第6章 真空蒸鍍

1、第六章第六章 真空蒸鍍真空蒸鍍1 真空蒸發(fā)鍍膜真空蒸發(fā)鍍膜：把裝有基片的真空室抽成真空，使氣壓達(dá)到10-2Pa以下，然后加熱蒸發(fā)源中的鍍料，使其原子或分子從表面氣化逸出，形成蒸氣流，入射到基片表面，凝結(jié)形成固態(tài)薄膜。蒸發(fā)鍍膜概述蒸發(fā)鍍膜概述23 真空室：真空室：為蒸發(fā)過程提供必要的真空環(huán)境; 蒸發(fā)源蒸發(fā)源: : 放置蒸發(fā)材料并對(duì)其加熱； 基板：基板：用于接收蒸發(fā)物質(zhì)并在其表面形成固體物質(zhì)； 基板加熱器及測量器基板加熱器及測量器等。蒸發(fā)鍍膜概述蒸發(fā)鍍膜概述 真空蒸發(fā)結(jié)構(gòu)真空蒸發(fā)結(jié)構(gòu)蒸發(fā)鍍膜概述蒸發(fā)鍍膜概述 蒸發(fā)鍍膜的三個(gè)基本過程：蒸發(fā)鍍膜的三個(gè)基本過程： 加熱蒸發(fā)過程 氣相原子或分子的輸運(yùn)過程（

2、源-基距） 蒸發(fā)原子或分子在基片表面的淀積過程4 蒸發(fā)鍍膜的三個(gè)條件：蒸發(fā)鍍膜的三個(gè)條件： 熱的氣相源低溫基板（基片）真空環(huán)境5鍍料的蒸發(fā)鍍料的蒸發(fā)飽和蒸氣壓飽和蒸氣壓在一定溫度下，真空室內(nèi)蒸發(fā)物質(zhì)的蒸氣與固體或液體處于平衡過程中所表現(xiàn)出的壓力，稱為該物質(zhì)在該溫度下的飽和蒸氣壓。6鍍料的蒸發(fā)鍍料的蒸發(fā)飽和蒸氣壓飽和蒸氣壓7鍍料的蒸發(fā)鍍料的蒸發(fā)飽和蒸氣壓飽和蒸氣壓8鍍料的蒸發(fā)鍍料的蒸發(fā)飽和蒸氣壓飽和蒸氣壓 一些常用材料的蒸氣壓與溫度關(guān)系金金屬屬分子量分子量不同蒸氣壓不同蒸氣壓Pv(Pa)下的溫度下的溫度T（K）熔點(diǎn)熔點(diǎn)（K）蒸發(fā)速蒸發(fā)速率率*10-810-610-410-2100102Au197

3、9641080122014051670204013366.1Ag107.975984795811051300160512349.4Al27860958108512451490183093218Ga69.7796892101511801405174530311Si28.1114512651420161019052330168515Zn65.435439645052061776069317Cd112.431034739245053866559414As74.9340377423477550645109017C12176519302140241027303170413019T/p>

4、251028603330398032704.5W183.821502390268030303500418036504.4蒸發(fā)溫度蒸發(fā)溫度9鍍料的蒸發(fā)鍍料的蒸發(fā)蒸發(fā)速率蒸發(fā)速率單位時(shí)間蒸發(fā)到基板上的蒸發(fā)物質(zhì)的量 (分子數(shù)或質(zhì)量)。(20 30)dGdTGT可見，蒸發(fā)源溫度的微小變化即可引起蒸發(fā)速率發(fā)生很大的變化。因此在制膜過程中，要想控制蒸發(fā)速率，必須精確控制蒸發(fā)源的溫度，加熱時(shí)應(yīng)盡量避免產(chǎn)生過大的溫度梯度。蒸發(fā)粒子的速度和能量蒸發(fā)粒子的速度和能量 對(duì)于絕大部分可以熱蒸發(fā)的材料，蒸發(fā)溫度在1000-2500 范圍內(nèi)，蒸發(fā)粒子的平均速度約為1000 m/s，對(duì)應(yīng)的平均動(dòng)能約為0.1-0.2eV。1

