第四章真空蒸发镀膜法.ppt

二. 真空蒸发镀膜原理 图2.1为真空蒸发镀膜原理示意图。 主要部分有： 真空室，为蒸发过程提供必要的真空环境； 蒸发源或蒸发加热器，放置蒸发材料并对其进行加热； 基板（基片），用于接收蒸发物质并在其表面形成固态蒸发薄膜； 基板加热器及测温器等。 四. 三个基本过程： （1）加热蒸发过程，包括由凝聚相转变为气相（固相或液相→气相）的相变过程。每种蒸发物质在不同温度时有不同的饱和蒸气压，蒸发化合物时，其组合之间发生反应，其中有些组成以气态或蒸气进入蒸发空间。 （2）气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运，即这些粒子在环境气氛中的飞行过程。飞行过程中与真空室内残余气体分子发生碰撞的次数，取决于蒸发原子的平均自由程以及从蒸发源到基片之间的距离，常称源-基距。 （3）蒸发原子或分子在基片表面上的沉积过程，即蒸气凝聚、成核、核生长、形成连续薄膜。由于基板温度远低于蒸发源温度，因此沉积物分子在基板表面将发生直接从气相到固相的相转变过程。 五.真空热蒸发镀膜法的特点 特点： 设备比较简单、操作容易； 制成的薄膜纯度高、质量好，厚度可较准确控制； 成膜速率快，效率高，用掩模可以获得清晰图形； 薄膜的生长机理比较简单； 这种方法的主要缺点是：不容易获得结晶结构的薄膜；所形成的薄膜在基板上的附着力较小；工艺重复性不够好等。 一．蒸发物质的平均自由程与碰撞几率 真空室内存在着两种粒子，一种是蒸发物质的原子或分子，另一种是残余气体分子。 真空蒸发实际上都是在具有一定压强的残余气体中进行的。显然，这些残余气体分子会对薄膜的形成过程乃至薄膜的性质产生影响。 二．蒸发物质的碰撞几率和纯度 粒子在两次碰撞之间所飞行的平均距离称为蒸发分子的平均自由程。 式中，P是残余气体压强，d是分子直径，n为残余气体分子密度。例如，在一个大气压下，蒸发分子的平均自由程约为50cm，这与普通真空镀膜室的尺寸不相上下。因此，可以说在高真空条件下大部分的蒸发分子几乎不发生碰撞而直接到达基板表面。 第五节 蒸发源的类型 真空蒸发所采用的设备根据其使用目的不同可能有很大的差别，从最简单的电阻加热蒸镀装置到极为复杂的分子束外延设备，都属于真空蒸发沉积的范畴。 在蒸发沉积装置中，最重要的组成部分就是物质的蒸发源。 1．电阻蒸发源 通常对蒸发源材料的要求是 ： (1)熔点要高。 (2)饱和蒸气压低。防止或减少在高温下蒸发源材料会随蒸发材料蒸发而成为杂质进入蒸镀膜层中。 (3)化学性能稳定，在高温下不应与蒸发材料发生化学反应。 (4) 具有良好的耐热性。热源变化时，功率密度变化较小； (5)原料丰富，经济耐用。 根据上述这些要求，实际使用的电阻加热材料一般均是一些难熔金属如W、Mo、Ta等等。用这些金属做成形状适当的蒸发源，让电流通过，从而产生热量直接加热蒸发材料。 2.电子束蒸发 电子束热蒸发：已成为蒸发高熔点待蒸发材料和制备高纯薄膜的一种主要方法。 电子束热蒸发的原理:将蒸发材料置于水冷坩埚中，利用电子束在电场作用下获得动能轰击阳极的蒸发材料，使待蒸发材料气化并在衬底上凝结形成薄膜。 电子束蒸发沉积可以做到避免坩埚材料的污染。在同一蒸发沉积装置中可以安置多个坩埚，这使得人们可以同时或分别对多种不同的材料进行蒸发。 电子枪由电子束聚焦方式的不同分类： (1)直式电子枪 (2)环枪（电偏转） (3)e形枪（磁偏转） 第六节 分子束外延 分子束外延（MBE）是新发展起来的外延制膜方法，也是一种特殊的真空镀膜工艺。它是在超高真空条件下，将薄膜诸组分元素的分子束流直接喷到衬底表面，从而在其上形成外延层的技术。 其突出的优点是能生长极薄的单晶膜层，且能够精确控制膜厚、组分和掺杂。 分子束外延装置主要由工作室、分子束喷射炉和各种监控仪器组成。 分子束外延制膜是将原子一个一个地直接沉积在衬底上实现外延生成的。分子束外延虽然也是一个以气体分子论为基础的蒸发过程，但它并不以蒸发温度为控制参数，而以系统中的四极质谱仪、原子吸收光谱等现代仪器精密地监控分子束的种类和强度，从而严格控制生长过程与生长速率。 分子束外延是一个超高真空的物理淀积过程，既不需要考虑中间化学反应，又不受质量传输的影响，并且利用快门可对生长和中断进行瞬时控制。因此，膜的组分和掺杂浓度可随要求的变化作迅速调整。 分子束外延装置图 分子束外延的衬底温度低，因此降低了界面上热膨胀引入的晶格失配效应和衬底杂质对外延层的自掺杂扩散影响。 分子束外延将入射的中性粒子（原子或分子）一个一个地堆积在衬底上进行生长，不是一个热力学过程，所以它是按照普通热平衡生长方法难以生长的薄膜。 分子束外延的另一显著特点是生长速率低，相当于每秒生长一个单原子层，因此有利于实现精确控