半导体薄膜_

“真空”是相对的
普通方法可得：1x 10-8 Pa；极限压强：1x10-11Pa.
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1.1.2 真空表示
气体热运动概率：
N
自由程：
l
l
P NA 2π MRT 1
2 2 n
RT
σ：分子直径
2 2 n l P cons t an t
T = 25℃
l· P=0.667(cm.Pa)
Krishna Seshan，Noyes Publications， 2002
。。。
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薄膜材料科学与技术作用
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微电子 通讯 光电子 涂层 能量存储和转换
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。
2015-5-22
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1.1 真空的基本概念
（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。
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皮拉尼真空计
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热电偶真空计
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
2 R T1 T2 Q 3 P 2r1 L M T2
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
M e M ee

Ii P Ie
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
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热阴极电离真空计
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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
Ii d I e le
已知
l e 4 2l
气体处于平衡时，气体状态方程 m PV RT P = nkT M
P：压强（Pa）；n：气体分子密度（个/米3）； k：玻尔兹曼常数（1.38×10-23 J/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）
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。
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※ 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
l
0.667 (cm Βιβλιοθήκη Baidu P
当压强为1x10-8Pa时，平均自由程为：667 Km； 真空度越高， 自由程值越大。
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1.1.3 真空度单位
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。
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v
Pm S H 2v V (1 ) P , P Pm , SH 0
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
《外延生长技术》，杨树人等，国防工业出版社，1992
。。。。。。 英文 • • 《The materials science of thin films》, Milton Ohring，1991 《Handbook of thin-film deposition processes and techniques 》，
几种单位间换算： 米千克秒制：1Pa = 1N/m2 = 1Kg/m·s2 = 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.
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1.1.4 区域划分
P1(V+△V)=P0V
P 1 P 0 V V V
V：真空室体积
V：泵内空腔体积
Pn P0 (
V )n V V
P0：初始压强
n PnPm（极限压强）
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油封旋片式机械泵
容积的体积和气体压强 成反比。
旋片式机械泵结构(剖面)图
工作原理图：
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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。
l
0.667 cm P
得
Ii 0.26dP Ie
计算的P要较压缩真空计实际测得的压强低，故改为
Ii KP I e 25
Ii KP Ie
K：电离真空计的灵敏度 通常为4～40
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
10~10-3 (10-4)
103~10-2 (10-3)
作用校正标准，不适宜测可 凝性气体
灵敏度因气体种类而变，热 丝状态不同，零点变化。 灵敏度易变
利用热电子电离 残余气体
10~20%
10-3 秒
10~10-2 10-1~10-6 10-1~10-10
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
真空室放气阀 管道 高真空阀 真空规管 水冷障板 扩散泵
预阀 粗抽管道 低阀 前级管道 机械泵放气阀 机械泵 机械泵
加热电源
马达电源 马达电源
机械泵和扩散泵组成的典型的真空系统
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※ 分子泵
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卧式涡轮分子泵的结构示意图
※ 分子泵
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。
测量范围：10-1～10-6Pa P>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
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表1-2 几种真空计的特性
名 称 原 理 精 度 反应 时间 数秒 数分 数秒 工作压力范 围（Pa） 10-5~10-2 其 它
U形管压强计
根据液柱差测量 压力
0.5托
作为校正标准，与气体种类 无关
麦克劳真空计 （压缩真空计）
皮拉尼真空计 （电阻真空计） 热电偶真空计 肖鲁斯电离真空计 热阴极电离真空计 B-A型真空计 磁控放电真空计 （潘宁真空计）
根据压缩后的液 柱差测量压力
利用气体分子的 热传导
几%~ 几十%
10%以 上
工具——真空泵
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真空泵的种类及工作原理
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
※ 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
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。
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。
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1.2 真空的获得
理论上所能达到的真空度：
V dpi P Pui Qi / Si dt i i i Si
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）
半导体薄膜技术与物理
申燕
2015-5-22
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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
极限真空压强：
nUL Pm Pf exp D0
它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
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扩散泵注意事项：
真空室
① 扩散泵不能单独工作； ② 泵体要竖直，按规定量加油 和选用加热电功功率； ③ 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。
n 7.2 10 22
P T
在标准状态下，T= 273 K, P= 1.01 x 105 (pa),任何气体分子密度是n=3×1019个/cm3
P=1.33×10-4Pa, T=293K, n=3.2×1010个/cm3
1.1.1 真空的定义
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。
PNA N 2M G RT
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
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需要前置真空泵（10-3Torr）
※溅射离子泵 ※吸附泵 ※升华泵
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1.3 真空测量 ※ 热传导真空计：
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 + Q 2 + 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
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※ 扩散泵：
依靠蒸气流输送气体从而获得高真空的真空泵。 油扩散泵结构及工作原理
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工作原理：依靠从喷嘴喷出的高速（200米/秒），高密度的蒸汽
工作原理： 流而输送气体的泵。 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。油扩 散泵结构及工作原理图 以油为工作蒸汽的称为油扩散泵 如左图所示。 必须与机械泵配合使用
利用磁场中的放 电电流
几十%
数秒~ 数分
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1~10-4 10-3~1
灵敏度因气体种类而变 使用非常方便
气体放电管 （盖斯勒管）
利用气体放电和 压强相关的性质
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
残余气体分子到达基板的速率：