第二章薄膜制备技术基础

1、第二章第二章 薄膜制备技术薄膜制备技术 v薄膜制备工艺包括：薄膜制备方法的选薄膜制备工艺包括：薄膜制备方法的选择，基体材料的选择及表面处理，薄膜择，基体材料的选择及表面处理，薄膜制备条件的选择，结构、性能与工艺参制备条件的选择，结构、性能与工艺参数的关系等。数的关系等。 第一节第一节 基体的选择与基片的清洗方法基体的选择与基片的清洗方法 （一）基体的选择（一）基体的选择v在薄膜制备过程中，基体的选择与其他在薄膜制备过程中，基体的选择与其他制备条件同样重要，有时可能更重要，制备条件同样重要，有时可能更重要，基体选择的原则是：基体选择的原则是： （1）是否容易成核和生长成薄膜；）是否容易成核和生长

2、成薄膜；（2）根据不同的应用目的，选择金属）根据不同的应用目的，选择金属 （或合金）、玻璃、陶瓷单晶和塑料等（或合金）、玻璃、陶瓷单晶和塑料等 作基体；作基体；（3）薄膜结构与基体材料结构要对应；）薄膜结构与基体材料结构要对应；（4）要使薄膜和基体材料的性能相匹配，）要使薄膜和基体材料的性能相匹配，从而减少热应力，不使薄膜脱落；从而减少热应力，不使薄膜脱落；（5）要考虑市场供应情况、价格、形状、）要考虑市场供应情况、价格、形状、尺寸、表面粗糙度和加工难易程度等。尺寸、表面粗糙度和加工难易程度等。（二）基片的清洗（二）基片的清洗1 1、概述、概述v由于薄膜厚度很薄，基片表面的平整度、清洁由于薄膜

3、厚度很薄，基片表面的平整度、清洁度都会对所生长的薄膜有影响。基片表面的任度都会对所生长的薄膜有影响。基片表面的任何一点污物都会影响薄膜材料的性能和生长情何一点污物都会影响薄膜材料的性能和生长情况。由此可见，基片的清洗是十分重要的。况。由此可见，基片的清洗是十分重要的。v基片的清洗方法主要根据薄膜生长方法和薄膜基片的清洗方法主要根据薄膜生长方法和薄膜使用目的选定，因为基片表面状态严重影响基使用目的选定，因为基片表面状态严重影响基片上生长出的薄膜结构和薄膜物理性质。片上生长出的薄膜结构和薄膜物理性质。 2 2、基片的清洗方法、基片的清洗方法v一般分为去除基片表面上物理附着的污物的一般分为去除基片表

4、面上物理附着的污物的清洗方法和去除化学附着的污物的清洗方法。清洗方法和去除化学附着的污物的清洗方法。v目前，基片清洗方法有：用化学溶剂溶解污目前，基片清洗方法有：用化学溶剂溶解污物的方法、超声波清洗法、离子轰击清洗法、物的方法、超声波清洗法、离子轰击清洗法、等离子体清洗法和烘烤清洗法等。等离子体清洗法和烘烤清洗法等。 第二节第二节 真空技术基础真空技术基础 v真空技术是制备薄膜的基础，真空蒸发，真空技术是制备薄膜的基础，真空蒸发，溅射镀膜和离子镀等均要求沉积薄膜的溅射镀膜和离子镀等均要求沉积薄膜的空间要有一定的真空度，因而获得并保空间要有一定的真空度，因而获得并保持真空环境是镀膜的必要条件。持

5、真空环境是镀膜的必要条件。 一、真空的概念一、真空的概念 1 /101 /104 4大气压下气体的分子密度约大气压下气体的分子密度约二、真空度的单位l真空状态下气体稀薄程度称为真空度，通常用压力值真空状态下气体稀薄程度称为真空度，通常用压力值表示。表示。19581958年，第一界国际技术会议曾建议采用年，第一界国际技术会议曾建议采用“托托”( (Torr)Torr)作为测量真空度的单位。国际单位制作为测量真空度的单位。国际单位制( (SI)SI)中规定压力的单位为帕中规定压力的单位为帕( (Pa)Pa)。我国采用我国采用SISI规定。规定。l1 1标准大气压标准大气压(1(1atm)1.013

