1、薄膜物理 Thin Film Physics,材料物理与化学系 Department of Materials Physics and Chemistry,电子邮件：tiezhu-,主讲教师 辛铁柱,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,薄膜的发展概况,大体可以分为三个时代： (1) 公元前2, 3世纪，首饰或装饰物上镀金；直到16世纪，薄膜只是装饰品，也有节约金和银的意义 (2) 17世纪到19世纪前半，作为自然现象的薄膜时代，把薄膜作为研究对象来认识。观察到在液体表面上液体薄膜产生的相干彩色花纹。薄膜产生
2、的干涉现象引起了研究者的关注，并对有关光的本性的物理学的发展作出了贡献 (3) 19世纪后半，功能薄膜时代的到来，直到现在。1850年，W.R. Grove发现了溅射现象，1877年，把溅射现象应用于薄膜的制备；1887年通过通电导线使材料蒸发制备薄膜。1900年初，开发了热分解CVD法和真空蒸发镀膜法。1930年到1940年间，发现了薄膜形成过程的理论。但只是在制备薄膜的真空系统和检测系统有了很大进步以后，薄膜的重复性才有大的改观。尤其到了20世纪50年代，随着电子工业和信息产业的兴起薄膜技术显示出了重要的、关键性的作用,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
3、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,APCVD LPCVD PECVD L -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
4、 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：,1,1 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
5、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
6、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/Kmol）,真空的基本知识,n= 7.21022 P/T (个m3),在标准状态下，任何气体分子密度为1019 个cm3 当 P = 1.3 10-11 Pa 的真空度时 T = 293 K 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
7、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,托(Torr) 毫米汞柱(mmHg) 大气压(atm) = 760毫米汞柱(mmHg) = 1.013105帕斯卡(Pascal),几种压强单位的换算关系,真空的基本知识,低真空：105 102 帕 中真
8、空：102 10-1 帕 高真空：10-1 10-6 帕 超高真空： 10-6 帕,二、真空区域的划分,低真空(105 102) 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
9、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,
10、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,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-Gas Law,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
11、，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
12、 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a 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
13、和分子直径的平方成反比关系,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 = 2.861018 P (个cm2s) 式中P的单位为帕(Pa),M 40，T 293K P 10-
14、3Pa则有 v20 = 2.41015 P (个cm2s) 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的余弦进行分布。则一个分子在离 开其表面时，处于立体角d(与表面法线成角)中的几率是：,气体分子从表面的反射余弦定律,式中1/是归一化条件，即位于2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
15、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：指在规定压强下单位时间所抽出气体的体积，它决定抽真空所需要的时间,真空的获得,真空泵分为： 输运式真
16、空泵 捕获式真空泵,输运式真空泵采用对气体的压缩方式将气体分子输送至真空系统 之外,捕获式真空泵依靠在真空系统内凝结或吸附气体分子的方式将气 体捕获，排出于真空系统之外,输运式真空泵：旋转式机械真空泵、油扩散泵、复合分子泵,捕获式真空泵：分子筛吸附泵、钛升华泵、溅射离子泵、低温泵,真空的获得,至今还没有一种泵能直接从大气一直工作到超高真空,常常需要把种真空泵组合起来构成复合排气系统以达 到所需要的高真空,旋片泵噪声小，速度高，原理建立在玻-马略特定律基础上:P0V0=P1V1,扩散泵是利用被抽气体向蒸汽流扩散的现象来实现排气的,当气体分子碰撞到高速的固体表面时，总会停留很短的时间，并在离开表面的时候获得与表面速率相近的切向速率，这就是动量传输作用。,第四节 真空的测量,在真空技术中遇到的气体压强都很低，要直接测量气体压力极不容易的。因此，都是利用测定在低气压下与压强有关的某些物理量，再变换后确定容器的压强任何具体的物理特性，都是在某一压强范围内最显著，任何方法都有测量范围，这个范围就是真空计的“量程”,没有一种真空计能够测量从大气到10-10Pa的整个领域的真空度,第四节 真空的测量,
