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第5章 无机薄膜材料与制备技术 ppt课件

归档日期:10-28       文本归类:固液推进剂      文章编辑:爱尚语录

  第5章 无机薄膜材料与制备技术 ppt课件_其它_高等教育_教育专区。第四章 无机薄膜材料与制备技 术 ppt课件 1 4.1 薄膜及其特性 ? 一、 薄膜的定义及其特性 ? 二、 薄膜材料的分类 ? 三、 薄膜的结构特征与缺陷 ? 四、 薄膜和基片 ppt课

  第四章 无机薄膜材料与制备技 术 ppt课件 1 4.1 薄膜及其特性 ? 一、 薄膜的定义及其特性 ? 二、 薄膜材料的分类 ? 三、 薄膜的结构特征与缺陷 ? 四、 薄膜和基片 ppt课件 2 ?m 一、 薄膜的定义及其特性 ? 什么是“薄膜”(thin film),多“薄”的 膜才算薄膜? ? 薄膜有时与类似的词汇“涂层”(coating)、 “层”(layer)、“箔”(foil)等有相同 的意义,但有时又有些差别。 ? 通常是把膜层无基片而能独立成形的厚度作 为薄膜厚度的一个大致的标准,规定其厚度 约在1?m左右。 ppt课件 3 薄膜材料的特殊性 ? 同块体材料相比,由于薄膜材料的厚度很薄, 很容易产生尺寸效应,就是说薄膜材料的物性 会受到薄膜厚度的影响。 ? 由于薄膜材料的表面积同体积之比很大,所以 表面效应很显著,表面能、表面态、表面散射 和表面干涉对它的物性影响很大。 ? 在薄膜材料中还包含有大量的表面晶粒间界和 缺陷态,对电子输运性能也影响较大。 ? 在基片和薄膜之间还存在有一定的相互作用, 因而就会出现薄膜与基片之间的粘附性和附着 力问题,以及内应力的问题。 ppt课件 4 (1)表面能级很大 ? 表面能级指在固体的表面,原子周期排列的连续 性发生中断,电子波函数的周期性也受到影响, 把表面考虑在内的电子波函数已由塔姆(Tamm) 在1932年进行了计算,得到了电子表面能级或称 塔姆能级。 ? 像薄膜这种表面面积很大的固体,表面能级将会 对膜内电子输运状况有很大的影响。尤其是对薄 膜半导体表面电导和场效应产生很大的影响,从 而影响半导体器件性能。 ppt课件 5 (2)薄膜和基片的粘附性 ? 薄膜是在基片之上生成的,基片和薄膜之间就会 存在着一定的相互作用,这种相互作用通常的表 现形式是附着(adhesion)。 ? 薄膜的一个面附着在基片上并受到约束作用,因 此薄膜内容易产生应变。若考虑与薄膜膜面垂直 的任一断面,断面两侧就会产生相互作用力,这 种相互作用力称为内应力。 ? 附着和内应力是薄膜极为重要的固有特征。 ppt课件 6 ? 基片和薄膜属于不同种物质,附着现 象所考虑的对象是二者间的边界和界 面。 ? 二者之间的相互作用能就是附着能, 附着能可看成是界面能的一种。附着 能对基片-薄膜间的距离微分,微分最 大值就是附着力。 ppt课件 7 不同种物质原子之间最普遍的相互作用是范德 瓦耳斯力。这种力是永久偶极子、感应偶极子之 间的作用力以及其他色散力的总称。 设两个分子间的上述相互作用能为U,则U可 用下式表示: U ? 3aAaB 2r 6 ? IAIB IA ? IB 式中,r为分子间距离;a为分子的极化率;I为分 子的极化能;下标A、B分别表示A分子和B分子。 用范德瓦耳斯力成功地解释了许多附着现象。 