物理引言及真空技術(shù)基礎(chǔ)第1頁/共100頁WorldwidemarketofrawmaterialsforthinfilmtechnologyThemarkethasbeenestimatedat$7.1billionin2004andwasprojectedas$13.5billionby2009.itrisesataverageannualgrowthrateof13.7%.第2頁/共100頁薄膜材料的定義

利用特殊的技術(shù)手段,人為制得的、其一維尺度顯著小于另外兩維尺度的、具有特定性能與用途的材料.Athinfilmisalayerofmaterialwithahighsurface-to-volumeratio.Itisaverythincoatingappliedtothingsthatweuseeveryday.

ThinFilmscanbemadeofmanydifferentmaterialsandcanbeappliedtoalmostanysurface.Itisanimportantandexcitingbranchofmaterialscience.

第3頁/共100頁薄膜材料的特點

一般并不是單獨存在的結(jié)合了不同材料的不同特性種類繁多需要使用特殊的制備與研究方法第4頁/共100頁為什么要發(fā)展薄膜材料三個理由：不同材料特性的優(yōu)勢互補微電子技術(shù)、光電子技術(shù)的發(fā)展功能性結(jié)構(gòu)的微小型化第5頁/共100頁薄膜材料的應用

耐磨、防腐與裝飾涂層光學涂層光電薄膜微電子技術(shù)磁存儲技術(shù)微機電系統(tǒng)……第6頁/共100頁耐磨、防腐與裝飾涂層第7頁/共100頁光學涂層材料第8頁/共100頁光電薄膜材料第9頁/共100頁P-typeSubstrate微電子技術(shù)中的薄膜材料:MOSFETN+N+PolysiliconThingateoxideThickoxidesInterconnectmetalHeavilydopedregion第10頁/共100頁磁存儲技術(shù)中的薄膜材料:

磁頭與磁記錄介質(zhì)第11頁/共100頁微機電系統(tǒng)中的薄膜材料:

微型反射鏡組第12頁/共100頁Metals:Al,Cu,Au……Glass:SiOx,SiNx……Ceramics:YBCO,PZT……Semiconductors:Si,GaAs……Polymers:PE,PMMA……Thinfilmsmaterialsmayinclude:第13頁/共100頁薄膜材料技術(shù)的研究內(nèi)容

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、性能與應用

第14頁/共100頁Oldpreparationproceduresinclude:DippingSprayingPaintingElectro-deposition………早期的薄膜制備方法第15頁/共100頁Dipping第16頁/共100頁第17頁/共100頁小結(jié):現(xiàn)代的薄膜材料科學與技術(shù)

Thinfilmtechnologyistheartandsciencetodepositthinlayersofmaterialsonasubstrateforvariousapplications.

Witha

modernthinfilmtechnology,themateriallayerisformedoneatomormoleculeatatime.Ittakesplaceinvacuum,todepositauniformlayerandtoavoidcontamination.第18頁/共100頁Example:Acoaterfortoolcoatings第19頁/共100頁AcoaterlineforCDsandDVDs第20頁/共100頁Acoatingsystemforharddisks第21頁/共100頁AclusteredcoatingsystemforIC第22頁/共100頁Acoaterforflatpaneldisplays第23頁/共100頁第一章薄膜制備的真空技術(shù)基礎(chǔ)Fundamentalsofvacuumtechnologyinthinfilmstechniques第24頁/共100頁要點

氣體分子運動論的基本概念真空獲得的手段真空度的測量第25頁/共100頁薄膜材料的制備過程是:

atombyatom

幾乎所有的現(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、輸運以及氣相反應的過程。薄膜材料與真空技術(shù)第26頁/共100頁氣體分子的速度分布:Maxwell-Boltzmann分布

氣體的壓力:

理想氣體的狀態(tài)方程氣體分子的自由程、碰撞頻率:

