半导体薄膜技术与物理 第一章..

2020/1/181半导体薄膜技术与物理叶志镇2010.92薄膜材料科学与技术作用TheMaterialsScienceofThinFilmsbyMiltonOhringPrefaceThin-filmscienceandtechnologyplayacrucialroleinthehigh-techindustriesthatwillbearthemainburdenoffutureAmericancompetitiveness.Whilethemajorexploitationofthinfilmshasbeeninmicroelectronics,therearenumerousandgrowingapplicationsincommunications,opticalelectronics,coatingsofallkinds,andinenergygenerationandconservationstrategies.Agreatmanysophisticatedanalyticalinstrumentsandtechniques,largelydevelopedtocharacterizethinfilmsandsurfaces,havealreadybecomeindispensableinvirtuallyeveryscientificendeavorirrespectiveofdiscipline.3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.JayantBaliga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•《Thematerialsscienceofthinfilms》,MiltonOhring，1991•《Handbookofthin-filmdepositionprocessesandtechniques》，KrishnaSeshan，NoyesPublications，2002。。。2020/1/184第一章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。51.1.1真空的定义1.1真空的基本概念压力低于一个大气压的任何气态空间气体处于平衡时，气体状态方程P=nkTP：压强（Pa），n：气体分子密度（个/米3），k：玻尔兹曼常数（1.38×10-23J/K）V：体积（m3），m：气体质量（kg），M：分子量（kg/mol）R：气体普适常数，T：绝对温度（K），R=NA·k，NA：阿佛伽德罗常数（6.023×1023/mol）（个/米3）在标准状态下，任何气体分子n=3×1019个/cm3P=1.33×10-4Pa,T=293K,n=3.2×1010个/cm3“真空”是相对的TP107.2n22RTMmPV61.1.2真空表示气体热运动概率：自由程：σ：分子直径MRT2πNPNAnl221l·P=0.667(cm.Pa)tconsPlnRTltan22)cm(667.0PlT=25℃71.1.3真空度单位国际单位制：压强压强高，真空度低压强低，真空度高几种单位间换算：米千克秒制：1Pa=1N/m2=1Kg/m·s2=10达因/cm2=7.510-3Torr1毫米汞柱（mmHg）=1/760atm=133.3Pa=1.00000014Torr≈1Torr1巴（bar）=105Pa81.1.4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。91.2真空的获得工具——真空泵iiiiiiiuidtdpSVSQPP/Pui：泵对i气体的极限压强（Pa）Qi：室内各种气源（Pa·L/s）Si：泵对i气体的抽气速率（L/s）Pi：i气体的分压（Pa）V：真空室容积（L）10真空泵的种类及工作原理：初始压强00P)(nnVVVPP：泵内空腔体积V01VVVPPnPnPm（极限压强）1、机械泵：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-耳马略特定律，PV=K。P1(V+△V)=P0VV：真空室体积11旋片式机械泵结构(剖面)图工作原理图12机械泵的抽气速率理论抽速：S=2ωV（升/秒）转速ω=1000转/分，V=1/4升，S=500升/分=8升/秒实际抽速：考虑到有害空间，实际比理论小，有一系数v0S,PP,)1(2HmPPVvSmH泵油的作用：密封润滑和冷却机械泵的局限性：对水蒸汽等可凝性气体存在很大困难13油扩散泵结构及工作原理2、扩散泵14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的泵。以油为工作蒸汽的称为油扩散泵。油扩散泵结构及工作原理图如左图所示。它必须与机械泵配合使用。PPnULDmfexp0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作蒸汽的称为油扩散泵必须与机械泵配合使用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15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马达电源机械泵机械泵放气阀图1－7机械泵和扩散组成的典型真空系统163、分子泵卧式涡轮分子泵的结构示意图17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）4、溅射离子泵5、吸附泵6、升华泵可见参考书181.3真空测量1、热真空计：工作原理：在低真空时，热传导则与压强成正比A、皮拉尼（Pirani）真空计：测定因温度变化引起灯丝电阻的变化B、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）热电动势仅与热电偶的材料和接点温度有关（2）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。19皮拉尼真空计热电偶真空计20LrTTTMRPQ1221322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，Q3Q1-Q2，Q3与压强无关。称为聚合系数；T1和T2分别为热丝和玻管温度；r1和L分别为热丝的半径和长度212、电离真空计eeMMe工作原理：灯丝F发射热电子，发射的热电子（e）被加速极A加速，碰撞气体分子（M）而使其电离，电离产生的离子数和气压P成正比eiIIPIi:离子收集极C得到的离子流Ie:加速极A得到的电子流两者之比称为电离系数22热阴极电离真空计23假设：阴极与离子收集极的间距为d电子的平均自由程为le电子每与气体分子碰撞一次就能产生一次电离eeildIIlle24cmPl667.0dPIIei26.0KPIIei计算的P要较压缩真空计实际测得的压强低故改为已知得24Ie为常数时Ii=IeKP=CP离子流仅与压强成正比测出离子流，经放大后可用转换为压强刻度的表头指示测量范围：10-1～10-6PaP10-1Pa，饱和P10-6Pa，高速电子→X射→IX→Ii↑B-A型：改变离子收集极，板状柱，X射↓→IX↓→P～10-10PaKPIIeiK：电离真空计的灵敏度通常为4～4025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10-5~10-2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10~10-3(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103~10-2(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10~20%10-3秒10~10-2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10-1~10-6B-A型真空计10-1~10-10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1~10-4灵敏度因气体种类而变气体放电管（盖斯勒管）利用气体放电和压强相关的性质10-3~1使用非常方便表1-2几种真空计的特性261.4真空度对薄膜工艺的影响1、减少蒸发分子与残余气体分子的碰撞2、抑制它们之间的反应，减少对衬底表面的玷污RTMPNNGA2P：压强NA：阿佛伽德罗常数（6.0231023/mol）T：绝对温度R：气体普适常数MG：残余气体的分子量残余气体分子到达基板的速率：