材料物理制備基礎(chǔ)：1材料物理制備基礎(chǔ)緒論

1、材料制備技術(shù)材料制備技術(shù)第一講、緒論一、材料科學(xué)是人類文明的三大支柱之一材料是人類一切生產(chǎn)和生活水平提高的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類文明進(jìn)步的里程碑。人類的歷史是用材料的名稱來標(biāo)志的：舊石器(前25000) -新石器(前10000) -青銅器(前3000) -鐵器(前1500) -硅(1960) （未來）？信息技術(shù)、生物技術(shù)、新材料已成為21世紀(jì)最重要、最有發(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域。新材料是高新技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化的重點(diǎn)之一。臨安發(fā)現(xiàn)舊石器時(shí)期人類遺存 這是發(fā)掘出土的石核，別看它貌不驚人，卻已有10萬年以上的歷史了。 這是舊石器時(shí)期的砍砸器，邊緣較為鋒利。石矛為距今4000多年前的新石器時(shí)代的遺存 溫州洞頭縣 越王勾

2、踐青銅劍（前500年）荊門出土的 戰(zhàn)國(guó)鐵鋤舉世聞名的越王勾踐青銅劍，1965年12月出土于江陵望山的一號(hào)楚國(guó)貴族墓（距春秋時(shí)代楚國(guó)別都紀(jì)南城故址7公里）?？脊殴ぷ髡咴谀怪魅松眢w的左手邊，發(fā)現(xiàn)一柄裝在黑色漆木箱鞘內(nèi)的名貴青銅劍。青銅劍與劍鞘吻合得十分緊密。拔劍出鞘，寒光耀目，而且毫無銹蝕，刃薄鋒利。試之以紙，20余層一劃而破。劍全長(zhǎng)為55.6厘米，其中劍身長(zhǎng)45.6厘米，劍格寬5厘米。劍身滿飾黑色菱形幾何暗花紋，劍格正面和反面還分別用藍(lán)色琉璃和綠松石鑲嵌成美麗的紋飾，劍柄以絲繩纏縛，劍首向外形翻卷作圓箍，內(nèi)鑄有極其精細(xì)的11道同心圓圈。勾踐是春秋晚期赫赫有名的霸主，一位中國(guó)歷史上流芳千古的傳奇英

3、雄，膾炙人口的成語(yǔ)“臥薪嘗膽”說的就是他敗而不餒、勵(lì)精圖治的故事。據(jù)史料記載，越王勾踐所擁有的寶劍達(dá)到我國(guó)古代名劍的最高巔峰。那么地處長(zhǎng)江下游的越國(guó)國(guó)君勾踐之劍何以會(huì)出土于地處長(zhǎng)江中游的楚國(guó)墓葬之中呢？有人認(rèn)為該劍是越女嫁到楚國(guó)時(shí)的陪嫁品，因?yàn)槭份d勾踐之女是楚昭王的寵姬；有人則認(rèn)為此劍是戰(zhàn)國(guó)中期楚國(guó)滅掉越國(guó)后掠奪來的戰(zhàn)利品。根據(jù)有關(guān)專家進(jìn)行的科學(xué)測(cè)定，越王勾踐劍的主要的成分是銅和錫，還含有少量的鉛、鐵、鎳和硫等，劍身的黑色菱形花紋是經(jīng)過硫化處理的，劍刃精磨技藝水平可同現(xiàn)在精密磨床生產(chǎn)的產(chǎn)品相媲美，充分顯示了我國(guó)古代鑄劍工匠的高超的技藝。1978年春夏之交，在地下沉埋了2400余年的大型國(guó)寶編鐘

4、，隨著曾侯乙墓的發(fā)現(xiàn)、發(fā)掘而再現(xiàn)人間，重放異彩。一時(shí)間舉世矚目，國(guó)人為之驕傲，世界為之傾倒。戰(zhàn)國(guó)時(shí)代的“冰箱”曾侯乙冰鑒巧奪天工的曾侯乙尊盤曾侯乙編鐘出土現(xiàn)場(chǎng)（1978年）二、電子材料的過去與未來 鍺晶體管-開創(chuàng)半導(dǎo)體時(shí)代1960 硅晶體管- （硅氧化和外延生長(zhǎng)技術(shù)）-集成電路、大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路1965 GaAs單晶-發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器 1990 GaN-高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管、激光器Si第一代、GaAs第二代、GaN第三代半導(dǎo)體材料第四代？有機(jī)半導(dǎo)體材料？（壽命低）1965年，戈登摩爾（Gordon Moore）準(zhǔn)備一個(gè)關(guān)于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器發(fā)展趨勢(shì)的報(bào)告。他整理了一份觀察資料

5、。在他開始繪制數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)驚人的趨勢(shì)。每個(gè)新芯片大體上包含其前任兩倍的容量，每個(gè)芯片的產(chǎn)生都是在前一個(gè)芯片產(chǎn)生后的18-24個(gè)月內(nèi)。如果這個(gè)趨勢(shì)繼續(xù)的話，計(jì)算能力相對(duì)于時(shí)間周期將呈指數(shù)式的上升。Moore的觀察資料，就是現(xiàn)在所謂的Moore定律，所闡述的趨勢(shì)一直延續(xù)至今，且仍不同尋常地準(zhǔn)確。人們還發(fā)現(xiàn)這不光適用于對(duì)存儲(chǔ)器芯片的描述，也精確地說明了處理機(jī)能力和磁盤驅(qū)動(dòng)器存儲(chǔ)容量的發(fā)展。該定律成為許多工業(yè)對(duì)于性能預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。在26年的時(shí)間里，芯片上的晶體管數(shù)量增加了3200多倍，從1971年推出的第一款4004的2300個(gè)增加到奔騰II處理器的750萬個(gè)。摩爾定律由于高純硅的獨(dú)特性，集成度越

