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第一章 真空的基本知识1. 真空的定义、单位和真空区域的划分1. 真空的定义气体的压强低于一个标准大气压的气态空间一标准大气压：g=980.665 cm/s2T=273 K时，760mm水银柱高所施加的压强平衡状态下，气体宏观参量的重要关系式：P=nKT P=压强(Pa)2. 真空的单位：(1) 帕 (Pa) 1 Pa=1 N/M2=10达因/cm2(2) 乇 (torr)(3) mmHg(4) bar(微巴) or bar1 torr=1 mmHg= 133.3 Pa1 Pa= 0.7510-2 torr = 10达因/cm21 bar= 1 达因/cm2 = 0.1 Pa3. 真空区域的划分(1) 粗真空：1105 Pa P 1103 Pa (大约10 torr)(2) 低真空：1103 110-1 Pa(3) 高真空： 110-1110-6 Pa(4) 超高真空：110-6 Pan 1010个/cm3，不少高科技器件或材料只能在超高真空下才能获得 2.稀薄气体的基本性质1.气体的三种速率表达式 最可几速率：算术平均速率： 均方根速率：2.平均自由程的定义：气体两次碰撞之间所走路程的统计平均值a) 考虑到其它气体分子在运动，及气体速率有一定分布，作如下修正： 3. 气体的输运1. 抽真空过程中气体流动的三个过程(1) 初始阶段(气压较高、流速较大)出现湍流，起作用的是气体的惯性力(2) 气压较低时：粘滞性流动各层速度不同，起作用的是层间相互摩擦力(3) 气压更低：分子性流动分子间相互摩擦可忽略，流动完全有分子与器壁碰撞，即：湍流-粘滞性流动-分子性流动2. 气体量，流量及其表达式(1) 定义：气体量：气体体积压强，即PV，单位：牛米-2米3=牛顿米流量Q：单位时间流过的气体量Q=PV/t=牛米/秒(2) 流量表达式： (长圆管道情况)a) 粘滞性流动时：第2章 真空的获得 3 机械泵1. 机械泵的Pu : 5*10-4乇 机械泵的用途：抽低真空；扩散泵、分子泵的前级真空泵 机械泵的结构：由工作室、进气管、排气阀、油腔、气镇阀、马达构成 工作室包括：定子、转子、旋片旋片装于转子上并将定子分成三部分：吸气空间；膨胀压宿空间；排气空间。2 工作原理：（见原理图）利用转子及其上的旋片的高速旋转使分成三部分的各泵腔容积发生周期变化来完成吸气和排气。8 使用的注意事项 在新场所首次使用前需检查马达转向 停泵时注意对泵放气防止反油 需水冷的泵使用时需水冷 用油正确，油量合适 3. 扩散泵抽速： 几百到几千L/sec。极限真空： 10-7 Torr 特点： 抽速大，寿命长，易维修。缺点： 有油蒸气污染; 操作不当会意外返油，使真空系统造成严重污染。用途： 作次级泵，静态和非常适合于动态真空系统中使用。工作压强： 10-2 Torr以下工作机理：1）在真空条件下,工作液体被加热器加热，产生蒸汽；2）蒸汽从喷嘴向下、向外高速喷出成伞状；3）从入口处扩散进来的气体被蒸汽裹入，产生向下的动量；4）带有气体的蒸汽以超音速喷向泵壁；5）蒸汽和气体混合物与水冷的泵壁接触，蒸汽被冷凝，再进入加热器；裹夹的气体分子仍以获得向下的高速运动，在底部被前级泵抽走。8. 扩散泵的使用注意事项（1）样品室及扩散泵用机械泵抽到10-2乇才能加 热泵油（2）加热扩散泵前应先开冷却水（3）扩散泵工作时始终必须有冷却水和机械泵（4）要用扩散泵抽样品室前，样品室真空度不低于10-2乇（5）扩散泵下部冷后才能停水、关机械泵（6） 泵油量、水量合适，加热功率正确4. 吸附泵:（1）极限真空与用途: 1 x 10-2 乇；10-4乇（双泵接力时）；无油沾污低真空抽气。（2）吸附泵的结构: （3）抽气原理: （4）分子筛的特点: （5）吸附泵的使用: 5. 