物理气相沉积真空蒸发技术学习教案.pptx

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1、会计学1物理气相沉积物理气相沉积(chnj)真空蒸发技术真空蒸发技术第一页，共44页。一、电阻一、电阻一、电阻一、电阻(dinz(dinz)蒸发源蒸发源蒸发源蒸发源 蒸发源材料的要求蒸发源材料的要求1）熔熔点点要要高高，熔熔点点要要高高于于被被蒸蒸发发物物质质 的的 蒸蒸 发发 温温 度度（多多 在在10002000）；）；2）饱饱和和蒸蒸气气压压低低，减减少少蒸蒸发发源源材材料料蒸蒸气气的的污污染染。要要求求：蒸蒸发发材材料料的的蒸蒸发发温温度度低低于于蒸蒸发发源源材材料料在在平平衡衡蒸蒸气气压为压为10-8托时的温度托时的温度;3）化学性能稳定，不与镀料反应）化学性能稳定，不与镀料反应;4

2、）耐耐热热性性好好，热热源源(ryun)变变化化时时，功率密度变化较小功率密度变化较小;5）经济耐用。）经济耐用。第1页/共44页第二页，共44页。金属电阻蒸发金属电阻蒸发金属电阻蒸发金属电阻蒸发(zhngf)(zhngf)源源源源材料材料材料材料加工性：W最差，室温很脆，需400高温(gown)退火Mo好Ta最好第2页/共44页第三页，共44页。金属蒸发金属蒸发金属蒸发金属蒸发(zhngf)(zhngf)源与镀料的源与镀料的源与镀料的源与镀料的反应反应反应反应例子(l zi)：钽与金；铝、铁、镍、钴等与钨、钼、钽。改进方法：陶瓷坩埚陶瓷(toc)坩埚的性能第3页/共44页第四页，共44页。镀

3、料熔化后，若有沿蒸发源扩展的倾向时，两者是浸镀料熔化后，若有沿蒸发源扩展的倾向时，两者是浸镀料熔化后，若有沿蒸发源扩展的倾向时，两者是浸镀料熔化后，若有沿蒸发源扩展的倾向时，两者是浸润润润润(jnrn)(jnrn)的。反之，是不浸润的。反之，是不浸润的。反之，是不浸润的。反之，是不浸润(jnrn)(jnrn)的。浸润的。浸润的。浸润的。浸润(jnrn)(jnrn)时，为面蒸发源，蒸发状态稳定。不侵润时，时，为面蒸发源，蒸发状态稳定。不侵润时，时，为面蒸发源，蒸发状态稳定。不侵润时，时，为面蒸发源，蒸发状态稳定。不侵润时，为点蒸发源，若用丝式蒸发源时镀料易脱落。为点蒸发源，若用丝式蒸发源时镀料易

4、脱落。为点蒸发源，若用丝式蒸发源时镀料易脱落。为点蒸发源，若用丝式蒸发源时镀料易脱落。镀料与蒸发(zhngf)源的浸润性第4页/共44页第五页，共44页。各种形状的电阻各种形状的电阻各种形状的电阻各种形状的电阻(dinz(dinz)蒸蒸蒸蒸发源发源发源发源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(zhngf)加热丝的直径：0.5-1mm，特殊1.5mm,多股第5页/共44页第六页，共44页。2 2）蒸发）蒸发）蒸发）蒸发(zhngf)(zhngf)舟舟舟舟 用金属箔制成，箔厚0.05-0.15mm，可蒸发块状、丝

5、状、粉状镀料注意(zh y)避免局部过热，发生飞溅第6页/共44页第七页，共44页。3 3）外热坩埚）外热坩埚）外热坩埚）外热坩埚(gngu)(gngu)第7页/共44页第八页，共44页。电阻加热蒸发的缺点 1)支撑坩埚(gngu)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页第九页，共44页。二、电子束蒸发二、电子束蒸发二、电子束蒸发二、电子束蒸发(zhngf)(zhngf)源源源源 定定定定义义义义：将将将将镀镀镀镀料料料料放放放放入入入入水水水水冷冷冷冷

6、铜铜铜铜坩坩坩坩埚埚埚埚中中中中，利利利利用用用用高高高高能能能能电电电电子子子子束束束束轰轰轰轰击击击击(hngj)(hngj)镀镀镀镀料料料料，使其受热蒸发。使其受热蒸发。使其受热蒸发。使其受热蒸发。电阻(dinz)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页第十页，共44页。电子束加热电子束加热电子束加热电子束加热(ji r)(ji r)的特点的特点的特点的特点1.1.优点优点优点优点(yudi(yudi n)n)：1 1）采用聚焦电子束，功率密度高，可蒸发高熔点）采用聚焦电子束，功率密度高，可蒸发高熔点）采用聚焦电子束，功率密度高，可蒸发高熔