1.1氣體分子運動學的基本概念第27頁/共100頁H2和Al原子在不同溫度下的速度分布典型值：在T=300K時，空氣分子的平均運動速度:

va460m/s第28頁/共100頁

大氣壓:atm,kg/cm2,barPa:N/m2Torr:mm·Hg氣體壓力的單位與換算1atm=1000mbar=0.1MPa1Torr=133Pa薄膜技術(shù)領(lǐng)域：從10-7Pa到105Pa，覆蓋了12個數(shù)量級第29頁/共100頁氣體分子的自由程

空氣分子的有效截面半徑d0.5nm。在常溫常壓下，氣體分子的平均自由程

50nm，每個空氣分子每秒鐘內(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，每個空氣分子每秒鐘內(nèi)只經(jīng)歷10次碰撞；氣體分子間的碰撞幾率已很小，氣體分子的碰撞將主要是其與容器器壁之間的碰撞。第30頁/共100頁氣體分子對單位面積表面的碰撞頻率，稱單位面積上氣體分子的通量氣體分子的通量（Knudsen方程）氣體壓力高時，分子頻繁碰撞物體表面；氣體壓力低時，分子對物體表面的碰撞可以忽略第31頁/共100頁氣體分子的通量（Knudsen方程）

假設每個向表面運動來的氣體分子都是雜質(zhì)，而每個雜質(zhì)氣體分子都會被表面所俘獲，則可估計出不同的真空環(huán)境中，清潔表面被雜質(zhì)氣體分子污染所需要的時間為：在常溫常壓下，3.510-9秒；10-8Pa時，

10小時

這一方面說明了真空環(huán)境的重要性。同時,氣體分子通量還決定了薄膜的沉積速率。第32頁/共100頁在薄膜技術(shù)領(lǐng)域，人為地將真空環(huán)境粗略地劃分為:低真空

>102Pa中真空

10210-1Pa高真空

10-110-5Pa超高真空

<10-5Pa真空度的劃分第33頁/共100頁氣體流動狀態(tài)與氣體壓力、真空容器尺寸的關(guān)系根據(jù)Knudsen準數(shù)Kn:Kn<1:

分子流狀態(tài)Kn>110

粘滯流狀態(tài)第34頁/共100頁粘滯態(tài)氣流的兩種不同的流動狀態(tài)根據(jù)Reynolds準數(shù)Re:

Re>2200紊流狀態(tài)

Re<1200層流狀態(tài)第35頁/共100頁真空系統(tǒng)中，氣體的通過能力稱之為流導C真空系統(tǒng)的導流能力流導流導C的大小取決于

真空系統(tǒng)(管路)的幾何尺寸氣體的種類與溫度氣體的流動狀態(tài)(分子流或粘滯流)如對分子流,一個處于兩直徑很大的管路之間的通孔的流導為第36頁/共100頁不同形狀管路的流導已被編制成圖表不同流導C1、C2、C3間可相互串聯(lián)或并聯(lián)，構(gòu)成總流導C串聯(lián)流導：并聯(lián)流導：（就象描述氣體流動的歐姆定律）真空系統(tǒng)的導流能力流導第37頁/共100頁

為獲得真空環(huán)境，需要選用不同的真空泵，而它們的一個主要指標是其抽速Sp，其定義為

(L/s)真空泵的抽速Sp與管路的流導C有著相同的物理量綱，且二者對維持系統(tǒng)的真空度起著同樣重要的作用真空泵的抽速第38頁/共100頁有限流導情況下真空泵的抽速當真空管路流導為有限，真空容器出口與真空泵入口處的氣體壓力不相等，但氣體流量相等。泵的實際抽速S降低為即抽速S永遠小于泵的理論抽速Sp，且永遠小于管路流導C。即S受Sp和C二者中較小的一個所限制。第39頁/共100頁真空泵可以達到的極限真空度