泵升华抽速： 10 107 L/sec。极限真空： 10-5 10-6 Pa (水冷); 10-9 Pa (LN2); 优点： 抽气速度快。缺点： 对惰性气体基本不起作用;间断性运行；用途： 快速提升真空度时用；次级泵。升华泵的使用:l 真空度低于10-4乇才能启用l加温1200-1500度，不能超过1600度l 因Ti储量有限，不作主泵用，而与其他泵联合使用l为省Ti，超高真空时采用间断升华 工作原理: 升华泵的特点： 活性气体抽速很大107L/S，惰性气体抽速很小，寿命取决于灯丝及Ti储量。 6.升华离子泵 （1）Pu=10-12乇（2）结构：比升华泵多一套使气体电离定向加速系统（电离器）（3）工作原理: 课堂讲解（4）特点：抽速比升华泵大；解决升华泵抽惰性气体差的问题缺点：高温元件多，易损坏，电源较多 7.溅射离子泵 抽速： 1 500 L/sec。极限真空： 10-11 Torr。特点： 安静，不将气体排除到真空系统外。用途： 静态真空系统超高真空的维持，次级泵。工作压强： 2000时，可忽略非弹性散射效应，减少测量误差，故用厚膜的 代替，则 . 实际用法： 先在基片上蒸一层厚2000以上同种物质膜 其它方法测出膜厚及R 代入 求出 用上述2000以上厚样在真空中作测试样,根 据 ,求出现样品膜厚.三 多光束干涉测量法 (干涉显微镜法)1.测试原理图2.原理: 垂直于薄膜表面的单色光在薄膜表面与小倾斜的半透明板之间的多次反射干涉形成干涉条纹, 干涉条纹在有台阶的薄膜样品处出现偏移的原理来测量薄膜厚度。 tg=/2a 又tg=d/b 所以：d/b=/2a d=b/2a 半透明膜与膜平面夹角 波长 a相邻两条干涉条纹的间距 b干涉条纹在台阶下面平面的偏移距离第二部分第3章 薄膜的结构与缺陷 （课堂笔记）第二部分第4章 薄膜的基本性质着重介绍有关薄膜的普遍特性的研究方法1 薄膜的力学性质主要有：附着、应力、硬度、弹性模量和摩擦分数等，我们着重学习：附着、应力、硬度一、薄膜的附着定义：薄膜和基本相互作用使薄膜粘附在基片上的一种现象。重要性：很大程度上决定了薄膜器件的稳定性、可靠性和实用。附着的好坏主要取决于薄膜生长的初始阶段。1、附着机理三种附机理：范德华力 化学键力 薄膜基片间静电引力（1）范德华力：薄膜及衬底原子相互极化产生包括：定向力（0.2eV）：永久偶极子之间的相互作用力诱导力（0.2eV）：永久偶极子与感应偶极子间的相互作用力色散力（0.4eV）：电子绕原子核运动时所生的瞬时偶极矩相互作用力特点：与静电引力相比，范德华力是短程力与化学键相比，范德华力是长程力（2）化学键力：薄膜基片之间形成化学键的结合力包括：离子键、共价键、金属键化学键力的产生机制：有的价电子发生转移，形成化学键化学键力属短程力化学键能1.211eV（3）薄膜基片间的静电引力须在界面两地积累空间电荷，或扩散的原子带有异号电荷才会有静电引力静电引力形成的原因：薄膜和基片的费米能级不同，紧密接触后发生电子转移。2、影响附着力的因素膜料与基片的组合有些材料需对其活化，如离子轰击以提高其表面能、衬底加升或制备过渡层。基片表面污染，导致表面化学键饱和，使附着差基片温度的影响温度高利于原子扩散，形成扩散附着和形成中间化合物温度过高晶粒变粗会影响附着溅射或离子束辅助沉积的膜比蒸发沉积膜附着好3、提高附着力的方法（1）严格清洗基片（2）重度膜前真空中离子轰击处理（3）适当提高基片温度（4）制备中间过渡层（5）用溅射法（6）离子束轰击薄膜4、薄膜附着力的测量方法拉张法 胶带剥离法 划痕法 超声波法二、薄膜的内应力1、物理意义（定义）薄膜内部任一截面上单位面积所受的另一侧所施加的作用力称应力外应力薄膜受外力作用而产生的应力内应力薄膜本身的原因所引起的应力2、内应力相关的实验现象3、内应力产生的原因（1）薄膜和基片热膨胀的不同（2）结晶温度以下的冷却和热收缩（3）相变过程（液固；非晶结晶）（4）薄膜基片晶格失配（5）小岛合道（6）杂质影响三、薄膜的硬度1、定义薄膜材料相对于另一种物质的抗摩擦、抗刻划、抗形变的能力。