半導(dǎo)體薄膜_課件

1、2022-5-21半導(dǎo)體薄膜技術(shù)與物理半導(dǎo)體薄膜技術(shù)與物理申燕申燕2主要參考書目中文：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 t

2、echniques ， Krishna Seshan，Noyes Publications， 2002。3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2022-5-24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。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：阿佛伽德羅常數(shù)（6.0231023/mol）P

3、 = nkTRTMmPV 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=31019個(gè)個(gè)/cm3P=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6a: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: 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

4、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 10-8 Pa；極限壓強(qiáng)：；極限壓強(qiáng)：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(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 = 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。81.1.3 真空度單位真空度單位幾種單位間換

5、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 = 1.00000014Torr 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

6、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。91.1.4 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。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(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：

7、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：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12：初始?jí)簭?qiáng)00P )(nnVVVPP：泵內(nèi)空腔體積V 01VVVPP 機(jī)械泵：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

8、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。13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。14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)v0S ,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

9、的幾何容積，稱為理論抽速。15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。16Pf：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)：17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

10、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。18 分子泵分子泵臥式渦輪分子泵的結(jié)構(gòu)示意圖19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201.3 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（Piran

11、i）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)：21皮拉尼真空計(jì)熱電偶真空計(jì)22LrTTTMRPQ1221322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)

12、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(jué)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(jì)的靈敏度 通常為44027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)