實際的真空系統(tǒng)總存在氣體回流、氣體泄露、氣體釋放等現(xiàn)象。設其等效的氣體流量Qp0

，并忽略管路流阻(流導C為無窮大，p=pp)，則氣壓隨時間的變化曲線為則極限真空度:第40頁/共100頁1.3真空泵簡介輸運式（排出式）機械式:旋片式機械真空泵，羅茨泵氣流式:油擴散泵捕獲式（內(nèi)消式）可逆式:濺射離子泵不可逆式：真空泵的分類第41頁/共100頁旋片式機械真空泵的外形圖(機械式)旋片式真空泵（簡稱旋片泵）是一種油封式機械真空泵。其工作壓強范圍為101325~1.33×10-2（Pa）屬于低真空泵。它可以單獨使用，也可以作為其它高真空泵或超高真空泵的前級泵。旋片泵可以抽除密封容器中的干燥氣體，若附有氣鎮(zhèn)裝置，還可以抽除一定量的可凝性氣體。但它不適于抽除含氧過高的，對金屬有腐蝕性的、對泵油會起化學反應以及含有顆粒塵埃的氣體。

1.3.1旋片式機械真空泵第42頁/共100頁旋片泵主要由泵體、轉(zhuǎn)子、旋片、端蓋、彈簧等組成。在旋片泵的腔內(nèi)偏心地安裝一個轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子外圓與泵腔內(nèi)表面相切（二者有很小的間隙），轉(zhuǎn)子槽內(nèi)裝有帶彈簧的二個旋片。旋轉(zhuǎn)時，靠離心力和彈簧的張力使旋片頂端與泵腔的內(nèi)壁保持接觸，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)帶動旋片沿泵腔內(nèi)壁滑動。第43頁/共100頁當轉(zhuǎn)子按箭頭方向旋轉(zhuǎn)時，與吸氣口相通的空間A的容積是逐漸增大的，正處于吸氣過程。而與排氣口相通的空間C的容積是逐漸縮小的，正處于排氣過程。居中的空間B的容積也是逐漸減小的，正處于壓縮過程。由于空間A的容積是逐漸增大（即膨脹），氣體壓強降低，泵的入口處外部氣體壓強大于空間A內(nèi)的壓強，因此將氣體吸入。第44頁/共100頁當空間A與吸氣口隔絕時，即轉(zhuǎn)至空間B的位置，氣體開始被壓縮，容積逐漸縮小，最后與排氣口相通。當被壓縮氣體超過排氣壓強時，排氣閥被壓縮氣體推開，氣體穿過油箱內(nèi)的油層排至大氣中。由泵的連續(xù)運轉(zhuǎn)，達到連續(xù)抽氣的目的。如果排出的氣體通過氣道而轉(zhuǎn)入另一級（低真空級），由低真空級抽走，再經(jīng)低真空級壓縮后排至大氣中，即組成了雙級泵。這時總的壓縮比由兩級來負擔，因而提高了極限真空度。第45頁/共100頁鎮(zhèn)氣閥：空氣可通過此閥摻入排氣室以降低壓縮比，從而使大部分蒸汽不致凝結(jié)而和摻入的氣體一起被排除泵外。第46頁/共100頁第47頁/共100頁旋片式機械真空泵的抽速曲線

極限真空度可達10-1Pa左右，但有油污染問題第48頁/共100頁1.3.2羅茨泵(機械式)

羅茨泵的外形圖羅茨泵具有以下特點：在較寬的壓強范圍內(nèi)有較大的抽速；起動快，能立即工作；對被抽氣體中含有的灰塵和水蒸氣不敏感；轉(zhuǎn)子不必潤滑，泵腔內(nèi)無油；振動小，轉(zhuǎn)子動平衡條件較好，沒有排氣閥；驅(qū)動功率小，機械摩擦損失小；結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積??；運轉(zhuǎn)維護費用低。第49頁/共100頁羅茨泵的結(jié)構(gòu)示意圖

