半導(dǎo)體薄膜的制備實(shí)驗(yàn)的特殊及教學(xué)嘗試PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1半導(dǎo)體薄膜的制備實(shí)驗(yàn)的特殊及教學(xué)嘗半導(dǎo)體薄膜的制備實(shí)驗(yàn)的特殊及教學(xué)嘗試試2第1頁(yè)/共41頁(yè)3第2頁(yè)/共41頁(yè)4第3頁(yè)/共41頁(yè)5第4頁(yè)/共41頁(yè)6第5頁(yè)/共41頁(yè)7三三. 金屬電極制備金屬電極制備 四四 . 磁控濺射制備磁控濺射制備ZnO薄膜薄膜五五. 相關(guān)準(zhǔn)備工作相關(guān)準(zhǔn)備工作-化學(xué)清洗和靶材制備化學(xué)清洗和靶材制備 二二. ZnO薄膜的基本性質(zhì)薄膜的基本性質(zhì)一一. 薄膜材料簡(jiǎn)介薄膜材料簡(jiǎn)介第6頁(yè)/共41頁(yè)8（1 1）薄膜材料）薄膜材料 應(yīng)用領(lǐng)域應(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(guó)研究的重 點(diǎn)。 研究目的研究目的：利用新材料制備具有最

2、佳性能的器件 提高 生產(chǎn)率，降低成本; 發(fā)展方向發(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 2）ZnOZnO薄膜及金屬電極的制備實(shí)驗(yàn)方法：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(cè)量薄膜的光電特性.第7頁(yè)/共41頁(yè)9第8頁(yè)/共41頁(yè)10 1 1、真空蒸發(fā)原理：真空蒸發(fā)原理： 真空條件下真空條件下-蒸發(fā)源材料加熱蒸發(fā)源材料加熱- -脫離材料表面束縛脫離材料表面束縛-原子分子作直原子分子作直線運(yùn)動(dòng)線運(yùn)動(dòng)-遇到待沉積基片遇到待沉積基片-沉積沉積成膜。成膜。 2 2、真空鍍膜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：、真空鍍膜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)： （1

3、 1）真空鍍膜室）真空鍍膜室 （2 2）真空抽氣系統(tǒng)）真空抽氣系統(tǒng) （3 3）真空測(cè)量系統(tǒng)真空測(cè)量系統(tǒng) 第9頁(yè)/共41頁(yè)11第10頁(yè)/共41頁(yè)12第11頁(yè)/共41頁(yè)13第12頁(yè)/共41頁(yè)14熱偶規(guī)工作原理：熱偶規(guī)工作原理： 一對(duì)熱電偶一對(duì)熱電偶A A、B B與一對(duì)加熱鎢絲焊接在一起，與一對(duì)加熱鎢絲焊接在一起，在電流恒定不變時(shí)，熱絲溫度取決于管內(nèi)氣體的在電流恒定不變時(shí)，熱絲溫度取決于管內(nèi)氣體的熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率K K，K K正比于分子平均自由程和氣體濃度正比于分子平均自由程和氣體濃度. .在在-1-1托至托至-4-4托范圍內(nèi)托范圍內(nèi), ,隨著真空度的提高隨著真空度的提高, ,電偶電電偶電動(dòng)勢(shì)也增加動(dòng)勢(shì)

4、也增加, ,因而可由熱電偶電動(dòng)勢(shì)的變化來(lái)表示因而可由熱電偶電動(dòng)勢(shì)的變化來(lái)表示管內(nèi)氣體的壓強(qiáng)管內(nèi)氣體的壓強(qiáng). .( (需要注意的是需要注意的是, ,當(dāng)真空度更高時(shí)當(dāng)真空度更高時(shí), ,由于熱傳導(dǎo)非常由于熱傳導(dǎo)非常小小, ,電偶電動(dòng)勢(shì)變化不明顯時(shí)電偶電動(dòng)勢(shì)變化不明顯時(shí), ,就需要改用其它方就需要改用其它方法測(cè)量了法測(cè)量了) )第13頁(yè)/共41頁(yè)15熱陰極電離規(guī)工作原理熱陰極電離規(guī)工作原理: 從發(fā)射極從發(fā)射極F發(fā)射出電子發(fā)射出電子,經(jīng)過(guò)柵極經(jīng)過(guò)柵極G使電子加速使電子加速,加速加速電子打中管內(nèi)氣體分子時(shí)電子打中管內(nèi)氣體分子時(shí),使使氣體分子電離氣體分子電離,正離子被收集正離子被收集極極C吸收吸收,收集極電

