薄膜物理薄膜物理讲义教材

薄膜物理

ThinFilmPhysics材料物理与化学系DepartmentofMaterialsPhysicsandChemistry绪论薄膜的概念薄膜是薄的物体的总称现在所说的薄膜是指固体材料，也就是说是固体薄膜薄膜的厚度标准：说法不太统一绪论薄膜技术已经渗透到现代科技和国民经济的各个领域，如航空航天、医药、能源、交通、通信和信息等。另外，在器件的高速化、高集成化、小型化、轻量化方面，薄膜技术作出了重大的贡献

薄膜基本制备技术

薄膜物理基础薄膜制备设备往往涉及真空系统目前，人们所广泛使用的很多表面分析设备都具有真空系统绪论薄膜的制备技术

气相沉积法

溶液镀膜法绪论气相沉积法

物理气相沉积法(PVD)化学气相沉积法(CVD)真空蒸发镀膜法溅射镀膜法分子束外延镀膜法激光蒸发镀膜法离子镀膜法离子束辅助沉积绪论APCVDLPCVDPECVDL-CVD溶液镀膜法

电沉积法阳极氧化法溶胶-凝胶法LB膜的制备绪论薄膜物理基础薄膜的形成过程薄膜的结构与缺陷薄膜的性质：电学、磁学、力学及半导体的性质绪论绪论绪论绪论电学薄膜薄膜材料按其功能及应用的领域可分：光学薄膜硬质膜、耐蚀膜、润滑膜有机分子薄膜装饰膜绪论第一章绪论第二章真空技术基础第三章薄膜的物理气相沉积法9第四章薄膜的化学气相沉积法3第五章溶液镀膜法3第六章薄膜的形成与生长1第七章薄膜的结构与缺陷1第八章薄膜分析1第九章薄膜的性质1本课程主要学习的内容与章节安排：11薄膜物理与技术杨邦朝电子科技大学出版社2薄膜材料制备原理、技术及应用唐伟忠冶金工业出版社3薄膜材料与薄膜技术郑伟涛化学工业出版社4薄膜技术与薄膜材料田民波清华大学出版社5新型电子薄膜材料陈光华化学工业出版社绪论参考教材第二章真空技术基础第一节真空的基本知识第二节稀薄气体的基本性质第三节真空的获得第四节真空的测量

物理气相沉积法中的真空蒸发、溅射镀膜和离子镀等是基本的薄膜制备技术。它们均要求沉积薄膜的空间有一定的真空度。

真空技术基础真空技术是薄膜制备的基础

一、真空及其单位第一节真空的基本知识真空的概念？在给定的空间内，气体的压强低于一个大气压的状态，称为真空真空是什么物质都不存在吗？真空的基本知识P：压强（Pa）n：气体分子密度（个/m3）V：体积（m3）m：气体质量（kg）M：气体分子量（kg/mol）T：绝对温度（K）k：玻尔兹曼常数（1.3810-23J/K）R：气体普适常数（8.314J/K·mol）真空的基本知识n=7.2×1022P/T(个／m3)在标准状态下，任何气体分子密度为３×1019个／cm3当P=1.3×10-11Pa的真空度时T=293K则

n=4×103个／cm3

目前，即使采用最先进的真空制备手段所能达到的最低压强下，每立方厘米的体积中仍然有几百个气体分子真空是相对的，绝对的真空是不存在的。通常所说的真空是一种相对的真空(NA：阿伏伽德罗常数)真空的基本知识怎样表示真空程度？真空度和压强是两个概念，不能混淆。压强越低真空度越高，反之真空度越低压强越高真空度压强气体分子密度：单位体积中气体分子数气体分子的平均自由程形成一个分子层所需的时间等真空的基本知识压强的表示方法：国际单位：帕斯卡(Pascal)其它单位：托(Torr)毫米汞柱(mmHg)毫巴(bar)

大气压(atm)真空的基本知识１托(Torr)＝１毫米汞柱(mmHg)１大气压(atm)=760毫米汞柱(mmHg)=1.013×105帕斯卡(Pascal)单位帕/Pa托/Torr毫巴/mba标准大气压1Pa17.5×10-3

1×10-2

9.87×10-6

1Torr133.311.3331.316×10-3

1mba1000.7519.87×10-4

1atm1.013×1057601.013×103

1几种压强单位的换算关系真空的基本知识低真空：１×105～１×102

帕中真空：１×102～１×10-1

帕高真空：１×10-1～１×10-6

帕超高真空：＜１×10-6

帕二、真空区域的划分低真空(１×105～１×102)帕：气体空间的特性和大气差不多，气体分子数目多，并仍以热运动为主，分子之间的碰撞十分频繁，气体分子的平均自由程很短。通常，在此真空区域内，使用真空技术的目的是为了获得压力差，而不要求改变空间的性质真空各区域的气体分子运动性质各不相同真空的基本知识中真空：气体分子密度与大气时有很大差别，气体的带电粒子在电场的作用下，会产生气体导电现象。这时，气体的流动也状态逐渐从粘稠滞流状态过渡到分子状态，气体分子的动力学性质明显，气体的对流现象完全消失

