薄膜制備技術(shù)和工藝參數(shù)

1、薄膜制備技術(shù)和工藝參數(shù) 薄膜制備工藝包括：薄膜制備方法的選擇，基體材料的選擇及表面處理，薄膜制備條件的選擇，結(jié)構(gòu)、性能與工藝參數(shù)的關(guān)系等。 第一節(jié) 基體的選擇與基片的清洗方法 （一）基體的選擇在薄膜制備過程中，基體的選擇與其他制備條件同樣重要，有時(shí)可能更重要，基體選擇的原則是： （1）是否容易成核和生長成薄膜；（2）根據(jù)不同的應(yīng)用目的，選擇金屬 （或合金）、玻璃、陶瓷單晶和塑料等 作基體；（3）薄膜結(jié)構(gòu)與基體材料結(jié)構(gòu)要對(duì)應(yīng)；（4）要使薄膜和基體材料的性能相匹配，從而減少熱應(yīng)力，不使薄膜脫落；（5）要考慮市場(chǎng)供應(yīng)情況、價(jià)格、形狀、尺寸、表面粗糙度和加工難易程度等。（二）基片的清洗1、概述由于薄膜

2、厚度很薄，基片表面的平整度、清潔度都會(huì)對(duì)所生長的薄膜有影響?；砻娴娜魏我稽c(diǎn)污物都會(huì)影響薄膜材料的性能和生長情況。由此可見，基片的清洗是十分重要的。基片的清洗方法主要根據(jù)薄膜生長方法和薄膜使用目的選定，因?yàn)榛砻鏍顟B(tài)嚴(yán)重影響基片上生長出的薄膜結(jié)構(gòu)和薄膜物理性質(zhì)。 2、基片的清洗方法一般分為去除基片表面上物理附著的污物的清洗方法和去除化學(xué)附著的污物的清洗方法。目前，基片清洗方法有：用化學(xué)溶劑溶解污物的方法、超聲波清洗法、離子轟擊清洗法、等離子體清洗法和烘烤清洗法等。 第二節(jié) 真空技術(shù)基礎(chǔ) 真空技術(shù)是制備薄膜的基礎(chǔ)，真空蒸發(fā)，濺射鍍膜和離子鍍等均要求沉積薄膜的空間要有一定的真空度，因而獲得并保

3、持真空環(huán)境是鍍膜的必要條件。 一、真空的概念 “真空”拉丁文Vacuo，其意義是虛無=氣體較稀薄的空間。真空是一個(gè)相對(duì)的概念“低于一個(gè)大氣壓的氣體狀態(tài)?！闭婵諣顟B(tài)是氣體分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體的分子密度約為 3x1019 個(gè)/cm31 /104大氣壓下氣體的分子密度約為 3x1015 個(gè)/cm3二、真空度的單位真空狀態(tài)下氣體稀薄程度稱為真空度，通常用壓力值表示。1958年，第一界國際技術(shù)會(huì)議曾建議采用“托”(Torr)作為測(cè)量真空度的單位。國際單位制(SI)中規(guī)定壓力的單位為帕(Pa)。我國采用SI規(guī)定。1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(1atm)1.013105Pa(帕)1Torr1/760atm1m

4、mHg1Torr133Pa102 Pa100Pa=0.75Torr 1Torr三、真空度的劃分為了研究真空和實(shí)際應(yīng)用方便，常把真空劃分為：低真空（11051102Pa）中真空（1102110-1Pa）高真空（110-1110-6Pa）超高真空（50km。因此體積有限的超真空系統(tǒng)中，氣體分子之間或氣體分子與帶電粒子之間的碰撞都可以近似忽略。5、氣體分子的平均自由程：A分子碰撞截面，為分子直徑，p為壓強(qiáng)，T為氣體溫度，k為玻耳茲曼常數(shù)。6、單位面積上分子與固體表面碰撞的頻率： m和T分別為氣體分子的質(zhì)量和溫度。對(duì)室溫下的氮?dú)?，?0-6 Torr時(shí)，v = 4.4 x 1014分子/cm2s假設(shè)每

