第二章蒸發(fā)法薄膜制備

1、 平均自由程的定義及公式，物理含義平均自由程的定義及公式，物理含義 三種常見(jiàn)的真空泵，它們的特點(diǎn)及具體應(yīng)用。三種常見(jiàn)的真空泵，它們的特點(diǎn)及具體應(yīng)用。 常見(jiàn)真空計(jì)的類(lèi)型及使用范圍常見(jiàn)真空計(jì)的類(lèi)型及使用范圍 現(xiàn)有機(jī)械泵、分子泵，請(qǐng)將他們按適當(dāng)?shù)捻樞蜻B接到真空現(xiàn)有機(jī)械泵、分子泵，請(qǐng)將他們按適當(dāng)?shù)捻樞蜻B接到真空制膜腔體上（畫(huà)圖），并說(shuō)明理由。制膜腔體上（畫(huà)圖），并說(shuō)明理由。第一章第一章 薄膜技術(shù)基礎(chǔ)薄膜技術(shù)基礎(chǔ)作作 業(yè)業(yè)特點(diǎn)（與特點(diǎn)（與CVD相比）相比）(1)需要使用固態(tài)的或者熔融態(tài)的物質(zhì)作為沉積過(guò)需要使用固態(tài)的或者熔融態(tài)的物質(zhì)作為沉積過(guò)程的源物質(zhì)；程的源物質(zhì)；(2)源物質(zhì)經(jīng)過(guò)物理過(guò)程而進(jìn)入氣相；源物

2、質(zhì)經(jīng)過(guò)物理過(guò)程而進(jìn)入氣相；(3)需要相對(duì)較低的氣體壓力環(huán)境；需要相對(duì)較低的氣體壓力環(huán)境； a)其他氣體分子對(duì)于氣相分子的散射作用較小其他氣體分子對(duì)于氣相分子的散射作用較小 b)氣相分子的運(yùn)動(dòng)路徑近似為一條直線；氣相分子的運(yùn)動(dòng)路徑近似為一條直線； c)氣相分子在襯底上的沉積幾率接近氣相分子在襯底上的沉積幾率接近100。(4)在氣相中及在襯底表面大多不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)在氣相中及在襯底表面大多不發(fā)生化學(xué)反應(yīng) (1)真空室真空室(2)蒸發(fā)源蒸發(fā)源(3)基板基板(4)基板加熱器基板加熱器及測(cè)溫器等：及測(cè)溫器等：凝聚相凝聚相氣相。該階段的主要?dú)庀?。該階段的主要作用因素：飽和蒸氣壓作用因素：飽和蒸氣壓蒸氣流在蒸

3、發(fā)源與基片之間的蒸氣流在蒸發(fā)源與基片之間的飛行飛行, ,該階段的主要作用因素：該階段的主要作用因素：分子的平均自由程分子的平均自由程凝聚凝聚成核成核核生長(zhǎng)核生長(zhǎng)連續(xù)薄膜連續(xù)薄膜常識(shí)sgvvVVTHdTdPvggsgPRTVVVV,2TdTRHPdPvvvTBAPvlgPvT蒸發(fā)溫度蒸發(fā)溫度dtAdNJdtAdNdNJ飛離碰撞dtAdN碰撞dtAdN飛離mkTPPJhv2mkTPJvm2vvmPTMPkTmmJG31037. 42(kg/m2s, Pa)溫度、飽和蒸氣壓變化，引起蒸發(fā)速率變化，但溫度、飽和蒸氣壓變化，引起蒸發(fā)速率變化，但是溫度決定飽和蒸氣壓，故而溫度決定蒸發(fā)速率是溫度決定飽和蒸氣

4、壓，故而溫度決定蒸發(fā)速率這里的溫度是沉積腔內(nèi)蒸氣的溫度，因此這里的溫度是沉積腔內(nèi)蒸氣的溫度，因此接近蒸發(fā)源的溫度，但不是基片的溫度。接近蒸發(fā)源的溫度，但不是基片的溫度。例例實(shí)驗(yàn)室溫度條件下采用真空蒸發(fā)沉積銀膜，黏附系實(shí)驗(yàn)室溫度條件下采用真空蒸發(fā)沉積銀膜，黏附系數(shù)為數(shù)為1,1,求真空沉積腔內(nèi)的壓強(qiáng)為求真空沉積腔內(nèi)的壓強(qiáng)為1 1PaPa時(shí)的蒸發(fā)速率時(shí)的蒸發(fā)速率00125. 0113009 .1071037. 43G(kg/m2s, Pa)TdTVSGdGvPkTmG2TBAPvlgTBAveP3 . 2TdTTBGdG213 . 2例例蒸氣壓蒸氣壓(Pa)10-2100102溫度溫度(K)1245

