真空蒸發(fā)鍍膜

1、第二章 真空蒸發(fā)鍍膜法 The Vacuum Evaporation講解人： aaa 11111112-3 蒸發(fā)源的類型1 蒸發(fā)源是用來加熱膜材使之汽化蒸發(fā)的裝置。 蒸發(fā)源是蒸發(fā)裝置的關(guān)鍵部件，大多數(shù)金屬材料都要求在10002000的高溫下蒸發(fā)。因此，必須將蒸發(fā)材料加熱到很高的蒸發(fā)溫度。最常用的加熱方式有：電阻法，電子束法，高頻法等。根據(jù)不同的加熱方式可以將蒸發(fā)源分為三大類，分別是：電阻蒸發(fā)源，電子束蒸發(fā)源，高頻感應(yīng)蒸發(fā)源。2電阻蒸發(fā)源 采用鉭、鉬、鎢等高熔點(diǎn)金屬，做成適當(dāng)形狀的蒸發(fā)源，其上裝入待蒸發(fā)材料，讓電流通過，對蒸發(fā)材料進(jìn)行直接加熱蒸發(fā)，或者把待蒸發(fā)材料放入Al2O3、BeO 等坩堝中

2、進(jìn)行間接加熱蒸發(fā) 。優(yōu)點(diǎn)：蒸發(fā)源結(jié)構(gòu)簡單、廉價易操作缺點(diǎn)：需考慮蒸發(fā)源的材料和形狀 2-3 蒸發(fā)源的類型3電阻蒸發(fā)源. 高熔點(diǎn). 低飽和蒸汽壓1. 蒸發(fā)源材料2-3 蒸發(fā)源的類型41. 蒸發(fā)源材料電阻蒸發(fā)源. 化學(xué)性能穩(wěn)定，在高溫下不應(yīng)與蒸發(fā)材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。. 原料豐富，經(jīng)濟(jì)耐用。. 具有良好的耐熱性。熱源變化時，功率密度變化較?。?-3 蒸發(fā)源的類型5電阻蒸發(fā)源在制膜工藝中，常用的蒸發(fā)源材料有W、Mo、Ta等，或耐高溫的金屬氧化物，陶瓷或石墨坩堝。2-3 蒸發(fā)源的類型6電阻蒸發(fā)源2.蒸鍍材料與蒸發(fā)源材料的濕潤性蒸鍍材料與蒸發(fā)源材料的濕潤性 蒸鍍材料與蒸發(fā)源材料的濕潤性與蒸發(fā)材料的表面能大小

3、有關(guān)。 高溫熔化的蒸鍍材料在蒸發(fā)源上有擴(kuò)展傾向時，可以認(rèn)為是容易濕潤的；如果在蒸發(fā)源上有凝聚而接近于形成球形的傾向時，就可以認(rèn)為是難于濕潤的。 在濕潤的情況下，材料的蒸發(fā)是從大的表面上發(fā)生的且比較穩(wěn)定，可以認(rèn)為是面蒸發(fā)源的蒸發(fā)；在濕潤小的時候，一般可認(rèn)為是點(diǎn)蒸發(fā)源的蒸發(fā)。如果容易發(fā)生濕潤，蒸發(fā)材料與蒸發(fā)源十分親和，蒸發(fā)狀態(tài)穩(wěn)定；如果是難以濕潤的，在采用絲狀蒸發(fā)源時，蒸發(fā)材料就容易從蒸發(fā)源上掉下來。 2-3 蒸發(fā)源的類型7電阻蒸發(fā)源 蒸發(fā)源的形狀可根據(jù)蒸發(fā)材料的性質(zhì)，結(jié)合考慮與蒸發(fā)源材料的濕潤性，制作成不同的形式和選用不同的蒸發(fā)源物質(zhì)。絲狀蒸發(fā)源常用于蒸發(fā)鋁，因?yàn)殇X和鎢的能相互潤濕，為了增大蒸發(fā)

4、表面，還有多股絲狀蒸發(fā)源。而錐形籃蒸發(fā)源通常用于塊狀的升華材料和不易與蒸發(fā)源相潤濕的材料。 2-3 蒸發(fā)源的類型8電子束蒸發(fā)源2-3 蒸發(fā)源的類型 電子束蒸發(fā)將蒸發(fā)材料放入水冷銅坩堝中，電子在電場作用下，獲得動能轟擊到處于陽極的蒸發(fā)材料上，使蒸發(fā)材料氣化蒸發(fā)后凝結(jié)在基板表面成膜，是真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)中的一種重要的加熱方法和發(fā)展方向，特別適合制作高熔點(diǎn)薄膜材料和高純薄膜材料。優(yōu)點(diǎn) :. 電子束轟擊熱源的束流密度高，能獲得遠(yuǎn)比電阻加熱源更大的能流密度。. 由于被蒸發(fā)材料是置于水冷坩堝內(nèi)，因而可避免容器材料的蒸發(fā)，以及容器材料與蒸鍍材料之間的反應(yīng)，這對提高鍍膜的純度極為重要。. 熱量可直接加到蒸鍍材料

