半導體薄膜_課件

1、2021-10-201半導體薄膜技術與物理半導體薄膜技術與物理申燕申燕2主要參考書目中文：半導體薄膜技術與物理，葉志鎮(zhèn)等，浙江大學出版社，2008薄膜材料制備原理、技術及應用，唐偉忠，冶金工業(yè)出版社，2003薄膜技術，顧培夫，浙江大學出版社，1990硅外延生長技術，B. Jayant Baliga著，任丙彥等譯，河北科學技術出版社，1992外延生長技術，楊樹人等，國防工業(yè)出版社，1992。英文The materials science of thin films, Milton Ohring，1991 Handbook of thin-film deposition processes and

2、 techniques ， Krishna Seshan，Noyes Publications， 2002。3薄膜材料科學與技術作用薄膜材料科學與技術作用微電子通訊光電子涂層能量存儲和轉換2021-10-204第一章第一章 真空技術真空技術 許多薄膜技術是在真空下實現(xiàn)的，“真空”是許多薄膜制備的必要條件，因此，掌握一定的真空知識是必需的。P：壓強（Pa）；n：氣體分子密度（個/米3）；k：玻爾茲曼常數(shù)（1.3810-23 J/K）；V：體積（m3）；m：氣體質量（kg）；M：摩爾質量（kg/mol）；R：氣體普適常數(shù)；T：絕對溫度（K）；R=NAk；NA：阿佛伽德羅常數(shù)（6.0231023/m

3、ol）P = nkTRTMmPV 在標準狀態(tài)下，T= 273 K, P= 1.01 x 105 (pa),任何氣體分子密度是n=31019個個/cm3P=1.3310-4Pa, T=293K, n=3.21010個/cm3氣體處于平衡時，氣體狀態(tài)方程氣體處于平衡時，氣體狀態(tài)方程TP107.2n221.1 1.1 真空的基本概念真空的基本概念6a:a:“真空真空”：在給定的空間內壓力低于一個大氣壓的氣體狀態(tài)。：在給定的空間內壓力低于一個大氣壓的氣體狀態(tài)。b: b: 真空就是真空就是“真的空了真的空了” ” 。c: c: 就真空使用者的目的而論，只要該空間的氣體可以忽略不計，就就真空使用者的目的而

4、論，只要該空間的氣體可以忽略不計，就 可以認為是真空了?？梢哉J為是真空了?！?“真空真空”是相對的是相對的普通方法可得：普通方法可得：1x 10-8 Pa；極限壓強：；極限壓強：1x10-11Pa. 1.1.1 真空的真空的定義定義71.1.2 真空表示真空表示 氣體熱運動概率：氣體熱運動概率：自由程：自由程： ：分子直徑 MRT2NPNAnl221lP=0.667(cm.Pa)tconsPlnRTltan22)cm(667. 0Pl T = 25當壓強為1x10-8Pa時，平均自由程為：667 Km；真空度越高，真空度越高， 自由程值越大。自由程值越大。81.1.3 真空度單位真空度單位幾種

5、單位間換算：幾種單位間換算：米千克秒制：米千克秒制：1Pa1Pa = 1N/m = 1N/m2 2 = 1Kg/m= 1Kg/ms s2 2 = 10= 10達因達因/cm/cm2 2 = = 7.57.5 1010-3-3Torr;Torr;1 1毫米汞柱（毫米汞柱（mmHgmmHg）= 1/760 atm = = 1/760 atm = 133.3Pa133.3Pa = 1.00000014Torr = 1.00000014Torr 1Torr;1Torr;1 1巴（巴（barbar）= 10= 105 5Pa.Pa.通常用壓強為單位來描述通常用壓強為單位來描述“真空真空”狀態(tài)下的氣體真空

6、度狀態(tài)下的氣體真空度-稀薄程度，壓強高，表示真空度低；壓強低，表示真空稀薄程度，壓強高，表示真空度低；壓強低，表示真空度高。真空度高表示真空度好的意思，真空度低表示真空度度高。真空度高表示真空度好的意思，真空度低表示真空度差的意思。差的意思。91.1.4 1.1.4 區(qū)域劃分區(qū)域劃分 為了便于討論和實際應用，常根據(jù)各壓強范圍內不同的物理特點把真空劃分為粗真空、低真空、高真空和超高真空四個區(qū)域。101.2 1.2 真空的獲得真空的獲得工具工具真空泵真空泵iiiiiiiuidtdpSVSQPP/Pui：泵對：泵對i氣體的極限壓強（氣體的極限壓強（Pa）Qi：室內各種氣源（：室內各種氣源（PaL/s

7、）Si：泵對：泵對i氣體的抽氣速率（氣體的抽氣速率（L/s）Pi：i氣體的分壓（氣體的分壓（Pa）V：真空室容積（：真空室容積（L）理論上所能達到的真空度：真空獲得的方式按原理主要分為：機械運動：機械泵、渦輪分子泵蒸汽流噴射：擴散泵化學吸附：吸氣劑泵：升華泵 吸氣劑離子泵： 濺射離子泵真空泵的種類及工作原理12：初始壓強00P )(nnVVVPP：泵內空腔體積V 01VVVPP 機械泵：機械泵： 利用機械方法使工作室的容積周期性地擴大和壓縮來實現(xiàn)抽氣、獲得真空的裝置利用機械方法使工作室的容積周期性地擴大和壓縮來實現(xiàn)抽氣、獲得真空的裝置P1(V+V)=P0V V：真空室體積組成部件：定子、轉子，