5、14901830TBAPvlgTdTTBGdG213.2%1910211830155903 . 22GdG蒸發(fā)源溫度影響巨大，必須嚴(yán)格控制蒸發(fā)溫度！蒸發(fā)源溫度影響巨大，必須嚴(yán)格控制蒸發(fā)溫度！討論討論P(yáng)b2242210107. 3221PdTPdkTdn討論討論平均自由程與源平均自由程與源基距的關(guān)系基距的關(guān)系22410107.3dPT帕/1xef表示蒸氣分子飛越表示蒸氣分子飛越x距離后，與殘余氣體的碰撞幾率距離后，與殘余氣體的碰撞幾率(1) 增加增加10倍，倍，f減小減小7倍倍(2)若要求若要求f0.1,源基距為源基距為25cm則則P 310-3Pa 2. 2.真空蒸發(fā)制膜的純度真空蒸發(fā)制膜的純

6、度殘余氣體的組成及其影響。殘余氣體的組成及其影響。 大氣的殘余物（大氣的殘余物（O2、N2、CO2、H2O），擴(kuò)散泵油蒸），擴(kuò)散泵油蒸氣，真空室吸氣。氣，真空室吸氣。 當(dāng)當(dāng)P10-4Pa時(shí)，主要為真空室吸氣。時(shí)，主要為真空室吸氣。 水汽易與金屬膜反應(yīng)，或與加熱器材料反應(yīng)。水汽易與金屬膜反應(yīng)，或與加熱器材料反應(yīng)。 在設(shè)計(jì)優(yōu)良的系統(tǒng)中在設(shè)計(jì)優(yōu)良的系統(tǒng)中 ，擴(kuò)散油蒸氣不明顯。，擴(kuò)散油蒸氣不明顯。影響薄膜純度的因素：影響薄膜純度的因素：1.1.蒸發(fā)源物質(zhì)的純度；蒸發(fā)源物質(zhì)的純度；2.2.加熱裝置、加熱裝置、坩堝的污染；坩堝的污染；3.3.殘留氣體的污染。殘留氣體的污染。殘余氣體雜質(zhì)濃度公式殘余氣體雜質(zhì)

7、濃度公式討論討論是否可從蒸發(fā)速率公式、氣體碰撞頻率公式，粘附系數(shù)出發(fā)，推導(dǎo)公式？蒸發(fā)速率雖然可以認(rèn)為是沉積（生長(zhǎng)）速率，蒸發(fā)速率雖然可以認(rèn)為是沉積（生長(zhǎng)）速率，但公式中各參數(shù)難以確定。但公式中各參數(shù)難以確定。通?？梢酝ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)確定厚度沉積速率通?？梢酝ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)確定厚度沉積速率s(/s)(1)以原子個(gè)數(shù)表示的沉積速率:AAMsNG(2)雜質(zhì)原子的粘附系數(shù)為1，則雜質(zhì)原子的沉積速率即為碰撞頻率:mkTP2(3)兩者相比可得雜質(zhì)濃度公式:RTMsPMcgA2提高純度的措施：提高純度的措施：1.1.提高本底真空度，蒸發(fā)可比濺射低提高本底真空度，蒸發(fā)可比濺射低5 5個(gè)數(shù)量級(jí)個(gè)數(shù)量級(jí)2.2.提高沉積速率，蒸發(fā)

8、比濺射高提高沉積速率，蒸發(fā)比濺射高1 1個(gè)量級(jí)以上個(gè)量級(jí)以上3.蒸發(fā)制膜的厚度分布及蒸發(fā)源特性蒸發(fā)制膜的厚度分布及蒸發(fā)源特性假設(shè)：假設(shè)：1蒸發(fā)原子或分子與殘余氣體分子之間不發(fā)生碰撞；蒸發(fā)原子或分子與殘余氣體分子之間不發(fā)生碰撞；2在蒸發(fā)源附近的蒸發(fā)原子間也不發(fā)生碰撞在蒸發(fā)源附近的蒸發(fā)原子間也不發(fā)生碰撞3蒸發(fā)原子到達(dá)基板上后不發(fā)生再蒸發(fā)現(xiàn)象蒸發(fā)原子到達(dá)基板上后不發(fā)生再蒸發(fā)現(xiàn)象影響膜厚分布的因素：影響膜厚分布的因素：A蒸發(fā)源的特性；蒸發(fā)源的特性；B基板與蒸發(fā)源的幾何形狀，相對(duì)位置基板與蒸發(fā)源的幾何形狀，相對(duì)位置(1)點(diǎn)蒸發(fā)源膜厚分布點(diǎn)蒸發(fā)源膜厚分布點(diǎn)蒸發(fā)源點(diǎn)蒸發(fā)源dS以每秒以每秒m克向克向各方向蒸發(fā)

