薄膜物理(3)合金及化學(xué)物的蒸發(fā)課件

合金及化合物的蒸發(fā)化合物在蒸發(fā)過程中，蒸發(fā)出來的物質(zhì)蒸氣可能具有完全不同于固態(tài)或液態(tài)化合物的成分。氣相分子還可能發(fā)生一系列的化合與分解過程。二、化合物的蒸發(fā)發(fā)生上述現(xiàn)象的直接后果是沉積的薄膜成分可能偏離原來的化學(xué)組成合金及化合物的蒸發(fā)合金及化合物的蒸發(fā)化合物的蒸發(fā)法有四種(1)電阻加熱法(2)瞬時蒸發(fā)法(3)反應(yīng)蒸發(fā)法(4)雙源或多源蒸發(fā)法－三溫度法和分子束外延法合金及化合物的蒸發(fā)反應(yīng)蒸發(fā)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)的材料合金及化合物的蒸發(fā)在空氣中或O2氣氛中蒸發(fā)SiO制備SiO2薄膜在N2氣氛中蒸發(fā)Zr制備ZrN薄膜Al(激活蒸氣)＋O2(激活蒸氣)Al2O3(固相沉積)Sn(激活蒸氣)＋O2(激活蒸氣)SnO2(固相沉積)合金及化合物的蒸發(fā)合金及化合物的蒸發(fā)三溫度法和分子束外延法主要用于制備單晶半導(dǎo)體化合物薄膜，特別是Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體化合物薄膜、超晶薄膜以及各種單晶外延薄膜的制備(2)雙源或多源蒸發(fā)法－三溫度法和分子束外延法三溫度法從原理上講是雙蒸發(fā)源蒸發(fā)法三溫度蒸發(fā)法是分別控制低蒸氣壓元素的蒸發(fā)源溫度、高蒸氣壓元素的蒸發(fā)源溫度和基板溫度的蒸發(fā)方法超晶格：由不同的單晶體薄層周期性地交替外延所形成的高度完整的薄膜結(jié)構(gòu)合金及化合物的蒸發(fā)三溫度蒸發(fā)法很難得到外延單晶薄膜，這種方法目前應(yīng)用較少三、特殊的蒸發(fā)法1.電弧蒸發(fā)法上述缺點(diǎn)可由電子束蒸發(fā)法加以解決，但所需設(shè)備昂貴電阻加熱蒸發(fā)源缺點(diǎn)(1)來自加熱裝置、坩堝等可能造成的污染(2)電阻加熱法的加熱功率或加熱溫度也有一定的限制優(yōu)點(diǎn)：可蒸發(fā)包括高熔點(diǎn)金屬在內(nèi)的所有導(dǎo)電材料，可簡單快速制備無污染的薄膜，也不會引起由于蒸發(fā)源輻射而造成基板溫度升高的問題缺點(diǎn)：難于控制蒸發(fā)速率；放電時所飛濺出微米級大小的電極材料會影響被沉積薄膜的均勻性熱壁法是利用加熱的石英管等(熱壁)把蒸發(fā)分子或原子從蒸發(fā)源導(dǎo)向基板，進(jìn)而生成薄膜2.熱壁法特點(diǎn)：在熱平衡狀態(tài)下成膜；通過加熱源材料與基板材料間的容器壁來實現(xiàn)的通常，熱壁較基板處于更高的溫度。整個系統(tǒng)置于高真空中，但由于蒸發(fā)管內(nèi)有蒸發(fā)物質(zhì)，因此壓強(qiáng)較高3.激光蒸發(fā)法使用高功率的激光束作為能源來進(jìn)行蒸發(fā)鍍膜的方法，從本質(zhì)上講，也是一種真空蒸發(fā)鍍膜法高能量的激光束透過窗口進(jìn)入真空室，經(jīng)棱鏡或凹面鏡聚焦，照射到蒸發(fā)材料上，使之加熱汽化蒸發(fā)合金及化合物的蒸發(fā)合金及化合物的蒸發(fā)激光蒸發(fā)法的特點(diǎn)(1)激光加熱可以達(dá)到極高的溫度，可蒸發(fā)任何高熔點(diǎn)的材料，且可獲得很高的蒸發(fā)速率(2)由于采用非接觸式加熱，激光器可以安放在真空室外，既完全避免了蒸