6、高，晶體管的價(jià)格越便宜，這樣也就引出了摩爾定律的經(jīng)濟(jì)學(xué)效益，在20世紀(jì)60年代初，一個(gè)晶體管要10美元左右，但隨著晶體管越來越小，直小到一根頭發(fā)絲上可以放1000個(gè)晶體管時(shí)，每個(gè)晶體管的價(jià)格只有千分之一美分。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，按運(yùn)算10萬次乘法的價(jià)格算，IBM704電腦為1美元，IBM709降到20美分，而60年代中期IBM耗資50億研制的IBM360系統(tǒng)電腦已變?yōu)?.5美分。到底什么是摩爾定律？歸納起來，主要有以下三種版本：1、集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目，每隔18個(gè)月就翻一番。2、微處理器的性能每隔18個(gè)月提高一倍，而價(jià)格下降一半。3、用一個(gè)美元所能買到的電腦性能，每隔18個(gè)月翻兩番。以上幾

7、種說法中，以第一種說法最為普遍，第二、三兩種說法涉及到價(jià)格因素，其實(shí)質(zhì)是一樣的。三種說法雖然各有千秋，但在一點(diǎn)上是共同的，即“翻番”的周期都是18個(gè)月，至于“翻一番”（或兩番）的是“集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目”，是整個(gè)“計(jì)算機(jī)的性能，還是一個(gè)美元所能買到的性能就見仁見智了。戈登摩爾:摩爾定律最初源自于1965年我為一本貿(mào)易雜志電子學(xué)撰寫的文章。雜志社請(qǐng)我預(yù)測(cè)在未來的十年里電子元件工業(yè)將會(huì)有什么變化。當(dāng)時(shí)還只是集成電路的初期，那時(shí)市場(chǎng)上最復(fù)雜的電路板里晶體管和電阻總共加起來只有三十來個(gè)。而我們實(shí)驗(yàn)室里的電路板也是60個(gè)。我當(dāng)時(shí)預(yù)見我們將做出更復(fù)雜的電路從而降低電器的成本。在當(dāng)時(shí)，購(gòu)買一個(gè)集

8、成電路要比購(gòu)買單獨(dú)的電子元件來組裝一個(gè)電路貴得多。我們用不同體積、重量的特殊材料來做。從實(shí)驗(yàn)室的角度看，這倒是種降低制作成本的方法。帶著這個(gè)想法我就嘗試著開始研制了。我們?cè)噲D制作更加復(fù)雜的電路而且靠這個(gè)來降低電器的成本。我看到我們當(dāng)時(shí)做出來的東西，看到1959年的晶體管原始設(shè)計(jì)，第一塊只含有八個(gè)電子元件的集成電路，到后來發(fā)展為62個(gè)，63個(gè)，64個(gè)，當(dāng)我寫那篇文章的時(shí)候已經(jīng)可以看到含65個(gè)電子元件了?？梢钥吹街鹉攴兜内厔?shì)。我拿出草稿紙算了算，按照這個(gè)趨勢(shì)在10年之后，一塊集成電路板里包含的電子元件就會(huì)從當(dāng)時(shí)的60個(gè)增加到6萬多個(gè)。那是個(gè)膽大的推斷，同時(shí)我也預(yù)測(cè)這樣還大大降低銷售價(jià)格。我并不打

9、算做確切的預(yù)計(jì)，只想說明這種趨勢(shì)。然而，實(shí)際上我們的發(fā)展卻非常吻合這一推斷。最終達(dá)到這一規(guī)模只用了九年，而不是十年。這與當(dāng)年的預(yù)計(jì)非常接近。我的一位朋友，加州理工學(xué)院的David教授把它叫做摩爾定律。那之后，這個(gè)說法就傳開了。1971年，英特爾首個(gè)微處理器僅集成2000多個(gè)晶體管，而2008年最新的45納米產(chǎn)品則集成高達(dá)2.05億個(gè)晶體管。 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)研究專家莫大康對(duì)CBN記者表示，為了降低功耗與制造成本，深度集成仍是行業(yè)努力的方向，但這不可能永無止境。用作絕緣材料的二氧化硅，已逼近極限，如繼續(xù)縮小，將導(dǎo)致漏電、散熱等物理瓶頸，數(shù)量集成趨勢(shì)終有終結(jié)的一天。 但I(xiàn)BM研究員Carl Anders

10、on就十分不客氣。他直白地說，摩爾定律已到盡頭，即將失效。理由是，各行各業(yè)呈爆炸式成長(zhǎng)的時(shí)代終將告一段落，先是鐵路，后是航空業(yè)，如今輪到半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)了。事實(shí)上，2008年，英特爾推出45納米工藝前，已備受質(zhì)疑多年。不過，借助材料突破（替代二氧化硅），它渡過了難關(guān)，打通了進(jìn)軍32納米、22納米的道路。 但這只是暫時(shí)的高興。新材料在22納米之后，也將遭受同樣的問題。事實(shí)上，2005年3月，貝瑞特在美國(guó)IDF演講中也已透露，傳統(tǒng)工藝“設(shè)想達(dá)到的極限”將是5納米，超越這個(gè)極限，將遭遇電流泄漏等難題（晶體管會(huì)因隧道效應(yīng)而失效）。這正是英特爾迄今為止給出的最高壽命極限。按目前演進(jìn)趨勢(shì)，大約在2020年左右，

