真空蒸发蒸发镀膜.pptx

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1、物理气相沉积（物理气相沉积（Physical Vapor DepositionPhysical Vapor Deposition）真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜真空溅射镀膜真空溅射镀膜真空离子镀膜真空离子镀膜第1页/共76页真空蒸发镀膜：真空蒸发镀膜：将固体材料置于高真空环境中加热，使之升华将固体材料置于高真空环境中加热，使之升华或蒸发并沉积在特定衬底上以获得薄膜的工艺方法。或蒸发并沉积在特定衬底上以获得薄膜的工艺方法。第2页/共76页第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理第3页/共76页第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理蒸发度膜的三个基本过程：蒸发度膜的三个基本过程：加热蒸发过程加热蒸发过程

2、固相或液相转变为气相固相或液相转变为气相 气相原子或分子的输运过程（源气相原子或分子的输运过程（源-基距）基距）气相粒子在环境气氛中的飞行过程，输运过程中气相粒气相粒子在环境气氛中的飞行过程，输运过程中气相粒子与残余气体分子发生碰撞的次数，取决于蒸发原子的子与残余气体分子发生碰撞的次数，取决于蒸发原子的平均平均自由程自由程，以及蒸发源与基片之间的距离。，以及蒸发源与基片之间的距离。蒸发原子或分子在基片表面的淀积过程蒸发原子或分子在基片表面的淀积过程 即即蒸气凝聚蒸气凝聚、成核成核、核生长核生长、形成、形成连续薄膜连续薄膜的过程。由的过程。由于基板温度较低，因此，沉积物分子在基板表面将直接发生于

3、基板温度较低，因此，沉积物分子在基板表面将直接发生从气相到固相的相转变。从气相到固相的相转变。第4页/共76页第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理2.2.饱和蒸气压概念概念 在一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸气与在一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸气与固体或液体平衡过程中所表现出来的压力固体或液体平衡过程中所表现出来的压力A.A.处于饱和蒸气压时，蒸发物表面液相、气相处于处于饱和蒸气压时，蒸发物表面液相、气相处于动态平衡；动态平衡；B.B.饱和蒸气压随温度的升高而增大；饱和蒸气压随温度的升高而增大；C.C.一定温度下，各种物质具有恒定的饱和蒸气压，一定温度下，各种物质具有恒定的饱和蒸气压，相反

4、一定的饱和蒸气压对应一定的温度；相反一定的饱和蒸气压对应一定的温度；D.D.不同物质在一定温度下的饱和蒸气压不同；不同物质在一定温度下的饱和蒸气压不同；第5页/共76页第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理克拉伯龙克拉伯龙-克劳修斯克劳修斯（Clapeylon-Clausius）方程）方程 为摩尔汽化热或蒸发热（为摩尔汽化热或蒸发热（J/mol）；）；和和 分别为气分别为气相和固相的摩尔体积（相和固相的摩尔体积（cm3）；）；为绝对温度（为绝对温度（K）。）。因因为为 ，假假设设低低压压气气体体符符合合理理想想气气体体状状态态方方程程，则有则有线性关系线性关系或或饱和蒸气压与温度的关系第6页/

5、共76页第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理气化热气化热Hv随温度变化很小随温度变化很小或或在30时，水的饱和蒸气压为4132.982Pa；在100时，水的饱和蒸气压增大到101324.72Pa第7页/共76页 饱和蒸气压与温度的关系曲线对于薄膜制作技术有重要饱和蒸气压与温度的关系曲线对于薄膜制作技术有重要意义，它可以帮助我们合理选择蒸发材料和确定蒸发条件。意义，它可以帮助我们合理选择蒸发材料和确定蒸发条件。第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理蒸发温度 规定物质在饱和蒸气压为规定物质在饱和蒸气压为10-2Torr时时的温度的温度第8页/共76页3.3.蒸发速率 根据气体分子运动论，在气体压