6、atm)1.01310105 5Pa(Pa(帕帕) )l1 1Torr1/760atm1mmHgTorr1/760atm1mmHgl1Torr133Pa101Torr133Pa102 2 PaPal100Pa=0.75Torr 1Torr100Pa=0.75Torr 1Torr三、真空度的划分三、真空度的划分v为了研究真空和实际应用方便，常把为了研究真空和实际应用方便，常把真空划分为：真空划分为：v低真空（低真空（11051102Pa）v中真空（中真空（1102110-1Pa）v高真空（高真空（110-1110-6Pa）v超高真空（超高真空（50km。因此体积有限的超真空系统中，气体分子之间或

7、气体分子与带电粒子之间的碰撞都可以近似忽略。)r)2(r4(p2kTn21An2122222AA分子碰撞截面，为分子直径，p为压强，T为气体温度，k为玻耳兹曼常数。mkTpnva241m和T分别为气体分子的质量和温度。对室温下的氮气，在10-6 Torr时，v = 4.4 x 1014分子/cm2s假设每次碰撞均被表面吸附，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 10-10 Torr 或 10-11 Torr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。对于技术和物理研究的影响：表面物理，薄膜沉积碰撞于固体表面的分子，飞离表面的

8、方向与原入射方向无关，处于与表面法线成角的空间区域（立体角为的d）的分子的几率为：余弦定律的意义：（1）固体表面使分子入射的方向性消失；（2）分子在固体表面停留，使气体和固体表面发生能量和动量的传递。cosddp 8.气体的吸附与脱附气体的吸附与脱附v气体吸附气体吸附：是指固体表面捕获气体分子的现：是指固体表面捕获气体分子的现象。吸附分为物理吸附和化学吸附。象。吸附分为物理吸附和化学吸附。v物理吸附物理吸附：主要靠分子间的相互吸引力，易：主要靠分子间的相互吸引力，易脱附，只在低温下有效。脱附，只在低温下有效。v化学吸附化学吸附：当气体和固体表面原子间生成化：当气体和固体表面原子间生成化合物时，

9、所产生的吸附作用。不易脱附，可合物时，所产生的吸附作用。不易脱附，可发生在高温下。发生在高温下。9.电子碰撞气体引起的电离电子碰撞气体引起的电离v电子能量较低电子能量较低：不会引起气体原子（分子）的状态发生变化。：不会引起气体原子（分子）的状态发生变化。v能量较高能量较高：引起气体原子（分子）的激发或电离。：引起气体原子（分子）的激发或电离。激发激发：部分价电子跃迁到较高的能级。：部分价电子跃迁到较高的能级。电离电离：一个或多个价电子脱离原子或分子的过程。：一个或多个价电子脱离原子或分子的过程。10.气体的流动状态气体的流动状态v三种流动状态三种流动状态湍流，层流，分子流湍流，层流，分子流湍流

10、：当气体压强和流速都比较高时，流动呈现不稳定状态，宏湍流：当气体压强和流速都比较高时，流动呈现不稳定状态，宏观流速矢量有径向分量气体流动受到较大的阻力，通常称这观流速矢量有径向分量气体流动受到较大的阻力，通常称这种流动状态为湍流或者旁流。种流动状态为湍流或者旁流。平流（层流）：随气体压强和流速的逐渐降低，流动由平流（层流）：随气体压强和流速的逐渐降低，流动由具有不同流动速度的各个流动层组成宏观具有不同流动速度的各个流动层组成宏观流速矢量与流速矢量与管轴平行，流动与气体的粘滞性有关，称为平流。平流管轴平行，流动与气体的粘滞性有关，称为平流。平流和湍流都属于粘滞流。和湍流都属于粘滞流。分子流：当压

11、强进分子流：当压强进步降低，气体分子的平均自由程增步降低，气体分子的平均自由程增大，分子间的相互碰撞减少，分子与管壁的碰撞占主要大，分子间的相互碰撞减少，分子与管壁的碰撞占主要地位，分于间的内摩擦消失，气体分子以热运动而自由地位，分于间的内摩擦消失，气体分子以热运动而自由地独立地直线前进，这种流动被称为分子流。地独立地直线前进，这种流动被称为分子流。判断粘滞流与分子流的Knudsen number(克努森数):0.01/110.01nmfppnKDK粘滞流分子流分子-粘滞流31315 105 105 105 10pnp DK 粘滞流或分子流分子-粘滞流判断平流与湍流的雷诺数：2200edR湍流

