半導(dǎo)體薄膜技術(shù)與物理復(fù)習(xí)

1、第1章 真空技術(shù)1、 真空的定義：真空是指在給定的空間內(nèi)壓力低于一個大氣壓的稀薄氣體狀態(tài)。2、 真空度：通常用壓強為單位來描述“真空”狀態(tài)下的氣體稀薄程度真空度。（壓強高則真空度低，壓強低則真空度高）3、 真空度單位：毫米汞柱（mmHg） 托（Torr） 帕斯卡（Pa） 巴（bar）單位之間的換算：1 Pa =1 牛頓/米2=1 千克/米*秒2=10 達因/cm2=0.0075 Torr4、 真空不同分區(qū)的特點：在氣壓高于10 Torr 的真空范圍區(qū)域，氣體性質(zhì)和常壓，氣流特性也以分子間的碰撞為主;當(dāng)壓力漸漸減小，分子密度降低，平均自由程增加，分子間的碰撞開始減少；當(dāng)達到高真空區(qū)域，真空特性以

2、氣體分子和真空器壁的碰撞為主；在超高真空區(qū)，氣體分子在空間活動減少，而以在固體表面上吸附停留為主。5、 常用的真空泵：機械運動機械泵、渦輪分子泵 蒸氣流噴射擴散泵 化學(xué)吸附吸氣劑泵：升華泵 吸氣劑離子泵：濺射離子泵6、 一般機械泵的極限真空度為0.1Pa, 可以在大氣中與大氣相連工作。7、 擴散泵使用注意事項：A. 擴散泵不能單獨工作，一定要用機械泵作為前級泵，并使系統(tǒng)抽到0.1Pa 量級時才能啟動擴散泵。B. 泵體要豎直，按規(guī)定量加油和選用加熱電爐功率。C. 牢記先通冷卻水，后加熱。結(jié)束時則應(yīng)先停止加熱，冷卻一段時間后才能關(guān)閉。8、 常用真空計：熱電偶真空計、電阻真空計、熱陰極電離真空計、冷

3、陰極電離真空計、電容薄膜真空計、壓縮式真快計、壓敏真空計（記住常用的三種即可以了）。9、 真空系統(tǒng)的質(zhì)量：指系統(tǒng)真空度的好壞，特別是系統(tǒng)內(nèi)所含水蒸氣與油污染的程度。10、 真空鍍膜的過程（大致了解見書18面）11、 要保持較高真空度需要：A、 減少蒸發(fā)分子與殘余氣體分子的碰撞；B、 抑制它們之間的反應(yīng)，減少對襯底表面的污染。第2章 蒸發(fā)技術(shù)1、 物理氣相沉積：指在一定的真空條件下，利用熱蒸發(fā)或輝光放電或弧光放電等物理過程使材料沉積在襯底上的薄膜制備技術(shù)。2、 真空蒸發(fā)鍍膜法（簡稱蒸鍍）：指將固體材料置于高真空環(huán)境中加熱，使之升華或蒸發(fā)并沉積在特定襯底上以獲得薄膜的工藝方法。3、 真空蒸發(fā)所得到

4、的薄膜，一般都是多晶膜或無定形膜，薄膜以島狀生長為主，歷經(jīng)成核和成膜兩個過程。4、 真空蒸發(fā)多晶薄膜的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，與蒸發(fā)速度、襯底溫度有密切關(guān)系。5、 飽和蒸氣壓：指在一定溫度下，真空室中蒸發(fā)材料的蒸氣在與固體或液體平衡過程中所表現(xiàn)出的壓力就為該溫度下的飽和蒸氣壓。6、 飽和蒸氣壓對溫度有很強的依賴關(guān)系。7、 電子束蒸發(fā)法：指將蒸發(fā)材料置于水冷坩鍋中，利用電子束進行直接加熱，使蒸發(fā)材料汽化并在襯底上凝結(jié)形成薄膜的方法。8、 e形槍的特點及原理：第3章 濺射技術(shù)1、 濺射：指荷能粒子轟擊固體表面，固體表面原子或分子獲得入射粒子所攜帶的部分能量，從而使其射出的現(xiàn)象。2、 濺射過程是建立在氣體輝光放

5、電基礎(chǔ)上的。3、 輝光放電：是指氣體放電的一種類型，是一種穩(wěn)定的自持放電，靠離子轟擊陰極產(chǎn)生二次電子來維持。4、 級聯(lián)碰撞理論：入射粒子在進入靶材的過程中與靶材原子發(fā)生彈性碰撞，入射離子的一部分動能會傳給靶材原子，當(dāng)后者的動能超過由其周圍存在的其他靶材原子所形成的勢壘（對于金屬為5-10eV）時，這種原子會從晶格陣點被碰出，產(chǎn)生離子原位，并進一步和附近的靶材原子一次反復(fù)碰撞，產(chǎn)生所謂的級聯(lián)碰撞。5、 等離子體：是一種自由電子和帶電離子為主要成分的粒子集合體，其中帶正電的粒子和帶負電的粒子具有幾乎相同的密度、整體呈現(xiàn)電中性的狀態(tài)。6、 濺射閾：指入射離子使陰極靶產(chǎn)生濺射所需的最小能量。7、 濺射

