参考书及参考资料网址参考书：,薄膜材料制备原理、技术及应用,
冶金出版社
1998年 5月第一版,2003年 1月第二版邮箱地址,wztang_teaching@yahoo.com.cn
密码,123456
邮箱地址,wztang_teaching@sina.com
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引 言
薄膜材料
薄膜材料的应用
薄膜技术所研究的内容
薄膜材料与纳米技术
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 technology
The market has been estimated at $7.1 billion in 2004
and was projected as $13.5 billion by 2009.
it rises at average annual growth rate of 13.7%.
薄膜材料的定义利用特殊的技术手段,人为制得的、其一维尺度显著小于另外两维尺度的、具有特定性能与用途的材料,
A thin film is a layer of material with a high surface-to-volume
ratio,
It is a very thin coating applied to things that we use everyday.
Thin Films can be made of many different materials and can be
applied to almost any surface,
It is an important and exciting branch of material science.
薄膜材料的特点
一般并不是单独存在的
结合了不同材料的不同特性
种类繁多
需要使用特殊的制备与研究方法为什么要发展薄膜材料三个理由：
不同材料特性的优势互补
微电子技术、光电子技术的发展
功能性结构的微小型化薄膜材料的应用
耐磨、防腐与装饰涂层
光学涂层
光电薄膜
微电子技术
磁存储技术
微机电系统 ……
耐磨、防腐与装饰涂层光学涂层材料光电薄膜材料
P-type Substrate
微电子技术中的薄膜材料,MOSFET
N + N +
PolysiliconThin gate
oxide
Thick
oxides
Interconnect
metal
Heavily doped
region
磁存储技术中的薄膜材料,
磁头与磁记录介质微机电系统中的薄膜材料,
微型反射镜组
Metals,Al,Cu,Au ……
Glass,SiOx,SiNx ……
Ceramics,YBCO,PZT ……
Semiconductors,Si,GaAs ……
Polymers,PE,PMMA ……
Thin films materials may include:
薄膜材料技术的研究内容
薄膜材料的体系、性能与应用
Old preparation procedures include,
Dipping
Spraying
Painting
Electro-deposition
………
早期的薄膜制备方法小结,现代的薄膜材料科学与技术
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,to deposit a uniform layer and to
avoid contamination.
Example,A coater for tool coatings
A coater line for CDs and DVDs
A coating system for hard disks
A clustered coating system for IC
A coater for flat panel displays
第一讲薄膜技术的真空技术基础
Fundamentals of vacuum technology
in thin films techniques
要 点
气体分子运动论的基本概念
真空获得的手段
真空度的测量薄膜材料的制备过程是,
atom by atom
几乎所有的现代薄膜材料都是在真空或是在较低的气体压力下制备的，都涉及到 气相的产生、输运以及气相反应的过程 。
薄膜材料与真空技术
大气压,atm,kg/cm2,bar
Pa,N/m2
Torr,mm·Hg
气体压力的单位与换算
1atm = 1000mbar
= 0.1MPa
1Torr = 133Pa
薄膜技术领域：从 10-7Pa到 105Pa，覆盖了 12个数量级
气体的压力,
理想气体的状态方程
气体分子的速度分布,
Maxwell-Boltzmann分布
气体分子的自由程、碰撞频率,
分子运动学的基本概念
2
1
dn?
avf
H2和 Al原子 在不同温度下的速度分布典型值：在 T=300K
时，空气分子的平均运动速度,
va? 460m/s
f v MRT v
M v
RT( ) 4 (
2 ) e
3
2 2 2
2
气体分子的自由程空气分子的有效截面半径 d? 0.5nm。
在常温常压下，气体分子的 平均自由程
50nm,每个空气分子每秒钟内要经历 1010次碰撞 。
在气体压力低于 10-4Pa的情况下，其 平均自由程?> 50m,每个空气分子 每秒钟内只经历 10次碰撞 ；气体分子间的碰撞几率已很小，
气体分子的碰撞将主要是其与容器器壁之间的碰撞 。
气体流动状态与气体压力、
真空容器尺寸的关系根据 Knudsen准数
Kn:
Kn<1,
分子流状态
Kn>110
粘滞流状态
Kn D
粘滞态气流的两种不同的流动状态根据 Reynolds准数 Re:
Re>2200 紊流状态
Re<1200 层流状态
vD?Re
气体分子对单位面积表面的碰撞频率，称单位面积上气体分子的通量气体分子的通量 （ Knudsen方程）
N p
MRT
A
2?