5、路中的微收集極電路中的微安表記錄正離子流安表記錄正離子流Ii的變化的變化,而電子流在柵極附近作若干而電子流在柵極附近作若干次振蕩后被柵極吸收次振蕩后被柵極吸收,由柵極由柵極電路中的毫安表記錄電子流電路中的毫安表記錄電子流Ie. 需要注意的是需要注意的是:真空度低于真空度低于-3托時(shí)不能用電離規(guī)直接測(cè)量托時(shí)不能用電離規(guī)直接測(cè)量,原因是在低真空條件下原因是在低真空條件下,加熱的加熱的燈絲容易氧化而燒斷燈絲容易氧化而燒斷.第14頁(yè)/共41頁(yè)16以蒸鋁為例：以蒸鋁為例：（1 1）懸掛鋁絲；）懸掛鋁絲； （2 2）基片清洗及放置）基片清洗及放置；（3 3）系統(tǒng)抽真空；）系統(tǒng)抽真空；（4 4）襯底預(yù)熱；）

6、襯底預(yù)熱；（5 5）預(yù)蒸；）預(yù)蒸；（6 6）蒸發(fā)；）蒸發(fā)；（7 7）停機(jī)。）停機(jī)。第15頁(yè)/共41頁(yè)17 濺射原理：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(chǎng)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(chǎng)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(lái)，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）第16頁(yè)/共41頁(yè)18第17頁(yè)/共41頁(yè)19第18頁(yè)/共41頁(yè)202 2、基片清洗的一般程序、基片清洗的一般程序: : 去油去油 去離子去離子 去原子去原子 去

7、離子水沖洗去離子水沖洗1 1、化學(xué)清洗的概念和方法、化學(xué)清洗的概念和方法: :3 3、常見金屬材料的清潔處理、常見金屬材料的清潔處理: : （1 1）鎢絲）鎢絲 （2 2）鋁絲）鋁絲4 4、實(shí)驗(yàn)用具的清潔處理、實(shí)驗(yàn)用具的清潔處理: : （1 1）玻璃器皿）玻璃器皿 （2 2）石英器皿）石英器皿 （2 2）金屬用具）金屬用具 （3 3）石墨工具）石墨工具第19頁(yè)/共41頁(yè)21 1 1、靶材概述、靶材概述 2 2、靶材技術(shù)要求、靶材技術(shù)要求 3 3、靶材制備方法、靶材制備方法 5 5、制靶工藝、制靶工藝4 4、制靶工具、制靶工具 - - 粉末壓靶機(jī)粉末壓靶機(jī) 6 6、靶材與底座的連接、靶材與底座的

8、連接第20頁(yè)/共41頁(yè)221、簡(jiǎn)述真空蒸發(fā)的原理及工藝過(guò)程；、簡(jiǎn)述真空蒸發(fā)的原理及工藝過(guò)程；2、真空蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)中鎢絲和基片的清潔處理；、真空蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)中鎢絲和基片的清潔處理；5、簡(jiǎn)述分子泵工作原理及使用注意事項(xiàng)；、簡(jiǎn)述分子泵工作原理及使用注意事項(xiàng)；6、簡(jiǎn)述磁控濺射工作原理；、簡(jiǎn)述磁控濺射工作原理；3、簡(jiǎn)述熱電偶規(guī)工作原理及使用注意事項(xiàng)；、簡(jiǎn)述熱電偶規(guī)工作原理及使用注意事項(xiàng)；4、簡(jiǎn)述熱陰極電離規(guī)工作原理及使用注意事項(xiàng)；、簡(jiǎn)述熱陰極電離規(guī)工作原理及使用注意事項(xiàng)；7、簡(jiǎn)述在濺射過(guò)程中所通氣體的作用；、簡(jiǎn)述在濺射過(guò)程中所通氣體的作用；8、簡(jiǎn)述在濺射過(guò)程中濺射功率的調(diào)節(jié)及注意事項(xiàng)；、簡(jiǎn)述在濺射過(guò)程中濺射功率