7、点）采用聚焦电子束，功率密度高，可蒸发高熔点 镀料（镀料（镀料（镀料（30003000以上）如以上）如以上）如以上）如WW，MoMo，GeGe，SiO2SiO2，Al2O3 Al2O3等。等。等。等。2 2）采用水冷坩埚，可避免坩埚材料的蒸发，及）采用水冷坩埚，可避免坩埚材料的蒸发，及）采用水冷坩埚，可避免坩埚材料的蒸发，及）采用水冷坩埚，可避免坩埚材料的蒸发，及 坩埚与镀料的反应，制得高纯度薄膜。坩埚与镀料的反应，制得高纯度薄膜。坩埚与镀料的反应，制得高纯度薄膜。坩埚与镀料的反应，制得高纯度薄膜。3 3）热量直接加在镀料上，热效率高，传导，辐射）热量直接加在镀料上，热效率高，传导，辐射）热量

8、直接加在镀料上，热效率高，传导，辐射）热量直接加在镀料上，热效率高，传导，辐射 的热损失少。的热损失少。的热损失少。的热损失少。第10页/共44页第十一页，共44页。2.缺点：缺点：1）电电子子枪枪发发出出的的一一次次电电子子和和蒸蒸发发材材料料(cilio)发出的二发出的二 次次电电子子会会使使蒸蒸发发原原子子和和残残留留气气体体电离，影响电离，影响 膜层质量。膜层质量。2）多多数数化化合合物物在在受受到到电电子子轰轰击击时时会会部分分解。部分分解。3）设备结构复杂，昂贵。）设备结构复杂，昂贵。4）当当加加速速电电压压过过高高时时产产生生软软X射射线线会对人体有伤害。会对人体有伤害。第11页

9、/共44页第十二页，共44页。3.电电 子子 束束 蒸蒸 发发(zhngf)源源的的结结构构环形枪：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(zhngf)污染；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页第十三页，共44页。直枪直枪直枪直枪轴对称的直线加速电子枪，阴极发射电子，阳极加速，缺点(qudin)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页第十四页，共44页。偏转偏转偏转偏转(pinzhu(pinzhu n)n)枪枪枪枪偏转(pinzhun)180 偏转(pinzhun

10、)270，e型枪第14页/共44页第十五页，共44页。e e型枪优点型枪优点型枪优点型枪优点(yudi(yudi n)n)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(wrn)，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(wrn)。5）可通过调节磁场改变电子束的轰击位置。第15页/共44页第十六页，共44页。三、高频感应三、高频感应三、高频感应三、高频感应(g(g nyng)nyng)蒸发源蒸发源蒸发源蒸发源 1.1.原理原理原理原理(yunl(yunl)将镀料放在坩埚中

11、，坩埚放在高频螺旋(luxun)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页第十七页，共44页。3.3.缺点：缺点：缺点：缺点：1 1）蒸发装置必须屏蔽，否则会对广播通讯产生影响。）蒸发装置必须屏蔽，否则会对广播通讯产生影响。）蒸发装置必须屏蔽，否则会对广播通讯产生影响。）蒸发装置必须屏蔽，否则会对广播通讯产生影响。2 2）线线线线圈圈圈圈附附附附近近近近压压压压强强强强超超超超过过过过10-2Pa10-2Pa时时时时，高高高高频频频频电电电电场场场场会会会会使使使使残残残残余余余余(cny)(cny)气气气气体电离。体电离。体电离。体

12、电离。3 3）高频发生器昂贵。）高频发生器昂贵。）高频发生器昂贵。）高频发生器昂贵。2.特点：1）蒸发速率(sl)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页第十八页，共44页。四、激光四、激光四、激光四、激光(jgung)(jgung)蒸发蒸发蒸发蒸发 1）加热温度(wnd)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

13、发。定义：利用高能激光作为(zuwi)热源来蒸镀薄膜1.优点：第18页/共44页第十九页，共44页。2.2.激光器激光器激光器激光器材料材料波长波长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

14、点(tdin)：波长短、脉宽短、频率低第19页/共44页第二十页，共44页。CO2CO2激光激光激光激光(jgung)(jgung)连续激光连续激光连续激光连续激光(jgung)(jgung)材料(cilio)表面温度：P:激光(jgung)功率r:反射率d:光点直径k:导热系数例：P=100W,r=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页第二十一页，共44页。3.3.脉冲脉冲脉冲脉冲(michng)(michng)激激激激光光光光特点(tdin)：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

