薄膜物理2蒸源的類型課件

1、薄膜物理2蒸發(fā)源的類型蒸發(fā)源的類型蒸發(fā)源的類型二、電子束蒸發(fā)源二、電子束蒸發(fā)源電阻加熱蒸發(fā)源缺點(diǎn)電阻加熱蒸發(fā)源缺點(diǎn)(1) 來(lái)自加熱裝置、坩堝等可能造成的污染來(lái)自加熱裝置、坩堝等可能造成的污染(2) 電阻加熱法的加熱功率或加熱溫度也有一定的限制電阻加熱法的加熱功率或加熱溫度也有一定的限制電子束蒸發(fā)克服了電阻加熱法的上述兩個(gè)缺點(diǎn)，特別適合制備電子束蒸發(fā)克服了電阻加熱法的上述兩個(gè)缺點(diǎn)，特別適合制備高熔點(diǎn)薄膜材料和高純薄膜材料高熔點(diǎn)薄膜材料和高純薄膜材料要制備純度很高的薄膜材料，以及蒸鍍某些難熔金屬和氧化要制備純度很高的薄膜材料，以及蒸鍍某些難熔金屬和氧化物材料時(shí)，采用電阻加熱蒸發(fā)源不能滿足要求物材料

2、時(shí)，采用電阻加熱蒸發(fā)源不能滿足要求薄膜物理2蒸發(fā)源的類型蒸發(fā)源的類型蒸發(fā)源的類型電子束蒸發(fā)是將蒸發(fā)材料放入水冷銅坩堝中，直接利用電子束電子束蒸發(fā)是將蒸發(fā)材料放入水冷銅坩堝中，直接利用電子束加熱，使蒸發(fā)材料氣化蒸發(fā)后凝結(jié)在基板表面成膜，是真空蒸加熱，使蒸發(fā)材料氣化蒸發(fā)后凝結(jié)在基板表面成膜，是真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)的一種重要的加熱方法和發(fā)展方向發(fā)鍍膜技術(shù)的一種重要的加熱方法和發(fā)展方向電子束加熱原理與特點(diǎn)電子束加熱原理與特點(diǎn)電子束加熱原理是基于電子在電場(chǎng)作用下，獲得動(dòng)能轟擊處于電子束加熱原理是基于電子在電場(chǎng)作用下，獲得動(dòng)能轟擊處于陽(yáng)極的蒸發(fā)材料上，使蒸發(fā)材料加熱氣化，從而實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)鍍膜陽(yáng)極的蒸發(fā)材料上，使蒸

3、發(fā)材料加熱氣化，從而實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)鍍膜若不考慮發(fā)射電子的初速度，則有若不考慮發(fā)射電子的初速度，則有Uem221U：電子的加速電壓：電子的加速電壓e：電荷：電荷(1.610-19C)m: 電子的質(zhì)量電子的質(zhì)量(9.110-28g)薄膜物理2蒸發(fā)源的類型蒸發(fā)源的類型蒸發(fā)源的類型這樣高速運(yùn)動(dòng)的電子在一定的電磁場(chǎng)作用下，使之匯集成電這樣高速運(yùn)動(dòng)的電子在一定的電磁場(chǎng)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(dòng)能變?yōu)闊崮茏邮⑥Z擊到蒸發(fā)材料的表面，使動(dòng)能變?yōu)闊崮茈娮拥倪\(yùn)動(dòng)速度為電子的運(yùn)動(dòng)速度為smU/1093. 55假如假如U = 10 kV, 則電子速度可達(dá)到則電子速度可達(dá)到6104 km/s當(dāng)加速電

