半导体薄膜技术.doc

半导体薄膜技术与物理

黄天捷 2009160244

1.真空概念和测量单位

（一） 真空概念
“真空”是指在指定空间内低于环境大气压力的气体状态，也就是该空间内气体分子数密度低于该地区大气压的气体分子数密度。不同的真空状态，就意味着该空间具有不同的分子数密度。在标准状态（STP：即0°C，101325Pa）下，气体的分子数密度为2.6870×1025m-3，而在真空度为1×10-4Pa时，气体的分子数密度只有2.65×1016m-3。
完全没有气体的空间状态成为绝对真空。绝对真空实际上时不存在的。
（二） 真空度及测量单位
在真空技术中常用真空度来度量真空状态下空间气体的稀薄程度。通常真空度用气体的压力值来表示。压力值越高，真空度越低；压力值越低，真空度越高。
常用的压力单位有：
①帕斯卡（Pa）：国际单位制中的压力单位，我国法定压力单位。1Pa压力就是1m2面积上作用1N的力，即
1Pa=1N/m2
②微巴（μbar）：1μbar的压力就是1cm2面积上作用1dyn的力，即
1μbar=1dyn/cm2
③标准大气压（atm）：1927年在第七次国际计量大会上，给标准大气压下了定义，即在重力加速度为980.665cm/s2，水银温度为0°C，水银密度为13.5951g/cm3的条件下，760mm高的汞柱产生的压力称为1atm，即
1atm=760mmHg=1013250.144354dyn/cm2
这种标准大气压依赖于汞的密度测量精度，是不够严格的。
1954年在第十次国际计量大会上，又重新定义了标准大气压，即
1atm=1013250dyn/cm2=101325Pa
④工程大气压（at）：由于大气压力约为1kgf/cm2，所以把1kgf/cm2称为1at，即
1at=1kgf/cm2
⑤毫米汞柱（mmHg）：1mmHg是指0°C时1mm高水银柱（汞柱）作用在1cm2面积上的力。由于纯水银0°C时的密度是13.5951g/cm3，所以
1mmHg=13.5951g/cm2
⑥托（Torr）：1Torr定义为
1Torr=1/760atm
由于1927年与1954年定义的标准大气压有差值，因而造成1mmHg比1Torr大1.9×10-4dyn/cm2，即
1mmHg=1Torr+1.9×10-4dyn/cm2
但由于两者差值很小，故通常认为
1mmHg≈1Torr
⑦英寸汞柱（inHg）：英制压力单位，它是1英寸高水银柱作用在1cm2面积上的力，即
1inHg=25.4mmHg
⑧普西（Psi）：英制压力单位，它是1平方英寸面积上作用1磅的力，即
1Psi=1lb/in2
⑨真空度的百分数（δ%）：用真空度的百分数表示压力的大小，一般只有在压力高于100Pa时才采用。真空度的百分数为
δ%=[(1×105-p)/(1×105)]×100%
式中 p——以Pa作单位时的压力数值。
已知真空度的百分数，可用下式求气体压力p
p=1×105（1-δ/100 ）

真空区域划分

为实用上便利起见，人们常把真空度粗划为几个区段，根据GB/T3163—93，真空区域大致划分如下
低真空 105Pa～102Pa 中真空 102Pa～10-1Pa
高真空 10-1Pa～10-5Pa 超高真空 ＜10-9Pa

真空及真空度的概念
在真空技术中，把低与一个大气压的气体状态，统称为真空。与正常的大气压相比，这是一种较稀薄的气体状态。
真空中残存气体的稀薄程度就是真空程度的高低，即真空度。

真空度的单位和真空区域的划分
一、真空度的单位
依据真空度的定义，衡量真空度高低最直接的物理量应是每单位体积中的分子数，但由于历史和技术上的原因，真空度的高低是用被抽空中残存气体的绝对压强来表示的。“压强”是指单位面积容器壁上所承受的压力，它是目前国际上通用的表示真空度的物理量，1958年第一届国际技术会议曾建议用“托”（Torr）作为测量真空度的单位，定义为“1Torr是1个大气压的1/760”，因1个大气压为760mmHg，故Torr可以与mmHg通用。国际单位制（SI）中规定压强的单位为（Pa），帕（Pa）是牛顿/米2（N/m2）的专门名称。目前，包括我国在内的许多国家已逐步用Pa取代Torr作为真空压强的标准基本单位。
真空度越高，则气体的压力越低，炉内气体分子数目也越少，反之，气体压力越高，意味着真空度越低。可见，压强的大小与真空度的高低成反比。
在各种文献中，压强的单位除了Pa和Torr外，还有标准大气压、bar、kgf/cm2。几种常用单位之间的换算关系见。
1Torr=133.3Pa
1Pa=75×10-3Torr
1Torr=1mmHg
1Torr=1/760大气压

