1、2021-7-51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 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 bee

2、n 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 s

3、urfaces, have already become indispensable in virtually every scientific endeavor irrespective of discipline.3主要參考書目中文：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. Jayant Baliga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The materials science of thi

4、n films, Milton Ohring，1991 Handbook of thin-film deposition processes and techniques ， Krishna Seshan，Noyes Publications， 2002。2021-7-54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 = nkTP：壓強(qiáng)（Pa），n：氣體分子密度（個(gè)/米

5、3），k：玻爾茲曼常數(shù)（1.3810-23 J/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=NAk，NA：阿佛伽德羅常數(shù)（6.0231023/mol） （個(gè)/米3）在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，任何氣體分子n=31019個(gè)/cm3P=1.3310-4Pa, T=293K, n=3.21010個(gè)/cm3“真空”是相對(duì)的TP107.2n22RTMmPV 61.1.2 真空表示氣體熱運(yùn)動(dòng)概率：氣體熱運(yùn)動(dòng)概率：自由程：自由程： ：分子直徑 MRT2NPNAnl221lP=0.667(cm.Pa)tconsPlnRTltan22)cm(667. 0Pl

6、 T = 2571.1.3 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/ms2 = 10達(dá)因/cm2 = 7.510-3Torr1毫米汞柱（mmHg）= 1/760 atm = 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iiiiiiiuidtdpSVSQPP/Pui：泵對(duì)i氣體的極限壓強(qiáng)（Pa）Qi：室內(nèi)各

7、種氣源（PaL/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真空泵的種類及工作原理：初始?jí)簭?qiáng)00P )(nnVVVPP：泵內(nèi)空腔體積V 01VVVPP1 1、機(jī)械泵：、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)=P0V V：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)械泵的機(jī)械泵的抽氣速率抽氣速率理論抽速理論抽速：S=2V（升/秒） 轉(zhuǎn)速 =1000轉(zhuǎn)/分，V=1/4升，S=500升/分=8升/秒實(shí)際抽速實(shí)際抽速： 考慮到有害空間，實(shí)際比理論小，有一系數(shù)v0S ,PP

8、,)1 (2HmPPVvSmH泵油的作用泵油的作用：密封潤(rùn)滑和冷卻機(jī)械泵的局限性：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 2、擴(kuò)散泵、擴(kuò)散泵14工作原理：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真空室放氣閥真空室預(yù)閥粗抽管道低閥前級(jí)管道機(jī)械泵放氣閥機(jī)械泵馬達(dá)電源加熱電源擴(kuò)散泵管道高真空閥真空規(guī)管水冷障板馬達(dá)電源機(jī)械泵機(jī)械泵放氣閥圖17 機(jī)械泵和擴(kuò)散組成的典型真空系統(tǒng)163、分子泵臥式

9、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181.3 真空測(cè)量1、熱真空計(jì)、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（皮拉尼（Pirani）真空計(jì)）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

10、 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)僅與熱電偶的材料材料和接點(diǎn)溫度接點(diǎn)溫度有關(guān) （2）中間導(dǎo)體定律中間導(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)20LrTTTMRPQ1221322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lr2-r1(r2玻管半徑)，由于壓強(qiáng)很低，Q310-1Pa，飽

11、和 P10-6Pa，高速電子X(jué)射 IX IiB-A型：改變離子收集極，板狀柱，X射 IX P10-10PaKPIIeiK：電離真空計(jì)的靈敏度 通常為44025名 稱原 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10-510-2作為校正標(biāo)準(zhǔn)，與氣體種類無(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1010-3(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10310-2(10-3)靈敏度因氣體種類而變，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1020%10-3秒1010-2靈敏度因氣體種類而變，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)10-110-6B-A型真空計(jì)10-110-10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)分110-4靈敏度因氣體種類而變氣體放電