4、壓很高時(shí)，產(chǎn)生的熱能可足以使蒸發(fā)材料氣化蒸當(dāng)加速電壓很高時(shí)，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)的良好熱源發(fā)，從而成為真空蒸發(fā)的良好熱源薄膜物理2蒸發(fā)源的類型蒸發(fā)源的類型蒸發(fā)源的類型薄膜物理2蒸發(fā)源的類型蒸發(fā)源的類型蒸發(fā)源的類型電子束蒸發(fā)源的優(yōu)點(diǎn)電子束蒸發(fā)源的優(yōu)點(diǎn)(1) 電子束轟擊熱源的束流密度高，能獲得遠(yuǎn)比電阻加熱源更大電子束轟擊熱源的束流密度高，能獲得遠(yuǎn)比電阻加熱源更大 的能量密度?？稍诓惶〉拿娣e上達(dá)到的能量密度?？稍诓惶〉拿娣e上達(dá)到104109 W/cm2的功率的功率 密度，因此使高熔點(diǎn)材料蒸發(fā)密度，因此使高熔點(diǎn)材料蒸發(fā) (溫度可達(dá)溫度可達(dá)3000)。如蒸發(fā)。如蒸發(fā)

5、W、 Mo、Ge、SiO2、Al2O3等等(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)蒸發(fā) ，以及容器材料與蒸鍍材料之間的反應(yīng)，這對(duì)提高鍍膜，以及容器材料與蒸鍍材料之間的反應(yīng)，這對(duì)提高鍍膜 的純度極為重要的純度極為重要(3) 熱量可直接加到蒸鍍材料的表面，因而熱效率高，熱傳導(dǎo)和熱量可直接加到蒸鍍材料的表面，因而熱效率高，熱傳導(dǎo)和 熱輻射的損失少熱輻射的損失少薄膜物理2蒸發(fā)源的類型蒸發(fā)源的類型蒸發(fā)源的類型電子束蒸發(fā)源的缺點(diǎn)電子束蒸發(fā)源的缺點(diǎn)(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(huì)使蒸發(fā)電子槍發(fā)出的一次電子和蒸

6、發(fā)材料發(fā)出的二次電子會(huì)使蒸發(fā) 原子和殘余氣體電離，這有時(shí)會(huì)影響膜層質(zhì)量原子和殘余氣體電離，這有時(shí)會(huì)影響膜層質(zhì)量 (可通過(guò)設(shè)計(jì)可通過(guò)設(shè)計(jì) 和選用不同結(jié)構(gòu)的電子槍加以解決和選用不同結(jié)構(gòu)的電子槍加以解決)(2) 多數(shù)化合物在受到電子轟擊會(huì)部分發(fā)生分解，以及殘余氣體多數(shù)化合物在受到電子轟擊會(huì)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(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)和性分子和膜料分子部分地被電子所電離，將對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)和性 質(zhì)產(chǎn)生影響質(zhì)產(chǎn)生影響(3) 電子束蒸鍍裝置結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，設(shè)備價(jià)格較昂貴電子束蒸鍍裝置結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，設(shè)備價(jià)格較昂貴(4) 當(dāng)加速電壓過(guò)高時(shí)所產(chǎn)生的軟當(dāng)加速電壓過(guò)高時(shí)所產(chǎn)生的軟X射線對(duì)人體有

7、一定傷害射線對(duì)人體有一定傷害薄膜物理2蒸發(fā)源的類型蒸發(fā)源的類型蒸發(fā)源的類型薄膜物理2蒸發(fā)源的類型蒸發(fā)源的類型蒸發(fā)源的類型三、高頻感應(yīng)蒸發(fā)源三、高頻感應(yīng)蒸發(fā)源高頻感應(yīng)蒸發(fā)源是將裝有蒸發(fā)材料的坩堝放在高頻螺旋線圈高頻感應(yīng)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(chǎng)的感應(yīng)下產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流的中央，使蒸發(fā)材料在高頻電磁場(chǎng)的感應(yīng)下產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流損失和磁滯損失損失和磁滯損失 (對(duì)鐵磁體對(duì)鐵磁體)，致使蒸發(fā)材料升溫，直至氣化，致使蒸發(fā)材料升溫，直至氣化蒸發(fā)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，其原理如下圖所示如下圖所