气体压力高时，分子频繁碰撞物体表面；
气体压力低时，分子对物体表面的碰撞可以忽略气体分子的通量 （ Knudsen方程）
假设每个向表面运动来的气体分子都是杂质，而每个杂质气体分子都会被表面所俘获，
则可估计出不同的真空环境中，清洁表面被杂质气体分子污染所需要的时间为：
在常温常压下, 3.5?10-9秒；
10-8Pa时, 10 小时这一方面说明了真空环境的重要性。同时,
气体分子通量还决定了薄膜的沉积速率。
在薄膜技术领域，人为地将真空环境粗略地划分为,
低真空 >102 Pa
中真空 102?10-1 Pa
高真空 10-1?10-5 Pa
超高真空 <10-5 Pa
真空度的划分真空系统中，气体的通过能力称之为流导 C
真空系统的导流能力 流导
C Qp p
1 2
流导 C的大小取决于
真空系统 (管路 )的几何尺寸
气体的种类与温度
气体的流动状态 (分子流或粘滞流 )
如对分子流,一个处于两直径很大的管路之间的通孔的流导为
C An A RT M 2?
不同形状管路的流导已被编制成图表
不同流导 C1,C2,C3间可相互串联或并联，
构成总流导 C
串联流导：
并联流导：
（就象描述气体流动的欧姆定律）
真空系统的导流能力 流导
1 1 1 1
1 2 3C C C C
C C C C1 2 3
为获得真空环境，需要选用不同的真空泵，而它们的一个主要指标是其抽速 Sp，其定义为
( L/s )
真空泵的抽速 Sp与管路的流导 C有着相同的物理量纲，且二者对维持系统的真空度起着同样重要的作用真空泵的抽速
p
Q
S p?
真空泵可以达到的极限真空度
p t p p p )i
S p t
V( ) ( e
0 0
实际的真空系统总存在 气体回流、气体泄露、气体释放等 现象。设其等效的气体流量 Qp?0，
并忽略管路流阻 (流导 C为无穷大，
p=pp)，则气压随时间的变化曲线为
0
S
Q
p
P
p
0
则 极限真空度,
有限流导情况下真空泵的抽速
CS
CS
p
QS
P
P
当真空管路流导为有限，真空容器出口与真空泵入口处的气体压力不相等，但气体流量相等。泵的实际抽速 S
降低为即抽速 S永远小于泵的理论抽速 Sp,且永远小于管路流导 C。 即 S受 Sp和 C二者中较小的一个所限制。
真空泵的分类
输运式（排出式）
机械式气流式
捕获式（内消式）
可逆式不可逆式旋片式机械真空泵的外形图旋片式机械真空泵的结构示意图镇气阀：空气可通过此阀掺入排气室以降低压缩比，从而使大部分蒸汽不致凝结而和掺入的气体一起被排除泵外。
旋片式机械真空泵的抽速曲线极限真空度可达 10-1Pa左右，但有油污染问题罗茨泵的外形图罗茨泵的结构示意图
罗茨泵不使用油作密封介质，少油污染
其适用的压力范围是在 0.1-1000Pa之间罗茨泵组成的真空机组的外形图罗茨泵可与旋片式机械泵串联成真空机组使用，
降低每台泵的负荷，扩大可获得的真空度范围罗茨泵组成的真空机组的抽速曲线组成机组使其极限真空度提高到 10-2Pa
油扩散泵的外形图油扩散泵的结构示意图扩散泵油在高温下会发生氧化，因此扩散泵需要在优于
10-2Pa的较高真空度下工作油扩散泵组成的真空机组的外形图由扩散泵组成真空机组，其极限真空可达 1?10-5Pa
，但油污染的问题较为严重涡轮分子泵的外形图涡轮分子泵的结构示意图涡轮分子泵运转速度极高，
因此需要在优于 1Pa的 较高真空度下运转涡轮分子泵的抽速曲线涡轮分子泵的极限真空度达 10-8Pa，适用的压力范围在 1?10-8Pa之间隔膜真空泵的外形图隔膜泵的能力较小 (1L/s)，极限真空度较差 (100Pa)
，但无油污染问题干泵系统的外形图干泵的能力较大 (100L/s)，极限真空度较高 (10-2Pa)
