薄膜物理(3)合金及化学物的蒸发课件

合金及化合物的蒸发化合物在蒸发过程中，蒸发出来的物质蒸气可能具有完全不同于固态或液态化合物的成分。气相分子还可能发生一系列的化合与分解过程。二、化合物的蒸发发生上述现象的直接后果是沉积的薄膜成分可能偏离原来的化学组成合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发化合物的蒸发法有四种(1)电阻加热法(2)瞬时蒸发法(3)反应蒸发法(4)双源或多源蒸发法－三温度法和分子束外延法合金及化合物的蒸发反应蒸发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合金及化合物的蒸发在空气中或O2气氛中蒸发SiO制备SiO2薄膜在N2气氛中蒸发Zr制备ZrN薄膜Al(激活蒸气)＋O2(激活蒸气)Al2O3(固相沉积)Sn(激活蒸气)＋O2(激活蒸气)SnO2(固相沉积)合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发三温度法和分子束外延法主要用于制备单晶半导体化合物薄膜，特别是Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物薄膜、超晶薄膜以及各种单晶外延薄膜的制备(2)双源或多源蒸发法－三温度法和分子束外延法三温度法从原理上讲是双蒸发源蒸发法三温度蒸发法是分别控制低蒸气压元素的蒸发源温度、高蒸气压元素的蒸发源温度和基板温度的蒸发方法超晶格：由不同的单晶体薄层周期性地交替外延所形成的高度完整的薄膜结构合金及化合物的蒸发三温度蒸发法很难得到外延单晶薄膜，这种方法目前应用较少三、特殊的蒸发法1.电弧蒸发法上述缺点可由电子束蒸发法加以解决，但所需设备昂贵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优点：可蒸发包括高熔点金属在内的所有导电材料，可简单快速制备无污染的薄膜，也不会引起由于蒸发源辐射而造成基板温度升高的问题缺点：难于控制蒸发速率；放电时所飞溅出微米级大小的电极材料会影响被沉积薄膜的均匀性热壁法是利用加热的石英管等(热壁)把蒸发分子或原子从蒸发源导向基板，进而生成薄膜2.热壁法特点：在热平衡状态下成膜；通过加热源材料与基板材料间的容器壁来实现的通常，热壁较基板处于更高的温度。整个系统置于高真空中，但由于蒸发管内有蒸发物质，因此压强较高3.激光蒸发法使用高功率的激光束作为能源来进行蒸发镀膜的方法，从本质上讲，也是一种真空蒸发镀膜法高能量的激光束透过窗口进入真空室，经棱镜或凹面镜聚焦，照射到蒸发材料上，使之加热汽化蒸发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(1)激光加热可以达到极高的温度，可蒸发任何高熔点的材料，且可获得很高的蒸发速率(2)由于采用非接触式加热，激光器可以安放在真空室外，既完全避免了蒸发源的污染，又简化了真空室，非常适宜在高真空下制备高纯薄膜(3)利用激光束加热能够对某些化合物或合金进行闪烁蒸发，有利于保证膜成分的化学计量比或防止分解；又由于材料气化时间短促，不足以使四周材料达到蒸发温度，所以激光蒸发不易出现分馏现象第五节分子束外延镀膜法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层薄膜的方法，新生单晶层叫做外延层。典型的外延方法有液相外延法、气相外延法和分子束外延法外延来自希腊词(epi)和(taxis)，(epi)意思是“在┄上面”，(taxis)意思是排列。如果基片与薄膜的材料相同（例如在单晶Ge上生长Ge膜）则说是自外延（同质外延）；如果薄膜与基片是两种不同的材料（例如在NaCl上生长Al膜），则称为异质外延分子束外延(Molecularbeamepitaxy)是在超高真空条件下，将薄膜诸组分元素的分子束流直接喷射到衬底表面，从而在其上形成外延层的技术。从本质上讲，它属于物理气相沉积的真空蒸发镀膜方法分子束外延镀膜法与传统的真空蒸发镀膜法不同的是，分子束外延具有超高真空，并配有原位监测和分析系统，能获得高质量的单晶薄膜分子束外延镀膜法电子衍射仪和俄歇电子能谱仪用来监测与研究外延层单晶的生长过程，评价结晶质量和进行成分分析主要由工作室、分子束喷射炉和各种监控仪器组成四极质谱仪用来检测分子束流量液N2是为了提高真空度并对各个喷射炉实施热隔离且减小对基板的热辐射的影响电子枪是用来监测膜厚分子束外延镀膜法对衬底材料的要求：分子束外延镀膜法(1)要求晶格类型和晶格常数尽可能与外延材料相近(2)在沉积温度下稳定，不发生热分解(3)不受外延材料及其蒸气的侵蚀(4)和外延材料有相近的热膨胀系数分子束外延镀膜法超高真空的环境控制外延膜生长的重要条件严格控制适合的衬底温度各喷射炉的加热温度分子束的强度和种类分子束外延镀膜的特点：分子束外延镀膜法(1)MBE虽然也是一个以气体分子运动论为基础的蒸发过程，但它不是以蒸发温度为控制参数，而是以系统中的四极质谱仪、原子吸收光谱等近代分析仪器，精密地监控分子束的种类和强度，从而严格控制生长过程和生长速率(2)MBE是一个超高真空的物理沉积过程，既不需要考虑中间化学反应，又不受质量传输的影响，并且利用快门可对生长和中断瞬时调整。膜的组分和掺杂浓度可随源的变化作迅速调整(3)MBE的衬底温度低，因此降低了界面上热膨胀引入的晶格失配效应和衬底杂质对外延层的自掺杂和扩散的影响分子束外延镀膜法(4)MBE是动力学过程，即将入射的中性粒子(原子或分子)一个一个地堆积在衬底上进行生长，而不是一个热力学过程，所以它可生长按照普通热平衡生长方法难以生长的薄膜(5)MBE的另一显著特点是生长速率低，大约１μm/h，相当于每秒生长一个单原子层，因此有利于实现精确控制厚度、结构与成分和形成陡峭异质结等。MBE特别适于生长超晶格材料