羅茨泵不使用油作密封介質(zhì)，少油污染其適用的壓力范圍是在0.1-1000Pa之間

第50頁/共100頁第51頁/共100頁在0°位（圖a），下轉(zhuǎn)子從泵入口封入v0體積的氣體。當轉(zhuǎn)到45°時（圖b），該腔與排氣口相通。由于排氣側(cè)壓強較高，引起一部分氣體返沖過來。當轉(zhuǎn)到90°時（圖c），下轉(zhuǎn)子封入的氣體，連同返沖的氣體一起排向泵外。這時，上轉(zhuǎn)子也從泵入口封入v0體積的氣體。當轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)到135°時（圖d），上轉(zhuǎn)子封入的氣體與排氣口相通，重復上述過程。180°（圖e）位置和0°位置是一樣的。轉(zhuǎn)子主軸旋轉(zhuǎn)一周共排出四個v0體積的氣體。羅茨泵轉(zhuǎn)子由0°轉(zhuǎn)到180°的抽氣過程第52頁/共100頁羅茨泵組成的真空機組的外形圖

羅茨泵可與旋片式機械泵串聯(lián)成真空機組使用，降低每臺泵的負荷，擴大可獲得的真空度范圍第53頁/共100頁羅茨泵組成的真空機組的抽速曲線組成機組使其極限真空度提高到10-2Pa第54頁/共100頁油擴散泵的外形圖(氣流式)第55頁/共100頁當油擴散泵用前級泵預抽到低于1帕真空時,油鍋可開始加熱。沸騰時噴嘴噴出高速的蒸氣流，熱運動的氣體分子擴散到蒸氣流中，與定向運動的油蒸氣分子碰撞。氣體分子因此而獲得動量，產(chǎn)生和油蒸氣分子運動方向相同的定向流動。到前級，油蒸氣被冷凝，釋出氣體分子，即被前級泵抽走而達到抽氣目的。第56頁/共100頁油擴散泵的結(jié)構(gòu)擴散泵油在高溫下會發(fā)生氧化，因此擴散泵需要在優(yōu)于10-2Pa的較高真空度下工作第57頁/共100頁油擴散泵組成的真空機組的外形圖

由擴散泵組成真空機組，其極限真空可達110-5Pa，但油污染的問題較為嚴重第58頁/共100頁第59頁/共100頁渦輪分子泵Turbomolecularpump)的外形圖(機械式)

第60頁/共100頁渦輪分子泵的結(jié)構(gòu)示意圖

渦輪分子泵運轉(zhuǎn)速度極高，因此需要在優(yōu)于1Pa的較高真空度下運轉(zhuǎn)第61頁/共100頁第62頁/共100頁第63頁/共100頁渦輪分子泵的抽速曲線

渦輪分子泵的極限真空度達10-8Pa，適用的壓力范圍在110-8Pa之間

第64頁/共100頁渦輪分子泵第65頁/共100頁渦輪分子泵應用渦輪分子泵對產(chǎn)生超純凈的生產(chǎn)條件起著非常重要的作用。在不同領(lǐng)域應用的例子：分析(質(zhì)譜分析儀,電子顯微鏡等)半導體工業(yè)(電子零部件，集成電路，太陽能電池等)光學/玻璃工業(yè)(防熱，防反射，反射，光學過濾涂層等)涂層技術(shù)(表面防護,裝飾性涂層,顯示器,屏幕等)真空冶煉(真空焊,真空燒結(jié),真空合金,真空爐等)檢漏技術(shù)(真空設備,車輛油箱,安全氣囊,包裝等)科研設備(核物理,聚變反應研究,激光應用等)照明用具行業(yè)(燈泡生產(chǎn))第66頁/共100頁低溫吸附(液氦冷凝)泵cryopump

的外形圖(捕獲式)第67頁/共100頁低溫吸附(液氦冷凝)泵的結(jié)構(gòu)示意圖

低溫吸附泵的極限真空度可達10-8Pa。其效能取決于所用的低溫溫度、被吸附氣體的種類、數(shù)量、吸附表面的面積等第68頁/共100頁濺射離子泵的外形圖(捕獲式)

