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1、表 面 物 理 学江 颖 量子材料中心1. 清洁表面的获得 1.1 超高真空的意义1.2 清洁表面的获得手段2. 分子束外延简介3. 外延生长3.1 外延生长的定义3.2 外延生长的动力学过程4. 反射式高能电子衍射5. 分子束外延应用实例上节课回顾：清洁表面的制备及分子束外延上节课回顾：清洁表面的制备及分子束外延超高真空技术简介 超高真空基础 超高真空的获得 超高真空的测量 超高真空检漏超高真空基础真空分类 P d)Flow ranges in vacuum d：分子球直径 n：气体密度超高真空为各种表面科学 研究、材料生长 和器件应用的基 础表面结构、能态表面化学反应表面吸附和生长动力学表
2、面纳米结构的制备和物性磁性薄膜分子自组装薄膜半导体薄膜精确掺杂分子束外延生长大规模集成电路溅射镀膜l1958年，第一界国际技术会议建议采用“托”(Torr)作为测量真空度的 单位。国际单位制(SI)中规定压力的单位为帕(Pa)。l1标准大气压(1atm)1.013105Pa(帕)l1Torr1/760atm1mmHgl1Torr133Pal1bar 1标准大气压l1mbar100Pa在表面科学中，用L(langmuir)表示气体在样品表面的暴露量， 定义： 1L = 10-6 torrs例如：当系统压力为10-6 torr ，通入某气体的时间为1秒，则暴露量为1L*常用物理量Multi-pro
3、be UHV systemMini-UHV system超高真空的获得系统的极限压强 真空壳体及其内部的元部件的气流量 泵的有效抽速真空系统中的气体源 经容器壁和连接处的泄漏 虚漏 蒸发 体出气 表面出气 分解 高能粒子轰击出气超高真空兼容的材料 玻璃，石英，Sapphire （观察窗） 高纯金属，如：Cu，Al，不锈钢等（真空 腔体，真空零件） 陶瓷，云母，teflon，Sapphire（绝缘） 合成橡胶，环氧树脂，氟橡胶（O圈密封）超高真空应避免的材料 Plastics，common steel，lead，indium， zinc, cadmium，water. Avoid all tra
4、ces of hydrocarbons, including skin oils in a fingerprint.超高真空腔体 饱和蒸汽压低 耐450度以上高温烘烤 气体渗漏可以忽略 强度足够大经得住大气压 高温下耐腐蚀304, 316不锈钢表面出气达到平衡的时间随温度的变化室温300 C烘烤（150-200 C）烘烤罩加热带+铝箔主要去除吸附在腔壁上的水和碳氢化合物不可拆卸密封方式 Welded connections stainless steel，aluminum Brazed connections join metals at soldering temperatures of a
5、bove 600C Fusing glass components (in glass equipment) and for glass-to-metal connections Metalized connections Ceramic-to-metal connections可拆卸密封方式 rubber o-rings, molded rubber rings, rubber diaphragms or cups, soft metal/hard metal seals, hard metal/hard metal seals, soft metal/polished sapphire f
6、lat. 静密封：CF法兰铜垫圈极限真空度10-9 Pa，漏率10-12 Pa m-3 s-1刀口动密封：机械运动 波纹管短程移动和低速转动 磁耦合长程移动和高速转动角阀橡胶或Cu垫片闸板阀“VITON A”漏阀sapphirecopper真空泵分类泵的抽速和极限压强定义气流率：则质量变化率为：定义泵抽速：设系统内部出气率和漏气率为Qi，泵的抽气率为Qo：则有：假设泵的抽速S和出气率Qi为常数：在t时，系统达到极限压强：压缩比极限压强通常由压缩比和漏气率共同决定定义压缩比：其中P2和P1分别是泵的 出口和入口处的压强。涡轮分子泵 （molecular turbo pump）工作原理压缩比：抽速
7、：平均速度：抽速 vs. 转速 Pfeiffer Vacuum turbo molecular pump 压缩比Pfeiffer Vacuum turbo molecular pump 抽速 vs. 分子质量Pfeiffer Vacuum turbo molecular pump 抽速 vs. 工作压强分子泵前级压强必须小于1mbar，保证分子泵处于分子流状态Pfeiffer Vacuum turbo molecular pump 溅射离子泵（sputtering ion pump）Varian, Inc. Vacuum Technologies对惰性气体的抽速不敏感，氩气的抽气率只有氮气的1
8、%。工作原理1. 溅射抽钛膜气：活性气体 (e.g. CO, CO2, H2, N2, O2). 2. 注入式抽气：所有气体，尤其是惰性气体。抽速 vs. 工作压强溅射离子泵的抽速与阳极电压和磁场强度有关，磁场强时抽速也大，对应最佳抽速的阳极电压也高 极限压强10-11mbar钛升华泵（sublimation pump）对活性气体的抽速很大，但对惰性气体不敏感，辅助到达超高真空1. 钛丝缠绕式 2. 合金丝式冷凝泵（cold trap）压强升高到饱和蒸汽压，就会发生气体凝结于表面形成像固体或液体样的多分子层极限压强10-11Pa组合泵溅射离子泵冷凝泵升华泵超高真空的测量真空测量 总压强 分压强
