薄膜技术与材料薄膜技术与材料ThinFilmMaterialsThinFilmMaterials参考书：参考书：薄膜材料制备原理、技术及应用薄膜材料制备原理、技术及应用 冶金出版社冶金出版社 2003 2003年年1 1月第二版月第二版引 言 u 薄膜材料u 薄膜材料的应用u 薄膜技术所研究的内容u 薄膜材料与纳米技术 used a personal computer? used a CD player? used a touching screen in an ATM? used a pair of glasses?Have you realized that without thin film technology, there would be no modern civilization?Have you ever?WorldwidemarketofrawmaterialsforthinfilmtechnologypThemarkethasbeenestimatedat$7.1billionin2004andwasprojectedas$13.5billionby2009.pitrisesataverageannualgrowthrateof13.7%.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.uAthinfilmisalayerofmaterialwithahighsurface-to-volumeratio.uItisaverythincoatingappliedtothingsthatweuseeveryday.uThinFilmscanbemadeofmanydifferentmaterialsandcanbeappliedtoalmostanysurface.uItisanimportantandexcitingbranchofmaterialscience. 薄膜材料的特点n 一般并不是单独存在的n 结合了不同材料的不同特性n 种类繁多n 需要使用特殊的制备与研究方法为什么要发展薄膜材料三个理由：u不同材料特性的优势互补u微电子技术、光电子技术的发展u功能性结构的微小型化薄膜材料的应用n 耐磨、防腐与装饰涂层n 光学涂层n 光电薄膜n 微电子技术n 磁存储技术n 微机电系统 耐磨、防腐与装饰涂层光学涂层材料光电薄膜材料P-type Substrate微电子技术中的薄膜材料微电子技术中的薄膜材料: : MOSFETN +N +PolysiliconThin gate oxideThick oxidesInterconnect metalHeavily doped region磁存储技术中的薄膜材料磁存储技术中的薄膜材料: : 磁头与磁记录介质磁头与磁记录介质微机电系统中的薄膜材料微机电系统中的薄膜材料: : 微型反射镜组微型反射镜组u Metals: Al, Cu, Au u Glass: SiOx, SiNx u Ceramics: YBCO, PZT u Semiconductors: Si, GaAs u Polymers: PE, PMMA Thin films materials may include:薄膜材料技术的研究内容n 薄膜材料的制备技术手段； n 薄膜材料的结构理论； n 薄膜材料的表征技术； n 薄膜材料的体系、性能与应用Old preparation procedures include: u Dippingu Sprayingu Paintingu Electro-depositionu 早期的薄膜制备方法小结: 现代的薄膜材料科学与技术Thin film technologyistheart and sciencetodepositthinlayersofmaterialsonasubstrateforvariousapplications.Withamodern thin film technology,themateriallayerisformedone atom or molecule at a time.Ittakesplaceinvacuum,todepositauniformlayerandtoavoidcontamination.Example: A coater for tool coatingsA coater line for CDs and DVDsA coating system for hard disksA clustered coating system for ICA coater for flat panel displays第一讲薄膜技术的真空技术基础Fundamentalsofvacuumtechnologyinthinfilmstechniques要 点 u 气体分子运动论的基本概念u 真空获得的手段u 真空度的测量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u气体分子的速度分布: Maxwell-Boltzmann分布 u 气体的压力: 理想气体的状态方程u气体分子的自由程、碰撞频率:分子运动学的基本概念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/su 大气压: atm,kg/cm2,baruPa:N/m2uTorr:mmHg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个数量级气体分子的自由程 空气分子的有效截面半径d 0.5nm。 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。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）p气体压力高时，分子频繁碰撞物体表面；p气体压力低时，分子对物体表面的碰撞可以忽略气体分子的通量（Knudsen方程）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。在薄膜技术领域，人为地将真空环境粗略地划分为:u低真空102Pau中真空10210-1Pau高真空10-110-5Pau超高真空10-5Pa真空度的划分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:uKn110粘滞流状态粘滞态气流的两种不同的流动状态根据Reynolds准数Re: Re2200紊流状态 Re1200层流状态真空系统中，气体的通过能力称之为流导C真空系统的导流能力流导流导C的大小取决于u真空系统(管路)的几何尺寸u 气体的种类与温度u 气体的流动状态(分子流或粘滞流) 如对分子流, 一个处于两直径很大的管路之间的通孔的流导为n不同形状管路的流导已被编制成图表n不同流导C1、C2、C3间可相互串联或并联，构成总流导C串联流导：并联流导： （就象描述气体流动的欧姆定律）真空系统的导流能力流导为获得真空环境，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。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Qp 0 ，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:真空泵的分类u输运式（排出式） 机械式 气流式u捕获式（内消式） 可逆式 不可逆式旋片式机械真空泵的外形图(机械式)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。旋片式机械真空泵的抽速曲线极限真空度可达10-1Pa左右，但有油污染问题罗茨泵的外形图(机械式)罗茨泵的结构示意图p罗茨泵不使用油作密封介质，少油污染p其适用的压力范围是在0.1-1000Pa之间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油扩散泵的外形图(气流式)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涡轮分子泵的外形图(机械式)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之间低温吸附(液氦冷凝)泵的外形图(捕获式)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、吸附表面的面积等溅射离子泵的外形图(捕获式)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真空测量方法的分类(各种物理的方法)u热电势法u电阻法u电离法u电容法u热偶式的真空规热偶规仅适用于0.1100Pa的低真空范围低真空范围 Pt皮拉尼电阻真空规皮拉尼电阻真空规(热阻式热阻式真空规真空规)皮拉尼电阻真空规其原理、真空测量范围与热偶规相似电离式真空规电离式真空规电离真空规可测量的压力范围为1Pa-10-7Pa薄膜式电容真空规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压阻式真空规利用Si元件的压阻特性，测量范围10-105Pa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。例一：薄膜制备系统:金属喷镀仪金属喷镀仪的真空系统参数u真空室：4.75英寸H4.75英寸u真空泵：双级旋片机械泵 极限真空度：610-2Pa 抽速： 0.5L/su真空计：皮拉尼电阻真空规（0.1Pa-大气压）例二：薄膜制备系统:分子束外延设备u真空室：28英寸H15英寸u极限真空：510-8Torru真空泵：低温冷凝泵（或分子泵）1500L/s旋片机械泵12L/su真空计：电离规2，热偶规2，皮拉尼规2，薄膜规1分子束外延设备的真空系统参数典型薄膜制备系统的结构图第一讲 小结n薄膜材料在现代科技领域占有重要的地位，可作为大家今后作为材料科学家或工程师的职业方向n真空技术是现代薄膜材料技术的基础n不同的薄膜制备方法涉及到不同的真空环境真空度n不同的真空度需要采用不同的真空获得方法与真空测量方法