6、產(chǎn)額：又稱為濺射率或濺射系數(shù)，表示正離子撞擊陰極時，平均每個正離子能從陰極上打出的原子數(shù)。8、 原子濺射產(chǎn)額與入射離子的關(guān)系圖的解釋。P399、 提高濺射淀積率的最佳參數(shù)是：較高的陰極電壓和電流密度、較重的惰性氣體和較低的濺射氣壓。提高沉積率的有效方法是改變電極配置和施加適當(dāng)?shù)拇艌龅取?0、 三級濺射所謂的三級是指陰極，陽極和靶電極。四級濺射是在三級濺射的基礎(chǔ)上加上一個輔助電極。11、 射頻濺射：又稱高頻濺射，是為直接濺射絕緣介質(zhì)材料而設(shè)計的。12、 磁控濺射：指把磁控原理與普通的濺射技術(shù)相結(jié)合，利用磁場的特殊分布控制電場中的電子運動軌跡，以此改進濺射的工藝。13、 反應(yīng)濺射（了解，見書上49

7、面）14、 離子鍍膜技術(shù)：又稱為離子鍍，是指在真空條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)部分離化，在氣體離子或被蒸發(fā)物質(zhì)離子轟擊作用的同時，把蒸發(fā)物或其反應(yīng)物沉積在襯底上。離子鍍技術(shù)是真空蒸發(fā)和濺射技術(shù)相結(jié)合的一種鍍膜方法。15、 離子鍍的優(yōu)點：A膜層附著力強；B膜層沉積速率快；C膜層密度高；D繞鍍性能好。16、 Zno薄膜的生長過程（了解，書59面）和生長的五個階段（了解，書61面）17、 對于濺射技術(shù)而言，影響薄膜結(jié)構(gòu)和性能的兩個關(guān)鍵參數(shù)是工作氣體壓強和生長速度。第四章 化學(xué)氣相沉積外延生長，就是在一定條件下在單晶基片上生長一層單晶薄膜的過程，所生長的單晶薄膜成為外延層。目前，制備半導(dǎo)體單

8、晶外延薄膜的只要方法是化學(xué)氣相沉積（簡稱CVD）。所謂化學(xué)氣相沉積，就是利用氣態(tài)物質(zhì)在固體表面上進行化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)沉積物的過程。平衡分壓是最重要的熱力學(xué)參數(shù)之一。在CVD系統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)中指的是在給定的溫度和壓強下處于一種暫時平衡狀態(tài)時的各種氣體（反應(yīng)氣體、生成氣體）的分壓。在硅CVD外延生長中，多利用的基本熱化學(xué)過程共有三個類型：歧化反應(yīng)、還原反應(yīng)、熱解反應(yīng)。CVD的動力學(xué)分析：CVD過程包含兩個主要步驟：氣體由空間到沉底表面的質(zhì)量輸送；包含吸附和脫附作用的表面反應(yīng)、表面擴散并結(jié)合到晶格中。具體步驟可分為：1）反應(yīng)氣體和載氣運送到薄膜生長室；2）反應(yīng)氣體擴散到基片沉底；3）反應(yīng)氣體吸附；4

9、）發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生固體薄膜，同時生成一些化學(xué)副產(chǎn)物，這個過程包括固體原子沉積、表面擴散，并結(jié)合到晶格中去形成薄膜；5）反應(yīng)副產(chǎn)物的解吸；6）反應(yīng)副產(chǎn)物擴散到主氣流；7）反應(yīng)副產(chǎn)物排出系統(tǒng)。速度邊界層：邊界層的厚度()指的是氣流速度由零增加到容器氣流值的距離，也稱為速度邊界層（v）。質(zhì)量邊界層：在基座和沉底上方的薄層流體中，存在一個濃度梯度的區(qū)域，這個區(qū)域處于速度邊界層內(nèi)，流體的流動速度很慢，故反應(yīng)劑的傳輸主要是由分子擴散的方式來實現(xiàn)，這樣一個濃度梯度的薄層叫做擴散層或質(zhì)量邊界層（c）。溫度邊界層：對于發(fā)熱的基座附近的流體，也存在著一個溫度梯度急劇變化的薄層，在這里熱傳輸也主要靠分子擴散而

