薄膜物理課件-(4)

1、薄膜物理 Thin Film Physics材料物理與化學(xué)系Department of Materials Physics and Chemistry電子郵件：tiezhu-主講教師 辛鐵柱緒論薄膜的概念薄膜是薄的物體的總稱現(xiàn)在所說(shuō)的薄膜是指固體材料，也就是說(shuō)是固體薄膜薄膜的厚度標(biāo)準(zhǔn)：說(shuō)法不太統(tǒng)一緒論薄膜的發(fā)展概況大體可以分為三個(gè)時(shí)代：(1) 公元前2, 3世紀(jì)，首飾或裝飾物上鍍金；直到16世紀(jì)，薄膜只是裝飾品，也有節(jié)約金和銀的意義(2) 17世紀(jì)到19世紀(jì)前半，作為自然現(xiàn)象的薄膜時(shí)代，把薄膜作為研究對(duì)象來(lái)認(rèn)識(shí)。觀察到在液體表面上液體薄膜產(chǎn)生的相干彩色花紋。薄膜產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象引起了研究者的關(guān)注

2、，并對(duì)有關(guān)光的本性的物理學(xué)的發(fā)展作出了貢獻(xiàn)(3) 19世紀(jì)后半，功能薄膜時(shí)代的到來(lái)，直到現(xiàn)在。1850年，W.R. Grove發(fā)現(xiàn)了濺射現(xiàn)象，1877年，把濺射現(xiàn)象應(yīng)用于薄膜的制備；1887年通過(guò)通電導(dǎo)線使材料蒸發(fā)制備薄膜。1900年初，開(kāi)發(fā)了熱分解CVD法和真空蒸發(fā)鍍膜法。1930年到1940年間，發(fā)現(xiàn)了薄膜形成過(guò)程的理論。但只是在制備薄膜的真空系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)有了很大進(jìn)步以后，薄膜的重復(fù)性才有大的改觀。尤其到了20世紀(jì)50年代，隨著電子工業(yè)和信息產(chǎn)業(yè)的興起薄膜技術(shù)顯示出了重要的、關(guān)鍵性的作用緒論薄膜技術(shù)已經(jīng)滲透到現(xiàn)代科技和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，如航空航天、醫(yī)藥、能源、交通、通信和信息等。另外，

3、在器件的高速化、高集成化、小型化、輕量化方面，薄膜技術(shù)作出了重大的貢獻(xiàn) 薄膜基本制備技術(shù) 薄膜物理基礎(chǔ)薄膜制備設(shè)備往往涉及真空系統(tǒng)目前，人們所廣泛使用的很多表面分析設(shè)備都具有真空系統(tǒng)緒論薄膜的制備技術(shù) 氣相沉積法 溶液鍍膜法緒論氣相沉積法 物理氣相沉積法 (PVD)化學(xué)氣相沉積法 (CVD)真空蒸發(fā)鍍膜法濺射鍍膜法分子束外延鍍膜法激光蒸發(fā)鍍膜法離子鍍膜法離子束輔助沉積緒論APCVDLPCVDPECVDL -CVD溶液鍍膜法 電沉積法陽(yáng)極氧化法溶膠-凝膠法LB膜的制備緒論薄膜物理基礎(chǔ)薄膜的形成過(guò)程薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的性質(zhì)：電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué) 及半導(dǎo)體的性質(zhì)緒論緒論緒論緒論電學(xué)薄膜薄膜材料按其功能

4、及應(yīng)用的領(lǐng)域可分：光學(xué)薄膜硬質(zhì)膜、耐蝕膜、潤(rùn)滑膜有機(jī)分子薄膜裝飾膜緒論第一章 緒論第二章 真空技術(shù)基礎(chǔ)第三章 薄膜的物理氣相沉積法 9 第四章 薄膜的化學(xué)氣相沉積法 3第五章 溶液鍍膜法 3第六章 薄膜的形成與生長(zhǎng) 1第七章 薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷 1第八章 薄膜分析 1第九章 薄膜的性質(zhì) 1本課程主要學(xué)習(xí)的內(nèi)容與章節(jié)安排：11薄膜物理與技術(shù)楊邦朝電子科技大學(xué)出版社2薄膜材料制備原理、技術(shù)及應(yīng)用唐偉忠冶金工業(yè)出版社3薄膜材料與薄膜技術(shù)鄭偉濤化學(xué)工業(yè)出版社4 薄膜技術(shù)與薄膜材料 田民波 清華大學(xué)出版社5 新型電子薄膜材料 陳光華 化學(xué)工業(yè)出版社緒論參考教材第二章 真空技術(shù)基礎(chǔ)第一節(jié)真空的基本知識(shí)第二節(jié)