二、真空区域的划分
真空区域的划分方法很多，目前，我国将真空区域划分为：低真空、中真空、高真空和超高真空。各真空区域所对应的真空值分别为：
低真空：105~102Pa（760~1Torr）
中真空：102~10-1Pa（1~10-3Torr）
高真空：10-1~10-5Pa（10-3~10-7Torr）
超高真空：≤10-5Pa（≤10-5Torr）
在不同的真空区域内分子运动的物理现象是不同的。离子渗氮是在低真空中进行的，其压力范围通常为7~103Pa。

真空的测量
一、真空测量的概念
测量低于大气压的气体压强的工具称为真空计。真空计可以直接测量气体的压强，也可以通过与压强有关的物理量来间接测量压强。前者称为绝对真空计，后者称为相对真空计。
二、常用真空计简介
真空计的种类繁多，下面简要介绍一下目前国内离子氮化设备中常用的几种真空计。
1.压缩式真空计
压缩式真空计又称麦克劳真空计，简称麦式真空计。麦式真空计属绝对真空计的范畴。其优点在于测量准确性高，可作为真空计量的标准器，其缺点是使用不够方便、反应缓慢、不能连续测量。
2.电阻式真空计
电阻式真空计系利用真空系统中分子数与传导热量有关的原理制造作而成的电阻式真空计属于相对真空计的范畴。
电阻式真空计的优点在于结构简单、能连续测量、可以测量总压强、使用方便（可用导线进行远距离测量）。缺点在于即该类型真空计的测量值与被测量气体种类有关，这是因为该类型真空计出厂时大多是利用空气标定的，由于离子渗氮炉中氢的存在，氢的热导率与氮、空气等的热导率相比相差太大，故所测真空度值误差较大。但由于该类真空计实用方便、读数直观，勇于测量炉体的极限真空度和压升率准确可靠，因而仍然是我国大多数企业的首选产品。
真空的获得——真空泵
真空泵是产生、改善和维持真空的装置。依据其获得真空的工作原理不同，可划分为多种类型。
离子氮化炉中所使用的通常是2X系列旋片式机械真空泵。表1-1中列出了其中几种常用规格的主要技术性能指标，供参考。
表1-1
型 号
2X-8
2X-15
2X-30
2X-70
在0.1Mpa压强时的抽气速率（L/s）
8
15
30
70
极限真空度（Pa）
6.7×10-2
转速（r/min）
320
320
315
300
电机功率（kW）
1.1
2.2
4
7.5
进气口径（mm）
50
50
63
80
排气口径（mm）
50
50
65
100
用油量（L）
2.0
2.8
4.2
5.2

2.稀薄气体分子的性质：速度分布、平均自由程、碰撞次数

由于分子数目巨大且碰撞频繁，故单个分子速率取值任意偶然。但又由分子平均平动动能公式知：温度T 一定时，大量分子的方均根速率却又是确定的。

说明：平衡态时，虽然单个分子的速率取值偶然，但大量分子的速率满足一定的统计规律。麦克斯韦从理论上得出如下规律：

满足归一化条件：
1. 速率分布的概念
分子可能的速率值：

速率区间：

使得：
内的分子数为，表示第i个速率间隔中的分子数占总分子数的百分比或表示单个分子速率值落在区间内的概率。
实验证明：
平衡态时,分布在不同区间的不同,但却是确定的。
2. 气体分子速率分布律
由实验知：与速率区间有关。当时，与无关，仅是的连续函数，即速率分布函数

物理意义：
速率在v 附近单位速率间隔内的分子数占总分子数的百分比,或某分子速率出现在v 附近的单位速率间隔内的概率。
归一化条件：
3. 三种速率：
1）最概然速率（最可几速率）
与分子速率分布曲线的极大值对应的速率，
2）平均速率
大量气体分子的速率的平均值，
（3）方均根速率

4. 三种速率的比较
如图6-11所示。

已知f(v)是速率分布函数，说明以下各式的物理意义：
（1）f(v)dv；（2）nf(v)dv，其中n是分子数密度；（3）；（4）（vp是最概然速率）。
答：（1）f(v)dv表示某分子的速率在间隔内的几率。
（2）nf(v)dv表示单位体积内，分子速率在间隔内的分子数。
（3）表示速率在v1～v2间的分子对平均速率的贡献。
（4）表示某分子的速率不大于vp的几率。