高真空：气体分子密度更加降低，容器中分子数很少。因此气体分子在运动过程中相互间的碰撞很少，气体分子的平均自由程已大于一般真空容器的限度。在高真空下蒸发的材料，粒子将按直线飞行。另外，容器空间的任何物体与残余气体分子的化学作用也十分微弱。这种状态下，气体的热传导和内摩擦已变得与压强无关超高真空：气体分子间碰撞极少，气体分子主要与器壁相碰撞绪论绪论真空的基本知识三、气体与蒸气临界温度：对于每种气体都有一个特定的温度，高于此温度时，气体无论如何压缩都不会液化，这个温度称为该气体的临界温度

温度高于临界温度的气态物质称为气体温度低于临界温度的气态物质称为蒸气但通常以室温为标准来区分气体和蒸气

气体与蒸气的区分依赖于临界温度

真空的基本知识各种物质的临界温度物质临界温度(℃)物质临界温度氮(N2)-267.8氩(Ar)-12.4氢(H2)-241.0氧(O2)-118.0氖(Ne)-228.0氪(Kr)-62.5空气-140.0氙(Xe)14.7乙醚194.0二氧化碳(CO2)31.0氨(NH3)132.4铁(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、氢、氩、氧和空气等物质的临界温度远低于室温，所以常温下它们是气体；水蒸气、有机物质和气态金属的临界温度远高于室温，所以常温下它们是蒸气

第二节

稀薄气体的基本性质Ideal-GasLaw

玻义尔定律盖·吕萨克定律查理定律玻义尔定律：一定质量的气体，在恒定温度下，气体的压强与体积的乘积为常数。

PV=C

或P1V1

=P2V2稀薄气体的基本性质盖·吕萨克定律：一定质量的气体，在压强一定时，气体的体积与绝对温度成正比。

V=CT

或V1/T1=V2/T2查理定律：一定质量的气体，如果保持体积不变，则气体的压强与绝对温度成正比。

P=CT

或P1/T1=P2/T2

稀薄气体的基本性质一、气体分子的运动速度及其分布气体分子运动论认为：气体的大量分子每时每刻都处于无规则的热运动之中，其平均速度取决于气体所具有的温度；同时，在气体分子之间以及气体分子与容器壁之间，发生着不断的碰撞过程，这种碰撞过程的结果之一是使气体分子的速度服从一定的统计分布。气体分子的运动速度υ服从麦克斯韦尔-玻耳兹曼(Maxwell-Boltzmann)分布：稀薄气体的基本性质M：气体分子的相对原子质量T：热力学温度R：气体常数上式表明：气体分子的速度分布只取决于分子的相对原子质量M与气体热力学温度T

的比值。稀薄气体的基本性质气体分子的速度具有很大的分布空间。温度越高、气体分子的相对原子质量越小，分子的平均运动速度越大

稀薄气体的基本性质不同种类气体分子的平均运动速度也只与T/M的平方根成正比在常温条件下，一般气体分子的运动速度是很高的。比如在T=300K时，空气分子的平均运动速度υa≈460m/s气体分子的平均运动速度稀薄气体的基本性质最可几速度——用于讨论速度分布平均速度

——用于计算分子运动的平均距离均方根速度——用于计算分子的平均动能稀薄气体的基本性质二、气体分子的平均自由程其统计平均值：

每个分子在连续两次碰撞之间的路程称为自由程

称为平均自由程

平均自由程与分子密度n和分子直径σ的平方成反比关系

平均自由程与压强成反比，与温度成正比

稀薄气体的基本性质若气体种类和温度一定的情况下在25℃的空气情况下或稀薄气体的基本性质三、碰撞次数与余弦定律入射频率：单位时间内，在单位面积的器壁上发生碰撞的分子数，用v表示n：气体分子的密度va：气体分子的平均速度

上述公式称为赫兹-克努森(Hertz-Knudsen)公式，它是描述气体分子热运动的重要公式

稀薄气体的基本性质单位时间碰撞单位固体表面分子数的另一表达式例如，对于20℃的空气，则有v20=2.86×1018P

(个／cm2·s)

式中P的单位为帕(Pa)

M40，T293KP10-3Pa则有v20=2.4×1015P(个／cm2·s)

式中P的单位为帕(Pa)

稀薄气体的基本性质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所成角度θ的余弦进行分布。则一个分子在离开其表面时，处于立体角dω(与表面法线成θ角)中的几率是：气体分子从表面的反射－余弦定律式中1/π是归一化条件，即位于2π立体角中的几率为1而出现的稀薄气体的基本性质余弦定律的重要意义在于：(1)它揭示了固体表面对气体分子作用的另一个方面，即将分子原有的方向性彻底“消除”，均按余弦定律散射(2)分子在固体表面要停留一定的时间，这是气体分子能够与固体进行能量交换和动量交换的先决条件，这一点有重要的实际意义第三节真空的获得真空系统应包括：待抽空的容器(真空室)获得真空的设备(真空泵)

测量真空的器具(真空计)

必要的管道、阀门和其他附属设备

判断真空系统能否满足镀膜的两个指标：系统所能达到的最低压强抽气的速率

真空的获得前级泵：能使压力从一个大气压开始变小，进行排气的泵常称为“前级泵”次级泵：只能从较低压力抽到更低压力的真空泵称为“次级泵”极限真空：任何一个真空系统，都不可能得到绝对真空，而是具有一定的压强，称为极限压强或极限真空抽气速率：指