半導(dǎo)體薄膜技術(shù)及物理 第一章

2023/2/21半導(dǎo)體薄膜技術(shù)與物理葉志鎮(zhèn)2010.92薄膜材料科學(xué)與技術(shù)作用

TheMaterialsScienceofThinFilmsbyMiltonOhringPreface

Thin-filmscienceandtechnologyplayacrucialroleinthehigh-techindustriesthatwillbearthemainburdenoffutureAmericancompetitiveness.Whilethemajorexploitationofthinfilmshasbeeninmicroelectronics,therearenumerousandgrowingapplicationsincommunications,opticalelectronics,coatingsofallkinds,andinenergygenerationandconservationstrategies.Agreatmanysophisticatedanalyticalinstrumentsandtechniques,largelydevelopedtocharacterizethinfilmsandsurfaces,havealreadybecomeindispensableinvirtuallyeveryscientificendeavorirrespectiveofdiscipline.3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.JayantBaliga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《Thematerialsscienceofthinfilms》,MiltonOhring，1991《Handbookofthin-filmdepositionprocessesandtechniques》，

KrishnaSeshan，NoyesPublications，2002。。。2023/2/24第一章真空技術(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。51.1.1

真空的定義1.1真空的基本概念壓力低于一個(gè)大氣壓的任何氣態(tài)空間氣體處于平衡時(shí)，氣體狀態(tài)方程

P=nkTP：壓強(qiáng)（Pa），n：氣體分子密度（個(gè)/米3），k：玻爾茲曼常數(shù)（1.38×10-23J/K）V：體積（m3），m：氣體質(zhì)量（kg），M：分子量（kg/mol）R：氣體普適常數(shù)，T：絕對(duì)溫度（K），R=NA·k，NA：阿佛伽德羅常數(shù)（6.023×1023/mol）（個(gè)/米3）在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，任何氣體分子n=3×1019個(gè)/cm3P=1.33×10-4Pa,T=293K,n=3.2×1010個(gè)/cm3“真空”是相對(duì)的61.1.2

真空表示氣體熱運(yùn)動(dòng)概率：自由程：

σ：分子直徑l·P=0.667(cm.Pa)T=25℃71.1.3

真空度單位國(guó)際單位制：壓強(qiáng)

壓強(qiáng)高，真空度低壓強(qiáng)低，真空度高幾種單位間換算：米千克秒制：1Pa=1N/m2=1Kg/m?s2=10達(dá)因/cm2=

7.510-3Torr1毫米汞柱（mmHg）=1/760atm=133.3Pa=1.00000014Torr≈

1Torr1巴（bar）=105Pa81.1.4

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。91.2真空的獲得工具——真空泵Pui：泵對(duì)i氣體的極限壓強(qiáng)（Pa）Qi：室內(nèi)各種氣源（Pa·L/s）Si：泵對(duì)i氣體的抽氣速率（L/s）Pi：i氣體的分壓（Pa）V：真空室容積（L）10真空泵的種類(lèi)及工作原理1、機(jī)械泵：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-耳馬略特定律，PV=K。P1(V+△V)=P0VV：真空室體積11旋片式機(jī)械泵結(jié)構(gòu)(剖面)圖工作原理圖12機(jī)械泵的抽氣速率理論抽速：S=2ωV（升/秒）轉(zhuǎn)速ω=1000轉(zhuǎn)/分，V=1/4升，S=500升/分=8升/秒實(shí)際抽速：考慮到有害空間，實(shí)際比理論小，有一系數(shù)v泵油的作用：密封潤(rùn)滑和冷卻機(jī)械泵的局限性：對(duì)水蒸汽等可凝性氣體存在很大困難13油擴(kuò)散泵結(jié)構(gòu)及工作原理

2、擴(kuò)散泵14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(chēng)為油擴(kuò)散泵必須與機(jī)械泵配合使用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)15馬達(dá)電源機(jī)械泵機(jī)械泵放氣閥163、分子泵

臥式渦輪分子泵的結(jié)構(gòu)示意圖17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）4、濺射離子泵5、吸附泵6、升華泵可見(jiàn)參考書(shū)181.3真空測(cè)量1、熱真空計(jì)：工作原理：在低真空時(shí)，熱傳導(dǎo)則與壓強(qiáng)成正比A、皮拉尼（Pirani）真空計(jì)：測(cè)定因溫度變化引起燈絲電阻的變化B、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)僅與熱電偶的材料和接點(diǎn)溫度有關(guān)（2）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)。19皮拉尼真空計(jì)熱電偶真空計(jì)20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l>>r2-r1(r2玻管半徑)，由于壓強(qiáng)很低，Q3<<Q1-Q2，Q3與壓強(qiáng)無(wú)關(guān)。稱(chēng)為聚合系數(shù)；T1和T2分別為熱絲和玻管溫度；r1和L分別為熱絲的半徑和長(zhǎng)度212、電離真空計(jì)

工作原理：

燈絲F發(fā)射熱電子，發(fā)射的熱電子（e）被加速極A加速，碰撞氣體分子（M）而使其電離，電離產(chǎn)生的離子數(shù)和氣壓P成正比Ii:離子收集極C得到的離子流Ie:加速極A得到的電子流兩者之比稱(chēng)為電離系數(shù)22熱陰極電離真空計(jì)23假設(shè)：陰極與離子收集極的間距為d

電子的平均自由程為le

電子每與氣體分子碰撞一次就能產(chǎn)生一次電離計(jì)算的P要較壓縮真空計(jì)實(shí)際測(cè)得的壓強(qiáng)低故改為已知得24Ie為常數(shù)時(shí)

Ii=IeKP=CP離子流僅與壓強(qiáng)成正比測(cè)出離子流，經(jīng)放大后可用轉(zhuǎn)換為壓強(qiáng)刻度的表頭指示測(cè)量范圍：10-1～10-6PaP>10-1Pa，飽和

P<10-6Pa，高速電子→X射→IX→Ii↑B-A型：改變離子收集極，板狀柱，X射↓→IX↓→P～10-10PaK：電離真空計(jì)的靈敏度通常為4～4025名稱(chēng)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10-5~10-2作為校正標(biāo)準(zhǔn)，與氣體種類(lèi)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10~10-3(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103~10-2(10-3)靈敏度因氣體種類(lèi)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10~20%10-3秒10~10-2靈敏度因氣體種類(lèi)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)10-1~10-6B-A型真空計(jì)10-1~10-10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)