真空蒸发镀膜综述

第二章真空蒸发镀膜法TheVacuumEvaporation讲解人：aaa11111112-3蒸发源的类型1蒸发源是用来加热膜材使之汽化蒸发的装置。蒸发源是蒸发装置的关键部件，大多数金属材料都要求在1000~2000℃的高温下蒸发。因此，必须将蒸发材料加热到很高的蒸发温度。最常用的加热方式有：电阻法，电子束法，高频法等。根据不同的加热方式可以将蒸发源分为三大类，分别是：电阻蒸发源，电子束蒸发源，高频感应蒸发源。2电阻蒸发源采用钽、钼、钨等高熔点金属，做成适当形状的蒸发源，其上装入待蒸发材料，让电流通过，对蒸发材料进行直接加热蒸发，或者把待蒸发材料放入Al2O3、BeO等坩埚中进行间接加热蒸发。优点：蒸发源结构简单、廉价易操作缺点：需考虑蒸发源的材料和形状2-3蒸发源的类型3电阻蒸发源①.高熔点②.低饱和蒸汽压1.蒸发源材料2-3蒸发源的类型41.蒸发源材料电阻蒸发源③.化学性能稳定，在高温下不应与蒸发材料发生化学反应。⑤.原料丰富，经济耐用。④.具有良好的耐热性。热源变化时，功率密度变化较小；2-3蒸发源的类型5电阻蒸发源在制膜工艺中，常用的蒸发源材料有W、Mo、Ta等，或耐高温的金属氧化物，陶瓷或石墨坩埚。2-3蒸发源的类型6电阻蒸发源2.蒸镀材料与蒸发源材料的湿润性蒸镀材料与蒸发源材料的湿润性与蒸发材料的表面能大小有关。高温熔化的蒸镀材料在蒸发源上有扩展倾向时，可以认为是容易湿润的；如果在蒸发源上有凝聚而接近于形成球形的倾向时，就可以认为是难于湿润的。在湿润的情况下，材料的蒸发是从大的表面上发生的且比较稳定，可以认为是面蒸发源的蒸发；在湿润小的时候，一般可认为是点蒸发源的蒸发。如果容易发生湿润，蒸发材料与蒸发源十分亲和，蒸发状态稳定；如果是难以湿润的，在采用丝状蒸发源时，蒸发材料就容易从蒸发源上掉下来。2-3蒸发源的类型7电阻蒸发源蒸发源的形状可根据蒸发材料的性质，结合考虑与蒸发源材料的湿润性，制作成不同的形式和选用不同的蒸发源物质。丝状蒸发源常用于蒸发铝，因为铝和钨的能相互润湿，为了增大蒸发表面，还有多股丝状蒸发源。而锥形篮蒸发源通常用于块状的升华材料和不易与蒸发源相润湿的材料。2-3蒸发源的类型8电子束蒸发源2-3蒸发源的类型电子束蒸发将蒸发材料放入水冷铜坩埚中，电子在电场作用下，获得动能轰击到处于阳极的蒸发材料上，使蒸发材料气化蒸发后凝结在基板表面成膜，是真空蒸发镀膜技术中的一种重要的加热方法和发展方向，特别适合制作高熔点薄膜材料和高纯薄膜材料。优点:①.电子束轰击热源的束流密度高，能获得远比电阻加热源更大的能流密度。②.由于被蒸发材料是置于水冷坩埚内，因而可避免容器材料的蒸发，以及容器材料与蒸镀材料之间的反应，这对提高镀膜的纯度极为重要。③.热量可直接加到蒸镀材料的表面，因而热效率高，热传导和热辐射的损失少。缺点：电子枪发出的一次电子和蒸发材料发出的二次电子会电离蒸发原子和残余气体分子，从而影响膜层质量。9电子束蒸发源根据电子束蒸发源的形式不同，可分为环形枪，直枪，e型枪和空心阴极电子枪等几种。电子束蒸发源的形势直枪是一种轴对称的直线加速枪，电子从灯丝阴极发射，聚成细束，经阳极加速后打在坩锅中使镀膜材料融化和蒸发。直枪的功率从几百瓦至几百千瓦的都有，有的可用于真空蒸发，有的可用于真空冶炼。直枪的缺点是蒸镀的材料会污染枪体结构，给运行的稳定性带来困难，同时发射灯丝上逸出的钠离子等也会引起膜层的污染2-3蒸发源的类型电子束蒸发源e型电子枪，即270度偏转的电子枪克服了直枪的缺点，是目前用的较多的电子束蒸发源之一。e型电子枪可以产生很多的功率密度，能融化高熔点的金属，产生的蒸发粒子能量高，使膜层和基底结合牢固，成膜的质量较好。缺点使电子枪要求较高的真空度，并需要使用负高压，真空室内要求有查压板，这些造成了设备结构复杂，安全性差，不易维护，造价也较高。