薄膜物理课件2蒸发源的类型

蒸发源的类型蒸发源的类型二、电子束蒸发源二、电子束蒸发源电阻加热蒸发源缺点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，则有若不考虑发射电子的初速度，则有Uem221U：电子的加速电压：电子的加速电压e：电荷：电荷10-19C)m:电子的质量电子的质量10-28g)蒸发源的类型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电子的运动速度为smU/1093.55假如假如U=10 kV,则电子速度可达到则电子速度可达到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蒸发源的类型蒸发源的类型电子束蒸发源的优点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的能量密度。可在不太小的面积上达到104109 W/cm2的功率的功率 密度，因此使高熔点材料蒸发密度，因此使高熔点材料蒸发(温度可达温度可达3000)。如蒸发。如蒸发 W、Mo、Ge、SiO2、Al2O3等等(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 蒸发蒸发，以及容器材料与蒸镀材料之间的反应，这对提高镀膜，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 热辐射的损失少热辐射的损失少蒸发源的类型蒸发源的类型电子束蒸发源的缺点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原子和残余气体电离，这有时会影响膜层质量(可通过设计可通过设计 和选用不同结构的电子枪加以解决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当加速电压过高时所产生的软X射线对人体有一定伤害射线对人体有一定伤害蒸发源的类型蒸发源的类型蒸发源的类型蒸发源的类型三、高频感应蒸发源三、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损失和磁滞损失(对铁磁体对铁磁体)，致使蒸发材料升温，直至气化，致使蒸发材料升温，直至气化蒸发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，其原理如下图所示如下图所示蒸发源的类型蒸发源的类型蒸发源的类型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高频感应蒸发源的特点的特点(1)蒸发速率大，可比电阻蒸发源大蒸发速率大，可比电阻蒸发源大10倍左右倍左右(2)蒸发源的温度均匀稳定，不易产生飞溅现象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 比较简单比较简单 蒸发源的类型蒸发源的类型高频感应蒸发源的高频感应蒸发源的缺点缺点 (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如果线圈附近的压强超过10-2 Pa，高频场就会使残余气体，高频场就会使残余气体 电离，使功耗增大电离，使功耗增大 第四节合金及化合物的蒸发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离蒸发材料成分的问题合金及化合物的蒸发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蒸发二元以上的合金及化合物的主要问题一、合金的蒸发一、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及化合物的蒸发合金中各成分的蒸发速率为合金中各成分的蒸发速率为TMPGAAA058.0(g/cm2s)TMPGBBB058.0(g/cm2s)PA：A成分在温度成分在温度T时的平衡蒸气压时的平衡蒸气压PB：B成分在温度成分在温度T时的平衡蒸气压时的平衡蒸气压GA：A成分的蒸发速率成分的蒸发速率GB：B成分的蒸发速率成分的蒸发速率MA：A成分的摩尔质量成分的摩尔质量MB：B成分的摩尔质量成分的摩尔质量合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发BABABAMMPPGGA、B两种成分的蒸发速率之比为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，必须使要保证薄膜的成分与蒸发材料完全一致，必须使1BABAMMPP这一点很难做到这一点很难做到合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发AAAPXP BAAAnnnXBBBPXP 当当AB二元合金的两组元二元合金的两组元A-B 原子间的作用能与原子间的作用能与A-A或或B-B原原子间的作用能相等时，合金即是一种理想溶液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，合金中组元由理想溶液的拉乌尔定律，合金中组元A的平衡蒸气压的平衡蒸气压PA将将小于纯组元小于纯组元A的蒸气压的蒸气压PA，并与该组元在合金中的摩尔分数，并与该组元在合金中的摩尔分数成正比成正比 BABBnnnX合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发BABABAPPnnPPBAAAmmmWBABBmmmW设设mA、mB分别为组元金属分别为组元金属A、B在合金中的质量，在合金中的质量，WA、WB为为在合金中的浓度在合金中的浓度BBAABABAMnMnmmWW合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发ABBABABAMMWWPPPPABBABABAMMWWPPGG因此，合金中组元因此，合金中组元A、B的蒸发速率之比为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，与该组元的组元浓度或百分含量一定情况下，与该组元的 值成值成正比正比MP/合金及化合物的蒸发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完全适用，要引用所谓的活度系数S来进行修正，但活度系来进行修正，但活度系数数S为未知，可由实验测定为未知，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合金及化合物的蒸发CrNiNiCrNiCrNiCrMMPPWWGG计算：处于计算：处于1527下的镍铬合金下的镍铬合金(Ni 80%,Cr 20%)在在PCr=10Pa,PNi=1Pa时，它们的蒸发速率之比时，它们的蒸发速率之比(MNi=58.7 MCr=52.0)在在1527下开始蒸发时，铬下开始蒸发时，铬的初始蒸发速率为的初始蒸发速率为镍镍的倍。的倍。随着铬的迅速蒸发，随着铬的迅速蒸发，GCr/GNi会逐渐减小，最终会小于会逐渐减小，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种分馏现象的出现使得靠近基板的膜是富铬的7.20.527.581108020合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发已知在已知在1350的温度下，的温度下，Al的蒸气压高于的蒸气压高于Cu，因而为了获得，因而为了获得Al-2%Cu(质量分数质量分数)成分的薄膜，需要使用的蒸发源大致应成分的薄膜，需要使用的蒸发源大致应该是该是Al-13.6%Cu(质量分数质量分数)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合金及化合物的蒸发AlCuCuAlCuAlCuAlMMPPWWGG计算：已知在计算：已知在1350 K的温度下，的温度下，Al-2%Cu合金合金(Al 98%,Cu 2%)在在PAl=210-4Pa,PCu=10-3Pa，它们的蒸发速率之比，它们的蒸发速率之比MAl=27.0 MCu15277.631010229834合金及化合物的蒸发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合金及化合物的蒸发解决的办法是什么？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法、双蒸发源法及合金升华法合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发瞬时蒸发法又称瞬时蒸发法又称“闪烁闪烁”蒸发法。它是将细小的合金颗粒逐次蒸发法。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蒸发合金及化合物的蒸发各种合金膜各种合金膜(Ni-Cr合金膜合金膜)、-族、族、-族半导体化族半导体化合物薄膜的制备合物薄膜的制备MnSb、MnSb-CrSb、CrTe、Mn3Ge5等磁性等磁性金属化合物的制备金属化合物的制备合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发双源或多源蒸发法是将要形成合金的每一成分，分别装入各自双源或多源蒸发法是将要形成合金的每一成分，分别装入各自的蒸发源中，然后独立地控制各蒸发源的蒸发速率，使到达基的蒸发源中，然后独立地控制各蒸发源的蒸发速率，使到达基板的各种原子与所需合金薄膜的组成相对应。为使薄膜厚度均板的各种原子与所需合金薄膜的组成相对应。为使薄膜厚度均匀，基板常需要转动匀，基板常需要转动合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发