第69頁/共100頁利用低溫表面冷凝氣體的真空泵，又稱冷凝泵。低溫泵是獲得清潔真空的極限壓力最低、抽氣速率最大的真空泵,廣泛應用于半導體和集成電路的研究和生產(chǎn),以及分子束研究、真空鍍膜設備、真空表面分析儀器、離子注入機和空間模擬裝置等方面。北方的冬天，在玻璃窗上常結(jié)一層霜，這就是低溫抽氣作用。水蒸汽凝結(jié)在0oC以下的玻璃表面上，使空氣中水蒸汽的分壓強降低了，達到了抽除水蒸汽的目的。同理，如果設法使某一固體表面溫度足夠低，使其低于空氣中主要氣體成分的飽和蒸汽壓溫度，空氣中大部份氣體被凝結(jié)，達到了抽真空的目的。按這種原理抽真空的泵叫低溫冷凝泵。

利用低溫表面上的吸附劑和打在其上的氣體分子發(fā)生吸附而達到抽氣作用的泵叫作低溫吸附泵。第70頁/共100頁濺射離子泵的結(jié)構(gòu)示意圖

濺射離子泵的極限真空度可以達到10-9Pa濺射離子泵主要由陽極、陰極、磁場和電源四大部分組成。第71頁/共100頁濺射離子泵又稱潘寧泵，它是靠潘寧放電維持抽氣的一種無油清潔超高真空泵。是目前抽惰性氣體較好的真空獲得設備。第72頁/共100頁隔膜真空泵的外形圖

隔膜泵的能力較小(1L/s)

，極限真空度較差(100Pa)，但無油污染問題第73頁/共100頁第74頁/共100頁干泵系統(tǒng)的外形圖

干泵的能力較大(100L/s)

，極限真空度較高(10-2Pa)，無嚴重的油污染問題第75頁/共100頁無油干式機械真空泵（又簡稱干式機械泵）是指泵能從大氣壓力下開始抽氣，又能將被抽氣體直接排到大氣中去，泵腔內(nèi)無油或其他工作介質(zhì)，而且泵的極限壓力與油封式真空泵同等量級或者接近的機械真空泵。目前，真空行業(yè)使用的大多數(shù)機械真空泵都是用油、水或其它聚合物等流體充當泵的工作介質(zhì)，在泵內(nèi)起冷卻、密封、潤滑等多種作用。

第76頁/共100頁

隨著科學技術(shù)的發(fā)展以及真空應用領(lǐng)域的擴大，原有的機械真空泵及其組成的抽氣系統(tǒng)出現(xiàn)了兩個急需解決問題：一是泵的工作介質(zhì)返流污染被抽容器，而這種返流在許多情況下影響產(chǎn)品的質(zhì)量、數(shù)量，增加設備的維護成本。其次，由于某些工藝過程中的反應物質(zhì)使真空泵內(nèi)的介質(zhì)嚴重變質(zhì)，使泵不能正常工作。

對于普通的無油真空系統(tǒng)來說，雖然可用油封式真空泵加上冷阱或吸附阱之類附件來防止返流，但不能徹底解決問題，而且使系統(tǒng)顯得復雜。而使用適當型式的干式機械真空泵，則可以達到理想的使用效果。