2、硬度的测量方式金刚石压头，加一定重量压试样，根据被测试样上压痕大小来判断硬度。（压头形状不同，所得结果不同）。（1）硬度的几种名称维氏（Vickers）硬度（1360）库氏（Knoop）硬度（172.50）布氏（Brinell）硬度2 薄膜的电学性质着重研究：电阻率、电导率的大小薄膜成份对、的影响掺杂、杂质的影响环境温度、热处理的影响电场的影响一、不连续薄膜的异电性质不连续膜：孤立小岛构成的薄膜1、三种典型研究实例由或与d、T、E的关系发现薄膜的某些电学现象2、不连续金属膜的特点（1）很大，且随d变化显著（2）与T有关，温度系数为负值（3）电场低时，呈欧姆性导电，电场高时，呈非欧姆性导电（4）高电场下，有电子发射或光发射现象3、不连续膜的导电机理由孤立小岛构成，却显一定导电能力导电能力与温度有关暗示：不连续薄膜的电导论与热激活有关两种理论解释模型：（1）热电发射模型小岛受热后，电子功能的垂直分量大于金属材料功函数时，电子脱离金属表面发射到真空中，被另一小岛俘获，产生电导。热电子发射产生的电导表达式如下；其中，h普朗克常数；m电子质量功函数；b小岛间距（）K玻尔兹曼常数；0介电常数。（2）热激活隧道效应模型金属小岛间功函数不同产生势垒，电子能量低于势垒高度，据量子力学的隧道效应，电子存在从一个中性小岛跃迁到另一小岛的几率，而产生电导。电子的移动使小岛带电，产生库仑作用力，故与一般隧道效应不同，电导率与温度有关。只有热激活的电子才能克服库的作用力而穿过隧道。二、连续薄膜的电子性质微观结构比不连续膜研究得多微观缺陷比块材多1、连续薄膜导电性质的特点（1）与膜厚有关；温度越低受膜厚影响越大（2）随膜厚增大而减小，并趋于稳定值（3）薄膜的大于块材的（4）与制备工艺有关2、原因薄膜内缺陷浓度大大超过块材的表面散射效应第三部分第一章 离子束与固体相关作用物理基础1 射程分布理论中的重要基本概念1、射程；入射离子在靶中的路程2、平均射程R：大量入射离子射程的统计平均值3、投影射程：射程在离子入射方向的投影长度4、平均投影射程：投影射程的统计平均值5、投影射程的横向分量：射程在垂直入射方向的平面上的投影长度6、标准偏差：各入射离子的投影射程对平均投影射程的偏差2 核阻止本领、电子阻止本领及射程分析一、两种不同的碰撞情况1、与原子核碰撞散外角较大，运动方向较大偏析每次碰撞传递能量较大获得能量大于晶格原子结合能时，靶原子移位，造成缺陷2、与靶原子的电子碰撞电子质量小几个数量级，离子损失能量小散外角很小，离子碰后运动方向基本不变二、核阻止本领与电子阻止本领定义式 N为靶原子密度三、及与约化能量、约化射程的关系式林哈德（Linhard）等人（LSS）在计算中用无量网的和代替离子能量E和射程R： 玻尔轨道半径微分以上两式：代入，表达式：可见，与为正比关系，则就可反映的大小。LSS进一步计算得出：其中，有学者已计算各种离子注入Si靶的Ke值：（1）离子的原子序数硅的时在0.110.146（2）时，为质子时，表时：对轻离子，阻止本领更大四、及与离子能量的关系曲线如图：结果表明：（1）Sn随增大而增，当为0.34时，Sn达最大，随后下降（2）Sn随离子能量增加而线性增加（3）存在临界能量，当时，当时，（1）Z1越大，越高3 射程分布理论的应用一、注入离子在靶中峰值浓度的计算采用高斯分布：可见，在处，浓度最高对积分可得注入剂量：积分变换，令，则在，考虑到高斯分布在处两边对称所以 则二、靶中各层杂质浓度的计算（1）在处，比峰值约下降一个数量级（2）在处，又下降一个数量级
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