(6)MBE是在一个超高真空环境中进行的，而且衬底和分子束源相隔较远，因此可用多种表面分析仪器实时观察生长面上的成分结构及生长过程，有利于科学研究

MBE已在固体微波器件、光电器件、多层周期结构器件和单分子层薄膜等方面的研制得到广泛应用

真空蒸发镀膜法操作步骤：(1)放置基片(2)排气(3)加热基片(要想快，可以从排气开始后立即进行加热，但为慎重起见，最好在获得高真空后开始加热)(4)蒸发源除气(供给蒸发源蒸法所需的30％～100％的电功率)(5)蒸镀(旋转基片，供给蒸发源所需电能，打开挡板)(6)达到所要求的膜厚之后，关闭挡板，停止供给蒸发源和基片电能(7)经过必要的冷却时间之后，取出基片，放入下一批基片ⅠAⅡAⅢAⅣAⅤAⅥAⅦAⅧAH(1)HydrogenHe(2)HeliumLi(3)LithiumBe(4)Beryllium固体元素人造元素B(5)BoronC(6)CarbonN(7)NitrogenO(8)OxygenF(9)FluorineNe(10)NeonNa(11)SodiumMg(12)Magnesium气体元素液体元素Al(13)AluminumSi(14)SiliconP(15)PhosphorousS(16)SulfurCl(17)ChlorineAr(18)ArgonK(19)PotassiumCa(20)CalciumSc(21)ScandiumTi(22)TitaniumV(23)VanadiumCr(24)ChromiumMn(25)ManganeseFe(26)IronCo(27)Cobalt

Ni(28)NickelCu(29)CopperZn(30)ZincGa(31)GalliumGe(32)GermaniumAs(33)ArsenicSe(34)SeleniumBr(35)BromineKr(36)Krypton

Rb(37)RubidiumSr(38)StrontiumY(39)YttriumZr(40)ZirconiumNb(41)NiobiumMo(42)MolybdenumTc(43)TechnetiumRu(44)Ruthenium

Rh(45)RhodiumPd(46)PalladiumAg(47)SilverCd(48)Cadmium

In(49)IndiumSn(50)TinSb(51)AntimonyTe(52)TelluriuI(53)IodineXe(54)Xenon

Cs(55)CesiumBa(56)BariumLa(57-71)LanthanumHf(72)HafniumTa(73)TantalumW(74)TungstenRe(75)RheniumOs(76)OsmiumIr(77)IridiumPt(78)PlatinumAu(79)GoldHg(80)MercuryTl(81)ThalliumPb(82)LeadBi(83)BismuthPo(84)PoloniumAt(85)AstatineRn(86)RadonFr(87)FranciumRa(88)RadiumAc(89-103)ActiniumRf(104)RutherfordiumDb(105)DubniumSg(106)SeaborgiumBh(107)BohriiumHs(108)HassiumMt(109)MeitneriumUunUuuUubUutUuqUupUuhUusUuo

Ce(58)Pr(59)Nd(60)NeodymiumPm(61)PromethiumSm(62)SamariumEu(63)EuropiumGd(64)GadoliniumTb(65)TerbiumDy(66)DysprosiumHo(67)HolmiumEr(68)ErbiumTm(69)ThuliumYb(70)YtterbiumLu(71)LutetiumTh(90)ThoriumPa(91)ProactiniumU(92)UraniumNp(93)NeptuniumPu(94)PlutoniumAm(95)AmericiumCm(96)CuriumBk(97)BerkeliumCf(98)CaliforniumEs(99)EinsteiniumFm(100)Fermium

Md(101)MendeleviumNo(102)NobeliumLr(103)ThuliumⅢBⅣBⅤBⅥBⅦB....ⅧB....ⅠBⅡB半导体薄膜材料半导体材料的分类：1无机半导体2非晶态半导体3有机半导体半导体薄膜材料无机半导体晶体材料1元素半导体晶体有实际用途的只有SiGeSe周期表中有12种元素具有半导体性质SiGeSeTeAsSbSnBCPIS半导体薄膜材料2化合物半导体及固溶体半导体有四千多种，大体可作如下分类：(1)Ⅲ－Ⅴ化合物半导体AlGaIn与PAsSb组成的九种化合物半导体AlPAlAsGaAsGaSbInPInAsInSb等(2)Ⅱ－Ⅵ化合物半导体ZnCdHg与SSeTe组成的12种化合物CdSCdTeCdSe等半导体薄膜材料(3)Ⅳ－Ⅳ化合物半导体GeSSnTeGeSePbSPbTe等九种AsSe3AsTe3