9、，則處于立各方向蒸發(fā)，則處于立體角體角d 中的蒸發(fā)量中的蒸發(fā)量dm為為:dmdm4drdSdSdS2121cos22222coscosxhdSrdSd222cos4xhdSmdm222cos4xhdSmdm到達(dá)到達(dá)ds2面的蒸發(fā)速率，若黏面的蒸發(fā)速率，若黏附系數(shù)為附系數(shù)為1，即為沉積速率。，即為沉積速率。假設(shè)厚度沉積速率為假設(shè)厚度沉積速率為t，膜的密度為，膜的密度為 2dStdm2322224cos4xhmhxhmt上式說(shuō)明了源上式說(shuō)明了源基距為基距為h，偏離基片中心，偏離基片中心x距離時(shí)距離時(shí)的厚度，很顯然，當(dāng)源的厚度，很顯然，當(dāng)源基距一定時(shí)，基距一定時(shí)，x=0 0處，處，即處于基片中心的膜

10、厚即處于基片中心的膜厚t0最大：最大：204hmt232011hxtt膜厚分布膜厚分布:源源基距、基片尺寸對(duì)膜厚分布的影基距、基片尺寸對(duì)膜厚分布的影響響討論討論t/t0ht/t0 x基片尺寸一定時(shí)基片尺寸一定時(shí)源源基距一定時(shí)基距一定時(shí)(2)小平面蒸發(fā)源的膜厚分布小平面蒸發(fā)源的膜厚分布特點(diǎn)：射入小孔的分子方向不改變特點(diǎn)：射入小孔的分子方向不改變?cè)谠诮欠较蛘舭l(fā)的材料質(zhì)量與角方向蒸發(fā)的材料質(zhì)量與cos成正比成正比dmdmcos22022)/(1 coshxtrmt20hmt半球面半球面(余弦散射定理余弦散射定理) = l點(diǎn)源與小平面蒸發(fā)源相比，厚度的均勻性要好一些點(diǎn)源與小平面蒸發(fā)源相比，厚度的均勻性

11、要好一些 l但淀積速率要低得多但淀積速率要低得多 ，單位質(zhì)量的原料所得膜厚，單位質(zhì)量的原料所得膜厚1/4課堂思考課堂思考1.結(jié)合物理氣相制膜的特點(diǎn)，說(shuō)明為什么制備結(jié)合物理氣相制膜的特點(diǎn)，說(shuō)明為什么制備薄膜時(shí)需要真空？薄膜時(shí)需要真空？4.4.(1)點(diǎn)源點(diǎn)源蒸發(fā)源放在球心，蒸發(fā)源放在球心，基板放在球面上，基板放在球面上，可得到均勻薄膜。可得到均勻薄膜。23224xhmhtx=024hmth(2)小平面蒸發(fā)源小平面蒸發(fā)源蒸發(fā)源、基板放在蒸發(fā)源、基板放在同一球面上，同一球面上，可得到均勻薄膜?？傻玫骄鶆虮∧ぁ?rmt5. 5. 蒸發(fā)源的類(lèi)型蒸發(fā)源的類(lèi)型 最常用的加熱方式：最常用的加熱方式： 電阻法、電

12、阻法、 電子束法、電子束法、 高頻感應(yīng)高頻感應(yīng) 激光激光 一、電阻蒸發(fā)源一、電阻蒸發(fā)源 蒸發(fā)源材料的要求蒸發(fā)源材料的要求1）熔點(diǎn)要高，熔點(diǎn)要高于被蒸發(fā)物質(zhì)的蒸）熔點(diǎn)要高，熔點(diǎn)要高于被蒸發(fā)物質(zhì)的蒸發(fā)溫度（多在發(fā)溫度（多在10002000）；）；2）飽和蒸氣壓低，減少蒸發(fā)源材料蒸氣的）飽和蒸氣壓低，減少蒸發(fā)源材料蒸氣的污染污染.要求：蒸發(fā)材料的蒸發(fā)溫度低于蒸要求：蒸發(fā)材料的蒸發(fā)溫度低于蒸發(fā)源材料在平衡蒸氣壓為發(fā)源材料在平衡蒸氣壓為10-8托時(shí)的溫度。托時(shí)的溫度。3）化學(xué)性能穩(wěn)定，不與鍍料反應(yīng)。）化學(xué)性能穩(wěn)定，不與鍍料反應(yīng)。4）耐熱性好，熱源變化時(shí)，功率密度變化）耐熱性好，熱源變化時(shí)，功率密度變化較