11、摩爾定律將成為歷史。這與貝瑞特最新所說的15年完全吻合。 “半導(dǎo)體制造已轉(zhuǎn)向新材料、原理創(chuàng)新的革命時(shí)代?！蹦罂祵?duì)CBN記者說，尋求替代材料的努力，反而多集中于非半導(dǎo)體領(lǐng)域，因?yàn)榘雽?dǎo)體制造業(yè)所涉領(lǐng)域較廣。 看起來已經(jīng)有了一些新材料與新技術(shù)。IBM研發(fā)部高級(jí)副總裁John Kelly說，已經(jīng)擁有更多替代品。美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)總裁George Scalise前不久表示：“現(xiàn)在已處于挑選候選者的階段?！?？年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)由美國(guó)得克薩斯州休斯頓的賴斯大學(xué)的柯爾教授和斯莫利教授以及英國(guó)薩塞克斯大學(xué)的克羅托教授因年發(fā)現(xiàn)富勒烯而分享。 因此，尋找替代硅工藝的材料，便成為一個(gè)很現(xiàn)實(shí)的問題。盡管量子計(jì)算、生物

12、計(jì)算性能強(qiáng)勁，但畢竟那還是遙不可及的美好遠(yuǎn)景。碳納米管雖然表現(xiàn)突出，但未來在工藝實(shí)現(xiàn)上，要“安頓”好那么多小管子可不是件容易的事。 直到2004年，英國(guó)曼切斯特大學(xué)的研究人員安德烈蓋姆和科斯提亞諾沃謝夫在石墨烯方面的研究，讓人們看到了新的希望。 2010年10月5日上午，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予英國(guó)曼徹斯特大學(xué)科學(xué)家安德烈海姆和康斯坦丁諾沃肖洛夫，以表彰他們?cè)谑┎牧戏矫娴淖吭窖芯?。海姆和諾沃肖洛夫于2004年制成石墨烯材料。這是目前世界上最薄的材料，僅有一個(gè)原子厚。石墨烯被證實(shí)是世界上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的最薄、最堅(jiān)硬的物質(zhì)。其厚度只有0.335納米, 把20萬片薄膜疊加到一

13、起，也只有一根頭發(fā)絲那么厚。單層石墨烯幾乎透明，其分子排列緊密, 即使原子尺寸最小的氦也不能通過。 當(dāng)時(shí)，蓋姆買了一大塊高定向熱解石墨，這是一種純度非常高、通常用于分析的石墨材料。蓋姆把它交給了他新來的一位中國(guó)博士生，并給了他一臺(tái)非常高級(jí)的拋光機(jī)，希望他能制作出盡可能薄的薄膜。三個(gè)星期過后，這位博士生拿著一個(gè)培養(yǎng)皿告訴蓋姆說做好了。蓋姆用顯微鏡觀察培養(yǎng)皿底部的石墨斑，發(fā)現(xiàn)那足有10微米厚，相當(dāng)于約30000層石墨烯的厚度。蓋姆于是問他，能不能磨得再薄一些？他告訴蓋姆，那還再需要一塊石墨。要知道這種石墨每塊大約要花300美元。蓋姆承認(rèn)自己當(dāng)時(shí)的態(tài)度可能不太好，于是，那位中國(guó)博士生對(duì)蓋姆說：“既然

14、你這么聰明，那你就自己試試吧。” 蓋姆只得自己做了，不過他采用了一種非常“土”的方法。因?yàn)槭哂型暾膶訝罱饫硖匦?，可以按層剝離。于是，蓋姆用透明膠帶在石墨上粘一下，這樣就會(huì)有石墨層被粘在膠帶上。蓋姆把膠帶對(duì)折后，粘一下再拉開，這樣，膠帶兩端都沾有石墨層，石墨層又變薄了。如此反復(fù)多次，膠帶上的石墨層薄到只有一個(gè)碳原子的厚度時(shí)，石墨層也就變成了石墨烯。 今年1月22日，美國(guó)賓西法尼亞州立大學(xué)電子光學(xué)中心宣布，已經(jīng)研制出直徑100毫米（4英寸）的石墨烯圓片，其上集成有2.2萬個(gè)石墨烯晶體管，從而為石墨烯的工程應(yīng)用做了很好的鋪墊。而該中心的研究人員正在研制直徑200毫米的石墨烯圓片。 2月6日，I

15、BM宣布研制出100GHz石墨烯晶體管。該項(xiàng)研究是由美國(guó)國(guó)防部高級(jí)技術(shù)研究計(jì)劃署（DARPA）資助的。IBM稱，石墨烯晶體管所采用的工藝與目前的硅半導(dǎo)體設(shè)備工藝兼容。上述兩項(xiàng)研究成果特別是IBM的研究成果，使得石墨烯在成為硅的繼承者的道路上，邁出了實(shí)質(zhì)性的一步。這也使得那些認(rèn)為“集成電路發(fā)明后用了 42年的時(shí)間才獲得諾貝爾獎(jiǎng)，而石墨烯卻只用了6年時(shí)間，其中不乏倉(cāng)促和草率”的質(zhì)疑者們有所收斂。畢竟摩爾定律留給我們的時(shí)間已經(jīng)只有十來年了，產(chǎn)業(yè)界等不及下一個(gè)42年。電子穿過石墨烯的速度與硅相比要快得多，這使得它有可能成為未來電腦芯片的主力。美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正與一家私人公司合作研發(fā)一種高容量和