5、次碰撞均被表面吸附，一個(gè)“干凈”的表面只要一秒多鐘就被覆蓋滿了一個(gè)單分子層的氣體分子：而在超高真空 10-10 Torr 或 10-11 Torr時(shí)，由同樣的估計(jì)可知“干凈”表面吸附單分子層的時(shí)間將達(dá)幾小時(shí)到幾十小時(shí)。對(duì)于技術(shù)和物理研究的影響：表面物理，薄膜沉積7、克努曾定律或余弦定律： 碰撞于固體表面的分子，飛離表面的方向與原入射方向無關(guān)，處于與表面法線成角的空間區(qū)域（立體角為的d）的分子的幾率為：余弦定律的意義：（1）固體表面使分子入射的方向性消失；（2）分子在固體表面停留，使氣體和固體表面發(fā)生能量和動(dòng)量的傳遞。8.氣體的吸附與脫附氣體吸附：是指固體表面捕獲氣體分子的現(xiàn)象。吸附分為物理吸附

6、和化學(xué)吸附。物理吸附：主要靠分子間的相互吸引力，易脫附，只在低溫下有效?；瘜W(xué)吸附：當(dāng)氣體和固體表面原子間生成化合物時(shí)，所產(chǎn)生的吸附作用。不易脫附，可發(fā)生在高溫下。9.電子碰撞氣體引起的電離電子能量較低：不會(huì)引起氣體原子（分子）的狀態(tài)發(fā)生變化。能量較高：引起氣體原子（分子）的激發(fā)或電離。激發(fā)：部分價(jià)電子躍遷到較高的能級(jí)。電離：一個(gè)或多個(gè)價(jià)電子脫離原子或分子的過程。10.氣體的流動(dòng)狀態(tài)三種流動(dòng)狀態(tài)湍流，層流，分子流湍流：當(dāng)氣體壓強(qiáng)和流速都比較高時(shí)，流動(dòng)呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，宏觀流速矢量有徑向分量氣體流動(dòng)受到較大的阻力，通常稱這種流動(dòng)狀態(tài)為湍流或者旁流。平流（層流）：隨氣體壓強(qiáng)和流速的逐漸降低，流動(dòng)由具有

7、不同流動(dòng)速度的各個(gè)流動(dòng)層組成宏觀流速矢量與管軸平行，流動(dòng)與氣體的粘滯性有關(guān)，稱為平流。平流和湍流都屬于粘滯流。分子流：當(dāng)壓強(qiáng)進(jìn)步降低，氣體分子的平均自由程增大，分子間的相互碰撞減少，分子與管壁的碰撞占主要地位，分于間的內(nèi)摩擦消失，氣體分子以熱運(yùn)動(dòng)而自由地獨(dú)立地直線前進(jìn)，這種流動(dòng)被稱為分子流。判斷粘滯流與分子流的Knudsen number(克努森數(shù)):判斷平流與湍流的雷諾數(shù)：11.蒸發(fā)和凝結(jié)（1）蒸發(fā)和凝結(jié)蒸發(fā)：由固相和液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嗟倪^程。凝結(jié)：由氣相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗪鸵合嗟倪^程。（2）蒸汽和氣體由P-V線可知：存在臨界溫度Tc，工作溫度低于Tc，氣體加壓可變成液體，此時(shí)的氣體稱為可凝性氣體（蒸汽

8、）工作溫度高于Tc，氣體加壓不可變成液體，此時(shí)的氣體稱為永久性氣體（簡(jiǎn)稱為氣體）在本課程中定義的蒸汽和氣體凡臨界溫度高于室溫（1525 ）的氣相，稱為蒸汽 其特征是在室溫下加壓可液化。如水蒸氣，金屬蒸汽凡臨界溫度低于于室溫（1525 ）的氣相，稱為氣體 其特征是在室溫下加壓不可液化。如氫氣，氮?dú)庖陨戏诸惖闹饕蚴?:蒸汽加壓液化，液體減壓氣化會(huì)對(duì)系統(tǒng)的真空度產(chǎn)生影響。（3）飽和蒸汽和不飽和蒸汽飽和蒸汽：汽液平衡共存時(shí)的蒸汽。非飽和蒸汽：?jiǎn)我徽羝嬖?。飽和蒸汽不符合理想氣體物態(tài)方程，但符合克拉珀龍方程。不飽和蒸汽符合理想氣體物態(tài)方程。第三節(jié) 真空系統(tǒng)1.真空系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖真空室泵管路閥門真空