2-3蒸发源的类型1011高频感应蒸发源将装有蒸发材料的坩埚放在高频螺旋线圈的中央，使蒸发材料在高频电磁场的感应下产生强大的涡流损失和磁滞损失（对铁磁体），致使蒸发材料升温，直至气化蒸发。2-3蒸发源的类型6高频感应蒸发源高频感应蒸发源的优点：1）蒸发速率大，可比电阻蒸发源大10倍左右；2）蒸发源的温度均匀稳定，不易产生飞溅现象；3）蒸发材料是金属时，蒸发材料可产生热量；4）蒸发源一次装料，无需送料机构，温度控制比较容易，操作比较简单。缺点：1）必须采用抗热震性好，高温化学性能稳定的氮化硼坩锅；2）蒸发装置必须屏蔽，并需要较复杂和昂贵的高频发生器；3）线圈附近的压强是有定值的，超过这个定值，高频场就会使残余气体电离，使功耗增大。122-3蒸发源的类型13其他蒸发源激光加热式蒸发源：激光束加热蒸发的原理是利用激光源发射的光子束的光能作为加热膜材的热源，使膜材吸热汽化蒸发，激光加热蒸发技术是真空蒸发镀膜工艺中的一项新技术。通常用于制作金刚石，类金刚石等超硬材料。电弧加热蒸发源：电弧加热蒸发源是在高真空下通过两导电材料制成的电极之间产生电弧放电，利用电弧高温使电极材料蒸发。电弧源的形式有交流电弧放电、直流电弧放电和电子轰击电弧放电等形式。电弧加热蒸发的优点是既可避免电阻加热法中存在的加热丝、坩埚与蒸发物质发生反应和污染问题，还可以蒸发高熔点的难熔材料。电弧加热蒸发的缺点是电弧放电会飞溅出微米级的靶电极材料微粒，对膜层不利。2-3蒸发源的类型14合金的蒸发2-4合金及化合物的蒸发分馏现象：当蒸发二元以上的合金及化合物时，蒸发材料在气化过程中，由于各成分的饱和蒸气压不同，使得其蒸发速率也不同，得不到希望的合金或化合物的比例成分，这种现象称为分馏现象。分压定律：液体的总蒸气压等于各组元蒸气分压之和。拉乌尔定律：在溶液中，溶剂的饱和蒸气压与溶剂的摩尔分数成正比，其比例常数就是同温度下溶剂单独存在时的饱和蒸气压。合金的蒸发速率2-4合金及化合物的蒸发假设：合金/固溶体→理想溶体20.058'/(/)AAAGPMTgcms以二元合金为例子，合金各成分的蒸发速率20.058'/(/)BBBGPMTgcms其中，PA’和PB’分别为A、B成分在温度T时的饱和蒸气分压；GA、GB分别为两种成分的蒸发速率；MA、MB分别为两种成分元素的摩尔质量。拉乌尔定律对合金往往不完全适用，故引入活度系数S进行修正，经修正后相应的蒸发速率公式可表示为0.058/AAAAAGSXPMT15}（2-4-1）（2-4-2）合金的蒸发速率2-4合金及化合物的蒸发A、B两种成分的蒸发速率之比为''AAABBBGPMGPM要保证薄膜的成分与蒸发料成分完全一致，则必须使'1'AABBPMPM由拉乌尔定律：'AAAPXPAAABnXnn故'BBBPXPBBABnXnn''AAABBBPnPPnP16（2-4-3）（2-4-4）合金的蒸发速率2-4合金及化合物的蒸发合金中组元金属A、B的蒸发速率之比可改写为AAABBBBAGPWMGPWM其中AAABmWmmBABBWmmm''AAABBBBAPPWMPPWMAAAABBBBWmnMWmnMmA、mB分别为组元金属A、B在合金中的质量WA、WB为在合金中的质量百分数Pi溶剂i单独存在时的饱和蒸气压ii17（2-4-5）合金的蒸发速率例题1：计算处于1527℃下的镍铬合金(Ni80%,Cr20%)在PCr=10Pa,，PNi=1Pa时，它们的蒸发速率之比(MNi=58.7MCr=52.0)。解：CrNiNiCrNiCrNiCrMMPPWWGG7.20.527.581108020在1527℃下开始蒸发时，铬的初始蒸发速率为镍的2.7倍。随着铬的迅速蒸发，GCr/GNi会逐渐减小，最终会小于1，这种分馏现象的出现使得靠近基板的膜是富铬的，这也是Ni-Cr合金薄膜具有良好附着性的原因。