6、力为P时，单位时间内碰撞单位面积器壁上的分子数量，即碰撞分子流量（通量或蒸发速率）J：冷凝系数 设蒸发材料表面液相、气体处于动态平衡，到达液相表设蒸发材料表面液相、气体处于动态平衡，到达液相表面的分子全部粘接而不脱离，与从液相到气相的分子数相等，面的分子全部粘接而不脱离，与从液相到气相的分子数相等，则蒸发速率：则蒸发速率：第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理dN蒸发分子数，e蒸发系数，A蒸发面积，t时间，Pv和Ph分别为饱和蒸气压和液体静压第9页/共76页最大蒸发速率：最大蒸发速率：（2-9）单位面积单位面积质量蒸发速率质量蒸发速率除了与蒸发物质的分子量、绝对温度和蒸发物除了与蒸发物质的分子

7、量、绝对温度和蒸发物质在质在T温度时的饱和蒸气压有关外，还与材料温度时的饱和蒸气压有关外，还与材料自身的清洁度有关，特别是蒸发源温度的变化自身的清洁度有关，特别是蒸发源温度的变化对蒸发速率影响极大对蒸发速率影响极大第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理第10页/共76页第11页/共76页蒸发速率随温度变化关系蒸发速率随温度变化关系对金属对金属 之间之间蒸发源温度微小变蒸发源温度微小变化就可以引起蒸发化就可以引起蒸发速率的很大变化。速率的很大变化。例：蒸发铝，计算由于例：蒸发铝，计算由于1的温度变化，对铝蒸发薄膜生长速率的温度变化，对铝蒸发薄膜生长速率的影响。的影响。B=3.586104（K）,

8、在蒸气压为在蒸气压为1Torr时的蒸发温度为时的蒸发温度为1830K。第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理第12页/共76页对基片的碰撞率：对基片的碰撞率：热平衡条件下，单位时间通过单位面积的气体分子数为：热平衡条件下，单位时间通过单位面积的气体分子数为：第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理 一般薄膜的淀积速率为每秒一个原子层，当残余气体压强为10-5Torr时，气体分子和蒸发物质原子几乎按1：1的比例到达基板表面。第13页/共76页所以，真空度足够高，平均自由程足够大，且所以，真空度足够高，平均自由程足够大，且时：时：为保证镀膜质量，在要求为保证镀膜质量，在要求 时，源时，源-基距基距

9、时，必须时，必须 。由此可见，只有当由此可见，只有当 （l为源为源-基距）时，即平均自基距）时，即平均自由程较源由程较源-基距大得多的情况下，才能有效减少蒸发分子在基距大得多的情况下，才能有效减少蒸发分子在输运过程中的碰撞。输运过程中的碰撞。第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理第14页/共76页第三节第三节 蒸发源的类型蒸发源的类型 常用电阻加热蒸发源形状常用电阻加热蒸发源形状丝状蒸发源线径0.51mm蒸铝用于蒸发块状或丝状的升华材料和不易浸润材料箔状蒸发源厚度0.050.15mm第15页/共76页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布各种蒸发皿结构第16页/共7

10、6页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 电子束蒸发源电子束蒸发源 电阻加热蒸发源已不能满足蒸镀某些高熔点金属和氧化物材料的需要，特别是制备高纯薄膜。电子束加热蒸发法克服了电阻加热蒸发的许多缺点，得到广泛应用。第17页/共76页 电子束加热原理电子束加热原理 可聚焦的电子束，能局部加温元素源，因不加热其它部分而避免污染 高能量电子束能使高熔点元素达到足够高温以产生适量的蒸气压电子的动能和电功率：电子的动能和电功率：第18页/共76页电子束蒸发源的优点：电子束蒸发源的优点：电子束的束流密度高，能获得远比电阻加热源更大的能量密度。被蒸发材料置于水冷坩埚内，避免了容器材

11、料的蒸发，以及容器材料与蒸发材料的反应，提高了薄膜的纯度。热量直接加到蒸镀材料表面，热效率高，热传导和热辐射损失小。电子束蒸发源的缺点：电子束蒸发源的缺点：可使蒸发气体和残余气体电离，有时会影响膜层质量；电子束蒸镀装置结构复杂，价格昂贵；产生的软X射线对人体有一定的伤害。第19页/共76页 电子束蒸发源的结构电子束蒸发源的结构 环型枪 直型枪 e 型枪结构简单结构简单功率、效率不高功率、效率不高第20页/共76页直型枪 使用方便，能量使用方便，能量密度高，易于调节密度高，易于调节控制。控制。体积大、成本高，体积大、成本高，蒸镀材料会污染枪蒸镀材料会污染枪体结构，存在从灯体结构，存在从灯丝逸出的