9、測(cè)量機(jī)械泵分子泵閥門管路閘板閥真空室真空測(cè)量真空狀態(tài)是氣體分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)結(jié)果漏氣與放氣系統(tǒng)中氣體的流動(dòng)處于分子流狀態(tài)2.真空系統(tǒng)的組成泵負(fù)責(zé)抽空系統(tǒng)內(nèi)的剩余氣體機(jī)械泵擴(kuò)散泵分子泵離子泵吸附泵鈦吸附泵和冷凝吸附泵真空室安放實(shí)驗(yàn)裝置真空管路連接真空系統(tǒng)閥門控制真空系統(tǒng)的連接情況真空的測(cè)量不同的真空要求由不同的泵和系統(tǒng)組成3.表征真空系統(tǒng)的幾個(gè)參數(shù)(1)體積流速S（體積流率） 單位時(shí)間流過管道某一特定截面的體積(3)流導(dǎo)C、流阻Z 表征氣體沿管道流動(dòng)的動(dòng)力或阻力 Q=C(P2-P1), P1、P2為管道兩端的壓強(qiáng)(2)流量Q（體積流率） 單位時(shí)間流過管道某一特定截面的的氣體分子的量穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下流量

10、守恒串連：并連：串連時(shí)總流導(dǎo)小于任何連接的流導(dǎo)(4)泵抽速S 泵入口處單位時(shí)間抽入的氣體體積 (6)泵的有效抽速（實(shí)際抽速） 當(dāng)一個(gè)容器由一根管道連接到泵進(jìn)行抽氣時(shí)，在容器出口處的抽速。(5)泵抽除量R 表征泵的抽氣能力 R=P1S實(shí)際抽速的計(jì)算：S=Q/P=截面積*流速系統(tǒng)實(shí)際抽速Q(mào)=SpPr=SP=C(P-Pr)真空計(jì)的位置p0, S0p, S實(shí)際壓強(qiáng)要比測(cè)量壓強(qiáng)高（7）極限真空度只考慮泵抽氣過程總存在氣體回流量Qp凈流量：令Q=0,求出極限真空度分離變量，積分得：其中：Pi為真空室初始真空度（t=0）P0為真空室極限真空度（t）Pt為真空室某一時(shí)刻真空度第四節(jié).抽真空和抽真空設(shè)備一、 抽

11、真空 是利用各種真空泵將被抽容器中的氣體抽出，使該空間的壓強(qiáng)低于一個(gè)大氣壓的過程。 可有多種方法實(shí)現(xiàn)抽真空 真空泵：抽真空的裝置3.抽真空和抽真空設(shè)備二、真空泵 目前常用的真空泵主要有：旋轉(zhuǎn)式機(jī)械真空泵、油擴(kuò)散泵、復(fù)合分子泵、分子篩吸附泵、鈦升華泵、濺射離子泵和低溫泵等。前三種屬于氣體傳輸泵，后四種屬于氣體捕獲泵。 能使壓力從一個(gè)大氣壓力開始變小，進(jìn)行排氣的泵常稱為“前級(jí)泵”；另一些卻只能從較低壓力抽到更低壓力，這些真空泵常稱為“次級(jí)泵”。（1）旋轉(zhuǎn)式機(jī)械真空泵機(jī)械泵：凡是利用機(jī)械運(yùn)動(dòng)以獲得真空的泵，因用油來進(jìn)行密封，所以屬于有油類泵。原理：利用機(jī)械力連續(xù)抽氣、壓縮排除氣體。工作過程：氣體從入