13、小。較小。5）經(jīng)濟(jì)耐用。）經(jīng)濟(jì)耐用。 金屬電阻蒸發(fā)源材料金屬電阻蒸發(fā)源材料加工性：加工性：W最差，室溫很脆，需最差，室溫很脆，需400高溫退火高溫退火Mo好好Ta最好最好金屬蒸發(fā)源與鍍料的反應(yīng)金屬蒸發(fā)源與鍍料的反應(yīng)例子：鉭與金；例子：鉭與金； 鋁、鐵、鎳、鈷等與鎢、鉬、鉭。鋁、鐵、鎳、鈷等與鎢、鉬、鉭。改進(jìn)方法：陶瓷坩堝改進(jìn)方法：陶瓷坩堝陶瓷坩堝的性能陶瓷坩堝的性能 鍍料熔化后，若有沿蒸發(fā)源擴(kuò)展的傾向時(shí)，兩鍍料熔化后，若有沿蒸發(fā)源擴(kuò)展的傾向時(shí)，兩者是浸潤(rùn)的。反之，是不浸潤(rùn)的。浸潤(rùn)時(shí)，為面蒸者是浸潤(rùn)的。反之，是不浸潤(rùn)的。浸潤(rùn)時(shí)，為面蒸發(fā)源，蒸發(fā)狀態(tài)穩(wěn)定。不侵潤(rùn)時(shí)，為點(diǎn)蒸發(fā)源，若發(fā)源，蒸發(fā)狀態(tài)穩(wěn)定

14、。不侵潤(rùn)時(shí)，為點(diǎn)蒸發(fā)源，若用絲式蒸發(fā)源時(shí)鍍料易脫落。用絲式蒸發(fā)源時(shí)鍍料易脫落。鍍料與蒸發(fā)源的浸潤(rùn)性鍍料與蒸發(fā)源的浸潤(rùn)性各種形狀的電阻蒸發(fā)源各種形狀的電阻蒸發(fā)源1）絲式）絲式 a)、b)要求浸潤(rùn)性，鍍料要求浸潤(rùn)性，鍍料為絲狀。但浸潤(rùn)好意味著為絲狀。但浸潤(rùn)好意味著有輕微合金化，只能用有輕微合金化，只能用1次。次。 c)不要求浸潤(rùn)性，鍍料可不要求浸潤(rùn)性，鍍料可絲狀、塊狀絲狀、塊狀蒸發(fā)加熱絲的直徑：蒸發(fā)加熱絲的直徑：0.5-1mm，特殊特殊1.5mm,多股多股2）蒸發(fā)舟）蒸發(fā)舟 用金屬箔制成，箔厚用金屬箔制成，箔厚mm，可蒸發(fā)可蒸發(fā)塊狀、絲狀、粉狀鍍料塊狀、絲狀、粉狀鍍料注意避免局部過(guò)熱，注意避免局部

15、過(guò)熱，發(fā)生飛濺發(fā)生飛濺3）外熱坩堝）外熱坩堝二、電子束蒸發(fā)源二、電子束蒸發(fā)源 定義：將鍍料放入水定義：將鍍料放入水冷銅坩堝中，利用高冷銅坩堝中，利用高能電子束轟擊鍍料，能電子束轟擊鍍料，使其受熱蒸發(fā)。使其受熱蒸發(fā)。電阻蒸發(fā)源的缺點(diǎn)電阻蒸發(fā)源的缺點(diǎn) 1）不能蒸發(fā)某些難熔金）不能蒸發(fā)某些難熔金 屬和氧化物屬和氧化物 2）不能制備高純度薄膜不能制備高純度薄膜電子束加熱的特點(diǎn)電子束加熱的特點(diǎn)一、優(yōu)點(diǎn)：一、優(yōu)點(diǎn)：1）采用聚焦電子束，功率密度高，可蒸發(fā)高熔點(diǎn)）采用聚焦電子束，功率密度高，可蒸發(fā)高熔點(diǎn) 鍍料（鍍料（3000以上）如以上）如W，Mo，Ge，SiO2， Al2O3等。等。2）采用水冷坩堝，可避免

16、坩堝材料的蒸發(fā)，及）采用水冷坩堝，可避免坩堝材料的蒸發(fā)，及 坩堝與鍍料的反應(yīng)，制得高純度薄膜。坩堝與鍍料的反應(yīng)，制得高純度薄膜。3）熱量直接加在鍍料上，熱效率高，傳導(dǎo)，輻射）熱量直接加在鍍料上，熱效率高，傳導(dǎo)，輻射 的熱損失少。的熱損失少。二、缺點(diǎn)：二、缺點(diǎn)：1）電子槍發(fā)出的一次電子和蒸發(fā)材料發(fā)出的二）電子槍發(fā)出的一次電子和蒸發(fā)材料發(fā)出的二 次電子會(huì)使蒸發(fā)原子和殘留氣體電離，影響次電子會(huì)使蒸發(fā)原子和殘留氣體電離，影響 膜層質(zhì)量。膜層質(zhì)量。2）多數(shù)化合物在受到電子轟擊時(shí)會(huì)部分分解。）多數(shù)化合物在受到電子轟擊時(shí)會(huì)部分分解。3）設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，昂貴。）設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，昂貴。4）當(dāng)加速電壓過(guò)高時(shí)產(chǎn)生軟）當(dāng)

