薄膜物理课件2蒸发源的类型.ppt

蒸发源的类型,二、电子束蒸发源,电阻加热蒸发源缺点 (1) 来自加热装置、坩埚等可能造成的污染 (2) 电阻加热法的加热功率或加热温度也有一定的限制,电子束蒸发克服了电阻加热法的上述两个缺点，特别适合制备 高熔点薄膜材料和高纯薄膜材料,要制备纯度很高的薄膜材料，以及蒸镀某些难熔金属和氧化 物材料时，采用电阻加热蒸发源不能满足要求,蒸发源的类型,电子束蒸发是将蒸发材料放入水冷铜坩埚中，直接利用电子束 加热，使蒸发材料气化蒸发后凝结在基板表面成膜，是真空蒸 发镀膜技术的一种重要的加热方法和发展方向,电子束加热原理与特点,电子束加热原理是基于电子在电场作用下，获得动能轰击处于 阳极的蒸发材料上，使蒸发材料加热气化，从而实现蒸发镀膜,若不考虑发射电子的初速度，则有,U：电子的加速电压 e：电荷(1.610-19C) m: 电子的质量(9.110-28g),蒸发源的类型,这样高速运动的电子在一定的电磁场作用下，使之汇集成电 子束并轰击到蒸发材料的表面，使动能变为热能,电子的运动速度为,假如U = 10 kV, 则电子速度可达到6104 km/s,当加速电压很高时，产生的热能可足以使蒸发材料气化蒸 发，从而成为真空蒸发的良好热源,蒸发源的类型,蒸发源的类型,电子束蒸发源的优点,(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 的能量密度。可在不太小的面积上达到104109 W/cm2的功率 密度，因此使高熔点材料蒸发 (温度可达3000)。如蒸发 W、 Mo、Ge、SiO2、Al2O3等,(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,蒸发源的类型,电子束蒸发源的缺点,(1) 电子枪发出的一次电子和蒸发材料发出的二次电子会使蒸发 原子和残余气体电离，这有时会影响膜层质量 (可通过设计 和选用不同结构的电子枪加以解决),(2) 多数化合物在受到电子轰击会部分发生分解，以及残余气体 分子和膜料分子部分地被电子所电离，将对薄膜的结构和性 质产生影响,(3) 电子束蒸镀装置结构较复杂，设备价格较昂贵,(4) 当加速电压过高时所产生的软X射线对人体有一定伤害,蒸发源的类型,蒸发源的类型,三、高频感应蒸发源,高频感应蒸发源是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,蒸发源一般由水冷高频线圈和石墨或陶瓷坩埚组成，其原理 如下图所示,蒸发源的类型,蒸发源的类型,蒸发源的类型,高频感应蒸发源的特点,(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。因此，坩埚可选 用和蒸发材料反应最小的材料,(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,蒸发源的类型,高频感应蒸发源的缺点,(1) 蒸发装置必须屏蔽，并需要较复杂和昂贵的高频发生器,(2) 如果线圈附近的压强超过10-2 Pa，高频场就会使残余气体 电离，使功耗增大,第四节 合金及化合物的蒸发,对于两种以上元素组成的合金或化合物，在蒸发时如何控 制成分，以获得与蒸发材料化学比不变的膜层，是非常重 要的问题,利用蒸发法制备合金或化合物时，常需要考虑薄膜成分偏 离蒸发材料成分的问题,合金及化合物的蒸发,蒸发二元以上的合金及化合物的主要问题,一、合金的蒸发,蒸发材料在气化过程中，由于各成分的饱和蒸气压不同，会发 生分解和分馏，从而引起薄膜成分的偏离,合金中原子间的结合力小于在不同化合物中不同原子间的结合 力。因而合金中各元素的蒸发过程可以近似看作各元素间相互 独立蒸发的过程，就像它们在纯元素蒸发时的情况一样。