16、能快速充電的電池。秘訣就是在鋰離子電池中添加石墨烯，提高功率和循環(huán)穩(wěn)定性。這張圖是電子顯微鏡下觀測(cè)的石墨烯片，其碳原子間距僅0.14納米三、材料的分類晶體；非晶體；塊材；薄膜；線材；納米材料信息材料；能源材料；生物材料；復(fù)合材料；智能材料；生態(tài)環(huán)境材料。四、材料制備方法 把物質(zhì)用加熱或其他方法分解開來，形成離子、原子、分子或分子的集合體，然后根據(jù)需要把它們按照需求再聚合起來，形成晶體、非晶體、塊材、薄膜、納米材料、等等。晶體的制備方法：直拉法區(qū)熔法薄膜的制備方法：1、物理氣相沉積法 physical vapor deposition（PVD）1）蒸發(fā)法： 電阻式加熱、電子束加熱、電弧加熱、激光

17、加熱。 分子束外延（molecular beam epitaxy， MBE）是制備半導(dǎo)體多層超薄單晶薄膜的外延技術(shù)。分子束外延的是指在超高真空條件下（p10-7Pa，是具有一定熱能的分子束或原子束，在熱的單晶襯底表面上進(jìn)行反應(yīng)生成單晶薄膜的過程。其特點(diǎn)是設(shè)備具有超高真空。2）濺射法： 直流濺射、射頻濺射、磁控濺射、反應(yīng)濺射、偏壓濺射、離子束濺射。2、化學(xué)氣相沉積法 chemical vapor deposition（CVD）五、本課程學(xué)習(xí)的目的（36學(xué)時(shí)）1、通過本課程的學(xué)習(xí)薄膜等材料制備的 基本原理和方法；2、了解薄膜制備的基本技術(shù)及其應(yīng)用；六、參考書：1、薄膜材料制備原理、技術(shù)及應(yīng)用 唐偉

18、中著 冶金出版社2、薄膜生長(zhǎng) 吳自勤、王兵 著 科學(xué)出版社3、真空獲得設(shè)備 楊乃恒 主編 冶金工業(yè)出版社4、晶體生長(zhǎng)科學(xué)與技術(shù) 張克從等 科學(xué)出版社教學(xué)方法：看聽講考試： 筆試？ 口試？ 論文？ 材料物理制備基礎(chǔ)教學(xué)計(jì)劃專業(yè)：材料科學(xué)與技術(shù) 周次：1-17 學(xué)時(shí)：36 節(jié)次：周1（3-4）周次內(nèi)容周次內(nèi)容1第一講：緒論10（3）濺射2第二講：制備薄膜所必需的真空設(shè)備基礎(chǔ)知識(shí)（1）11磁控濺射3制備薄膜所必需的真空設(shè)備基礎(chǔ)知識(shí)（2）12離子束濺射4見習(xí)13三、薄膜的化學(xué)氣象沉積(1)5第三講：晶體的制備14薄膜的化學(xué)氣象沉積(2)6第四講：薄膜的制備 一、薄膜基礎(chǔ)15第六講：納米材料的制備一、碳

19、納米管的制備7二、薄膜的物理氣相沉積（1）真空熱蒸發(fā)16二、納米線的制備8（2）脈沖激光沉積(1)17機(jī)動(dòng)9 脈沖激光沉積(2)18考試薄膜的制備簡(jiǎn)單的概括起來，就是把物質(zhì)用加熱或其他方法分解開來，形成離子、原子、分子或分子的集合體，然后根據(jù)需要把它們按照需求重新組合或凝聚起來，形成薄膜。 薄膜制備的環(huán)境應(yīng)該是怎樣的呢？單位面積上氣體分子的碰撞頻率（單位面積上氣體分子的通量）薄膜的沉積速度應(yīng)該正比于單位面積上氣體分子的通量。所以，薄膜的沉積速度應(yīng)與氣體的壓強(qiáng)成正比，與氣體的溫度、分子的質(zhì)量的平方根成反比。-（Knudsen克努森方程，是真空和薄膜沉積技術(shù)中最常用的方程之一）Knudsen克努森

20、方程討論：在真空條件下，清潔襯底被環(huán)境中的雜質(zhì)氣體污染所需的時(shí)間。假設(shè)：1、每一個(gè)飛向襯底的氣體分子都是雜質(zhì)； 2、每個(gè)飛向襯底的氣體分子都被襯底俘獲；襯底完全被雜質(zhì)分子覆蓋所需時(shí)間為：其中，N為單位面積襯底被分子全部覆蓋所需的分子數(shù)。結(jié)果表明：在大氣條件下，潔凈襯底被污染所需時(shí)間為3.510-9s，而在10-8Pa的高真空中，上述時(shí)間為10小時(shí)左右。所以在薄膜制備技術(shù)中獲得和保持適當(dāng)?shù)恼婵窄h(huán)境是非常重要的。4、蒸發(fā)用的加熱器及蒸發(fā)物質(zhì)等與空氣分子發(fā)生反應(yīng)形成化合物，從而不能進(jìn)行正常的蒸發(fā)。如果薄膜是在大氣中制備還會(huì)產(chǎn)生什么問題？1、蒸發(fā)物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)受到空氣的阻礙形成霧狀微粒難以制成均勻平整的薄