17、加速電壓過(guò)高時(shí)產(chǎn)生軟X射線會(huì)對(duì)人體有傷射線會(huì)對(duì)人體有傷 害。害。 4）電子束蒸發(fā)源的結(jié)構(gòu)）電子束蒸發(fā)源的結(jié)構(gòu)環(huán)形槍?zhuān)涵h(huán)狀陰極發(fā)射電子，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單環(huán)形槍?zhuān)涵h(huán)狀陰極發(fā)射電子，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：陰極與坩堝近，陰極材料的蒸發(fā)污染；缺點(diǎn)：陰極與坩堝近，陰極材料的蒸發(fā)污染； 陰極與坩堝加有高壓，導(dǎo)致閃火、輝光放電，陰極與坩堝加有高壓，導(dǎo)致閃火、輝光放電， 并隨蒸氣壓力和電壓增加，導(dǎo)致功率、效率上不并隨蒸氣壓力和電壓增加，導(dǎo)致功率、效率上不去。去。直槍直槍軸對(duì)稱(chēng)的直線加速軸對(duì)稱(chēng)的直線加速電子槍?zhuān)帢O發(fā)射電子槍?zhuān)帢O發(fā)射電子，陽(yáng)極加速，電子，陽(yáng)極加速，缺點(diǎn)是體積大，成缺點(diǎn)是體積大，成本高，蒸鍍材料會(huì)本高，蒸鍍材料會(huì)

18、污染槍體，燈絲逸污染槍體，燈絲逸出的出的Na+離子污染膜離子污染膜層。層。 偏轉(zhuǎn)槍偏轉(zhuǎn)槍偏轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)180 偏轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)270，e型槍型槍e型槍優(yōu)點(diǎn)型槍優(yōu)點(diǎn)1）電子束偏轉(zhuǎn)）電子束偏轉(zhuǎn)180 以上，多為以上，多為270 ， 避免了鍍膜材料對(duì)槍體的污染，并給鍍避免了鍍膜材料對(duì)槍體的污染，并給鍍 膜留出了更大的空間。膜留出了更大的空間。2）收集極使正離子對(duì)膜的影響減少。）收集極使正離子對(duì)膜的影響減少。3）吸收極使二次電子對(duì)基板的轟擊減少。）吸收極使二次電子對(duì)基板的轟擊減少。4）陰極結(jié)構(gòu)防止極間放電，又避免了燈絲）陰極結(jié)構(gòu)防止極間放電，又避免了燈絲 污染。污染。5）可通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)改變電子束的轟擊位置。）可通過(guò)

19、調(diào)節(jié)磁場(chǎng)改變電子束的轟擊位置。三、高頻感應(yīng)蒸發(fā)源三、高頻感應(yīng)蒸發(fā)源 原理：將鍍料放在坩原理：將鍍料放在坩堝中，坩堝放在高堝中，坩堝放在高頻螺旋線圈的中央，頻螺旋線圈的中央，使鍍料在高頻電磁使鍍料在高頻電磁場(chǎng)的感應(yīng)下產(chǎn)生渦場(chǎng)的感應(yīng)下產(chǎn)生渦流損失和磁滯損失流損失和磁滯損失（對(duì)鐵磁體）而升（對(duì)鐵磁體）而升溫蒸發(fā)。溫蒸發(fā)。 二）特點(diǎn)：二）特點(diǎn)：1）蒸發(fā)速率大，可比電阻蒸發(fā)源大）蒸發(fā)速率大，可比電阻蒸發(fā)源大10倍左右。倍左右。2）蒸發(fā)源的溫度均勻穩(wěn)定，不易產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象。）蒸發(fā)源的溫度均勻穩(wěn)定，不易產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象。3）鍍料是金屬時(shí)可自身產(chǎn)生熱量，坩鍋可選用）鍍料是金屬時(shí)可自身產(chǎn)生熱量，坩鍋可選用與蒸發(fā)材料反

20、應(yīng)最小的材料。與蒸發(fā)材料反應(yīng)最小的材料。三）缺點(diǎn)：三）缺點(diǎn)：1）蒸發(fā)裝置必須屏蔽，否則會(huì)對(duì)廣播通訊產(chǎn)生）蒸發(fā)裝置必須屏蔽，否則會(huì)對(duì)廣播通訊產(chǎn)生影響。影響。2）線圈附近壓強(qiáng)超過(guò)）線圈附近壓強(qiáng)超過(guò)10-2Pa時(shí)，高頻電場(chǎng)會(huì)使殘時(shí)，高頻電場(chǎng)會(huì)使殘余氣體電離。余氣體電離。3）高頻發(fā)生器昂貴。）高頻發(fā)生器昂貴。四、激光蒸發(fā)四、激光蒸發(fā) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1）加熱溫度高，可蒸發(fā)任何吸收激光的材料（如）加熱溫度高，可蒸發(fā)任何吸收激光的材料（如石墨，熔點(diǎn)為石墨，熔點(diǎn)為3500 ）。）。2）采用非接觸式加熱，避免了蒸發(fā)源的污染，非）采用非接觸式加熱，避免了蒸發(fā)源的污染，非常適宜于制備高純薄膜。常適宜于制備高純薄膜。3