，无严重的油污染问题低温吸附 (液氦冷凝 ) 泵的外形图低温吸附 (液氦冷凝 ) 泵的结构示意图低温吸附泵的极限真空度可达 10-8Pa。 其效能取决于所用的低温温度、被吸附气体的种类、数量、吸附表面的面积等溅射离子泵的外形图溅射离子泵的结构示意图溅射离子泵的极限真空度可以达到 10-9Pa
常用真空泵的工作范围不同泵种的工作压力范围不同。因而常将两种或三种真空泵结合起来组成真空机组真空测量方法的分类
(各种物理的方法 )
热电势法
电阻法
电离法
电容法
……
热偶式的真空规热偶规仅适用于 0.1?100Pa的低真空范围皮拉尼电阻真空规皮拉尼电阻真空规其原理、真空测量范围与热偶规相似电离式真空规电离式真空规电离真空规可测量的压力范围为 1Pa-10-7Pa
薄膜式电容真空规薄膜式电容真空规薄膜规线性度好，但其探测下限约为 10-3Pa
压阻式真空规利用 Si元件的压阻特性，测量范围 10-105Pa
常用真空测量方法的适用范围不同的真空测量方法所适用的压力范围不同。因此常将不同的方法结合起来使用，拓宽压力测量的范围。
例一：薄膜制备系统,金属喷镀仪金属喷镀仪的真空系统参数
真空室,?4.75英寸?H4.75英寸
真空泵：双级旋片机械泵极限真空度,6× 10-2Pa
抽速,0.5L/s
真空计,皮拉尼电阻真空规
（ 0.1Pa-大气压）
例二：薄膜制备系统,分子束外延设备
真空室,?28 英寸?H15 英寸
极限真空,< 5?10-8 Torr
真空泵：
低温冷凝泵（或分子泵） 1500L/s
旋片机械泵 12L/s
真空计：电离 规?2，热偶规?2，皮拉尼规?2,薄膜规?1
分子束外延设备的真空系统参数典型薄膜制备系统的结构图第一讲 小结
薄膜材料在现代科技领域占有重要的地位，可作为大家今后作为材料科学家或工程师的职业方向
真空技术是现代薄膜材料技术的基础
不同的薄膜制备方法涉及到不同的真空环境 ——
真空度
不同的真空度需要采用不同的真空获得方法与真空测量方法基本概念复习
为什么在薄膜制备技术的讨论中，先要讨论真空环境与真空技术？
熟悉真空度的物理单位及其相互换算。
根据气体流动状态所表现出的特性，我们是如何划分气体流动状态的？
说明分子通量的物理意义？讨论分子通量是如何影响薄膜纯度和薄膜沉积速率的。
了解真空泵的主要性能指标。
了解主要的真空泵种类。
了解主要的真空测量方法。
简要说明典型薄膜制备系统的组成。
思 考 题
1,使用真空泵系统对 30升的真空系统抽真空到
10-6Torr。关闭真空系统 3分钟后，系统压力升至 10-5Torr。
（ 1）求系统的压力升高率（ Torr·L/s)
（ 2）求使用抽速为 Sp=40L/s的真空泵时，系统可以达到的极限真空度。
2,为电子显微镜和真空退火炉（压力均为 10-5 Torr)
选配真空泵和真空计。设 D=50cm,计算 Kn
和气体分子的运动状态。
思 考 题
3,设薄膜制备设备的气体输入速率为 75Torr·L/min，
若需要保持系统的压力为 1Torr,求需要的真空泵抽气速率 Sp。
4,设 M=12,T=300K,P=10Pa,求薄膜的沉积速率
（ nm/s）。
5,证明：通孔 A在分子流状态时的流导。
6,求证公式（ 1-24），即不同温度点处测量出的气体压力不尽相同。
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引 言
薄膜材料
薄膜材料的应用
薄膜技术所研究的内容
薄膜材料与纳米技术
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 technology
The market has been estimated at $7.1 billion in 2004
and was projected as $13.5 billion by 2009.
it rises at average annual growth rate of 13.7%.