8、示薄膜物理2蒸發(fā)源的類型蒸發(fā)源的類型蒸發(fā)源的類型薄膜物理2蒸發(fā)源的類型蒸發(fā)源的類型蒸發(fā)源的類型薄膜物理2蒸發(fā)源的類型蒸發(fā)源的類型蒸發(fā)源的類型高頻感應(yīng)蒸發(fā)源高頻感應(yīng)蒸發(fā)源的特點(diǎn)的特點(diǎn)(1) 蒸發(fā)速率大，可比電阻蒸發(fā)源大蒸發(fā)速率大，可比電阻蒸發(fā)源大10倍左右倍左右(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(shí)，蒸發(fā)材料可產(chǎn)生熱量。因此，坩堝可選蒸發(fā)材料是金屬時(shí)，蒸發(fā)材料可產(chǎn)生熱量。因此，坩堝可選 用和蒸發(fā)材料反應(yīng)最小的材料用和蒸發(fā)材料反應(yīng)最小的材料 (4) 蒸發(fā)源一次裝料，無(wú)需送料機(jī)構(gòu)，溫度控制比較容易，操作蒸發(fā)源一次裝料，無(wú)需送料機(jī)

9、構(gòu)，溫度控制比較容易，操作 比較簡(jiǎn)單比較簡(jiǎn)單 薄膜物理2蒸發(fā)源的類型蒸發(fā)源的類型蒸發(fā)源的類型高頻感應(yīng)蒸發(fā)源的高頻感應(yīng)蒸發(fā)源的缺點(diǎn)缺點(diǎn) (1) 蒸發(fā)裝置必須屏蔽，并需要較復(fù)雜和昂貴的高頻發(fā)生器蒸發(fā)裝置必須屏蔽，并需要較復(fù)雜和昂貴的高頻發(fā)生器 (2) 如果線圈附近的壓強(qiáng)超過(guò)如果線圈附近的壓強(qiáng)超過(guò)10-2 Pa，高頻場(chǎng)就會(huì)使殘余氣體，高頻場(chǎng)就會(huì)使殘余氣體 電離，使功耗增大電離，使功耗增大 薄膜物理2蒸發(fā)源的類型第四節(jié)合金及化合物的蒸發(fā)第四節(jié)合金及化合物的蒸發(fā)對(duì)于兩種以上元素組成的合金或化合物，在蒸發(fā)時(shí)如何控對(duì)于兩種以上元素組成的合金或化合物，在蒸發(fā)時(shí)如何控制成分，以獲得與蒸發(fā)材料化學(xué)比不變的膜層，是

10、非常重制成分，以獲得與蒸發(fā)材料化學(xué)比不變的膜層，是非常重要的問(wèn)題要的問(wèn)題利用蒸發(fā)法制備合金或化合物時(shí)，常需要考慮薄膜成分偏利用蒸發(fā)法制備合金或化合物時(shí)，常需要考慮薄膜成分偏離蒸發(fā)材料成分的問(wèn)題離蒸發(fā)材料成分的問(wèn)題薄膜物理2蒸發(fā)源的類型合金及化合物的蒸發(fā)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(wèn)題蒸發(fā)二元以上的合金及化合物的主要問(wèn)題一、合金的蒸發(fā)一、合金的蒸發(fā)蒸發(fā)材料在氣化過(guò)程中，由于各成分的飽和蒸氣壓不同，會(huì)發(fā)蒸發(fā)材料在氣化過(guò)程中，由于各成分的飽和蒸氣壓不同，會(huì)發(fā)生分解和分餾，從而引起薄膜成分的偏離生分解和分餾，從而引起薄膜成分的偏離合金中原子間的結(jié)合力小于在不同化合物中不同原子間的

