半導(dǎo)體薄膜的制備實(shí)驗(yàn)的特殊性及教學(xué)嘗試課件

半導(dǎo)體薄膜的制備實(shí)驗(yàn)的特殊性及教學(xué)嘗試四級物理實(shí)驗(yàn)的宗旨按實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)普遍性、難易程度與學(xué)生知識水平相適應(yīng)分為四級實(shí)驗(yàn)一級實(shí)驗(yàn)：基本操作與測量，普及型二、三級實(shí)驗(yàn)：逐步增加綜合性與設(shè)計性實(shí)驗(yàn)的比例及難度，由教師安排，過渡到學(xué)生自己設(shè)計實(shí)驗(yàn)，自己準(zhǔn)備儀器完成實(shí)驗(yàn)。培養(yǎng)綜合思維和創(chuàng)造能力。四級實(shí)驗(yàn)以科研實(shí)踐為主題，以科學(xué)研究的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立科研的能力。達(dá)到以上要求的難點(diǎn)

（對三、四級實(shí)驗(yàn)而言）（1）三、四級實(shí)驗(yàn)的對象是理科和物理類學(xué)生，有幾百人參加。設(shè)備和師資有限，可能帶來如下問題：設(shè)備總量將嚴(yán)重不足實(shí)驗(yàn)周期大大拉長，指導(dǎo)教師工作量大大增加（2）由于增加了具有時代性和先進(jìn)性的現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)，引入了一些大型或高精尖設(shè)備，不可能讓每人得到充分的操作訓(xùn)練，可能帶來如下問題：實(shí)驗(yàn)設(shè)備少，操作受限；操作規(guī)程過于規(guī)范，束縛思維實(shí)驗(yàn)先進(jìn)，大大超前理論：知其然不知其所以然實(shí)驗(yàn)標(biāo)題及方法固定，實(shí)際上就難以切入真正的科研解決方法：（1）實(shí)驗(yàn)閑隙中（如抽真空等待時），以計算機(jī)演示的方式，向同學(xué)講解：固體物理和半導(dǎo)體物理預(yù)備知識實(shí)驗(yàn)原理和操作規(guī)程（2）每次實(shí)驗(yàn)必須打開真空室，結(jié)合實(shí)物講解（3）請同學(xué)自己總結(jié)問題和提出問題（4）利用學(xué)期近結(jié)束時的開放時間安排科研實(shí)踐活動下是計算機(jī)部分演示一、ZnO透明導(dǎo)電薄膜和金屬電極的制備(1)預(yù)備知識：半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及導(dǎo)電性（為沒有學(xué)過“固體物理”的學(xué)生準(zhǔn)備,另有演示,此處從略）半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu),晶格、晶向、晶面和它們的標(biāo)志,半導(dǎo)體的幾種常見結(jié)構(gòu)（金剛石型結(jié)構(gòu)，閃鋅礦、纖鋅礦結(jié)構(gòu)，氯化鈉結(jié)構(gòu)）半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶:原子的能級和晶體的能帶（導(dǎo)帶，禁帶和價帶）半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級，間隙位與替位位，施主與受主，補(bǔ)償，n型與p型半導(dǎo)體，缺陷與位錯，半導(dǎo)體中的摻雜ZnO薄膜的制備透明導(dǎo)電ZnO薄膜及

金屬電極的制備演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容介紹三.金屬電極制備

四.磁控濺射制備ZnO薄膜五.相關(guān)準(zhǔn)備工作----化學(xué)清洗和靶材制備

二.ZnO薄膜的基本性質(zhì)一.薄膜材料簡介（1）薄膜材料

應(yīng)用領(lǐng)域：材料科學(xué)、能源、信息、微電子工業(yè)等;尤其寬禁帶半導(dǎo)體光電功能材料，已成為各國研究的重點(diǎn)。

研究目的：利用新材料制備具有最佳性能的器件提高生產(chǎn)率，降低成本;

發(fā)展方向：透明導(dǎo)電薄膜、具有低電阻、高透射率等 可作為透明導(dǎo)電窗口.（2）ZnO薄膜及金屬電極的制備實(shí)驗(yàn)方法：

用摻氧化鋁的氧化鋅粉末靶→真空蒸發(fā)或磁控濺射→制備半導(dǎo)體透明導(dǎo)電薄膜→測量薄膜的光電特性.一、薄膜材料簡介二、ZnO薄膜的基本性質(zhì)

幾種寬禁帶半導(dǎo)體基本性質(zhì)比較

1、真空蒸發(fā)原理：真空條件下---蒸發(fā)源材料加熱---脫離材料表面束縛---原子分子作直線運(yùn)動----遇到待沉積基片---沉積成膜。

2、真空鍍膜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：（1）真空鍍膜室（2）真空抽氣系統(tǒng)（3）真空測量系統(tǒng)