ppt课件 8 设薄膜、基片都是导体,而且二者的费米能级不同, 由于薄膜的形成,从一方到另一方会发生电荷转移, 在界面上会形成带电的双层。此时,薄膜和基片之 间相互作用的静电力F为: ?2 F? ? 2? 0 式中, ? 为界面上出现的电荷密度; ? 0 为真空中的介电常数。 要充分考虑这种力对附着的贡献。 费米能级是绝对零度时电子ppt课的件 最高能级. 9 实验结果表明: ? ①在金属薄膜-玻璃基片系统中,Au薄膜 的附着力最弱; ? ②易氧化元素的薄膜,一般说来附着力 较大; ? ③在很多情况下,对薄膜加热(沉积过 程中或沉积完成之后),会使附着力以 及附着能增加; ? ④基片经离子照射会使附着力增加。 ppt课件 10 ? 一般来说,表面能是指建立一个新的表面 所需要的能量。 ? 金属是高表面能材料,而氧化物是低表面 能材料。 ? 表面能的相对大小决定一种材料是否和另 一种材料相湿润并形成均匀黏附层。 ? 具有非常低表面能的材料容易和具有较高 表面能的材料相湿润。反之,如果淀积材 料具有较高表面能,则它容易在具有较低 表面能衬底上形成原子团(俗称起球)。 ppt课件 11 ? 氧化物具有特殊的作用。即使对一般的金属 来说不能牢固附着的塑料等基片上也能牢固 附着。 ? Si、Cr、Ti、W等易氧化(氧化物生成能大) 物质的薄膜都能比较牢固地附着。 ? 若在上述这些物质的薄膜上再沉积金属等, 可以获得附着力非常大的薄膜。 ? 为增加附着力而沉积在中间的过渡层薄膜称 为胶粘层(glue),合理地选择胶粘层在薄 膜的实际应用是极为重要的。 ppt课件 12 (3)薄膜中的内应力 ? 内应力就其原因来说分为两大类,即固有应力 (或本征应力) 和非固有应力。固有应力来自 于薄膜中的缺陷,如位错。薄膜中非固有应力 主要来自薄膜对衬底的附着力。 ? 由于薄膜和衬底间不同的热膨胀系数和晶格失 配能够把应力引进薄膜,或者由于金属薄膜与 衬底发生化学反应时,在薄膜和衬底之间形成 的金属化合物同薄膜紧密结合,但有轻微的晶 格失配也能把应力引进薄膜。 ppt课件 13 ? 一般说来,薄膜往往是在非常薄的基片上沉积的。 在这种情况下,几乎对所有物质的薄膜,基片都 会发生弯曲。 ? 弯曲有两种类型:一种是弯曲的结果使薄膜成为 弯曲面的内侧,使薄膜的某些部分与其他部分之 间处于拉伸状态,这种内应力称为拉应力。 ? 另一种是弯曲的结果使薄膜成为弯曲的外侧,它 使薄膜的某些部分与其他部分之间处于压缩状态, 这种内应力称为压应力。 ? 如果拉应力用正数表示,则压应力就用负数表示。 ppt课件 14 ? 真空蒸镀膜层的应力值情况比较复杂。 ? 在溅射成膜过程中,薄膜的表面经常处于高速离 子以及中性粒子的轰击之下,在其他参数相同的 条件下,放电气压越低,这些高速粒子的能量越 大。与薄膜相碰撞的高速粒子会把薄膜中的原子 从阵点位置碰撞离位,并进入间隙位置,产生钉 扎效应(pinning effect)。 ? 或者这些高速粒子自己进入晶格之中。这些都是 产生压应力的原因。因此,溅射薄膜中的内应力 与溅射条件的关系很密切。 ppt课件 15 (4)异常结构和非理想化学计量比 特性 ? 薄膜的制法多数属于非平衡状态的制取过 程,薄膜的结构不一定和相图相符合。 ? 规定把与相图不相符合的结构称为异常结 构,不过这是一种准稳(亚稳)态结构, 但由于固体的粘性大,实际上把它看成稳 态也是可以的,通过加热退火和长时间的 放置还会慢慢地变为稳定状态。 