1、會(huì)計(jì)學(xué)1設(shè)備設(shè)備(shbi)工藝薄膜技術(shù)與材料頁(yè)工藝薄膜技術(shù)與材料頁(yè)第一頁(yè)，共77頁(yè)。 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?第2頁(yè)/共77頁(yè)第二頁(yè)，共77頁(yè)。Worldwide market of raw materials

2、 for thin film technologypThe market has been estimated at $7.1 billion in 2004 and was projected as $13.5 billion by 2009.pit rises at average annual growth rate of 13.7%.第3頁(yè)/共77頁(yè)第三頁(yè)，共77頁(yè)。第4頁(yè)/共77頁(yè)第四頁(yè)，共77頁(yè)。第5頁(yè)/共77頁(yè)第五頁(yè)，共77頁(yè)。三個(gè)理由： 不同材料特性的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ) 微電子技術(shù)、光電子技術(shù)的發(fā)展(fzhn) 功能性結(jié)構(gòu)的微小型化第6頁(yè)/共77頁(yè)第六頁(yè)，共77頁(yè)。第7頁(yè)/共77頁(yè)第七頁(yè)

3、，共77頁(yè)。第8頁(yè)/共77頁(yè)第八頁(yè)，共77頁(yè)。第9頁(yè)/共77頁(yè)第九頁(yè)，共77頁(yè)。第10頁(yè)/共77頁(yè)第十頁(yè)，共77頁(yè)。P-type Substrate微電子技術(shù)微電子技術(shù)(jsh)(jsh)中的薄膜材料中的薄膜材料: : MOSFETMOSFETN +N +PolysiliconThin gate oxideThick oxidesInterconnect metalHeavily doped region第11頁(yè)/共77頁(yè)第十一頁(yè)，共77頁(yè)。磁存儲(chǔ)技術(shù)中的薄膜材料磁存儲(chǔ)技術(shù)中的薄膜材料(cilio): (cilio): 磁頭與磁記錄介質(zhì)磁頭與磁記錄介質(zhì)第12頁(yè)/共77頁(yè)第十二頁(yè)，共77頁(yè)。微機(jī)

4、電系統(tǒng)中的薄膜材料微機(jī)電系統(tǒng)中的薄膜材料(cilio): (cilio): 微型反射鏡組微型反射鏡組第13頁(yè)/共77頁(yè)第十三頁(yè)，共77頁(yè)。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:第14頁(yè)/共77頁(yè)第十四頁(yè)，共77頁(yè)。 薄膜材料的制備技術(shù)手段； 薄膜材料的結(jié)構(gòu)理論； 薄膜材料的表征技術(shù)； 薄膜材料的體系、性能(xngnng)與應(yīng)用 第15頁(yè)/共77頁(yè)第

5、十五頁(yè)，共77頁(yè)。Old preparation procedures include: u Dippingu Sprayingu Paintingu Electro-depositionu 第16頁(yè)/共77頁(yè)第十六頁(yè)，共77頁(yè)。 Thin film technology is the art and science to deposit thin layers of materials on a substrate for various applications. With a modern thin film technology, the material layer is forme

6、d one atom or molecule at a time. It takes place in vacuum, to deposit a uniform layer and to avoid contamination.第17頁(yè)/共77頁(yè)第十七頁(yè)，共77頁(yè)。Example: A coater for tool coatings第18頁(yè)/共77頁(yè)第十八頁(yè)，共77頁(yè)。A coater line for CDs and DVDs第19頁(yè)/共77頁(yè)第十九頁(yè)，共77頁(yè)。A coating system for hard disks第20頁(yè)/共77頁(yè)第二十頁(yè)，共77頁(yè)。A clustered co

7、ating system for IC第21頁(yè)/共77頁(yè)第二十一頁(yè)，共77頁(yè)。A coater for flat panel displays第22頁(yè)/共77頁(yè)第二十二頁(yè)，共77頁(yè)。第23頁(yè)/共77頁(yè)第二十三頁(yè)，共77頁(yè)。第24頁(yè)/共77頁(yè)第二十四頁(yè)，共77頁(yè)。薄膜材料的制備過(guò)程是: atom by atom 幾乎(jh)所有的現(xiàn)代薄膜材料都是在真空或是在較低的氣體壓力下制備的，都涉及到氣相的產(chǎn)生、輸運(yùn)以及氣相反應(yīng)的過(guò)程。第25頁(yè)/共77頁(yè)第二十五頁(yè)，共77頁(yè)。u 氣體分子的速度分布(fnb): u Maxwell-Boltzmann分布(fnb) u 氣體的壓力: u 理想氣體的狀態(tài)方程u

