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1、参考书及参考资料网址参考书及参考资料网址参考书：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 19981998年年5 5月第一版，月第一版，20032003年年1 1月第二版月第二版邮箱地址：邮箱地址：wztang_wztang_密码：密码：123456123456邮箱地址：邮箱地址：wztang_wztang_密码：密码：123456123456第1页/共80页引引 言言 u 薄膜材料u 薄膜材料的应用u 薄膜技术所研究的内容第2页/共80页 used a personal computer?used a CD player?used a touch
2、ing 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3页/共80页Worldwide market of raw materials for thin film technologypThe market has been estimated at$7.1 billion in 2004 and was projected as$13.5 billio
3、n by 2009.pit rises at an averaged annual growth rate of 13.7%.第4页/共80页薄膜材料的定义薄膜材料的定义 利用特殊的技术手段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.uThinFilms
4、canbemadeofmanydifferentmaterialsandcanbeappliedtoalmostanysurface.uItisanimportantandexcitingbranchofmaterialscience.第5页/共80页薄膜材料的特点薄膜材料的特点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第6页/共80页为什么要发展薄膜材料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第7页/共80页薄膜材料的应用薄膜材料的应用n 耐磨、防腐与装饰涂层耐磨、防
5、腐与装饰涂层n 光学涂层光学涂层n 光电薄膜光电薄膜n 微电子技术微电子技术n 磁存储技术磁存储技术n 微机电系统微机电系统 第8页/共80页耐磨、防腐与装饰涂层第9页/共80页光学涂层材料光学涂层材料第10页/共80页光电薄膜材料光电薄膜材料第11页/共80页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第12页/共80页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
6、记录介质Materials today,JAN-FEB 2007|VOLUME 10|NUMBER 1-2 47Diamond-like carbon for data and beer storage REVIEW第13页/共80页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第14页/共80页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15页/共
7、80页薄膜材料技术的研究内容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 第16页/共80页Old preparation procedures include:u Dippingu Sprayingu Paintingu Electro-depositionu 早期的薄膜制备方法早期的薄膜制备方法第17页/共80页小结小结:现代的薄膜材料科学与技术现代的薄膜材料科学与技术 Thin film technology is the art and science to deposit thin layers of
8、 materials on a substrate for various applications.With a modern thin film technology,the material layer is formed one atom or molecule at a time.It takes place in vacuum,to deposit a uniform layer and to avoid contamination.第18页/共80页Example:A coater for tool coatings第19页/共80页A coater line for CDs a
9、nd DVDs第20页/共80页A coating system for hard disks第21页/共80页A clustered coating system for IC第22页/共80页A coater for flat panel displays第23页/共80页A commercial CVD equipment for film deposition on Si wafers in semiconductor industryK.L.Choy/Progress in Materials Science 48(2003)57170第24页/共80页An in-line PECV
10、D machine for solar cellsA.G.Aberle/Solar Energy Materials&Solar Cells 65(2001)239248used by the Japanese manufacturer Shimadzu Corp.,to deposit SiNx coatings,featuring a deposition area of 0.93m1.28m and a throughput of 1485 Si wafers(area 100 cm2)/hr 第25页/共80页PECVD system at RWE-Schott Solar,Germa
11、ny with a-Si solar cells production capacity of 3 MWp/yrW.Diehl et al./Surface&Coatings Technology 193(2005)329334 331a-Si absorber layer will be produced第26页/共80页第一讲第一讲薄膜技术的真空技术基础Fundamentalsofvacuumtechnologyinthinfilmstechniques第27页/共80页要要 点点 u 气体分子运动论的基本概念u 真空获得的手段u 真空度的测量第28页/共80页薄膜材料的制备过程是:ato
12、m by atom 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第29页/共80页u 大气压:atm,kg/cm2,baru Pa:N/m2u Torr: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个数量级第30页/共80页u 气体的压力:理想气体的状态方程u 气体分子的速度分布:Maxwell-Boltzmann分布u 气体分子的自由程、碰撞频率:分子运动学的基本概念第31页/共80页H2和Al原子在不同温度下的速
13、度分布典型值：在T=300K时，空气分子的平均运动速度:va 460m/s第32页/共80页气体分子的自由程 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。第33页/共80页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 粘滞流状态第34页/共80页粘滞态气流的两种不同的流动状态根据Reynolds准数Re:Re
14、2200 紊流状态 Re102 Pau中真空 102 10-1 Pau高真空 10-1 10-5 Pau超高真空 10-5 Pa真空度的划分第38页/共80页 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第39页/共80页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:第40页/共80页有限流导情况下
15、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。第41页/共80页真空泵的分类u输运式（排出式）机械式 气流式u捕获式（内消式）可逆式 不可逆式第42页/共80页旋片式机械真空泵的外形图第43页/共80页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。第44页/共80页旋片式机械真空泵的抽速曲线 极限真空度可达10-1Pa左右，但有油污染问题第45页/共80
16、页罗茨泵的外形图 第46页/共80页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 第47页/共80页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第48页/共80页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第49页/共80页油扩散泵的外形图 第50页/共80页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第51页/共80页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1
17、10-5Pa，但油污染的问题较为严重第52页/共80页涡轮分子泵的外形图 第53页/共80页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第54页/共80页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 第55页/共80页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)，但无油污染问题第56页/共80页干泵系统的外形图 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第57页/共80页低温吸附(液氦冷凝)泵的外形图 第58页/共80页低温吸附(
18、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、吸附表面的面积等第59页/共80页溅射离子泵的外形图 第60页/共80页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第61页/共80页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第62页/共80页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第63页/共80页热偶式的真空规热偶规仅适用于0.1100Pa的低真空范围 第64页/共80页皮拉尼电阻真空规第65页/共80页皮拉尼电阻真空
19、规其原理、真空测量范围与热偶规相似第66页/共80页电离式真空规第67页/共80页电离式真空规电离真空规可测量的压力范围为1Pa-10-7Pa第68页/共80页薄膜式电容真空规第69页/共80页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第70页/共80页压阻式真空规利用Si元件的压阻特性，测量范围10-105Pa第71页/共80页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。第72页/共80页例一：薄膜制备系统:金属喷镀仪第73页/共80页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
20、泵：双级旋片机械泵 极限真空度：610-2Pa 抽速：0.5L/s u真空计：皮拉尼电阻真空规 （0.1Pa-大气压）第74页/共80页例二：薄膜制备系统:分子束外延设备第75页/共80页u真空室：28 英寸H15 英寸u极限真空：510-8 Torru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第76页/共80页典型薄膜制备系统的结构图第77页/共80页第一讲第一讲 小结小结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第78页/共80页基本概念复习基本概念复习u为什么在薄膜制备技术的讨论中，先要讨论真空环境与真空技术？u熟悉真空度的物理单位及其相互换算。u根据气体流动状态所表现出的特性，我们是如何划分气体流动状态的？u说明分子通量的物理意义？讨论分子通量是如何影响薄膜纯度和薄膜沉积速率的。u了解真空泵的主要性能指标。u了解主要的真空泵种类。u了解主要的真空测量方法。u简要说明典型薄膜制备系统的组成。第79页/共80页感谢您的观看。第80页/共80页