ppt课件 16 化合物的计量比,一般来说是完全确定的。但是 多组元薄膜成分的计量比就未必如此了。 当Ta在N2的放电气体中被溅射时,对应于一定的N2 分压,其生成薄膜 TaN x (0 ? x ? 的1) 成分却是任意的。 另外,若Si或SiO在O2的放电中真空蒸镀或溅射, 所得到的薄膜 SiOx (0 ? x ? 1) 的计量比也可能是任意的。 由于化合物薄膜的生长一般都包括化合与分解, 所以按照薄膜的生长 条件,其计量往往变化相当大。 如辉光放电法得到的a- Si1?xOx : H 等,其 x (0 ? x ? 1) 可在很大范围内变化。 因此,把这样的成分偏离叫做非理想化学计量比。 ppt课件 17 (5)量子尺寸效应和界面隧道 穿透效应 ? 传导电子的德布罗意波长,在普通金属 中小于1nm,在金属铋(Bi)中为几十 纳米。在这些物质的薄膜中,由于电子 波的干涉,与膜面垂直运动相关的能量 将取分立的数值,由此会对电子的输运 现象产生影响。 ? 与德布罗意波的干涉相关联的效应一般 称为量子尺寸效应。 ppt课件 18 另外,表面中含有大量的晶粒界面,而界面势垒 V0 比电子能量E要大得多,根据量子力学知识,这些 电子有一定的几率,穿过势垒,称为隧道效应。 电子穿透势垒的几率为: T ? 16 E(V0 V02 ? E) exp ???? 2a h 2m?V0 ? E???? 其中a为界面势垒的宽度。当 V0 ? E 时,则T=0,不发生隧道效应。 在非晶态半导体薄膜的电子导电方面和金刚石薄 膜的场电子发射中,都起重要作用。 ppt课件 19 (6)容易实现多层膜 ? 多层膜是将两种以上的不同材料先后沉积 在同一个衬底上(也称为复合膜),以改 善薄膜同衬底间的粘附性。 ? 如金刚石超硬刀具膜: 金刚石膜/TiC/WC-钢衬底 欧姆接线膜:Au/Al/c-BN/Ni膜/WC-钢衬 底。 ppt课件 20 ? 多功能薄膜: 各膜均有一定的电子功能,如非晶 硅太阳电池: 玻璃衬底/ITO(透明导电膜) /P-SiC/i-?c-Si/n-?c-Si/Al 和 a-Si/a-SiGe 叠层太阳电池:玻璃/ITO/n-a-Si/i-a-Si/Pa-Si/n-a-Si/i-a-SiGe/P-a-Si/Al 至 少 在 8 层以上,总膜厚在0.5微米左右。 ppt课件 21 ? 超晶格膜: 是将两种以上不同晶态物质薄膜按ABAB…… 排列相互重在一起,人为地制成周期性结构后会显 示出一些不寻常的物理性质。如势阱层的宽度减小 到和载流子的德布罗依波长相当时,能带中的电子 能级将被量子化,会使光学带隙变宽,这种一维超 薄层周期结构就称为超晶格结构。 当和不同组分或不同掺杂层的非晶态材料(如 非晶态半导体)也能组成这样的结构,并具有类似 的 量 子 化 特 性 , 如 a-Si : H/a-Si1-xNx : H, aSi : H/a-Si1-xCx : H……。应用薄膜制备方法,很 容易获得各种多层膜和超晶格。 ppt课件 22 二、 薄膜材料的分类 ? 按化学组成分为: 无机膜、有机膜、复合膜; ? 按相组成分为: 固体薄膜、液体薄膜、气体薄膜、胶体薄膜; ? 按晶体形态分为: 单晶膜、多晶膜、微晶膜、 纳米晶膜、超晶 格膜等。 