真空蒸發(fā)鍍膜蒸鍍

1、真空蒸發(fā)鍍膜蒸鍍第1頁，共40頁。 1.襯底加熱器；襯底加熱器；2.襯底；襯底；3. 原料；原料；4.料舟料舟，沉積，沉積；制制，可用于，可用于；可可，可對薄膜生長，可對薄膜生長過程和生長過程和生長。 膜膜，還可，還可；，膜與基片的，膜與基片的。第2頁，共40頁。( (淀積材料的淀積材料的) )：SVSV；蒸發(fā)源蒸發(fā)源基片上；基片上； VS VS ；淀積粒子在基片上重新排列或鍵合淀積粒子在基片上重新排列或鍵合。第3頁，共40頁。積分：積分： VTLdTdPv RT，PVVVV、1 汽汽液液固固汽汽2RTPLdTdPV TRLApV1ln （1）（2）第4頁，共40頁。圖圖8.2.2 幾種材料的

2、蒸氣壓幾種材料的蒸氣壓溫度曲線溫度曲線 第5頁，共40頁。 熱平衡條件下，熱平衡條件下，。 （1/cm2s） 成立條件：成立條件：S幾個幾個cm2，且，且P1PaMTPmkTPnNe2210513. 3241 (3)205.833 10/eeMGCmNCNPM TN (g/cm2s) (4) 第6頁，共40頁。與系統(tǒng)的與系統(tǒng)的有關(guān)有關(guān) 設(shè)：設(shè)：a. 忽略碰撞，直線運動；忽略碰撞，直線運動； b. rA 24cosrANNea (1/cm2s) (5) 2coscosrANNed (1/cm2s) (6) 、為蒸氣入射方向分別與蒸發(fā)表為蒸氣入射方向分別與蒸發(fā)表面和接收表面法向的夾角面和接收表面法

3、向的夾角 。圖圖8.2.3 、 角的意義角的意義第7頁，共40頁。時間內(nèi)，蒸發(fā)材料的總量：時間內(nèi)，蒸發(fā)材料的總量：m =ANe，密度：密度： 膜厚：膜厚： 令：令： ， 在在x=0處：處：cos =cos =122coscos44aeNANmtrr 2coscosrmt （7）（8）22/coscosxhhrh 204hmt 20hmt (點源點源) (9) (面源面源) (10) 第8頁，共40頁。(9) 代入代入(7)，可得，可得 ： 3302222cos44cosrhtrhhmrmt 2/320)/(1 hxtt沉積沉積 ：(點源點源) (11) 220)/(1 hxtt(面源面源) (

4、12) t0可以測量，可以測量，x,t,t第9頁，共40頁。2） cos 小，小，；，膜生長速率低，質(zhì)量，膜生長速率低，質(zhì)量不好；不好；3）膜質(zhì)）膜質(zhì)蒸發(fā)材料和蒸發(fā)材料和、；4）凈化處理：對）凈化處理：對；對；對。gggggTMPN 2210513. 3 (13)KPPArTMMTPPNNggggdg coscos2(14) （ g）第10頁，共40頁。l 由于各組分的飽和蒸氣壓不同，因而蒸發(fā)速率不同，造成沉積由于各組分的飽和蒸氣壓不同，因而蒸發(fā)速率不同，造成沉積膜的成分與母體不同（膜的成分與母體不同（），薄膜本身成分也隨厚度而變化），薄膜本身成分也隨厚度而變化（）。）。 設(shè)：設(shè)：物質(zhì)含物質(zhì)含

5、A，B成分，成分，MA、MB，PA、PB， 則由則由（3）式，得）式，得 ：ABBABABAMMPPCCNN (14)1），使之有利于凝聚而不是分凝；，使之有利于凝聚而不是分凝；2）選用幾個蒸發(fā)源，）選用幾個蒸發(fā)源，但控制困難；，但控制困難；3）氧化物，可采用）氧化物，可采用，引入活性氣體。，引入活性氣體。第11頁，共40頁。 ：在所需蒸發(fā)溫度下：在所需蒸發(fā)溫度下，；一般采用一般采用如鎢、鉭、鉬等材質(zhì)，常作成如鎢、鉭、鉬等材質(zhì)，常作成，如圖，如圖8.2.4所示。所示。；。圖圖8.2. 4 各種電阻加熱蒸發(fā)源各種電阻加熱蒸發(fā)源要求熔融的蒸發(fā)料能夠浸潤螺要求熔融的蒸發(fā)料能夠浸潤螺絲或者有足夠的表面

