半导体薄膜的制备实验的特殊性及教学尝试课件
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1、半导体薄膜的制备实验的特殊性及教学尝试四级物理实验的宗旨按实验内容的基础普遍性、难易程度与学生知识水平相适应分为四级实验一级实验：基本操作与测量，普及型二、三级实验：逐步增加综合性与设计性实验的比例及难度，由教师安排，过渡到学生自己设计实验，自己准备仪器完成实验。培养综合思维和创造能力。四级实验以科研实践为主题，以科学研究的方式进行实验教学，培养学生独立科研的能力。达到以上要求的难点（对三、四级实验而言） （1）三、四级实验的对象是理科和物理类学生，有几百人参加。设备和师资有限，可能带来如下问题： 设备总量将严重不足 实验周期大大拉长，指导教师工作量大大增加 （2）由于增加了具有时代性和先进性
2、的现代实验，引入了一些大型或高精尖设备，不可能让每人得到充分的操作训练，可能带来如下问题： 实验设备少，操作受限；操作规程过于规范，束缚思维 实验先进，大大超前理论：知其然不知其所以然 实验标题及方法固定，实际上就难以切入真正的科研解决方法： （1）实验闲隙中（如抽真空等待时），以计算机 演示的方式，向同学讲解： 固体物理和半导体物理预备知识 实验原理和操作规程 （2）每次实验必须打开真空室，结合实物讲解 （3）请同学自己总结问题和提出问题 （4）利用学期近结束时的开放时间安排科研实践 活动下是计算机部分演示 一、ZnO透明导电薄膜和金属电极的制备 (1)预备知识：半导体结构及导电性（为没有学
3、过“固体物理”的学生准备,另有演示,此处从略） 半导体的晶体结构, 晶格、晶向、晶面和它们的标志, 半导体的几种常见结构（金刚石型结构，闪锌矿、纤锌矿结构，氯化钠结构） 半导体中的电子状态和能带: 原子的能级和晶体的能带（导带，禁带和价带） 半导体中的杂质和缺陷能级，间隙位与替位位，施主与受主，补偿，n型与p型半导体，缺陷与位错，半导体中的掺杂ZnO薄膜的制备透明导电ZnO薄膜及金属电极的制备演示 中国科学技术大学物理系 薄膜制备及性能测试实验室实验内容介绍实验内容介绍三三. 金属电极制备金属电极制备 四四 . 磁控溅射制备磁控溅射制备ZnO薄膜薄膜五五. 相关准备工作相关准备工作-化学清洗和
4、靶材制备化学清洗和靶材制备 二二. ZnO薄膜的基本性质薄膜的基本性质一一. 薄膜材料简介薄膜材料简介（1 1）薄膜材料）薄膜材料 应用领域应用领域：材料科学、能源、信息 、微电子工业等;尤其宽 禁带半导体光电功能材料，已成为各国研究的重 点。 研究目的研究目的：利用新材料制备具有最佳性能的器件 提高 生产率，降低成本; 发展方向发展方向：透明导电薄膜、具有低电阻、 高透射率等 可作为透明导电窗口.（2 2）ZnOZnO薄膜及金属电极的制备实验方法：薄膜及金属电极的制备实验方法： 用掺氧化铝的氧化锌粉末靶 真空蒸发或磁控溅射 制备半导体透明导电薄膜测量薄膜的光电特性.一、薄膜材料简介一、薄膜材
5、料简介二、二、ZnO薄膜的基本性质薄膜的基本性质几种宽禁带半导体基本性质比较几种宽禁带半导体基本性质比较 1 1、真空蒸发原理：真空蒸发原理： 真空条件下真空条件下-蒸发源材料加热蒸发源材料加热-脱离材料表面束缚脱离材料表面束缚-原子分子作直原子分子作直线运动线运动-遇到待沉积基片遇到待沉积基片-沉积沉积成膜。成膜。 2 2、真空镀膜系统结构：、真空镀膜系统结构： （1 1）真空镀膜室）真空镀膜室 （2 2）真空抽气系统）真空抽气系统 （3 3）真空测量系统真空测量系统 三、真空蒸发制备金属电极三、真空蒸发制备金属电极旋片泵结构及工作原理示意图旋片泵结构及工作原理示意图扩散泵结构及工作原理示意
