第二章薄膜的物理气相沉积-蒸发法概要.ppt

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真空蒸发的原理 在真空蒸发技术中,人们只需要产生一个真空环境。在真空环境下,给待蒸发物提供足够的热量以获得蒸发所必需的蒸气压。在适当的温度下,蒸发粒子在基片上凝结,这样即可实现真空蒸发薄膜沉积。 大量材料皆可以在真空中蒸发,最终在基片上凝结以形成薄膜。真空蒸发沉积过程由三个步骤组成: 真空蒸发的特点 1.真空蒸发沉积薄膜的优点:简单便利、操作容易、成膜速度快、效率高等,是薄膜制备中最为广泛使用的技术。 2.真空蒸发技术的缺点:不容易获得结晶结构的薄膜,形成的薄膜与基片结合较差,工艺重复性不好。 实际合金的蒸气压之比更加偏离合金中的原始组分之比。 PA = ?A ? APA(0) ;PB = ?B ? BPB(0) ; -?A, ?B 分别为元素A、B在合金中的活度系数 合金中A、B组元的蒸发速率之比为 对于初始成分确定的蒸发源,易于蒸发的组元优先蒸发,造成该组元的不断贫发,造成该组元的蒸发速率下降。 实际采取的措施:采用双源或多源,分别加热至不同温度来控制每一组元的蒸发速率。 多组分薄膜的蒸发方法 利用蒸发法制备多组分薄膜的方法主要有三种方法 (1)单源蒸发法:先按薄膜组分比例的要求制成合金靶,然后 对合金靶进行蒸发、沉积形成固态薄膜。基本要求是合金靶中各组分材料的蒸汽压比较接近。 (2)多源同时蒸发法:利用多个坩埚,在每个坩埚中放入薄膜所需的一种材料,在不同温度下同时蒸发。 (3)多源顺序蒸发法:把薄膜所需材料放在不同坩埚中,但不是同时蒸发,而是按顺序蒸发,并根据薄膜组分控制相应的层厚,然后通过高温退火形成需要的多组分薄膜。 在物质的蒸发过程中,蒸发原子的运动具有明显的方向性。并且,由于被蒸发原子的运动具有方向性,因而沉积薄膜本身的均匀性以及其微观组织也将受到影响。 方法一 :在同时需要蒸发沉积的样品数较多、而每个样品的尺寸相对较小的时候,经常可以改善实验装置来提高样品的均匀性,如转动衬底。 原理:将面蒸发源和衬底表面放在一个圆周上,有cosφ=cosθ=(1/2)r/ro,其中ro为相应圆周的半径。这时,衬底上沉积的物质量 定义:在利用蒸发法沉积薄膜时,其真空度一般较高,这使得被蒸发物质的原子、分子是处于分子流状态下。当蒸发源与衬底之间存在某种障碍物的时候,物质的沉积将会产生阴影效应,即蒸发出来的物质将被障碍物阻挡而不能沉积在衬底上。 在真空中为了蒸发待沉积的材料,需要容器来支撑或盛装蒸发物,同时需要提供蒸发热使蒸发物达到足够高的温度以产生所需的蒸气压。 为避免污染薄膜材料,蒸发源中所用的支撑材料在工作温度下必须具有可忽略的蒸气压。通常所用的支撑材料为难熔金属和氧化物。当选择某一特殊支撑材料时,一定要考虑蒸发物和支撑材料之间可能发生的合金化和化学反应等问题。支撑材料的形状则主要取决于蒸发物。 重要的蒸发方法有电阻加热蒸发、闪烁蒸发、电子束蒸发、激光熔融蒸发、弧光蒸发、射频加热蒸发等。 电阻式加热装置对电阻材料的要求 能够在高温下使用且在高温下具有较低的蒸气压 不与被蒸发物质发生化学反应 无放气现象和其他污染 具有合适的电阻率 选择蒸发加热材料时,必须考虑蒸镀材料与蒸发源材料的“湿润性”问题。镀料熔化后,若有沿蒸发源扩展的倾向时,两者是浸润的。反之,是不浸润的。浸润时,为面蒸发源,蒸发状态稳定。不侵润时,为点蒸发源,若用丝式蒸发源时镀料易脱落。 2)蒸发舟 ● 用金属箔制成,箔厚 0.05-0.15mm,可蒸发 块状、丝状、粉状镀料 ●注意避免局部过热, 发生飞溅 3)外热坩埚 优点: 1.电阻式蒸镀机设备价格便宜,构造简单容易维护。 2.靶材可以依需要,做成各种的形状。 缺点: 1. 因为热量及温度是由电阻器产生,并传导至靶材,电阻器本身的材料难免会在过程中参加反应,因此会有些微的污染,造成蒸发膜层纯度稍差,伤害膜层的质量。 2. 热阻式蒸镀比较适合金属材料的靶材,光学镀膜常用的介电质(dielectric)材料,因为氧化物所需熔点温度更高,大部分都无法使用电阻式加温来蒸发。 3. 蒸镀的速率比较慢,且不易控制。 4. 化合物的靶材,可能会因为高温而被分解,只有小部分化合物靶材可以被闪燃式蒸镀使用。 5. 电阻式蒸镀的膜层硬度比较差,密度比较低。 2.3 真空蒸发装置 2.3 真空蒸发装置 电阻加热装置的缺点之一是来自坩埚、加热元件以及各种支撑部件的可能的污染。另外,电阻加热法的加热功率或加热温度也有一定的限制。因此其不适用于高纯或难熔物质的蒸发。 电子束蒸发装置正好克服了电阻加热法的上述两个不足。在电子束加热装置中,被加热的物质被放置于水冷的坩埚中,电子束只轰击到其中很少的一部分物质,而

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