150亿个，经常工作的有10％就算是天才。 目前，1cm2的硅片上能成功制作2.5亿个三极管。正在试制容量 为4GB的集成电路。这意味着在1.5cm见方的芯片上制作40亿个三极管 及其他元件。只有薄膜技术能够胜任。
图0-6
Gb－DRAM中三极管及存储电容器部位的断面放大图
30
• 超高真空的应用
超高真空可以提供一个“原子清洁”的固体表面，可有足够 的时间对表面进行实验研究。这是一项重大的技术突破，它 导致了近二十年来新兴表面科学研究的蓬勃发展。无论在表 面结构、表面组分及表面能态等基本研究方面，还是在催化 腐蚀等应用研究方面都取得长足的发展。 超高真空可以得到超纯的或精确掺杂的镀膜或用分子束外延 生长晶体。促进了半导体器件、大规模集成电路和超导材料 等的发展，也为在实验室中制备各种纯净样品（如电子轰击 镀膜、等离子镀膜、真空剖裂等）提供了良好的基本技术。
15
课程介绍
薄膜——特殊的物质形态，在厚度这一特定方向上尺寸 很小，只是微观可测的量，且在厚度方向上由于表面、界 面的存在，使物质连续性发生中断，由此使得薄膜材料产 生了与块状材料不同的独特性能。
薄膜物理——薄膜的生长、结构和外延；薄膜中的输 运现象；薄膜中的力学效应；薄膜的性质。 薄膜技术——薄膜制备、测试相关的技术。
7
电子计算机的发展
第一代计算机——真空电子管，1945年。 第二代计算机——晶体管，1956年。 第三代计算机——中小规模集成电路。 第四代计算机——大规模、超大规模集成电路。
后两代的发展离不开薄膜技术。
8
0.3
biocomputer and film technology
图0-5
利用薄膜技术进行生物计算机研究
21
真空绝不是“完全空”，而是一种“指定空间内，低于一 个大气压的气体状态”。 气压单位—— Torr，mmHg，pa，atm，bar, mbar 1958年，Torr（托）代替mmHg，二者等价。 1971年，国际计量会议确定Pa（帕斯卡），国际单位。 1Pa＝1N/m2=7.5×10-3Torr, 1Torr=133.32Pa； 1atm＝760Torr, 1bar=105Pa。
③ 指定空间内，低于一个大气压的气体状态（科学概念） 用气压表示空气的稀密程度。
什么是气压？
容器里飞来飞去的气体分子一直在频繁地撞击容器壁， 其趋势是向外推挤容器壁。单个分子碰在器壁上产生的力自 然是微不足道的，然而同时碰在器壁上的分子数目非常巨 大，合起来就是很大的力，这种推力就是气压。 气压的性质是，当温度和体积不变时，容器中的空气越 稀薄，也就是说容器中气体分子的数越少，气压越低。在自 然环境中，海拔越高的地方，气压越低。也就是说，越往高 空（外太空）去，便越接近“完全空”的真空。
22
1.1.2
真空术语(six vacuum terms)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
① 速度分布(velocity distribution) 教材图1－1的麦克斯韦速率分布曲线。 最可几速度 平均速度
v m = 1 . 41 RT ( cm / s )( 1 − 3 ) 讨论速度分布 M
v a = 1 . 59
v r = 1 . 73
11
微机械与薄膜技术
薄膜技术能实现材料的微米、纳米超微细加工。由此实现的微机 械具有无限的应用前景。
图0-7
微型马达实例图
12
图0-7
微机械挽救重症患者生命（左），可进入血管的微型机器人（右）
13
加速度传感器
用于汽车防撞系统的气囊，及时充气膨胀就是靠检测汽车的加速度，并由 此触发信号。 机器人行走，也要靠行走中因倾斜产生的力（加速度）来控制步行姿势。 为了测量加速度，离不开由薄膜技术及超微细加工技术制作的传感器。
26
真空术语（续） ⑤ 饱和蒸汽压（重点与难点）
把各种固液体放入密闭的容器中，在任何温度下都会蒸发，蒸发出 来的气压称为蒸汽压。在一定温度下，单位时间内蒸发出来的分子数与
凝结在器壁和回到蒸发物质的分子数相等时的蒸汽压称为饱和蒸汽压。
这说明环境气压只有低于物质的饱和蒸汽压，物质才会蒸发。因 此，选择真空室所用的材料时，应选择饱和蒸汽压低的材料，一般比要 求达到的真空低两个数量级。 饱和蒸汽压与温度关系密切，随温度的升高，饱和蒸汽压迅速增加。 物质的蒸发温度规定为饱和蒸汽压=1.33Pa时的温度。
薄膜气相沉积的三个条件：
热的气相源，冷的基板，真空环境（大部分情况）
利用真空的原因有： ①化学非活性 (non chemical activity) N2,O2 ②热导低 (low thermal conductivity)
几千度高温，真空室外不受影响；与传统钢铁行业比较。
③与气体分子之间的碰撞少 (low collision) 蒸发效率更高 ④压力低 (low pressure) 更容易蒸发。