12、丝逸出的NaNa离子污离子污染染第21页/共76页第22页/共76页1-发射体，发射体，2-阳极，阳极，3-电磁线圈，电磁线圈，4-水冷坩埚，水冷坩埚，5-收集极，收集极，6-吸收极，吸收极，7-电子轨迹，电子轨迹，8-正离子轨迹，正离子轨迹，9-散射电子轨迹，散射电子轨迹，10-等离子体等离子体吸收反射电子、背散射电子、二次电子吸收电子束与蒸发的中性离子碰撞产生的正离子e 型枪第23页/共76页 高频感应蒸发源高频感应蒸发源高频感应蒸发源的特点：高频感应蒸发源的特点：蒸发速率大，比电阻蒸发源大蒸发速率大，比电阻蒸发源大1010倍左右；倍左右；蒸发源温度均匀稳定，不易产蒸发源温度均匀稳定，不易

13、产生飞溅；生飞溅；蒸发材料是金属时，从内部加蒸发材料是金属时，从内部加热；热；蒸发源一次加料，无需送料机蒸发源一次加料，无需送料机构，控温容易，热惰性小，操作构，控温容易，热惰性小，操作简单。简单。缺点：缺点：蒸发装置必须屏蔽、蒸发装置必须屏蔽、高频发生器昂贵，气压高于高频发生器昂贵，气压高于1010-2-2PaPa，高频场就会使残余，高频场就会使残余气体电离，使功耗增大气体电离，使功耗增大第24页/共76页5.5.蒸发所需能量和离子能量 能量损失的种类能量损失的种类 蒸发材料蒸发材料蒸发蒸发时所需的热量时所需的热量 蒸发源因蒸发源因辐射辐射所损失的能量所损失的能量 蒸发源因蒸发源因热传导热传

14、导而损失的能量而损失的能量 蒸发材料蒸发时所需的热量蒸发材料蒸发时所需的热量第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理第25页/共76页 不同物质在相同压强下所需的蒸发热是不同的；不同物质在相同压强下所需的蒸发热是不同的；蒸发热量蒸发热量 值的值的80%以上是蒸发热以上是蒸发热 而消耗掉的。而消耗掉的。第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理第26页/共76页第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理1.1.真空蒸发的特点与蒸发过程 设备比较简单、操作容易；设备比较简单、操作容易；薄膜纯度高、质量好，厚度可较准确控制；薄膜纯度高、质量好，厚度可较准确控制；成膜速度快、效率高，采用掩模可以获得清晰成膜速度

15、快、效率高，采用掩模可以获得清晰的图形；的图形；薄膜生长机理比较单纯。薄膜生长机理比较单纯。缺点：缺点：不容易获得不容易获得结晶结构结晶结构的薄膜，的薄膜，薄膜附着力薄膜附着力较小，工较小，工艺重复性差艺重复性差。特点：特点：第27页/共76页主要内容主要内容6-1 真空蒸发原理真空蒸发原理6-2 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布6-3 蒸发源的类型蒸发源的类型6-4 合金及化合物蒸发合金及化合物蒸发6-5 膜厚和淀积速率的测量与监控膜厚和淀积速率的测量与监控第28页/共76页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布均匀膜层厚度是薄膜技术中的关键问

16、题。取决于如下因素：均匀膜层厚度是薄膜技术中的关键问题。取决于如下因素：蒸发源的蒸发特性蒸发源的蒸发特性 基板与蒸发源的几何形状基板与蒸发源的几何形状 基板与蒸发源的相对位置基板与蒸发源的相对位置 蒸发物质的蒸发量蒸发物质的蒸发量基本假设：基本假设：1.1.蒸发原子或分子与残余气体分子之间不发生碰撞；蒸发原子或分子与残余气体分子之间不发生碰撞；2.2.蒸发源附近的原子或分子之间不发生碰撞；蒸发源附近的原子或分子之间不发生碰撞；3.3.淀积到基片上的原子不发生再蒸发现象。淀积到基片上的原子不发生再蒸发现象。第29页/共76页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 点蒸

