薄膜物理 蒸發(fā)源的類型PPT課件

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1、蒸發(fā)源的類型這樣高速運動的電子在一定的電磁場作用下，使之匯集成電子束并轟擊到蒸發(fā)材料的表面，使動能變?yōu)闊崮茈娮拥倪\動速度為NoImagesmU/1093. 55假如U = 10 kV, 則電子速度可達到6104 km/s當加速電壓很高時，產(chǎn)生的熱能可足以使蒸發(fā)材料氣化蒸發(fā)，從而成為真空蒸發(fā)的良好熱源第1頁/共28頁蒸發(fā)源的類型第2頁/共28頁蒸發(fā)源的類型電子束蒸發(fā)源的優(yōu)點(1) 電子束轟擊熱源的束流密度高，能獲得遠比電阻加熱源更大 的能量密度?？稍诓惶〉拿娣e上達到104109 W/cm2的功率 密度，因此使高熔點材料蒸發(fā) (溫度可達3000)。如蒸發(fā) W、 Mo、Ge、SiO2、Al2O3等

2、(2) 由于被蒸發(fā)材料是置于水冷坩堝內(nèi)，因而可避免容器材料的 蒸發(fā) ，以及容器材料與蒸鍍材料之間的反應，這對提高鍍膜 的純度極為重要(3) 熱量可直接加到蒸鍍材料的表面，因而熱效率高，熱傳導和 熱輻射的損失少第3頁/共28頁蒸發(fā)源的類型電子束蒸發(fā)源的缺點(1) 電子槍發(fā)出的一次電子和蒸發(fā)材料發(fā)出的二次電子會使蒸發(fā) 原子和殘余氣體電離，這有時會影響膜層質量 (可通過設計 和選用不同結構的電子槍加以解決)(2) 多數(shù)化合物在受到電子轟擊會部分發(fā)生分解，以及殘余氣體 分子和膜料分子部分地被電子所電離，將對薄膜的結構和性 質產(chǎn)生影響(3) 電子束蒸鍍裝置結構較復雜，設備價格較昂貴(4) 當加速電壓過高

3、時所產(chǎn)生的軟X射線對人體有一定傷害第4頁/共28頁蒸發(fā)源的類型第5頁/共28頁蒸發(fā)源的類型三、高頻感應蒸發(fā)源高頻感應蒸發(fā)源是將裝有蒸發(fā)材料的坩堝放在高頻螺旋線圈的中央，使蒸發(fā)材料在高頻電磁場的感應下產(chǎn)生強大的渦流損失和磁滯損失 (對鐵磁體)，致使蒸發(fā)材料升溫，直至氣化蒸發(fā)蒸發(fā)源一般由水冷高頻線圈和石墨或陶瓷坩堝組成，其原理如下圖所示第6頁/共28頁蒸發(fā)源的類型第7頁/共28頁蒸發(fā)源的類型第8頁/共28頁蒸發(fā)源的類型高頻感應蒸發(fā)源的特點(1) 蒸發(fā)速率大，可比電阻蒸發(fā)源大10倍左右(2) 蒸發(fā)源的溫度均勻穩(wěn)定，不易產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象 (3) 蒸發(fā)材料是金屬時，蒸發(fā)材料可產(chǎn)生熱量。因此，坩堝可選 用和蒸

4、發(fā)材料反應最小的材料 (4) 蒸發(fā)源一次裝料，無需送料機構，溫度控制比較容易，操作 比較簡單 第9頁/共28頁蒸發(fā)源的類型高頻感應蒸發(fā)源的缺點 (1) 蒸發(fā)裝置必須屏蔽，并需要較復雜和昂貴的高頻發(fā)生器 (2) 如果線圈附近的壓強超過10-2 Pa，高頻場就會使殘余氣體 電離，使功耗增大 第10頁/共28頁第四節(jié)合金及化合物的蒸發(fā)對于兩種以上元素組成的合金或化合物，在蒸發(fā)時如何控制成分，以獲得與蒸發(fā)材料化學比不變的膜層，是非常重要的問題利用蒸發(fā)法制備合金或化合物時，常需要考慮薄膜成分偏離蒸發(fā)材料成分的問題第11頁/共28頁合金及化合物的蒸發(fā)蒸發(fā)二元以上的合金及化合物的主要問題一、合金的蒸發(fā)蒸發(fā)材

5、料在氣化過程中，由于各成分的飽和蒸氣壓不同，會發(fā)生分解和分餾，從而引起薄膜成分的偏離合金中原子間的結合力小于在不同化合物中不同原子間的結合力。因而合金中各元素的蒸發(fā)過程可以近似看作各元素間相互獨立蒸發(fā)的過程，就像它們在純元素蒸發(fā)時的情況一樣。但即使如此，合金在蒸發(fā)和沉積過程中也會產(chǎn)生成分的偏差第12頁/共28頁合金及化合物的蒸發(fā)合金中各成分的蒸發(fā)速率為TMPGAAA058. 0(g/cm2s)TMPGBBB058. 0(g/cm2s)PA ：A成分在溫度T時的平衡蒸氣壓PB ：B成分在溫度T時的平衡蒸氣壓GA： A成分的蒸發(fā)速率GB： B成分的蒸發(fā)速率MA： A成分的摩爾質量MB： B成分的摩