1 2 πσ
2
λ =
n
(1 − 6 )
λ =
kT 2 πσ
2
P
(1 − 7 )
气体种类和温度一定时，λP＝常数。 对于25℃空气，
0.667 λ= (cm)(1 − 8) P
σ：分子直径；n：分子密度
24
真空术语（续）
③ 碰撞次数/入射频率(incident frequency) 单位时间，在单位面积的器壁上发生碰撞的气体分子数称为 “入射频率”。 Hertz-Knudsen 公式： 根据（1-1）和（1-4）：
图0-8
加速度传感器
14
MEMS＆NEMS与薄膜微加工技术
MEMS（micro electro-mechanical system,微电子机械系统） NEMS（nano electro-mechanical system,纳电子机械系统） 薄膜技术与微加工技术为二者创造了良好条件。
图0-9
高精细喷墨打印机
这些真空用品并非完全空，只是“空气及其稀薄的空间”。
P = nkT (1 − 1)
P n = 7.2 × 10 (个 / m 3 )(1 − 2) T
22
P＝105Pa， n≈1019个/cm3 即使当P＝10－11Pa，n≈103个/cm3
19
1.1.1 真空定义(definition)
② 就真空使用者的目的而论，只要该空间的气体可以 忽略不计，就可以认为是真空了。 对于炮弹来说，在高于大气的空间飞行没有问题，因 此可以把高于大气的空间看成真空； 对于彩电的显像管，为了保证电子的运动，10－2Pa即 可； 对于表面分析，10－8 Pa才能进行研究。 所以上述定义无法具体实施。
29
π
• 超高真空的应用
在普通高真空，例如 10-6Torr时，对于室温下的氮气， ν＝4.4 ×1014分子/cm2S，如果每次碰撞均被表面吸附，按 每平方厘米单分子层可吸附5×1014个分子计算，一个“干净” 的表面只要一秒多钟就被覆盖满了一个单分子层的气体分 子。 而在超高真空10-8Pa或10-9Pa 时，由同样的估计可知“干 净”表面吸附单分子层的时间将达几小时到几十小时之久。
田民波，清华大学出版社，《薄膜技术与薄膜材料》 唐伟忠，冶金工业出版社， 《薄膜材料制备原理、技术及应用》 时间安排：14次课+1次期中考试+1次机动课 +期末成绩（65%）
17
成绩组成： 平时成绩（出勤率15%）+期中成绩（20%）
1 Vacuum technology： Fundamental knowledge
平均吸附时间
气体分子以空间飞行为主
气体分子以吸附停留为主
大气压105Pa
迄今获得的最高真空是10-12Pa 讲解图1-2
28
• 气体分子从固体表面的反射
克努曾研究低压气体流动规律，证明余弦定律成立： 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成θ角的余弦进行分布。一个 分子离开表面时，处于立体角dω（与表面法线成θ角）中 的几率为 dω • cos θ (1 − 11) dp = 1/π 由于归一化条件，即位于2π立体角中的几率为1而出现 的。 余弦定律的意义： 固体表面会将分子原有的方向性彻底消除，均满足余弦定 律；分子在固体表面要停留一定时间，使之与固体进行能 量交换。
2
图0-1 通过互联网可以按计划、远距离地操作自宅家电
3
图0-2
可以代替我们工作的机器人
4
0.2 PDP and films
PDP(plasma display panel)——等离子体平板显示器 LCD(liquid crystal display)——液晶显示器 21世纪进入了以PDP，LCD为代表的平板显示器时代。
27
1.1.3 真空的划分
区域 物理特性 压力范围/Pa 气体分子密度 /(个/cm3) 平均自由程/cm 气流特点 105～102 1019～1016 10-5～10-2 ①气体分子 间的碰撞为 主 ②粘滞流 102～10-1 1016～1013 10-2～10 过渡区域 10-1～10-6 1013～108 10～106 ①以气体分子与 器壁的碰撞为主 ②分子流 ③已不能按连续 流体对待 10-6～10-9 108～105 106～109 分子间的 碰撞极少 <10-9 <105 >109 气体分子 与器壁表 面的碰撞 频率较低 粗真空 低真空 高真空 超高真空 极高真空
1 v = nυ a (1 − 9) 4
参见教材第6页图1-2。
P v= (1 − 10) 2πmkT
25
真空术语（续） ④ 气体与蒸汽（难点） 对于每种气体，都有一个特定温度，即高于此温度时， 气体无论怎样都不会液化，称为该气体的临界温度。 室温高于临界温度的气态物质称为气体，反之称为蒸汽。 参见教材第3页表1-1，可知氮、氢、氩、氧等临界温度 低于室温，所以室温下称它们为气体，而水、金属在气态时 就称为蒸汽，二氧化碳的临界温度为31℃，与室温接近， 因此很容易液化。
