薄膜制备与分析课堂讲稿(第三讲)

第三讲第三讲薄膜制备薄膜制备—物理气相沉积法物理气相沉积法薄膜制备薄膜制备第三讲第三讲主要有两种方法：主要有两种方法：物理气相沉积法物理气相沉积法(PVD)化学气相沉积法化学气相沉积法(CVD)一.物理气相沉积法物理气相沉积法(PVD)(PVD)蒸发、溅射、离子镀等蒸发、溅射、离子镀等第三讲第三讲薄膜制备薄膜制备—物理气相沉积法物理气相沉积法1.1.蒸发镀膜蒸发镀膜(理论分析以热力学为基础理论分析以热力学为基础)⑴饱和蒸汽压饱和蒸汽压PvPvPv满足克劳修斯满足克劳修斯-克拉珀龙方程如下：克拉珀龙方程如下：)(ddlgVVVTHTP:VP饱和蒸汽压饱和蒸汽压:H摩尔汽化热摩尔汽化热:T绝对温度绝对温度:gV汽相摩尔体积汽相摩尔体积:lV液相摩尔体积液相摩尔体积在一定温度下的真空室里，蒸发材料的蒸汽与其在一定温度下的真空室里，蒸发材料的蒸汽与其固体或液体达到相平衡时的汽压称为该温度固体或液体达到相平衡时的汽压称为该温度T下的饱下的饱和蒸汽压和蒸汽压Pv。第三讲第三讲薄膜制备薄膜制备—物理气相沉积法物理气相沉积法推导如下：推导如下：由热力学第一定律：由热力学第一定律：STVPuQdddd)dd(TQS吉布斯自由能：吉布斯自由能：TSHTSPVuGu:u:内能内能,S:S:熵,H:H:焓显然：显然：TSPVTSSTPVVPuGdddddddd由热力学平衡理论知：当汽相和液相达到平衡时有：由热力学平衡理论知：当汽相和液相达到平衡时有：0dGlgGG(汽相汽相)(液相液相)lgGGddTSPVTSPVllggddddlglgVVSSTPdd而11glSSTQTH摩尔汽化热摩尔汽化热)(ddlgVVVTHTP(证毕证毕)第三讲第三讲薄膜制备薄膜制备—物理气相沉积法物理气相沉积法对于对于l摩尔的气体有摩尔的气体有RT=PVRT=PV，再考虑到，再考虑到Vg>>V>>Vl有：有：VglgPRTVVV)(ddlgVVVTHTP代入代入→克劳修斯克劳修斯-克拉珀龙方程改变为：克拉珀龙方程改变为：dd2RTTHPPVV而△而△H是渐变函数是渐变函数,可视为常数可视为常数.lnRTHCPV摩尔气体常数摩尔气体常数KJ/mol314510.8R3.23.2lgTBARTHCPV注：注：lg3.2lnxx3.2RHB1~lgTPV由此作一条直线由此作一条直线(饱和蒸汽压曲线饱和蒸汽压曲线)VPlgT1第三讲第三讲薄膜制备薄膜制备—物理气相沉积法物理气相沉积法讨论：讨论：lgTBAPV3.2RHBVPlgT1①其斜率其斜率3.2RHB由此求汽化热由此求汽化热△H②饱和蒸汽压随着温度升高而迅速增加，反之亦然。饱和蒸汽压随着温度升高而迅速增加，反之亦然。这表明：提高真空度可降低镀膜材料蒸发所需温度。这表明：提高真空度可降低镀膜材料蒸发所需温度。③比较不同材料的蒸发温度比较不同材料的蒸发温度.VPT1T2T3T物质物质1物质物质3物质物质2由此，可以判断在混合蒸发由此，可以判断在混合蒸发材料中，哪个元素或化合物材料中，哪个元素或化合物先蒸发等。以便采取相应的先蒸发等。以便采取相应的技术措施。技术措施。Pa1第三讲第三讲薄膜制备薄膜制备—物理气相沉积法物理气相沉积法⑵两种或两种以上物质蒸发的饱和蒸汽压两种或两种以上物质蒸发的饱和蒸汽压PvPv分压定律：混合物的总蒸汽压分压定律：混合物的总蒸汽压PT等于各组元蒸汽分等于各组元蒸汽分压之和压之和,即：即：iTPPPPP321拉乌尔定律：在混合物状态下成分拉乌尔定律：在混合物状态下成分i的饱和蒸汽压为：的饱和蒸汽压为：TiiiPNP式中：式中：PiT为该成分为该成分i单独存在时在温度单独存在时在温度T下的饱和蒸汽压下的饱和蒸汽压;Ni为该成分为该成分i在混合物中占摩尔分数。在混合物中占摩尔分数。显然，对于二元化合物来说显然，对于二元化合物来说(A,B)，其，其NA+NB=l，其饱，其饱和蒸汽分压分别为：和蒸汽分压分别为：TBBBTAAAPNPPNP,总饱和蒸汽压为：总饱和蒸汽压为：TBBTAABATPNPNPPP对于三元、四元及多元化合物来说也如此。对于三元、四元及多元化合物来说也如此。第三讲第三讲薄膜制备薄膜制备—物理气相沉积法物理气相沉积法三元化合物的熔点为：三元化合物的熔点为：ocoboaocTobToaTTCBA/1/1/1///0TA、TB、TCC:分别为元素分别为元素A、B、C的熔点；的熔点；ABCcabo三元成分相图三元成分相图oaoa、obob、ococ:分别为分别为相图中到各相图中到各边的垂直距离。边的