当前课程知识点:材料学概论 > 第13讲 薄膜技术及薄膜制备技术 > 13.1 薄膜的定义和薄膜形成的必要条件 > 13.1.2 获得薄膜的三个必要条件
我上一个问题
讲了一下薄膜的一些
最基本的这个概念
最基本的概念
薄膜是怎么定义的
薄膜是怎么定义的
现在我们讲
获得薄膜的三个必要条件
我这里边讲的这个薄膜
主要是讲的气相沉积的
这个气相沉积
我先讲这个原理
主要是以什么
以蒸镀为例
讲薄膜沉积的三个必要条件
气相沉积以蒸镀为例
实现薄膜的三个必要条件
是什么
三条
热的蒸发源冷的基板
和真空环境
我再说一遍
热的蒸发源 冷的基板
和真空环境
为什么要用热的基板
我们可以举个例子
在冬天我们用一个火炉
来坐开水
那么这个房间里边有玻璃
你们看
那么玻璃上要想结出
结霜结露
我们把它认为是就是沉积
那需要什么条件
那么很显然
要有一个火炉
把这个水烧开
这个水变成蒸汽
蒸汽玻璃窗外边是凉的
玻璃很凉
因此它会在玻璃表面上
结霜或者结露
结霜结露
那么这两个条件很清楚了
有热的蒸发源 冷的基板
如果是外边的温度很高
那么它不会在窗玻璃表面上
结霜结露
如果你不用火炉加热这个水
水蒸发不出来
没有足够的蒸汽量
它也不会在窗玻璃表面上
结霜结露
所以我们看清楚
热的蒸发源
主要是加热到一定的温度
使这个材料达到一定的
饱和蒸气压
有了一定的饱和蒸气压
才能这个物质才能蒸发出来
那么冷的基板是什么意思
就是冷的基板使它这个热量
可以充分的放出来
那么热量放出来
使它从气态变成什么 液态
甚至变成固态
如果想象玻璃窗的温度
很高
这些蒸汽即使蒸发在
沉积在上面去也会蒸发出来
所以首先我强调一遍
热的蒸发源冷的基板
这是薄膜沉积的两个必要条件
那么第三个必要条件
为什么要用真空的环境
我们就讲一讲什么叫真空
什么叫真空
可能同学们有的讲了
什么也不存在的叫做真空
这个定义是错误的
什么叫真空
凡是低于一个标准大气压的
气体状态就叫做真空
从这个意义上讲
我们人的肺也是真空
一个真空
因为你一吸气
它的气压比大气压低了
它气体就进去了
那么为什么要用真空
在真空的环境当中
我们讲了这个关于真空
关于真空的定义
刚才讲了低于一个大气压的
气体状态叫真空
就是压力低
第二个概念就是空气稀薄
压力低空气稀薄
对我们薄膜沉积来讲
不是最关键的问题
最关键的问题
它是平均自由程低(小)
最关键的问题
它是什么
它是这个平均自由程
平均自由程小
那么什么叫平均自由程
什么叫做平均自由程
就是在气体当中
气体分子碰撞平均的距离
平均的概念
大量的平均对一个
要多次平均 平均自由程
平均自由程要小
好 我刚才讲了什么叫真空
低于一个标准大气压的
就叫真空
真空气压比一个大气压低
它的什么 空气稀薄
它肯定是什么
比标准大气压的空气要
这个分子的密度要低了
但是这两个不是最关键的
最关键的问题
我们利用真空
它的平均自由程要大
什么叫平均自由程
就是气体分子
多次碰撞当中的多个分子
所有的分子都平均
然后把一个分子的
碰撞过程当中
时间很长的进行平均
平均两次碰撞之间的距离
距离
那么这个
跟气压成反比
气压越高
它的分子自由程越小
气压越低
它的平均自由程越大
那么为什么要平均自由程
要大
这里面有原因是什么
就是说你如果平均自由程
很小
蒸发出来的这些镀料的原子
它就会与残留的气体相碰撞
这一碰撞
就被散射到四处去了
你想沉积在基板上
它不会直线的沉积在基板上去
这是第一条