第77頁/共100頁干式機械真空泵的應用1）低壓化學氣相沉積中的多晶硅制備工藝中；2）半導體刻蝕工藝。在這些生產(chǎn)工藝中往往用到或生成腐蝕性氣體和研磨微粒；3）除半導體工藝外的某些產(chǎn)生微粒的工藝，不希望微?；烊氡糜椭?，而希望微粒排出泵外，則用一定型式的干式機械真空泵可以滿足要求；4）在化學工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)中的蒸餾、干燥、脫泡、包裝等，要防止有機溶劑造成污染，適合用干式真空泵；5）用做一般無油清潔真空系統(tǒng)的前級泵，以防止油污染。第78頁/共100頁常用真空泵的工作范圍不同泵種的工作壓力范圍不同。因而常將兩種或三種真空泵結(jié)合起來組成真空機組第79頁/共100頁第80頁/共100頁第81頁/共100頁真空測量方法的分類(各種物理的方法)熱電勢法電阻法電離法電容法……真空測量用的元件常被稱為真空規(guī)vacuumgauge。低溫的氣體分子碰撞高溫固體時,會從固體奪取熱量。通過被氣體分子奪取的熱量來計算壓力的真空計被成為熱傳導真空計。包括Pirani真空計和熱電偶真空計。熱偶規(guī)和皮拉尼規(guī)都是以氣體的熱導率隨氣體壓力的變化為基礎(chǔ)而設計的，它們是低真空時最常用的測量手段。第82頁/共100頁熱偶式的真空規(guī)thermocouplevacuumgauge熱偶規(guī)僅適用于0.1100Pa的低真空范圍

Pt第83頁/共100頁采用貴金屬鉑絲作加熱線，鎳鉻－康銅作熱偶絲利用加熱電阻絲中心的熱電偶的電動勢變化來表示壓強與溫度關(guān)系的真空計。熱電偶接在白金pt或鎢的細線上。此細線通過電流後會發(fā)熱。發(fā)出的熱量通過周圍氣體分子的熱傳導,或細線本身的固體熱傳導,或熱輻射放出。利用氣體分子承擔的熱傳導量與壓力成正比的特點是此真空計的原理。如果保持細線的發(fā)熱量即保持一定的電流,則周圍壓力高的時候氣體奪走的熱量較多,致使細線的溫度較低。反過來周圍壓力低的時候,細線的溫度會升高。這種溫度的變化通過熱電偶檢測出來,將熱電偶的起電力換成壓力之後即可知真空腔內(nèi)的壓力。第84頁/共100頁皮拉尼電阻真空規(guī)(熱阻式真空規(guī))其工作原理與熱偶真空規(guī)相似。皮拉尼規(guī)以電橋的方法，通過測量熱絲的電阻隨溫度的變化來實現(xiàn)對真空度的測量。熱偶真空規(guī)不能用于較低或較高真空度的測量。熱偶的方法還具有在測量區(qū)問內(nèi)指示值呈非線性，測量結(jié)果與氣體種類有關(guān)，零點漂移嚴重等缺點。這種方法的優(yōu)點是儀器的結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。第85頁/共100頁皮拉尼電阻真空規(guī)其原理、真空測量范圍與熱偶規(guī)相似第86頁/共100頁電離式真空規(guī)電離真空規(guī)主要由陰極、陽極和離子收集極三個電極所組成。由熱陰極發(fā)射出的電子將在飛向陽極的過程中碰撞氣體分子，并使后者發(fā)生電離。由離子收集極接收電離的離子，并根據(jù)離子電流強度Ii的大小就可以測量出環(huán)境的真空度。由于離子電流強度的大小將取決于陰極發(fā)射的電子電流強度Ie、氣體分子的碰撞截面以及氣體分子密度等三個因素，因而在固定陰極發(fā)射電流和固定氣體種類的情況下，離子電流強度將直接取決于電離氣體的壓力。第87頁/共100頁電離式真空規(guī)電離真空規(guī)可測量的壓力范圍為1Pa-10-7Pa第88頁/共100頁薄膜式電容真空規(guī)第89頁/共100頁薄膜式電容真空規(guī)薄膜規(guī)線性度好，但其探測下限約為10-3Pa第90頁/共100頁壓阻式真空規(guī)利用Si元件的壓阻特性，測量范圍10-105Pa第91頁/共100頁常用真空測量方法的適用范圍不同的真空測量方法所適用的壓力范圍不同。因此常將不同的方法結(jié)合起來使用，拓寬壓力測量的范圍。第92頁/共100頁真空規(guī)測量范圍汞壓力計1.333102–1.333105Pa(1–1000Torr)油壓力計3.999–1.333103Pa(0.03–10Torr)熱偶規(guī)0.1333–3.999102