12、1200平流11.蒸发和凝结蒸发和凝结（1）蒸发和凝结）蒸发和凝结蒸发：由固相和液相转变为气相的过程。蒸发：由固相和液相转变为气相的过程。凝结：由气相转变为固相和液相的过程。凝结：由气相转变为固相和液相的过程。（2）蒸汽和气体）蒸汽和气体由由P-V线可知：存在临界温度线可知：存在临界温度Tc，工作温度低于工作温度低于Tc，气体加压可变成液体，此时的气体称为可凝，气体加压可变成液体，此时的气体称为可凝性气体（蒸汽）性气体（蒸汽）工作温度高于工作温度高于Tc，气体加压不可变成液体，此时的气体称为永久，气体加压不可变成液体，此时的气体称为永久性气体（简称为气体）性气体（简称为气体）在本课程中定义的蒸

13、汽和气体在本课程中定义的蒸汽和气体凡临界温度高于室温（凡临界温度高于室温（1525 ）的气相，称为蒸汽）的气相，称为蒸汽 其特征是在室温下加压可液化。如水蒸气，金属蒸汽其特征是在室温下加压可液化。如水蒸气，金属蒸汽凡临界温度低于于室温（凡临界温度低于于室温（1525 ）的气相，称为气体）的气相，称为气体 其特征是在室温下加压不可液化。如氢气，氮气其特征是在室温下加压不可液化。如氢气，氮气以上分类的主要原因是以上分类的主要原因是 :蒸汽加压液化，液体减压气化会对蒸汽加压液化，液体减压气化会对系统的真空度产生影响。系统的真空度产生影响。（3）饱和蒸汽和不饱和蒸汽）饱和蒸汽和不饱和蒸汽饱和蒸汽：汽液

14、平衡共存时的蒸汽。饱和蒸汽：汽液平衡共存时的蒸汽。非饱和蒸汽：单一蒸汽存在。非饱和蒸汽：单一蒸汽存在。饱和蒸汽不符合理想气体物态方程，但符合克饱和蒸汽不符合理想气体物态方程，但符合克拉珀龙方程。拉珀龙方程。不饱和蒸汽符合理想气体物态方程。不饱和蒸汽符合理想气体物态方程。第三节第三节 真空系统真空系统1.真空系统的结构示意图真空系统的结构示意图真空室真空室泵泵管路管路阀门阀门真空测量真空测量机械泵机械泵分子泵分子泵阀阀门门管管路路闸板阀闸板阀真空室真空室真空测量真空测量真空状态真空状态是气体分是气体分子运动的子运动的动态结果动态结果漏气与放气漏气与放气系统中气体的流动处于分子流状态2.真空系统的

15、组成真空系统的组成 泵泵负责抽空系统内的剩余气体负责抽空系统内的剩余气体o机械泵机械泵o扩散泵扩散泵o分子泵分子泵o离子泵离子泵o吸附泵钛吸附泵和冷凝吸附泵吸附泵钛吸附泵和冷凝吸附泵 真空室真空室安放实验装置安放实验装置 真空管路真空管路连接真空系统连接真空系统 阀门阀门控制真空系统的连接情况控制真空系统的连接情况 真空的测量真空的测量不同的真空要求由不同不同的真空要求由不同的泵和系统组成的泵和系统组成3.表征真空系统的几个参数表征真空系统的几个参数(1)体积流速体积流速S（体积流率）（体积流率） 单位时间流过管道某一特定截面的体积单位时间流过管道某一特定截面的体积(3)流导流导C、流阻、流阻

16、Z 表征气体沿管道流动的动力或阻力表征气体沿管道流动的动力或阻力 Q=C(P2-P1), P1、P2为管道两端的压强为管道两端的压强(2)流量流量Q（体积流率）（体积流率） 单位时间流过管道某一特定截面的的气体单位时间流过管道某一特定截面的的气体分子的量分子的量dtdVSdtd(PV)Q稳定流动状态下流量守恒稳定流动状态下流量守恒串连：串连：并连：并连：串连时总流导小于任何连接的流导串连时总流导小于任何连接的流导(4)泵抽速泵抽速S 泵入口处单位时间抽入的气体体积泵入口处单位时间抽入的气体体积 (6)泵的有效抽速（实际抽速）泵的有效抽速（实际抽速） 当一个容器由一根管道连接到泵进行抽当一个容器