第二条 如果分子自由程
很小了
沉积出来的这些原子
就会跟气氛当中的
氧氮这些活动
活泼的气体发生反应
你想沉积的是金属
结果沉积的不是金属了
没有金属了
它变成化合物了
是不是
第三条
如果你平均自由程很小
那么大量的气体分子
就会碰撞你的基板
你的基片
这个基片表面
它就会沉积好多吸附好多
残留气体
那么你沉积的过程当中
第一是沉积的散射到
四面八方去了
第二条 变成化合物了
第三条 在沉积的过程当中
老有这个杂质原子
往里一块沉积 一块沉积
它表面上就不清洁了不干净了
从这三个理由来讲
这个真空是绝对必要的
真空是绝对必要的
那么平均自由程
我不太清楚同学们知道
大气当中的平均自由程
大概是多少
有概念吗
如果没有概念
我就这么说
在气体当中
标准大气压下
它的平均自由程
大概是66个纳米
66个纳米怎么个概念
66纳米大概是多少
如果人的头发丝
普通人的头发丝
是六七十个微米
那么66个纳米就相当于
头发丝直径的千分之一
也就是在头发丝
这么小的距离上
头发丝直径小的距离上
它要发生一千次碰撞
因此它这个平均自由程
是非常之小 非常之小的
你要想增大这个平均自由程
必须怎么样
必须把它的真空度提高
把它的真空度提高
它的密度降下来
真空度提高 真空度提高
真空度提高
那么提高到什么程度
注意 提高到看看这个图
提高到气体分子
跟器壁碰撞是主要的
而气体分子之间的碰撞
是次要的
那个时候就达到了你
可用的这个真空度了
可用的真空度了
注意 我说的这个概念
尽管我说的很通俗
实际上包含的道理
不是通俗的
同学们要注意
就是说使气体分子
跟器壁碰撞的这个自由程
是主要的了
跟气体器壁碰撞是主要的
而气体分子之间的碰撞
是次要的了
这个时候以后才能达到
这个真空度
才是你需要的真空度
那么这个真空度
大概是多少
我认为比方说
在真空室当中
一般真空室是450的
450是怎么意思
就是一般的人站在这
得眼睛正好看着这个窗口
那么它大概是450嘛
它的直径是不到一米的样子
就是这么大的一个真空室
那么起码这个平均自由程
就比这个还要大才行
这个还要大
实际上你就抽真空嘛
我们知道平常的
我们一个大气压
是10的5次方帕
10的5次方帕
那你抽真空嘛
你在这个时候降5个数量级
六个数量级七个数量级
往下降嘛
一降它自由程
就上去了
所以我们要在这个
真空蒸镀过程当中必须抽真空
必须抽真空
抽到这个多高的真空度
下边我们后边还要讲
所以一般的来讲
我们要抽真空
一定是看这个图上
在真空度比较高的时候
分子自由程小的时候
它是粘滞流
它是以气体分子之间的
碰撞为主
我们必须要达到分子流
以气体分子与器壁之间的碰撞
为主的时候才能实现蒸镀
才能蒸镀
这样就解决我
刚才讲的三个问题了
哪三个问题
热的蒸发源蒸发出来的原子
它以直线的速度沉积在基板上
第二条在从蒸发源到基板的
沉积过程当中
几乎不跟残留气体原子
发生碰撞
第三条在沉积过程当中
不可能有大量的参与分子
参与到搀杂到这个薄膜当中去
这样得到的膜层
就是高质量的膜层
所以我说对于真空蒸镀来讲
这三条都要满足
热的蒸发源要加热
冷的基板 第三条要真空环境
那么我们再看看
刚才讲了一个大气压
是多少
一个大气压你看10的5次方帕
10的5次方帕
760毫米汞柱
那么现在760套基本上不用了
就是1.013乘5次方帕
乘5次方帕
你刚才讲了在这种大气压下
它的分子自由程是很小的
大概是多少 66个纳米