發(fā)源的污染，又簡化了真空室，非常適宜在高真空下制備高純薄膜(3)利用激光束加熱能夠?qū)δ承┗衔锘蚝辖疬M(jìn)行閃爍蒸發(fā)，有利于保證膜成分的化學(xué)計量比或防止分解；又由于材料氣化時間短促，不足以使四周材料達(dá)到蒸發(fā)溫度，所以激光蒸發(fā)不易出現(xiàn)分餾現(xiàn)象第五節(jié)分子束外延鍍膜法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)完整的新單晶層薄膜的方法，新生單晶層叫做外延層。典型的外延方法有液相外延法、氣相外延法和分子束外延法外延來自希臘詞(epi)和(taxis)，(epi)意思是“在┄上面”，(taxis)意思是排列。如果基片與薄膜的材料相同（例如在單晶Ge上生長Ge膜）則說是自外延（同質(zhì)外延）；如果薄膜與基片是兩種不同的材料（例如在NaCl上生長Al膜），則稱為異質(zhì)外延分子束外延(Molecularbeamepitaxy)是在超高真空條件下，將薄膜諸組分元素的分子束流直接噴射到襯底表面，從而在其上形成外延層的技術(shù)。從本質(zhì)上講，它屬于物理氣相沉積的真空蒸發(fā)鍍膜方法分子束外延鍍膜法與傳統(tǒng)的真空蒸發(fā)鍍膜法不同的是，分子束外延具有超高真空，并配有原位監(jiān)測和分析系統(tǒng)，能獲得高質(zhì)量的單晶薄膜分子束外延鍍膜法電子衍射儀和俄歇電子能譜儀用來監(jiān)測與研究外延層單晶的生長過程，評價結(jié)晶質(zhì)量和進(jìn)行成分分析主要由工作室、分子束噴射爐和各種監(jiān)控儀器組成四極質(zhì)譜儀用來檢測分子束流量液N2是為了提高真空度并對各個噴射爐實施熱隔離且減小對基板的熱輻射的影響電子槍是用來監(jiān)測膜厚分子束外延鍍膜法對襯底材料的要求：分子束外延鍍膜法(1)要求晶格類型和晶格常數(shù)盡可能與外延材料相近(2)在沉積溫度下穩(wěn)定，不發(fā)生熱分解(3)不受外延材料及其蒸氣的侵蝕(4)和外延材料有相近的熱膨脹系數(shù)分子束外延鍍膜法超高真空的環(huán)境控制外延膜生長的重要條件嚴(yán)格控制適合的襯底溫度各噴射爐的加熱溫度分子束的強(qiáng)度和種類分子束外延鍍膜的特點(diǎn)：分子束外延鍍膜法(1)MBE雖然也是一個以氣體分子運(yùn)動論為基礎(chǔ)的蒸發(fā)過程，但它不是以蒸發(fā)溫度為控制參數(shù)，而是以系統(tǒng)中的四極質(zhì)譜儀、原子吸收光譜等近代分析儀器，精密地監(jiān)控分子束的種類和強(qiáng)度，從而嚴(yán)格控制生長過程和生長速率(2)MBE是一個超高真空的物理沉積過程，既不需要考慮中間化學(xué)反應(yīng)，又不受質(zhì)量傳輸?shù)挠绊懀⑶依每扉T可對生長和中斷瞬時調(diào)整。膜的組分和摻雜濃度可隨源的變化作迅速調(diào)整(3)MBE的襯底溫度低，因此降低了界面上熱膨脹引入的晶格失配效應(yīng)和襯底雜質(zhì)對外延層的自摻雜和擴(kuò)散的影響分子束外延鍍膜法(4)MBE是動力學(xué)過程，即將入射的中性粒子(原子或分子)一個一個地堆積在襯底上進(jìn)行生長，而不是一個熱力學(xué)過程，所以它可生長按照普通熱平衡生長方法難以生長的薄膜(5)MBE的另一顯著特點(diǎn)是生長速率低，大約１μm/h，相當(dāng)于每秒生長一個單原子層，因此有利于實現(xiàn)精確控制厚度、結(jié)構(gòu)與成分和形成陡峭異質(zhì)結(jié)等。MBE特別適于生長超晶格材料