ppt课件 23 按薄膜的功能及其应用领域分为: ? 电学薄膜 ? 光学薄膜 ? 硬质膜、耐蚀膜、润滑膜 ? 有机分子薄膜 ? 装饰膜 、包装膜 ppt课件 24 (1)电学薄膜 ①半导体器件与集成电路中使用的导电材料与介 质薄膜材料:Al、Cr、Pt、Au、多晶硅、硅 化物、SiO2、Si3N4、Al2O3等的薄膜。 ②超导薄膜:特别是近年来国外普遍重视的高温 超导薄膜,例如YBaCuO系稀土元素氧化物超 导薄膜以及BiSrCaCuO系和TlBaCuO系非稀 土元素氧化物超导薄膜。 ③薄膜太阳能电池:特别是非晶硅、CuInSe2和 CdSe薄膜太阳电池。 ppt课件 25 (2)光学薄膜 ①减反射膜 例如照相机、幻灯机、投影仪、电影 放映机、望远镜、瞄准镜以及各种光学仪器透镜 和 棱 镜 上 所 镀 的 单 层 MgF2 薄 膜 和 双 层 或 多 层 (SiO2、ZrO2、Al2O3、TiO2等)薄膜组成的宽 带减反射膜。 ②反射膜 例如用于民用镜和太阳灶中抛物面太阳 能接收器的镀铝膜;用于大型天文仪器和精密光 学仪器中的镀膜反射镜;用于各类激光器的高反 射率膜(反射率可达99%以上)等等。 ppt课件 26 (3)硬质膜、耐蚀膜、润滑膜 ①硬质膜 用于工具、模具、量具、刀具表面的TiN、 TiC、TiB2、(Ti, Al)N、Ti(C, N)等硬质膜,以及 金刚石薄膜、C3N4薄膜和c-BN薄膜。 ②耐蚀膜 用于化工容器表面耐化学腐蚀的非晶镍 膜和非晶与微晶不锈钢膜;用于涡轮发动机叶片 表面抗热腐蚀的NiCrAlY膜等。 ③润滑膜 使用于真空、高温、低温、辐射等特殊 场合的MoS2、MoS2-Au、MoS2–Ni等固体润滑 膜和Au、Ag、Pb等软金属膜。 ppt课件 27 (4)有机分子薄膜 ? 有 机 分 子 薄 膜 也 称 LB ( LangmuirBlodgett)膜,它是有机物,如羧酸及其 盐、脂肪酸烷基族和染料、蛋白质等构成 的分子薄膜,其厚度可以是一个分子层的 单分子膜,也可以是多分子层叠加的多层 分子膜。多层分子膜可以是同一材料组成 的,也可以是多种材料的调制分子膜,或 称超分子结构薄膜。 ppt课件 28 (5)装饰膜、包装膜 ① 广泛用于灯具、玩具及汽车等交通运输工 具、家用电气用具、钟表、工艺美术品、 “金”线、“银”线、日用小商品等的铝膜、 黄铜膜、不锈钢膜和仿金TiN膜与黑色TiC膜。 ② 用于香烟包装的镀铝纸;用于食品、糖果、 茶叶、咖啡、药品、化妆品等包装的镀铝涤 纶薄膜;用于取代电镀或热涂Sn钢带的真 空镀铝钢带等。 ppt课件 29 三、 薄膜的形成过程 1、化学气相沉积薄膜的形成过程 2、真空蒸发薄膜的形成过程 3、 溅射薄膜的形成过程 4、 外延薄膜的生长 ppt课件 30 1、化学气相沉积薄膜的形成过程 ? 化学气相沉积是供给基片的气体,在加热 和等离子体等能源作用下在气相和基体表 面发生化学反应的过程。 ? Spear在1984年提出一个简单而巧妙的模 型,如图1-1所示。 ? 图1-1为典型CVD反应步骤的浓度边界模型 ppt课件 31 图5-12 典型CVD反应步骤的浓度边界模型 ppt课件 32 2、真空蒸发薄膜的形成过程 ? 真空蒸发薄膜的形成一般分为: 凝结过程 核形成与生长过程 岛形成与结合生长过程 ppt课件 33 (一)凝结过程 凝结过程是从蒸发源中被蒸发的气 相原子、离子或分子入射到基体表 面之后,从气相到吸附相,再到凝 结相的一个相变过程。 