8、嵌于轉子的兩個旋片以及彈簧工作原理：玻意玻意- -耳馬略特定律，耳馬略特定律，PVPV= =K K。13旋片式機械泵結構(剖面)圖工作原理圖：油封旋片式機械泵油封旋片式機械泵容積的體積和氣體壓強成反比。14理論抽速理論抽速：S=2V（升/秒） 轉速 =1000轉/分，V=1/4升，S=500升/分=8升/秒實際抽速實際抽速： 考慮到有害空間，實際比理論小，有一系數(shù)v0S ,PP ,)1 (2HmPPVvSmH泵油的作用泵油的作用：密封潤滑和冷卻機械泵的局限性：機械泵的局限性：對水蒸汽等可凝性氣體存在很大困難機械泵的機械泵的抽氣速率：抽氣速率： 單位時間內所排出的幾何容積，稱為理論抽速。單位時間

9、內所排出的幾何容積，稱為理論抽速。15油擴散泵結構及工作原理 擴散泵：擴散泵： 依靠蒸氣流輸送氣體從而獲得高真空的真空泵。依靠蒸氣流輸送氣體從而獲得高真空的真空泵。16Pf：前級真空壓強n：蒸汽分子密度U：油蒸汽速度L：出氣口至進氣口的蒸汽擴散長度D0：=常數(shù)工作原理：工作原理：依靠從噴嘴噴出的高速（200米/秒）高密度的蒸汽流而輸送氣體以油為工作蒸汽的稱為油擴散泵必須與機械泵配合使用極限真空壓強：17真空室放氣閥真空室預閥粗抽管道低閥前級管道機械泵放氣閥機械泵馬達電源加熱電源擴散泵管道高真空閥真空規(guī)管水冷障板機械泵馬達電源機械泵和擴散泵組成的典型的真空系統(tǒng)機械泵和擴散泵組成的典型的真空系統(tǒng)擴

10、散泵注意事項： 擴散泵不能單獨工作； 泵體要豎直，按規(guī)定量加油和選用加熱電功功率； 先通冷卻水，再加熱，結束時，先停止加熱，冷卻一段時間后才可關閉。18 分子泵分子泵臥式渦輪分子泵的結構示意圖19工作原理： 處于氣體中的固體表面以一定方向運動，所有飛到這表面的氣體分子，經過碰撞后都具有一定的分速度，其大小與方向等于固體的速度。 Turbo-Molecular泵：通過高速旋轉的渦輪葉片，不斷地對氣體分子施以定向的動量和壓縮作用。需要前置真空泵（10-3Torr）濺射離子泵吸附泵升華泵 分子泵分子泵201.3 真空測量工作原理：基于低氣壓時，熱傳導則與壓強成正比A、電阻真空計 （皮拉尼（皮拉尼（P

11、irani）真空計）真空計）：利用熱絲電阻隨溫度變化的性質制成。B、熱電偶熱電偶：用熱電偶測定溫度變化引起電動勢變化的真空計。 Q = Q1 + Q2 + Q3 輻射 傳導 氣體 (T1，T2) = e (T1)-e (T2) e (T1)、e (T2) 是接點的分熱電動勢 關于熱電偶：（1）熱電動勢僅與熱電偶的材料材料和接點溫度接點溫度有關 （2）中間導體定律中間導體定律：熱電偶回路中，加入兩端溫度相同的中 間導體，不會影響熱電動勢。 熱傳導真空計熱傳導真空計：21皮拉尼真空計熱電偶真空計22LrTTTMRPQ1221322單位時間內氣體分子從加熱燈絲表面?zhèn)鬟f到熱真空計玻璃管的熱量若確定，Q

12、3與壓強P成正比；實際上：氣體分子與固體表面的碰撞過程非常復雜 難確定 很難計算出Q3 通常需用絕對真空計較準高真空時，自由程lr2-r1(r2玻管半徑)，由于壓強很低，Q310-1Pa，飽和 P10-6Pa，高速電子X射 IX IiB-A型：改變離子收集極，板狀柱，X射 IX P10-10PaKPIIeiK：電離真空計的靈敏度 通常為44027名 稱原 理精 度反應時間工作壓力范圍（Pa）其 它U形管壓強計根據(jù)液柱差測量壓力0.5托數(shù)秒10-510-2作為校正標準，與氣體種類無關麥克勞真空計（壓縮真空計）根據(jù)壓縮后的液柱差測量壓力幾%幾十%數(shù)分1010-3(10-4)作用校正標準，不適宜測可凝性氣體皮拉尼真空計（電阻真空計）利用氣體分子的熱傳導10%以上數(shù)秒10310-2(10-3)靈敏度因氣體種類而變，熱絲狀態(tài)不同，零點變化。熱電偶真空計靈敏度易變肖魯斯電離真空計利用熱電子電離殘余氣體1020%10-3秒1010-2靈敏度因氣體種類而變，對電極和管壁除氣極為重要，應注意燈絲斷裂熱陰極電離真空計10-110-6B-A型真空計10-110-10磁控放電真空計（潘寧真空計）利用磁場中的放電電流幾十%數(shù)秒數(shù)