12、口進(jìn)入轉(zhuǎn)子和定子之間偏軸轉(zhuǎn)子壓縮空氣并輸送到出口氣體在出口累積到一定壓強(qiáng)，噴出到大氣工作范圍及特點(diǎn)：大氣壓10-3 torr耐用，便宜油潤滑，污染旋片式機(jī)械泵工作示意圖理想情況下，旋片轉(zhuǎn)動(dòng)半周后，腔體內(nèi)壓強(qiáng)：n無限大時(shí)，p趨向0；極限真空pm有害空間排氣空間與吸氣空間的間隙泵油氣的循環(huán)特點(diǎn): 1.體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單工作可靠、經(jīng)濟(jì)耐用。 2.設(shè)有氣鎮(zhèn)閥，可抽除少量水蒸氣；但降低系統(tǒng)的真空度。 3.不適用于抽除對(duì)金屬有腐蝕的，對(duì)泵油起化學(xué)反應(yīng)、含有顆粒塵埃的氣體，易燃易爆的氣體。 4. 抽真空的能力不好。 5.潤滑油的回流和會(huì)發(fā)會(huì)對(duì)真空系統(tǒng)造成污染。 (2)擴(kuò)散泵（一 概述） 油擴(kuò)散真空泵是

13、用來獲得高真空和超高真空的主要設(shè)備，廣泛用于電子工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、真空冶煉等高科技領(lǐng)域。 油擴(kuò)散泵的工作壓力范圍10-110-P，其極限壓力是10-8Pa。 油擴(kuò)散泵一定要在壓力低于40Pa的時(shí)候才能開油擴(kuò)散泵，分子泵則要低于1Pa才能啟動(dòng)。 （二）油擴(kuò)散泵工作原理接機(jī)械泵 擴(kuò)散泵油被泵外電爐加熱產(chǎn)生油蒸氣 油蒸氣沿蒸氣導(dǎo)管上升到管頂 油蒸氣經(jīng)傘形噴嘴向下噴出產(chǎn)生射流 氣體分子與射流中油分子碰撞發(fā)生動(dòng)量交換 氣體分子與射流一起向下運(yùn)動(dòng) 油蒸汽與水冷的泵壁相遇而冷卻回流氣體分子則被帶到排氣口附近被抽走 擴(kuò)散泵的壓縮比n蒸汽流分子密度,v蒸汽流在噴口處的速度，L射流的有效長度，D0=ND,D氣體分子

14、在油蒸汽中的擴(kuò)散系數(shù),PL前級(jí)泵的壓強(qiáng)， Pu真空室的壓強(qiáng)。討論：n, v, L,K越大，D越小，抽氣效果越好 (2) 擴(kuò)散泵的實(shí)際壓強(qiáng)與PL成正比 討論：(1)為了提高壓縮比，采用多級(jí)噴嘴(2)選擇抽真空性能較好的前級(jí)泵(3) 選擇性能良好的擴(kuò)散泵油(4) 減少返流 進(jìn)氣口處安裝水冷擋板或液氮冷阱 但降低抽速（三 ） 油 擴(kuò)散泵特點(diǎn)1 獲得的極限真空高，為10-5Pa.2 在10-1-10-4Pa壓強(qiáng)范圍內(nèi)，有恒定的大抽速，但抽氣量不大，正好與旋片泵銜接.3 無運(yùn)動(dòng)部分，無磨損，壽命長.4 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，制造方便，工作時(shí)安靜.5 工作介質(zhì)是油，存在油污染.6.被抽氣體不能易燃、易爆、腐

15、蝕性.7 啟動(dòng)慢.(3)渦輪分子泵 渦輪分子是靠高速轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子攜帶氣體分子獲得超高真空的一種機(jī)械真空泵。工作壓力范圍為1Pa10-8Pa 。 先進(jìn)的泵可以獲得10-9Pa的極限壓力。 泵的轉(zhuǎn)速為10000r/min50000r/min,這種泵的抽速范圍很寬，在九個(gè)數(shù)量級(jí)間具有恒定的抽速。 分子泵主要用作超高真空泵和高真空泵，單它不能直接對(duì)大氣排氣，需要配前級(jí)真空泵。 分子泵對(duì)較輕氣體抽速很大，對(duì)氫的抽速比對(duì)空氣的抽速大20%。（一）概述（二）渦輪分子泵工作原理1 1 1 當(dāng)側(cè)的氣體分子與葉片相碰后反射方向在1角內(nèi)的將又回到側(cè)；撞擊在1 角內(nèi)再反射的氣體分子將進(jìn)入側(cè)；反射方向在1角內(nèi)的氣體分子最

