薄膜物理课件-(4)

薄膜物理薄膜物理 Thin Film Physics材料物理与化学系材料物理与化学系Department of Materials Physics and Chemistry电子邮件：电子邮件：tiezhu-主讲教师主讲教师 辛铁柱辛铁柱绪论绪论薄膜的概念薄膜的概念薄膜是薄的物体的总称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：说法不太统一薄膜的厚度标准：说法不太统一绪论绪论薄膜的发展概况薄膜的发展概况大体可以分为三个时代：大体可以分为三个时代：(1)公元前公元前2,3世纪，首饰或装饰物上镀金；直到世纪，首饰或装饰物上镀金；直到16世纪，薄膜世纪，薄膜只是装饰品，也有节约金和银的意义只是装饰品，也有节约金和银的意义(2)17世纪到世纪到19世纪前半，作为自然现象的薄膜时代，把薄膜作世纪前半，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。薄膜产生的干涉现象引起了研究者的关注，并干彩色花纹。薄膜产生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。世纪后半，功能薄膜时代的到来，直到现在。1850年，年，W.R.Grove发现了溅射现象，发现了溅射现象，1877年，把溅射现象应用于薄年，把溅射现象应用于薄膜的制备；膜的制备；1887年通过通电导线使材料蒸发制备薄膜。年通过通电导线使材料蒸发制备薄膜。1900年初，开发了热分解年初，开发了热分解CVD法和真空蒸发镀膜法。法和真空蒸发镀膜法。1930年到年到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。尤其到了有大的改观。尤其到了20世纪世纪50年代，随着电子工业和信息年代，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、关键性的作用产业的兴起薄膜技术显示出了重要的、关键性的作用绪论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、医药、能源、交通、通信和信息等。另外，在器件的高速航天、医药、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献 薄膜基本制备技术薄膜基本制备技术 薄膜物理基础薄膜物理基础薄膜制备设备往往涉及真空系统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都具有真空系统绪论绪论薄薄膜膜的的制制备备技技术术 气相沉积法气相沉积法 溶液镀膜法溶液镀膜法绪论绪论气气相相沉沉积积法法 物理气相沉积法物理气相沉积法(PVD)化学气相沉积法化学气相沉积法(CVD)真空蒸发镀膜法真空蒸发镀膜法溅射镀膜法溅射镀膜法分子束外延镀膜法分子束外延镀膜法激光蒸发镀膜法激光蒸发镀膜法离子镀膜法离子镀膜法离子束辅助沉积离子束辅助沉积绪论绪论APCVDLPCVDPECVDL -CVD溶溶液液镀镀膜膜法法 电沉积法电沉积法阳极氧化法阳极氧化法溶胶溶胶-凝胶法凝胶法LB膜的制备膜的制备绪论绪论薄薄膜膜物物理理基基础础薄膜的形成过程薄膜的形成过程薄膜的结构与缺陷薄膜的结构与缺陷薄膜的性质：电学、磁学、力学薄膜的性质：电学、磁学、力学 及半导体的性质及半导体的性质绪论绪论绪论绪论绪论绪论绪论绪论电学薄膜电学薄膜薄膜材料按其功能及应用的领域可分：薄膜材料按其功能及应用的领域可分：光学薄膜光学薄膜硬质膜、耐蚀膜、润滑膜硬质膜、耐蚀膜、润滑膜有机分子薄膜有机分子薄膜装饰膜装饰膜绪论绪论第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 真空技术基础真空技术基础第三章第三章 薄膜的物理气相沉积法薄膜的物理气相沉积法 9 第四章第四章 薄膜的化学气相沉积法薄膜的化学气相沉积法 3第五章第五章 溶液镀膜法溶液镀膜法 3第六章第六章 薄膜的形成与生长薄膜的形成与生长 1第七章第七章 薄膜的结构与缺陷薄膜的结构与缺陷 1第八章第八章 薄膜分析薄膜分析 1第九章第九章 薄膜的性质薄膜的性质 1本课程主要学习的内容与章节安排：本课程主要学习的内容与章节安排：11薄膜物理与技术杨邦朝电子科技大学出版社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薄膜材料与薄膜技术郑伟涛化学工业出版社薄膜材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薄膜技术与薄膜材料 田民波田民波 清华大学出版社清华大学出版社5 新型电子薄膜材料新型电子薄膜材料 陈光华陈光华 化学工业出版社化学工业出版社绪论绪论参考教材参考教材第二章第二章 真空技术基础真空技术基础第一节真空的基本知识第一节真空的基本知识第二节稀薄气体的基本性质第二节稀薄气体的基本性质第三节真空的获得第三节真空的获得第四节真空的测量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。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基础真空技术是薄膜制备的基础真空技术是薄膜制备的基础一、真空及其单位一、真空及其单位第一节真空的基本知识第一节真空的基本知识真空的概念？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？真空是什么物质都不存在吗？