21、膜。2、空氣分子進(jìn)入薄膜而形成雜質(zhì)。3、空氣中的活性分子與薄膜形成化合物。因此，必須把空氣分子從制作薄膜的設(shè)備中排除出去，這個(gè)過程稱為抽氣。空氣壓力低于一個(gè)大氣壓的狀態(tài)稱為真空，而把產(chǎn)生真空的裝置成為真空泵，抽成真空的容器稱為真空室。包括真空泵、真空室，以及連接真空室、真空泵的閥門和氣路在內(nèi)的設(shè)備叫做真空設(shè)備。所以薄膜的制備過程通常是在真空條件下進(jìn)行的。因此，真空的獲得和測(cè)量的知識(shí)是薄膜制備技術(shù)的基礎(chǔ)。第二講：制備薄膜所必需的真空及真空設(shè)備基礎(chǔ)知識(shí)(1)一、氣體分子運(yùn)動(dòng)的基本概念（復(fù)習(xí)）1、氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度及分布?xì)怏w分子的熱運(yùn)動(dòng)速度的分布可以用麥克斯韋-波爾茲曼分布來描述。m氣體分子質(zhì)量；

22、T氣體溫度；k波爾茲曼常數(shù)；1、最概然速率：2、平均速率：3、方均根速率：三種統(tǒng)計(jì)速率：2、氣體的壓力和氣體的平均自由程 氣體的平均自由程：氣體的平均碰撞次數(shù)： d分子的有效直徑；氣體的壓強(qiáng)：3、單位面積上氣體分子的碰撞頻率（單位面積上氣體分子的通量）薄膜的沉積速度應(yīng)該正比于單位面積上氣體分子的通量。所以，薄膜的沉積速度應(yīng)與氣體的壓強(qiáng)成正比，與氣體的溫度、分子的質(zhì)量的平方根成反比。-（Knudsen克努森方程，是真空和薄膜沉積技術(shù)中最常用的方程之一）討論：在真空條件下，清潔襯底被環(huán)境中的雜質(zhì)氣體污染所需的時(shí)間。假設(shè)：1、每一個(gè)飛向襯底的氣體分子都是雜質(zhì)； 2、每個(gè)飛向襯底的氣體分子都被襯底俘獲

23、；襯底完全被雜質(zhì)分子覆蓋所需時(shí)間為：其中，N為單位面積襯底被分子全部覆蓋所需的分子數(shù)。結(jié)果表明：在大氣條件下，潔凈襯底被污染所需時(shí)間為3.510-9s，而在10-8Pa的高真空中，上述時(shí)間為10小時(shí)左右。所以在薄膜制備技術(shù)中獲得和保持適當(dāng)?shù)恼婵窄h(huán)境是非常重要的。二、氣體的流動(dòng)狀態(tài)1、氣體的流動(dòng)狀態(tài)流動(dòng)- 只有存在壓力差的情況下氣體才會(huì)產(chǎn)生宏觀的定向流動(dòng)。分子流狀態(tài)-在高真空環(huán)境下，氣體分子的平均自由程超過了容器的尺度或與之相當(dāng)，氣體的分子除了與容器壁碰撞以外，幾乎不發(fā)生氣體分子之間的相互碰撞； 粘滯流狀態(tài)-氣壓較高時(shí)，氣體分子的平均自由程很短，氣體分子之間的碰撞極為頻繁。這種氣體的流動(dòng)狀態(tài)成為

24、粘滯流狀態(tài)；氣體流動(dòng)狀態(tài)間的界限可以根據(jù)Knudsen克努森數(shù)Kn來劃分Kn=D/D-容器的尺度； -氣體分子的平均自由程；分子流狀態(tài)： Kn1102、氣體管路的流導(dǎo) - 真空管路中氣體的通過能力：Q-單位時(shí)間內(nèi)通過管路的氣體流量，即單位時(shí)間內(nèi)流過的氣體體積與氣體壓強(qiáng)的乘積。串聯(lián)流導(dǎo)：并聯(lián)流導(dǎo)：對(duì)于分子流狀態(tài)流動(dòng)的氣體，流導(dǎo)C與氣體的壓力無關(guān)。但是當(dāng)氣體的種類和溫度不同時(shí)，氣體的流速也不同。因而，即使壓力差相同的情況下，氣體分子的種類和溫度不相同管路中流過的氣體流量也不一樣。比如，一個(gè)處于兩個(gè)直徑很大的管路上的通孔，若孔的截面積為A，則其流導(dǎo)應(yīng)正比于通孔兩側(cè)氣體分子向通孔方向流動(dòng)的流量之差。（

25、單位面積上氣體分子的通量）3、真空抽速真空泵的一個(gè)基本指標(biāo)就是它的抽速：p入口處的氣壓；Q-單位時(shí)間內(nèi)流過該處的氣體流量；真空泵的抽速和管路的導(dǎo)流有相同的量綱，但是它們的物理意義不同。流導(dǎo)描述的是真空部件的氣體通過能力，它將使流動(dòng)著的氣體形成一定程度的壓力降低；而抽速則特指一個(gè)界面上的氣體流速。例：如圖表示的真空系統(tǒng)中，用一臺(tái)抽速為Sp的泵通過流導(dǎo)C抽除真空容器中的氣體。設(shè)真空容器中氣體壓力為p，泵入口處的壓力為pp。真空室真空泵Qp、spp、sp由于流量各處相等，即Q=C(p-pp)=Spp,因而，在真空容器出口處的實(shí)際抽速為：所以泵對(duì)容器的實(shí)際抽速S小于泵的理論抽速，也小于管路的流導(dǎo)C。即