5、的表面，因而熱效率高，熱傳導(dǎo)和熱輻射的損失少。缺點(diǎn)：電子槍發(fā)出的一次電子和蒸發(fā)材料發(fā)出的二次電子會電離蒸發(fā)原子和殘余氣體分子，從而影響膜層質(zhì)量。 9電子束蒸發(fā)源 根據(jù)電子束蒸發(fā)源的形式不同，可分為環(huán)形槍，直槍，根據(jù)電子束蒸發(fā)源的形式不同，可分為環(huán)形槍，直槍，e e型槍和空型槍和空心陰極電子槍等幾種。心陰極電子槍等幾種。電子束蒸發(fā)源的形勢 直槍是一種軸對稱的直線加速槍，電子從燈絲陰極發(fā)射，聚成細(xì)束，經(jīng)陽極加速后打在坩鍋中使鍍膜材料融化和蒸發(fā)。直槍的功率從幾百瓦至幾百千瓦的都有，有的可用于真空蒸發(fā)，有的可用于真空冶煉。直槍的缺點(diǎn)是蒸鍍的材料會污染槍體結(jié)構(gòu)，給運(yùn)行的穩(wěn)定性帶來困難，同時發(fā)射燈絲上逸出

6、的鈉離子等也會引起膜層的污染2-3 蒸發(fā)源的類型電子束蒸發(fā)源 e型電子槍，即270度偏轉(zhuǎn)的電子槍克服了直槍的缺點(diǎn)，是目前用的較多的電子束蒸發(fā)源之一。 e型電子槍可以產(chǎn)生很多的功率密度，能融化高熔點(diǎn)的金屬，產(chǎn)生的蒸發(fā)粒子能量高，使膜層和基底結(jié)合牢固，成膜的質(zhì)量較好。缺點(diǎn)使電子槍要求較高的真空度，并需要使用負(fù)高壓，真空室內(nèi)要求有查壓板，這些造成了設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安全性差，不易維護(hù)，造價也較高。2-3 蒸發(fā)源的類型1011高頻感應(yīng)蒸發(fā)源 將裝有蒸發(fā)材料的坩堝放在高頻螺旋線圈的中央，使蒸發(fā)材料在高頻電磁場的感應(yīng)下產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流損失和磁滯損失（對鐵磁體），致使蒸發(fā)材料升溫，直至氣化蒸發(fā)。2-3 蒸發(fā)源的類

7、型6高頻感應(yīng)蒸發(fā)源高頻感應(yīng)蒸發(fā)源的優(yōu)點(diǎn)：1）蒸發(fā)速率大，可比電阻蒸發(fā)源大10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；3）蒸發(fā)材料是金屬時，蒸發(fā)材料可產(chǎn)生熱量；4）蒸發(fā)源一次裝料，無需送料機(jī)構(gòu)，溫度控制比較容易，操作比較簡單。缺點(diǎn)：1） 必須采用抗熱震性好，高溫化學(xué)性能穩(wěn)定的氮化硼坩鍋；2） 蒸發(fā)裝置必須屏蔽，并需要較復(fù)雜和昂貴的高頻發(fā)生器；3） 線圈附近的壓強(qiáng)是有定值的，超過這個定值，高頻場就會使殘余氣體電離，使功耗增大。122-3 蒸發(fā)源的類型13其他蒸發(fā)源 激光加熱式蒸發(fā)源：激光束加熱蒸發(fā)的原理是利用激光源發(fā)射的光子束的光能作為加熱膜材的熱源，使膜材吸熱汽化蒸發(fā)，激光加熱蒸發(fā)技