但即 使如此，合金在蒸发和沉积过程中也会产生成分的偏差,合金及化合物的蒸发,合金中各成分的蒸发速率为,(g/cm2s),(g/cm2s),PA ：A成分在温度T时的平衡蒸气压 PB ：B成分在温度T时的平衡蒸气压 GA： A成分的蒸发速率 GB： B成分的蒸发速率 MA： A成分的摩尔质量 MB： B成分的摩尔质量,合金及化合物的蒸发,A、B两种成分的蒸发速率之比为,要保证薄膜的成分与蒸发材料完全一致，必须使,这一点很难做到,合金及化合物的蒸发,当AB二元合金的两组元A-B 原子间的作用能与A-A或B-B原 子间的作用能相等时，合金即是一种理想溶液,由理想溶液的拉乌尔定律，合金中组元A的平衡蒸气压PA将 小于纯组元A的蒸气压PA，并与该组元在合金中的摩尔分数 成正比,合金及化合物的蒸发,设mA、mB分别为组元金属A、B在合金中的质量，WA、WB为 在合金中的浓度,合金及化合物的蒸发,因此，合金中组元A、B的蒸发速率之比为,上式表明，在二元合金中两个组元金属蒸发速率之比，在该 组元浓度或百分含量一定情况下，与该组元的 值成 正比,合金及化合物的蒸发,一般的合金均不是一种理想溶液，拉乌尔定律对合金往往不 完全适用，要引用所谓的活度系数S来进行修正，但活度系 数S为未知，可由实验测定,通常还是采用上式来估计合金蒸发的分馏量,合金及化合物的蒸发,计算：处于1527下的镍铬合金(Ni 80%, Cr 20%)在PCr=10Pa, PNi=1Pa时，它们的蒸发速率之比 (MNi= 58.7 MCr = 52.0),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,合金及化合物的蒸发,已知在1350的温度下，Al的蒸气压高于Cu，因而为了获得 Al-2%Cu(质量分数)成分的薄膜，需要使用的蒸发源大致应 该是Al-13.6%Cu (质量分数),对于初始确定的蒸发源来说，由上式确定的组元蒸发速率之 比随着时间而发生变化,这是因为易于蒸发的组元的优先蒸发将造成该组元的不断贫 化，进而造成该组元蒸发速率的不断下降,合金及化合物的蒸发,计算：已知在1350 K的温度下，Al-2%Cu合金(Al 98%, Cu 2%) 在PAl=210-4Pa, PCu=10-3Pa，它们的蒸发速率之比MAl= 27.0 MCu= 63.7,合金及化合物的蒸发,This mean that the 2wt% Cu-Al vapor stream requires a melt with a 15:1 molar ratio of Al to Cu. In order to compensate for the preferential vaporization of Al the original melt composition must be enriched to 13.6wt% Cu. But the calculation only holds for the first instant of time. With successive loss of the volatile melt component, the evaporant flux changes in concert, and if nothing is done a graded film of varying composition will deposit, i.e., the desired stoichimetry at the substrate interface, and layers increasingly richer in Cu above it. Clearly, the desired steady-state deposition of alloys having uniform composition is not sustainable, and this fact is a potential disadvantage of evaporation methods,合金及化合物的蒸发,解决的办法是什么？,(2) 采用向蒸发容器中不断地，但每次仅加入少量被蒸发物质的方法,(1) 使用较多的物质作为蒸发源，尽量减少组元成分的相对变化率,(3) 利用加热不同温度的双蒸发源或多蒸发源的方法，分别控制和调节每个组元的蒸发速率，此方法用得较为普遍,采用真空蒸发法制作预定组成的薄膜，经常采用瞬时蒸发 法、双蒸发源法及合金升华法,合金及化合物的蒸发,瞬时蒸发法又称“闪烁”蒸发法。它是将细小的合金颗粒逐次 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,优点：能对合金元素的蒸发速率相差很大的场合，也能获得成 分均匀的薄膜，还可以进行参杂蒸发等,缺点：蒸发速率难于控制，且蒸发速率不能太快,合金及化合物的