薄膜技術(shù)大學(xué)課程

1、 used a personal computer? used a CD player? used a touching 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?Worldwide market of raw materials for thin film technologyp The market has been estimated at

2、$7.1 billion in 2004 and was projected as $13.5 billion by 2009.p it rises at average annual growth rate of 13.7%.u A thin film is a layer of material with a high surface-to-volume ratio. u It is a very thin coating applied to things that we use everyday. u Thin Films can be made of many different m

3、aterials and can be applied to almost any surface. u It is an important and exciting branch of material science. 三個(gè)理由：u 不同材料特性的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)u 微電子技術(shù)、光電子技術(shù)的發(fā)展u 功能性結(jié)構(gòu)的微小型化P-type Substrate微電子技術(shù)中的薄膜材料微電子技術(shù)中的薄膜材料: : MOSFETN +N +PolysiliconThin gate oxideThick oxidesInterconnect metalHeavily doped region磁存儲(chǔ)技術(shù)中的薄膜材料

4、磁存儲(chǔ)技術(shù)中的薄膜材料: : 磁頭與磁記錄介質(zhì)磁頭與磁記錄介質(zhì)微機(jī)電系統(tǒng)中的薄膜材料微機(jī)電系統(tǒng)中的薄膜材料: : 微型反射鏡組微型反射鏡組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:n 薄膜材料的制備技術(shù)手段； n 薄膜材料的結(jié)構(gòu)理論； n 薄膜材料的表征技術(shù)； n 薄膜材料的體系、性能與應(yīng)用 Old preparation procedures inc

5、lude: u Dippingu Sprayingu Paintingu Electro-depositionu Thin film technology is the art and science to deposit thin layers of 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,

6、 to deposit a uniform layer and to avoid contamination.Example: A coater for tool coatingsA coater line for CDs and DVDsA coating system for hard disksA clustered coating system for ICA coater for flat panel displays薄膜材料的制備過程是: atom by atom 幾乎所有的現(xiàn)代薄膜材料都是在真空或是在較低的氣體壓力下制備的，都涉及到氣相的產(chǎn)生、輸運(yùn)以及氣相反應(yīng)的過程。u 氣體分子

7、的速度分布: Maxwell-Boltzmann分布 u 氣體的壓力: 理想氣體的狀態(tài)方程u 氣體分子的自由程、碰撞頻率: 21dnavfH2和Al原子在不同溫度下的速度分布典型值：在T=300K時(shí)，空氣分子的平均運(yùn)動(dòng)速度: va 460m/sf vMRTvM vRT( )4(2)e32222u 大氣壓: atm, kg/cm2, baru Pa: N/m2u Torr: mmHg1atm = 1000mbar = 0.1MPa1Torr = 133Pa薄膜技術(shù)領(lǐng)域：從10-7Pa到105Pa，覆蓋了12個(gè)數(shù)量級(jí) 空氣分子的有效截面半徑d 0.5nm。 在常溫常壓下，氣體分子的平均自由程 50

8、nm，每個(gè)空氣分子每秒鐘內(nèi)要經(jīng)歷1010次碰撞。 在氣體壓力低于10-4Pa的情況下，其平均自由程 50m，每個(gè)空氣分子每秒鐘內(nèi)只經(jīng)歷10次碰撞；氣體分子間的碰撞幾率已很小，氣體分子的碰撞將主要是其與容器器壁之間的碰撞。氣體分子對(duì)單位面積表面的碰撞頻率，稱單位面積上氣體分子的通量氣體分子的通量（Knudsen方程）N pMRTA2p 氣體壓力高時(shí)，分子頻繁碰撞物體表面；p 氣體壓力低時(shí)，分子對(duì)物體表面的碰撞可以忽略氣體分子的通量（Knudsen方程） 假設(shè)每個(gè)向表面運(yùn)動(dòng)來的氣體分子都是雜質(zhì)，而每個(gè)雜質(zhì)氣體分子都會(huì)被表面所俘獲，則可估計(jì)出不同的真空環(huán)境中，清潔表面被雜質(zhì)氣體分子污染所需要的時(shí)間為

