薄膜材料与薄膜技术 第三章 薄膜的物理制备方法（1）.ppt

蒸发源的类型 蒸发源是蒸发装置的关键部件。最常用的有：电阻法、电子束法、高频法等。 电阻蒸发源 直接加热法（W、Mo、Ta） 间接加热法（Al2O3、BeO等坩埚） 对蒸发源材料的要求 高熔点 饱和蒸气压低 化学性能稳定，高温下不与蒸发材料反应 良好的耐热性 原料丰富、经济耐用 常用电阻加热蒸发源形状 各种蒸发皿结构 蒸镀材料对蒸发源材料的“湿润性” 选择蒸发源材料时，必须考虑蒸镀材料与蒸发材料的“湿润性”问题。 湿润良好：蒸发面积大、稳定， 可以认为是面蒸发源蒸发。 湿润小： 可以认为是点源蒸发， 稳定性差。 电子束蒸发源 电阻加热蒸发源已不能满足蒸镀某些高熔点金属和氧化物材料的需要，特别是制备高纯薄膜。电子束加热蒸发法克服了电阻加热蒸发的许多缺点，得到广泛应用。 电子束加热原理 可聚焦的电子束，能局部加温元素源，因不加热其它 部分而避免污染 高能量电子束能使高熔点元素达到足够高温以产生适 量的蒸气压 电子的动能和电功率： 电子束蒸发源的优点： 1.束流密度高，能获得远比电阻加热源更大的能量密度。 2.被蒸发材料置于水冷坩埚内，避免了容器材料的蒸发， 以及容器材料与蒸发材料的反应，提高了薄膜的纯度。 3.热量直接加到蒸镀材料表面，热效率高，热传导和热辐 射损失小。 电子束蒸发源的缺点： 1. 可使蒸发气体和残余气体电离，有时会影响膜层质量； 2. 电子束蒸镀装置结构复杂，价格昂贵； 3. 产生的软X射线对人体有一定的伤害。 电子束蒸发源的结构: 环型枪 直型枪 e 型枪 1-发射体，2-阳极，3-电磁线圈，4-水冷坩埚，5-收集极，6-吸收极，7-电子轨迹，8-正离子轨迹，9-散射电子轨迹，10-等离子体 吸收反射电子、背散射电子、二次电子 吸收电子束与蒸发的中性离子碰撞产生的正离子 高频感应蒸发源 高频感应蒸发源的特点： 蒸发速率大，比电阻蒸发 源大10倍左右； 2. 蒸发源温度均匀稳定，不 易产生飞溅； 3. 蒸发材料是金属时，从内部加热； 4. 蒸发源一次加料，无需送 料机构，控温容易，热惰性小，操作简单。 对于两种以上元素组成的合金和化合物薄膜，在蒸发时如何控制组分，以获得与蒸发材料化学比不变的膜层，是薄膜技术中的一个重要问题。 合金的蒸发 二元以上合金或化合物，由于各成分饱和蒸气压不同，蒸发速率不同，引起薄膜成分偏离。 合金的蒸发可以近似地用拉乌尔定律来处理。 合金蒸发的组分偏离问题 合金及化合物的蒸发 拉乌尔定律（Raoult’s Law） 1887年，法国化学家Raoult从实验中归纳出一个经验定律：在定温下，在稀溶液中，溶剂的蒸气压等于纯溶剂蒸气压 乘以溶液中溶剂的物质的量分数 ，用公式表示为： 如果溶液中只有A，B两个组分，则 拉乌尔定律也可表示为：溶剂蒸气压的降低值与纯溶剂蒸气压之比等于溶质的摩尔分数。 设 、 分别为A、B的质量， 、 为合金中的浓 度，则 合金各组分的蒸发速率： 若要保证薄膜组分和蒸发料一致，则必须 ，实际上难于做到。 例题： 处于1527 ℃下的镍铬合金（Ni80%，Cr20%），在 ， 时，蒸发速率比为： 铬的初始蒸发速率是镍的2.8倍； 随蒸发过程， 会逐渐减小，最终会小于1。 镍-铬合金薄膜实验结果证实了上述结果。 在真空蒸发法制作合金薄膜时，为保证薄膜组成，经常采用瞬时蒸发法、双蒸发源法等。 瞬时蒸发法 瞬时蒸发法又称“闪烁”蒸发法。 优点：可以获得成分均匀的薄膜，方便进行掺杂。 缺点：蒸发速率难于控制，蒸发速率不能太快。 多用于Ⅲ-Ⅴ族及 Ⅱ-Ⅵ半导体化合薄膜的制作。 双源或多源蒸发法 将要形成合金的每一成分，分别装入各自的蒸发源中，然后独立地控制其蒸发速率，使达到基板的各种原子符合组成要求。 化合物的蒸发 电阻蒸发法、反应蒸发法、 双源或多源蒸发法、三温度法 和分子束外延法等。 反应蒸发法 将活性气体导入真空室，并与蒸发源逸出的金属原子、低价化合物分子在基板表面淀积过程中发生化学反应，从而形成所需高价化合物薄膜。 合金及化合物的蒸发 在反应蒸发中，蒸发原子或低价化合物分子与活性气体发生反应有三个可能的部位。 蒸发源表面（尽可能避免） 蒸发源到基