26、抽速S受到泵和流導(dǎo)中較小的一個(gè)限制。當(dāng)泵的抽速等于管路的流導(dǎo)Sp=C時(shí)，S=Sp/2。由此可知，在真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一基本原則就是要確保管路的流導(dǎo)C大于泵的理論抽速Sp。第二講：制備薄膜所必需的真空及真空設(shè)備基礎(chǔ)知識(shí)一、高真空材料要求：1、能忽略氣體滲漏。2、有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，使較薄的器壁能承受住室溫和烘烤溫度下的大氣壓強(qiáng)，并要求在加熱烘烤時(shí)不變形。3、有適當(dāng)?shù)难诱剐裕子诩庸こ蓮?fù)雜的殼體。4、有良好的焊接性能?？梢酝ㄟ^焊接的方法制成密封接頭。5、加熱時(shí)不應(yīng)受大氣腐蝕，不與其他材料反應(yīng)。玻璃：滲透率小，機(jī)械強(qiáng)度較差。通常使用較軟的材料（脂、合成橡膠等）作為密封物質(zhì)。適合用于要與金屬閥等項(xiàng)連接的壓

27、強(qiáng)在10-610-8Pa的小系統(tǒng)。不銹鋼：目前最好的高真空材料。二、真空室腔體、觀察窗、制備裝置等等。真空度的劃分低真空： 102Pa中真空： 10210-1Pa高真空： 10-110-5Pa超高真空： 10-5Pa通常：真空蒸發(fā)沉積法：高真空、超高真空濺射法： 10-2100Pa1大氣壓=1.013*105Pa密封的方法： 1、橡膠密封圈 2、金屬密封圈密封圈的安裝方法：1234567812345678檢漏的方法 1、液體蒸發(fā)法； 2、氣體電離法； 3、質(zhì)譜儀法；二、真空的測(cè)量1、熱偶真空計(jì)：以氣體的熱導(dǎo)率隨氣體壓強(qiáng)變化的原理設(shè)計(jì)的。是測(cè)量低真空的最常用的手段。在熱偶真空計(jì)中，將作為熱絲的P

28、t絲通過恒定電流。達(dá)到熱平衡后，電流提供的加熱功率與通過空間熱輻射，金屬絲熱傳導(dǎo)以及氣體分子熱傳導(dǎo)而損失的功率相等，熱絲的溫度將隨真空度的不同而呈現(xiàn)有規(guī)律的變化。因而，熱電偶電勢(shì)也會(huì)隨真空度有規(guī)律的變化。在0.1100Pa的壓力范圍內(nèi)氣體的熱傳導(dǎo)將隨著氣體壓強(qiáng)的增加而上升，熱絲的溫度隨著氣體壓強(qiáng)的上升而降低。用熱電偶測(cè)出熱絲的溫度，也就相應(yīng)測(cè)出了氣體的壓強(qiáng)。熱偶真空計(jì)測(cè)量的范圍大致在0.1100Pa。皮拉尼真空計(jì)（熱阻式真空計(jì)）其工作原理與熱偶真空計(jì)相似。真空計(jì)中設(shè)置一根拉緊的細(xì)白金絲或白金-銠金屬線。在金屬線上通過電流，并設(shè)計(jì)控制電路使其保持恒定的溫度，所以電阻亦恒定。由于溫度恒定，所以金屬

29、線的熱損耗之中，由熱輻射和導(dǎo)線熱傳導(dǎo)所引起的熱損耗是不隨氣體壓強(qiáng)變化的。因此，熱損耗的變化只能是由于氣體的熱傳導(dǎo)引起的。如果氣體壓強(qiáng)從p0變?yōu)閜時(shí)電阻為R的金屬線中通過的電流從i0變?yōu)閕，則： （K為常數(shù)）或者在金屬線兩端的電壓從V0變?yōu)閂時(shí)，可得：電離真空計(jì)：原理示意圖結(jié)構(gòu)：由陰極、陽(yáng)極、離子收集極三個(gè)電極構(gòu)成。原理：由熱陰極發(fā)射出的電子在飛向陽(yáng)極的過程中碰撞氣體分子，使其電離。離子收集接收離子。由于電離后集中在收集極上的離子數(shù)正比與氣體的含量，所以，測(cè)定收集極上的流過的電流就能確定氣體壓強(qiáng)的大小。 測(cè)量范圍（10-51Pa）由于光電效應(yīng)，陰極發(fā)射的電子碰撞陽(yáng)極時(shí)，使陽(yáng)極發(fā)射軟X射線。軟X射

30、線照射在收集極上，使其放出光電子，由于光電子產(chǎn)生的光電流相當(dāng)于10-5Pa的真空條件的離子電流且兩者不能區(qū)分。所以，電離真空計(jì)的上限為10-5Pa。另一方面，當(dāng)氣體的壓強(qiáng)為1Pa時(shí)電子的自由程太短，已不能使氣體產(chǎn)生有效的電離。所以電離真空計(jì)的測(cè)量范圍為10-51Pa。由于這種真空計(jì)工作時(shí)燈絲處于加熱狀態(tài)，所以，如果工作在低真空或誤入空氣，燈絲會(huì)因氧化而燒斷。B-A型電離真空計(jì)：如果熱陰極電離真空計(jì)的電極作相反配置：把熱陰極置于外側(cè)，把細(xì)的線狀離子收集極置于中心，那么，由軟X射線引起的光電流將變得非常小。因此，B-A型電離真空計(jì)可用于測(cè)量超高真空10-8Pa。三、真空的獲得、真空泵1、旋片式油封