9、：在常溫常壓下， 3.510-9秒；10-8Pa時(shí)， 10 小時(shí) 這一方面說明了真空環(huán)境的重要性。同時(shí),氣體分子通量還決定了薄膜的沉積速率。在薄膜技術(shù)領(lǐng)域，人為地將真空環(huán)境粗略地劃分為:u低真空 102 Pau中真空 102 10-1 Pau高真空 10-1 10-5 Pau超高真空 10-5 Pa真空度的劃分氣體流動(dòng)狀態(tài)與氣體壓力、真空容器尺寸的關(guān)系根據(jù)Knudsen準(zhǔn)數(shù)Kn:uKn110 粘滯流狀態(tài)KnD粘滯態(tài)氣流的兩種不同的流動(dòng)狀態(tài)根據(jù)Reynolds準(zhǔn)數(shù)Re: Re2200 紊流狀態(tài) Re1200 層流狀態(tài)vDRe真空系統(tǒng)中，氣體的通過能力稱之為流導(dǎo)C真空系統(tǒng)的導(dǎo)流能力 流導(dǎo)CQpp1

10、2流導(dǎo)C的大小取決于u 真空系統(tǒng)(管路)的幾何尺寸u 氣體的種類與溫度u 氣體的流動(dòng)狀態(tài)(分子流或粘滯流) 如對(duì)分子流, 一個(gè)處于兩直徑很大的管路之間的通孔的流導(dǎo)為C AnARTM2n不同形狀管路的流導(dǎo)已被編制成圖表n不同流導(dǎo)C1、C2、C3間可相互串聯(lián)或并聯(lián)，構(gòu)成總流導(dǎo)C串聯(lián)流導(dǎo)：并聯(lián)流導(dǎo)： （就象描述氣體流動(dòng)的歐姆定律）真空系統(tǒng)的導(dǎo)流能力 流導(dǎo)1111123CCCCCCCC123 為獲得真空環(huán)境，需要選用不同的真空泵，而它們的一個(gè)主要指標(biāo)是其抽速Sp，其定義為 ( L/s )真空泵的抽速Sp與管路的流導(dǎo)C有著相同的物理量綱，且二者對(duì)維持系統(tǒng)的真空度起著同樣重要的作用真空泵的抽速pQSp有限

11、流導(dǎo)情況下真空泵的抽速CSCSpQSPP當(dāng)真空管路流導(dǎo)為有限，真空容器出口與真空泵入口處的氣體壓力不相等，但氣體流量相等。泵的實(shí)際抽速S降低為即抽速S永遠(yuǎn)小于泵的理論抽速Sp，且永遠(yuǎn)小于管路流導(dǎo)C。即S受Sp和C二者中較小的一個(gè)所限制。真空泵可以達(dá)到的極限真空度p tppp )iSptV( )(e00 實(shí)際的真空系統(tǒng)總存在氣體回流、氣體泄露、氣體釋放等現(xiàn)象。設(shè)其等效的氣體流量Qp 0 ，并忽略管路流阻(流導(dǎo)C為無窮大，p=pp)，則氣壓隨時(shí)間的變化曲線為0SQpPp0則極限真空度:真空泵的分類u輸運(yùn)式（排出式） 機(jī)械式 氣流式u捕獲式（內(nèi)消式） 可逆式 不可逆式旋片式機(jī)械真空泵的外形圖(機(jī)械式

