半导体薄膜课件

1、半导体薄膜技术与物理半导体薄膜技术与物理2021-10-261半导体薄膜主要参考书目中文：半导体薄膜技术与物理，叶志镇等，浙江大学出版社，2008薄膜材料制备原理、技术及应用，唐伟忠，冶金工业出版社，2003薄膜技术，顾培夫，浙江大学出版社，1990硅外延生长技术，b. jayant baliga著，任丙彦等译，河北科学技术出版社，1992外延生长技术，杨树人等，国防工业出版社，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半导体薄膜薄膜材料科学与技术作用薄膜材料科学与技术作用微电子通讯光电子涂层能量存储和转换3半导体薄膜第一章第一章 真空技术真空技术 许多薄膜技术是在真空下实现的，“真空”是许多薄膜制备的必要条件，因此，掌握一定的真空知识是必需的。2021-10-264半导体薄膜p：压强（pa）；n：气体分子密度（个/米3）；k：玻尔兹曼常数（1.3810-23 j/k）；v：体积（m3）；m：气体质量（kg）；m：摩尔质量（kg/mol）；r：气体普适常数；t：绝对温度（k）；r=nak；na：阿佛伽

3、德罗常数（6.0231023/mol）p p = = nktnktrtmmpv 在标准状态下，t= 273 k, p= 1.01 x 105 (pa),任何气体分子密度是n=3n=310101919个个/cm/cm3 3p=1.3310-4pa, t=293k, n=3.21010个/cm3气体处于平衡时，气体状态方程气体处于平衡时，气体状态方程tp107.2n221.1 1.1 真空的基本概念真空的基本概念半导体薄膜a:a:“真空真空”：在给定的空间内压力低于一个大气压的气体状态。：在给定的空间内压力低于一个大气压的气体状态。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论，只要该空间的气体可以忽略不计，就就真空使用者的目的而论，只要该空间的气体可以忽略不计，就 可以认为是真空了。可以认为是真空了。“ “真空真空”是相对的是相对的普通方法可得：普通方法可得：1x 101x 10-8-8 pa pa；极限压强：；极限压强：1x101x10-11-11papa. . 1.1.11.1.1 真空的真空的定义定义6半导体薄膜1.1.2 1.1.2 真空表示真空表示 气体热运动概率：气体热运动概率：自由程：自由程： ：分子直径 mrt2npnanl221lp=0.667(cm.pa)tconsplnrtltan22)cm(667. 0pl t =

5、25当压强为1x10-8pa时，平均自由程为：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半导体薄膜1.1.3 1.1.3 真空度单真空度单位位几种单位间换算：几种单位间换算：米千克秒制：米千克秒制：1pa1pa = 1n/m = 1n/m2 2 = 1kg/m= 1kg/ms s2 2 = 10= 10达因达因/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.通常用压强为单位来描述通常用压强为单位来描述“真空真空”状态下的气体真空度状态下的气体真空度-稀薄程度，压强高，表示真空度低；压强低，表示真空稀薄程度，压强高，表示真空度低；压强低，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半导体薄膜1.1.4 1.1.4 区域划分区域划分 为了便于讨论和实际应用，常根据各压强范围内不同的物理特点把真空划分为粗真空、低真空、高真空和超高真空四个区域。9半导体薄膜1.2

7、1.2 真空的获得真空的获得工具工具真空泵真空泵iiiiiiiuidtdpsvsqpp/pui：泵对：泵对i气体的极限压强（气体的极限压强（pa）qi：室内各种气源（：室内各种气源（pal/s）si：泵对：泵对i气体的抽气速率（气体的抽气速率（l/s）pi：i气体的分压（气体的分压（pa）v：真空室容积（：真空室容积（l）理论上所能达到的真空度：10半导体薄膜真空获得的方式按原理主要分为：机械运动：机械泵、涡轮分子泵蒸汽流喷射：扩散泵化学吸附：吸气剂泵：升华泵 吸气剂离子泵： 溅射离子泵真空泵的种类及工作原理半导体薄膜：初始压强00p )(nnvvvpp：泵内空腔体积v 01vvvpp 机械泵

8、：机械泵： 利用机械方法使工作室的容积周期性地扩大和压缩来实现抽气、获得真空的装置利用机械方法使工作室的容积周期性地扩大和压缩来实现抽气、获得真空的装置p1(v+v)=p0v v：真空室体积组成部件：定子、转子，嵌于转子的两个旋片以及弹簧工作原理：玻意玻意- -耳马略特定律，耳马略特定律，pvpv= =k k。12半导体薄膜旋片式机械泵结构(剖面)图工作原理图：油封旋片式机械泵油封旋片式机械泵容积的体积和气体压强成反比。13半导体薄膜理论抽速理论抽速：s=2v（升/秒） 转速 =1000转/分，v=1/4升，s=500升/分=8升/秒实际抽速实际抽速： 考虑到有害空间，实际比理论小，有一系数v