17、发源点蒸发源 能能够够从从各各个个方方向向蒸蒸发发等等量量材材料料的的微微小小球球状状蒸蒸发发源源称称为为点点蒸蒸发源（点源）。发源（点源）。第30页/共76页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布在基板平面内薄膜厚度分布：在基板平面内薄膜厚度分布：当当 在点源正上方，即在点源正上方，即 时，膜层厚度时，膜层厚度 为：为：第31页/共76页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 小平面蒸发源小平面蒸发源 这这种种蒸蒸发发源源的的发发射射特特性性具具有有方方向向性性，使使得得在在 角角方方向向蒸蒸发发的的材材料料质量和质量和 成正比。成正比

18、。第32页/共76页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布当当 在点源正上方，即在点源正上方，即 时，膜层厚度时，膜层厚度 为：为：在基板平面内薄膜厚度分布：在基板平面内薄膜厚度分布：第33页/共76页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布点源：点源：小平面源：小平面源：第34页/共76页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布第35页/共76页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布第36页/共76页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 细长平面蒸发源细长

19、平面蒸发源dSSHhrzxy0-l/2ad(x,y)l/2 视视dS为小平面蒸发源，则为小平面蒸发源，则d上得到的蒸发量为上得到的蒸发量为第37页/共76页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布积分后积分后在原点处，在原点处，则膜厚为，则膜厚为第38页/共76页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 环状蒸发源环状蒸发源dRAN0 xydS2dS1h第39页/共76页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 实际蒸发源的发射特性实际蒸发源的发射特性 实际蒸发源的发射特性可根据熔融后的形态，选取实际蒸发源的发射特性

20、可根据熔融后的形态，选取不同的膜厚蒸发公式进行理论分析和近似计算。（不同的膜厚蒸发公式进行理论分析和近似计算。（p33）蒸发源与基板的相对位蒸发源与基板的相对位置配置置配置点源与基板相对位置点源与基板相对位置 为获得均匀的膜厚，电源为获得均匀的膜厚，电源必须配置在基板围成的球面中必须配置在基板围成的球面中心。心。第40页/共76页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布小平面源与基板相对位置小平面源与基板相对位置 当小平面源为球形工作架当小平面源为球形工作架的一部分时，在内球体表面上的一部分时，在内球体表面上的膜厚分布是均匀的。的膜厚分布是均匀的。当当 时，时，厚厚度

21、度与与 角角无无关关，对对于于一一定定半半径径 的的球球形形工工作作架架，其其内内表表面面膜膜厚厚取取决决于于材材料料性性质质、的的大大小小及及蒸蒸发发量。量。第41页/共76页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布Evaporation Scheme to achieve Uniform Deposition第42页/共76页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布小面积基板时蒸发源的位置配置小面积基板时蒸发源的位置配置 如如果果被被蒸蒸镀镀的的面面积积比比较较小小，可可以以将将蒸蒸发发源源直直接接配配置置于于基基板板的的中中心心线线上上

22、，源源-基基距距H取取11.5D。第43页/共76页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布大面积基板和蒸发源的配置大面积基板和蒸发源的配置v 基板公转加自转基板公转加自转v 多点源或小平面蒸发源多点源或小平面蒸发源第44页/共76页第45页/共76页第三节第三节 蒸发源的类型蒸发源的类型 蒸发源是蒸发装置的关键部件。最常用的有：电阻法、蒸发源是蒸发装置的关键部件。最常用的有：电阻法、电子束法、高频法等。电子束法、高频法等。电阻蒸发源电阻蒸发源直接加热法（直接加热法（W、Mo、Ta）间接加热法（间接加热法（Al2O3、BeO等坩埚）等坩埚）对蒸发源材料的要求（对蒸发源