5、0蒸發(fā)源蒸發(fā)源 蒸發(fā)源蒸發(fā)源是蒸發(fā)裝置的關(guān)鍵部件，最常用的有： 電阻法 電子束法 高頻法等 激光法等11電阻蒸發(fā)源電阻蒸發(fā)源蒸發(fā)源蒸發(fā)源直接加熱法直接加熱法：W、Mo、Ta間接加熱法間接加熱法：Al2O3、BeO 等坩堝電阻蒸發(fā)源電阻蒸發(fā)源通常用于熔點(diǎn)低于1500的鍍料。燈絲或者蒸發(fā)舟等加熱體所需電功率一般為（150-500）A*10V，為低電壓大電流供電方式。通過電流的焦耳熱使鍍料熔化、蒸發(fā)或者升華。12對(duì)蒸發(fā)源材料的要求：1.高熔點(diǎn)2.飽和蒸氣壓低3.化學(xué)性能穩(wěn)定，高溫下不與蒸發(fā)材料反應(yīng)4.良好的耐熱性，熱源變化時(shí)，功率密度變化小5.原料豐富、經(jīng)濟(jì)耐用 電阻蒸發(fā)源的優(yōu)點(diǎn)：1.結(jié)構(gòu)簡單2.使

6、用方便3.造價(jià)低廉電阻蒸發(fā)源電阻蒸發(fā)源蒸發(fā)源蒸發(fā)源電阻蒸發(fā)源的缺點(diǎn)：1.不能蒸發(fā)某些難熔金屬，2.不能制備高純度薄膜。13電阻蒸發(fā)源電阻蒸發(fā)源蒸發(fā)源蒸發(fā)源為了使蒸發(fā)源材料所蒸發(fā)的數(shù)量非常少，在選擇蒸發(fā)源材料時(shí)，要保證鍍料的蒸發(fā)溫度應(yīng)低于該表中蒸發(fā)源材料在平衡蒸氣壓為 10-8 Torr時(shí)的溫度。14電阻蒸發(fā)源電阻蒸發(fā)源：常用的蒸發(fā)源形狀蒸發(fā)源蒸發(fā)源直接加熱式塊狀蒸直接加熱式塊狀蒸發(fā)源，用石墨、氮發(fā)源，用石墨、氮化硼等做成導(dǎo)電坩化硼等做成導(dǎo)電坩堝。電、熱、機(jī)械、堝。電、熱、機(jī)械、抗蝕性能穩(wěn)定。抗蝕性能穩(wěn)定。間接加熱式蒸發(fā)間接加熱式蒸發(fā)源。多用于熔點(diǎn)源。多用于熔點(diǎn)低、化學(xué)活性大、低、化學(xué)活性大、容

7、易與加熱絲形容易與加熱絲形成合金的鍍料成合金的鍍料15電子束蒸發(fā)源電子束蒸發(fā)源蒸發(fā)源蒸發(fā)源電子束加熱原理是基于電子在電場作用下，獲得動(dòng)能轟擊處于陽極的蒸發(fā)材料上，使蒸發(fā)材料加熱氣化，而實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)鍍膜。 電子束蒸發(fā)源定義：將鍍料放入水冷銅坩堝中，利用高能電子束轟擊鍍料，使其受熱蒸發(fā)。16優(yōu)點(diǎn)： 電子束的束流密度高，能獲得遠(yuǎn)比電阻加熱源更大的能量密度。 被蒸發(fā)材料置于水冷坩堝內(nèi)，避免了容器材料的蒸發(fā)，以及容器材料與蒸發(fā)材料的反應(yīng)，適宜制備高純度薄膜。 熱量直接加到蒸鍍材料表面，熱效率高，熱傳導(dǎo)和熱輻射損失小。缺點(diǎn)： 可使蒸發(fā)氣體和殘余氣體電離，有時(shí)會(huì)影響膜層質(zhì)量； 電子束蒸鍍裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴；

8、 產(chǎn)生的軟X射線對(duì)人體有一定的傷害。電子束蒸發(fā)源電子束蒸發(fā)源蒸發(fā)源蒸發(fā)源17電子束蒸發(fā)源：電子束蒸發(fā)源：結(jié)構(gòu)型式蒸發(fā)源蒸發(fā)源根據(jù)電子束蒸發(fā)源的型式不同，可分為環(huán)搶、直槍、e型槍、空心陰極槍，由于環(huán)搶、直槍固有缺點(diǎn)，近年來用的比較多的有e型槍、空心陰極槍。電子槍需要在高真空條件下才能正常發(fā)射電子束。18電子束蒸發(fā)源：電子束蒸發(fā)源：結(jié)構(gòu)型式蒸發(fā)源蒸發(fā)源直槍蒸發(fā)源簡圖 使用方便，能量密度高，易于調(diào)節(jié)控制。 體積大、成本高，蒸鍍材料會(huì)污染槍體結(jié)構(gòu)，存在從燈絲逸出的Na離子污染19電子束蒸發(fā)源：電子束蒸發(fā)源：結(jié)構(gòu)型式蒸發(fā)源蒸發(fā)源e型槍的結(jié)構(gòu)和工作原理20電子束蒸發(fā)源：電子束蒸發(fā)源：結(jié)構(gòu)型式蒸發(fā)源蒸發(fā)源1