6、張力以防止掉落，它的優(yōu)絲或者有足夠的表面張力以防止掉落，它的優(yōu)點是可以從各個方向發(fā)射蒸氣。點是可以從各個方向發(fā)射蒸氣。的優(yōu)點是可蒸發(fā)不浸潤加熱器的的優(yōu)點是可蒸發(fā)不浸潤加熱器的材料，效率較高（相當(dāng)于小型平面蒸發(fā)源），缺材料，效率較高（相當(dāng)于小型平面蒸發(fā)源），缺點是只能向上蒸發(fā)。點是只能向上蒸發(fā)。第12頁，共40頁。圖圖8.2.5 電子束加熱蒸發(fā)源電子束加熱蒸發(fā)源電子束加熱蒸發(fā)源由：電子束加熱蒸發(fā)源由：、（膜料）（膜料）組成。組成。第13頁，共40頁。（1）可以）可以；（2）裝蒸發(fā)料的）裝蒸發(fā)料的，從而，從而 材料與容材料與容器的器的和容器材料的和容器材料的；（3），例如：鎢（，例如：鎢（Tm=3

7、380）、鉬）、鉬(Tm=2610)和鉭（和鉭（Tm=3000）等耐熱金屬材料。）等耐熱金屬材料。（1）裝置復(fù)雜；）裝置復(fù)雜；（2）蒸發(fā)蒸發(fā)；（3）被電子束被電子束。 第14頁，共40頁。會產(chǎn)生分餾，會產(chǎn)生分餾，例如：例如：鍍鍍A4B1 膜，已知：膜，已知： 控制鍍料成分：控制鍍料成分：A1B25, 保證：保證： A4B1膜料成分膜料成分 若：一次性加料，若：一次性加料，A消耗快；消耗快； 連續(xù)加料，保證熔池料為連續(xù)加料，保證熔池料為 A1B25, 從而膜料成分為從而膜料成分為A4B1；1:100:00 BAPP1:425:100: BAPP第15頁，共40頁。多數(shù)會分解多數(shù)會分解例如：例如：

8、A12O3 Al、AlO、(AlO)2、Al2O、O和和O2 等，等， 解決解決鍍膜速率快，可多塊同鍍，操作方便，參數(shù)易于控制，可適鍍膜速率快，可多塊同鍍，操作方便，參數(shù)易于控制，可適時監(jiān)控成膜過程，但膜與基片的結(jié)合強度不高，還存在分餾問題。時監(jiān)控成膜過程，但膜與基片的結(jié)合強度不高，還存在分餾問題。222H2TiCHC2Ti (15)第16頁，共40頁。Molecular Beam Epitaxy,縮寫為縮寫為 是指是指位向相同的同類位向相同的同類（同質(zhì)外（同質(zhì)外延），或者生長出具有共格或半共格聯(lián)系的異類單晶延），或者生長出具有共格或半共格聯(lián)系的異類單晶體（異質(zhì)外延）體（異質(zhì)外延）。 外延技術(shù)

9、，外延技術(shù)， 分為分為 可可獲得獲得同質(zhì)同質(zhì)異質(zhì)異質(zhì)第17頁，共40頁。圖圖8.2.6 分子束外延裝置分子束外延裝置 圖圖8.2.7 分子束外延裝置中分子束外延裝置中鍍料原子的行程鍍料原子的行程 圖圖8.2.8 普通蒸鍍裝置中普通蒸鍍裝置中鍍料原子的行程鍍料原子的行程 第18頁，共40頁?；兹∠蚧兹∠騿尉と∠?，應(yīng)力??；單晶膜取向，應(yīng)力??； 解理面新鮮，可減小污染，但有時也需要引入一點缺陷解理面新鮮，可減小污染，但有時也需要引入一點缺陷; ; a. 與與有關(guān)有關(guān) b. Te與蒸發(fā)速率有關(guān)，與蒸發(fā)速率有關(guān)， c. Te與表面粗糙度有關(guān)，與表面粗糙度有關(guān)，圖圖8.2.9 蒸發(fā)速率和基片溫度對蒸