31、機(jī)械泵 旋片泵是一種變?nèi)菔綒怏w傳輸真空泵，是真空技術(shù)中最基本的真空獲得設(shè)備之一。其工作壓力范圍為1Pa，屬于低真空泵?？蓡为?dú)使用或作為其他高真空泵的前級(jí)泵使用。 結(jié)構(gòu)：工作原理：1）吸氣過程：當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，A空間的體積增加，壓力減小，氣體經(jīng)泵的進(jìn)氣口被吸入；2）壓縮過程：當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，B空間的體積減小，壓力增加；3）排氣過程：當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，C空間的體積進(jìn)一步縮小，壓力進(jìn)一步增大，當(dāng)壓力超過排氣壓力時(shí)，壓縮氣體推開泵油密封的排氣閥，向大氣排氣。ABC鎮(zhèn)氣閥：如果泵抽除的氣體是永久性氣體和可凝性氣體的混合氣體。在壓縮和排氣的過程中，當(dāng)可凝性氣體的分壓超過泵溫下該氣體的飽和蒸氣壓時(shí)，可凝性氣體將會(huì)凝

32、結(jié)并混于泵油中，隨泵油循環(huán)，并在返回高真空側(cè)時(shí)重新蒸發(fā)變成蒸氣。這將影響到泵的抽氣性能，加重泵油對(duì)真空室的污染。鎮(zhèn)氣法（摻氣法）在壓縮過程中將室溫干燥氣體由鎮(zhèn)氣孔摻入被壓縮氣體中，使可凝性氣體分壓達(dá)到泵溫時(shí)的飽和蒸氣壓之前，壓縮氣體的壓力已達(dá)到排氣壓力，排氣閥打開，將可凝性氣體同永久性氣體一同排出。旋片泵的運(yùn)行和維護(hù)：1、泵的啟動(dòng)與停止旋片泵通常是由三相交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此，要特別注意電源線的連結(jié)，以保證旋轉(zhuǎn)方向正確。否則，泵油將被排到真空室，污染真空室。因此泵應(yīng)設(shè)置反向制動(dòng)裝置。還應(yīng)設(shè)置溫控過載開關(guān)，防止電機(jī)燒毀。停泵時(shí)，出口空氣的壓力將使泵反轉(zhuǎn)，會(huì)使泵油返到真空室中，空氣也會(huì)進(jìn)入真空室破壞真

33、空。因此需要特殊的保護(hù)閥把泵和真空室隔開，防止空氣和泵油進(jìn)入真空室。其作用：當(dāng)泵斷電時(shí)或控制開關(guān)斷開時(shí)，關(guān)閉泵與真空室之間的管道，并向泵的入口放氣。泵油的過濾和更換：為了防止泵油中的粉塵和顆粒隨泵油進(jìn)入泵腔，在泵運(yùn)行過程中，泵設(shè)有連續(xù)過濾裝置。對(duì)于泵油，應(yīng)每周檢查油量、油的顏色，適時(shí)更換泵油。2、油擴(kuò)散泵結(jié)構(gòu)：工作原理：先將泵油加熱（約200C）使之沸騰蒸發(fā)而產(chǎn)生油蒸氣。由于泵內(nèi)已經(jīng)預(yù)抽真空，壓力較低，所以泵油可以在較低的溫度下蒸發(fā)。油蒸氣經(jīng)導(dǎo)流管進(jìn)入傘形噴嘴，油蒸氣經(jīng)過噴嘴將壓力轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，形成高速蒸氣射流。當(dāng)油蒸氣呈錐環(huán)狀從傘形噴嘴以超音速噴出后急劇膨脹，其速度逐漸增大，壓力、密度逐漸降低

34、。此時(shí)射流中氣體分子的濃度非常低，而射流上方被抽氣體因密度差很容易擴(kuò)散到射流內(nèi)部，并與油蒸氣分子碰撞，在射流方向上獲得動(dòng)量，而被油蒸氣射流攜帶到水冷的泵壁。在水冷的泵壁油蒸氣被冷凝成油滴沿泵壁回到加熱鍋，循環(huán)使用。被抽氣體在水冷泵壁處從被冷凝的油蒸氣射流中釋放出來后，堆積壓縮，被下一級(jí)蒸氣射流攜帶進(jìn)一步壓縮。經(jīng)過逐級(jí)壓縮，最后被前級(jí)泵抽走。油擴(kuò)散泵的工作原理決定了它只能工作在110-8Pa之間的分子流狀態(tài)的真空下，而不能與大氣直接相連。因此，在使用油擴(kuò)散泵時(shí)需要用機(jī)械泵預(yù)抽真空至1Pa左右。油擴(kuò)散泵的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，操作方便，使用壽命長(zhǎng)，可靠性高，維護(hù)方便。缺點(diǎn)：泵內(nèi)油蒸氣的