9、冷阴极离子规（Cold cathode ionization vacuum gauges ）1-2 kGinverted magnetron Pfeiffer Vacuum IKR 270Typical operating range：10-2 to 10-9 TorrMeasurement accuracy: 20-30% 热阴极离子规 (Hot cathode ionization vacuum gauges)Typical range: 10-3 to 10-11 TorrMeasurement accuracy: 3% Bayard-Alpert sensors 两种真空规的比较 BA
10、G的准确率远好于CCG BAG的可测得极限压强低于CCG 使用BAG需要对灯丝除气，CCG则不用 CCG在低真空下易被污染 对于需要频繁抽真空，真空度在10-9Torr以 上的系统，优选CCG质谱仪 Sector field devices use the deflection effect of a magnetic field on moving charge carriers Time-of-flight mass (TOF) spectrometers utilize the differing velocities of molecules of equal energy for s
11、eparation Quadrupole mass spectrometers utilize the resonance of moving ions in a high- frequency field (similar to ion traps)Sector field mass spectrometers 对于单荷离子：（cm）离心力公式离子源的粒子被加速：Quadrupole mass spectrometers定义：离子在四极 场中满足 Mathieu型方程 ：Stability diagram稳定不稳定不稳定通过成比例的扫描U和V，从而覆盖不同质量的离子分辨率灵敏度Mass sp
12、ectroscopyH2H2OCO/N2OH OH只考虑单荷离子超高真空下典型的残余气体质谱图超高真空的检漏检漏气体的要求 Be non-toxic to humans, animals and the environment Not displace air, as hazardous situations, such as suffocation, could otherwise occur be inert, i.e. slow to react, and should neither react chemically nor be flammable Not be present in
13、 air, if possible. Only with a gas that is present in the smallest possible concentration in the ambient air is it possible to detect even the smallest leaks Cannot be mistaken for other gases With smallest mass if possible.最常用的检漏气体：He检漏方式 电离规检漏 (10-8 Pa m3 s-1) 离子泵检漏 (10-12 Pa m3 s-1) 卤素检漏 (10-7 Pa
14、 m3 s-1) 质谱检漏 (10-14 Pa m3 s-1)模式一：Local mode模式二：Integral mode方法一：残气成分分析 用四极质谱计在1-50amu的质量范围内进行模拟谱扫描，如果N2, O2 两种气体的峰高比大约为4:1，而且还存在Ar峰，则系统有漏; 对于选择性抽气系统( 对惰性气体抽速极小) ，如果系统的剩余气体 主峰是Ar，而不是N2，则系统有漏； 对于超高/ 极高真空系统，如果N2的谱峰(由于N2和CO的谱峰重叠， 必须通过N2的图样系数N来计算N2峰高)高于H2和H2O的谱峰，则系统有 漏。 对于经过彻底烘烤除气的金属真空装置，依靠空气中的N2- CO分布
15、 特性无法识别出漏孔，这是因为通常器壁在很长时间内对O2 具有强烈的 抽气作用，因此在谱图中看不到O2, ，而N2常常被CO所掩盖。这时可通 过质量数为14 (N)和40 (Ar)的谱峰来判断，如果其谱峰很高，则系统有漏 。方法二：示漏气体动态检漏 选用氦气作为示漏气体; 对真空系统和四极质谱计的探头进行烘烤除气，降低 残气成分; 用四极质谱计记录真空系统的氦气本底谱; 用氦气喷枪对怀疑有漏的各种接头和密封面进行喷气 ，用适当的方法将接头和密封面包起来，以便形成较高的 氦气浓度，持续时间一般为3 分钟。 用四极质谱计测量氦气离子流，如果离子流相对于本 底有突然跃升，则可确定此处有漏孔。四极质谱仪检漏的优点 对真空系统内主要残余气体进行谱峰扫描即可判断系统有无漏孔。 与一般的检漏仪相比，没有 “分流”作用，具有较高的灵敏度，更适 用于极高真空系统的检漏。 四极质谱计可以在毫秒时间量级内扫描，检漏气体离子流信号出现 时间短，提高了检漏速度。 分辨率高，本底信号小 ( 氦气为检漏气体时)，提高了检漏的可靠性 。 可长期接在真空系统上实现在线检漏，不影响真空系统的正常运转. 与标准漏孔漏率比对，可较为精确的计算出漏孔漏率( 相比检漏仪) 。 通过对四极质谱计校准 ，可以测量示漏气体在真空容器内的分压力 。小结 超高真空基础 超高真空的获得 超