8、術(shù)是真空蒸發(fā)鍍膜工藝中的一項(xiàng)新技術(shù)。通常用于制作金剛石，類金剛石等超硬材料。 電弧加熱蒸發(fā)源：電弧加熱蒸發(fā)源是在高真空下通過兩導(dǎo)電材料制成的電極之間產(chǎn)生電弧放電，利用電弧高溫使電極材料蒸發(fā)。電弧源的形式有交流電弧放電、直流電弧放電和電子轟擊電弧放電等形式。 電弧加熱蒸發(fā)的優(yōu)點(diǎn)是既可避免電阻加熱法中存在的加熱絲、坩堝與蒸發(fā)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)和污染問題，還可以蒸發(fā)高熔點(diǎn)的難熔材料。 電弧加熱蒸發(fā)的缺點(diǎn)是電弧放電會飛濺出微米級的靶電極材料微粒，對膜層不利。2-3 蒸發(fā)源的類型14合金的蒸發(fā)2-4 合金及化合物的蒸發(fā)分餾現(xiàn)象：當(dāng)蒸發(fā)二元以上的合金及化合物時，蒸發(fā)材料在氣化過程中，由于各成分的飽和蒸氣壓不同，

9、使得其蒸發(fā)速率也不同，得不到希望的合金或化合物的比例成分，這種現(xiàn)象稱為分餾現(xiàn)象。分壓定律：液體的總蒸氣壓等于各組元蒸氣分壓之和。拉烏爾定律：在溶液中，溶劑的飽和蒸氣壓與溶劑的摩爾分?jǐn)?shù)成正比，其比例常數(shù)就是同溫度下溶劑單獨(dú)存在時的飽和蒸氣壓。合金的蒸發(fā)速率2-4 合金及化合物的蒸發(fā)假設(shè) ：合金/固溶體理想溶體20.058/(/)AAAGPMT g cms以二元合金為例子，合金各成分的蒸發(fā)速率20.058/(/)BBBGPMT g cms其中，PA 和PB分別為A、B成分在溫度T時的飽和蒸氣分壓；GA 、GB分別為兩種成分的蒸發(fā)速率；MA 、MB分別為兩種成分元素的摩爾質(zhì)量。拉烏爾定律對合金往往不

10、完全適用，故引入活度系數(shù)S進(jìn)行修正，經(jīng)修正后相應(yīng)的蒸發(fā)速率公式可表示為 0.058/AAA AAGS X P MT15 （2-4-1） （2-4-2）合金的蒸發(fā)速率2-4 合金及化合物的蒸發(fā)A、B兩種成分的蒸發(fā)速率之比為AAABBBGPMGPM要保證薄膜的成分與蒸發(fā)料成分完全一致，則必須使1AABBPMPM由拉烏爾定律：AAAPX PAAABnXnn故BBBPX PBBABnXnnAAABBBPnPPnP16（2-4-3）（2-4-4）合金的蒸發(fā)速率2-4 合金及化合物的蒸發(fā)合金中組元金屬A、B的蒸發(fā)速率之比可改寫為AAABBBBAGPWMGPWM其中AAABmWmmBABBWmmmAAABB

11、BBAPPWMPPWMAAAABBBBWmn MWmnMmA、mB分別為組元金屬A、B在合金中的質(zhì)量WA、WB為在合金中的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)Pi溶劑i單獨(dú)存在時的飽和蒸氣壓i i17（2-4-5）合金的蒸發(fā)速率例題1： 計(jì)算處于1527下的鎳鉻合金(Ni 80%, Cr 20%)在PCr=10Pa,，PNi=1Pa時，它們的蒸發(fā)速率之比 (MNi= 58.7 MCr = 52.0)。解：CrNiNiCrNiCrNiCrMMPPWWGG7 . 20 .527 .581108020 在1527下開始蒸發(fā)時，鉻的初始蒸發(fā)速率為鎳的2.7倍。隨著鉻的迅速蒸發(fā)，GCr/GNi會逐漸減小，最終會小于1，這種分餾現(xiàn)

12、象的出現(xiàn)使得靠近基板的膜是富鉻的，這也是Ni-Cr合金薄膜具有良好附著性的原因。2-4 合金及化合物的蒸發(fā)18合金的蒸發(fā)方法 采用真空蒸發(fā)法制作預(yù)定組成的合金薄膜，經(jīng)常采用瞬時蒸發(fā)法、雙蒸發(fā)源法及合金升華法等。1.瞬時蒸發(fā)法 又稱“閃爍”法。它是將細(xì)小的顆粒，逐次送到非常熾熱的蒸發(fā)器或坩堝中，使一個一個的顆粒實(shí)現(xiàn)瞬間完全蒸發(fā)。如果顆粒尺寸很小，幾乎能對任何成分進(jìn)行同時蒸發(fā)，故瞬時蒸發(fā)法常用于合金中元素的蒸發(fā)速率相差很大的場合。優(yōu)點(diǎn) ：能獲得成分均勻的薄膜，可以進(jìn)行摻雜蒸發(fā)。缺點(diǎn)：是蒸發(fā)速率難于控制，且蒸發(fā)速率不能太快。2-4 合金及化合物的蒸發(fā)19合金的蒸發(fā)方法2雙源蒸發(fā)法 將要形成合金的每一