23、材料的要求（p36表表2-5）1.高熔点高熔点2.饱和蒸气压低饱和蒸气压低3.化学性能稳定，高温下不与蒸发材料反应化学性能稳定，高温下不与蒸发材料反应4.良好的耐热性良好的耐热性5.原料丰富、经济耐用原料丰富、经济耐用 高温时，钽和金形成合金，高温时，钽和金形成合金，铝、铁、镍、钴等与钨、钼、铝、铁、镍、钴等与钨、钼、钽等形成合金钽等形成合金 B2O3与钨、钼、钽有反应，与钨、钼、钽有反应，W与水汽或氧反应，形成挥发与水汽或氧反应，形成挥发性的性的WO、WO2或或WO3；Mo也能与水汽或氧反应生成挥发也能与水汽或氧反应生成挥发性的性的MoO3第46页/共76页第三节第三节 蒸发源的类型蒸发源的

24、类型 改进的办法，是采用氮化硼导电陶瓷坩埚、氧化锆、氧化改进的办法，是采用氮化硼导电陶瓷坩埚、氧化锆、氧化钍、氧化铍、氧化镁、氧化铝坩埚及石磨坩埚，或采用蒸发材钍、氧化铍、氧化镁、氧化铝坩埚及石磨坩埚，或采用蒸发材料自热蒸发源。料自热蒸发源。常用的蒸发源材料有：常用的蒸发源材料有：W、Mo、Ta，耐高温的金属，耐高温的金属氧化物、陶瓷或石墨坩埚氧化物、陶瓷或石墨坩埚 蒸镀材料对蒸发源材料的蒸镀材料对蒸发源材料的“湿润性湿润性”湿润情况面蒸发源湿润情况面蒸发源湿润小点蒸发源湿润小点蒸发源第47页/共76页2.4 合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发 对于两种以上元素组成的合金和化合物薄膜，在蒸发

25、时如何控制组分，以获得与蒸发材料化学比不变的膜层，是薄膜技术中的一个重要问题。合金的蒸发合金的蒸发 二元以上合金或化合物，由于各成分饱和蒸气压不同，蒸发速率不同，引起薄膜成分偏离。合金的蒸发可以近似地用拉乌尔定律来处理。合金蒸发的组分偏离问题合金蒸发的组分偏离问题第48页/共76页合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发拉乌尔定律（Raoults Law）1887年，法国化学家Raoult从实验中归纳出一个经验定律：在定温下，在稀溶液中，溶剂的蒸气压等于纯溶剂蒸气压 乘以溶液中溶剂的物质的量分数 ，用公式表示为：如果溶液中只有A，B两个组分，则拉乌尔定律也可表示为：溶剂蒸气压的降低值与纯溶剂蒸气压

26、之比等于溶质的摩尔分数。第49页/共76页合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发 设 、分别围A、B的质量，、为合金中的浓度，则第50页/共76页合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发合金各组分的蒸发速率：合金各组分的蒸发速率：若要保证薄膜组分和蒸发料一致，则必须若要保证薄膜组分和蒸发料一致，则必须 ，实际，实际上难于做到。上难于做到。第51页/共76页合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发例题：例题：处于处于1527 下的镍铬合金（下的镍铬合金（Ni80%，Cr20%），），在在 ，时，蒸发速率比为：时，蒸发速率比为：铬的初始蒸发速率是镍的铬的初始蒸发速率是镍的2.8倍；倍；随蒸发过程，随蒸发过程

27、，会逐渐减小，最终会小于会逐渐减小，最终会小于1。镍镍-铬合金薄膜实验结果证实了上述结果。铬合金薄膜实验结果证实了上述结果。在真空蒸发法制作合金薄膜时，为保证薄膜组成，经常采用在真空蒸发法制作合金薄膜时，为保证薄膜组成，经常采用瞬时蒸发法、双蒸发源法等。瞬时蒸发法、双蒸发源法等。第52页/共76页合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发 瞬时蒸发法瞬时蒸发法瞬时蒸发法又称瞬时蒸发法又称“闪烁闪烁”蒸发蒸发法。法。优点：优点：优点：优点：可以获得成分均匀的薄可以获得成分均匀的薄膜，方便进行掺杂。膜，方便进行掺杂。缺点：缺点：缺点：缺点：蒸发速率难于控制，蒸蒸发速率难于控制，蒸发速率不能太快。发速率不

