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. 三個理由：u 不同材料特性的優勢互補u 微電子技術、光電子技術的發展u 功能性結構的微小型化P-type Substrate微電子技術中的薄膜材料微電子技術中的薄膜材料: : MOSFETN +N +PolysiliconThin gate oxideThick oxidesInterconnect metalHeavily doped region磁存儲技術中的薄膜材料

4、磁存儲技術中的薄膜材料: : 磁頭與磁記錄介質磁頭與磁記錄介質微機電系統中的薄膜材料微機電系統中的薄膜材料: : 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手段； n 薄膜材料的結構理論； n 薄膜材料的表征技術； n 薄膜材料的體系、性能與應用 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，都涉及到氣相的產生、輸運以及氣相反應的過程。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，空氣分子的平均運動速度: va 460m/sf vMRTvM vRT( )4(2)e32222u 大氣壓: atm, kg/cm2, baru Pa: N/m2u Torr: mmHg1atm = 1000mbar = 0.1MPa1Torr = 133Pa薄膜技術領域：從10-7Pa到105Pa，覆蓋了12個數量級 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，每個空氣分子每秒鐘內要經歷1010次碰撞。 在氣體壓力低于10-4Pa的情況下，其平均自由程 50m，每個空氣分子每秒鐘內只經歷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，分子頻繁碰撞物體表面；p 氣體壓力低時，分子對物體表面的碰撞可以忽略氣體分子的通量（Knudsen方程） 假設每個向表面運動來的氣體分子都是雜質，而每個雜質氣體分子都會被表面所俘獲，則可估計出不同的真空環境中，清潔表面被雜質氣體分子污染所需要的時間為

9、：在常溫常壓下， 3.510-9秒；10-8Pa時， 10 小時 這一方面說明了真空環境的重要性。同時,氣體分子通量還決定了薄膜的沉積速率。在薄膜技術領域，人為地將真空環境粗略地劃分為: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狀態與氣體壓力、真空容器尺寸的關系根據Knudsen準數Kn:uKn110 粘滯流狀態KnD粘滯態氣流的兩種不同的流動狀態根據Reynolds準數Re: Re2200 紊流狀態 Re1200 層流狀態vDRe真空系統中，氣體的通過能力稱之為流導C真空系統的導流能力 流導CQpp1

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

11、流導情況下真空泵的抽速CSCSpQSPP當真空管路流導為有限，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。泵的實際抽速S降低為即抽速S永遠小于泵的理論抽速Sp，且永遠小于管路流導C。即S受Sp和C二者中較小的一個所限制。真空泵可以達到的極限真空度p tppp )iSptV( )(e00 實際的真空系統總存在氣體回流、氣體泄露、氣體釋放等現象。設其等效的氣體流量Qp 0 ，并忽略管路流阻(流導C為無窮大，p=pp)，則氣壓隨時間的變化曲線為0SQpPp0則極限真空度:真空泵的分類u輸運式（排出式） 機械式 氣流式u捕獲式（內消式） 可逆式 不可逆式旋片式機械真空泵的外形圖(機械式

12、)旋片式機械真空泵的結構示意圖鎮氣閥：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而和摻入的氣體一起被排除泵外。旋片式機械真空泵的抽速曲線 極限真空度可達10-1Pa左右，但有油污染問題羅茨泵的外形圖(機械式) 羅茨泵的結構示意圖 p羅茨泵不使用油作密封介質，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組的外形圖 羅茨泵可與旋片式機械泵串聯成真空機組使用，降低每臺泵的負荷，擴大可獲得的真空度范圍羅茨泵組成的真空機組的抽速曲線組成機組使其極限真空度提高到10-2Pa油擴散泵的外形圖(氣流式)油擴散泵的結構示意圖 擴散泵油在高溫下會發生氧化，因此擴散

13、泵需要在優于10-2Pa的較高真空度下工作油擴散泵組成的真空機組的外形圖 由擴散泵組成真空機組，其極限真空可達110-5Pa，但油污染的問題較為嚴重渦輪分子泵的外形圖(機械式) 渦輪分子泵的結構示意圖 渦輪分子泵運轉速度極高，因此需要在優于1Pa的較高真空度下運轉渦輪分子泵的抽速曲線 渦輪分子泵的極限真空度達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) 泵的結構示意圖 低溫吸附泵的極限真空度可達10-8Pa。其效能取決于所用的低溫溫度、被吸附氣體的種類、數量、吸附表面的面積等濺射離子泵的外形圖(捕獲式) 濺射離子泵的結構示

14、意圖 濺射離子泵的極限真空度可以達到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的外形圖 干泵的能力較大(100L/s) ，極限真空度較高(10-2Pa)，無嚴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合起來組成真空機組真空測量方法的分類 (各種物理的方法)u 熱電勢法u 電阻法u 電離法u 電容法u 熱偶式的真空規熱偶規僅適用于0.1100Pa的低真空范圍低真空范圍 Pt皮拉尼電阻真空規皮拉尼電阻真空規(熱阻式熱阻式真空規真空規)皮拉尼電阻真空規其原理、真空測量范圍與熱偶規相似電離式真空規電離式真空規電離真空規可測量的壓力范圍為1Pa-10-7Pa薄膜式電容真空規薄膜式電容真空規薄膜規線性度好，但其探測下限約為10-3Pa壓阻式真空規利用Si元件的壓阻特性，測量范圍10-105Pa常用真空測量方法的適用范圍不同的真空測量方法所適用的壓力范圍不同。因此常將不同的方法結合起來使用，拓寬壓力測量的范圍。例一：薄膜制備系統: 金屬噴鍍儀金屬噴鍍儀的真空系統參數u 真空室：4.75英寸H4.75英寸u 真空泵：雙級旋片機械泵 極限真空度：610-2Pa 抽速： 0.5L/s u 真空計：皮拉尼電阻真空規 （0.1Pa-大氣壓）例二：薄膜制備系統: 分子束外延設備u