13、個成分，分別裝入各自的蒸發(fā)源中，然后獨(dú)立地控制各個蒸發(fā)源的蒸發(fā)速率，使到達(dá)基板的各種原子與所需合金薄膜的組成相對應(yīng)。為使薄膜厚度分布均勻，基板常需要進(jìn)行轉(zhuǎn)動。2-4 合金及化合物的蒸發(fā)20主要用于制作單晶半導(dǎo)體化合物薄膜，特別是III-V族化合物半導(dǎo)體薄膜、超晶格薄膜以及各種單晶外延薄膜等。 主要用于制備高熔點(diǎn)的絕緣介質(zhì)薄膜，如氧化物、氮化硅和硅化物等。受到蒸發(fā)源材料和形狀的限制。電阻加熱法電阻加熱法化合物的蒸發(fā)1多源蒸發(fā)法多源蒸發(fā)法：三溫度法，：三溫度法，分子束外延法分子束外延法反應(yīng)蒸發(fā)法反應(yīng)蒸發(fā)法232-4 合金及化合物的蒸發(fā)21化合物的蒸發(fā) 1反應(yīng)蒸發(fā)法 將活性氣體導(dǎo)入真空室，使活性氣體

14、的原子、分子和從蒸發(fā)源逸出的蒸發(fā)金屬原子、低價化合物分子在基板表面淀積過程中發(fā)生反應(yīng)，從而形成所需高價化合物薄膜的方法。不僅用于熱分解嚴(yán)重，而且用于因飽和蒸氣壓較低而難以采用電阻加熱蒸發(fā)的材料。 反應(yīng)蒸發(fā)法制備薄膜由于是利用在基板表面析出的吸附的活性氣體分子和原子之間的反應(yīng)，因此可以在較低的溫度下完成，又因在反應(yīng)過程中不太強(qiáng)化析出和凝聚作用，因此易于得到較為均勻分散的化合物薄膜。 2-4 合金及化合物的蒸發(fā)22化合物的蒸發(fā)2三溫度法 從原理上講，就是雙蒸發(fā)源蒸發(fā)法。把III-V族化合物半導(dǎo)體材料置于坩堝內(nèi)加熱蒸發(fā)時，溫度在沸點(diǎn)以上，半導(dǎo)體材料就會發(fā)生熱分解，分溜出組分元素，淀積在基板上的膜層會

15、偏離化合物的化學(xué)計(jì)量比。這種方法是分別控制低蒸氣壓元素（III）的蒸發(fā)源溫度TM 、高蒸氣壓元素（V）的蒸發(fā)源溫度TV和基板溫度TS，一共三個溫度，這就是所謂的三溫度法名稱的由來。2-4 合金及化合物的蒸發(fā)23化合物的蒸發(fā)3分子束外延鍍膜法（MBE） 外延是一種制備單晶薄膜的新技術(shù)，它是在適當(dāng)?shù)囊r底與合適條件下，沿襯底材料晶軸方向生長一層結(jié)晶結(jié)構(gòu)完整的新單晶薄膜的方法，新生單晶層叫做外延層。 分子束外延法是在超高真空條件下，將薄膜諸組元素的分子束流，直接噴到襯底表面，從而在其上形成外延層的技術(shù)，是新發(fā)展起來的外延制膜方法。優(yōu)點(diǎn) : 能生長極薄的單晶膜層，且能夠精確控制膜厚、組分和摻雜。適于制作微波、光電和多層結(jié)構(gòu)器件，從而為集成光電和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展提供了有效手段。2-4 合金及化合物的蒸發(fā)24化合物的蒸發(fā)2-4 合金及化合物的蒸發(fā)25化合物的蒸發(fā)襯底材料是影響外延層質(zhì)量的重要因素。外延薄膜和襯底為同一物質(zhì)的稱為“同質(zhì)外延”，兩者不相同的稱為“異質(zhì)外延”。對襯底有如下要求：1、襯底與外延膜的結(jié)構(gòu)匹配：外延材料與襯底材料的晶體結(jié)構(gòu)相同或相近、晶格常數(shù)失配小、結(jié)晶性能好、缺陷密度低; 2、襯底與外延膜的熱膨脹系數(shù)