9、）電子束偏轉(zhuǎn)270度，避免了正離子對(duì)膜的影響。2）吸收極使二次電子對(duì)基板的轟擊減少。3）結(jié)構(gòu)上采用了內(nèi)藏式陰極，既防止極間放電，又避免了燈絲污染。4）可通過調(diào)節(jié)磁場改變電子束的轟擊位置。e e 型槍優(yōu)點(diǎn)：型槍優(yōu)點(diǎn)：e e 型槍型槍缺點(diǎn)缺點(diǎn)：設(shè)備成本高21高頻感應(yīng)蒸發(fā)源高頻感應(yīng)蒸發(fā)源蒸發(fā)源蒸發(fā)源原理：原理：將鍍料放在坩堝中，坩堝放在高頻螺旋線圈的中央，使鍍料在高頻電磁場的感應(yīng)下產(chǎn)生渦流損失而升溫蒸發(fā)。22高頻感應(yīng)蒸發(fā)源高頻感應(yīng)蒸發(fā)源蒸發(fā)源蒸發(fā)源 特點(diǎn)： 蒸發(fā)速率大，比電阻蒸發(fā)源大10倍左右； 蒸發(fā)源溫度均勻穩(wěn)定，不易產(chǎn)生飛濺； 蒸發(fā)材料是金屬時(shí)，從內(nèi)部加熱；蒸發(fā)源一次加料，無需送料機(jī)構(gòu)，控溫容易

10、，熱惰性小，操作簡單。 缺點(diǎn)：1. 蒸發(fā)裝置必須屏蔽，否則對(duì)廣播通訊產(chǎn)生影響。2. 高頻發(fā)生器昂貴。3. 氣壓高于10-2Pa時(shí)，高頻電場就會(huì)使殘余氣體電離，使功耗增大。23激光束蒸發(fā)激光束蒸發(fā)蒸發(fā)源蒸發(fā)源工作原理：采用激光束作為蒸發(fā)材料的一種熱源，讓高能量的激光束透過真空式窗口，對(duì)蒸發(fā)材料加熱蒸發(fā)，通過聚焦可使激光束功率密度提高到106 w/cm2以上。24優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 激光加熱可以達(dá)到極高的溫度，可蒸發(fā)任何高熔點(diǎn)材料，且獲得很高的蒸發(fā)速率； 非接觸式加熱，完全避免了蒸發(fā)源的污染，簡化了真空室，非常適合在超高真空下制備高純薄膜; 能對(duì)某些化合物或合金進(jìn)行“閃爍”蒸發(fā)，有利于保證薄膜成分的組成

11、和防止分解，是淀積介質(zhì)薄膜、半導(dǎo)體薄膜和無機(jī)化合物薄膜的好方法。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 費(fèi)用高 激光束蒸發(fā)激光束蒸發(fā)蒸發(fā)源蒸發(fā)源25蒸發(fā)源的蒸發(fā)特性蒸發(fā)源的蒸發(fā)特性鍍料熔化后，若有沿蒸發(fā)源上擴(kuò)展的傾向時(shí)，兩者是浸潤的。反之，若在蒸發(fā)源上有凝聚而接近于形成球形的傾向時(shí)，是不浸潤的。 浸潤面蒸發(fā)源浸潤面蒸發(fā)源 不浸潤點(diǎn)蒸發(fā)源不浸潤點(diǎn)蒸發(fā)源26蒸發(fā)源的蒸發(fā)特性蒸發(fā)源的蒸發(fā)特性點(diǎn)蒸發(fā)源與面蒸發(fā)源點(diǎn)蒸發(fā)源與面蒸發(fā)源27蒸發(fā)源的蒸發(fā)特性蒸發(fā)源的蒸發(fā)特性點(diǎn)蒸發(fā)源與面蒸發(fā)源點(diǎn)蒸發(fā)源與面蒸發(fā)源28蒸鍍裝置及操作蒸鍍裝置及操作1. 放置基片2. 排氣3. 加熱基片4. 蒸發(fā)源除氣5. 蒸鍍6. 關(guān)閉7. 換樣品 29合金膜

