半导体薄膜技术与物理 第一章.

1、2022-5-231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 The Materials Science of Thin Films by Milton Ohring Preface Thin-film science and technology play a crucial role in the high-tech industries that will bear the main burden of future American competitiveness. While the major exploitation of thin films has be

2、en in microelectronics, there are numerous and growing applications in communications, optical electronics, coatings of all kinds, and in energy generation and conservation strategies. A great many sophisticated analytical instruments and techniques, largely developed to characterize thin films and

3、surfaces, have already become indispensable in virtually every scientific endeavor irrespective of discipline.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. 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 th

4、in films, Milton Ohring，1991 Handbook of thin-film deposition processes and techniques ， Krishna Seshan，Noyes Publications， 2002。2022-5-234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 = nkTP：压强（Pa），n：气体分子密度（个

5、/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：分子量（kg/mol）R：气体普适常数，T：绝对温度（K），R=NAk，NA：阿佛伽德罗常数（6.0231023/mol） （个/米3）在标准状态下，任何气体分子n=31019个/cm3P=1.3310-4Pa, T=293K, n=3.21010个/cm3“真空”是相对的TP107.2n22RTMmPV 61.1.2 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. 0

6、Pl T = 2571.1.3 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/ms2 = 10达因/cm2 = 7.510-3Torr1毫米汞柱（mmHg）= 1/760 atm = 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

7、内各种气源（PaL/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V 01VVVPP1 1、机械泵：、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)=P0V V：真空室体积11旋片式机械泵结构(剖面)图工作原理图12机械泵的机械泵的抽气速率抽气速率理论抽速理论抽速：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v0S ,P

8、P ,)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13油扩散泵结构及工作原理 2 2、扩散泵、扩散泵14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17 机械泵和扩散组成的典型真空系统163、分子泵

9、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、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（皮拉尼（Pirani）真空计）真空计：测定因温度变化引起灯丝电阻的变化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 +

10、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。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，Q310-1Pa

11、，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 IX P10-10PaKPIIeiK：电离真空计的灵敏度 通常为44025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110-4灵敏度因气体种类而变气体放电