ppt课件 34 (二) 薄膜的形成与生长 ? 薄膜的形成与生长 有三种形式,如图 1-2所示: (a)岛状生长模式 (b)层状生长模式 (c)层岛结合模式 ppt课件 35 3、 溅射薄膜的形成过程 ? 由于溅射的靶材粒子到达基体表面时有 非常大的能量,所以溅射薄膜的形成过 程与真空蒸发制膜的形成过程有很大差 别。 ? 同时给薄膜带来一系列的影响,除了使 膜与基体的附着力增加以外,还会由于 高能粒子轰击薄膜表面使其温度上升而 改变薄膜的结构,或使内部应力增加等, 另外还可提高成核密度。 ppt课件 36 ? 溅射薄膜常常呈现柱状结构。这种柱状结 构被认为是由原子或分子在基体上具有有 限的迁移率所引起的,所以溅射薄膜的形 成和生长属于有限迁移率模型。 ppt课件 37 4、 外延薄膜的生长 ? 所谓外延,是指在单晶基片上形成单晶结 构的薄膜,而且薄膜的晶体结构与取向都 和基片的晶体结构和取向有关。 ? 外延生长薄膜的形成过程是一种有方向性 的生长。同质外延薄膜是层状生长型。但 并非所有外延薄膜都是层状生长型,也有 岛状生长型。 ppt课件 38 四、 薄膜的结构特征与缺陷 ? 薄膜的结构和缺陷在很大程度上决定着 薄膜的性能,因此对薄膜结构与缺陷的 研究一直是大家十分关注的问题,本节 主要讨论影响薄膜结构与缺陷的因素, 以及对性能的影响。 ppt课件 39 1、薄膜的结构 薄膜结构可分为三种类型: ? 组织结构 ? 晶体结构 ? 表面结构 ppt课件 40 (一)薄膜的组织结构 薄膜的组织结构是指它的结晶形态。 分为四种类型: ? 无定形结构 ? 多晶结构 ? 纤维结构 ? 单晶结构 ppt课件 41 1)无定形结构 ? 非晶态是指构成物质的原子在空间的排列 是一种长程无序、近程有序的结构。形成 无定形薄膜的工艺条件是降低吸附原子的 表面扩散速率,可以通过降低基体温度、 引入反应气体和掺杂的方法实现。 ppt课件 42 ? 基体温度对薄膜的结构有较大的影响。 基体温度高使吸附原子的动能随着增大, 跨越表面势垒的概率增加,容易结晶化, 并使薄膜缺陷减少,同时薄膜的内应力也 会减小,基体温度低则易形成无定形结构 的薄膜。 ppt课件 43 2)多晶结构 ? 多晶结构薄膜是由若干尺寸大小不同的晶粒随机 取向组成的。在薄膜形成过程中生成的小岛就具 有晶体的特征。由众多小岛(晶粒)聚集形成的 薄膜就是多晶薄膜。 ? 多晶薄膜存在晶粒间界。薄膜材料的晶界面积远 大于块状材料,晶界的增多是薄膜材料电阻率比 块状材料电阻率大的原因之一。 ppt课件 44 3)纤维结构 ? 纤维结构薄膜是指具有择优取向的薄膜。 ? 在非晶态基体上,大多数多晶薄膜都倾向于显示 出择优取向。 ? 由于(111)面在面心立方结构中具有最低的表 面自由能,在非晶态基体(如玻璃)上纤维结构 的多晶薄膜显示的择优取向是(111)。 ? 吸附原子在基体表面上有较高的扩散速率,晶粒 的择优取向可发生在薄膜形成的初期。 ppt课件 45 4)单晶结构 ? 单晶薄膜通常是利用外延工艺制造的,外延生长 有三个基本条件: ? 吸附原子必须有较高的表面扩散速率,这就应当 选择合适的外延生长温度和沉积速率; ? 基体与薄膜的结晶相容性,假设基体的晶格常数 为a,薄膜的晶格常数为b,晶格失配数m=(b-a)/a, m值越小,外延生长就越容易实现,但一些实验 发现在m相当大时也可实现外延生长; ? 