半導體薄膜技術及物理 第一章

2023/2/21半導體薄膜技術與物理葉志鎮(zhèn)2010.92薄膜材料科學與技術作用

TheMaterialsScienceofThinFilmsbyMiltonOhringPreface

Thin-filmscienceandtechnologyplayacrucialroleinthehigh-techindustriesthatwillbearthemainburdenoffutureAmericancompetitiveness.Whilethemajorexploitationofthinfilmshasbeeninmicroelectronics,therearenumerousandgrowingapplicationsincommunications,opticalelectronics,coatingsofallkinds,andinenergygenerationandconservationstrategies.Agreatmanysophisticatedanalyticalinstrumentsandtechniques,largelydevelopedtocharacterizethinfilmsandsurfaces,havealreadybecomeindispensableinvirtuallyeveryscientificendeavorirrespectiveofdiscipline.3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.JayantBaliga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《Thematerialsscienceofthinfilms》,MiltonOhring，1991《Handbookofthin-filmdepositionprocessesandtechniques》，

KrishnaSeshan，NoyesPublications，2002。。。2023/2/24第一章真空技術

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。51.1.1

真空的定義1.1真空的基本概念壓力低于一個大氣壓的任何氣態(tài)空間氣體處于平衡時，氣體狀態(tài)方程

P=nkTP：壓強（Pa），n：氣體分子密度（個/米3），k：玻爾茲曼常數(shù)（1.38×10-23J/K）V：體積（m3），m：氣體質(zhì)量（kg），M：分子量（kg/mol）R：氣體普適常數(shù)，T：絕對溫度（K），R=NA·k，NA：阿佛伽德羅常數(shù)（6.023×1023/mol）（個/米3）在標準狀態(tài)下，任何氣體分子n=3×1019個/cm3P=1.33×10-4Pa,T=293K,n=3.2×1010個/cm3“真空”是相對的61.1.2

真空表示氣體熱運動概率：自由程：

σ：分子直徑l·P=0.667(cm.Pa)T=25℃71.1.3

真空度單位國際單位制：壓強

壓強高，真空度低壓強低，真空度高幾種單位間換算：米千克秒制：1Pa=1N/m2=1Kg/m?s2=10達因/cm2=

7.510-3Torr1毫米汞柱（mmHg）=1/760atm=133.3Pa=1.00000014Torr≈

1Torr1巴（bar）=105Pa81.1.4

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(nèi)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。91.2真空的獲得工具——真空泵Pui：泵對i氣體的極限壓強（Pa）Qi：室內(nèi)各種氣源（Pa·L/s）Si：泵對i氣體的抽氣速率（L/s）Pi：i氣體的分壓（Pa）V：真空室容積（L）10真空泵的種類及工作原理1、機械泵：組成部件：定子、轉(zhuǎn)子，嵌于轉(zhuǎn)子的兩個旋片以及彈簧工作原理：玻意-耳馬略特定律，PV=K。P1(V+△V)=P0VV：真空室體積11旋片式機械泵結構(剖面)圖工作原理圖12機械泵的抽氣速率理論抽速：S=2ωV（升/秒）轉(zhuǎn)速ω=1000轉(zhuǎn)/分，V=1/4升，S=500升/分=8升/秒實際抽速：考慮到有害空間，實際比理論小，有一系數(shù)v泵油的作用：密封潤滑和冷卻機械泵的局限性：對水蒸汽等可凝性氣體存在很大困難13油擴散泵結構及工作原理

2、擴散泵14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Pf：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)15馬達電源機械泵機械泵放氣閥163、分子泵

臥式渦輪分子泵的結構示意圖17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(jīng)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(zhuǎn)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）4、濺射離子泵5、吸附泵6、升華泵可見參考書181.3真空測量1、熱真空計：工作原理：在低真空時，熱傳導則與壓強成正比A、皮拉尼（Pirani）真空計：測定因溫度變化引起燈絲電阻的變化B、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和接點溫度有關（2）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。19皮拉尼真空計熱電偶真空計20單位時間內(nèi)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，Q3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l>>r2-r1(r2玻管半徑)，由于壓強很低，Q3<<Q1-Q2，Q3與壓強無關。稱為聚合系數(shù)；T1和T2分別為熱絲和玻管溫度；r1和L分別為熱絲的半徑和長度212、電離真空計

工作原理：

燈絲F發(fā)射熱電子，發(fā)射的熱電子（e）被加速極A加速，碰撞氣體分子（M）而使其電離，電離產(chǎn)生的離子數(shù)和氣壓P成正比Ii:離子收集極C得到的離子流Ie:加速極A得到的電子流兩者之比稱為電離系數(shù)22熱陰極電離真空計23假設：陰極與離子收集極的間距為d

電子的平均自由程為le

電子每與氣體分子碰撞一次就能產(chǎn)生一次電離計算的P要較壓縮真空計實際測得的壓強低故改為已知得24Ie為常數(shù)時

Ii=IeKP=CP離子流僅與壓強成正比測出離子流，經(jīng)放大后可用轉(zhuǎn)換為壓強刻度的表頭指示測量范圍：10-1～10-6PaP>10-1Pa，飽和

P<10-6Pa，高速電子→X射→IX→Ii↑B-A型：改變離子收集極，板狀柱，X射↓→IX↓→P～10-10PaK：電離真空計的靈敏度通常為4～4025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10-5~10-2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10~10-3(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103~10-2(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10~20%10-3秒10~10-2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10-1~10-6B-A型真空計10-1~10-10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)