真空技术原理

薄膜制备与表面分析ThinFilmSynthesisandSurfaceAnalysis概论表面及表面科学固体的表面、或者说界面，在人们的社会实践中起着极为重要的作用。表面科学的研究，对整个科学技术的发展具有重要的意义。表面科学包括表面物理、表面化学、表面电子学、表面生物学等。概论表面及表面科学固体表面：物体与真空或气体的界面。固体表面可以指从单一的第一个原子层到几个原子层厚度的表面层，甚至深达几个微米的表面层。在热力学平衡的条件下，固体表面的化学组成、微观结构、原子振动状态等均会与固体内部产生一定的差异。概论表面及表面科学Sinceitrequiresenergytoterminatethebonding,thesurfaceisenergeticallylessstablethanthebulk.Thisenergyisknownasthesurfacefreeenergy.Inthecaseofliquidinterfaces,thisenergyiscalledsurfacetension.概论表面分析技术表面分析技术是人们为了获取表面的物理、化学等方面的信息而采用的一些实验方法和手段。SampleExcitationsourceEnergySelectorSignalDetectorEvent概论表面分析技术一般地说，它是利用一种探测束——如电子束、离子束、光子束、中性粒子束等，有时还加上电场、磁场、热等的作用，来探测材料的形貌、化学组成、原子结构、原子状态、电子状态等方面的信息。概论表面分析技术探测粒子发射粒子分析方法名称简称主要用途ee低能电子衍射LEED结构ee反射式高能电子衍射RHEED结构ee俄歇电子能谱AES成分ee扫描俄歇探针SAM微区成分ee电离损失谱ILS成分e能量弥散x射线谱EDXS成分ee俄歇电子出现电势谱AEAPS成分e软x射线出现电势谱SXAPS成分ee消隐电势谱DAPS成分ee电子能量损失谱EELS原子及电子态eI电子诱导脱附ESD吸附原子态及成分ee透射电子显微镜TEM形貌ee扫描电子显微镜SEM形貌ee扫描透射电子显微镜STEM形貌概论表面分析技术探测粒子发射粒子分析方法名称简称主要用途II离子探针质量分析IMMA微区成分II静态次级离子质谱SSIMS成分In次级中性离子质谱SNMS成分II离子散射谱ISS成分、结构II卢瑟福背散射谱RBS成分、结构Ie离子中和谱INS最表层电子态I离子激发x射线谱IEXS原子及电子态概论表面分析技术探测粒子发射粒子分析方法名称简称主要用途ex射线光电子谱XPS成分、化合态e紫外线光电子谱UPS分子及固体电子态e同步辐射光电子谱SRPES成分、原子及电子态红外吸收谱IR原子态拉曼散射谱RAMAN原子态扩展x射线吸收谱精细结构SEXAFS结构角分辨光电子谱ARPES原子及电子态结构I光子诱导脱附谱PSD原子态概论表面分析技术探测粒子发射粒子分析方法名称简称主要用途Ee场电子显微镜FEM结构EI场离子显微镜FIM结构EI场离子显微镜-原子探针AP-FIM结构及成分Ee场电子发射能量分布FEED电子态Ee扫描隧道显微镜STM形貌Tn热脱附谱TDS原子态n中性粒子碰撞诱导辐射SCANIIR成分nn分子束散射MBS结构、原子态AWAW声显微镜AM形貌概论表面分析技术部分表面分析设备的分析范围概论表面分析技术XPSAESILSISSRBSSIMS测氢NoNoNoNoNoYes元素灵敏度均匀性GoodGoodBadGoodGoodBad最小可检测灵敏度10-2-10-310-2-10-310-910-2-10-310-2-10-310-4-10-5定量分析GoodYesBadBadGoodBad化学态判断GoodYesYesBadBadBad谱峰分辨率GoodGoodGoodBadBadGood识谱难易GoodGoodGood---表面探测深度MLsMLsMLsMLML-mML-MLs空间分辨率BadGoodGoodBadBadGood无损检测YesYesYesNoYesYes理论数据完整性GoodYesBadYesGoodBad概论真空技术原理为了使被研究的样品不被周围气氛所污染，获取“原子清洁”的表面，表面分析过程往往是在真空或超高真空中进行的。目前，人们所广泛使用的很多表面分析设备都具有真空系统。薄膜制备设备往往涉及真空系统。概论真空技术原理真空单位Atmospheres(atm):–Scalerelativetoouratmosphericpressureas1atmPascal(Pa):–SIunitequaltoN/m2mBar:–Equalto1x10-8Pa.TorrormmHg:–Mostcommonlyusedpressureunit,basedonmercuryvacuumgauges.概论真空技术原理真空的划分Atmospheric:760TorrLowVacuum:1to1x10-3TorrMediumVacuum:1x10-3to1x10-5TorrHighVacuum(HV):1x10-6to1x10-8TorrUltra-HighVacuum(UHV):1x10-9Torr概论真空技术原理真空的意义MonolayerCoverageTimeForanidealgas,thetimeneededformonolayercoverageisgivenby:tML1019/ZAwhereZAisimpingementrate.