28、能太快。多用于多用于-族及族及-半导体半导体化合薄膜的制作。化合薄膜的制作。第53页/共76页合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发 双源或多源蒸发法双源或多源蒸发法 将将要要形形成成合合金金的的每每一一成成分分，分分别别装装入入各各自自的的蒸蒸发发源源中中，然然后后独独立立地地控控制制其其蒸蒸发发速速率率，使使达达到到基基板板的的各各种种原原子符合组成要求。子符合组成要求。第54页/共76页合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发 化合物的蒸发化合物的蒸发 电电阻阻蒸蒸发发法法、反反应应蒸蒸发发法法、双双源源或或多多源源蒸蒸发发法法、三三温温度度法和分子束外延法法和分子束外延法等。等。反应蒸发法：

29、反应蒸发法：主要用于制备高熔点的绝缘介质薄膜，如氧化物、氮化物、硅化物等。三温度法和分子束外延：三温度法和分子束外延：主要用于制备单晶半导体化合物薄膜，特别是-族化合物半导体薄膜。第55页/共76页反应蒸发法反应蒸发法 将将活活性性气气体体导导入入真真空空室室，并并与与蒸蒸发发源源逸逸出出的的金金属属原原子子、低低价价化化合合物物分分子子在在基基板板表表面面淀淀积积过过程程中中发发生生化化学学反反应应，从从而而形成所需高价化合物薄膜。形成所需高价化合物薄膜。第56页/共76页合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发第57页/共76页合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发 在在反反应应蒸蒸发发中中，蒸

30、蒸发发原原子子或或低低价价化化合合物物分分子子与与活活性性气气体体发生反应有三个可能的部位。发生反应有三个可能的部位。蒸发源表面（尽可能避免）蒸发源表面（尽可能避免）蒸发源到基板的空间（反应几率很小）蒸发源到基板的空间（反应几率很小）基板表面（主要反应部位）基板表面（主要反应部位）第58页/共76页合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发 三温度法三温度法 分分别别控控制制低低蒸蒸气气压压元元素素（）的的蒸蒸发发温温度度T、高高蒸蒸气气压压元元素素（）的的蒸蒸发发温温度度T和和基基板板温温度度TS，一一共共三三个个温温度，即三温度法。度，即三温度法。由由于于相相当当与与在在高高蒸蒸气气压压元元素素

31、气气氛氛中中蒸蒸发发低低低低蒸蒸气气压压元元素素，所所以以，类类似似于于反反应应蒸蒸发发法。法。第59页/共76页合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发MBE 分子束外延 分子束外延是分子束外延是5050年代用真空蒸发技术制备半导体薄膜材料年代用真空蒸发技术制备半导体薄膜材料发展而来的。随着超高真空技术的发展而日趋完善，发展而来的。随着超高真空技术的发展而日趋完善，近十几年近十几年来来由于分子束外延技术的发展由于分子束外延技术的发展,开拓了一系列崭新的超晶格器件，开拓了一系列崭新的超晶格器件，扩展了半导体科学的新领域，进一步说明了半导体材料的发展扩展了半导体科学的新领域，进一步说明了半导体材料的

32、发展对半导体物理和半导体器件的影响。分子束外延的优点就是能对半导体物理和半导体器件的影响。分子束外延的优点就是能够制备超薄层的半导体材料；外延材料表面形貌好，而且面积够制备超薄层的半导体材料；外延材料表面形貌好，而且面积较大均匀性较好；可以制成不同掺杂剂或不同成份的多层结构；较大均匀性较好；可以制成不同掺杂剂或不同成份的多层结构；外延生长的温度较低，有利于提高外延层的纯度和完整性；利外延生长的温度较低，有利于提高外延层的纯度和完整性；利用各种元素的粘附系数的差别，可制成化学配比较好的化合物用各种元素的粘附系数的差别，可制成化学配比较好的化合物半导体薄膜。半导体薄膜。第60页/共76页 分分子子