薄膜材料的定义利用特殊的技术手段,人为制得的、其一维尺度显著小于另外两维尺度的、具有特定性能与用途的材料,
A thin film is a layer of material with a high surface-to-volume
ratio,
It is a very thin coating applied to things that we use everyday.
Thin Films can be made of many different materials and can be
applied to almost any surface,
It is an important and exciting branch of material science.
薄膜材料的特点
一般并不是单独存在的
结合了不同材料的不同特性
种类繁多
需要使用特殊的制备与研究方法为什么要发展薄膜材料三个理由：
不同材料特性的优势互补
微电子技术、光电子技术的发展
功能性结构的微小型化薄膜材料的应用
耐磨、防腐与装饰涂层
光学涂层
光电薄膜
微电子技术
磁存储技术
微机电系统 ……
耐磨、防腐与装饰涂层光学涂层材料光电薄膜材料
P-type Substrate
微电子技术中的薄膜材料,MOSFET
N + N +
PolysiliconThin gate
oxide
Thick
oxides
Interconnect
metal
Heavily doped
region
磁存储技术中的薄膜材料,
磁头与磁记录介质微机电系统中的薄膜材料,
微型反射镜组
Metals,Al,Cu,Au ……
Glass,SiOx,SiNx ……
Ceramics,YBCO,PZT ……
Semiconductors,Si,GaAs ……
Polymers,PE,PMMA ……
Thin films materials may include:
薄膜材料技术的研究内容
薄膜材料的体系、性能与应用
Old preparation procedures include,
Dipping
Spraying
Painting
Electro-deposition
………
早期的薄膜制备方法小结,现代的薄膜材料科学与技术
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,to deposit a uniform layer and to
avoid contamination.
Example,A coater for tool coatings
A coater line for CDs and DVDs
A coating system for hard disks
A clustered coating system for IC
A coater for flat panel displays
第一讲薄膜技术的真空技术基础
Fundamentals of vacuum technology
in thin films techniques
要 点
气体分子运动论的基本概念
真空获得的手段
真空度的测量薄膜材料的制备过程是,
atom by atom
几乎所有的现代薄膜材料都是在真空或是在较低的气体压力下制备的，都涉及到 气相的产生、输运以及气相反应的过程 。
薄膜材料与真空技术
大气压,atm,kg/cm2,bar
Pa,N/m2
Torr,mm·Hg
气体压力的单位与换算
1atm = 1000mbar
= 0.1MPa
1Torr = 133Pa
薄膜技术领域：从 10-7Pa到 105Pa，覆盖了 12个数量级
气体的压力,
理想气体的状态方程
气体分子的速度分布,
Maxwell-Boltzmann分布
气体分子的自由程、碰撞频率,
分子运动学的基本概念
2
1
dn?
avf
H2和 Al原子 在不同温度下的速度分布典型值：在 T=300K
时，空气分子的平均运动速度,
va? 460m/s
f v MRT v
M v
RT( ) 4 (
2 ) e
3
2 2 2
2
气体分子的自由程空气分子的有效截面半径 d? 0.5nm。
在常温常压下，气体分子的 平均自由程
50nm,每个空气分子每秒钟内要经历 1010次碰撞 。
在气体压力低于 10-4Pa的情况下，其 平均自由程?> 50m,每个空气分子 每秒钟内只经历 10次碰撞 ；气体分子间的碰撞几率已很小，
气体分子的碰撞将主要是其与容器器壁之间的碰撞 。
气体流动状态与气体压力、
真空容器尺寸的关系根据 Knudsen准数
Kn:
Kn<1,
分子流状态
Kn>110
粘滞流状态
Kn D
粘滞态气流的两种不同的流动状态根据 Reynolds准数 Re:
Re>2200 紊流状态
Re<1200 层流状态
vD?Re
气体分子对单位面积表面的碰撞频率，称单位面积上气体分子的通量气体分子的通量 （ Knudsen方程）
N p
MRT
A
2?
