引言及真空技术基础

引言及真空技术基础第1页，共80页，2023年，2月20日，星期六参考书及参考资料网址参考书：《薄膜材料制备原理、技术及应用》

冶金出版社

1998年5月第一版，2003年1月第二版邮箱地址：wztang_teaching@密码：123456邮箱地址：wztang_teaching@密码：123456第2页，共80页，2023年，2月20日，星期六引言薄膜材料薄膜材料的应用薄膜技术所研究的内容第3页，共80页，2023年，2月20日，星期六usedapersonalcomputer?

usedaCDplayer?usedatouchingscreeninanATM?usedapairofglasses?Haveyourealizedthatwithoutthinfilmtechnology,therewouldbenomoderncivilization?Haveyouever?第4页，共80页，2023年，2月20日，星期六WorldwidemarketofrawmaterialsforthinfilmtechnologyThemarkethasbeenestimatedat$7.1billionin2004andwasprojectedas$13.5billionby2009.itrisesatanaveragedannualgrowthrateof13.7%.第5页，共80页，2023年，2月20日，星期六薄膜材料的定义利用特殊的技术手段,人为制得的、其一维尺度显著小于另外两维尺度的、具有特定性能与用途的材料.Athinfilmisalayerofmaterialwithahighsurface-to-volumeratio.Itisaverythincoatingappliedtothingsthatweuseeveryday.

ThinFilmscanbemadeofmanydifferentmaterialsandcanbeappliedtoalmostanysurface.Itisanimportantandexcitingbranchofmaterialscience.

第6页，共80页，2023年，2月20日，星期六薄膜材料的特点一般并不是单独存在的结合了不同材料的不同特性种类繁多需要使用特殊的制备与研究方法第7页，共80页，2023年，2月20日，星期六为什么要发展薄膜材料三个理由：不同材料特性的优势互补微电子技术、光电子技术的发展功能性结构的微小型化第8页，共80页，2023年，2月20日，星期六薄膜材料的应用耐磨、防腐与装饰涂层光学涂层光电薄膜微电子技术磁存储技术微机电系统……第9页，共80页，2023年，2月20日，星期六耐磨、防腐与装饰涂层第10页，共80页，2023年，2月20日，星期六光学涂层材料第11页，共80页，2023年，2月20日，星期六光电薄膜材料第12页，共80页，2023年，2月20日，星期六P-typeSubstrate微电子技术中的薄膜材料:MOSFETN+N+PolysiliconThingateoxideThickoxidesInterconnectmetalHeavilydopedregion第13页，共80页，2023年，2月20日，星期六磁存储技术中的薄膜材料:磁头与磁记录介质Materialstoday,JAN-FEB2007|VOLUME10|NUMBER1-247Diamond-likecarbonfordataandbeerstorageREVIEW第14页，共80页，2023年，2月20日，星期六微机电系统中的薄膜材料:微型反射镜组第15页，共80页，2023年，2月20日，星期六Metals:Al,Cu,Au……Glass:SiOx,SiNx……Ceramics:YBCO,PZT……Semiconductors:Si,GaAs……Polymers:PE,PMMA……Thinfilmsmaterialsmayinclude:第16页，共80页，2023年，2月20日，星期六薄膜材料技术的研究内容薄膜材料的制备技术手段；薄膜材料的结构理论；薄膜材料的表征技术；薄膜材料的体系、性能与应用

第17页，共80页，2023年，2月20日，星期六Oldpreparationproceduresinclude:DippingSprayingPaintingElectro-deposition………早期的薄膜制备方法第18页，共80页，2023年，2月20日，星期六小结:现代的薄膜材料科学与技术

Thinfilmtechnologyistheartandsciencetodepositthinlayersofmaterialsonasubstrateforvariousapplications.