33、束束外外延延（Molecular beam epitaxy,MBE）是是在在1969年年由由贝贝尔尔（Bell）实实验验室室的的J.R.Arthur命命名名的的。它它是是在在适适当当的的衬衬底底和和合合适适的的条条件件下下，沿沿衬衬底底材材料料晶晶轴轴方方向向生生长长一一层层结结晶晶结结构构完完整整的的新新单单晶晶层层薄薄膜膜的的方方法法，故故称称该该工工艺艺为为外外延延。新新生生的单晶层叫外延层。的单晶层叫外延层。气相外延气相外延（VPE）：）：CVD外延、外延、PVD外延外延液相外延（液相外延（LPE）：）：分子束外延（分子束外延（MBE）：）：广广泛泛应应用用于于固固态态微微波波器器件件

34、、光光电电器器件件、超超大大规规模模集集成成电电路、光通讯和制备超晶格材料等领域。路、光通讯和制备超晶格材料等领域。第61页/共76页合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发 交流电弧蒸发法借鉴了碳素膜制备方法，不需要特别的设备。蒸发材料作为电极棒安装在与蒸镀室绝缘的两根电极支持棒上，蒸镀室的真空度达10-6-10-7 Torr后，在电极间加交流电压10-50V，移动一个电极，使其与另一电极接触随后立即拉开。这样，在电极间产生电弧放电，电极材料蒸发，在与蒸发源相距适当距离的基片上形成薄膜。第62页/共76页合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发 适当控制蒸镀室的真空度，直流电弧放电可持续较长时间。这

35、种方法可用于金属膜的蒸镀，也可用于铁氧体等氧化膜的蒸镀。把烧结的铁氧体块体放入真空度为10-5Torr的蒸镀室内，使块体表面朝上，Mo电极棒与块体表面接触，加直流电压110V。当接触部位熔化时，将Mo电极稍微拉离表面就会引起电弧放电，使铁氧体蒸发。为了维持放电，需要有10-6-10-7 Torr的真空度和5-15A的放电电流。构成铁氧体的金属元素有不同的蒸发温度，因此得到的蒸镀膜是不均匀的，但将其在空气加热至1250一1350就会形成均质薄膜。母材的组成与膜的组成是有差别的，适当选择母材组成就可以得到符合组成要求的铁氧体薄膜。第63页/共76页合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发 热壁法热壁法

36、 为获得良好的外延生长膜，人们研究了热壁外延生长法。热壁法是利用加热的石英管间接加热蒸发材料，使其蒸发，在衬底上形成薄膜。热壁法的主要结构是在热管(热壁)的上端安装基片，在热管下端安装蒸发源，热管起着输运蒸气和使蒸气温度保持均匀的作用。热管结构是封闭的，因此可以防止蒸气向外部散失，并可控制组分的蒸气压。第64页/共76页合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发 热壁法的最大特点是在热热壁法的最大特点是在热平衡状态下成膜。平衡状态下成膜。可以形成超晶格结构。可以形成超晶格结构。第65页/共76页合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发激光蒸发法的特点：激光蒸发法的特点：激光加热可以达到极高的温度，可蒸发

37、任何高熔点材激光加热可以达到极高的温度，可蒸发任何高熔点材料，且获得很高的蒸发速率；料，且获得很高的蒸发速率；非接触式加热，完全避免了蒸发源的污染，简化了真非接触式加热，完全避免了蒸发源的污染，简化了真空室，非常适合在超高真空下制备高纯薄膜；空室，非常适合在超高真空下制备高纯薄膜；能对某些化合物或合金进行能对某些化合物或合金进行“闪烁闪烁”蒸发，有利于保蒸发，有利于保证薄膜成分的组成和防止分解，是淀积介质薄膜、半证薄膜成分的组成和防止分解，是淀积介质薄膜、半导体薄膜和无机化合物薄膜的好方法。导体薄膜和无机化合物薄膜的好方法。第66页/共76页第67页/共76页膜厚和淀积速率的测量与监控膜厚和淀