气体压力高时，分子频繁碰撞物体表面；
气体压力低时，分子对物体表面的碰撞可以忽略气体分子的通量 （ Knudsen方程）
假设每个向表面运动来的气体分子都是杂质，而每个杂质气体分子都会被表面所俘获，
则可估计出不同的真空环境中，清洁表面被杂质气体分子污染所需要的时间为：
在常温常压下, 3.5?10-9秒；
10-8Pa时, 10 小时这一方面说明了真空环境的重要性。同时,
气体分子通量还决定了薄膜的沉积速率。
在薄膜技术领域，人为地将真空环境粗略地划分为,
低真空 >102 Pa
中真空 102?10-1 Pa
高真空 10-1?10-5 Pa
超高真空 <10-5 Pa
真空度的划分真空系统中，气体的通过能力称之为流导 C
真空系统的导流能力 流导
C Qp p
1 2
流导 C的大小取决于
真空系统 (管路 )的几何尺寸
气体的种类与温度
气体的流动状态 (分子流或粘滞流 )
如对分子流,一个处于两直径很大的管路之间的通孔的流导为
C An A RT M 2?
不同形状管路的流导已被编制成图表
不同流导 C1,C2,C3间可相互串联或并联，
构成总流导 C
串联流导：
并联流导：
（就象描述气体流动的欧姆定律）
真空系统的导流能力 流导
1 1 1 1
1 2 3C C C C
C C C C1 2 3
为获得真空环境，需要选用不同的真空泵，而它们的一个主要指标是其抽速 Sp，其定义为
( L/s )
真空泵的抽速 Sp与管路的流导 C有着相同的物理量纲，且二者对维持系统的真空度起着同样重要的作用真空泵的抽速
p
Q
S p?
真空泵可以达到的极限真空度
p t p p p )i
S p t
V( ) ( e
0 0
实际的真空系统总存在 气体回流、气体泄露、气体释放等 现象。设其等效的气体流量 Qp?0，
并忽略管路流阻 (流导 C为无穷大，
p=pp)，则气压随时间的变化曲线为
0
S
Q
p
P
p
0
则 极限真空度,
有限流导情况下真空泵的抽速
CS
CS
p
QS
P
P
当真空管路流导为有限，真空容器出口与真空泵入口处的气体压力不相等，但气体流量相等。泵的实际抽速 S
降低为即抽速 S永远小于泵的理论抽速 Sp,且永远小于管路流导 C。 即 S受 Sp和 C二者中较小的一个所限制。
真空泵的分类
输运式（排出式）
机械式气流式
捕获式（内消式）
可逆式不可逆式旋片式机械真空泵的外形图旋片式机械真空泵的结构示意图镇气阀：空气可通过此阀掺入排气室以降低压缩比，从而使大部分蒸汽不致凝结而和掺入的气体一起被排除泵外。
旋片式机械真空泵的抽速曲线极限真空度可达 10-1Pa左右，但有油污染问题罗茨泵的外形图罗茨泵的结构示意图
罗茨泵不使用油作密封介质，少油污染
其适用的压力范围是在 0.1-1000Pa之间罗茨泵组成的真空机组的外形图罗茨泵可与旋片式机械泵串联成真空机组使用，
降低每台泵的负荷，扩大可获得的真空度范围罗茨泵组成的真空机组的抽速曲线组成机组使其极限真空度提高到 10-2Pa
油扩散泵的外形图油扩散泵的结构示意图扩散泵油在高温下会发生氧化，因此扩散泵需要在优于
10-2Pa的较高真空度下工作油扩散泵组成的真空机组的外形图由扩散泵组成真空机组，其极限真空可达 1?10-5Pa
，但油污染的问题较为严重涡轮分子泵的外形图涡轮分子泵的结构示意图涡轮分子泵运转速度极高，
因此需要在优于 1Pa的 较高真空度下运转涡轮分子泵的抽速曲线涡轮分子泵的极限真空度达 10-8Pa，适用的压力范围在 1?10-8Pa之间隔膜真空泵的外形图隔膜泵的能力较小 (1L/s)，极限真空度较差 (100Pa)
