第三章-真空蒸镀.

真空蒸发镀膜法本章的基本要求理解饱和蒸汽压、蒸发温度等基本概念；掌握真空蒸发的原理、设备要求、不同类型蒸发源的蒸发特点、各种蒸发材料的特点、基本的蒸发镀膜操作过程；理解并掌握真空蒸发镀膜时真空室内起始压强的确定方法；了解真空蒸发镀膜法的应用情况。第三章真空蒸发镀膜法§3.1概念§3.2真空蒸发镀膜的原理§3.3常用的蒸发源及蒸发材料§3.4影响薄膜生长和性能的几个因素及真空蒸发镀膜技术的应用§3.5分子束外延（MBE）技术§3.1概念真空蒸发镀膜法（简称真空蒸镀）是在真空室中，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸汽流，入射到固体（称为衬底或基片）表面，凝结形成固态薄膜的方法。§3.2真空蒸发镀膜的原理四个主要内容：1.真空蒸发装置2.蒸发真空度的确定3.蒸发温度4.蒸发速率1、真空蒸发装置加热器扩散泵高阀AB挡板蒸发源支架加热源衬底真空室往机械泵电阻式真空蒸发设备示意图1、真空蒸发装置蒸发镀膜的基本过程：关闭充气阀和高真空阀等阀门，通过图中的A-B右路系统对钟罩进行预抽气。当压强达到预真空度后，关闭低真空阀，打开高真空阀，通过A-C-B左路系统用高真空机组进行抽气。一旦钟罩内的压强达到所需要的数值后，便可对蒸发源加热进行蒸镀。蒸镀完毕后，关闭高真空阀，通过充气阀向钟罩放气。然后打开钟罩，取出蒸镀好的基片或工件，重新装入膜料，更换待镀的基片或工件，放下钟罩。重复以上步骤，再次进行蒸镀。图：真空系统简化示意图扩散泵机械泵磁力充气阀低真空磁力阀AC高真空阀机械泵低真空磁力阀B真空蒸发的特点真空蒸发（除电子束蒸发外）与化学气相沉积、溅射镀膜等成膜方法相比较，有如下的特点：（1）设备简单、操作容易；（2）制成的薄膜纯度高、质量好，厚度可以较准确控制；（3）成膜速率快、效率高，用掩膜可以获得清晰的图形；（4）薄膜的生长机理单纯。缺点是：不容易获得结晶结构的薄膜，所形成的薄膜在基板上的附着力小，工艺重复性不够好。2、起始蒸发真空度的确定（1）为什么要确定起始蒸发的真空度？起始蒸发的真空度高好？还是低好？（2）如何确定起始蒸发的真空度？Answer2（两种方法）Answer12)'(1rrnr式中：nr指残余气体分子的密度；r’指残余气体分子的半径；r指蒸发的膜料分子（或原子）半径。因为:P=nrkT所以，2)'(rrPkTr工件LL是源－基距，属于设备参数假设残余气体处于同样的温度，膜料分子在残余气体中的平均自由程为：现已知从蒸发源到基片间的距离为Lcm，为使蒸发源出来的膜料分子（或原子）大部分不与残余气体分子发生碰撞直接到达基片表面，通常要使得：λL一般可以取λ≥10L2)'(rrPkTr结合公式：可得：LrrPkTr10)'(22)'(10rrLkTPr虽然结论是近似的，与实际值会有几倍的差异，但在实际生产中应用方便，结果良好。起始蒸发真空度的确定依据3、蒸发温度蒸发温度高，蒸发速率就高，膜的致密度差；蒸发温度低，蒸发速率就低，膜容易被氧化。一般规定物质在饱和蒸汽压为10-2Torr时的温度为该物质的蒸发温度。饱和蒸汽压在一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸汽与固体或液体平衡过程中所表现出的压力称为该物质的饱和蒸汽压。饱和蒸汽压与温度的关系曲线对薄膜制作技术有重要的实际意义，可以查到。TableandFigure一些常用材料的蒸气压与温度的关系周期表I族元素的蒸气压周期表II族元素的蒸气压周期表III族元素的蒸气压此外，材料的蒸汽压与温度之间有一近似关系，为：lgTBAp式中，A，B分别为与材料性质有关的常数，可以直接由实验确定或由文献查得。）柱（蒸汽压，单位：微米汞）绝对温度（mHgKTp对大多数材料，在蒸汽压小于1Torr的温度范围内，此式是蒸发材料的饱和蒸汽压与温度之间一个比较精确的表达式。上式的准确度较差，但方便实用。