真空的基本知识真空的基本知识P：压强（压强（Pa）n：气体分子密度（个气体分子密度（个/m3）V：体积（：体积（m3）m：气体质量（：气体质量（kg）M：气体分子量（：气体分子量（kg/mol）T：绝对温度（绝对温度（K）k：玻尔兹曼常数（玻尔兹曼常数（1.38 10-23J/K）R：气体普适常数（：气体普适常数（8.314J/Kmol）真空的基本知识真空的基本知识n=7.21022 P/T (个个m3)在标准状态下，任何气体分子密度为在标准状态下，任何气体分子密度为1019 个个cm3 当当 P=1.3 10-11 Pa 的真空度时的真空度时T=293 K 则则 n=4 103个个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是一种相对的真空(NA：阿伏伽德罗常数：阿伏伽德罗常数)真空的基本知识真空的基本知识怎样表示真空程度？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，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反之真空度越低压强越高真空度真空度 压强压强气体分子密度：单位体积中气体分子数气体分子密度：单位体积中气体分子数气体分子的平均自由程气体分子的平均自由程形成一个分子层所需的时间等形成一个分子层所需的时间等 真空的基本知识真空的基本知识压强的表示方法：压强的表示方法：国际单位：帕斯卡国际单位：帕斯卡(Pascal)其它单位：托其它单位：托(Torr)毫米汞柱毫米汞柱(mmHg)毫巴毫巴(bar)大气压大气压(atm)真空的基本知识真空的基本知识托托(Torr)毫米汞柱毫米汞柱(mmHg)大气压大气压(atm)=760毫米汞柱毫米汞柱(mmHg)=1.013105帕斯卡帕斯卡(Pascal)单位单位帕帕/Pa托托/Torr毫巴毫巴/mba标准大气压标准大气压1Pa17.510-3 1 10-2 9.87 10-6 1Torr133.311.3331.316 10-3 1mba1000.7519.87 10-4 1atm1.013 1057601.013 103 1几种压强单位的换算关系几种压强单位的换算关系真空的基本知识真空的基本知识低真空低真空：105 102 帕帕中真空：中真空：102 10-1 帕帕高真空：高真空：10-1 10-6 帕帕超高真空：超高真空：10-6 帕帕二、真空区域的划分二、真空区域的划分低真空低真空(105 102)帕：气体空间的特性和大气差不多，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各区域的气体分子运动性质各不相同真空的基本知识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力学性质明显，气体的对流现象完全消失高真空：气体分子密度更加降低，容器中分子数很少。因此气体分高真空：气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，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绪论绪论真空的基本知识真空的基本知识三、气体与蒸气三、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，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 的临界温度的临界温度温度高于临界温度的气态物质称为气体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但通常以室温为标准来区分气体和蒸气气体与蒸气的区分依赖于临界温度气体与蒸气的区分依赖于临界温度真空的基本知识真空的基本知识各种物各种物质质的的临临界温度界温度物物质质临临界温度界温度()物物质质临临界温度界温度氮氮(N2)-267.8氩氩(Ar)-12.4氢氢(H2)-241.0氧氧(O2)-118.0氖氖(Ne)-228.0氪氪(Kr)-62.5空气空气-140.0氙氙(Xe)14.7乙乙醚醚 194.0二氧化碳二氧化碳(CO2)31.0氨氨(NH3)132.4铁铁(Fe)3700.0酒精酒精 243.0甲甲烷烷(CH4)-82.5水水(H2O)374.2氯氯(Cl2)144汞汞(Hg)1450.0一氧化碳一氧化碳(CO)-140.2可以看出，氮、氢、氩、氧和空气等物质的临界温度远低于室可以看出，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临界温度远高于室温，所以常温下它们是蒸气第二节第二节 稀薄气体的基本性质稀薄气体的基本性质Ideal-Gas Law 玻义尔定律玻义尔定律 盖盖吕萨克定律吕萨克定律 查理定律查理定律玻义尔定律：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。积为常数。PV=C 或或 P1V1=P2V2稀薄气体的基本性质稀薄气体的基本性质盖盖吕萨克定律：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。温度成正比。V=CT 或或 V1/T1=V2/T2查理定律：查理定律：一定质量的气体，如果保持体积不变，则气体的压强与绝对一定质量的气体，如果保持体积不变，则气体的压强与绝对 温度成正比。温度成正比。P=CT 或或 P1/T1=P2/T2 稀薄气体的基本性质稀薄气体的基本性质一、气体分子的运动速度及其分布一、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体分子的运动速度服从麦克斯韦尔服从麦克斯韦尔-玻耳兹曼玻耳兹曼(Maxwell-Boltzmann)分布：分布：稀薄气体的基本性质稀薄气体的基本性质M：气体分子的相对原子质量：气体分子的相对原子质量T：热力学温度热力学温度R：气体常数：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与气体热力学温度与气体热力学温度T 的比值。