电子材料表征课件

Ref: Kubaschewski O, Alcock C B. Metallurgical Thermochemistry. 5th ed. Oxford: Pergamon PC B lgp(psi) A T B lgp(psi) A ClgT T
电子材料制备与表征
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电子材料是指电子信息技术与产业中所广泛使 用的具有功能特性、结构特性以及物理、化学 性能等特定要求的材料，是电子信息技术的基 础与先导，也是当前材料领域中最重要和最活 跃的部分。
电子材料的主要分类：
1. 按用途分类 结构电子材料和功能电子材料 2. 按组成分类 无机电子材料和有机电子材料
需要同时沉积的薄膜面 积越大，沉积均匀性的 问题越突出。 点蒸发源所对应的沉积 均匀性稍好于面蒸发源。
阴影效应
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2.2 脉冲激光沉积
——使用高功率的激光束（连续或脉冲）作为能源
PLD装臵的示意图
薄膜的物理气相沉积
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PLD工作原理：
(1) 激光与靶材相互作用产生等离子体；
(2) 等离子体在空间的输运； (3)等离子体在基片上成核、长大形成薄膜。
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离子电流与气体压力之间的关系
6.3 指针式压差真空计 用于粗真空的测量。 示数（MPa）=真空室气压-大气压
试计算：CVD生长CdS纳米线 的气压条件为300Torr，此时 压差真空计的示数为多少？
-0.06MPa
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二 、电子材料的制备方法 物理气相沉积（Physical Vapor Deposition, PVD） 利用某种物理过程，如物质的热蒸发或在受到 粒子束轰击时物质表面原子的溅射等现象，实现物 质原子从源物质到薄膜的可控转移过程。
热蒸发（电阻式蒸发，电子束蒸发，脉冲激光沉积） 磁控溅射
化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD) 利用气态先驱反应物，通过原子、分子间化学反 应的途径生成固态薄膜的技术。
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2.1 电子束/电阻式蒸发
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电阻式蒸发：以难熔金属和氧化物为坩埚。 缺点：坩埚、加热元件及各种支撑部件的可能 污染；加热功率和温度有限，不适用于高纯或 难熔物质的蒸发。
薄膜的物理气相沉积
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热蒸发用的坩埚 石墨电极间高温放电 金属元素的平衡蒸汽压随温度的变化曲线
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薄膜的物理气相沉积
（曲线上的点标明的是相应元素的熔点）
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半导体元素的平衡蒸汽压随温度的变化曲线
（图中标注的点为相应元素的熔点） 薄膜的物理气相沉积
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在物质蒸发的过程中，被蒸发原子的运动具有明 显的方向性，影响沉积薄膜的均匀性和微观组织 结构。
镇气阀：抽气初始阶段打开。 特点：结构简单、工作可靠 缺点：油污染
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注意：避免“回油”现象！ 停机前将进气口与大气连通； 安装电磁阀。 单独使用或高真空系统的前级真空！
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5.2 涡轮分子泵
工作原理： 通过高速旋转的特定形状 的转子叶片（2000030000r/min）将动量传给气 体分子，并使其向特定方向 运动。
α — 系数，介于0~1之间； pe、ph — 平衡蒸气压和实际情况下的分压。
M Γ α ( p p ) 2π RT
e h
对元素蒸发速率影响最大的因素： 蒸发源所处的温度。
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一定温度范围内，蒸汽压与温度的关系式：
A 103 lgp e(kPa) BlgT C 10 3 T D T
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电阻材料的要求： 熔点高； 饱和蒸气压低； 化学性能稳定； 具有良好的耐热性； 原料丰富，经济耐用。 常用：难熔金属和氧化物，例钨（熔点 3410℃）、 钽（熔点2996℃）。
薄膜的物理气相沉积
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丝
块状
粉末
薄膜的物理气相沉积
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电子束蒸发 磁场偏转法可避免灯丝蒸发及坩埚材料的污染。
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由仪器测出的真空度与真空室的实际真空度 之间可能会由于温度不同而存在误差。 在分子流状态，而且真空室与测量点之间存 在较细的管道连接时，测量压力pm和实际压力 pc之间的关系将可由分子净通量为零的条件得 出： p T
c
p

c
m
T
m
Tc、Tm — 真空室和测量点处气体温度
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6.1 热偶真空规 设计基础：气体热导率随气体压力的变化。
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D 克努森（Knudsen）准数 Kn λ
D — 气体容器的尺寸 λ-气体分子的平均自由程，即气体分子在两次碰撞的间 隔时间里走过的平均距离。
分子流状态 Kn＜1 过渡状态 Kn＝1~100 粘滞流状态 Kn ＞ 100