设氢气的温度是300K，求速率在3000～3010m×s–1之间的分子数与速率在1500～1510m×s–1之间的分子数之比。
解：氢气（H2）在温度T=300K时的最可几速率

将麦克斯韦速率分布公式改写为
式中
所以速率在3000到3010间的分子数

速率在1500到1510间的分子数

所以
一个分子单位时间里受到的平均碰撞次数叫平均碰撞次数。
一个分子连续两次碰撞之间经历的平均自由路程叫平均自由程。
则有
平均碰撞次数Z 的导出：
设分子A 以相对平均速率运动，其它分子可设为静止。运动方向上，以 d 为半径的圆柱体内的分子都将与分子A 碰撞，该圆柱体的面积 s 就叫碰撞截面。
单位时间内分子 A 走，相应的圆柱体体积为 ， 则

统计理论可计算

平均自由程：

对空气分子，；标准状态下，。
特例：如果气体容器线度小于平均自由程计算值时，实际平均自由程就是容器线度的大小。

3真空度对薄膜质量的影响

20世纪90年代，非致冷红外焦平面技术取得了重要突破并达到实用化，与传统的致冷型红外热像仪相比，它在低成本、低功耗、长寿命、小型化和可靠性等方面都具有明显的优势，成为当今热成像技术中最引人注目的突破之一。VO2(B)型薄膜具有较大的电阻温度系数和较低的电阻率，是一种优良的非制冷红外探测材料。可逆的温度相变。特性使其在诸如新型光存储器件、新型MOS晶体管开关电路、相变型红外微开关以及抗强激光辐射自动保护等领域具有很好的应用前景。但是V的氧化物种类众多，而且生成条件相似，制备结晶良好、具有严格化学计量比的V02薄膜比较困难。VO2(B)型薄膜的电阻温度系数和电阻率与薄膜的结晶状况，V，O的化学计量比，晶格结构等因素关系密切。因此如何获得结晶良好、纯度较高、具有较高电阻温度系数的VO2(B)型薄膜，就成了人们关注的热点。本文以高纯V2O。粉末为原料，采用真空蒸发——还原工艺制备出了具有较大电阻温度系数的VO2(B)型薄膜，满足了作为非制冷红外探测材料的要求，研究了退火真空度对VO2(B)型薄膜结晶状况、组分、光电性质的影响。
在不同的真空度下退火，VO2(B)型薄膜出现的温度范围不同。在高真空下退火，VO2(B)型薄膜出现的温度范围为400---440℃，而在低真空下退火，V02(B)型薄膜出现的范围为400---480℃；高真空退火对薄膜的还原性不及低真空的，但高真空退火更有利于薄膜晶粒的长大；在低真空下退火得到VO2(B)型薄膜的透过率不及在高真空下退火得到的，但是在低真空下退火得到VO2(B)型薄膜的电阻温度系数绝对值更大。440℃时高真空下退火得到薄膜的Eg=3．93 eV，低真窀下退火得到薄膜的Eg=3．84 eV。

4、热偶真空计、电离真空计

热偶真空计
利用热电偶的电势与加热元件的温度有关，元件的温度又与气体的热传导有关的原理来测量真空度的真空计。
　　热电偶接在白金或钨的细线上。这段细线通过电流後会发热。发出的热量通过周围气体分子的热传导,或细线本身的固体热传导,或热辐射放出。利用气体分子承担的热传导量与压力成正比的特点是此真空计的原理。
　　如果保持细线的发热量即保持一定的电流,则周围压力高的时候气体夺走的热量较多,致使细线的温度较低。反过来周围压力低的时候细线的温度会升高。这种温度的变化通过热电偶检测出来,将热电偶的起电力换成压力之後即可知真空腔内的压力。
利用气体分子的热传导现象,可能测量的压力范围在1~300Pa之间。热电偶真空计测得细线温度同时,也受到细线本身的固体热传导和热辐射放热的影响。因此精度不高。但是电路简单,价格低廉。
另外此真空计在大气压状态下也不会烧损。而且测得的压力值通过电信号被取出,因此在自动控制方面容易控制。

电离真空计

电离真空计是基于在一定条件下，待测气体的压力与气体电离产生的离子流呈正比关系的原理制作的真空测量仪器，电离真空计有：热阴极电离真空计、冷阴极电离真空计、放射性电离真空计。它由电离规管和电路组成。

9