9、的調(diào)節(jié)及注意事項(xiàng)；9、簡(jiǎn)述化學(xué)清洗的方法及一般程序；、簡(jiǎn)述化學(xué)清洗的方法及一般程序；10、簡(jiǎn)述靶材的技術(shù)要求及制備工藝過(guò)程。、簡(jiǎn)述靶材的技術(shù)要求及制備工藝過(guò)程。第21頁(yè)/共41頁(yè)23n以上三部分的描述必須體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。第22頁(yè)/共41頁(yè)24第23頁(yè)/共41頁(yè)25第24頁(yè)/共41頁(yè)26第25頁(yè)/共41頁(yè)27第26頁(yè)/共41頁(yè)28第27頁(yè)/共41頁(yè)29第28頁(yè)/共41頁(yè)30第29頁(yè)/共41頁(yè)31第30頁(yè)/共41頁(yè)32第31頁(yè)/共41頁(yè)33第32頁(yè)/共41頁(yè)34第33頁(yè)/共41頁(yè)35第34頁(yè)/共41頁(yè)36第35頁(yè)/共41頁(yè)371、SiO2薄層， Zn薄層和ZnO緩沖層 這些方法都存在一定的缺點(diǎn)，

10、比如SiO2薄膜不夠平整，從而生長(zhǎng)的ZnO也不夠平整，結(jié)晶度較差；在Zn緩沖層上再生長(zhǎng)ZnO薄膜，緩沖層會(huì)部分氧化，呈現(xiàn)出非常高的n型導(dǎo)電性質(zhì)，不利于器件設(shè)計(jì)；低溫生長(zhǎng)ZnO緩沖層同樣會(huì)在襯底和緩沖層中出現(xiàn)大量的缺陷和層錯(cuò)，效果仍不理想。2、氮化硅緩沖層 日本研究人員的方法是：將硅片置于MBE系統(tǒng)中，襯底保持600-700oC，在系統(tǒng)中通入的NH3, 用射頻方法產(chǎn)生等離子體激發(fā)反應(yīng)生成氮化硅薄膜。同時(shí)他們還建議使用其它含氮的反應(yīng)氣體，比如N2，NO2等。 第36頁(yè)/共41頁(yè)381、用的是MBE法生長(zhǎng)ZnO及疊層材料，雖然技術(shù)先進(jìn)，但設(shè)備過(guò)于昂貴，對(duì)生長(zhǎng)技術(shù)要求較高，難于推廣普及。 2、用NH3

11、作為反應(yīng)氣體生長(zhǎng)氮化硅緩沖層也有缺點(diǎn)，在N2與Si反應(yīng)生成氮化硅的同時(shí)，也有大量的H進(jìn)入了Si襯底中形成Si:H和SiNx:H復(fù)合體，在這樣的緩沖層上再生長(zhǎng)ZnO基薄膜時(shí)，由于有一定的溫度，這樣的復(fù)合體很容易鍵解。H擴(kuò)散入ZnO中，它具有較強(qiáng)的自補(bǔ)償作用，使受主鈍化，失去活性； 3、其它含氮的氣體，如N2，因?yàn)殡x化能太高，所以生長(zhǎng)的氮化硅薄膜中的N很可能是以分子形式存在，使薄膜吸附很多的N2雜質(zhì)，同時(shí)因?yàn)镹2分子體積龐大，會(huì)占據(jù)很多空間而影響ZnO薄膜的晶化過(guò)程 第37頁(yè)/共41頁(yè)39對(duì)NO2，因其中含有較多的O，故形成的緩沖層將以SiO2為主，這顯然和我們的初衷不符。若生長(zhǎng)氣體采用N2O，它的離化能較低，而且其中含O量較少，用它生長(zhǎng)的氮化硅可能具有以上所列氣體所不能相比的優(yōu)越性。 第38頁(yè)/共41頁(yè)401、將MBE生長(zhǎng)方式移植到磁控射頻濺射系統(tǒng)，期望以這一簡(jiǎn)單而易于推 廣的技術(shù)來(lái)取代MBE。2、在反應(yīng)氣體的選擇上我們除了采用文獻(xiàn)所建議的氣體NH3，N2，NO2來(lái) 生長(zhǎng)氮化硅，進(jìn)行比較研究以外，我們還將N2O作為主要反應(yīng)氣體生 長(zhǎng)氮化硅薄膜。3、在生長(zhǎng)過(guò)程中，采用等時(shí)生長(zhǎng)法（即生長(zhǎng)時(shí)間與溫度不變，而改變 通氣流量），等壓生長(zhǎng)法（即通氣流量和反應(yīng)壓強(qiáng)不變，而改變生 長(zhǎng)時(shí)間），以上生長(zhǎng)的溫度控制在650oC左右，因?yàn)橐r底的溫度對(duì) MBE系統(tǒng)和濺射系統(tǒng)具有