66个纳米
你要把这个纳米
变到什么
变到一米以上
你看你抽真空嘛
跟它呈反比嘛
抽真空你抽到多少
这就算出来了
这就算出来了
那么所以说
我们说在真空蒸镀
或者是建设过程当中
都要在真空室当中进行
都要是在真空状态下进行
典型的这个薄膜沉积方法
镀料气化源
可以有真空蒸镀
有离子镀 有溅射
有化学气相沉积
那么真空系统
就是看你情况了
看你要求
达到一定的真空度
薄膜沉积的气化源
我们看这个气化源
用蒸镀的办法
注意第一个图是真空蒸镀
第二个是离子镀
第三是溅射镀膜
第四个是化学气相沉积
我们看这四张图
它有什么区别
有什么区别
真空度这件事
热的蒸发源冷的基板
蒸发出来的原子
沉积在基板上
这是蒸镀
离子镀是什么
离子镀是在真空蒸镀的
基础之上引入气体放电
引入气体放电
引入气体放电的目的是什么
就是说使被蒸发出来的原子
发生电离
不一定大量的电离
有一定的离化率
比方说百分之几 10%
就是说使沉积的那个原子
部分变成离子
那么在基板上 加上负电压
加上负电压以后
正离子以一定的速度
沉积在基板上
把这种方法叫做离子镀
注意叫做离子镀
离子镀它是在真空蒸镀的
基础之上
把被蒸发原子离化这种过程
目的是什么 两条
第一条增加它的附着力
第二条我加入一些反应气体
沉积上的这个膜层
可以是化合物膜层
第三个当图讲的是溅射
讲的是溅射
这个溅射
跟真空蒸镀和离子镀
它的区别在什么地方
它的区别在于它的蒸发源
是一个钯 是钯了
是target是把
这个把是被一些离子
碰撞它碰撞这个把
使被碰撞上来的原子
沉积在基板上 沉积在基板上
沉积在基板上那真空蒸镀
是一样的
真空蒸镀是蒸发出来的
溅射是溅射出来的
那么化学气相沉积
什么叫做化学气相沉积
化学气相沉积是
反应物是气相
注意 反应物是气相
被沉积物至少一种是固相
并且沉积在基板表面上的
这种方法叫做化学气相沉积
注意 我再重复一遍
反应物是气相
生成物至少一种是固相
而且以薄膜的形式
沉积在基板的方法
基板上的方法叫做
化学气相沉积
叫做化学气相沉积
这是我们常见的一些方法
常见的一些干式的
气相沉积的办法
一般把前三种叫做PVD
把第四种叫做CVD
当然CVD当中还有好多
其他派生的方法
后面我们再讲
注意这里边有一个公式
我这也不仔细推导了
它是什么
每单位时间向单位面积壁面
入射的分子数
注意 单位时间单位面积上
入射的分子数等于什么
等于四分之一的nv平方
注意四分之一的nv平方
n是气体分子的浓度
v是分子运动的平均速度
平均速度
注意我们这个如果是
学过大学里普通物理
这个 这个分子热力学的
大家伙都知道是不是
每一个气体分子
所在的能量是二分之三KT
注意二分之三KT
越轻的分子速度越快
越重的分子是什么
速度越慢
它为什么
因为是碰撞过程造成的
还有一个方均根速率
平均速率和最可几速率
大家伙记得不记得谁大谁小
谁大谁小
最大的是方均根
第二是平均
第三是最可几
这里边同学们
可能我要问一个问题
什么叫做理想气体
什么叫理想气体
有的同学我问同学们
什么叫理想气体
彼此不相互作用的
叫做理想气体
还有回答是什么
不考虑它的大小的
只考虑它的什么的
还有的同学讲
是符合状态方程的
理想气体状态方程的
叫做理想气体
这种回答都没抓住它的本质
你说因为这样回答了
它没抓住问题的本质
什么叫做理想气体
除了弹性碰撞之外
不考虑分子之间
彼此相互作用的气体
叫做理想气体
注意除了弹性碰撞之外