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5 真空泵简介
按获得真空的方法，真空泵分为两大类： 输运式真空泵：采用对气体进行压缩的方式将气 体分子输送至真空系统之外。（机械式气体输运 泵，如旋片式机械真空泵、罗茨泵、涡轮分子泵； 气流式气体输运泵，如油扩散泵 ） 捕获式真空泵：依靠在真空系统内凝集或吸附气 体分子的方式将气体分子捕获，排除于真空系统 之外。（低温吸附泵、溅射离子泵） ★某些捕获式真空泵在工作完毕以后还可能将己 捕获的气体分子释放回真空系统。
一 、真空技术基础
1. 真空环境划分： 低真空 中真空 高真空 超高真空
> 102 Pa 102 ~ 10-1 Pa 10-1 ~ 10-5 Pa < 10-5 Pa
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2. 不同真空技术的使用环境 低压化学气相沉积：中、低真空（10~ 100Pa） 溅射沉积：中、高真空（10-2 ~ 10Pa） 真空蒸发沉积：高真空和超高真空（<10-3 Pa） 电子显微分析：高真空; 材料表面分析：超高真空。
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优点： 磁场偏转法可避免灯丝蒸发的污染； 避免坩埚材料的污染； 同时或分别蒸发和沉积多种不同物质。 缺点： 热效率低； 电子枪和坩埚 热辐射。
薄膜的物理气相沉积
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平衡蒸气压：一定温度下，蒸发气体与凝聚相平 衡过程中所呈现的压力。 当环境中元素分压降低到平衡蒸气压之下时， 就发生元素的净蒸发。 单位表面上元素的质量蒸发速率
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5.1 旋片式机械真空泵
工作原理： 玻意耳-马略特定律（PV=C） 即：温度一定的情况下，容器 的体积和气体压强成反比。
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工作原理示意图：
吸气
压缩
排气
依靠安臵在偏心转子中的可以滑进滑出的旋片 将气体隔离、压缩，然后排出泵体之外。
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性能参数： 理论抽速Sp：单位时间内所排出的气体的体积。 估算：Sp =转子与定子间的体积V×转速f 抽速范围：1~300L/s 例：型号2XZ-8 极限真空度：10-1 Pa
薄膜的物理气相沉积
Ref: Lange's Chemistry Handbook, 15th ed.
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物质的蒸发模式：
1. 即使是当温度达到熔点时，其平衡蒸气压也低于 10-1 Pa。（大多数金属） 加热到熔点以上 2. 低于熔点时，平衡蒸气压已经相对较高。 （Cr、 Ti、Mo、Fe、Si） 固态物质的升华
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3. 常用气压单位：
1 Pa＝1 N/m2 1 atm ＝760 mmHg＝ 101 325 Pa 1 Torr＝1 mmHg＝133.3 Pa 1 mbar ＝100 Pa 1 psi (pounds per square inch)＝ 6.895 kPa
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4. 气体流动状态的划分 分子流状态：在高真空环境下，气体的分子除了 与容器壁碰撞以外，几乎不发生气体分子间的相 互碰撞。 特点：气体分子平均自由程大于气体容器的尺寸 或与其相当。（高真空薄膜蒸发沉积系统、各种 材料表面分析仪器） 粘滞流状态：当气压较高时，气体分子的平均自 由程很短，气体分子间的相互碰撞较为频繁。 （化学气相沉积系统）
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缺点：非线性，测量结果与气体种类有关，零 点漂移严重。 优点：结构简单，使用方便。
热电势随气体压力的变化曲线
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注: 1. 不同气体的导热系数不同，因而测量结果不同。 在测量不同气体时，需标定。 Preal=SrPread Preal—以干燥空气（氮气）刻度的压力计读数； Sr—被测气体的相对灵敏度； Pread—被测气体的实际压力。 2. 误差范围：P＜500Pa时，误差为±20%； P≥500Pa时，误差为±50%。
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课程内容
一 、真空技术基础 二 、电子材料的制备方法 物理气相沉积（PVD） 热蒸发（电阻式蒸发，电子束蒸发，脉冲激光沉积） 磁控溅射 化学气相沉积（CVD） 三、 电子材料常规表征手段 XRD、TEM、SEM、EDS、XPS、PL、 半导体参数测试系统
参考书：
7 《薄膜材料制备原理、技术及应用》，唐伟忠，冶金工业出版社
X射线衍射（XRD） 透射电子显微镜（TEM，含HRTEM、ED） 扫描电子显微镜（SEM，含FESEM） X射线能量色散谱（EDS） X射线光电子能谱（XPS） 光致发光光谱（PL）
电极制备： In----电阻式蒸发 Au----电子束蒸发 器件性能表征：
半导体参数测试系统
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“Bottom-Gate”纳米线场效应器件制备流程图
3. 按物理性质分类 超导材料、导电材料、半导体材料、绝缘材料、 压电材料、铁电材料、磁性材料、光学材料、敏感 材料等 4. 按应用领域分类 微电子材料、电阻器材料、电容器材料、磁性 材料、光电子材料、压电材料、电声材料等
微电子材料：Si、Ge、GaAs等制作半导体器 件与集成电路的材料。 导电材料 Cu、Al及合金等 半导体材料 V族（Si、Ge、C） II-VI族（ZnO、ZnS、ZnSe等） III-V族（GaAs、InP、InSb） 绝缘材料 SiO2、Al2O3、HfO2等
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6.2 电离真空规
——与热偶真空规结合使用的高真空规