21、）蒸發(fā)速率可極高（如）蒸發(fā)速率可極高（如Si可得到可得到106/s ）。）。4）方便于多源順序蒸發(fā)或多源共蒸發(fā)。方便于多源順序蒸發(fā)或多源共蒸發(fā)。定義：利用高能激光作為熱源來(lái)蒸鍍薄膜的方法。定義：利用高能激光作為熱源來(lái)蒸鍍薄膜的方法。激光器激光器材料材料波長(zhǎng)波長(zhǎng)脈寬脈寬脈沖頻率脈沖頻率功率功率連續(xù)激光器連續(xù)激光器CO210.6m/100W脈沖脈沖激光器激光器準(zhǔn)分子激光準(zhǔn)分子激光紅寶石紅寶石YAGNd玻璃玻璃XeFXeClKrFArF6943 1.06m可調(diào)可調(diào)351nm308nm248nm193nm30ns200ns0.4ms20-30ns25-30ns0.2Hz1000-20000.1Hz1-

22、20Hz5Hz10Hz104W/cm2105-106105W/cm20.1-1J650mJ3-4J準(zhǔn)分子激光的特點(diǎn)：波長(zhǎng)短、脈寬短、頻率低準(zhǔn)分子激光的特點(diǎn)：波長(zhǎng)短、脈寬短、頻率低CO2激光激光連續(xù)激光連續(xù)激光材料表面溫度：材料表面溫度：dPrTs/)1 (2P:激光功率激光功率r:反射率反射率d:光點(diǎn)直徑光點(diǎn)直徑k:導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)例：例：P=100W,r=0，d=1mm,k=50W/mk石墨表面石墨表面1000 ，改用粉末狀鍍料，導(dǎo)改用粉末狀鍍料，導(dǎo)熱系數(shù)下降熱系數(shù)下降1個(gè)量級(jí)個(gè)量級(jí)脈沖激光脈沖激光特點(diǎn)特點(diǎn)：閃爍蒸發(fā)，有利：閃爍蒸發(fā)，有利于控制化學(xué)成分和防止于控制化學(xué)成分和防止分解；又由于材

23、料氣化分解；又由于材料氣化時(shí)間短，不足以使周?chē)鷷r(shí)間短，不足以使周?chē)牧线_(dá)到蒸發(fā)溫度，所材料達(dá)到蒸發(fā)溫度，所以不易出現(xiàn)分餾現(xiàn)象。以不易出現(xiàn)分餾現(xiàn)象。脈沖激光燒蝕（脈沖激光燒蝕（Pulsed Laser Ablation）定義：將準(zhǔn)分子激光器所產(chǎn)生的高強(qiáng)度脈沖激光定義：將準(zhǔn)分子激光器所產(chǎn)生的高強(qiáng)度脈沖激光束聚焦于靶材表面，使之產(chǎn)生高溫并熔蝕，并進(jìn)束聚焦于靶材表面，使之產(chǎn)生高溫并熔蝕，并進(jìn)一步產(chǎn)生高溫高壓等離子體，等離子體作定向局一步產(chǎn)生高溫高壓等離子體，等離子體作定向局域膨脹發(fā)射并在襯底上淀積形成薄膜。域膨脹發(fā)射并在襯底上淀積形成薄膜。PLA成膜過(guò)程成膜過(guò)程1. 激光表面熔蝕，使蒸發(fā)粒子和等離子體

24、產(chǎn)生激光表面熔蝕，使蒸發(fā)粒子和等離子體產(chǎn)生2.蒸發(fā)粒子和等離子體的定向局域等溫膨脹發(fā)射蒸發(fā)粒子和等離子體的定向局域等溫膨脹發(fā)射 3. 在基板上沉積形成薄膜在基板上沉積形成薄膜 (1) 激光與靶的作用過(guò)程激光與靶的作用過(guò)程 高強(qiáng)度脈沖激光照射靶材時(shí)，靶材吸收高強(qiáng)度脈沖激光照射靶材時(shí)，靶材吸收激光束能量并使束斑處的靶材溫度迅速升高激光束能量并使束斑處的靶材溫度迅速升高至蒸發(fā)溫度以上，使靶材氣化蒸發(fā)并電離，至蒸發(fā)溫度以上，使靶材氣化蒸發(fā)并電離，從而形成局域化的高濃度蒸發(fā)粒子與等離子從而形成局域化的高濃度蒸發(fā)粒子與等離子混合體。在納秒級(jí)短脈沖激光的作用期間，混合體。在納秒級(jí)短脈沖激光的作用期間，靶體內(nèi)