三、真空蒸發(fā)制備金屬電極旋片泵結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖擴(kuò)散泵結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖渦輪分子泵結(jié)構(gòu)示意圖熱偶規(guī)工作原理：一對熱電偶A、B與一對加熱鎢絲焊接在一起，在電流恒定不變時，熱絲溫度取決于管內(nèi)氣體的熱導(dǎo)率K，K正比于分子平均自由程和氣體濃度.在-1托至-4托范圍內(nèi),隨著真空度的提高,電偶電動勢也增加,因而可由熱電偶電動勢的變化來表示管內(nèi)氣體的壓強(qiáng).(需要注意的是,當(dāng)真空度更高時,由于熱傳導(dǎo)非常小,電偶電動勢變化不明顯時,就需要改用其它方法測量了)真空測量系統(tǒng)----熱偶規(guī)熱陰極電離規(guī)工作原理:從發(fā)射極F發(fā)射出電子,經(jīng)過柵極G使電子加速,加速電子打中管內(nèi)氣體分子時,使氣體分子電離,正離子被收集極C吸收,收集極電路中的微安表記錄正離子流Ii的變化,而電子流在柵極附近作若干次振蕩后被柵極吸收,由柵極電路中的毫安表記錄電子流Ie.需要注意的是:真空度低于-3托時不能用電離規(guī)直接測量,原因是在低真空條件下,加熱的燈絲容易氧化而燒斷.真空測量系統(tǒng)----熱陰極電離規(guī)以蒸鋁為例：（1）懸掛鋁絲；（2）基片清洗及放置；（3）系統(tǒng)抽真空；（4）襯底預(yù)熱；（5）預(yù)蒸；（6）蒸發(fā)；（7）停機(jī)。真空蒸發(fā)鍍膜工藝濺射原理：

所謂濺射，就是向高真空系統(tǒng)內(nèi)加入少量所需氣體（如氬、氧、氮等），氣體分子在強(qiáng)電場的作用下電離而產(chǎn)生輝光放電。氣體電離后產(chǎn)生的帶正電荷的離子受電場加速而形成為等離子流，它們撞擊到設(shè)置在陰極的靶材表面上，使靶表面的原子飛濺出來，以自由原子形式與反應(yīng)氣體分子形成化合物的形式沉積到襯底表面形成薄膜層。（也稱陰極濺射法）四、磁控濺射法制備透明導(dǎo)電ZnO薄膜磁控射頻濺射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)磁控射頻濺射工作原理

洛侖茲力：F=q(E+vB)2、基片清洗的一般程序:去油→去離子→去原子→去離子水沖洗1、化學(xué)清洗的概念和方法:3、常見金屬材料的清潔處理:（1）鎢絲（2）鋁絲4、實(shí)驗(yàn)用具的清潔處理:（1）玻璃器皿（2）石英器皿（2）金屬用具（3）石墨工具實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作一：化學(xué)清洗

1、靶材概述

3、靶材制備方法5、制靶工藝4、制靶工具---粉末壓靶機(jī)6、靶材與底座的連接實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作二：靶材制備實(shí)驗(yàn)思考題1、簡述真空蒸發(fā)的原理及工藝過程；2、真空蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)中鎢絲和基片的清潔處理；5、簡述分子泵工作原理及使用注意事項；6、簡述磁控濺射工作原理；3、簡述熱電偶規(guī)工作原理及使用注意事項；4、簡述熱陰極電離規(guī)工作原理及使用注意事項；7、簡述在濺射過程中所通氣體的作用；8、簡述在濺射過程中濺射功率的調(diào)節(jié)及注意事項；9、簡述化學(xué)清洗的方法及一般程序；場景對話：實(shí)驗(yàn)過程的一般描述及問答

(多數(shù)未列入實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和計算機(jī)演示中）

描述一：打開裝置說明各部分的用途 問物理原理，請自己總結(jié)問題描述二：調(diào)節(jié)儀器說明其作用 請紀(jì)錄和自己總結(jié)問題描述三：提示學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 請紀(jì)錄和自己總結(jié)問題以上三部分的描述必須體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)報告中。描述一：A、金屬電極的制備：1、為何要用兩級真空系統(tǒng)？2、兩級真空系統(tǒng)的測量、熱偶規(guī)與電離規(guī)的工作原理？3、擴(kuò)散泵及旋片機(jī)械泵的工作原理？通冷卻水的作用4、鍍膜時為何要對襯底加熱？5、熱蒸發(fā)原理及其要注意的事項（蒸發(fā)器與襯底之間為何加擋板？金屬樣品及加熱絲的清洗）6、襯底基片（硅片、玻璃片及其它）的清洗B、ZnO薄膜的制備1、為何要用分子泵—機(jī)械泵兩級真空系統(tǒng)？2、分子泵的工作原理？它與擴(kuò)散泵的差別？3、磁控濺射原理及問題（1）直流磁控與射頻磁控濺射的差別（2）磁控濺射中磁場與電場的共同作用下帶電粒子的運(yùn)動方式