15、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页第二十二页，共44页。脉冲脉冲脉冲脉冲(michng)(michng)激光烧蚀（激光烧蚀（激光烧蚀（激光烧蚀（Pulsed Laser Pulsed Laser AblationAblation）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(biomin)，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页第二十三页，共44页。4.PLA4.PLA成膜过程成膜过程成膜过程成膜过程(guchng)(guchng)1.激光表面熔蚀，使蒸发(

16、zhngf)粒子和等离子体产生2.蒸发(zhngf)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页第二十四页，共44页。(1)(1)激光与靶的作用激光与靶的作用激光与靶的作用激光与靶的作用(zuyng)(zuyng)过程过程过程过程 高强度脉冲(michng)激光照射靶材时，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(michng)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页第二十

17、五页，共44页。(2)(2)等离子体的定向等离子体的定向等离子体的定向等离子体的定向(dn(dn xin xin)局域等温绝热膨局域等温绝热膨局域等温绝热膨局域等温绝热膨胀发射胀发射胀发射胀发射 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(xngsh)，在空间中形成细长的等离子体羽辉。第25页/共44页第二十六页，共44页。(3)(3)在基板上沉积在基板上沉积在基板上沉积在基板上沉积(chnj)(chnj)形成形成形成形成

18、薄膜薄膜薄膜薄膜 在绝热膨胀的等离子体遇到(y do)靶对面的基板后即在上面凝结形成薄膜。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页第二十七页，共44页。5.PLA5.PLA的主要的主要的主要的主要(zh(zh yo)yo)特点特点特点特点 (1)PLA法可以生长和靶材成份(chng fn)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(zhungti)，不受激光加热的影响，从而

19、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间粘接系数不同所引起的成份偏离。第27页/共44页第二十八页，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(toc)、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(pn

20、l)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页第二十九页，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(snsh)作用相对减弱，因此PLA往往不要求在高真空下进行（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(wi m)-亚微米(wi m)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页第三十页，共44页。实际(shj)蒸发源的特点：点源

21、：电子束，激光蒸发(zhngf)小平面：蒸发(zhngf)舟，陶瓷坩埚（浸润）第30页/共44页第三十一页，共44页。五、合金五、合金五、合金五、合金(hjn)(hjn)(hjn)(hjn)及化合物的蒸发及化合物的蒸发及化合物的蒸发及化合物的蒸发 n n1 合金合金(hjn)的蒸发的蒸发 关键点：如何控制(kngzh)成分其中：GA、GB为蒸发速率；为饱和蒸气压第31页/共44页第三十二页，共44页。A、B两组份蒸发(zhngf)速率之比为：但 不知，假设合金中各成分的饱和(boh)蒸气压服从拉乌尔定律 nA、nB：合金(hjn)中A、B组分的摩尔数PA，PB为各组分单质的饱和蒸气压第32页/

22、共44页第三十三页，共44页。n n所以所以(suy)n n式中式中WA、WB为重量比为重量比n n 上式说明当合金成分一定时，上式说明当合金成分一定时，各组元的蒸发速率与各组元的蒸发速率与 成正比。成正比。第33页/共44页第三十四页，共44页。例例：1527时时蒸蒸发发(zhngf)镍镍铬合金（铬合金（Ni80%，Cr20%）。）。PCr=10-1TorrPNi=10-2Torr 在在蒸蒸发发(zhngf)初初期期，富富铬，导致薄膜有良好附着力。铬，导致薄膜有良好附着力。第34页/共44页第三十五页，共44页。（1 1）瞬时瞬时瞬时瞬时(shn sh)(shn sh)蒸蒸蒸蒸发法发法发法发

23、法 又又又又称称称称“闪闪闪闪蒸蒸蒸蒸法法法法”，将将将将细细细细小小小小的的的的合合合合金金金金颗颗颗颗粒粒粒粒(kl)(kl)，逐逐逐逐次次次次送送送送到到到到非非非非常常常常炽炽炽炽热热热热的的的的蒸蒸蒸蒸发发发发器器器器中中中中，使使使使颗颗颗颗粒粒粒粒(kl)(kl)在瞬间完全蒸发。在瞬间完全蒸发。在瞬间完全蒸发。在瞬间完全蒸发。常用于合金中元素的蒸发(zhngf)速率相差很大的场合。关键是选取粉末料的粒度，蒸发(zhngf)温度和进料的速率。第35页/共44页第三十六页，共44页。（2 2）双源或多源蒸发）双源或多源蒸发）双源或多源蒸发）双源或多源蒸发(zhngf)(zhngf)法