16、后將進(jìn)入到側(cè)或散射回側(cè)。動(dòng)葉片工作原理圖2 2 2 12， 12凈氣體流1.泵的排氣壓力與進(jìn)氣壓力之比稱為壓縮比。壓縮比除與泵的級(jí)數(shù)和轉(zhuǎn)速有關(guān)外，還與氣體種類有關(guān)。2.分子量大的氣體有高的壓縮比。3.渦輪分子泵必須在分子流狀態(tài)(氣體分子的平均自由程遠(yuǎn)大于導(dǎo)管截面最大尺寸的流態(tài))下工作才能顯示出它的優(yōu)越性,因此要求配有工作壓力為110-2帕的前級(jí)真空泵。三、性能 1 渦輪分子泵的優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)快； 2 能抗各種射線的照射； 3 耐大氣沖擊； 4 無氣體存儲(chǔ)和解吸效應(yīng)； 5 無油蒸氣污染或污染很少，能獲得清潔的超高真空。 渦輪分子泵廣泛用于高能加速器、可控?zé)岷朔磻?yīng)裝置、重粒子加速器和高級(jí)電子器件制造等

17、方面。渦輪分子泵的特點(diǎn)（4）鈦升華泵加熱Ti絲使其蒸發(fā)到冷壁.Ti原子與氣體反應(yīng).工作范圍 10-8-10-11 Torr便宜，可靠，無噪音，無振動(dòng)，無斷電問題需要再生，很難排除惰性氣體和甲烷液氮冷卻有很大表面積的分子篩10-3 Torr- 10-10 Torr (可以用兩個(gè)泵交替工作)很容易飽和多泵聯(lián)合工作200 C 烘烤除去吸附的氣體簡(jiǎn)單，無振動(dòng)，便宜，無油污染極限真空與泵的溫度相關(guān)。（5）冷凝泵金屬表面，高沸點(diǎn)氣體覆蓋的低溫表面，分子篩，活性碳等（6）吸附泵可吸附有毒有害氣體和易燃易爆氣體無油真空泵常和其它干式真空泵聯(lián)合使用運(yùn)行成本高真空泵的比較為何高真空泵管道粗，低真空泵管道細(xì)？種 類

18、原 理工作壓強(qiáng)范圍機(jī)械泵油封機(jī)械泵（單級(jí)）油封機(jī)械泵（雙級(jí)）分子泵羅茨泵利用機(jī)械力壓縮排除氣體大氣壓至1Pa大氣壓至10-2Pa10-110-7Pa10310-3Pa蒸氣噴射泵水銀擴(kuò)散泵油擴(kuò)散泵油噴射泵靠蒸氣噴射的動(dòng)量把氣體帶走110-6Pa干式泵濺射離子泵鈦升華泵利用濺射或升華形成吸氣、吸附排除氣體10-210-8Pa吸附泵冷凝泵冷凝吸附泵利用低溫表面對(duì)氣體進(jìn)行物理吸附排除氣體大氣壓至10-2Pa10-310-10Pa10-310-8Pa 第四節(jié) 真空測(cè)量一、概述測(cè)量原理均是利用測(cè)定在低氣壓下與壓強(qiáng)有關(guān)的某些物理量，再經(jīng)變換后確定容器的壓強(qiáng)。當(dāng)壓強(qiáng)改變時(shí)，這些和壓強(qiáng)有關(guān)的特性也隨之變化的物理現(xiàn)象，就是真空測(cè)量的基礎(chǔ)。任何具體的物理特性，都是在某一壓強(qiáng)范圍才最顯著。因此，任何方法都有其一定的測(cè)量范圍，即為該真空計(jì)的“量程”。目前，還沒有一種真空計(jì)能夠測(cè)量1大氣壓至10-10Pa整個(gè)范圍的真空度。 真空計(jì)分為絕對(duì)真空計(jì)和相