要求基体表面清洁、光滑、化学稳定性好。 ppt课件 46 (二) 薄膜的晶体结构 ? 在大多数情况下,薄膜中晶粒的晶格结构 与其相同材料的块状晶体是相同的。 ? 但薄膜中晶粒的晶格常数,常常和块状晶体 不同,产生的原因:一是薄膜与基体晶格 常数不匹配;二是薄膜中有较大的内应力 和表面张力。 ppt课件 47 (三) 薄膜的表面结构 ? 薄膜表面都有一定的粗糙度,对光学性能影响较 大。 ? 由于薄膜的表面结构和构成薄膜整体的微型体密 切相关,在基体温度和真空度较低时,容易出现 多孔结构。 ? 所有真空蒸发薄膜都呈现柱状体结构,溅射薄膜 的柱状结构是由一个方向来的溅射粒子流在吸附 原子表面扩散速率很小的情况下凝聚形成的。 ppt课件 48 2、薄膜的缺陷 ? 由于薄膜制备方法多种多样,而不同制膜方法 所获得的薄膜结构也随之不同。如用分子束外 延法(MBE)和有机金属氧化物化学气相沉积 法(MOCVD)所制备的薄膜接近单晶膜,而 且其他方法,如溅射法、蒸发法、微波法、热 丝法等制作的薄膜,有不少为多晶膜和微晶膜, 其中也含有一定的非晶态膜。 ? 在薄膜的生长过程中还存在有大量的晶格缺陷 态和局部的内应力。 ppt课件 49 1、 点缺陷 在基体温度低时或蒸发、凝聚过程中温度的急剧变化会 在薄膜中产生许多点缺陷,这些点缺陷对薄膜的电阻 率产生较大的影响。 2、 位错 薄膜中有大量的位错,位错密度通常可达 1010 ~ 1011cm?2 。 位错与位错的相互作用会在位错线上形成许多 所谓钉扎点, 由于位错处于钉扎状态,因此薄膜的 抗拉强度比大块材料略高一些。 3、 晶粒间界 因为薄膜中含有许多小晶粒,因而薄膜的晶界面积比 块状材料大,晶界增多是薄膜材料电阻率比块状材料 电阻率大的原因之一。 ppt课件 50 ?单晶表面的TLK模型已被低能电子衍射(LEED)等表面分析结果所证实 ppt课件 51 思考题 ? 薄膜材料的定义、分类及主要特性是什么? ? 薄膜的形成与生长有哪三种形式?并用示 意图加以说明。 ppt课件 52 4.2 薄膜制备技术 ? 薄膜制备工艺包括: ? 薄膜制备方法的选择; ? 基体材料的选择及表面处理; ? 薄膜制备条件的选择; ? 结构、性能与工艺参数的关系等。 ppt课件 53 一、基体的选择与基片的清洗方法 (一)基体的选择 ? 在薄膜制备过程中,基体的选择与其他制 备条件同样重要,有时可能更重要,基体 选择的原则是: ppt课件 54 (1)是否容易成核和生长成薄膜; (2)根据不同的应用目的,选择金属 (或合金)、玻璃、陶瓷单晶和塑料等 作基体; (3)薄膜结构与基体材料结构要对应; ppt课件 55 (4)要使薄膜和基体材料的性能相匹配,从 而减少热应力,不使薄膜脱落; (5)要考虑市场供应情况、价格、形状、尺 寸、表面粗糙度和加工难易程度等。 ppt课件 56 (二)基片的清洗方法 ? 由于薄膜厚度很薄,基片表面的平整度、 清洁度都会对所生长的薄膜有影响。基 片表面的任何一点污物都会影响薄膜材 料的性能和生长情况。由此可见,基片 的清洗是十分重要的。 ? 基片的清洗方法主要根据薄膜生长方法 和薄膜使用目的选定,因为基片表面状 态严重影响基片上生长出的薄膜结构和 薄膜物理性质。 ppt课件 57 ? 