(6)MBE是在一個超高真空環(huán)境中進(jìn)行的，而且襯底和分子束源相隔較遠(yuǎn)，因此可用多種表面分析儀器實時觀察生長面上的成分結(jié)構(gòu)及生長過程，有利于科學(xué)研究

MBE已在固體微波器件、光電器件、多層周期結(jié)構(gòu)器件和單分子層薄膜等方面的研制得到廣泛應(yīng)用

真空蒸發(fā)鍍膜法操作步驟：(1)放置基片(2)排氣(3)加熱基片(要想快，可以從排氣開始后立即進(jìn)行加熱，但為慎重起見，最好在獲得高真空后開始加熱)(4)蒸發(fā)源除氣(供給蒸發(fā)源蒸法所需的30％～100％的電功率)(5)蒸鍍(旋轉(zhuǎn)基片，供給蒸發(fā)源所需電能，打開擋板)(6)達(dá)到所要求的膜厚之后，關(guān)閉擋板，停止供給蒸發(fā)源和基片電能(7)經(jīng)過必要的冷卻時間之后，取出基片，放入下一批基片ⅠAⅡAⅢAⅣAⅤAⅥAⅦAⅧAH(1)HydrogenHe(2)HeliumLi(3)LithiumBe(4)Beryllium固體元素人造元素B(5)BoronC(6)CarbonN(7)NitrogenO(8)OxygenF(9)FluorineNe(10)NeonNa(11)SodiumMg(12)Magnesium氣體元素液體元素Al(13)AluminumSi(14)SiliconP(15)PhosphorousS(16)SulfurCl(17)ChlorineAr(18)ArgonK(19)PotassiumCa(20)CalciumSc(21)ScandiumTi(22)TitaniumV(23)VanadiumCr(24)ChromiumMn(25)ManganeseFe(26)IronCo(27)Cobalt

Ni(28)NickelCu(29)CopperZn(30)ZincGa(31)GalliumGe(32)GermaniumAs(33)ArsenicSe(34)SeleniumBr(35)BromineKr(36)Krypton

Rb(37)RubidiumSr(38)StrontiumY(39)YttriumZr(40)ZirconiumNb(41)NiobiumMo(42)MolybdenumTc(43)TechnetiumRu(44)Ruthenium

Rh(45)RhodiumPd(46)PalladiumAg(47)SilverCd(48)Cadmium

In(49)IndiumSn(50)TinSb(51)AntimonyTe(52)TelluriuI(53)IodineXe(54)Xenon

Cs(55)CesiumBa(56)BariumLa(57-71)LanthanumHf(72)HafniumTa(73)TantalumW(74)TungstenRe(75)RheniumOs(76)OsmiumIr(77)IridiumPt(78)PlatinumAu(79)GoldHg(80)MercuryTl(81)ThalliumPb(82)LeadBi(83)BismuthPo(84)PoloniumAt(85)AstatineRn(86)RadonFr(87)FranciumRa(88)RadiumAc(89-103)ActiniumRf(104)RutherfordiumDb(105)DubniumSg(106)SeaborgiumBh(107)BohriiumHs(108)HassiumMt(109)MeitneriumUunUuuUubUutUuqUupUuhUusUuo

Ce(58)Pr(59)Nd(60)NeodymiumPm(61)PromethiumSm(62)SamariumEu(63)EuropiumGd(64)GadoliniumTb(65)TerbiumDy(66)DysprosiumHo(67)HolmiumEr(68)ErbiumTm(69)ThuliumYb(70)YtterbiumLu(71)LutetiumTh(90)ThoriumPa(91)ProactiniumU(92)UraniumNp(93)NeptuniumPu(94)PlutoniumAm(95)AmericiumCm(96)CuriumBk(97)BerkeliumCf(98)CaliforniumEs(99)EinsteiniumFm(100)Fermium

Md(101)MendeleviumNo(102)NobeliumLr(103)ThuliumⅢBⅣBⅤBⅥBⅦB....ⅧB....ⅠBⅡB半導(dǎo)體薄膜材料半導(dǎo)體材料的分類：1無機(jī)半導(dǎo)體2非晶態(tài)半導(dǎo)體3有機(jī)半導(dǎo)體半導(dǎo)體薄膜材料無機(jī)半導(dǎo)體晶體材料1元素半導(dǎo)體晶體有實際用途的只有SiGeSe周期表中有12種元素具有半導(dǎo)體性質(zhì)SiGeSeTeAsSbSnBCPIS半導(dǎo)體薄膜材料2化合物半導(dǎo)體及固溶體半導(dǎo)體有四千多種，大體可作如下分類：(1)Ⅲ－Ⅴ化合物半導(dǎo)體AlGaIn與PAsSb組成的九種化合物半導(dǎo)體AlPAlAsGaAsGaSbInPInAsInSb等(2)Ⅱ－Ⅵ化合物半導(dǎo)體ZnCdHg與SSeTe組成的12種化合物CdSCdTeCdSe等半導(dǎo)體薄膜材料(3)Ⅳ－Ⅳ化合物半導(dǎo)體GeSSnTeGeSePbSPbTe等九種AsSe3AsTe3