的比值。稀薄气体的基本性质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速度具有很大的分布空间。温度越高、气体分子的相、气体分子的相对原子质量越小，分子的平均运动速度越大对原子质量越小，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气体分子的平均运动速度稀薄气体的基本性质稀薄气体的基本性质最可几速度最可几速度用于讨论速度分布用于讨论速度分布平均速度平均速度 用于计算分子运动的平均距离用于计算分子运动的平均距离均方根速度均方根速度用于计算分子的平均动能用于计算分子的平均动能稀薄气体的基本性质稀薄气体的基本性质二、气体分子的平均自由程二、气体分子的平均自由程其统计平均值：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称为平均自由程平均自由程与分子密度平均自由程与分子密度n和分子直径和分子直径的平方成反比关系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稀薄气体的基本性质若气体种类和温度一定的情况下若气体种类和温度一定的情况下在在25的空气情况下的空气情况下或或稀薄气体的基本性质稀薄气体的基本性质三、碰撞次数与余弦定律三、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，用数，用v表示表示n：气体分子的密度：气体分子的密度va：气体分子的平均速度：气体分子的平均速度上述公式称为赫兹上述公式称为赫兹-克努森克努森(Hertz-Knudsen)公式，它是描述气公式，它是描述气体分子热运动的重要公式体分子热运动的重要公式稀薄气体的基本性质稀薄气体的基本性质单位时间单位时间碰撞碰撞单位固体表面分子数的另一表达式单位固体表面分子数的另一表达式例如，对于例如，对于20的空气，则有的空气，则有 v20=2.861018 P (个个cm2s)式中式中P的单位为帕的单位为帕(Pa)M 40，T 293K P 10-3Pa则有则有 v20=2.41015 P (个个cm2s)式中式中P的单位为帕的单位为帕(Pa)稀薄气体的基本性质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，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。则一个分子在离的余弦进行分布。则一个分子在离开其表面时，处于立体角开其表面时，处于立体角d d(与表面法线成与表面法线成角角)中的几率是：中的几率是：气体分子从表面的反射余弦定律气体分子从表面的反射余弦定律式中式中1/是是归归一化条件，即位于一化条件，即位于2立体角中的几率立体角中的几率为为1而出而出稀薄气体的基本性质稀薄气体的基本性质余弦定律的重要意余弦定律的重要意义义在于：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，即将分子原有有 的方向性彻底的方向性彻底“消除消除”，均按余弦定律散射，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进 行能量交换和动量交换的先决条件，这一点有重要的实际意义行能量交换和动量交换的先决条件，这一点有重要的实际意义第三节真空的获得第三节真空的获得真空系统应包括：真空系统应包括：l待抽空的容器待抽空的容器(真空室真空室)l获得真空的设备获得真空的设备(真空泵真空泵)l测量真空的器具测量真空的器具(真空计真空计)l必要的管道、阀门和其他附属设备必要的管道、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：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系统所能达到的最低压强抽气的速率抽气的速率真空的获得真空的获得前级泵：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 为为“前级泵前级泵”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：只能从较低压力抽到更低压力的真空泵称为“次级泵次级泵”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定抽真空所需要的时间真空的获得真空的获得真空泵分为：真空泵分为：输运式真空泵输运式真空泵捕获式真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：旋转式机械真空泵输运式真空泵：旋转式机械真空泵、油扩散泵、复合分子泵、油扩散泵、复合分子泵捕获式真空泵：分子筛吸附泵捕获式真空泵：分子筛吸附泵、钛升华泵、溅射离子泵、低温泵、钛升华泵、溅射离子泵、低温泵真空的获得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常常需要把种真空泵组合起来构成复合排气系统以达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都有测量范围，这个范围就是真空计的“量程量程”没有一种真空计能够测量从大气到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的整个领域的真空度第四节真空的测量第四节真空的测量