，但无油污染问题干泵系统的外形图干泵的能力较大 (100L/s)，极限真空度较高 (10-2Pa)
，无严重的油污染问题低温吸附 (液氦冷凝 ) 泵的外形图低温吸附 (液氦冷凝 ) 泵的结构示意图低温吸附泵的极限真空度可达 10-8Pa。 其效能取决于所用的低温温度、被吸附气体的种类、数量、吸附表面的面积等溅射离子泵的外形图溅射离子泵的结构示意图溅射离子泵的极限真空度可以达到 10-9Pa
常用真空泵的工作范围不同泵种的工作压力范围不同。因而常将两种或三种真空泵结合起来组成真空机组真空测量方法的分类
(各种物理的方法 )
热电势法
电阻法
电离法
电容法
……
热偶式的真空规热偶规仅适用于 0.1?100Pa的低真空范围皮拉尼电阻真空规皮拉尼电阻真空规其原理、真空测量范围与热偶规相似电离式真空规电离式真空规电离真空规可测量的压力范围为 1Pa-10-7Pa
薄膜式电容真空规薄膜式电容真空规薄膜规线性度好，但其探测下限约为 10-3Pa
压阻式真空规利用 Si元件的压阻特性，测量范围 10-105Pa
常用真空测量方法的适用范围不同的真空测量方法所适用的压力范围不同。因此常将不同的方法结合起来使用，拓宽压力测量的范围。
例一：薄膜制备系统,金属喷镀仪金属喷镀仪的真空系统参数
真空室,?4.75英寸?H4.75英寸
真空泵：双级旋片机械泵极限真空度,6× 10-2Pa
抽速,0.5L/s
真空计,皮拉尼电阻真空规
（ 0.1Pa-大气压）
例二：薄膜制备系统,分子束外延设备
真空室,?28 英寸?H15 英寸
极限真空,< 5?10-8 Torr
真空泵：
低温冷凝泵（或分子泵） 1500L/s
旋片机械泵 12L/s
真空计：电离 规?2，热偶规?2，皮拉尼规?2,薄膜规?1
分子束外延设备的真空系统参数典型薄膜制备系统的结构图第一讲 小结
薄膜材料在现代科技领域占有重要的地位，可作为大家今后作为材料科学家或工程师的职业方向
真空技术是现代薄膜材料技术的基础
不同的薄膜制备方法涉及到不同的真空环境 ——
真空度
不同的真空度需要采用不同的真空获得方法与真空测量方法基本概念复习
为什么在薄膜制备技术的讨论中，先要讨论真空环境与真空技术？
熟悉真空度的物理单位及其相互换算。
根据气体流动状态所表现出的特性，我们是如何划分气体流动状态的？
说明分子通量的物理意义？讨论分子通量是如何影响薄膜纯度和薄膜沉积速率的。
了解真空泵的主要性能指标。
了解主要的真空泵种类。
了解主要的真空测量方法。
简要说明典型薄膜制备系统的组成。
思 考 题
1,使用真空泵系统对 30升的真空系统抽真空到
10-6Torr。关闭真空系统 3分钟后，系统压力升至 10-5Torr。
（ 1）求系统的压力升高率（ Torr·L/s)
（ 2）求使用抽速为 Sp=40L/s的真空泵时，系统可以达到的极限真空度。
2,为电子显微镜和真空退火炉（压力均为 10-5 Torr)
选配真空泵和真空计。设 D=50cm,计算 Kn
和气体分子的运动状态。
思 考 题
3,设薄膜制备设备的气体输入速率为 75Torr·L/min，
若需要保持系统的压力为 1Torr,求需要的真空泵抽气速率 Sp。
4,设 M=12,T=300K,P=10Pa,求薄膜的沉积速率
（ nm/s）。
5,证明：通孔 A在分子流状态时的流导。
6,求证公式（ 1-24），即不同温度点处测量出的气体压力不尽相同。