概论真空技术原理真空的意义ImpingementRate(Flux)Foranidealgas,theimpingementrateisgivenby:ZA=ρv/4where,ρ-thenumberdensityofgasmoleculesv-themeanvelocity概论真空技术原理DegreeofVacuumPressure(Torr)GasDensity,ρ(moleculesm-3)MeanFreePath(m)Time/ML,tML(s)Atmospheric7602x10257x10-810-9Low13x10225x10-510-6Medium10-33x10195x10-210-3High10-63x1016501UltraHigh10-103x10125x105104CollisionFreeConditions:P~10-6TorrMaintainaCleanSurface:P~10-10Torr概论真空技术原理真空的获得•UltimatePressure–LowVacuum(Rough)Pumps•RotaryVanePumps•SorptionPumps–HighVacuumPumps•DiffusionPumps•TurboMolecularPumps–Ultra-HighVacuum•TurboMolecularPumps•IonPumps•TitaniumSublimationPumps•Oil/Oil-Free–Oil•RotaryVanePumps•DiffusionPumps•TurboMolecularPumps–Oil-Free•TurboMolecularPumps•IonPumps•TitaniumSublimationPumps概论真空技术原理真空的获得Gasenterstheinletportandistrappedbetweentherotorvanesandthepumpbody.Theeccentricallymountedrotorcompressesthegasandsweepsittowardthedischargeport.Whengaspressureexceedsatmosphericpressure,theexhaustvalveopensandgasisexpelled.Atmosphereto10-3torrRobust,inexpensiveOillubricated概论真空技术原理真空的获得LN2cooledmolecularsievewithlargesurfaceareaAtmto10-3Torr(twounitsworkingalternately)QuicklybecomessaturatedMustbebakedat200°CtoremoveadsorbedgasesSimple,inexpensive,oil-free概论真空技术原理真空的获得MomentumtransfertogasmoleculesthroughcollisionwithdirectedjetofoilmoleculesRequirecoolingwater,backingpump10-3to10-7Torr(to10-9TorrwithLN2cooling)Advantages•Robust•Highpumpingspeedforrelativelylowcost.•Novibrationornoise.Disadvantages•Oilasapumpingmedium,highriskofback-streamingoil,coldtrapsrequired•Potentialforseriousvacuumproblems概论真空技术原理真空的获得Moleculesmechanicallypumpedbycollisionwithangledhighspeedturbineblades(rotor).Severalrotorarrangedinaseriesspinningat30,000-60,000rpm.Rotortangentialvelocityisontheorderoftheaveragethermalvelocityofmolecules.Atmosphereto10-10TorrOil/grease/electromagneticbearingsMostcommonHV/UHVpump.概论真空技术原理真空的获得Advantages•Correctlyoperatedtheydonotback-streamoilintothevacuumsystematanytime.•Theycanbestartedandstoppedinafewminutestime.Disadvantage•Turbopumpcanbenoisyandtheyinducevibration.•Turbopumpsareexpensive.概论真空技术原理真空的获得Highvoltagebetweenanodeandcathode(~5kV)Electronsarecapturedinanodeandspiralduethetomagneticfield(longerpath-length).Gasmoleculesareionizedbycollisionswithelectronsandareacceleratedtocathode.Ionsembeddedincathodematerial(titanium)andsputtertitaniumatomsfromsurface.SputteredTiatomsactasgetterforreactivegases.10-4Torrto10-11Torr概论真空技术原理真空的获得Advantages•Clean,oil-free.•Nomovingparts,novibrations,quiet.•LowpowerconsumptionandrelativelylongoperatinglivesDisadvantage•Don