薄膜材料科学ch2.ppt

气体动力学与真空技术 一、气体动力学 了解蒸汽和气体的宏观与微观行为，对于理解汽相生长薄膜十分重要。 1、气体与蒸汽（vapors and gases） 两者的区别在于，蒸汽在特定温度下，可以通过压缩变为液态，而气体则不会。 这种区别可以通过压力-体积-温度（p-V-T）关系来描述。 p-V-T相图 任意纯物质的可能平衡态，均可以用p-V-T空间中的一个表面来描述。 从温度T2处沿p-V平面截取一个平面，此平面与p-V-T表面的交线为a-b-c-d-e-f，此线代表了给定温度下压力与体积的关系。 在压力最低点，交点为a，当压缩体积时，压力沿a-b升高，到达b点时，凝聚开始； 凝聚过程中，压力和温度保持恒定，即b-c线垂直于p-T平面；此区域的压力称为饱和蒸汽压； 体积的迅速增加，会导致系统的压力高于b-c线，此时的压力称为过饱和蒸汽压，它是薄膜成核与生长的驱动力； 在一个临界点，b-c长度为零，即在特定的温度和压力下，材料的相变不伴随着体积的变化；在临界温度以上，材料不会因为压缩而凝聚，为气态，而在临界温度以下，则会发生凝聚，为蒸汽。 p-T行为 p-V-T表面在p-T平面的投影，对薄膜形成的理解更加直观； 从曲线中可以发现一个温度点，低于此温度，气体直接凝聚成为固体—三相点； 沿着蒸汽状态上限处的压力称为pv线； 蒸发时，蒸汽压力高过pv线，即处于过饱和蒸汽压下； 抽真空时，希望被排出的气体压力低于pv线，以避免出现蒸汽凝结现象。 2、气体分子的速度分布 气体分子总是持续随机地相互碰撞或与真空壁碰撞，从而产生压力。 气体分子的速度分布服从Maxwell-Boltzmann关系： 分子平均速度 3、分子碰撞流密度 衬底表面分子碰撞流密度，是决定薄膜沉积速度的重要因素。 如果假设在衬底表面没有定向气流，则分子碰撞流密度正比于气体分子的平均速度： 其中，n为分子浓度，它与气压和温度有关。 4、理想气体定律 根据压力的定义： n=N/V为分子浓度； nm=n/NA，为摩尔浓度，NA为阿夫加德罗常数； Nm为气体摩尔数； Vm为气体摩尔体积。 5、气压与气流的单位 压力 1 torr=133Pa=1 mmHg 1 bar=750 torr=1?105Pa=0.99atm 气流 Sccm，sccs Slm 1 sccm =4.48?1017/s 6、Knudsen 方程 以上已经获得了分子能量、速度、浓度和流量的表达式。 Knudsen 方程将分子碰撞流密度与宏观量之间的关系联系起来： Knudsen 方程的意义 计算薄膜生长速度： 假设分子量为40，温度为25oC，压力为10-3Pa J=2.4?1015/cm2s 如果全部入射粒子均被吸附，典型分子直径为0.3nm，则单位面积单分子层内有1015个分子； 单位时间可以获得2.4个单分子层，或者2.6mm/hr 以上结果意味着，如果反应室内有其它气体存在，特别是有反应气体存在，则极易产生污染； 只有当背景反应性气压低于10-6Pa时，才会以2.6mm/hr的速度获得纯度高于99.9%的薄膜，但是如果充入惰性气体，则允许的背景气压可以高许多。 7、气体分子平均自由程 在温度不高时，气体自由程主要由压力所决定； 自由程大小描写了薄膜沉积的状态，为了描写这一状态，引入Knudsen数： Kn=l/L Kn1：分子流生长 1Kn0.01：中间状态 Kn0.01：粘滞流生长 二、真空技术 1、典型真空系统 2、泵的选择 机械泵 扩散泵 涡轮分子泵 低温泵与溅射离子泵 3、问题气体 反应气体 酸性气体会导致泵油分解 氧化性气体会导致排气口泵油爆炸 可燃气体会在泵口爆炸 采用氟化泵油 利用氮气稀释 毒害气体 燃烧后排放 废油处理 4、真空室污染源 返油 真空室污染源 气体释放 真空室污染源 粉尘 微尘的静电吸附是污染衬底的主要原因 采用可置换的防护罩 采用load-lock 采用“柔性”充气 对毒害性粉尘必须采取防护 压力测量 热偶 电容薄膜规 电离计 冷阴极规 残余气体分析_RGA 真空泄漏与检测 低漏率： 10-6 torr-liter/s 中等漏率： 10-5 torr-liter/s 高漏率： 10-4 torr-liter/s 检漏 经验法 He检漏仪 * 分别为最大概率速度、平均速度和均方根速度。其中，R为气体常数，M为分子量。 *