物理气相沉积真空蒸发技术PPT学习教案

1、会计学1物理气相沉积真空蒸发技术物理气相沉积真空蒸发技术度变化较小度变化较小;5）经济耐用。）经济耐用。第1页/共44页加工性：W最差，室温很脆，需400高温退火Mo好Ta最好第2页/共44页例子：钽与金； 铝、铁、镍、钴等与钨、钼、钽。改进方法：陶瓷坩埚陶瓷坩埚的性能第3页/共44页镀料与蒸发源的浸润性第4页/共44页1）丝式 a)、b)要求浸润性，镀料为丝状。但浸润好意味着有轻微合金化，只能用1次。 c)不要求浸润性，镀料可丝状、块状蒸发加热丝的直径：0.5-1mm，特殊1.5mm,多股第5页/共44页 用金属箔制成，箔厚0.05-0.15mm，可蒸发块状、丝状、粉状镀料注意避免局部过热，

2、发生飞溅第6页/共44页第7页/共44页电阻加热蒸发的缺点 1)支撑坩埚及材料与蒸发物反反应; 2) 难以获得足够高的温度使某些难熔金属和氧化物如氧化铝，氧化钛等蒸发； 3）蒸发率低； 4）加热时合金化或化合物分解，hence, 不能制备高纯度薄膜第8页/共44页电阻蒸发源的缺点 1）不能蒸发某些难熔金 属和氧化物 2）不能制备高纯度薄膜第9页/共44页第10页/共44页3）设备结构复杂，昂贵。）设备结构复杂，昂贵。4）当加速电压过高时产生软）当加速电压过高时产生软X射线射线会对人体有伤害。会对人体有伤害。第11页/共44页环形枪：环状阴极发射电子，结构简单缺点：阴极与坩埚近，阴极材料的蒸发污

3、染； 阴极与坩埚加有高压，导致闪火、辉光放电， 并随蒸气压力和电压增加，导致功率、效率不高第12页/共44页轴对称的直线加速电子枪，阴极发射电子，阳极加速，缺点是体积大，成本高，蒸镀材料会污染枪体，灯丝逸出的Na+离子污染膜层。 第13页/共44页偏转180 偏转270，e型枪第14页/共44页1）电子束偏转180 以上，多为270 ， 避免了镀膜材料对枪体的污染，并给镀 膜留出了更大的空间。2）收集极使正离子对膜的影响减少。3）吸收极使二次电子对基板的轰击减少。4）阴极结构防止极间放电，又避免了灯丝 污染。5）可通过调节磁场改变电子束的轰击位置。第15页/共44页 将镀料放在坩埚中，坩埚放在

4、高频螺旋线圈的中央，使镀料在高频电磁场的感应下产生涡流损失和磁滞损失（对铁磁体）而升温蒸发。 第16页/共44页2. 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）镀料是金属时，自身产生热量，坩锅可选用与蒸发材料反应最小的材料。第17页/共44页1）加热温度高，可蒸发任何吸收激光的材料（如石墨，熔点为3500 ）。2）采用非接触式加热，避免了蒸发源的污染，非常适宜于制备高纯薄膜。3）蒸发速率可极高（如Si，可得到106/s ）。4）方便于多源顺序蒸发或多源共蒸发。定义：利用高能激光作为热源来蒸镀薄膜1.优点：第18页/共44页材料材料波长波长

5、脉宽脉宽脉冲频率脉冲频率功率功率连续激光器连续激光器CO210.6m/100W脉冲脉冲激光器激光器准分子激光准分子激光红宝石红宝石YAGNd玻璃玻璃XeFXeClKrFArF6943 1.06m可调可调351nm308nm248nm193nm30ns200ns0.4ms20-30ns25-30ns0.2Hz1000-20000.1Hz1-20Hz5Hz10Hz104W/cm2105-106105W/cm20.1-1J650mJ3-4J准分子激光的特点：波长短、脉宽短、频率低第19页/共44页材料表面温度：dPrTs/)1 (2P:激光功率r:反射率d:光点直径k:导热系数例：P=100W,r=

6、0，d=1mm,k=50W/mk石墨表面1000 ，改用粉末状镀料，导热系数下降1个量级Read textbook!第20页/共44页特点：闪烁蒸发，有利于控制化学成分和防止分解；又由于材料气化时间短，不足以使周围材料达到蒸发温度，所以不易出现分馏现象。第21页/共44页定义：将准分子激光器所产生的高强度脉冲激光束聚焦于靶材表面，使之产生高温并熔蚀，并进一步产生高温高压等离子体，等离子体作定向局域膨胀发射并在衬底上淀积形成薄膜。第22页/共44页1. 激光表面熔蚀，使蒸发粒子和等离子体产生2.蒸发粒子和等离子体的定向局域等温膨胀发射 3. 在基板上沉积形成薄膜 第23页/共44页 高强度脉冲激