6、图扩散泵结构及工作原理示意图涡轮分子泵结构示意图涡轮分子泵结构示意图热偶规工作原理：热偶规工作原理： 一对热电偶一对热电偶A A、B B与一对加热钨丝焊接在一起，与一对加热钨丝焊接在一起，在电流恒定不变时，热丝温度取决于管内气体的在电流恒定不变时，热丝温度取决于管内气体的热导率热导率K K，K K正比于分子平均自由程和气体浓度正比于分子平均自由程和气体浓度. .在在-1-1托至托至-4-4托范围内托范围内, ,随着真空度的提高随着真空度的提高, ,电偶电动电偶电动势也增加势也增加, ,因而可由热电偶电动势的变化来表示管因而可由热电偶电动势的变化来表示管内气体的压强内气体的压强. .( (需要注
7、意的是需要注意的是, ,当真空度更高时当真空度更高时, ,由于热传导非常由于热传导非常小小, ,电偶电动势变化不明显时电偶电动势变化不明显时, ,就需要改用其它方法就需要改用其它方法测量了测量了) )真空测量系统真空测量系统-热偶规热偶规热阴极电离规工作原理热阴极电离规工作原理: 从发射极从发射极F发射出电子发射出电子,经过栅极经过栅极G使电子加速使电子加速,加速加速电子打中管内气体分子时电子打中管内气体分子时,使使气体分子电离气体分子电离,正离子被收集正离子被收集极极C吸收吸收,收集极电路中的微收集极电路中的微安表记录正离子流安表记录正离子流Ii的变化的变化,而电子流在栅极附近作若干而电子流
8、在栅极附近作若干次振荡后被栅极吸收次振荡后被栅极吸收,由栅极由栅极电路中的毫安表记录电子流电路中的毫安表记录电子流Ie. 需要注意的是需要注意的是:真空度低于真空度低于-3托时不能用电离规直接测量托时不能用电离规直接测量,原因是在低真空条件下原因是在低真空条件下,加热的加热的灯丝容易氧化而烧断灯丝容易氧化而烧断.真空测量系统真空测量系统-热阴极电离规热阴极电离规以蒸铝为例：以蒸铝为例：（1 1）悬挂铝丝；）悬挂铝丝； （2 2）基片清洗及放置；）基片清洗及放置；（3 3）系统抽真空；）系统抽真空；（4 4）衬底预热；）衬底预热；（5 5）预蒸；）预蒸；（6 6）蒸发；）蒸发；（7 7）停机。）
9、停机。真空蒸发镀膜工艺真空蒸发镀膜工艺 溅射原理：溅射原理： 所谓溅射，就是向高真空系统内加入少量所需气体（如氩、氧、氮等），气体分子在强电场的作用下电离而产生辉光放电。气体电离后产生的带正电荷的离子受电场加速而形成为等离子流，它们撞击到设置在阴极的靶材表面上，使靶表面的原子飞溅出来，以自由原子形式与反应气体分子形成化合物的形式沉积到衬底表面形成薄膜层。（也称阴极溅射法）四、磁控溅射法制备透明导电四、磁控溅射法制备透明导电ZnO薄膜薄膜磁控射频溅射系统结构磁控射频溅射系统结构磁控射频溅射工作原理磁控射频溅射工作原理洛仑兹力：洛仑兹力：F F = q( E + v B )2 2、基片清洗的一般程
10、序、基片清洗的一般程序: : 去油去油 去离子去离子 去原子去原子 去离子水冲洗去离子水冲洗1 1、化学清洗的概念和方法、化学清洗的概念和方法: :3 3、常见金属材料的清洁处理、常见金属材料的清洁处理: : （1 1）钨丝）钨丝 （2 2）铝丝）铝丝4 4、实验用具的清洁处理、实验用具的清洁处理: : （1 1）玻璃器皿）玻璃器皿 （2 2）石英器皿）石英器皿 （2 2）金属用具）金属用具 （3 3）石墨工具）石墨工具实验准备工作一实验准备工作一 ：化学清洗：化学清洗 1 1、靶材概述、靶材概述 2 2、靶材技术要求、靶材技术要求 3 3、靶材制备方法、靶材制备方法 5 5、制靶工艺、制靶工
11、艺4 4、制靶工具、制靶工具 - - 粉末压靶机粉末压靶机 6 6、靶材与底座的连接、靶材与底座的连接实验准备工作二实验准备工作二 ：靶材制备：靶材制备实验思考题实验思考题1、简述真空蒸发的原理及工艺过程；、简述真空蒸发的原理及工艺过程；2、真空蒸发实验中钨丝和基片的清洁处理；、真空蒸发实验中钨丝和基片的清洁处理；5、简述分子泵工作原理及使用注意事项；、简述分子泵工作原理及使用注意事项；6、简述磁控溅射工作原理；、简述磁控溅射工作原理；3、简述热电偶规工作原理及使用注意事项；、简述热电偶规工作原理及使用注意事项；4、简述热阴极电离规工作原理及使用注意事项；、简述热阴极电离规工作原理及使用注意事
