半導(dǎo)體薄膜課件

1、半導(dǎo)體薄膜技術(shù)與物理半導(dǎo)體薄膜技術(shù)與物理2021-10-261半導(dǎo)體薄膜主要參考書(shū)目中文：半導(dǎo)體薄膜技術(shù)與物理，葉志鎮(zhèn)等，浙江大學(xué)出版社，2008薄膜材料制備原理、技術(shù)及應(yīng)用，唐偉忠，冶金工業(yè)出版社，2003薄膜技術(shù)，顧培夫，浙江大學(xué)出版社，1990硅外延生長(zhǎng)技術(shù)，b. jayant baliga著，任丙彥等譯，河北科學(xué)技術(shù)出版社，1992外延生長(zhǎng)技術(shù)，楊樹(shù)人等，國(guó)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。2半導(dǎo)體薄膜薄膜材料科學(xué)與技術(shù)作用薄膜材料科學(xué)與技術(shù)作用微電子通訊光電子涂層能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換3半導(dǎo)體薄膜第一章第一章 真空技術(shù)真空技術(shù) 許多薄膜技術(shù)是在真空下實(shí)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(shí)是必需的。2021-10-264半導(dǎo)體薄膜p：壓強(qiáng)（pa）；n：氣體分子密度（個(gè)/米3）；k：玻爾茲曼常數(shù)（1.3810-23 j/k）；v：體積（m3）；m：氣體質(zhì)量（kg）；m：摩爾質(zhì)量（kg/mol）；r：氣體普適常數(shù)；t：絕對(duì)溫度（k）；r=nak；na：阿佛伽

3、德羅常數(shù)（6.0231023/mol）p p = = nktnktrtmmpv 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，t= 273 k, p= 1.01 x 105 (pa),任何氣體分子密度是n=3n=310101919個(gè)個(gè)/cm/cm3 3p=1.3310-4pa, t=293k, n=3.21010個(gè)/cm3氣體處于平衡時(shí)，氣體狀態(tài)方程氣體處于平衡時(shí)，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半導(dǎo)體薄膜a:a:“真空真空”：在給定的空間內(nèi)壓力低于一個(gè)大氣壓的氣體狀態(tài)。：在給定的空間內(nèi)壓力低于一個(gè)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:

4、 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(jì)，就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(jì)，就 可以認(rèn)為是真空了?？梢哉J(rèn)為是真空了?！?“真空真空”是相對(duì)的是相對(duì)的普通方法可得：普通方法可得：1x 101x 10-8-8 pa pa；極限壓強(qiáng)：；極限壓強(qiáng)：1x101x10-11-11papa. . 1.1.11.1.1 真空的真空的定義定義6半導(dǎo)體薄膜1.1.2 1.1.2 真空表示真空表示 氣體熱運(yùn)動(dòng)概率：氣體熱運(yùn)動(dòng)概率：自由程：自由程： ：分子直徑 mrt2npnanl221lp=0.667(cm.pa)tconsplnrtltan22)cm(667. 0pl t =

5、25當(dāng)壓強(qiáng)為1x10-8pa時(shí)，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。7半導(dǎo)體薄膜1.1.3 1.1.3 真空度單真空度單位位幾種單位間換算：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(dá)因達(dá)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 = 1.00000

6、014torr 1torr;1torr;1 1巴（巴（barbar）= 10= 105 5pa.pa.通常用壓強(qiáng)為單位來(lái)描述通常用壓強(qiáng)為單位來(lái)描述“真空真空”狀態(tài)下的氣體真空度狀態(tài)下的氣體真空度-稀薄程度，壓強(qiáng)高，表示真空度低；壓強(qiáng)低，表示真空稀薄程度，壓強(qiáng)高，表示真空度低；壓強(qiáng)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。8半導(dǎo)體薄膜1.1.4 1.1.4 區(qū)域劃分區(qū)域劃分 為了便于討論和實(shí)際應(yīng)用，常根據(jù)各壓強(qiáng)范圍內(nèi)不同的物理特點(diǎn)把真空劃分為粗真空、低真空、高真空和超高真空四個(gè)區(qū)域。9半導(dǎo)體薄膜1.2

7、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(duì)：泵對(duì)i氣體的極限壓強(qiáng)（氣體的極限壓強(qiáng)（pa）qi：室內(nèi)各種氣源（：室內(nèi)各種氣源（pal/s）si：泵對(duì)：泵對(duì)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(dá)到的真空度：10半導(dǎo)體薄膜真空獲得的方式按原理主要分為：機(jī)械運(yùn)動(dòng)：機(jī)械泵、渦輪分子泵蒸汽流噴射：擴(kuò)散泵化學(xué)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半導(dǎo)體薄膜：初始?jí)簭?qiáng)00p )(nnvvvpp：泵內(nèi)空腔體積v 01vvvpp 機(jī)械泵

8、：機(jī)械泵： 利用機(jī)械方法使工作室的容積周期性地?cái)U(kuò)大和壓縮來(lái)實(shí)現(xiàn)抽氣、獲得真空的裝置利用機(jī)械方法使工作室的容積周期性地?cái)U(kuò)大和壓縮來(lái)實(shí)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(zhuǎn)子，嵌于轉(zhuǎn)子的兩個(gè)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。12半導(dǎo)體薄膜旋片式機(jī)械泵結(jié)構(gòu)(剖面)圖工作原理圖：油封旋片式機(jī)械泵油封旋片式機(jī)械泵容積的體積和氣體壓強(qiáng)成反比。13半導(dǎo)體薄膜理論抽速理論抽速：s=2v（升/秒） 轉(zhuǎn)速 =1000轉(zhuǎn)/分，v=1/4升，s=500升/分=8升/秒實(shí)際抽速實(shí)際抽速： 考慮到有害空間，實(shí)際比理論小，有一系數(shù)v