5
图0-3
PDP的断面结构
6
发展迅猛的TFT（thin film transistor）－LCD
图0-4
薄膜三极管与显示象素
图0－4中的一个象素大小 约几十微米，薄膜三极管的特征尺寸一般 为3～5微米。制作薄膜三极管需要在玻璃基板上形成非晶硅或多晶硅半导 体膜，还要形成原极，栅极，漏极，每个像素都要有共用电极和显示电 极。此外，还要产生RGB三原色的滤色膜。 这些都离不开薄膜技术和微细加工技术。
薄膜物理与技术
武莉莉 材料科学与工程学院
1
0 Introduction： Application of films in high technology
0.1 Internet and film technology
信息社会中，信息采集、处理和网络 设备需要大量的电子元器件、电子回路、 集成电路等。 薄膜技术是制作它们的基础。
本章主要内容： 真空的概念（重点） 真空的获得（重点、难点） 真空的测量
18
1.1 真空的基本概念 (Basic concepts of vacuum)
1.1.1 真空定义(definition)（3种说法） ① 什么也不存在的空间（ 17世纪） 真空就是没有空气的空间。
真空包装袋、暖水瓶瓶胆、电灯泡等——真空产品
以PDP为例，制作的关键是在对角线1m以上大尺寸玻璃板表面形 成数以百万计的放电胞。放电胞的节距一般为200～400微米，胞间障 壁宽度为50微米，高150微米。汇流电极由透明导电膜做成，选址电 极由Ag膜等做成。为保证电极寿命，需要在前玻璃基板表面涂覆MgO 保护膜。 要制作这些电极及各种膜层，离不开薄膜技术及微细加工技术。
包括以物理气相沉积和化学气相沉积为代表的成膜技 术，以离子束刻蚀为代表的微细加工技术，成膜、刻蚀过 程的监控技术，薄膜分析、评价与检测技术等等。
16
课程内容及时间安排
第1章——真空技术基础； 第2章~第4章——物理气相沉积； 第5章~第6章——化学气相沉积； 第7章~第9章——薄膜物理；
参考资料：
RT ( cm / s )( 1 − 4 ) M
RT ( cm / s )( 1 − 5 ) M
计算分子运动的平均距离 计算分子的平均动能
均方根速度
23
真空术语（续）
② 平均自由程(average free distance/mean free path) 每个分子在连续两次碰撞之间的路程称为“自由程”。
9
图0-5
利用薄膜技术进行生物计算机研究
10
人造大脑
人的大脑细胞150亿个，经常工作的有10％就算是天才。 目前，1cm2的硅片上能成功制作2.5亿个三极管。正在试制容量 为4GB的集成电路。这意味着在1.5cm见方的芯片上制作40亿个三极管 及其他元件。只有薄膜技术能够胜任。
图0-6
Gb－DRAM中三极管及存储电容器部位的断面放大图
30
• 超高真空的应用
超高真空可以提供一个“原子清洁”的固体表面，可有足够 的时间对表面进行实验研究。这是一项重大的技术突破，它 导致了近二十年来新兴表面科学研究的蓬勃发展。无论在表 面结构、表面组分及表面能态等基本研究方面，还是在催化 腐蚀等应用研究方面都取得长足的发展。 超高真空可以得到超纯的或精确掺杂的镀膜或用分子束外延 生长晶体。促进了半导体器件、大规模集成电路和超导材料 等的发展，也为在实验室中制备各种纯净样品（如电子轰击 镀膜、等离子镀膜、真空剖裂等）提供了良好的基本技术。
15
课程介绍
薄膜——特殊的物质形态，在厚度这一特定方向上尺寸 很小，只是微观可测的量，且在厚度方向上由于表面、界 面的存在，使物质连续性发生中断，由此使得薄膜材料产 生了与块状材料不同的独特性能。
薄膜物理——薄膜的生长、结构和外延；薄膜中的输 运现象；薄膜中的力学效应；薄膜的性质。 薄膜技术——薄膜制备、测试相关的技术。
7
电子计算机的发展
第一代计算机——真空电子管，1945年。 第二代计算机——晶体管，1956年。 第三代计算机——中小规模集成电路。 第四代计算机——大规模、超大规模集成电路。
后两代的发展离不开薄膜技术。
8
0.3
biocomputer and film technology
图0-5
利用薄膜技术进行生物计算机研究
21
真空绝不是“完全空”，而是一种“指定空间内，低于一 个大气压的气体状态”。 气压单位—— Torr，mmHg，pa，atm，bar, mbar 1958年，Torr（托）代替mmHg，二者等价。 1971年，国际计量会议确定Pa（帕斯卡），国际单位。 1Pa＝1N/m2=7.5×10-3Torr, 1Torr=133.32Pa； 1atm＝760Torr, 1bar=105Pa。