5、稀薄氣體的基本性質(zhì)第三節(jié)真空的獲得第四節(jié)真空的測(cè)量物理氣相沉積法中的真空蒸發(fā)、濺射鍍膜和離子鍍等是基本的 薄膜制備技術(shù)。它們均要求沉積薄膜的空間有一定的真空度。 真空技術(shù)基礎(chǔ)真空技術(shù)是薄膜制備的基礎(chǔ)一、真空及其單位第一節(jié)真空的基本知識(shí)真空的概念？在給定的空間內(nèi)，氣體的壓強(qiáng)低于一個(gè)大氣壓的狀態(tài)，稱為真空真空是什么物質(zhì)都不存在嗎？真空的基本知識(shí)P： 壓強(qiáng)（Pa）n： 氣體分子密度（個(gè)/m3）V：體積（m3）m：氣體質(zhì)量（kg）M：氣體分子量（kg/mol）T： 絕對(duì)溫度（K）k： 玻爾茲曼常數(shù)（1.3810-23J/K）R：氣體普適常數(shù)（8.314J/Kmol）真空的基本知識(shí)n= 7.21022

6、P/T (個(gè)m3)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，任何氣體分子密度為1019 個(gè)cm3 當(dāng) P = 1.3 10-11 Pa 的真空度時(shí)T = 293 K 則 n = 4 103個(gè)cm3 目前，即使采用最先進(jìn)的真空制備手段所能達(dá)到的最低壓強(qiáng)下，每立方厘米的體積中仍然有幾百個(gè)氣體分子真空是相對(duì)的，絕對(duì)的真空是不存在的。通常所說(shuō)的真空是一種相對(duì)的真空(NA：阿伏伽德羅常數(shù))真空的基本知識(shí)怎樣表示真空程度？真空度和壓強(qiáng)是兩個(gè)概念，不能混淆。壓強(qiáng)越低真空度越高，反之真空度越低壓強(qiáng)越高真空度 壓強(qiáng)氣體分子密度：?jiǎn)挝惑w積中氣體分子數(shù)氣體分子的平均自由程形成一個(gè)分子層所需的時(shí)間等 真空的基本知識(shí)壓強(qiáng)的表示方法：國(guó)際單位：帕斯

7、卡 (Pascal)其它單位：托 (Torr) 毫米汞柱(mmHg)毫巴(bar) 大氣壓 (atm)真空的基本知識(shí)托(Torr) 毫米汞柱(mmHg) 大氣壓(atm) = 760毫米汞柱(mmHg) = 1.013105帕斯卡(Pascal)單位帕/Pa托/Torr毫巴/mba標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1Pa17.510-3 1 10-2 9.87 10-6 1Torr133.311.3331.316 10-3 1mba1000.7519.87 10-4 1atm1.013 1057601.013 103 1幾種壓強(qiáng)單位的換算關(guān)系真空的基本知識(shí)低真空：105 102 帕中真空：102 10-1 帕高真空：

8、10-1 10-6 帕超高真空： 10-6 帕二、真空區(qū)域的劃分低真空(105 102) 帕：氣體空間的特性和大氣差不多，氣體分子數(shù)目多，并仍以熱運(yùn)動(dòng)為主，分子之間的碰撞十分頻繁，氣體分子的平均自由程很短。通常，在此真空區(qū)域內(nèi)，使用真空技術(shù)的目的是為了獲得壓力差，而不要求改變空間的性質(zhì) 真空各區(qū)域的氣體分子運(yùn)動(dòng)性質(zhì)各不相同真空的基本知識(shí)中真空：氣體分子密度與大氣時(shí)有很大差別，氣體的帶電粒子在電 場(chǎng)的作用下，會(huì)產(chǎn)生氣體導(dǎo)電現(xiàn)象。這時(shí)，氣體的流動(dòng)也 狀態(tài)逐漸從粘稠滯流狀態(tài)過(guò)渡到分子狀態(tài)，氣體分子的動(dòng) 力學(xué)性質(zhì)明顯，氣體的對(duì)流現(xiàn)象完全消失高真空：氣體分子密度更加降低，容器中分子數(shù)很少。因此氣體分 子