9、0s ,pp ,)1 (2hmppvvsmh泵油的作用泵油的作用：密封润滑和冷却机械泵的局限性：机械泵的局限性：对水蒸汽等可凝性气体存在很大困难机械泵的机械泵的抽气速率：抽气速率： 单位时间内所排出的几何容积，称为理论抽速。单位时间内所排出的几何容积，称为理论抽速。14半导体薄膜油扩散泵结构及工作原理 扩散泵：扩散泵： 依靠蒸气流输送气体从而获得高真空的真空泵。依靠蒸气流输送气体从而获得高真空的真空泵。15半导体薄膜pf：前级真空压强n：蒸汽分子密度u：油蒸汽速度l：出气口至进气口的蒸汽扩散长度d0：=常数工作原理：工作原理：依靠从喷嘴喷出的高速（200米/秒）高密度的蒸汽流而输送气体以油为工

10、作蒸汽的称为油扩散泵必须与机械泵配合使用极限真空压强：16半导体薄膜真空室放气阀真空室预阀粗抽管道低阀前级管道机械泵放气阀机械泵马达电源加热电源扩散泵管道高真空阀真空规管水冷障板机械泵马达电源机械泵和扩散泵组成的典型的真空系统机械泵和扩散泵组成的典型的真空系统扩散泵注意事项： 扩散泵不能单独工作； 泵体要竖直，按规定量加油和选用加热电功功率； 先通冷却水，再加热，结束时，先停止加热，冷却一段时间后才可关闭。17半导体薄膜 分子泵分子泵卧式涡轮分子泵的结构示意图18半导体薄膜工作原理： 处于气体中的固体表面以一定方向运动，所有飞到这表面的气体分子，经过碰撞后都具有一定的分速度，其大小与方向等于固

11、体的速度。 turbo-molecular泵：通过高速旋转的涡轮叶片，不断地对气体分子施以定向的动量和压缩作用。需要前置真空泵（10-3torr）溅射离子泵吸附泵升华泵 分子泵分子泵19半导体薄膜1.3 真空测量工作原理：基于低气压时，热传导则与压强成正比a、电阻真空计 （皮拉尼（皮拉尼（piranipirani）真空计）真空计）：利用热丝电阻随温度变化的性质制成。b、热电偶热电偶：用热电偶测定温度变化引起电动势变化的真空计。 q = q1 + q2 + q3 辐射 传导 气体 (t1，t2) = e (t1)-e (t2) e (t1)、e (t2) 是接点的分热电动势 关于热电偶：（1）热

12、电动势仅与热电偶的材料材料和接点温度接点温度有关 （2）中间导体定律中间导体定律：热电偶回路中，加入两端温度相同的中 间导体，不会影响热电动势。 热传导真空计热传导真空计：20半导体薄膜皮拉尼真空计热电偶真空计21半导体薄膜lrtttmrpq1221322单位时间内气体分子从加热灯丝表面传递到热真空计玻璃管的热量若确定，q3与压强p成正比；实际上：气体分子与固体表面的碰撞过程非常复杂 难确定 很难计算出q3 通常需用绝对真空计较准高真空时，自由程lr2-r1(r2玻管半径)，由于压强很低，q310-1pa，饱和 p10-6pa，高速电子x射 ix iib-a型：改变离子收集极，板状柱，x射 i

13、x p10-10pakpiieik：电离真空计的灵敏度 通常为44026半导体薄膜名 称原 理精 度反应时间工作压力范围（pa）其 它u形管压强计根据液柱差测量压力0.5托数秒10-510-2作为校正标准，与气体种类无关麦克劳真空计（压缩真空计）根据压缩后的液柱差测量压力几%几十%数分1010-3(10-4)作用校正标准，不适宜测可凝性气体皮拉尼真空计（电阻真空计）利用气体分子的热传导10%以上数秒10310-2(10-3)灵敏度因气体种类而变，热丝状态不同，零点变化。热电偶真空计灵敏度易变肖鲁斯电离真空计利用热电子电离残余气体1020%10-3秒1010-2灵敏度因气体种类而变，对电极和管壁除气极为重要，应注意灯丝断裂热阴极电离真空计10-110-6b-a型真空计10-110-10磁控放电真空计（潘宁真空计）利用磁场中的放电电流几十%数秒数分11