半导体薄膜ppt课件.ppt

2020 3 28 1 半导体薄膜技术与物理 2 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 3 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 2020 3 28 4 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 P 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 摩尔质量 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 P nkT 在标准状态下 T 273K P 1 01x105 pa 任何气体分子密度是n 3 1019个 cm3P 1 33 10 4Pa T 293K n 3 2 1010个 cm3 气体处于平衡时 气体状态方程 1 1真空的基本概念 6 a 真空 在给定的空间内压力低于一个大气压的气体状态 b 真空就是 真的空了 c 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 真空 是相对的 普通方法可得 1x10 8Pa 极限压强 1x10 11Pa 1 1 1真空的定义 7 1 1 2真空表示 气体热运动概率 自由程 分子直径 l P 0 667 cm Pa T 25 当压强为1x10 8Pa时 平均自由程为 667Km 真空度越高 自由程值越大 8 1 1 3真空度单位 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 3Torr 1毫米汞柱 mmHg 1 760atm 133 3Pa 1 00000014Torr 1Torr 1巴 bar 105Pa 通常用压强为单位来描述 真空 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 9 1 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 10 1 2真空的获得 工具 真空泵 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 理论上所能达到的真空度 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 12 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 P1 V V P0VV 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 耳马略特定律 PV K 13 旋片式机械泵结构 剖面 图 工作原理图 油封旋片式机械泵 容积的体积和气体压强成反比 14 理论抽速 S 2 V 升 秒 转速 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v 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 机械泵的抽气速率 单位时间内所排出的几何容积 称为理论抽速 15 油扩散泵结构及工作原理 扩散泵 依靠蒸气流输送气体从而获得高真空的真空泵 16 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 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 极限真空压强 17 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 18 分子泵 卧式涡轮分子泵的结构示意图 19 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 溅射离子泵 吸附泵 升华泵 分子泵 20 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 Pirani 真空计 利用热丝电阻随温度变化的性质制成 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 热传导真空计 21 皮拉尼真空计 热电偶真空计 22 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l r2 r1 r2玻管半径 由于压强很低 Q3 Q1 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 23 电离真空计 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 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 24 热阴极电离真空计 25 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 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 26 Ie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 6PaP 10 1Pa 饱和P 10 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 10Pa K 电离真空计的灵敏度通常为