9、在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相互間的碰撞很少，氣體分子的平均自由 程已大于一般真空容器的限度。在高真空下蒸發(fā)的材料， 粒子將按直線飛行。另外，容器空間的任何物體與殘余氣 體分子的化學(xué)作用也十分微弱。這種狀態(tài)下，氣體的熱傳 導(dǎo)和內(nèi)摩擦已變得與壓強(qiáng)無(wú)關(guān)超高真空：氣體分子間碰撞極少，氣體分子主要與器壁相碰撞緒論緒論真空的基本知識(shí)三、氣體與蒸氣臨界溫度：對(duì)于每種氣體都有一個(gè)特定的溫度，高于此溫度時(shí)， 氣體無(wú)論如何壓縮都不會(huì)液化，這個(gè)溫度稱為該氣體 的臨界溫度溫度高于臨界溫度的氣態(tài)物質(zhì)稱為氣體溫度低于臨界溫度的氣態(tài)物質(zhì)稱為蒸氣但通常以室溫為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)區(qū)分氣體和蒸氣氣體與蒸氣的區(qū)分依賴于臨界溫度真空的基本知識(shí)各種物質(zhì)的臨界溫

10、度物質(zhì)臨界溫度 ()物質(zhì)臨界溫度氮 (N2)-267.8氬 (Ar)-12.4氫(H2)-241.0氧 (O2)-118.0氖 (Ne)-228.0氪 (Kr)-62.5空氣 -140.0氙 (Xe)14.7乙醚 194.0二氧化碳 (CO2)31.0氨 (NH3)132.4鐵 (Fe)3700.0酒精 243.0甲烷 (CH4)-82.5水 (H2O)374.2氯 (Cl2)144汞 (Hg)1450.0一氧化碳 (CO)-140.2可以看出，氮、氫、氬、氧和空氣等物質(zhì)的臨界溫度遠(yuǎn)低于室溫，所以常溫下它們是氣體；水蒸氣、有機(jī)物質(zhì)和氣態(tài)金屬的臨界溫度遠(yuǎn)高于室溫，所以常溫下它們是蒸氣第二節(jié) 稀薄

11、氣體的基本性質(zhì)Ideal-Gas Law 玻義爾定律 蓋呂薩克定律 查理定律玻義爾定律：一定質(zhì)量的氣體，在恒定溫度下，氣體的壓強(qiáng)與體積的乘 積為常數(shù)。 PV = C 或 P1V1 = P2V2稀薄氣體的基本性質(zhì)蓋呂薩克定律：一定質(zhì)量的氣體，在壓強(qiáng)一定時(shí)，氣體的體積與絕對(duì) 溫度成正比。 V = CT 或 V1/T1 = V2/T2查理定律：一定質(zhì)量的氣體，如果保持體積不變，則氣體的壓強(qiáng)與絕對(duì) 溫度成正比。 P = CT 或 P1/T1= P2/T2 稀薄氣體的基本性質(zhì)一、氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度及其分布?xì)怏w分子運(yùn)動(dòng)論認(rèn)為： 氣體的大量分子每時(shí)每刻都處于無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)之中，其平均速度取決于氣體所具有的溫

12、度；同時(shí)，在氣體分子之間以及氣體分子與容器壁之間，發(fā)生著不斷的碰撞過(guò)程，這種碰撞過(guò)程的結(jié)果之一是使氣體分子的速度服從一定的統(tǒng)計(jì)分布。氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度服從麥克斯韋爾-玻耳茲曼(Maxwell-Boltzmann)分布：稀薄氣體的基本性質(zhì)M：氣體分子的相對(duì)原子質(zhì)量T： 熱力學(xué)溫度R：氣體常數(shù)上式表明：氣體分子的速度分布只取決于分子的相對(duì)原子質(zhì)量M與氣體熱力學(xué)溫度T 的比值。稀薄氣體的基本性質(zhì)氣體分子的速度具有很大的分布空間。溫度越高、氣體分子的相對(duì)原子質(zhì)量越小，分子的平均運(yùn)動(dòng)速度越大稀薄氣體的基本性質(zhì)不同種類氣體分子的平均運(yùn)動(dòng)速度也只與T/M的平方根成正比在常溫條件下，一般氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度是很