12、)旋片式機(jī)械真空泵的結(jié)構(gòu)示意圖鎮(zhèn)氣閥：空氣可通過此閥摻入排氣室以降低壓縮比，從而使大部分蒸汽不致凝結(jié)而和摻入的氣體一起被排除泵外。旋片式機(jī)械真空泵的抽速曲線 極限真空度可達(dá)10-1Pa左右，但有油污染問題羅茨泵的外形圖(機(jī)械式) 羅茨泵的結(jié)構(gòu)示意圖 p羅茨泵不使用油作密封介質(zhì)，少油污染p其適用的壓力范圍是在0.1-1000Pa之間 羅茨泵組成的真空機(jī)組的外形圖 羅茨泵可與旋片式機(jī)械泵串聯(lián)成真空機(jī)組使用，降低每臺(tái)泵的負(fù)荷，擴(kuò)大可獲得的真空度范圍羅茨泵組成的真空機(jī)組的抽速曲線組成機(jī)組使其極限真空度提高到10-2Pa油擴(kuò)散泵的外形圖(氣流式)油擴(kuò)散泵的結(jié)構(gòu)示意圖 擴(kuò)散泵油在高溫下會(huì)發(fā)生氧化，因此擴(kuò)散

13、泵需要在優(yōu)于10-2Pa的較高真空度下工作油擴(kuò)散泵組成的真空機(jī)組的外形圖 由擴(kuò)散泵組成真空機(jī)組，其極限真空可達(dá)110-5Pa，但油污染的問題較為嚴(yán)重渦輪分子泵的外形圖(機(jī)械式) 渦輪分子泵的結(jié)構(gòu)示意圖 渦輪分子泵運(yùn)轉(zhuǎn)速度極高，因此需要在優(yōu)于1Pa的較高真空度下運(yùn)轉(zhuǎn)渦輪分子泵的抽速曲線 渦輪分子泵的極限真空度達(dá)10-8Pa，適用的壓力范圍在110-8Pa之間 低溫吸附 (液氦冷凝) 泵的外形圖(捕獲式)低溫吸附 (液氦冷凝) 泵的結(jié)構(gòu)示意圖 低溫吸附泵的極限真空度可達(dá)10-8Pa。其效能取決于所用的低溫溫度、被吸附氣體的種類、數(shù)量、吸附表面的面積等濺射離子泵的外形圖(捕獲式) 濺射離子泵的結(jié)構(gòu)示

14、意圖 濺射離子泵的極限真空度可以達(dá)到10-9Pa隔膜真空泵的外形圖 隔膜泵的能力較小(1L/s) ，極限真空度較差(100Pa)，但無油污染問題干泵系統(tǒng)的外形圖 干泵的能力較大(100L/s) ，極限真空度較高(10-2Pa)，無嚴(yán)重的油污染問題常用真空泵的工作范圍不同泵種的工作壓力范圍不同。因而常將兩種或三種真空泵結(jié)合起來組成真空機(jī)組真空測(cè)量方法的分類 (各種物理的方法)u 熱電勢(shì)法u 電阻法u 電離法u 電容法u 熱偶式的真空規(guī)熱偶規(guī)僅適用于0.1100Pa的低真空范圍低真空范圍 Pt皮拉尼電阻真空規(guī)皮拉尼電阻真空規(guī)(熱阻式熱阻式真空規(guī)真空規(guī))皮拉尼電阻真空規(guī)其原理、真空測(cè)量范圍與熱偶規(guī)相似電離式真空規(guī)電離式真空規(guī)電離真空規(guī)可測(cè)量的壓力范圍為1Pa-10-7Pa薄膜式電容真空規(guī)薄膜式電容真空規(guī)薄膜規(guī)線性度好，但其探測(cè)下限約為10-3Pa壓阻式真空規(guī)利用Si元件的壓阻特性，測(cè)量范圍10-105Pa常用真空測(cè)量方法的適用范圍不同的真空測(cè)量方法所適用的壓力范圍不同。因此常將不同的方法結(jié)合起來使用，拓寬壓力測(cè)量的范圍。例一：薄膜制備系統(tǒng): 金屬噴鍍儀金屬噴鍍儀的真空系統(tǒng)參數(shù)u 真空室：4.75英寸H4.75英寸u 真空泵：雙級(jí)旋片機(jī)械泵 極限真空度：610-2Pa 抽速： 0.5L/s u 真空計(jì)：皮拉尼電阻真空規(guī) （0.1Pa-大氣壓）例二：薄膜制備系統(tǒng): 分子束外延設(shè)備u