《真空及薄膜基礎》課件

《真空及薄膜基礎》課程簡介本課程旨在介紹真空技術與薄膜技術的基本原理、工藝流程和應用領域。課程大綱介紹真空基礎真空的概念真空中的物理過程真空的產(chǎn)生方法真空泵的工作原理真空測量方法真空系統(tǒng)設計薄膜基礎薄膜的概念和分類薄膜的制備方法薄膜的結構與性能薄膜的應用領域真空的概念真空是指一個空間內(nèi)氣體分子密度遠低于大氣壓力的狀態(tài)。真空度是指真空環(huán)境中氣體分子密度與標準大氣壓下的氣體分子密度的比值。真空度越高，空間內(nèi)氣體分子越稀疏，接近于理想的真空狀態(tài)。真空中的基本物理過程1氣體分子運動隨機運動，相互碰撞2分子間作用力范德華力，氫鍵3氣體分子與壁面相互作用吸附，解吸，反彈真空的產(chǎn)生方法1機械泵通過機械運動抽取氣體,常用于初級抽真空。2分子泵利用高速旋轉的葉輪將氣體分子帶走,可獲得高真空。3離子泵通過電離氣體分子并使之沉積在陰極上,可獲得極高真空。4吸附泵利用固體吸附劑吸附氣體分子,可獲得高真空。真空泵的工作原理1抽氣過程真空泵通過降低氣體壓力來創(chuàng)造真空環(huán)境，從而使氣體從工作腔中抽出。2壓縮氣體抽出的氣體被壓縮，然后被排放到大氣中或收集起來。3工作原理不同的真空泵使用不同的機制來抽氣和壓縮氣體，例如機械泵、分子泵、離子泵等。機械真空泵的類型及應用往復式真空泵廣泛應用于各種真空系統(tǒng)，包括實驗室研究、工業(yè)生產(chǎn)、半導體制造等旋片式真空泵適用于需要較高的抽速和真空度的場合，如真空鍍膜、電子束蒸發(fā)等滑閥式真空泵具有較高的抽氣效率，適合用于需要大流量抽氣的場合，如真空干燥、真空包裝等分子泵的工作原理及特點氣體分子運動分子泵利用高速旋轉的轉子葉片，將氣體分子從低壓區(qū)抽到高壓區(qū)，從而實現(xiàn)真空抽取。高速旋轉分子泵的轉子葉片以高速旋轉，通常轉速可達每分鐘數(shù)萬轉，從而產(chǎn)生強大的抽氣能力。無油污染分子泵的工作原理不涉及油脂，因此不會產(chǎn)生油蒸氣污染，適用于對真空環(huán)境要求較高的場合。離子泵的結構及性能結構離子泵主要由陰極、陽極和磁場組成。陰極通常采用鈦金屬或鉭金屬制成，陽極通常采用不銹鋼或鉬金屬制成。性能離子泵具有抽速高、極限真空度低、無油污染、使用壽命長等優(yōu)點。真空測量的基本原理1壓力真空度通常用壓力表示，單位為帕斯卡(Pa)或托(Torr).2氣體分子密度真空度越高，氣體分子密度越低，意味著氣體分子之間的碰撞頻率更低。3平均自由程在真空中，氣體分子的平均自由程隨著壓力的降低而增加。真空計的分類及特點熱陰極電離真空計測量范圍為10-3-10-10Pa，具有較高的靈敏度和精度，但需要加熱陰極，容易受污染。冷陰極電離真空計測量范圍為10-1-10-8Pa，結構簡單，無需加熱，但靈敏度和精度較低。機械真空計測量范圍為102-10-1Pa，結構簡單，價格低廉，但靈敏度和精度較低。真空系統(tǒng)的構成及設計1真空室真空室是整個真空系統(tǒng)的核心，用來容納被抽取的氣體和進行各種工藝操作。2真空泵真空泵是真空系統(tǒng)的重要組成部分，用來降低真空室內(nèi)的氣體壓力。3真空測量儀表真空測量儀表用來監(jiān)測真空室內(nèi)的壓力變化，確保工藝過程的正常進行。真空系統(tǒng)的設計要根據(jù)具體的應用場景和工藝要求進行，例如，需要考慮真空室的尺寸、材料、真空度、工作壓力等因素。真空泄漏的檢測方法使用真空計監(jiān)測系統(tǒng)壓力變化，識別泄漏點。利用氦氣等惰性氣體進行泄漏檢測，提高檢測靈敏度。采用光學檢測方法，例如紫外光泄漏檢測，定位泄漏位置。真空系統(tǒng)的維護與保養(yǎng)定期清潔定期清潔真空系統(tǒng)內(nèi)部，去除灰塵和雜質，確保系統(tǒng)性能穩(wěn)定。更換油液定期更換真空泵油，保持油液清潔度，延長泵的使用壽命。檢查密封定期檢查真空系統(tǒng)密封性，及時修復泄漏，避免氣體進入系統(tǒng)。薄膜的概念和分類薄膜是指在固體基底表面上沉積的，厚度在納米到微米量級的物質層。