Witha

modernthinfilmtechnology,themateriallayerisformedoneatomormoleculeatatime.Ittakesplaceinvacuum,todepositauniformlayerandtoavoidcontamination.第19页，共80页，2023年，2月20日，星期六Example:Acoaterfortoolcoatings第20页，共80页，2023年，2月20日，星期六AcoaterlineforCDsandDVDs第21页，共80页，2023年，2月20日，星期六Acoatingsystemforharddisks第22页，共80页，2023年，2月20日，星期六AclusteredcoatingsystemforIC第23页，共80页，2023年，2月20日，星期六Acoaterforflatpaneldisplays第24页，共80页，2023年，2月20日，星期六AcommercialCVDequipmentforfilmdepositiononSiwafersinsemiconductorindustryK.L.Choy/ProgressinMaterialsScience48(2003)57–170第25页，共80页，2023年，2月20日，星期六Anin-linePECVDmachineforsolarcellsA.G.Aberle/SolarEnergyMaterials&SolarCells65(2001)239}248usedbytheJapanesemanufacturerShimadzuCorp.,todepositSiNxcoatings,featuringadepositionareaof0.93m×1.28mandathroughputof1485Siwafers(area100cm2)/hr第26页，共80页，2023年，2月20日，星期六PECVDsystematRWE-SchottSolar,Germanywitha-Sisolarcellsproductioncapacityof3MWp/yrW.Diehletal./Surface&CoatingsTechnology193(2005)329–334331a-Siabsorberlayerwillbeproduced第27页，共80页，2023年，2月20日，星期六第一讲薄膜技术的真空技术基础Fundamentalsofvacuumtechnologyinthinfilmstechniques第28页，共80页，2023年，2月20日，星期六要点气体分子运动论的基本概念真空获得的手段真空度的测量第29页，共80页，2023年，2月20日，星期六薄膜材料的制备过程是:

atombyatom

几乎所有的现代薄膜材料都是在真空或是在较低的气体压力下制备的，都涉及到气相的产生、输运以及气相反应的过程。薄膜材料与真空技术第30页，共80页，2023年，2月20日，星期六大气压:atm,kg/cm2,barPa:N/m2Torr:mm·Hg气体压力的单位与换算1atm=1000mbar=0.1MPa1Torr=133Pa薄膜技术领域：从10-7Pa到105Pa，覆盖了12个数量级第31页，共80页，2023年，2月20日，星期六气体的压力:理想气体的状态方程气体分子的速度分布:Maxwell-Boltzmann分布气体分子的自由程、碰撞频率:

分子运动学的基本概念第32页，共80页，2023年，2月20日，星期六H2和Al原子在不同温度下的速度分布典型值：在T=300K时，空气分子的平均运动速度:

va460m/s第33页，共80页，2023年，2月20日，星期六气体分子的自由程空气分子的有效截面半径d0.5nm。在常温常压下，气体分子的平均自由程

50nm，每个空气分子每秒钟内要经历1010次碰撞。在气体压力低于10-4Pa的情况下，其平均自由程>50m，每个空气分子每秒钟内只经历10次碰撞；气体分子间的碰撞几率已很小，气体分子的碰撞将主要是其与容器器壁之间的碰撞。第34页，共80页，2023年，2月20日，星期六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

粘滞流状态第35页，共80页，2023年，2月20日，星期六粘滞态气流的两种不同的流动状态根据Reynolds准数Re:

Re>2200紊流状态

Re<1200层流状态第36页，共80页，2023年，2月20日，星期六气体分子对单位面积表面的碰撞频率，称单位面积上气体分子的通量气体分子的通量（Knudsen方程）气体压力高时，分子频繁碰撞物体表面；气体压力低时，分子对物体表面的碰撞可以忽略第37页，共80页，2023年，2月20日，星期六气体分子通量的应用:杂质的污染假设每个向表面运动来的气体分子都是杂质，而每个杂质气体分子都会被表面所俘获，则可估计出不同的真空环境中，清洁表面被杂质气体分子污染所需要的时间为：在常温常压下，3.510-9秒；10-8Pa时，

10小时这一方面说明了真空环境的重要性。同时,气体分子通量还决定了薄膜的沉积速率。第38页，共80页，2023年，2月20日，星期六在薄膜技术领域，人为地将真空环境粗略地划分为:低真空

>102Pa中真空

10210-1Pa高真空

10-110-5Pa超高真空

<10-5Pa真空度的划分第39页，共80页，2023年，2月20日，星期六为获得真空环境，需要选用不同的真空泵，而它们的一个主要指标是其抽速Sp，其定义为

(L/s)真空泵的抽速Sp与管路的流导C有着相同的物理量纲，且二者对维持系统的真空度起着同样重要的作用真空泵的抽速第40页，共80页，2023年，2月20日，星期六真空泵可以达到的极限真空度

实际的真空系统总存在气体回流、气体泄露、气体释放等现象。设其等效的气体流量Qp0

，并忽略管路流阻(流导C为无穷大，p=pp)，则气压随时间的变化曲线为则极限真空度:第41页，共80页，2023年，2月20日，星期六有限流导情况下真空泵的抽速当真空管路流导为有限，真空容器出口与真空泵入口处的气体压力不相等，但气体流量相等。泵的实际抽速S降低为即抽速S永远小于泵的理论抽速Sp，且永远小于管路流导C。即S受Sp和C二者中较小的一个所限制。第42页，共80页，2023年，2月20日，星期六真空泵的分类输运式（排出式）机械式气流式捕获式（内消式）