10、發(fā)速率和基片溫度對Ge（111） 基片上所鍍基片上所鍍Ge膜結(jié)構(gòu)的影響膜結(jié)構(gòu)的影響 第19頁，共40頁。: 1870年，年，：1930年以后。年以后。讓讓（發(fā)射出粒子），再沉積到基（發(fā)射出粒子），再沉積到基 片上成膜；片上成膜；用用，將靶材原子打出來，再沉積到基，將靶材原子打出來，再沉積到基 片上成膜。片上成膜。第20頁，共40頁。，原則上任何物質(zhì)均可濺射，尤其是高，原則上任何物質(zhì)均可濺射，尤其是高 Tm、低分、低分解壓的材料；解壓的材料；，膜密度高，無氣孔，附著性好；，膜密度高，無氣孔，附著性好；，約，約0.010.5 m/min， 蒸鍍：蒸鍍： 0. 15 m/min 第21頁，共40頁。

11、圖圖8.2.10 輝光放電輝光放電； 10Pa一一1Pa；數(shù)百伏的電壓。；數(shù)百伏的電壓。放電產(chǎn)生的等離子體中的放電產(chǎn)生的等離子體中的不僅能打出靶面不僅能打出靶面原子（濺射材料），而且原子（濺射材料），而且，二次電子，二次電子，又，又第22頁，共40頁。兩種假說 第23頁，共40頁。(I)(I)濺射出的濺射出的(II)(II)轟擊離子轟擊離子一個一個，低于這個能量，不能產(chǎn)生濺射；，低于這個能量，不能產(chǎn)生濺射；()(), ,既既有關(guān)，也與轟有關(guān)，也與轟擊離子的擊離子的()()離子離子, ,可能是因為離子深入到靶材內(nèi)部，可能是因為離子深入到靶材內(nèi)部，能量沒有交給表面附近原子的緣故；能量沒有交給表面附

12、近原子的緣故；()()濺射原子出射的濺射原子出射的 最強的出射方向?qū)?yīng)于晶格中原子最密集排列的方向，這種現(xiàn)象可用最強的出射方向?qū)?yīng)于晶格中原子最密集排列的方向，這種現(xiàn)象可用“”解釋。解釋。221mv第24頁，共40頁。圖圖8.2.11 二極濺射裝置示意圖二極濺射裝置示意圖如圖所示如圖所示：放電氣體壓強放電氣體壓強；放電電壓；放電電壓；放電電流放電電流；： ；：； ， 常因局部放電引起常因局部放電引起； ； 第25頁，共40頁。 70年代年代，在陰極濺射基礎(chǔ)上發(fā)展起來，在陰極濺射基礎(chǔ)上發(fā)展起來，電子，電子碰撞使碰撞使的弱點。的弱點。在陰極靶面上加一環(huán)行磁場，使在陰極靶面上加一環(huán)行磁場，使 , 控

13、制二次電子運動軌跡，控制二次電子運動軌跡，電子運動方程：電子運動方程： 為一為一，電子在靶面上沿著垂直于，電子在靶面上沿著垂直于E、B的方向前進，電子被束的方向前進，電子被束縛在一定的空間內(nèi)，縛在一定的空間內(nèi)，；同時，延長了電子路徑，增加；同時，延長了電子路徑，增加了同工作氣體的碰撞幾率，提高了原子的電離幾率，了同工作氣體的碰撞幾率，提高了原子的電離幾率，；，也使也使工作氣壓工作氣壓 0.1Pa0.1Pa，EB )(BEmedtd (16)第26頁，共40頁。 ：雙線源，應(yīng)用廣泛，大面積，：雙線源，應(yīng)用廣泛，大面積， 連續(xù)鍍膜；連續(xù)鍍膜； ：小型磁控源，制靶簡單：小型磁控源，制靶簡單,科研用科