气体分子是个弹性碰撞
在无时无刻
在弹性碰撞过程当中
注意这一个非常重要
除了弹性碰撞之外
彼此不相互作用的
这种气体状态叫做理想气体
刚才讲了为什么轻的分子
速度大 重的分子速度小
它就碰撞造成的
碰撞造成的
还有一个方均根速率平均速率
最可几速率
它这也是碰撞造成的
碰撞的结果所造成的
这个非常重要
因为我刚才讲的我关于自由程
平均自由程的概念
在这个真空蒸镀
或者溅射过程当中
还有这化学气相沉积当中
都是非常重要的概念
希望回去复习一下这个
这个普通物理
-1.1 材料的定义和分类,选择材料的标准
-1.1 材料的定义和分类,选择材料的标准--作业
-1.2 材料的作用
--1.2.7 “制造材料者制造技术”,材料可以“以不变应万变”
-1.2 材料的作用--作业
-1.3 材料科学与工程四面体
-1.3 材料科学与工程四面体--作业
-1.4 材料与创新
--1.4.2 “9.11事件”世贸大厦垮塌和“3.11大地震”福岛核事故都涉 及材料
-1.4 材料与创新--作业
-本讲作业--作业
-2.1 元素在周期表中的位置决定于其核外电子排布
--2.1.3 原子的核外电子排布(1)——量子数和电子轨道
--2.1.4 原子的核外电子排布(2)——电子排布的三个准则
-2.1 元素在周期表中的位置决定于其核外电子排布--作业
-2.2 元素周期表反映元素的规律性
--2.2.1 核外电子排布的应用(1)——碳的sp3、sp2、sp杂化
--2.2.2 核外电子排布的应用(2)——四面体键的奇妙之处
--2.2.3 核外电子排布的应用(3)——电子授受及元素氧化数变化
--2.2.4 核外电子排布的应用(4)——过渡族元素和难熔金属
-2.2 元素周期表反映元素的规律性--作业
-2.3 过渡族元素、稀土元素和镧系元素
-2.3 过渡族元素、稀土元素和镧系元素--作业
-本讲作业--作业
-3.1 材料性能与组织结构的关系
-3.1 材料性能与组织结构的关系--作业
-3.2 从轨道能级到能带——绝缘体、导体和半导体
-3.2 从轨道能级到能带——绝缘体、导体和半导体--作业
-本讲作业--作业
-4.1 高炉炼铁和转炉炼钢
-4.1 高炉炼铁和转炉炼钢--作业
-4.2 金属材料的组织结构
-4.2 金属材料的组织结构--作业
-4.3 铸锭及其组织
-4.3 铸锭及其组织--作业
-本讲作业--作业
-5.1 金属材料的加工
-5.1 金属材料的加工--作业
-5.2 钢材的热处理
--5.2.4 钢的淬火(quenching)(1)——加热和急冷的选择
--5.2.5 钢的淬火(quenching)(2)——增加淬透性和防止淬火开裂
-5.2 钢材的热处理--作业
-5.3 钢的强化机制
--5.3.6 合金钢(2)——高速钢、不锈钢、弹簧钢和轴承钢
-5.3 钢的强化机制--作业
-本讲作业--作业
-6.1 粉体材料的性能
--6.1.1 粉体及其特殊性能(1)——小粒径和高比表面积
--6.1.2 粉体及其特殊性能(2)——易流动性和高分散性
--6.1.3 粉体及其特殊性能(3)——低熔点和高化学活性
--6.1.4 粉体的特性及测定(1)——粒径和粒径分布的测定
--6.1.5 粉体的特性及测定(2)——密度及比表面积的测定
--6.1.6 粉体的特性及测定(3)——折射率和附着力的测定
-6.1 粉体材料的性能--作业