8、氣體分子的自由程、碰撞頻率: 第26頁(yè)/共77頁(yè)第二十六頁(yè)，共77頁(yè)。H2和Al原子(yunz)在不同溫度下的速度分布典型值：在T=300K時(shí)，空氣分子(fnz)的平均運(yùn)動(dòng)速度: va 460m/s第27頁(yè)/共77頁(yè)第二十七頁(yè)，共77頁(yè)。u 大氣壓: atm, kg/cm2, baru Pa: N/m2u Torr: mmHg1atm = 1000mbar = 0.1MPa1Torr = 133Pa薄膜技術(shù)(jsh)領(lǐng)域：從10-7Pa到105Pa，覆蓋了12個(gè)數(shù)量級(jí)第28頁(yè)/共77頁(yè)第二十八頁(yè)，共77頁(yè)。 空氣分子(fnz)的有效截面半徑d 0.5nm。 在常溫常壓下，氣體分子(fnz)的平

9、均自由程 50nm，每個(gè)空氣分子(fnz)每秒鐘內(nèi)要經(jīng)歷1010次碰撞。 在氣體壓力低于10-4Pa的情況下，其平均自由程 50m，每個(gè)空氣分子(fnz)每秒鐘內(nèi)只經(jīng)歷10次碰撞；氣體分子(fnz)間的碰撞幾率已很小，氣體分子(fnz)的碰撞將主要是其與容器器壁之間的碰撞。第29頁(yè)/共77頁(yè)第二十九頁(yè)，共77頁(yè)。氣體分子(fnz)的通量（Knudsen方程）p氣體壓力高時(shí)，分子頻繁碰撞物體表面；p氣體壓力低時(shí)，分子對(duì)物體表面的碰撞可以(ky)忽略第30頁(yè)/共77頁(yè)第三十頁(yè)，共77頁(yè)。氣體分子(fnz)的通量（Knudsen方程） 假設(shè)每個(gè)向表面(biomin)運(yùn)動(dòng)來(lái)的氣體分子都是雜質(zhì)，而每個(gè)雜

10、質(zhì)氣體分子都會(huì)被表面(biomin)所俘獲，則可估計(jì)出不同的真空環(huán)境中，清潔表面(biomin)被雜質(zhì)氣體分子污染所需要的時(shí)間為：在常溫(chngwn)常壓下， 3.510-9秒；10-8Pa時(shí)， 10 小時(shí) 這一方面說(shuō)明了真空環(huán)境的重要性。同時(shí),氣體分子通量還決定了薄膜的沉積速率。第31頁(yè)/共77頁(yè)第三十一頁(yè)，共77頁(yè)。真空度的劃分(hu fn)第32頁(yè)/共77頁(yè)第三十二頁(yè)，共77頁(yè)。氣體流動(dòng)狀態(tài)(zhungti)與氣體壓力、真空容器尺寸的關(guān)系第33頁(yè)/共77頁(yè)第三十三頁(yè)，共77頁(yè)。粘滯態(tài)氣流的兩種不同的流動(dòng)(lidng)狀態(tài)根據(jù)Reynolds準(zhǔn)數(shù)Re: Re2200 紊流狀態(tài)(zhung

11、ti) Re1200 層流狀態(tài)(zhungti)第34頁(yè)/共77頁(yè)第三十四頁(yè)，共77頁(yè)。真空系統(tǒng)(xtng)的導(dǎo)流能力 流導(dǎo)流導(dǎo)C的大小取決于 真空系統(tǒng)(管路)的幾何尺寸(ch cun) 氣體的種類(lèi)與溫度 氣體的流動(dòng)狀態(tài)(分子流或粘滯流) 如對(duì)分子流, 一個(gè)處于兩直徑很大的管路之間的通孔的流導(dǎo)為第35頁(yè)/共77頁(yè)第三十五頁(yè)，共77頁(yè)。n并聯(lián)流導(dǎo)：n（就象描述氣體流動(dòng)的歐姆定律）真空(zhnkng)系統(tǒng)的導(dǎo)流能力 流導(dǎo)第36頁(yè)/共77頁(yè)第三十六頁(yè)，共77頁(yè)。真空泵的抽速第37頁(yè)/共77頁(yè)第三十七頁(yè)，共77頁(yè)。有限(yuxin)流導(dǎo)情況下真空泵的抽速當(dāng)真空管路流導(dǎo)為有限，真空容器出口與真空泵入口處