14、研用磁控濺射的主要磁控濺射的主要： ，一般，一般。第27頁，共40頁。不存在分餾問題不存在分餾問題 AB合金合金與蒸鍍不同；與蒸鍍不同； ：直流濺射直流濺射 ：射頻濺射射頻濺射,13.56MHz通入反應(yīng)氣體，金屬原子與氣體反應(yīng)通入反應(yīng)氣體，金屬原子與氣體反應(yīng)，沉積，沉積 例如例如, 通：通：N2+Ar(TiN), O2, C2H2 等。等。第28頁，共40頁。l腔內(nèi)設(shè)腔內(nèi)設(shè)，分別裝，分別裝有高純的金屬靶材；同時通入有高純的金屬靶材；同時通入O2和和Ar工作氣氛，工作氣氛，；l每一靶材的濺射速率每一靶材的濺射速率，因此可以較好地控制薄膜的組分；因此可以較好地控制薄膜的組分；l利用這種方法已經(jīng)成功

15、地在藍寶利用這種方法已經(jīng)成功地在藍寶石襯底上制備了外延的石襯底上制備了外延的PbTiO3、(Pb1-xLax)(Til-yZry)O3和和YBa2Cu3O7薄膜。薄膜。圖圖8.2.12 多靶直流磁控反應(yīng)共多靶直流磁控反應(yīng)共濺射裝置示意圖濺射裝置示意圖第29頁，共40頁。多功能三靶磁控濺射儀多功能三靶磁控濺射儀第30頁，共40頁。采用單獨的離子源產(chǎn)生用于轟擊靶材的離子采用單獨的離子源產(chǎn)生用于轟擊靶材的離子 圖圖8.2.13 離子束濺射示意圖離子束濺射示意圖 圖圖8.2.14 寬束離子源寬束離子源 第31頁，共40頁。 a. 能夠能夠，基片，基片不接觸等離子體，不接觸等離子體，；b.，有利于，有利

16、于膜層中膜層中氣體的含量。氣體的含量。 a.，0.1 m/min； b. 。 第32頁，共40頁。Mattox，1963年年 利用低壓氣體放電，使膜材利用低壓氣體放電，使膜材原子電離，用這種帶能離（粒）原子電離，用這種帶能離（粒）子轟擊基片表面而淀積成膜的子轟擊基片表面而淀積成膜的技術(shù)，技術(shù)，圖圖8.2.15 離子鍍離子鍍Ti 裝置示意圖裝置示意圖第33頁，共40頁。例如：不銹鋼基體上鍍制：例如：不銹鋼基體上鍍制： 10 m的的Au膜膜 or 100 m的的Al膜膜 扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn) 34次次 25次次 ，斷裂后不剝離。，斷裂后不剝離。 ，可得清潔無污染表面；，可得清潔無污染表面； （0.3mA/cm

17、2, 30min, 剝離數(shù)剝離數(shù) m厚）厚） 一部分一部分還還 （515nm/KeV） 的離子能量：的離子能量：； 的離子能量為的離子能量為左右。左右。 第34頁，共40頁。第35頁，共40頁。（, Moley, 1972提出提出, 1979產(chǎn)品）產(chǎn)品）圖圖8.2.16 空心陰極孤光放電示意圖空心陰極孤光放電示意圖第36頁，共40頁。，； ：， 氣體的物理吸附能氣體的物理吸附能(0.10.5eV)， (l10eV)，因而還能，因而還能； 這樣的離子能量還可以這樣的離子能量還可以和和； ； 鍍鍍TiN膜的高速鋼刀具可提高壽命膜的高速鋼刀具可提高壽命3倍以上，甚至有高達數(shù)十倍。倍以上，甚至有高達數(shù)十倍。第37頁，共40頁。 ；：；：；：；：； 盡管弧斑的溫度很高，但整個盡管弧斑的溫度很高，但整個由于加以水冷，溫度只有由于加以水冷，溫度只有?？梢哉J為是。可以認為是。 圖圖8.2.17 多孤離子鍍裝置示意圖多孤離子鍍裝置示意圖第3