6、爾質量第13頁/共28頁合金及化合物的蒸發(fā)BABABAMMPPGGA、B兩種成分的蒸發(fā)速率之比為要保證薄膜的成分與蒸發(fā)材料完全一致，必須使1BABAMMPP這一點很難做到第14頁/共28頁合金及化合物的蒸發(fā)AAAPXP BAAAnnnXBBBPXP 當AB二元合金的兩組元A-B 原子間的作用能與A-A或B-B原子間的作用能相等時，合金即是一種理想溶液 由理想溶液的拉烏爾定律，合金中組元A的平衡蒸氣壓PA將小于純組元A的蒸氣壓PA，并與該組元在合金中的摩爾分數(shù)成正比 BABBnnnX第15頁/共28頁合金及化合物的蒸發(fā)BABABAPPnnPPBAAAmmmWBABBmmmW設mA、mB分別為組元

7、金屬A、B在合金中的質量，WA、WB為在合金中的濃度BBAABABAMnMnmmWW第16頁/共28頁合金及化合物的蒸發(fā)ABBABABAMMWWPPPPABBABABAMMWWPPGG因此，合金中組元A、B的蒸發(fā)速率之比為上式表明，在二元合金中兩個組元金屬蒸發(fā)速率之比，在該組元濃度或百分含量一定情況下，與該組元的 值成正比MP/第17頁/共28頁合金及化合物的蒸發(fā)一般的合金均不是一種理想溶液，拉烏爾定律對合金往往不完全適用，要引用所謂的活度系數(shù)S來進行修正，但活度系數(shù)S為未知，可由實驗測定 通常還是采用上式來估計合金蒸發(fā)的分餾量 第18頁/共28頁合金及化合物的蒸發(fā)CrNiNiCrNiCrNi

8、CrMMPPWWGG計算：處于1527下的鎳鉻合金(Ni 80%, Cr 20%)在PCr=10Pa, PNi=1Pa時，它們的蒸發(fā)速率之比 (MNi= 58.7 MCr = 52.0)在1527下開始蒸發(fā)時，鉻的初始蒸發(fā)速率為鎳的2.7倍。隨著鉻的迅速蒸發(fā)，GCr/GNi會逐漸減小，最終會小于1這種分餾現(xiàn)象的出現(xiàn)使得靠近基板的膜是富鉻的7 . 20 .527 .581108020第19頁/共28頁合金及化合物的蒸發(fā)已知在1350的溫度下，Al的蒸氣壓高于Cu，因而為了獲得Al-2%Cu(質量分數(shù))成分的薄膜，需要使用的蒸發(fā)源大致應該是Al-13.6%Cu (質量分數(shù))對于初始確定的蒸發(fā)源來說

9、，由上式確定的組元蒸發(fā)速率之比隨著時間而發(fā)生變化這是因為易于蒸發(fā)的組元的優(yōu)先蒸發(fā)將造成該組元的不斷貧化，進而造成該組元蒸發(fā)速率的不斷下降第20頁/共28頁合金及化合物的蒸發(fā)NoImageAlCuCuAlCuAlCuAlMMPPWWGG計算：已知在1350 K的溫度下，Al-2%Cu合金(Al 98%, Cu 2%) 在PAl=210-4Pa, PCu=10-3Pa，它們的蒸發(fā)速率之比MAl= 27.0 MCu= 63.715277 .631010229834第21頁/共28頁合金及化合物的蒸發(fā)This mean that the 2wt% Cu-Al vapor stream requires

10、 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 f

11、lux 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 sustain

12、able, and this fact is a potential disadvantage of evaporation methods第22頁/共28頁合金及化合物的蒸發(fā)解決的辦法是什么？(2) 采用向蒸發(fā)容器中不斷地，但每次僅加入少量被蒸發(fā)物質的方法(1) 使用較多的物質作為蒸發(fā)源，盡量減少組元成分的相對變化率(3) 利用加熱不同溫度的雙蒸發(fā)源或多蒸發(fā)源的方法，分別控制和調(diào)節(jié)每個組元的蒸發(fā)速率，此方法用得較為普遍采用真空蒸發(fā)法制作預定組成的薄膜，經(jīng)常采用瞬時蒸發(fā)法、雙蒸發(fā)源法及合金升華法第23頁/共28頁合金及化合物的蒸發(fā)瞬時蒸發(fā)法又稱“閃爍”蒸發(fā)法。它是將細小的合金顆粒逐次送到非常熾

13、熱的蒸發(fā)器或坩堝中，使一個一個的顆粒實現(xiàn)瞬間完全蒸發(fā)優(yōu)點：能對合金元素的蒸發(fā)速率相差很大的場合，也能獲得成 分均勻的薄膜，還可以進行參雜蒸發(fā)等缺點：蒸發(fā)速率難于控制，且蒸發(fā)速率不能太快第24頁/共28頁合金及化合物的蒸發(fā)各種合金膜 (Ni-Cr合金膜)、-族、-族半導體化合物薄膜的制備MnSb、 MnSb-CrSb、CrTe 、Mn3Ge5等磁性金屬化合物的制備第25頁/共28頁合金及化合物的蒸發(fā)雙源或多源蒸發(fā)法是將要形成合金的每一成分，分別裝入各自的蒸發(fā)源中，然后獨立地控制各蒸發(fā)源的蒸發(fā)速率，使到達基板的各種原子與所需合金薄膜的組成相對應。為使薄膜厚度均勻，基板常需要轉動第26頁/共28頁合金及化合物的蒸發(fā)第27頁/共28頁感謝您的觀看。第28頁/共28頁