V-1薄膜物理与技术-第一部分序言,第一章.ppt

薄膜物理与技术,任课老师 李金钗 武汉大学,序言,本课程主要包括三部分： 真空科学与技术 1. 真空的基本知识 2. 真空的获得（各种真空泵原理、结构及应用） 3. 真空的测量原理 4. 真空系统的组成、检漏及流导的计算,二. 薄膜物理 1. 薄膜的各种制备方法及原理 2. 薄膜厚度的测量 3. 薄膜的形成机理、晶体结构、缺陷 4. 薄膜的物理性质 三. 薄膜的掺杂、表面处理及离子束改性 1. 离子束与固体相互作用的基础知识 2. 离子注入的损伤效应及退火效应 3. 离子束材料改性 4. 离子注入设备,三部分之间的联系 大多数薄膜的制备和生长方法都离不开真空条件 许多重要的薄膜制备（生长）方法采用等离子体及离子束技术 离子束表面处理、离子注入是薄膜掺杂和改性重要的技术 等离子体的形成、离子束的产生、注入均需在真空条件下完成,第一部分 真空科学与技术,应用领域： 原子能技术、航天、薄膜制备、分析测试 电真空器件、微电子、轻工业、日常用品等 例： 原子能技术 各种加速器（串列加速器、正负电子对撞机、慢正电子束）,2. 航天技术： 地面模拟实验 3. 薄膜制备设备 真空蒸发法、MBE、各种CVD，离子溅射、离子镀 4. 高级表面分析测试仪 XPS、AES、SIMS、SEM、RBS、TEM、质谱分析、核反应分析等 5. 微电子材料及器件制备 真空微电子器件、半导体器件镀膜、半导体材料制备、a-Si太阳能电池,6. 轻工业、制药业： 真空干燥（造纸）、真空包装、去湿（药品、食品、化学药品）、真空浸漆、吸鸡蛋等 7. 真空冶金 利用真空冶炼获得含气低、氧化少、杂质少的高质钢（如锆、钛、钽、铍莫合金）须在真空中材料熔炼 又如：真空冶炼的矽钢片, 磁滞损耗可降低20% 8. 日常用品 保温瓶、灯泡、日光灯、吸尘器、真空抽血,第一章 真空的基本知识,1. 真空的定义、单位和真空区域的划分 真空的定义 气体的压强低于一个标准大气压的气态空间 一标准大气压： g=980.665 cm/s2T=273 K时，760mm水银柱高所施加的压强 *平衡状态下，气体宏观参量的重要关系式： P=nKT P=压强(Pa),n=气体分子密度(个/M3) K=波尔兹曼常数(1.3810-23J/K) So,(个/m3),标准状态(273K，760 mmHg): n=2.51019个/cm3,故真空是相对的，不是什么气体都没有。,2. 真空的单位： 帕 (Pa) 1 Pa=1 N/M2=10达因/cm2 乇 (torr) mmHg bar(微巴) or bar 1 torr=1 mmHg= 133.3 Pa 1 Pa= 0.7510-2 torr = 10达因/cm2 1 bar= 1 达因/cm2 = 0.1 Pa,3. 真空区域的划分 (1) 粗真空：1105 Pa P 1103 Pa (大约10torr) 气体多，气体分子间碰撞频繁，平均自由程很短，用于真空浸漆等 (2) 低真空：1103 110-1 Pa 10161013 个/cm3，加电场下会电离、液体沸点大大降低(可用于真空脱水) (3) 高真空： 110-1110-6 Pa 高真空下蒸发出的材料分子，按直线飞行 (4) 超高真空：110-6 Pa n 1010个/cm3 不少高科技器件或材料只能在超高真空下才能获得,4. 宇宙空间的真空状况 (1)海平面：760乇 (2)对流层和平流层（100Km高空）以下： 升高15Km，压强下降90% 90Km处约为10-3乇 (3)电离层（100400Km） 升高100 200Km 压强下降90% (4) 400Km以上： 1000Km 10-10 乇 10万Km 10-13乇,400Km以下： 主要是空气 200 1000Km：主要是N和O原子，日照强时大部分被电离 700 1000Km： 有相当数量He 1500Km： H，H+和电子组成 3000 10万Km：高能H+ 1.5 4万Km：高能电子 4万Km：中性粒子,2.稀薄气体的基本性质 1.气体的三种速率表达式 最可几速率： 算术平均速率： 均方根速率： 分布函数：f(Vr) f(Va) f(Vm) 但： Vm Va Vr,2.平均自由程 的定义：气体两次碰撞之间所走路程的统计平均值,Z-每秒一个气体分子与其他分子碰撞次数,d -为气体直径,a) 考虑到其它气体分子在运动，及气体速率有一定分布，作如下修正：,可见，当气体种类和T一定时,0oC时空气d=3.7A，O2：3.6A， Ar：3.7A，水汽：4.7A,25oC空气：,b) 离子的平均自由程,c) 电子的,d) 蒸汽原子的, 3. 气体的输运 1. 抽真空过程中气体流动的三个过程 (1) 初始阶段(气压较高、流速较大) 出现湍流，起作用的是气体的惯性力 (2) 气压较低时： 粘滞性流动各层速度不同，起作用的是层间相互摩擦力 (3) 气压更低： 分子性流动分子间相互摩擦可忽略，流动完全由分子与器壁碰撞。 抽真空过程，即：滞留-粘滞性流动-分子性流动,2. 气体量，流量及其表达式 (1) 定义： 气体量：气体体积