10、不是對流，這個薄層叫做溫度邊界層（T）。了解硅源(硅烷)的外延生長。P81在CVD中，氣相中發(fā)生的為均相的體反應(yīng)，稱為均勻成核；固體表面發(fā)生的為非均相的表面發(fā)應(yīng)，稱為非均勻成核。摻雜：包括故意摻雜和非故意摻雜。非故意摻雜的雜質(zhì)可能來自于：1）沉底的固體擴散，即固體外擴散；2）沉底的蒸發(fā)，即氣相自摻雜；3）反應(yīng)器系統(tǒng)的污染，即系統(tǒng)外摻雜。能量增強CVD技術(shù)主要有等離子增強和光增強兩種工藝。等離子體增強CVD(PECVD)的沉積溫度較常壓CVD外延工藝有很大的降低。金屬有機物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）是采用金屬有機物(MO)和氫化物作為晶體生長的原材料，以熱分解反應(yīng)的方式在沉底上進行氣相外延，生長

11、III-V族、II-V族等化合物半導(dǎo)體外延層。以GaN為例了解MOCVD的成膜原理和反應(yīng)過程。P109選擇外延是在沉底上限定區(qū)域內(nèi)進行外延生長的一種技術(shù)。對于硅外延生長而言，選擇外延生長的一般模式為：以硅為沉底，用SiO2或Si3N4為掩膜，利用光刻技術(shù)開出窗口，窗口內(nèi)硅單晶表面的生長是立即開始的，而在窗口外的掩膜上生長不能立即開始，只有在超過“成核”時間后才開始多晶生長，通過控制工藝，從而實現(xiàn)只在窗口內(nèi)暴露出來的硅沉底上進行外延生長，這種方法稱為差分外延生長。第五章 脈沖激光沉積脈沖激光沉積（簡稱PLD）的基本原理：PLD是一種真空物理沉積方法，當(dāng)一束強的脈沖激光照射到靶材上時，靶表面材料就

12、會被激光加熱、熔化、氣化直至變成等離子體，然后等離子體（通常在氣氛氣體中）從靶材向沉底傳輸，最后輸運到襯底上的燒蝕物在沉底上凝聚，成核形成薄膜。整個PLD過程可分為三個階段：1）激光與靶材的作用階段；2）燒蝕物（在氣氛氣體中）的傳輸階段；3到達沉底上的燒蝕物在沉底上的成膜階段。顆粒物是限制PLD技術(shù)獲得廣泛應(yīng)用的主要因素之一。解決方案：1）使用高致密度的靶材；2)通過基于速率不同的機械屏蔽技術(shù)來減少顆粒物；3）實用新型的超快脈沖激光器。第六章 分子束外延分子束外延（簡稱MBE）是晶體薄膜的一種外延生長技術(shù)。它是指在清潔的超高真空環(huán)境下，是具有一定熱能的一種或幾種分子（原子）束噴射到晶體襯底，在

13、襯底表面發(fā)生反應(yīng)的過程。由于分子在“飛行”過程中幾乎與環(huán)境無碰撞，以分子束的形式射向襯底，進行外延生長，故此得名。分子束外延方法是屬于真空蒸鍍方法。MBE的基本原理：在超高真空系統(tǒng)中相對的放置襯底和分子束源爐(噴射爐)，將組成化合物（如GaAs）的各種元素（Ga、As）和摻雜劑（如Si、Be等）分別放入不同的噴射爐內(nèi)，加熱使它們的分子或原子以一定的熱運動速度和一定的束流強度比例噴射到加熱的襯底表面上，與表面相互作用（包括在表面遷移、分解、吸附、脫附等）進行單晶薄膜的外延生長。同質(zhì)外延：指外延薄膜和襯底屬于同一種物質(zhì)。分子束外延生長硅時，只有在清潔、平整有序的襯底表面， MBE才能有效發(fā)生。Si

14、表面清潔方法有：1)濺射清潔處理 通過濺射、退火往返循環(huán)處理，可獲得原子級的清潔表面。優(yōu)點：對表面污染不敏感，能夠有效去除各種表面層，是一個物理過程。缺點：濺射時引起的晶格殘余損失不易恢復(fù)，想獲得非常平整的表面有些困難。2)熱處理方法 在超高真空腔內(nèi)，對硅片高溫退火處理，可獲得清潔的表面。優(yōu)點：可獲得非常高質(zhì)量的清潔表面。缺點：無法對目前使用的大直徑硅片進行加熱。3）活性離子束法4）光學(xué)清潔處理。硅的分子束外延是在非平衡態(tài)的生長，其生長模型為二維生長模型：即通過臺階沿表面?zhèn)鞑崿F(xiàn)外延生長。對于一個清潔的表面，實際上也不是完全平整的，除了少量的缺陷外，表面上還存在著臺階和扭折。因表面臺階和扭折的存在，半導(dǎo)體膜的外延生長分為兩種方式：1）臺階流動方式；2）臺面上二維成核方式。硅的外延生長屬于第一種情況。當(dāng)入射硅原子被吸附到硅片表面，它很容易向臺階邊緣擴散，并形成臺階區(qū)域內(nèi)原子的穩(wěn)態(tài)分布。硅分子束外延的生長速率是由原子到達襯底表面的速率和供給維持晶體生長的吸附原子的表面遷移率來決定的。通常進行Si-MBE要求的生長溫