半導體薄膜技術基礎

第1章緒論1
本章小結5
習題6
第2章矽單晶材料學7
2.1矽及其化合物的基本性質7
2.2矽的晶體結構13
2.3矽的生長加工方法16
2.4矽材料與器件的關係19
本章小結21
習題22
第3章薄膜基礎知識23
3.1薄膜的定義及應用23
3.2薄膜結構、缺陷及基本性質26
3.2.1薄膜的基本結構及缺陷26
3.2.2薄膜的基本性質29
3.3薄膜襯底材料的一般知識34
3.3.1玻璃襯底34
3.3.2陶瓷襯底35
3.3.3單晶體襯底36
3.3.4襯底清洗37
3.4薄膜的性能檢測簡介40
3.4.1薄膜的厚度檢測40
3.4.2薄膜的可靠性43
本章小結44
習題44
第4章氧化技術46
4.1二氧化矽（SiO2）薄膜簡介47
4.2氧化技術原理49
4.2.1熱氧化技術的基本原理50
4.2.2水汽氧化51
4.2.3濕氧氧化工藝原理52
4.2.4三種熱氧化工藝方法的優缺點53
4.3氧化工藝的一般過程54
4.4氧化膜品質評價58
4.4.1SiO2薄膜表面觀察法58
4.4.2SiO2薄膜厚度的測量58
4.5熱氧化過程中存在的一般問題分析61
4.5.1氧化層厚度不均勻61
4.5.2氧化層表面的斑點61
4.5.3氧化層的針孔62
4.5.4SiO2氧化層中的鈉離子污染62
本章小結62
習題63
第5章濺射技術64
5.1離子濺射的基本原理64
5.1.1濺射現象64
5.1.2濺射產額及其影響因素65
5.1.3選擇濺射現象70
5.1.4濺射鍍膜工藝70
5.2濺射工藝設備72
5.2.1直流濺射台74
5.2.2射頻濺射台77
5.2.3磁控濺射79
5.3濺射工藝應用及工藝實例80
本章小結83
習題83
第6章真空蒸鍍技術84
6.1真空蒸鍍技術簡介84
6.2真空蒸鍍工藝的相關參數86
6.2.1工藝真空86
6.2.2飽和蒸氣壓88
6.2.3蒸發速率和沉積速率88
6.3真空蒸鍍源89
6.4真空蒸鍍設備90
6.4.1熱阻加熱式蒸鍍機（蒸發機）92
6.4.2電子束蒸發台94
本章小結96
習題97
第7章CVD技術98
7.1CVD技術簡介98
7.2常用CVD技術簡介99
7.3低壓化學氣相澱積（LPCVD）103
7.4PECVD107
7.5CVD系統的模型及基本理論115
7.6CVD工藝系統簡介117
7.6.1CVD的氣體源系統118
7.6.2CVD的品質流量控制系統118
7.6.3CVD反應腔室內的熱源119
本章小結119
習題119
第8章其他半導體薄膜加工技術簡介121
8.1外延技術121
8.1.1分子束外延121
8.1.2液相外延（LPE）123
8.1.3氣相外延（VPE）124
8.1.4選擇外延（SEG）125
8.2離子束沉積和離子鍍126
8.3電鍍技術128
8.4化學鍍131
8.5旋塗技術131
8.6溶膠—凝膠法133
本章小結134
習題134
參考文獻134

矽積體電路無疑是這個時代所創造的奇跡之一，正是這種能將數以千萬計的元器件集成於一塊面積只有幾平方釐米的矽晶片上的能力，造就了今天的資訊時代。矽集成電路技術綜合應用了多種不同領域的科學技術成果。薄膜技術的應用就是人們開發新材料和新器件的研究結晶，通過不同的技術手段，在半導體材料上進行薄膜的生長、腐蝕，形成所需要的各種結構，實現設計器件的功能。半導體薄膜技術已經成為矽積體電路製造工藝中不可或缺的重要一環。

半導體薄膜技術的發展幾乎涉及所有的前沿學科，而半導體薄膜技術的應用與推廣又滲透到各個學科及應用技術的領域中。為此，許多國家對半導體薄膜技術和薄膜材料的研究開發極為重視。從發展趨勢看，在科學發展日新月異的今天，大量具有各種不同功能的薄膜得到了廣泛的應用，薄膜作為一種重要的材料，在材料領域中佔據著越來越重要的地位。
 
目前，人們已經設計和開發出了多種不同結構和不同功能的薄膜材料，這些材料在化學分離、化學感測器、人工細胞、人工臟器、水處理等許多領域中，具有重要的潛在應用價值，被認為是21世紀膜科學與技術領域的重要發展方向之一。

本書主要介紹矽單晶材料學、薄膜基礎知識、氧化技術、蒸發技術、濺射技術（PVD）、化學氣相澱積（CVD）技術及其他一些半導體薄膜加工技術。積體電路晶片的製造過程實際上就是在襯底上多次反復進行薄膜的形成、光刻和摻雜等工藝加工過程的組合。
 
在半導體工藝中，首要任務是解決薄膜加工工藝問題。積體電路技術的發展，要求製備薄膜的品種不斷增加，對薄膜的性能要求日益提高，新的薄膜製備方法也不斷湧現並逐漸成熟。本書主要介紹積體電路加工工藝過程中常用的薄膜製備技術，在介紹薄膜製備技術之前，對積體電路的發展歷程和今後的發展趨勢進行介紹，對積體電路製造中常用的襯底材料——矽的製備也進行詳細介紹，然後討論薄膜物理學。
 
在介紹每一種薄膜製備工藝的過程中，還對各個製備工藝的設備原理進行簡單介紹。通過本書的學習，讀者可以掌握基本的半導體薄膜製備技術，瞭解薄膜製備工藝的特點和應用場所，瞭解不同薄膜製備工藝所製備薄膜的特點及相關測試方法，並對相關製造設備有一定瞭解，同時，還對部分相關設備的生產廠商進行簡要介紹。
……

我們希望本書不僅成為一本簡單的教材，還可以成為廣大工程技術人員的一本參考手冊。由於半導體薄膜的技術內容非常豐富，本書不可能包含所有的薄膜技術，所以本書是以半導體薄膜技術的基礎研究為目的，在此基礎上再去深入研究各種薄膜製備技術，將不是很困難的事。

本書由李曉幹、王奇、劉猛共同編寫。其中，李曉幹主要編寫了緒論、薄膜基礎知識、氧化技術和真空鍍膜技術，劉猛編寫了矽單晶材料學、CVD技術和其他半導體薄膜技術，王奇編寫了濺射工藝部分。全書由李曉幹、劉猛進行統稿。

由於半導體薄膜技術的發展日新月異，涉及的科學技術領域繁多，編寫者的水準有限，在編寫中存在錯誤在所難免，歡迎廣大讀者批評指正！

作者
2018年1月