9、0s ,pp ,)1 (2hmppvvsmh泵油的作用泵油的作用：密封潤(rùn)滑和冷卻機(jī)械泵的局限性：機(jī)械泵的局限性：對(duì)水蒸汽等可凝性氣體存在很大困難機(jī)械泵的機(jī)械泵的抽氣速率：抽氣速率： 單位時(shí)間內(nèi)所排出的幾何容積，稱為理論抽速。單位時(shí)間內(nèi)所排出的幾何容積，稱為理論抽速。14半導(dǎo)體薄膜油擴(kuò)散泵結(jié)構(gòu)及工作原理 擴(kuò)散泵：擴(kuò)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。15半導(dǎo)體薄膜pf：前級(jí)真空壓強(qiáng)n：蒸汽分子密度u：油蒸汽速度l：出氣口至進(jìn)氣口的蒸汽擴(kuò)散長(zhǎng)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

10、作蒸汽的稱為油擴(kuò)散泵必須與機(jī)械泵配合使用極限真空壓強(qiáng)：16半導(dǎo)體薄膜真空室放氣閥真空室預(yù)閥粗抽管道低閥前級(jí)管道機(jī)械泵放氣閥機(jī)械泵馬達(dá)電源加熱電源擴(kuò)散泵管道高真空閥真空規(guī)管水冷障板機(jī)械泵馬達(dá)電源機(jī)械泵和擴(kuò)散泵組成的典型的真空系統(tǒng)機(jī)械泵和擴(kuò)散泵組成的典型的真空系統(tǒng)擴(kuò)散泵注意事項(xiàng)： 擴(kuò)散泵不能單獨(dú)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(jié)束時(shí)，先停止加熱，冷卻一段時(shí)間后才可關(guān)閉。17半導(dǎo)體薄膜 分子泵分子泵臥式渦輪分子泵的結(jié)構(gòu)示意圖18半導(dǎo)體薄膜工作原理： 處于氣體中的固體表面以一定方向運(yùn)動(dòng)，所有飛到這表面的氣體分子，經(jīng)過(guò)碰撞后都具有一定的分速度，其大小與方向等于固

11、體的速度。 turbo-molecular泵：通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片，不斷地對(duì)氣體分子施以定向的動(dòng)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19半導(dǎo)體薄膜1.3 真空測(cè)量工作原理：基于低氣壓時(shí)，熱傳導(dǎo)則與壓強(qiáng)成正比a、電阻真空計(jì) （皮拉尼（皮拉尼（piranipirani）真空計(jì)）真空計(jì)）：利用熱絲電阻隨溫度變化的性質(zhì)制成。b、熱電偶熱電偶：用熱電偶測(cè)定溫度變化引起電動(dòng)勢(shì)變化的真空計(jì)。 q = q1 + q2 + q3 輻射 傳導(dǎo) 氣體 (t1，t2) = e (t1)-e (t2) e (t1)、e (t2) 是接點(diǎn)的分熱電動(dòng)勢(shì) 關(guān)于熱電偶：（1）熱

12、電動(dòng)勢(shì)僅與熱電偶的材料材料和接點(diǎn)溫度接點(diǎn)溫度有關(guān) （2）中間導(dǎo)體定律中間導(dǎo)體定律：熱電偶回路中，加入兩端溫度相同的中 間導(dǎo)體，不會(huì)影響熱電動(dòng)勢(shì)。 熱傳導(dǎo)真空計(jì)熱傳導(dǎo)真空計(jì)：20半導(dǎo)體薄膜皮拉尼真空計(jì)熱電偶真空計(jì)21半導(dǎo)體薄膜lrtttmrpq1221322單位時(shí)間內(nèi)氣體分子從加熱燈絲表面?zhèn)鬟f到熱真空計(jì)玻璃管的熱量若確定，q3與壓強(qiáng)p成正比；實(shí)際上：氣體分子與固體表面的碰撞過(guò)程非常復(fù)雜 難確定 很難計(jì)算出q3 通常需用絕對(duì)真空計(jì)較準(zhǔn)高真空時(shí)，自由程lr2-r1(r2玻管半徑)，由于壓強(qiáng)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 i

13、x p10-10pakpiieik：電離真空計(jì)的靈敏度 通常為44026半導(dǎo)體薄膜名 稱原 理精 度反應(yīng)時(shí)間工作壓力范圍（pa）其 它u形管壓強(qiáng)計(jì)根據(jù)液柱差測(cè)量壓力0.5托數(shù)秒10-510-2作為校正標(biāo)準(zhǔn)，與氣體種類無(wú)關(guān)麥克勞真空計(jì)（壓縮真空計(jì)）根據(jù)壓縮后的液柱差測(cè)量壓力幾%幾十%數(shù)分1010-3(10-4)作用校正標(biāo)準(zhǔn)，不適宜測(cè)可凝性氣體皮拉尼真空計(jì)（電阻真空計(jì)）利用氣體分子的熱傳導(dǎo)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(diǎn)變化。熱電偶真空計(jì)靈敏度易變肖魯斯電離真空計(jì)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(duì)電極和管壁除氣極為重要，應(yīng)注意燈絲斷裂熱陰極電離真空計(jì)10-110-6b-a型真空計(jì)10-110-10磁控放電真空計(jì)（潘寧真空計(jì)）利用磁場(chǎng)中的放電電流幾十%數(shù)秒數(shù)分11