13、高的。比如在T=300K時(shí)，空氣分子的平均運(yùn)動(dòng)速度a 460m/s氣體分子的平均運(yùn)動(dòng)速度稀薄氣體的基本性質(zhì)最可幾速度用于討論速度分布平均速度 用于計(jì)算分子運(yùn)動(dòng)的平均距離均方根速度用于計(jì)算分子的平均動(dòng)能稀薄氣體的基本性質(zhì)二、氣體分子的平均自由程其統(tǒng)計(jì)平均值：每個(gè)分子在連續(xù)兩次碰撞之間的路程稱為自由程稱為平均自由程平均自由程與分子密度n和分子直徑的平方成反比關(guān)系平均自由程與壓強(qiáng)成反比，與溫度成正比稀薄氣體的基本性質(zhì)若氣體種類和溫度一定的情況下在25的空氣情況下或稀薄氣體的基本性質(zhì)三、碰撞次數(shù)與余弦定律入射頻率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，在單位面積的器壁上發(fā)生碰撞的分子 數(shù)，用v表示n：氣體分子的密度va：氣體分

14、子的平均速度上述公式稱為赫茲-克努森 (Hertz-Knudsen)公式，它是描述氣體分子熱運(yùn)動(dòng)的重要公式稀薄氣體的基本性質(zhì)單位時(shí)間碰撞單位固體表面分子數(shù)的另一表達(dá)式例如，對(duì)于20的空氣，則有 v20 = 2.861018 P (個(gè)cm2s) 式中P的單位為帕(Pa)M 40，T 293K P 10-3Pa則有 v20 = 2.41015 P (個(gè)cm2s) 式中P的單位為帕(Pa)稀薄氣體的基本性質(zhì)碰撞于固體表面的分子，它們飛離表面的方向與原入射方向無(wú)關(guān)，并按與表面法線方向所成角度的余弦進(jìn)行分布。則一個(gè)分子在離開(kāi)其表面時(shí)，處于立體角d(與表面法線成角)中的幾率是：氣體分子從表面的反射余弦定律

15、式中1/是歸一化條件，即位于2立體角中的幾率為1而出現(xiàn)的稀薄氣體的基本性質(zhì)余弦定律的重要意義在于：(1) 它揭示了固體表面對(duì)氣體分子作用的另一個(gè)方面，即將分子原有 的方向性徹底“消除”，均按余弦定律散射(2) 分子在固體表面要停留一定的時(shí)間，這是氣體分子能夠與固體進(jìn) 行能量交換和動(dòng)量交換的先決條件，這一點(diǎn)有重要的實(shí)際意義第三節(jié)真空的獲得真空系統(tǒng)應(yīng)包括：待抽空的容器 (真空室)獲得真空的設(shè)備(真空泵) 測(cè)量真空的器具(真空計(jì)) 必要的管道、閥門和其他附屬設(shè)備判斷真空系統(tǒng)能否滿足鍍膜的兩個(gè)指標(biāo)：系統(tǒng)所能達(dá)到的最低壓強(qiáng)抽氣的速率真空的獲得前級(jí)泵：能使壓力從一個(gè)大氣壓開(kāi)始變小，進(jìn)行排氣的泵常稱 為“前

16、級(jí)泵”次級(jí)泵：只能從較低壓力抽到更低壓力的真空泵稱為“次級(jí)泵”極限真空：任何一個(gè)真空系統(tǒng)，都不可能得到絕對(duì)真空，而是 具有一定的壓強(qiáng)，稱為極限壓強(qiáng)或極限真空抽氣速率：指在規(guī)定壓強(qiáng)下單位時(shí)間所抽出氣體的體積，它決 定抽真空所需要的時(shí)間真空的獲得真空泵分為：輸運(yùn)式真空泵捕獲式真空泵輸運(yùn)式真空泵采用對(duì)氣體的壓縮方式將氣體分子輸送至真空系統(tǒng)之外捕獲式真空泵依靠在真空系統(tǒng)內(nèi)凝結(jié)或吸附氣體分子的方式將氣體捕獲，排出于真空系統(tǒng)之外輸運(yùn)式真空泵：旋轉(zhuǎn)式機(jī)械真空泵、油擴(kuò)散泵、復(fù)合分子泵捕獲式真空泵：分子篩吸附泵、鈦升華泵、濺射離子泵、低溫泵真空的獲得至今還沒(méi)有一種泵能直接從大氣一直工作到超高真空常常需要把種真空泵組合起來(lái)構(gòu)成復(fù)合排氣系統(tǒng)以達(dá)到所需要的高真空旋片泵噪聲小，速度高，原理建立在玻-馬略特定律基礎(chǔ)上: P0V0=P1V