-6.2 粉体的加工与处理
-6.2 粉体的加工与处理--作业
-6.3 粉体的应用
--6.3.3 粉体精细化技术——粒度精细化及粒子形状的改善
-6.3 粉体的应用--作业
-6.4 纳米材料
-6.4 纳米材料--作业
-本讲作业--作业
-7.1 陶瓷材料的定义和分类
-7.1 陶瓷材料的定义和分类--作业
-7.2 坯体成型
--7.2.2 陶瓷成型工艺(1)——旋转制坯成型和注浆成型
--7.2.3 陶瓷成型工艺(2)——干压成型、热压注成型和等静压成型
--7.2.4 陶瓷成型工艺(3)——挤压成型、注射成型和流延成型
-7.2 坯体成型--作业
-7.3 陶瓷烧结
-7.3 陶瓷烧结--作业
-7.4 陶瓷材料的结构
-7.4 陶瓷材料的结构--作业
-7.5 结构陶瓷
--7.5.1 结构陶瓷及应用(1)——Al2O3和Zr02
--7.5.2 结构陶瓷及应用(2)——TiO2、BeO和AlN
-7.5 结构陶瓷--作业
-7.6 功能陶瓷
--7.6.4 功能陶瓷及应用(3)——微波器件、传感器和超声波马达
-7.6 功能陶瓷--作业
-本讲练习--作业
-8.1 玻璃的发展简史
-8.2 玻璃的定义和特征
-8.3 玻璃的加工
-8.1-8.3 小节练习--作业
-8.4 建筑及高铁用玻璃
--8.4 建筑及高铁用玻璃--作业
-8.5 高技术玻璃
-8.5 高技术玻璃--作业
-本讲练习--作业
-9.1 何谓高分子和聚合物
-9.1 何谓高分子和聚合物--作业
-9.2 聚合物的合成
-9.2 聚合物的合成--作业
-9.3 从结构层次看聚合物
-9.3 从结构层次看聚合物--作业
-本讲练习--作业
-10.1 高分子材料性能与加工
--10.1.8 聚合物的成形加工及设备(1)——压缩模塑和传递模塑
--10.1.9 聚合物的成形加工及设备(2)——挤出成型和射出成型
--10.1.10 聚合物的成形加工及设备(3)——塑料薄膜和纤维丝制造
-10.1 高分子材料性能与加工--作业
-10.2 胶粘剂和涂料
-10.2 胶粘剂和涂料--作业
-本讲练习--作业
-11.1 复合材料的定义和分类
-11.1 复合材料的定义和分类--作业
-11.2 增强材料和基体材料
-11.2 增强材料和基体材料--作业
-11.3 复合材料的应用
-11.4 天然复合材料
-11.5 生物材料
-11.3-11.5 节练习--作业
-本讲练习--作业
-12.1 磁性的来源
--12.1.2 过渡金属元素3d壳层的电子结构与其磁性的关系
-12.1 磁性的来源--作业
-12.2 磁性材料的分类
-12.2 磁性材料的分类--作业
-12.3 磁畴和磁滞回线
-12.3 磁畴和磁滞回线--作业
-12.4 软磁材料与硬磁材料
-12.4 软磁材料与硬磁材料--作业
-本讲练习--作业
-13.1 薄膜的定义和薄膜形成的必要条件
-13.1 薄膜的定义和薄膜形成的必要条件--作业
-13.2 薄膜制备——PVD法
-13.2 薄膜制备——PVD法--作业
-13.3 薄膜制备——CVD法
-13.3 薄膜制备——CVD法--作业
-13.4 薄膜的加工
--13.4.2 反应离子刻蚀(RIE)和反应离子束刻蚀(RIBE)
-13.4 薄膜的加工--作业
-13.5 薄膜材料的应用
-13.5 薄膜材料的应用--作业
-本讲作业--作业



