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1、2020/10/17,1,半导体薄膜技术与物理,叶志镇 2010.9,2,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
2、 has been 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 fil
3、ms and 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 mater
4、ials science of thin films, Milton Ohring，1991 Handbook of thin-film deposition processes and techniques ， Krishna Seshan，Noyes Publications， 2002 。,2020/10/17,4,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。,5,1.1.1 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 = nkT P：压强（Pa），n：气体
5、分子密度（个/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/cm3 P=1.3310-4Pa, T=293K, n=3.21010个/cm3 “真空”是相对的,6,1.1.2 真空表示,气体热运动概率：,自由程：,：分子直径,lP=0.667(cm.Pa),T = 25,7,1.1.3 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
6、间换算： 米千克秒制：1Pa = 1N/m2 = 1Kg/ms2 = 10达因/cm2 = 7.510-3Torr 1毫米汞柱（mmHg）= 1/760 atm = 133.3Pa = 1.00000014Torr 1Torr 1巴（bar）= 105Pa,8,1.1.4 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。,9,1.2 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（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
7、空泵的种类及工作原理,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)=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,机械泵的抽气速率 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： 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,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 以油为工作
8、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,15,16,3、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,18,1.3 真空测量,1、热真空计： 工作原理：在低真空时，热传导
9、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,20,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
10、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,21,2、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,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,计算的P要
11、较压缩真空计实际测得的压强低 故改为,已知,得,24,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：10-110-6Pa P10-1Pa，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 P10-10Pa,K：电离真空计的灵敏度 通常为440,25,表1-2 几种真空计的特性,26,1.4 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,P：压强 NA：阿佛伽德罗常数（6.0231023/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：,