描述二：A、金屬電極的制備：注意真空蒸發(fā)調(diào)節(jié)中的細(xì)節(jié)1、真空泵及測量裝置的開啟流程：檢查系統(tǒng)的漏氣情況，尤其檢查鐘罩密封圈有無纖維等異物，密封圈有無縱向劃痕？檢查電路及供水系統(tǒng)是否完好？注意擴(kuò)散泵的開機(jī)時機(jī)，并相應(yīng)調(diào)節(jié)各真空閥真空計測量時間的選擇2、加熱鎢絲蒸發(fā)源時的注意事項開啟蒸發(fā)源前為何要關(guān)閉真空計？蒸發(fā)電流為何要慢慢增加？BZnO薄膜的制備1、真空泵及測量裝置的開啟流程：檢查系統(tǒng)的漏氣情況，尤其檢查鐘罩密封圈有無纖維等異物檢查電路及供水系統(tǒng)是否完好注意分子泵的開機(jī)時機(jī)，并相應(yīng)調(diào)節(jié)各真空閥2、氣體流量的設(shè)定根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)定濺射氣體與反應(yīng)氣體及其質(zhì)量流量比,本實(shí)驗(yàn)中用氧化鋅粉末靶，為什麼還要加氧氣作為反應(yīng)氣體？3、實(shí)驗(yàn)控制參數(shù)的設(shè)定濺射功率、forward與reflected功率比調(diào)節(jié)及其意義。

反應(yīng)室壓強(qiáng)的設(shè)定、反應(yīng)室的本底真空與濺射時反應(yīng)氣體壓強(qiáng)之差的意義膜厚控制儀參數(shù)的設(shè)定，生長速率的顯示及其測量濺射鍍膜時為何要關(guān)閉壓強(qiáng)測試電離規(guī)？4、當(dāng)用鋅金屬靶與氧氣進(jìn)行反應(yīng)濺射時，會出現(xiàn)那些問題？為何反應(yīng)功率要適當(dāng)調(diào)小，反應(yīng)室壓強(qiáng)也要適當(dāng)調(diào)??？5、定期檢查反應(yīng)室是否有因長期鍍膜導(dǎo)致的亞導(dǎo)通現(xiàn)象，為何必須及時清理？描述三：A、金屬電極的制備：1、對真空現(xiàn)象的觀測及處理啟動機(jī)械泵后持續(xù)有沸騰聲并排出大量白色煙霧，應(yīng)如何處理？關(guān)擴(kuò)散泵后為何要維持長時間的通水？在觀察熱偶規(guī)及電離規(guī)時，若指針來回擺動意味著真空系統(tǒng)有何問題，如何解決？有時電離規(guī)不能啟動，但測量燈絲未斷，是否需要更換新的電離規(guī)？或檢查真空儀器是否損壞。2、熱蒸發(fā)注意事項用鋁絲掛在鎢絲制成的熱蒸發(fā)器上進(jìn)行加熱蒸發(fā)為何有時不能形成所需要的持久的液滴？解決方法是什麼？用高溫測量儀觀測熱絲溫度時為何需要潔凈的觀察窗？擋板打開的時機(jī)？在鍍膜結(jié)束時為何需等待蒸鍍金屬完全熔化干凈？B、ZnO薄膜的制備1、Forward與reflected功率之和為何與與電源輸出功率有一定差異？當(dāng)差異較大和指針擺動時意味著將要采取何種措施？2、膜厚監(jiān)測中突然出現(xiàn)膜厚數(shù)值的迅速增加或“晶無效”時如何解決？為什麼需要在平時就測定各種濺射功率下的薄膜生長速率？3、當(dāng)用鋅金屬靶與氧氣進(jìn)行反應(yīng)濺射時，會出現(xiàn)那些問題？有時靶片沸騰而迅速蒸發(fā)，同時壓強(qiáng)控制儀失靈的原因是什麼？4、在對真空室進(jìn)行通氣時為何要關(guān)閉分子泵？在分子泵減速時，將真空室與分子泵之間的真空閥微開有何作用？評分標(biāo)準(zhǔn)：1.教員對學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的印象（10%）；2.實(shí)驗(yàn)報告中是否體現(xiàn)了三個描述（70%）；3.是否能提出新的問題（10%）；4.是否有獨(dú)立思考和創(chuàng)新（10%）。如何切入科研實(shí)踐

1．時機(jī)的把握：(a)利用學(xué)期近結(jié)束時的開放時間安排，(b)啟發(fā)學(xué)生自己提出要求。2．教員確立一個方向和科研實(shí)踐所應(yīng)達(dá)到的水準(zhǔn)，安排學(xué)生討論和調(diào)研3．調(diào)研后由學(xué)生做實(shí)驗(yàn)設(shè)計報告，論證后安排實(shí)驗(yàn)教員指導(dǎo)下的學(xué)生討論與調(diào)研重要性：以硅為襯底生長ZnO基疊層薄膜是寬禁帶半導(dǎo)