7、光照射靶材时，靶材吸收激光束能量并使束斑处的靶材温度迅速升高至蒸发温度以上，使靶材气化蒸发并电离，从而形成局域化的高浓度蒸发粒子与等离子混合体。在纳秒级短脉冲激光的作用期间，靶体内束斑处原子的扩散和液相的对流来不及发生，靶材的各组份元素一致气化，不出现分馏现象。第24页/共44页 靶表面等离子体区继续吸收激光的能量，产生进一步的电离，等离子体区的温度和压力迅速升高，以等温（激光作用时）和绝热（激光终止时）膨胀的方式沿靶面轴线向空间中传播，传播的速度可高达105106cm/s，具有瞬间爆炸的形式，在空间中形成细长的等离子体羽辉。第25页/共44页 在绝热膨胀的等离子体遇到靶对面的基板后即在上面凝

8、结形成薄膜。等离子体能量在10103eV之间，其最可几分布为60100 eV，远远高于常规蒸发和溅射产物的能量。第26页/共44页 (1)PLA法可以生长和靶材成份一致的多元化合物薄膜，甚至是含有易挥发元素的多元化合物薄膜。其原因有三：由于采用闪烁蒸发，脉冲作用时间短，重复频率低，表面熔蚀区只有110m，而靶的其他部分（包括夹具、垫板等）处于绝热状态，不受激光加热的影响，从而保证了蒸发原子与靶材的一致性；由于等离子体的瞬间爆炸式发射，以及等离子体沿轴向空间的约束效应，防止了在输运过程中出现的成份偏析；成膜的原子、分子和离子具有极快的运动速度，增强了原子间的结合力，消除了由于不同种类原子与衬底之

9、间粘接系数不同所引起的成份偏离。 第27页/共44页 (2)准分子激光波长短，其辐射频率位于紫外波段，易于被金属、氧化物、陶瓷、玻璃、高分子材料和塑料等多种材料吸收。用其加热可以达到极高的温度，可蒸发任何高熔点材料，并且可以获得很高的沉积速率(1050nm/min)。 蒸发粒子与等离子混合体能量高，入射原子在衬底表面的扩散剧烈。并且由于脉冲频率低，使得成膜原子的扩散时间也足够长。因此薄膜的附着力好，易于在低温下实现外延生长，特别适合于制作高温超导、铁电、压电、电光等功能薄膜。第28页/共44页 由于等离子混合体具有极高的前向速度，真空室中残留气体的散射作用相对减弱，因此PLA往往不要求在高真空

10、下进行（例如，制备YBa2Cu3O7-高温超导薄膜的本底真空通常为10Pa），简化了设备，缩短了生产周期。PLA的缺点：(1)薄膜表面存在微米-亚微米尺度的颗粒物；(2)制备的薄膜面积较小；(3)某些靶膜成分不一致。第29页/共44页实际蒸发源的特点：点源：电子束，激光蒸发小平面：蒸发舟，陶瓷坩埚（浸润）第30页/共44页关键点：如何控制成分)/(058. 02scmgTMPGAAA)/(058. 02scmgTMPGBBB其中：GA、GB为蒸发速率； 为饱和蒸气压APBP第31页/共44页A、B两组份蒸发速率之比为：BABABAMMPPGG但 不知，假设合金中各成分的饱和蒸气压服从拉乌尔定律

11、APBP nA、nB：合金中A、B组分的摩尔数BAAAAnnnPPBABBBnnnPPPA，PB为各组分单质的饱和蒸气压第32页/共44页ABBABABABABABAMMWWPPMMnnPPGGMP/第33页/共44页1220 1058.72.880 1052.0crcrcrNiNiNiNicrGWRMGWPM第34页/共44页 常用于合金中元素的蒸发速率相差很大的场合。 关键是选取粉末料的粒度，蒸发温度和进料的速率。第35页/共44页为了使膜为了使膜厚均匀，通常厚均匀，通常需要旋转。需要旋转。第36页/共44页电阻加热的缺点：A）化合物的熔点较高，电阻加热温度不够。B）许多化合物在高温下会分解，如Al2O3，TiO2等会失氧。C) 有些化合物饱和蒸气压低，难于用电阻蒸发。第37页/共44页：第38页/共44页第39页/共44页 在高真空下，将镀料做成两个棒状电极，通电使其发生电弧放电，使接触部分达到高温而蒸发。第40页/共44页优点：可蒸发高熔点材料，克服了电阻加热可能存在的污染及反应，又比电子束蒸发便宜。不足：适用于导电材料，蒸发速率