金属AB金属AB金属ABLi10.998.07×103Sr10.717.83×103Si12.722.13×104Na10.725.49×103Ba10.708.76×103Ti12.502.32×104K10.284.48×103Zn11.636.54×103Zr12.333.03×104Cs9.913.80×103Cd11.565.72×103Th12.522.84×104Cu11.961.698×104B13.072.962×104Ge11.711.803×104Ag11.851.427×104Al11.791.594×104Sn10.881.487×104Au11.891.758×104La11.602.085×104Pb10.779.71×103Be12.011.647×104Ga11.411.384×104Sb11.158.63×103Mg11.647.65×103In11.231.248×104Bi11.189.53×103Ca11.228.94×103C15.734×104Cr12.942.0×104Mo11.643.085×104Co12.702.111×104Os13.593.7×104W12.404.068×104Ni12.752.096×104Ir13.073.123×104U11.592.331×104Ru13.503.38×104Pt12.532.728×104Mn12.141.374×104Rh12.942.772×104V13.072.572×104Fe12.441.997×104Pd11.781.971×104Ta13.044.021×104一些金属的蒸汽压方程中的计算常数4、蒸发速率1)纯金属（或单质材料）的蒸发速率2)合金的蒸发速率（1）纯金属（或单质材料）的蒸发速率已知根据气体分子运动论，处于热平衡状态时，压强为p的气体，单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数为：2mkTpJ（1）与器壁碰撞的气体只有部分发生凝结，因此：2mkTpJvcm——分子质量；T——绝对温度；k——玻耳兹曼常数——冷凝系数(≤1）；pv——饱和蒸汽压；（2）假设蒸发材料表面液相、气相处于动态平衡中，那么，单位时间单位面积的蒸发分子数为：2)(mkTppAdtdNJhvee式中，dN为蒸发分子（原子）数；A为蒸发表面积；e为蒸发系数；t为时间（秒）；pv和ph分别为饱和蒸汽压和液相静压（Pa）。当e＝1且ph＝0时，得最大蒸发速率为：)scm(21-2-个mkTpJvm得到单位面积的质量蒸发速率为：2vmpkTmmJG蒸发源温度的变化对蒸发速率的影响极大！例如,对金属有:)30~20(TdTGdGGO)scm(21-2-个由mkTpJvm（2）合金的蒸发速率制造合金薄膜时，蒸发合金或者化合物的结果在相同温度下，各元素的蒸气压不相同，其蒸发速率就不相同，导致制备的合金薄膜与原料的化学计量比不同。如何蒸镀才能得到符合预计要求的合金薄膜？瞬时蒸发法（“闪烁”蒸发法）双（多）源蒸发法§3.3常用的蒸发源及蒸发材料蒸发源常用的蒸发材料蒸发源接触式蒸发源非接触式蒸发源蒸发源1.电阻式蒸发源2.电子束加热蒸发源3.激光蒸发源4.高频感应蒸发源常用的蒸发源1、电阻式蒸发源采用高熔点金属做成适当的形状装上待蒸发材料，对蒸发材料进行直接加热蒸发。加热丝加热舟坩埚盒状源1、电阻式蒸发源Question:采用电阻式蒸发源对蒸发源材料有哪些要求？对电阻式蒸发源的五点要求:蒸发源材料的自身熔点要高;饱和蒸汽压要低;化学性能要稳定，且具有良好的耐热性，热源变化时，功率密度变化较小；成本低;蒸发源对膜材料的“湿润性”好。钽（Ta）、钼（Mo）、钨（W）等电阻式蒸发源的特点：结构简单、使用方便、造价低廉，因此使用普遍;常用来蒸发蒸发温度小于1500oC的铝、金、银等金属，蒸发一些硫化物、氟化物和某些氧化物。