薄膜物理合金及化学物的蒸发.pptx

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1、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第1页/共38页合金及化合物的蒸发反应蒸发法主要用于制备高熔点的绝缘介质薄膜，如氧化物、氮化物和硅化物等(1)反应蒸发法反应蒸发法是将活性气体导入真空室，使活性气体的原子、分子和从蒸发源逸出的蒸发金属原子、低价化合物分子在基板表面沉积过程中发生反应，从而形成所需高价化合物的方法许多化合物在高温蒸发过程中会产生分解，例如直接蒸发Al2O3、TiO2等会产生失氧，宜采用反应蒸发法为宜第2页/共38页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

2、而难以采用电阻加热蒸发的材料第3页/共38页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)第4页/共38页合金及化合物的蒸发第5页/共38页合金及化合物的蒸发在反应蒸发法中，蒸发源原子或低价化合物分子与活性气体发生反应的地方有三种可能蒸发源表面的反应尽可能避免，因为它会导致蒸发速率的降低(1)蒸发源表面(2)蒸发源到基板的空间(3)基板表面活性反应气体所对应的平均自由程大于源基的距离，碰撞的几率即使达到50左右，但反应的可能性很小反应主要

3、发生在基板表面第6页/共38页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-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 度完整的薄膜结构第7页/共38页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第8页/共38页三、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

4、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第9页/共38页电弧蒸发法是制备高熔点薄膜的一种较为简便的方法，它是采用高熔点材料构成两个棒状电极，在高真空下通电使其发生电弧放电，使接触部分达到高温进行蒸发。它是一种自加热方法第10页/共38页优点：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第11页/共38页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

5、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，因此压强较高第12页/共38页第13页/共38页热壁法制备薄膜的优点热壁法主要用于-族、-和-族半导体化合物薄膜的制备(1)蒸发材料的损失保持在最小(2)生长管中可以得到洁净的环境(3)管内可以保持相对较高的气压(4)源与基板间的温差可以大幅度降低和分子束外延法制备薄膜相比，热壁法方法简便、价格便宜，但可控性和重复性较差第14页/共38页第15页/共38页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

6、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，使之加热汽化蒸发第16页/共38页合金及化合物的蒸发第17页/共38页合金及化合物的蒸发第18页/共38页合金及化合物的蒸发第19页/共38页激光蒸发法的特点(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

7、发温度，所 以激光蒸发不易出现分馏现象第20页/共38页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），则称为异质外延第21页/共38页第五节分子束外延镀膜法液相外延是使衬底与含有被沉积组分

8、的过饱和溶液相接触，从而获得外延生长的方法例如，要生长GaAs外延薄膜，可以将衬底浸入成分为90Ga-10%As(摩尔比)的液相中该方法的特点是简单易行，但具有外延层一致性和平整性较低，界面成分突变性较差等缺点第22页/共38页分子束外延(Molecular beam epitaxy)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第23页/共38页分子束外延镀膜法电子衍射仪和俄歇电

9、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第24页/共38页分子束外延镀膜法第25页/共38页分子束外延镀膜法分子束外延法镀膜的优点(1)由于系统是超高真空，因此残余气体不易进入膜层，薄膜纯 度高(2)外延生长可在低温下进行(3)可严格控制薄膜成分及掺杂浓度(4)能对薄膜进行原位检测分析第26页/共38页对衬底材料的要求：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

10、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第27页/共38页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第28页/共38页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

11、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第29页/共38页分子束外延镀膜法(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m/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

12、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第30页/共38页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30100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，放入下一批基片第31页/共38页AAA A A A AA H(1)H

13、ydrogenHe(2)HeliumLi(3)LithiumBe(4)Beryllium固体元素固体元素人造元素人造元素B(5)BoronC(6)Carbon N(7)NitrogenO(8)OxygenF(9)FluorineNe(10)NeonNa(11)SodiumMg(12)Magnesium气体元素气体元素液体元素液体元素Al(13)AluminumSi(14)SiliconP(15)PhosphorousS(16)SulfurCl(17)ChlorineAr(18)ArgonK(19)PotassiumCa(20)CalciumSc(21)ScandiumTi(22)Titaniu

14、mV(23)VanadiumCr(24)ChromiumMn(25)ManganeseFe(26)Iron Co(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

15、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(

16、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)MeitneriumUun Uuu Uub Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo Ce(58)Pr(59)Nd(60)NeodymiumPm(61)PromethiumSm(62)SamariumEu(63)E

17、uropiumGd(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)FermiumMd(101)MendeleviumN

18、o(102)NobeliumLr(103)ThuliumBBBBB.B.BB第32页/共38页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 有机半导体第33页/共38页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Si Ge Se周期表中有12种元素具有半导体性质Si Ge Se Te As Sb Sn B C P I S第34页/共38页半导体薄膜材料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)化合物半导体Al Ga In与P As Sb组成的九种化合物半导体AlP AlAs GaAs GaSb InP InAs InSb等(2)

19、化合物半导体Zn Cd Hg与S Se Te组成的12种化合物CdS CdTe CdSe等第35页/共38页半导体薄膜材料(3)化合物半导体GeS SnTe GeSe PbS PbTe等九种AsSe3 AsTe3 AsS3 SbS3等(4)化合物半导体(5)化合物半导体(6)金属氧化物半导体主要有CuO2 ZnO SnO2等(7)过渡金属氧化物半导体ScO TiO2 V2O5 Cr2O3 Mn2O3 FeO CoO NiO等(8)尖晶石型化合物(9)稀土氧、硫、硒、碲化合物第36页/共38页半导体薄膜材料2 非晶态半导体非晶Si、非晶Ge、非晶Te、非晶Se等元素半导体，以及GeTe、As2Te3、Se4Te、Se2As3、As2SeTe等非晶化合物半导体第37页/共38页感谢您的观看。第38页/共38页