17、由一根管道连接到泵进行抽气时，在容器出口处的抽速。气时，在容器出口处的抽速。(5)泵抽除量泵抽除量R 表征泵的抽气能力表征泵的抽气能力 R=P1S1dtd(V)SPP实际抽速的计算：S=Q/P=截面积*流速系统实际抽速系统实际抽速1/ppSSSCQ=SpPr=SP=C(P-Pr)真空计的位置真空计的位置00000()(1/)QC PPp SpSppSCp0, S0p, S实际压强要比测量压强高实际压强要比测量压强高（7）极限真空度）极限真空度只考虑泵抽气过程总存在气体回流量只考虑泵抽气过程总存在气体回流量Qp净流量：净流量：令令Q=0,求出极限真空度求出极限真空度)Q1 (QQppPSPSPS

18、pppPQ0SPP)P1 (Q00PPSPSPSppp)P1 ()(Q0PPSdtVdPdtPVdp)P1 ()(Q0PPSdtVdPdtPVdp分离变量，积分得：分离变量，积分得：)exp()()(00VtSPPPtPpi其中：其中：Pi为真空室初始真空度（为真空室初始真空度（t=0）P0为真空室极限真空度（为真空室极限真空度（t）Pt为真空室某一时刻真空度为真空室某一时刻真空度第四节第四节.抽真空和抽真空设备抽真空和抽真空设备一、一、 抽真空抽真空 是利用各种真空泵将被抽容器中的气体抽出，是利用各种真空泵将被抽容器中的气体抽出，使该空间的压强低于一个大气压的过程。使该空间的压强低于一个大气

19、压的过程。 可有多种方法实现抽真空可有多种方法实现抽真空 真空泵：抽真空的装置真空泵：抽真空的装置3.抽真空和抽真空设备抽真空和抽真空设备二、真空泵二、真空泵 目前常用的真空泵主要有：旋转式机械真空泵、目前常用的真空泵主要有：旋转式机械真空泵、油扩散泵、复合分子泵、分子筛吸附泵、钛升华泵、油扩散泵、复合分子泵、分子筛吸附泵、钛升华泵、溅射离子泵和低温泵等。前三种属于溅射离子泵和低温泵等。前三种属于气体传输泵气体传输泵，后四种属于后四种属于气体捕获泵气体捕获泵。 能使压力从一个大气压力开始变小，进行排气能使压力从一个大气压力开始变小，进行排气的泵常称为的泵常称为“前级泵前级泵”；另一些却只能从较

20、低压力；另一些却只能从较低压力抽到更低压力，这些真空泵常称为抽到更低压力，这些真空泵常称为“次级泵次级泵”。（1）旋转式机械真空泵v机械泵：凡是利机械泵：凡是利用机械运动以获用机械运动以获得真空的泵，因得真空的泵，因用油来进行密封，用油来进行密封，所以属于有油类所以属于有油类泵。泵。v原理：利用机械原理：利用机械力连续抽气、压力连续抽气、压缩排除气体。缩排除气体。工作过程：工作过程： 气体从入口进入转子和定子之间气体从入口进入转子和定子之间 偏轴转子压缩空气并输送到出口偏轴转子压缩空气并输送到出口 气体在出口累积到一定压强，喷气体在出口累积到一定压强，喷出到大气出到大气工作范围及特点：工作范围

21、及特点： 大气压大气压10-3 torr 耐用，便宜耐用，便宜1. 油润滑，污染油润滑，污染理想情况下，旋片转动半周后，腔体内压强：nnVVVPPnVVVPPVPVVP)()()(00101个循环后n无限大时，p趋向0；极限真空pm有害空间排气空间与吸气空间的间隙泵油气的循环（2）干式真空泵液氮冷却有很大表面积的分子筛10-3 Torr- 10-10 Torr (可以用两个泵交替工作)很容易饱和多泵联合工作200 C 烘烤除去吸附的气体简单，无振动，便宜，无油污染极限真空与泵的温度相关。（3）冷凝泵金属表面，高沸点气体覆盖的低温表面，分子筛，活性碳等( ) 300/ultsPP TTpMT22