薄膜材料根據(jù)其組成和性質可以分為多種類型，主要包括：金屬薄膜半導體薄膜絕緣薄膜復合薄膜薄膜的制備方法物理氣相沉積PVD，例如濺射、蒸鍍等，利用物理方法將材料原子或分子轉移到基底表面，形成薄膜?；瘜W氣相沉積CVD，利用化學反應在基底表面生成薄膜，例如等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）。溶液法利用溶液中的物質在基底表面發(fā)生反應或沉積，形成薄膜，例如旋涂、浸涂等。其他方法例如分子束外延、脈沖激光沉積等，用于制備特殊性能的薄膜。濺射薄膜的制備原理1靶材首先，將待沉積材料制成靶材，放置在真空腔室內(nèi)。2氣體在腔室內(nèi)充入惰性氣體，例如氬氣，作為工作氣體。3放電在靶材和基底之間施加高壓，使氣體發(fā)生電離，形成等離子體。4轟擊等離子體中的離子加速轟擊靶材，使靶材表面的原子或分子濺射出來。5沉積濺射出來的原子或分子沉積在基底表面，形成薄膜?；瘜W氣相沉積法的特點高純度化學氣相沉積法可以通過控制氣體原料的純度和反應條件，制備高純度的薄膜。均勻性化學氣相沉積法可以制備均勻性較好的薄膜，適合大面積薄膜的制備。多功能性化學氣相沉積法可以制備多種薄膜材料，包括金屬、氧化物、氮化物、碳材料等。薄膜的結構與性能結構薄膜的結構是指其原子或分子在空間上的排列方式。晶體結構在晶體薄膜中，原子或分子以周期性的方式排列。非晶體結構非晶體薄膜的原子或分子排列無序，沒有周期性。性能薄膜的性能取決于其結構和成分。薄膜的光學特性薄膜的光學特性，如折射率、透射率和反射率，對薄膜的應用至關重要薄膜的電學特性電阻率導電性介電常數(shù)介電強度電導率電流密度薄膜的機械特性硬度薄膜硬度是抵抗外力形變的能力，可通過壓痕法測量。不同薄膜材料的硬度差異顯著，例如金剛石薄膜硬度很高，而金屬薄膜則較低。彈性模量彈性模量反映薄膜材料在外力作用下發(fā)生彈性形變的能力，可通過納米壓痕測試等方法測量。彈性模量越大，薄膜材料越不容易變形。薄膜的磁學特性特性描述磁化強度薄膜材料在磁場作用下磁化的程度，與材料的磁性強弱有關。磁化易軸薄膜材料最容易被磁化的方向，與薄膜的結構和制備工藝有關。磁滯回線描述薄膜材料在磁場作用下磁化和退磁過程的曲線，反映材料的磁化特性。磁各向異性薄膜材料在不同方向上的磁化難易程度不同，與薄膜的結構和制備工藝有關。薄膜應用領域綜述半導體薄膜技術在半導體器件制造中發(fā)揮著關鍵作用，例如晶體管、集成電路等。光電子薄膜材料在光電子器件中應用廣泛，如太陽能電池、光學傳感器等。儲能薄膜材料用于制造高性能電池，例如鋰離子電池、超級電容器等。腐蝕防護薄膜材料可以有效地提高金屬材料的耐腐蝕性，延長其使用壽命。薄膜在半導體領域的應用集成電路薄膜技術在集成電路制造中至關重要，用于制造各種器件層，例如絕緣層、導電層和金屬互連層。晶體管薄膜沉積技術可用于制造各種類型的晶體管，包括MOSFET、雙極晶體管和薄膜晶體管。太陽能電池薄膜材料用于制造太陽能電池，例如硅基太陽能電池、薄膜太陽能電池和有機太陽能電池。薄膜在光電子領域的應用1光纖通信薄膜材料被廣泛用于光纖制造和光纖器件的制作，例如光纖連接器和光纖傳感器。2光學鍍膜薄膜材料可以用來制造各種光學鍍膜，例如抗反射膜、增透膜和偏振膜，應用于相機鏡頭、望遠鏡和激光器等光學器件。3光電探測薄膜材料可以用來制造光電探測器，例如硅光電二極管和紅外探測器，應用于光學成像、光通信和遙感等領域。薄膜在儲能領域的應用電池薄膜材料可用于制造更高效、更安全的電池，例如鋰離子電池、超級電容器等。燃料電池薄膜可以作為燃料電池的關鍵組件，例如質子交換膜、催化劑載體等。儲能材料薄膜材料具有高表面積、高電化學活性等特點，可用于儲能材料的制備，例如電極材料、隔膜材料等。薄膜在腐蝕防護領域的應用抗腐蝕涂層薄膜可作為抗腐蝕涂層，保護金屬表面免受氧化和腐蝕。例如，在金屬零件上沉積一層氧化鋁薄膜，可以提高其耐腐蝕性。防腐蝕材料某些薄膜材料本身具有良好的防腐蝕性能，如氮化鈦、氮化鉻等。這些薄膜可以作為金屬表面的保護層，防止其腐蝕。薄膜材料的發(fā)展趨勢多功能化薄膜材料正朝著多功能化的方向發(fā)展，兼具多種優(yōu)異性能，例如機械強度、光學性能、電學性能和熱性能等。納米化納米材料的應用為薄膜材料帶來了新的突破，例如納米薄膜材料具有更優(yōu)異的光學、電學和機械