11、結(jié)合合金中原子間的結(jié)合力小于在不同化合物中不同原子間的結(jié)合力。因而合金中各元素的蒸發(fā)過(guò)程可以近似看作各元素間相互力。因而合金中各元素的蒸發(fā)過(guò)程可以近似看作各元素間相互獨(dú)立蒸發(fā)的過(guò)程，就像它們?cè)诩冊(cè)卣舭l(fā)時(shí)的情況一樣。但即獨(dú)立蒸發(fā)的過(guò)程，就像它們?cè)诩冊(cè)卣舭l(fā)時(shí)的情況一樣。但即使如此，合金在蒸發(fā)和沉積過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生成分的偏差使如此，合金在蒸發(fā)和沉積過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生成分的偏差薄膜物理2蒸發(fā)源的類型合金及化合物的蒸發(fā)合金及化合物的蒸發(fā)合金中各成分的蒸發(fā)速率為合金中各成分的蒸發(fā)速率為TMPGAAA058. 0(g/cm2s)TMPGBBB058. 0(g/cm2s)PA ：A成分在溫度成分在溫度T時(shí)的平衡

12、蒸氣壓時(shí)的平衡蒸氣壓PB ：B成分在溫度成分在溫度T時(shí)的平衡蒸氣壓時(shí)的平衡蒸氣壓GA： A成分的蒸發(fā)速率成分的蒸發(fā)速率GB： B成分的蒸發(fā)速率成分的蒸發(fā)速率MA： A成分的摩爾質(zhì)量成分的摩爾質(zhì)量MB： B成分的摩爾質(zhì)量成分的摩爾質(zhì)量薄膜物理2蒸發(fā)源的類型合金及化合物的蒸發(fā)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(diǎn)很難做到這一點(diǎn)很難做到薄膜物理2蒸發(fā)源的類型合金及化合物的蒸發(fā)合金及化合物的蒸發(fā)AAAPXP BAAAnnnXBBBPXP

13、當(dāng)當(dāng)AB二元合金的兩組元二元合金的兩組元A-B 原子間的作用能與原子間的作用能與A-A或或B-B原原子間的作用能相等時(shí)，合金即是一種理想溶液子間的作用能相等時(shí)，合金即是一種理想溶液 由理想溶液的拉烏爾定律，合金中組元由理想溶液的拉烏爾定律，合金中組元A的平衡蒸氣壓的平衡蒸氣壓PA將將小于純組元小于純組元A的蒸氣壓的蒸氣壓PA，并與該組元在合金中的摩爾分?jǐn)?shù)，并與該組元在合金中的摩爾分?jǐn)?shù)成正比成正比 BABBnnnX薄膜物理2蒸發(fā)源的類型合金及化合物的蒸發(fā)合金及化合物的蒸發(fā)BABABAPPnnPPBAAAmmmWBABBmmmW設(shè)設(shè)mA、mB分別為組元金屬分別為組元金屬A、B在合金中的質(zhì)量，在合金

14、中的質(zhì)量，WA、WB為為在合金中的濃度在合金中的濃度BBAABABAMnMnmmWW薄膜物理2蒸發(fā)源的類型合金及化合物的蒸發(fā)合金及化合物的蒸發(fā)ABBABABAMMWWPPPPABBABABAMMWWPPGG因此，合金中組元因此，合金中組元A、B的蒸發(fā)速率之比為的蒸發(fā)速率之比為上式表明，在二元合金中兩個(gè)組元金屬蒸發(fā)速率之比，在該上式表明，在二元合金中兩個(gè)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，與該組元的組元濃度或百分含量一定情況下，與該組元的 值成值成正比正比MP/薄膜物理2蒸發(fā)源的類型合金及化合物的蒸發(fā)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(duì)合金往往不一般的