22、105 . 3（4）吸附泵可吸附有毒有害气体和易燃易爆气体无油真空泵常和其它干式真空泵联合使用运行成本高加热油从喷嘴喷出，气体分子与油分子碰撞，向出气口运动需要水冷，前级泵10-3 to 10-7 Torr (to 10-9 Torr，液氮冷阱)q优点优点 耐用耐用 成本低，抽速快成本低，抽速快 无震动和声音无震动和声音q缺点缺点 油污染油污染,不能单独使用不能单独使用（5）油扩散泵扩散泵的压缩比)exp(0DnvLPPKuLn蒸汽流分子密度,v蒸汽流在喷口处的速度，L射流的有效长度，D0=ND,D气体分子在油蒸汽中的扩散系数,PL前级泵的压强， Pu真空室的压强。讨论：n, v, L,K越大

23、，D越小，抽气效果越好 (2) 扩散泵的实际压强与PL成正比 讨论：(1)为了提高压缩比，采用多级喷嘴讨论：(2)选择抽真空性能较好的前级泵(3) 选择性能良好的扩散泵油(4) 减少返流 进气口处安装水冷挡板或液氮冷阱 但降低抽速（6）涡轮分子泵）涡轮分子泵q优点优点 基本没有油的污染基本没有油的污染 启动和关闭很快启动和关闭很快 q缺点缺点 噪声大，有振动。噪声大，有振动。 电磁污染。电磁污染。 比较昂贵。比较昂贵。（7）钛升华泵）钛升华泵 加热加热Ti丝使其蒸发到冷壁丝使其蒸发到冷壁. Ti原子与气体反应原子与气体反应. 工作范围工作范围 10-8-10-11 Torr 便宜，可靠，无噪音

24、，无振动，便宜，可靠，无噪音，无振动，无断电问题无断电问题 需要再生，很难排除惰性气体需要再生，很难排除惰性气体和甲烷和甲烷为何高真空泵为何高真空泵管道粗，低真管道粗，低真空泵管道细？空泵管道细？种种 类类原原 理理工作压强范围工作压强范围机机械械泵泵油封机械泵（单级）油封机械泵（单级）油封机械泵（双级）油封机械泵（双级）分子泵分子泵罗茨泵罗茨泵利用机械力压缩排除气体利用机械力压缩排除气体大气压至大气压至1Pa大气压至大气压至10-2Pa10-110-7Pa10310-3Pa蒸蒸气气喷喷射射泵泵水银扩散泵水银扩散泵油扩散泵油扩散泵油喷射泵油喷射泵靠蒸气喷射的动量把气体靠蒸气喷射的动量把气体带走

25、带走110-6Pa干干式式泵泵溅射离子泵溅射离子泵钛升华泵钛升华泵利用溅射或升华形成吸气、利用溅射或升华形成吸气、吸附排除气体吸附排除气体10-210-8Pa吸附泵吸附泵冷凝泵冷凝泵冷凝吸附泵冷凝吸附泵利用低温表面对气体进行利用低温表面对气体进行物理吸附排除气体物理吸附排除气体大气压至大气压至10-2Pa10-310-10Pa10-310-8Pa 第四节 真空测量一、概述v测量原理均是利用测定在低气压下与压强有关的某些物理量，再经变换测量原理均是利用测定在低气压下与压强有关的某些物理量，再经变换后确定容器的压强。后确定容器的压强。v当压强改变时，这些和压强有关的特性也随之变化的物理现象，就是真当压强改变时，这些和压强有关的特性也随之变化的物理现象，就是真空测量的基础。空测量的基础。v任何具体的物理特性，都是在某一压强范围才最显著。因此，任何方法任何具体的物理特性，都是在某一压强范围才最显著。因此，任何方法都有其一定的测量范围，即为该真空计的都有其一定的测量范围，即为该真空计的“量程量程”。目前，还没有一种。目前，还没有一种真空计能够测量真空计能够测量1大气压至大气压至10-10Pa整个范围的真空度。整个范围的真空度。 v真空计分为绝对真空计和相对真空计。根据测量原理的不同，可分为具真空计分为绝对真空计和相对真空计。根据测量原理