35、回流會(huì)直接污染真空系統(tǒng)。在精密分析儀器（電子顯微鏡等）和其他超高真空系統(tǒng)中一般不使用油擴(kuò)散泵。另一缺點(diǎn)是效率較低。3、分子泵：分子泵是一種機(jī)械泵，但是它與一般機(jī)械泵（如旋片泵）靠容積變化來抽氣不同。其原理類似于油擴(kuò)散泵，渦輪分子泵是靠對(duì)氣體分子直接施加作用力，使氣體分子定向運(yùn)動(dòng)的原理來工作的。多用于無油污染的高真空系統(tǒng)中。結(jié)構(gòu)：磁懸浮軸承；優(yōu)點(diǎn)：極限真空可達(dá)10-8Pa；磁懸浮軸承，無油污染；幾乎無需保養(yǎng)。缺點(diǎn)：價(jià)格貴；一般需要前級(jí)泵；易損壞。4、濺射離子泵：工作原理： 高壓陰極發(fā)射出的高速電子與殘余氣體分子相互碰撞引起氣體電離放電，而電離后的氣體分子在高速撞擊陰極室時(shí)又會(huì)濺射出大量的Ti原子

36、。由于Ti原子活性很高，因而它將以吸附或化學(xué)反應(yīng)的形式捕獲大量的氣體分子，并使其在泵體內(nèi)沉積下來。由此獲得高真空。示意圖：泵內(nèi)的物理過程：當(dāng)給泵加上電場(chǎng)和磁場(chǎng)后，等電位線的形狀如圖。自由電子在電場(chǎng)的作用下，有兩個(gè)速度分量，一個(gè)是軸向的速度分量vz，另一個(gè)是橫向的速度分量vx。vx與磁場(chǎng)方向垂直。泵內(nèi)的物理過程：由于電子有與磁場(chǎng)垂直的分量，電子受到洛倫茲力-evxB。洛倫茲力使電子在橫截面上，作輪滾線運(yùn)動(dòng)，輪滾線的圈大小受電子速度（也就是陽(yáng)極電壓）和磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響。電子速度越大則輪滾線的圈也就越大，大到一定的程度，電子就落到陽(yáng)極上。磁場(chǎng)的作用則相反，磁場(chǎng)越強(qiáng)輪滾線的圈就越小，起一個(gè)約束作用。所以

37、，陽(yáng)極電壓較高時(shí)，需要一個(gè)較強(qiáng)的磁場(chǎng)，以免電子直接落到陽(yáng)極上。軸向電場(chǎng)的作用是使電子沿軸向運(yùn)動(dòng)。電子通過陽(yáng)極的中心線后，受斥力作用而減速，靠近陰極時(shí)vz為零而反向。如此沿軸線往返運(yùn)動(dòng)。電子在水平面上作輪滾線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在軸向又作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，結(jié)果使電子的軌跡像一根拉開的電爐絲繞成一個(gè)螺旋狀放在陽(yáng)極筒里。電子在電場(chǎng)力和洛倫茲力的作用下要經(jīng)過很長(zhǎng)的路程后才能落到陽(yáng)極上。在壓力為10-4Pa時(shí)，電子要經(jīng)過1km的路程才會(huì)落到陽(yáng)極上；在10-8Pa時(shí)電子旋轉(zhuǎn)的路程為10Mm。電子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間也很長(zhǎng)，在10-4Pa時(shí)為1ms，在10-10Pa時(shí)可達(dá)到17min。很多電子受到磁場(chǎng)的約束，以輪滾線的形式，貼近陽(yáng)

38、極筒旋轉(zhuǎn)，而形成旋轉(zhuǎn)的電子云。由于大量的電子在陽(yáng)極筒內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間的旋轉(zhuǎn)，所以氣體分子很容易被電子碰撞電離。離子在電場(chǎng)的作用下，飛向陰極轟擊鈦板，結(jié)果產(chǎn)生兩種作用，一是鈦原子被濺射出來，二是打出二次電子。鈦原子以吸附或化學(xué)反應(yīng)的形式捕獲大量的氣體分子，并使其在泵體內(nèi)沉積下來。由此獲得高真空。離子轟擊陰極打出的電子(二次電子)；氣體分子被電力放出的電子（繁流二次電子）。這些電子都受到電、磁場(chǎng)約束而進(jìn)入電子云，補(bǔ)償因跑到陽(yáng)極上而損失的電子，維持放電。A、陰極和陽(yáng)極間加高壓后產(chǎn)生場(chǎng)致發(fā)射；B、電子在電場(chǎng)、磁場(chǎng)作用下作螺旋運(yùn)動(dòng)；C、電子與氣體分子碰撞產(chǎn)生正離子和繁流二次電子， 引起雪崩效應(yīng)。D、正離子轟擊鈦

39、陰極，濺射出鈦原子落在陽(yáng)極筒上形成新鮮的鈦膜，也有落在陰極外圍區(qū)。E、活性氣體與新鮮鈦膜反應(yīng)形成化合物，化學(xué)吸附在陽(yáng)極筒內(nèi)壁。F、對(duì)于氫，由于其質(zhì)量小，氫離子轟擊鈦板的濺射產(chǎn)額小。氫離子達(dá)到鈦板上與電子復(fù)合成為氫原子，然后擴(kuò)散到鈦的晶格內(nèi)，形成TiH固溶體。常溫下這種固溶體中的氫濃度為0.05%。鈦陰極大量吸氫的過程中，由于放熱反應(yīng)使鈦板溫度升高，當(dāng)溫度高于250度時(shí)，開始分解放出氫氣，并導(dǎo)致了鈦板晶格膨脹造成龜裂。解決的方法1、提高鈦板的散熱能力；2、選用晶格常數(shù)較大的-Ti或鈦合金作陰極。提高濺射離子泵抽速、壽命和降低極限壓力的方法 烘烤： 當(dāng)濺射離子泵長(zhǎng)期暴露大氣時(shí)，不但會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)困難，