15、合金均不是一種理想溶液，拉烏爾定律對(duì)合金往往不完全適用，要引用所謂的活度系數(shù)完全適用，要引用所謂的活度系數(shù)S來(lái)進(jìn)行修正，但活度系來(lái)進(jìn)行修正，但活度系數(shù)數(shù)S為未知，可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定為未知，可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定 通常還是采用上式來(lái)估計(jì)合金蒸發(fā)的分餾量通常還是采用上式來(lái)估計(jì)合金蒸發(fā)的分餾量 薄膜物理2蒸發(fā)源的類型合金及化合物的蒸發(fā)合金及化合物的蒸發(fā)CrNiNiCrNiCrNiCrMMPPWWGG計(jì)算：處于計(jì)算：處于1527下的鎳鉻合金下的鎳鉻合金(Ni 80%, Cr 20%)在在PCr=10Pa, PNi=1Pa時(shí)，它們的蒸發(fā)速率之比時(shí)，它們的蒸發(fā)速率之比 (MNi= 58.7 MCr = 52.0)在在15

16、27下開(kāi)始蒸發(fā)時(shí)，鉻下開(kāi)始蒸發(fā)時(shí)，鉻的初始蒸發(fā)速率為的初始蒸發(fā)速率為鎳鎳的的2.7倍。倍。隨著鉻的迅速蒸發(fā)，隨著鉻的迅速蒸發(fā)，GCr/GNi會(huì)逐漸減小，最終會(huì)小于會(huì)逐漸減小，最終會(huì)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薄膜物理2蒸發(fā)源的類型合金及化合物的蒸發(fā)合金及化合物的蒸發(fā)已知在已知在1350的溫度下，的溫度下，Al的蒸氣壓高于的蒸氣壓高于Cu，因而為了獲得，因而為了獲得Al-2%Cu(質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù))成分的薄膜，需要使用的蒸發(fā)源大致應(yīng)成分的薄膜，需要使用的蒸發(fā)源大致應(yīng)該是該是Al-13.6%C

17、u (質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù))對(duì)于初始確定的蒸發(fā)源來(lái)說(shuō)，由上式確定的組元蒸發(fā)速率之對(duì)于初始確定的蒸發(fā)源來(lái)說(shuō)，由上式確定的組元蒸發(fā)速率之比隨著時(shí)間而發(fā)生變化比隨著時(shí)間而發(fā)生變化這是因?yàn)橐子谡舭l(fā)的組元的優(yōu)先蒸發(fā)將造成該組元的不斷貧這是因?yàn)橐子谡舭l(fā)的組元的優(yōu)先蒸發(fā)將造成該組元的不斷貧化，進(jìn)而造成該組元蒸發(fā)速率的不斷下降化，進(jìn)而造成該組元蒸發(fā)速率的不斷下降薄膜物理2蒸發(fā)源的類型合金及化合物的蒸發(fā)合金及化合物的蒸發(fā)AlCuCuAlCuAlCuAlMMPPWWGG計(jì)算：已知在計(jì)算：已知在1350 K的溫度下，的溫度下，Al-2%Cu合金合金(Al 98%, Cu 2%) 在在PAl=210-4Pa, PCu=1

18、0-3Pa，它們的蒸發(fā)速率之比，它們的蒸發(fā)速率之比MAl= 27.0 MCu= 63.715277 .631010229834薄膜物理2蒸發(fā)源的類型合金及化合物的蒸發(fā)合金及化合物的蒸發(fā)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

19、 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,

20、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薄膜物理2蒸發(fā)源的類型合金及化合物的蒸發(fā)合金及化合物的蒸發(fā)解決的辦法是什么？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(zhì)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(zhì)的方法的方法(1) 使用較多的物質(zhì)作為蒸發(fā)源，盡量減少組元成分的相對(duì)變使用較多的物質(zhì)作為蒸發(fā)源，盡量減少組元成分的相對(duì)變化率化率(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(gè)組元的蒸發(fā)速率，此方法用得較為普遍制和調(diào)節(jié)每個(gè)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(yù)定組成的薄膜，經(jīng)常采用瞬時(shí)蒸發(fā)采用真空蒸發(fā)法