12、的氣體壓力(yl)不相等，但氣體流量相等。泵的實(shí)際抽速S降低為即抽速S永遠(yuǎn)小于泵的理論抽速Sp，且永遠(yuǎn)小于管路(un l)流導(dǎo)C。即S受Sp和C二者中較小的一個(gè)所限制。第38頁(yè)/共77頁(yè)第三十八頁(yè)，共77頁(yè)。真空泵可以(ky)達(dá)到的極限真空度 實(shí)際的真空系統(tǒng)總存在氣體回流、氣體泄露、氣體釋放等現(xiàn)象。設(shè)其等效的氣體流量Qp 0 ，并忽略(hl)管路流阻(流導(dǎo)C為無(wú)窮大，p=pp)，則氣壓隨時(shí)間的變化曲線為則極限(jxin)真空度:第39頁(yè)/共77頁(yè)第三十九頁(yè)，共77頁(yè)。真空泵的分類(lèi)(fn li)u輸運(yùn)式（排出式）u 機(jī)械式u 氣流(qli)式u捕獲式（內(nèi)消式）u 可逆式u 不可逆式第40頁(yè)/共7

13、7頁(yè)第四十頁(yè)，共77頁(yè)。旋片式機(jī)械(jxi)真空泵的外形圖(機(jī)械(jxi)式)第41頁(yè)/共77頁(yè)第四十一頁(yè)，共77頁(yè)。旋片式機(jī)械(jxi)真空泵的結(jié)構(gòu)示意圖鎮(zhèn)氣閥：空氣可通過(guò)此閥摻入排氣室以降低壓縮比，從而使大部分蒸汽(zhn q)不致凝結(jié)而和摻入的氣體一起被排除泵外。第42頁(yè)/共77頁(yè)第四十二頁(yè)，共77頁(yè)。旋片式機(jī)械(jxi)真空泵的抽速曲線 極限真空度可達(dá)10-1Pa左右(zuyu)，但有油污染問(wèn)題第43頁(yè)/共77頁(yè)第四十三頁(yè)，共77頁(yè)。羅茨泵的外形(wi xn)圖(機(jī)械式) 第44頁(yè)/共77頁(yè)第四十四頁(yè)，共77頁(yè)。羅茨泵的結(jié)構(gòu)(jigu)示意圖 p羅茨泵不使用(shyng)油作密封介質(zhì)，

14、少油污染p其適用的壓力范圍是在0.1-1000Pa之間 第45頁(yè)/共77頁(yè)第四十五頁(yè)，共77頁(yè)。羅茨泵組成(z chn)的真空機(jī)組的外形圖 羅茨泵可與旋片式機(jī)械泵串聯(lián)(chunlin)成真空機(jī)組使用，降低每臺(tái)泵的負(fù)荷，擴(kuò)大可獲得的真空度范圍第46頁(yè)/共77頁(yè)第四十六頁(yè)，共77頁(yè)。羅茨泵組成(z chn)的真空機(jī)組的抽速曲線組成(z chn)機(jī)組使其極限真空度提高到10-2Pa第47頁(yè)/共77頁(yè)第四十七頁(yè)，共77頁(yè)。油擴(kuò)散泵的外形(wi xn)圖(氣流式)第48頁(yè)/共77頁(yè)第四十八頁(yè)，共77頁(yè)。油擴(kuò)散(kusn)泵的結(jié)構(gòu)示意圖 擴(kuò)散泵油在高溫下會(huì)發(fā)生氧化，因此(ync)擴(kuò)散泵需要在優(yōu)于10-2P