24、法法法 将将将将合合合合金金金金的的的的每每每每一一一一成成成成分分分分，分分分分别别别别装装装装入入入入各各各各自自自自的的的的蒸蒸蒸蒸发发发发源源源源中中中中，然然然然后后后后独独独独立立立立地地地地控控控控制制制制各各各各蒸蒸蒸蒸发发发发源源源源的的的的蒸蒸蒸蒸发发发发速速速速率率率率，以以以以控制薄膜的组成。控制薄膜的组成。控制薄膜的组成。控制薄膜的组成。为为为为了了了了使使使使膜膜膜膜厚厚厚厚均均均均匀匀匀匀，通常需要通常需要通常需要通常需要(xyo)(xyo)旋转。旋转。旋转。旋转。第36页/共44页第三十七页，共44页。2 2 化合物的蒸发化合物的蒸发化合物的蒸发化合物的蒸发(z

25、hngf)(zhngf)化合物的蒸发方式有三种化合物的蒸发方式有三种(sn zhn)：（1）电阻加热法；）电阻加热法；（2）反应蒸发法；）反应蒸发法；（3）双源或多源蒸发法）双源或多源蒸发法分子分子束外延。束外延。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(zhn q)压低，难于用电阻蒸发。第37页/共44页第三十八页，共44页。反应蒸发法反应蒸发法反应蒸发法反应蒸发法原理原理(yunl)：将将活活性性气气体体导导入入真真空空室室，使使之之与与被被蒸蒸发发的的金金属属原原子子，低低价价化化合合物物

26、分分子子在在基基板板表表面面反反应应，形形成成所需化合物薄膜。所需化合物薄膜。：第38页/共44页第三十九页，共44页。例：例：例：例：AlAl（蒸发）（蒸发）（蒸发）（蒸发）+O2+O2（活性气体）（活性气体）（活性气体）（活性气体）Al2O3Al2O3 Sn Sn（蒸发）（蒸发）（蒸发）（蒸发）+O2+O2（活性气体）（活性气体）（活性气体）（活性气体）SnO2SnO2 Si Si（蒸发）（蒸发）（蒸发）（蒸发）+C2H2+C2H2（活性气体）（活性气体）（活性气体）（活性气体）SiC SiC 反应的位置：反应的位置：反应的位置：反应的位置：A A）蒸发源表面，会降低蒸发速率，尽量避免）蒸

27、发源表面，会降低蒸发速率，尽量避免）蒸发源表面，会降低蒸发速率，尽量避免）蒸发源表面，会降低蒸发速率，尽量避免B B）源源源源与与与与基基基基片片片片之之之之间间间间，由由由由于于于于气气气气压压压压为为为为10-2Pa10-2Pa，=50cm=50cm反反反反应应应应的的的的几几几几率很小。率很小。率很小。率很小。C C）基片表面，气体的吸附）基片表面，气体的吸附）基片表面，气体的吸附）基片表面，气体的吸附(xf)(xf)时间比空间中气体时间比空间中气体时间比空间中气体时间比空间中气体 原子与蒸发原子碰撞的驰豫时间长得多。在原子与蒸发原子碰撞的驰豫时间长得多。在原子与蒸发原子碰撞的驰豫时间长

28、得多。在原子与蒸发原子碰撞的驰豫时间长得多。在 安装上将气体直接喷到基片表面。安装上将气体直接喷到基片表面。安装上将气体直接喷到基片表面。安装上将气体直接喷到基片表面。第39页/共44页第四十页，共44页。3 特殊特殊(tsh)的蒸发法的蒸发法 （1）电弧蒸发法）电弧蒸发法 在高真空(zhnkng)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页第四十一页，共44页。特点特点特点特点(tdi(tdi n)n)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(biny)。不足：适用于导电材料，蒸发速率难以控制，放电时飞溅的电极材料微粒会对膜层有影响。第41页/共44页第四十二页，共44页。（2）热壁）热壁法法 蒸发在石英管中进行，通常石英管温度比基片高，使蒸发原子、分子通过石英管被导向基板，生成薄膜。是个热平衡过程，可制备(zhbi)外延薄膜，但可控性、重复性差。第42页/共44页第四十三页，共44页。作业作业作业作业(zuy)(zuy)采用微小(wixio)平面蒸发源沉积薄膜，要求在直径为30mm的基板上薄膜的厚度的差别小于10，求基板应距离蒸发源多远放置？第43页/共44页第四十四页，共44页。