25、束斑處原子的擴(kuò)散和液相的對(duì)流來(lái)不靶體內(nèi)束斑處原子的擴(kuò)散和液相的對(duì)流來(lái)不及發(fā)生，靶材的各組份元素一致氣化，不出及發(fā)生，靶材的各組份元素一致氣化，不出現(xiàn)分餾現(xiàn)象?，F(xiàn)分餾現(xiàn)象。(2) 等離子體的定向局域等溫絕熱膨脹發(fā)射等離子體的定向局域等溫絕熱膨脹發(fā)射 靶表面等離子體區(qū)繼續(xù)吸收激光的能量，靶表面等離子體區(qū)繼續(xù)吸收激光的能量，產(chǎn)生進(jìn)一步的電離，等離子體區(qū)的溫度和壓產(chǎn)生進(jìn)一步的電離，等離子體區(qū)的溫度和壓力迅速升高，以等溫（激光作用時(shí)）和絕熱力迅速升高，以等溫（激光作用時(shí)）和絕熱（激光終止時(shí)）膨脹的方式沿靶面軸線向空（激光終止時(shí)）膨脹的方式沿靶面軸線向空間中傳播，傳播的速度可高達(dá)間中傳播，傳播的速度可高達(dá)

26、105106cm/s，具有瞬間爆炸的形式，在空間中形成細(xì)長(zhǎng)的具有瞬間爆炸的形式，在空間中形成細(xì)長(zhǎng)的等離子體羽輝。羽輝的空間分布可用高次余等離子體羽輝。羽輝的空間分布可用高次余弦弦cosn 描述，描述， 為相對(duì)靶面法線的夾角。為相對(duì)靶面法線的夾角。n的的典型值為典型值為510，視靶材而異。，視靶材而異。 (3) 在基板上沉積形成薄膜在基板上沉積形成薄膜 在絕熱膨脹的等離子體遇到靶對(duì)面的基在絕熱膨脹的等離子體遇到靶對(duì)面的基板后即在上面凝結(jié)形成薄膜。等離子體能量板后即在上面凝結(jié)形成薄膜。等離子體能量在在10103eV之間，其最可幾分布為之間，其最可幾分布為60100 eV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)蒸發(fā)和濺射產(chǎn)物

27、的能量。遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)蒸發(fā)和濺射產(chǎn)物的能量。PLA的主要特點(diǎn)的主要特點(diǎn) (1)PLA法可以生長(zhǎng)和靶材成份一致的多元化合物薄膜，甚至是法可以生長(zhǎng)和靶材成份一致的多元化合物薄膜，甚至是含有易揮發(fā)元素的多元化合物薄膜。其原因有三：含有易揮發(fā)元素的多元化合物薄膜。其原因有三：第一，由于采用閃爍蒸發(fā)，脈沖作用時(shí)間短，重復(fù)頻率低，表面熔第一，由于采用閃爍蒸發(fā)，脈沖作用時(shí)間短，重復(fù)頻率低，表面熔蝕區(qū)只有蝕區(qū)只有110 m，而靶的其他部分（包括夾具、墊板等）處于絕而靶的其他部分（包括夾具、墊板等）處于絕熱狀態(tài)，不受激光加熱的影響，保證了蒸發(fā)原子與靶材的一致性。熱狀態(tài)，不受激光加熱的影響，保證了蒸發(fā)原子與靶材的一

28、致性。第二，由于等離子體的瞬間爆炸式發(fā)射，以及等離子體沿軸向空間第二，由于等離子體的瞬間爆炸式發(fā)射，以及等離子體沿軸向空間的約束效應(yīng)，防止了在輸運(yùn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的成份偏析。的約束效應(yīng)，防止了在輸運(yùn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的成份偏析。第三，成膜的的原子、分子和離子具有極快的運(yùn)動(dòng)速度，增強(qiáng)了原第三，成膜的的原子、分子和離子具有極快的運(yùn)動(dòng)速度，增強(qiáng)了原子間的結(jié)合力，消除了由于不同種類(lèi)原子與襯底之間粘接系數(shù)不同子間的結(jié)合力，消除了由于不同種類(lèi)原子與襯底之間粘接系數(shù)不同所引起的成份偏離。所引起的成份偏離。 (2)準(zhǔn)分子激光波長(zhǎng)短，其輻射頻率位于紫外波段，易準(zhǔn)分子激光波長(zhǎng)短，其輻射頻率位于紫外波段，易于被金屬、氧化