38、积速率的测量与监控 薄膜厚度是薄膜最重要的参数之一，它影响着薄膜的各薄膜厚度是薄膜最重要的参数之一，它影响着薄膜的各种性质及其应用。种性质及其应用。薄膜淀积速率是制膜工艺中的一个重要参数，它直接影薄膜淀积速率是制膜工艺中的一个重要参数，它直接影响薄膜的结构的特性。响薄膜的结构的特性。重点：薄膜厚度的测量和监控。重点：薄膜厚度的测量和监控。第68页/共76页膜厚和淀积速率的测量与监控膜厚和淀积速率的测量与监控 膜厚的分类厚度：是指两个完全平整的平行平面之间的距离。厚度：是指两个完全平整的平行平面之间的距离。理想薄膜厚度：基片表面到薄膜表面之间的距离。理想薄膜厚度：基片表面到薄膜表面之间的距离。由

39、于薄膜具有显微结构，要严格定义和精确测量薄膜由于薄膜具有显微结构，要严格定义和精确测量薄膜厚度，实际上比较困难的。厚度，实际上比较困难的。薄膜厚度的定义是与测量方法和目的相关的。薄膜厚度的定义是与测量方法和目的相关的。第69页/共76页膜厚和淀积速率的测量与监控膜厚和淀积速率的测量与监控第70页/共76页膜厚和淀积速率的测量与监控膜厚和淀积速率的测量与监控衬底的平均表面薄膜形状表面质量等价表面物性等价表面第71页/共76页膜厚和淀积速率的测量与监控膜厚和淀积速率的测量与监控形状厚度形状厚度dT是接近与直观形式的厚度。是接近与直观形式的厚度。质量厚度质量厚度dM反映了薄膜中质量的多少。反映了薄膜

40、中质量的多少。物性厚度物性厚度dP实际使用较少。实际使用较少。第72页/共76页膜厚和淀积速率的测量与监控膜厚和淀积速率的测量与监控 称重法称重法 微微量量天天平平法法：采采用用微微天天平平直直接接测测量量基基片片上上的的薄薄膜膜质质量量，得得到质量膜厚。到质量膜厚。使用高灵敏度微天平可检测的膜厚质量为110110-7-7kgkgm m2 2。这一膜厚质量相当于单原子层普通薄膜物质的l l2020至几分之一。从可以检测基片上微量附着量的意义上说，微天平是膜厚测量中最敏感的方法。这种方法是直接测量，其测量值是可靠的。可以在蒸镀过程中进行膜厚测量，有效用于膜厚监控。该法可用于薄膜制作初期膜厚测量和

41、石英晶体振动子的校正，也可用于基片上吸附气体量的测量。第73页/共76页膜厚和淀积速率的测量与监控膜厚和淀积速率的测量与监控优点：灵敏度高，能测量淀积质量的绝对值；能在比较广优点：灵敏度高，能测量淀积质量的绝对值；能在比较广的范围内选择基片材料；能在淀积过程中跟踪质量的变化。的范围内选择基片材料；能在淀积过程中跟踪质量的变化。存在问题：不能在一个基片上测量厚度分布；由于薄膜的存在问题：不能在一个基片上测量厚度分布；由于薄膜的密度与体材料不同，实测的薄膜厚度稍小于实际厚度。其密度与体材料不同，实测的薄膜厚度稍小于实际厚度。其应用目前还没有普及，原因是需要极纯熟的操作技术和系应用目前还没有普及，原因是需要极纯熟的操作技术和系统构成技术条件（常用石英丝扭转天平）。统构成技术条件（常用石英丝扭转天平）。第74页/共76页习题、思考题习题、思考题1.1.什么是饱和蒸气压、蒸发温度？2.2.克-克方程及其意义？3.3.蒸发速率、温度变化对其影响？4.4.平均自由程与碰撞几率的概念。5.5.点蒸发源和小平面蒸发源特性？6.6.拉乌尔定律？如何控制合金薄膜的组分？7.7.MBEMBE的特点？8.8.膜厚的定义？监控方法？9.9.从网上找出一种商业化的膜厚测量仪，并写出其主要性能参数。第75页/共76页感谢您的观看！第76页/共76页