可逆式不可逆式第43页，共80页，2023年，2月20日，星期六旋片式机械真空泵的外形图第44页，共80页，2023年，2月20日，星期六旋片式机械真空泵的结构示意图镇气阀：空气可通过此阀掺入排气室以降低压缩比，从而使大部分蒸汽不致凝结而和掺入的气体一起被排除泵外。第45页，共80页，2023年，2月20日，星期六旋片式机械真空泵的抽速曲线

极限真空度可达10-1Pa左右，但有油污染问题第46页，共80页，2023年，2月20日，星期六罗茨泵的外形图

第47页，共80页，2023年，2月20日，星期六罗茨泵的结构示意图

罗茨泵不使用油作密封介质，少油污染其适用的压力范围是在0.1-1000Pa之间

第48页，共80页，2023年，2月20日，星期六罗茨泵组成的真空机组的外形图

罗茨泵可与旋片式机械泵串联成真空机组使用，降低每台泵的负荷，扩大可获得的真空度范围第49页，共80页，2023年，2月20日，星期六罗茨泵组成的真空机组的抽速曲线组成机组使其极限真空度提高到10-2Pa第50页，共80页，2023年，2月20日，星期六油扩散泵的外形图

第51页，共80页，2023年，2月20日，星期六油扩散泵的结构示意图

扩散泵油在高温下会发生氧化，因此扩散泵需要在优于10-2Pa的较高真空度下工作第52页，共80页，2023年，2月20日，星期六油扩散泵组成的真空机组的外形图

由扩散泵组成真空机组，其极限真空可达110-5Pa，但油污染的问题较为严重第53页，共80页，2023年，2月20日，星期六涡轮分子泵的外形图

第54页，共80页，2023年，2月20日，星期六涡轮分子泵的结构示意图

涡轮分子泵运转速度极高，因此需要在优于1Pa的较高真空度下运转第55页，共80页，2023年，2月20日，星期六涡轮分子泵的抽速曲线

涡轮分子泵的极限真空度达10-8Pa，适用的压力范围在110-8Pa之间

第56页，共80页，2023年，2月20日，星期六隔膜真空泵的外形图

隔膜泵的能力较小(1L/s)

，极限真空度较差(100Pa)，但无油污染问题第57页，共80页，2023年，2月20日，星期六干泵系统的外形图

干泵的能力较大(100L/s)

，极限真空度较高(10-2Pa)，无严重的油污染问题第58页，共80页，2023年，2月20日，星期六低温吸附(液氦冷凝)泵的外形图

第59页，共80页，2023年，2月20日，星期六低温吸附(液氦冷凝)泵的结构示意图

低温吸附泵的极限真空度可达10-8Pa。其效能取决于所用的低温温度、被吸附气体的种类、数量、吸附表面的面积等第60页，共80页，2023年，2月20日，星期六溅射离子泵的外形图

第61页，共80页，2023年，2月20日，星期六溅射离子泵的结构示意图

溅射离子泵的极限真空度可以达到10-9Pa第62页，共80页，2023年，2月20日，星期六常用真空泵的工作范围不同泵种的工作压力范围不同。因而常将两种或三种真空泵结合起来组成真空机组第63页，共80页，2023年，2月20日，星期六真空测量方法的分类(各种物理的方法)热电势法电阻法电离法电容法……第64页，共80页，2023年，2月20日，星期六热偶式的真空规热偶规仅适用于0.1100Pa的低真空范围第65页，共80页，2023年，2月20日，星期六皮拉尼电阻真空规第66页，共80页，2023年，2月20日，星期六皮拉尼电阻真空规其原理、真空测量范围与热偶规相似第67页，共80页，2023年，2月20日，星期六电离式真空规第68页，共80页，2023年，2月20日，星期六电离式真空规电离真空规可测量的压力范围为1Pa-10-7Pa第69页，共80页，2023年，2月20日，星期六薄膜式电容真空规第70页，共80页，2023年，2月20日，星期六薄膜式电容真空规薄膜规线性度好，但其探测下限约为10-3Pa第71页，共80页，2023年，2月20日，星期六压阻式真空规利用Si元件的压阻特性，测量范围10-105Pa第72页，共80页，2023年，2月20日，星期六常用真空测量方法的适用范围不同的真空测量方法所适用的压力范围不同。因此常将不同的方法结合起来使用，拓宽压力测量的范围。第73页，共80页，2023年，2月2