2-4合金及化合物的蒸发18合金的蒸发方法采用真空蒸发法制作预定组成的合金薄膜，经常采用瞬时蒸发法、双蒸发源法及合金升华法等。1.瞬时蒸发法又称“闪烁”法。它是将细小的颗粒，逐次送到非常炽热的蒸发器或坩埚中，使一个一个的颗粒实现瞬间完全蒸发。如果颗粒尺寸很小，几乎能对任何成分进行同时蒸发，故瞬时蒸发法常用于合金中元素的蒸发速率相差很大的场合。优点：能获得成分均匀的薄膜，可以进行掺杂蒸发。缺点：是蒸发速率难于控制，且蒸发速率不能太快。2-4合金及化合物的蒸发19合金的蒸发方法2．双源蒸发法将要形成合金的每一个成分，分别装入各自的蒸发源中，然后独立地控制各个蒸发源的蒸发速率，使到达基板的各种原子与所需合金薄膜的组成相对应。为使薄膜厚度分布均匀，基板常需要进行转动。2-4合金及化合物的蒸发20主要用于制作单晶半导体化合物薄膜，特别是III-V族化合物半导体薄膜、超晶格薄膜以及各种单晶外延薄膜等。主要用于制备高熔点的绝缘介质薄膜，如氧化物、氮化硅和硅化物等。受到蒸发源材料和形状的限制。电阻加热法化合物的蒸发1多源蒸发法：三温度法，分子束外延法反应蒸发法232-4合金及化合物的蒸发21化合物的蒸发1．反应蒸发法将活性气体导入真空室，使活性气体的原子、分子和从蒸发源逸出的蒸发金属原子、低价化合物分子在基板表面淀积过程中发生反应，从而形成所需高价化合物薄膜的方法。不仅用于热分解严重，而且用于因饱和蒸气压较低而难以采用电阻加热蒸发的材料。反应蒸发法制备薄膜由于是利用在基板表面析出的吸附的活性气体分子和原子之间的反应，因此可以在较低的温度下完成，又因在反应过程中不太强化析出和凝聚作用，因此易于得到较为均匀分散的化合物薄膜。2-4合金及化合物的蒸发22化合物的蒸发2．三温度法从原理上讲，就是双蒸发源蒸发法。把III-V族化合物半导体材料置于坩埚内加热蒸发时，温度在沸点以上，半导体材料就会发生热分解，分溜出组分元素，淀积在基板上的膜层会偏离化合物的化学计量比。这种方法是分别控制低蒸气压元素（III）的蒸发源温度TM、高蒸气压元素（V）的蒸发源温度TV和基板温度TS，一共三个温度，这就是所谓的三温度法名称的由来。2-4合金及化合物的蒸发23化合物的蒸发3．分子束外延镀膜法（MBE）外延是一种制备单晶薄膜的新技术，它是在适当的衬底与合适条件下，沿衬底材料晶轴方向生长一层结晶结构完整的新单晶薄膜的方法，新生单晶层叫做外延层。分子束外延法是在超高真空条件下，将薄膜诸组元素的分子束流，直接喷到衬底表面，从而在其上形成外延层的技术，是新发展起来的外延制膜方法。优点:能生长极薄的单晶膜层，且能够精确控制膜厚、组分和掺杂。适于制作微波、光电和多层结构器件，从而为集成光电和超大规模集成电路的发展提供了有效手段。2-4合金及化合物的蒸发24化合物的蒸发2-4合金及化合物的蒸发25化合物的蒸发衬底材料是影响外延层质量的重要因素。外延薄膜和衬底为同一物质的称为“同质外延”，两者不相同的称为“异质外延”。对衬底有如下要求：1、衬底与外延膜的结构匹配：外延材料与衬底材料的晶体结构相同或相近、晶格常数失配小、结晶性能好、缺陷密度低;2、衬底与外延膜的热膨胀系数匹配：热膨胀系数的匹配非常重要，外延膜与衬底材料在热膨胀系数上相差过大不仅可能使外延膜质量下降，还会在器件工作过程中，由于发热而造成器件的损坏;3、衬底与外延膜的化学稳定性匹配：衬底材料要有好的化学稳定性，在外延生长的温度和气氛中不易分解和腐蚀，不能因为与外延膜的化学反应使外延膜质量下降;4、材料制备的难易程度及成本的高低：考虑到产业化发展的需要，衬底材料的制备要求简洁，成本不宜很高。衬底尺寸一般不小于2英寸。2-4合金及化合物的蒸发26谢谢！Thanksforlistening！