15、a的較高真空度下工作第49頁(yè)/共77頁(yè)第四十九頁(yè)，共77頁(yè)。油擴(kuò)散(kusn)泵組成的真空機(jī)組的外形圖 由擴(kuò)散泵組成真空機(jī)組，其極限真空可達(dá)110-5Pa，但油污染(wrn)的問(wèn)題較為嚴(yán)重第50頁(yè)/共77頁(yè)第五十頁(yè)，共77頁(yè)。渦輪分子(fnz)泵的外形圖(機(jī)械式) 第51頁(yè)/共77頁(yè)第五十一頁(yè)，共77頁(yè)。渦輪分子(fnz)泵的結(jié)構(gòu)示意圖 渦輪分子泵運(yùn)轉(zhuǎn)(ynzhun)速度極高，因此需要在優(yōu)于1Pa的較高真空度下運(yùn)轉(zhuǎn)(ynzhun)第52頁(yè)/共77頁(yè)第五十二頁(yè)，共77頁(yè)。渦輪分子(fnz)泵的抽速曲線 渦輪分子泵的極限真空度達(dá)10-8Pa，適用(shyng)的壓力范圍在110-8Pa之間 第53

16、頁(yè)/共77頁(yè)第五十三頁(yè)，共77頁(yè)。低溫吸附 (液氦冷凝) 泵的外形(wi xn)圖(捕獲式)第54頁(yè)/共77頁(yè)第五十四頁(yè)，共77頁(yè)。低溫吸附 (液氦冷凝(lngnng) 泵的結(jié)構(gòu)示意圖 低溫吸附泵的極限真空度可達(dá)10-8Pa。其效能(xionng)取決于所用的低溫溫度、被吸附氣體的種類(lèi)、數(shù)量、吸附表面的面積等第55頁(yè)/共77頁(yè)第五十五頁(yè)，共77頁(yè)。濺射離子(lz)泵的外形圖(捕獲式) 第56頁(yè)/共77頁(yè)第五十六頁(yè)，共77頁(yè)。濺射離子(lz)泵的結(jié)構(gòu)示意圖 濺射離子泵的極限真空度可以(ky)達(dá)到10-9Pa第57頁(yè)/共77頁(yè)第五十七頁(yè)，共77頁(yè)。隔膜(gm)真空泵的外形圖 隔膜泵的能力較小(1L

17、/s) ，極限真空度較差(100Pa)，但無(wú)油污染(wrn)問(wèn)題第58頁(yè)/共77頁(yè)第五十八頁(yè)，共77頁(yè)。干泵系統(tǒng)(xtng)的外形圖 干泵的能力較大(100L/s) ，極限真空度較高(10-2Pa)，無(wú)嚴(yán)重(ynzhng)的油污染問(wèn)題第59頁(yè)/共77頁(yè)第五十九頁(yè)，共77頁(yè)。常用真空泵的工作(gngzu)范圍不同泵種的工作壓力(yl)范圍不同。因而常將兩種或三種真空泵結(jié)合起來(lái)組成真空機(jī)組第60頁(yè)/共77頁(yè)第六十頁(yè)，共77頁(yè)。真空(zhnkng)測(cè)量方法的分類(lèi) (各種( zhn)物理的方法)u熱電勢(shì)(dinsh)法u電阻法u電離法u電容法u第61頁(yè)/共77頁(yè)第六十一頁(yè)，共77頁(yè)。熱偶式的真空(zh

18、nkng)規(guī)熱偶規(guī)僅適用(shyng)于0.1100Pa的低真空范圍 Pt第62頁(yè)/共77頁(yè)第六十二頁(yè)，共77頁(yè)。皮拉尼電阻皮拉尼電阻(dinz)真空規(guī)真空規(guī)(熱阻式真空規(guī)熱阻式真空規(guī))第63頁(yè)/共77頁(yè)第六十三頁(yè)，共77頁(yè)。皮拉尼電阻(dinz)真空規(guī)其原理(yunl)、真空測(cè)量范圍與熱偶規(guī)相似第64頁(yè)/共77頁(yè)第六十四頁(yè)，共77頁(yè)。電離(dinl)式真空規(guī)第65頁(yè)/共77頁(yè)第六十五頁(yè)，共77頁(yè)。電離(dinl)式真空規(guī)電離真空規(guī)可測(cè)量的壓力(yl)范圍為1Pa-10-7Pa第66頁(yè)/共77頁(yè)第六十六頁(yè)，共77頁(yè)。薄膜式電容(dinrng)真空規(guī)第67頁(yè)/共77頁(yè)第六十七頁(yè)，共77頁(yè)。薄膜式電容(dinrng)真空規(guī)薄膜規(guī)線性度好，但其探測(cè)(tnc)下限約為10-3Pa第68頁(yè)/共77頁(yè)第六十八頁(yè)，共77頁(yè)。壓阻式真空(zhnkng)規(guī)