29、物、陶瓷、玻璃、高分子材料和塑料等多于被金屬、氧化物、陶瓷、玻璃、高分子材料和塑料等多種材料吸收。用其加熱可以達(dá)到極高的溫度，可蒸發(fā)任何種材料吸收。用其加熱可以達(dá)到極高的溫度，可蒸發(fā)任何高熔點(diǎn)材料，并且可以獲得很高的沉積速率高熔點(diǎn)材料，并且可以獲得很高的沉積速率(1050nm/min)。 蒸發(fā)粒子與等離子混合體能量高，入射原子在襯底蒸發(fā)粒子與等離子混合體能量高，入射原子在襯底表面的擴(kuò)散劇烈。并且由于脈沖頻率低，使得成膜原子的表面的擴(kuò)散劇烈。并且由于脈沖頻率低，使得成膜原子的擴(kuò)散時(shí)間也足夠長(zhǎng)。因此薄膜的附著力好，易于在低溫下擴(kuò)散時(shí)間也足夠長(zhǎng)。因此薄膜的附著力好，易于在低溫下實(shí)現(xiàn)外延生長(zhǎng)，特別適合

30、于制作高溫超導(dǎo)、鐵電、壓電、實(shí)現(xiàn)外延生長(zhǎng)，特別適合于制作高溫超導(dǎo)、鐵電、壓電、電光等功能薄膜。電光等功能薄膜。 由于等離子混合體具有極高的前向速度，由于等離子混合體具有極高的前向速度，真空室中殘留氣體的散射作用相對(duì)減弱，因此真空室中殘留氣體的散射作用相對(duì)減弱，因此PLA往往不要求在高真空下進(jìn)行（例如，制備往往不要求在高真空下進(jìn)行（例如，制備YBa2Cu3O7- 高溫超導(dǎo)薄膜的本底真空通常為高溫超導(dǎo)薄膜的本底真空通常為10Pa），），簡(jiǎn)化了設(shè)備，縮短了生產(chǎn)周期。簡(jiǎn)化了設(shè)備，縮短了生產(chǎn)周期。PLA的缺點(diǎn)：的缺點(diǎn)：(1)薄膜表面存在微米薄膜表面存在微米-亞微米尺度的顆粒物；亞微米尺度的顆粒物；(2)

31、制備的薄膜面積較??；制備的薄膜面積較??；(3)某些靶膜成分不一致。某些靶膜成分不一致。實(shí)際蒸發(fā)源的特點(diǎn)：實(shí)際蒸發(fā)源的特點(diǎn)：點(diǎn)源：電子束，激光蒸發(fā)點(diǎn)源：電子束，激光蒸發(fā)小平面：蒸發(fā)舟，陶瓷坩堝（浸潤(rùn)）小平面：蒸發(fā)舟，陶瓷坩堝（浸潤(rùn)）6. 6. 合金及化合物的蒸發(fā)合金及化合物的蒸發(fā) 一）合金的蒸發(fā)一）合金的蒸發(fā) 關(guān)鍵點(diǎn)：如何控制成分關(guān)鍵點(diǎn)：如何控制成分)/(058. 02scmgTMPGAAA)/(058. 02scmgTMPGBBB其中：其中：GA、GB為蒸發(fā)速率；為蒸發(fā)速率； 為飽和蒸氣壓為飽和蒸氣壓APBP A、B兩組份蒸發(fā)速率之比為：兩組份蒸發(fā)速率之比為：BABABAMMPPGG但但 不知

32、，假設(shè)合金中各成分的飽和蒸氣壓不知，假設(shè)合金中各成分的飽和蒸氣壓服從拉烏爾定律服從拉烏爾定律APBP nA、nB：合金中合金中A、B組分的摩爾數(shù)組分的摩爾數(shù)BAAAAnnnPPBABBBnnnPPPA，PB為各組分單質(zhì)的飽和蒸氣壓為各組分單質(zhì)的飽和蒸氣壓 所以所以 式中式中WA、WB為重量比為重量比 上式說(shuō)明當(dāng)合金成分一定時(shí)，各組元的蒸發(fā)速上式說(shuō)明當(dāng)合金成分一定時(shí)，各組元的蒸發(fā)速率與率與 成正比。成正比。ABBABABABABABAMMWWPPMMnnPPGGMP/例：例：1527時(shí)蒸發(fā)鎳鉻合金（時(shí)蒸發(fā)鎳鉻合金（Ni80%，Cr20%）。）。 Pcr=10-1TorrPNi=10-2Torr 在蒸發(fā)初期，富鉻，導(dǎo)致薄膜有良好附著力。在蒸發(fā)初期，富鉻，導(dǎo)致薄膜有良好附著力。8 . 20 .527 .581010802021CrNiNiCrNiCrNiCrMMPPWWGG活度系數(shù)活度系數(shù)ABBABABABAMMWWPPGGA