一般分为去除基片表面上物理附着的污 物的清洗方法和去除化学附着的污物的 清洗方法。 ? 目前,基片清洗方法有:用化学溶剂溶 解污物的方法、超声波清洗法、离子轰 击清洗法、等离子体清洗法和烘烤清洗 法等。 ppt课件 58 二、 真空技术基础 ? 真空技术是制备薄膜的基础,真空蒸发, 溅射镀膜和离子镀等均要求沉积薄膜的 空间要有一定的真空度,因而获得并保 持真空环境是镀膜的必要条件。 ppt课件 59 (一)真空度的划分 ? 为了研究真空和实际应用方便,常把 真空划分为: ? 低线Pa) ? 高线Pa) ? 超高线Pa)四个等级。 ppt课件 60 (二)真空中压强的单位 ? 真空技术中,压强的单位通常是用帕斯卡 (Pa)来表示,这是目前国际上推荐使用 的国际单位制(SI)单位。托(Torr)这一 单位在最初获得真空时就被采用,是真空 技术中的独制单位。两者关系为 1Torr = 133.322 Pa。 ppt课件 61 (三)气体的吸附与脱附 ? 气体吸附:是指固体表面捕获气体分子的 现象。吸附分为物理吸附和化学吸附。 ? 物理吸附:主要靠分子间的相互吸引力, 易脱附,只在低温下有效。 ? 化学吸附:当气体和固体表面原子间生成 化合物时,所产生的吸附作用。不易脱附, 可发生在高温下。 ppt课件 62 (四)真空的获得 ? 即“抽真空”,是利用各种真空泵将被抽 容器中的气体抽出,使该空间的压强低于 一个大气压的过程。 ? 目前常用的设备有:旋转式机械真空泵、 油扩散泵、复合分子泵、分子筛吸附泵、 钛升华泵、溅射离子泵和低温泵等。前三 种属于气体传输泵,后四种属于气体捕获 泵。 ppt课件 63 (五)真空系统 ? 真空系统一般包括待抽空的容器(真空 室)、获得真空的设备(真空泵)、测量 真空的器具(真空计)以及必要的管道、 阀门和其他附属设备。 ? 能使压力从一个大气压力开始变小,进行 排气的泵常称为“前级泵”;另一些却只 能从较低压力抽到更低压力,这些真空泵 常称为“次级泵”。 ppt课件 64 (六)真空测量 ? 测量原理均是利用测定在低气压下与压强有关 的某些物理量,再经变换后确定容器的压强。 ? 当压强改变时,这些和压强有关的特性也随之 变化的物理现象,就是真空测量的基础。 ppt课件 65 ? 任何具体的物理特性,都是在某一压强范 围才最显著。因此,任何方法都有其一定 的测量范围,即为该真空计的“量程”。 目前,还没有一种线Pa整个范围的线 几种真空计的工作原理与测量范围 名称 工作原理 U形管压力计 利用大气与真空压差 水银压缩真空计 根据Boyle定律 电阻真空计 热偶真空计 利用气体分子热传导 热阴极电离真空计 利用热电子电离残余气体 B-A型真空计 潘宁磁控电离计 气体放电管 利用磁场中气体电离与压 强有关的原理 利用气体放电与压强有关 的原理 ppt课件 测量范围/Pa 105~10-2 103-10-4 104~10-2 10-1~10-6 10-1~10-10 1~10-5 103~1 67 4.3 薄膜材料的表征 ? 薄膜材料在应用之前,对其进行表征是 很重要的,一般包括薄膜厚度的测量、 薄膜形貌和结构的表征、薄膜的成分分 析,这些测量分析结果也正是薄膜制备 与使用过程中普遍关心的问题。 ppt课件 68 一、 薄膜厚度的测量 ? 薄膜的厚度是一个重要的参数。 ? 厚度有三种概念: 几何厚度、光学厚度和质量厚度 ? 几何厚度指膜层的物理厚度。 ? 膜厚的测量方法可分为:光学法、机械法 和电学法等。 ppt课件 69 薄膜厚度测量方法 ppt课件 70 (一)薄膜厚度的光学测量法 ? 薄膜厚度的测量广泛用到了各种光学方 法,因为光学方法不仅可被用于透明薄 膜,还可被用于不透明薄膜,不仅使用 方便,而且测量精度较高。 ? 这类方法所依据的原理一般是不同薄膜 厚度造成的光程差引起的光的干涉现象。 ppt课件 71 1.光吸收法 ? 光吸收法主要是通过测量薄膜透射光强 度而确定薄膜的厚度。 ? ? 此法适合于薄膜沉积过程的在线控制, 薄膜厚度均匀性的检测,以及联系薄膜 厚度的测量。 ppt课件 72 2、光干涉法 ? 基本原理是利用不同薄膜厚度所造成的光程 差引起的光的干涉现象。 ? 首先研究一层厚度为d、折射率为n的薄膜 在波长为λ 的单色光源照射下形成干涉的条 件。 ppt课件 73 薄膜对单色光的干涉条件 ppt课件 74 薄膜对单色光的干涉条件 ? 显然要想在P点观察到光的干涉极大,其条件 是直接反射回来的光束与折射后又反射回来的 光束之间的光程差为光波长的整倍数。 ? 其中,N为任意正整数,AB、BC和AN为光束 经过的线路长度(它们分别乘以相应材料的折 射率即为相应的光程),θ 为薄膜内的折射角, 它与入射角 θ ′之间满足折射定律 n?AB ? BC?? AN ? 2nd cos? ? N? sin?? ? nsin? ppt课件 75 ? 观察到干涉极小的条件是光程差等于(N+1/2)λ。 ? 但在实际使用时,还要考虑光在不同物质界面 上反射时的相位移动。具体来说,在正入射和 掠入射的情况下,光在反射回光疏物质中时光 的相位移动相当于光程要移动半个波长,光在 反射回光密物质中时其相位不变。而透射光在 两种情况下均不发生相位变化。 ? 掠射 :光从光疏介质向光密介质传播,入射角 接近于90度时 ppt课件 76 不透明薄膜厚度的测量 ? 如果被研究的薄膜是不透明的,而且在 沉积薄膜时或在沉积之后能够制备出待 测薄膜的一个台阶,那么即可用等厚干 涉条纹或等色干涉条纹的方法方便地测 出台阶的高度。 ppt课件 77 二、薄膜厚度的机械测量法 ? 如果薄膜的面积A、密度? 和质量m可以被精 确测定,由公式 d? m A? ? 就可以计算出薄膜的厚度d。但是,这一方法 的缺点在于它的精度依赖于薄膜的密度以及面 积A的测量精度。但在一般情况下,薄膜的密 度也是需要测量的薄膜性质之一,随着薄膜材 料及其制备工艺的不同,薄膜的密度可以有很 大变化。另外,在衬底不很规则的时候,准确 测量薄膜面积也是不容易做到的。 ppt课件 78 1.表面粗糙度仪法 ? 用直径很小的金刚石触针划过背侧薄膜 的表面,同时记录下触针在垂直方向的 移动情况并画出薄膜表面轮廓的方法被 称为粗糙度仪法。 ? 此法不仅可以被用来测量表面粗糙度, 也可以用来测量薄膜台阶的高度。 ? 缺点:易划伤薄膜,测量误差较大。 ppt课件 79 2.称重法 ? 又称为微量天平法,就是采用微天平直 接测量基片上的薄膜质量,得到质量膜 厚。 ppt课件 80 3、石英晶体振荡法 ? 原理: 是基于石英晶体片的固有频率随其质量 的变化而变化的物理现象。 ppt课件 81 ? The end! ppt课件 82

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