12、的蒸鍍合金膜的蒸鍍蒸發(fā)二元以上的合金及化合物的主要問題，是蒸發(fā)材料在氣化過程中，由于各成分的飽和蒸氣壓不同，使得其蒸發(fā)速率蒸發(fā)速率也不同，會(huì)發(fā)生分解和分餾分解和分餾，從而引起薄膜成分的偏離薄膜成分的偏離。在真空蒸發(fā)法制作合金薄膜合金薄膜時(shí)，為保證薄膜組成，經(jīng)常采用瞬時(shí)蒸發(fā)法瞬時(shí)蒸發(fā)法、雙蒸發(fā)源法雙蒸發(fā)源法等。30合金膜的蒸鍍合金膜的蒸鍍 瞬時(shí)蒸發(fā)法瞬時(shí)蒸發(fā)法瞬時(shí)蒸發(fā)法又稱“閃爍”蒸發(fā)法。是將細(xì)小的合金顆粒，逐次送到非常熾熱的蒸發(fā)器或者坩堝中，使一個(gè)個(gè)的顆粒實(shí)現(xiàn)瞬間完全蒸發(fā)?？梢垣@得成分均勻的薄膜，方便進(jìn)行摻雜。蒸發(fā)速率難于控制，蒸發(fā)速率不能太快。多用于-族及-半導(dǎo)體化合薄膜的制作。31合金膜的

13、蒸鍍合金膜的蒸鍍 雙源或多源蒸發(fā)法雙源或多源蒸發(fā)法 將要形成合金的每一成分，分別裝入各自的蒸發(fā)源中，然后獨(dú)立地控制其蒸發(fā)速率，使達(dá)到基板的各種原子符合組成要求。為使薄膜厚度分布均勻，基板常需要進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。32化合物膜的蒸鍍化合物膜的蒸鍍 常采用常采用反應(yīng)蒸發(fā)法、三溫度法、熱壁法和分子束外延法反應(yīng)蒸發(fā)法、三溫度法、熱壁法和分子束外延法等。等。反應(yīng)蒸發(fā)法反應(yīng)蒸發(fā)法許多化合物在高溫蒸發(fā)過程中會(huì)產(chǎn)生分解，例如直接蒸發(fā)A12O3、TiO2等都會(huì)產(chǎn)生失氧，為此宜采用反應(yīng)蒸發(fā)。將活性氣體導(dǎo)入真空室，并與蒸發(fā)源逸出的金屬原子、低價(jià)化合物分子在基板表面淀積過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而形成所需高價(jià)化合物薄膜。33化合物

14、膜的蒸鍍化合物膜的蒸鍍反應(yīng)蒸發(fā)法反應(yīng)蒸發(fā)法34化合物膜的蒸鍍化合物膜的蒸鍍?nèi)郎囟确ㄈ郎囟确ó?dāng)把-族化合物半導(dǎo)體材料置于坩堝內(nèi)加熱蒸發(fā)時(shí)，溫度在沸點(diǎn)以上，半導(dǎo)體材料就會(huì)發(fā)生熱分解，分餾出組分元素。由于族元素的蒸氣壓比族元素大得多，淀積在基板上的膜層會(huì)偏離化合物的化學(xué)計(jì)量比。所以發(fā)展了三溫度蒸發(fā)法。 分別控制低蒸氣壓元素()的蒸發(fā)溫度T、高蒸氣壓元素()的蒸發(fā)溫度T和基板溫度TS，一共三個(gè)溫度，即三溫度法。35化合物膜的蒸鍍化合物膜的蒸鍍分子束外延分子束外延分子束外延(MBE)：是在10-8Pa的條件下，將薄膜諸組分元素的分子束流，直接噴到襯底表面，從而在其上形成外延層的技術(shù)。其中未被基片捕獲的分

15、子，及時(shí)被真空系統(tǒng)抽走，保證到達(dá)襯底表面的總是新分子束。MBE是在適當(dāng)?shù)囊r底和合適的條件下，沿襯底材料晶軸方襯底材料晶軸方向向生長一層結(jié)晶結(jié)構(gòu)完整的新單晶層薄膜新單晶層薄膜的方法，故稱該工藝為外延外延。新生的單晶層叫外延層外延層。其突出的優(yōu)點(diǎn)是能生長極薄的單晶膜層，且能夠精確控制極薄的單晶膜層，且能夠精確控制膜厚、組分和摻雜。膜厚、組分和摻雜。適于制作微波微波、光電光電和多層結(jié)構(gòu)器件。多層結(jié)構(gòu)器件。36分子束外延設(shè)備化合物膜的蒸鍍化合物膜的蒸鍍分子束外延分子束外延37化合物膜的蒸鍍化合物膜的蒸鍍分子束外延分子束外延38化合物膜的蒸鍍化合物膜的蒸鍍分子束外延分子束外延特點(diǎn)：特點(diǎn)：MBE可以嚴(yán)格控制薄膜生長過程和生長速率。MBE是一個(gè)超高真空的物理淀積過程，利用快門可對(duì)生長和中