结构2、电子束加热蒸发源根据电子束蒸发源的形式不同，电子束蒸发源可以分为：环形枪、直枪、e型枪和空心阴极电子枪等几种直枪蒸发源e电子枪的工作原理优点:2、电子束加热蒸发源1)与电阻加热源相比可以减少污染;2)能量集中,使膜料局部表面受到很高的温度,而其它部分的温度低。因而，可使高熔点（可以高达3000oC）的材料蒸发,且有较高的蒸发速率；3)可以准确、方便地控制蒸发温度；4)有较大的温度调节范围，对高、低熔点的膜料都适用，适用性宽，特别适合蒸镀熔点高达2000oC左右的氧化物。缺点:1)通常蒸镀的膜层较薄;2)蒸镀的薄膜组分复杂。3、激光蒸发源通过聚焦可使激光束功率密度达到106W/cm2以上，它是以无接触加热的方式使膜料迅速气化，然后淀积在基片上形成薄膜的方法。使用高功率的连续或脉冲激光束作为能源进行薄膜的蒸发沉积的方法被称为激光沉积法。通过聚焦可使激光束功率密度达到106W/cm2以上，它是以无接触加热的方式使膜料迅速气化，然后淀积在基片上形成薄膜的方法。使用高功率的连续或脉冲激光束作为能源进行薄膜的蒸发沉积的方法被称为激光沉积法。3、激光蒸发源激光蒸发装置简图反射镜在外边反射镜在里边激光蒸发装置简图优点:3、激光蒸发源1)能蒸发任何高熔点材料，可以蒸发各种材料，且获得很高的蒸发速率;2)与电阻加热蒸发源相比可以减少镀膜受污染；3)非常适合于蒸发化合物或合金；4)与电子束蒸发源相比，它避免了电子束蒸发膜面带电的缺点。缺点:1)长时间工作，激光进入钟罩窗口处的透镜会受到影响;2)激光蒸发器较昂贵，且并非对所有材料都显示其优越性；3)由于蒸发材料温度太高，蒸发粒子（原子、分子、簇团等）多易离子化，从而会对膜结构和特性产生一定影响。4、高频感应蒸发源工作原理高频感应加热源的工作原理优点缺点优点:1)它是面蒸发，蒸发速率大，可以比电阻蒸发源大10倍左右；2)蒸发源的温度均匀稳定，不易产生飞溅现象；3)蒸发源一次装料，无需送料机构，温度控制较容易，操作比较简单。缺点:1)因为接触易造成污染；2)只能蒸发导电的膜料；3)设备必须屏蔽，且需要复杂和昂贵的高频发生器。GO蒸发材料常用的蒸发材料介绍1、铝（Al）铝薄膜可用作导体、电容器电极、反射器及装饰品等。因铝与玻璃、陶瓷、硅片的附着力好，常用作引线。m.p.660oCpv=10-2Torr时，T＝1217oC蒸发材料1、铝（Al）1100℃以上开始迅速蒸发。在蒸发温度时，铝是一种高度流动的液体，它对难熔材料极易相湿并在其表面上流动，同时可以深入到难熔材料的微孔中。熔化的铝在真空中化学活性非常强，因此必须认真选择蒸发源。目前，多采用钨丝或者钽丝作为蒸发源。More蒸发材料2、铜（Cu）m.p.1083oCpv=10-2Torr时，T＝1257oC导电性好，可焊性好，常用作导线。（1）铜与玻璃、陶瓷、硅片的附着力不是很好；（2）易氧化。缺点：上一层保护层以防氧化加过渡层改善附着性蒸发材料2、铜（Cu）对铜建议采用钨螺旋丝或者钨、钽舟，并且必须注意维持蒸发温度恒定。More蒸发材料3、金（Au）m.p.1064oCpv=10-2Torr时，T＝1397oC化学稳定性好。（1）贵；（2）与玻璃、陶瓷、硅片的附着力差。缺点：加过渡层Ti或Cr改善附着性More因高温时对钽有一定的腐蚀，蒸发源建议选择钨丝。蒸发材料4、镍（Ni）m.p.1453oCpv=10-2Torr时，T＝1527oC特点:与玻璃、陶瓷、硅片附着力好，常用作过渡层（因蒸发镍常需要较高的温度，常与铬形成镍铬合金）薄膜电阻蒸发材料4、镍（Ni）蒸发源建议选择较粗的钨丝。在1500oC以上，镍会和处在任何浓度下的钨丝形成部分液相，因此它会迅速腐蚀钨丝，为限制腐蚀，镍的重量不应该超过钨丝的30%。也可以采用氧化铍和氧化铝坩埚作为蒸发源。More蒸发材料5、钯（Pd）m.p.1552oCpv=10-2Torr时，T＝1462oC贵！可用作保护层。钯对玻璃或陶瓷基片的附着力和金相似，常需用钛或铬作底层。蒸发材料5、钯（Pd