第四章 真空蒸發(fā)鍍膜法課件

第一節(jié)真空蒸發(fā)鍍膜原理一．定義：真空蒸發(fā)鍍膜(蒸鍍)是在真空條件下，加熱蒸發(fā)物質(zhì)使之氣化并淀積在基片表面形成固體薄膜，是一種物理現(xiàn)象。廣泛地應(yīng)用在機(jī)械、電真空、無線電、光學(xué)、原子能、空間技術(shù)等領(lǐng)域。加熱方式可以多種多樣。第四章真空蒸發(fā)鍍膜法二.真空蒸發(fā)鍍膜原理圖2.1為真空蒸發(fā)鍍膜原理示意圖。主要部分有：真空室，為蒸發(fā)過程提供必要的真空環(huán)境；蒸發(fā)源或蒸發(fā)加熱器，放置蒸發(fā)材料并對其進(jìn)行加熱；基板（基片），用于接收蒸發(fā)物質(zhì)并在其表面形成固態(tài)蒸發(fā)薄膜；基板加熱器及測溫器等。第四章真空蒸發(fā)鍍膜法第四章真空蒸發(fā)鍍膜法三．真空蒸發(fā)的物理過程：1.采用各種形式的熱能轉(zhuǎn)換方式，使鍍膜材料粒子蒸發(fā)或升華，成為具有一定能量的氣態(tài)粒子(原子，分子，原子團(tuán)，0.1

0.3eV)；2.氣態(tài)粒子通過基本上無碰撞的直線運(yùn)動方式傳輸?shù)交w；3.粒子沉積在基體表面上并凝聚成薄膜；4.組成薄膜的原子重新排列或化學(xué)鍵合發(fā)生變化。影響真空鍍膜質(zhì)量和厚度的因素主要有蒸發(fā)源的溫度、蒸發(fā)源的形狀、基片的位置、真空度等。第四章真空蒸發(fā)鍍膜法四.三個(gè)基本過程：（1）加熱蒸發(fā)過程，包括由凝聚相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀啵ü滔嗷蛞合唷鷼庀啵┑南嘧冞^程。每種蒸發(fā)物質(zhì)在不同溫度時(shí)有不同的飽和蒸氣壓，蒸發(fā)化合物時(shí)，其組合之間發(fā)生反應(yīng)，其中有些組成以氣態(tài)或蒸氣進(jìn)入蒸發(fā)空間。（2）氣化原子或分子在蒸發(fā)源與基片之間的輸運(yùn)，即這些粒子在環(huán)境氣氛中的飛行過程。飛行過程中與真空室內(nèi)殘余氣體分子發(fā)生碰撞的次數(shù)，取決于蒸發(fā)原子的平均自由程以及從蒸發(fā)源到基片之間的距離，常稱源-基距。（3）蒸發(fā)原子或分子在基片表面上的沉積過程，即蒸氣凝聚、成核、核生長、形成連續(xù)薄膜。由于基板溫度遠(yuǎn)低于蒸發(fā)源溫度，因此沉積物分子在基板表面將發(fā)生直接從氣相到固相的相轉(zhuǎn)變過程。第四章真空蒸發(fā)鍍膜法特點(diǎn)：設(shè)備比較簡單、操作容易；制成的薄膜純度高、質(zhì)量好，厚度可較準(zhǔn)確控制；成膜速率快，效率高，用掩模可以獲得清晰圖形；薄膜的生長機(jī)理比較簡單；這種方法的主要缺點(diǎn)是：不容易獲得結(jié)晶結(jié)構(gòu)的薄膜；所形成的薄膜在基板上的附著力較小；工藝重復(fù)性不夠好等。五.真空熱蒸發(fā)鍍膜法的特點(diǎn)第四章真空蒸發(fā)鍍膜法一.飽和蒸汽壓P與溫度的關(guān)系

Clapeyron-Clausius方程：ΔH：單位摩爾物質(zhì)的熱焓變化ΔV：單位摩爾物質(zhì)體積的變化第二節(jié)蒸發(fā)熱力學(xué)第四章真空蒸發(fā)鍍膜法理想氣體的物態(tài)方程：則有ΔH≈物質(zhì)在某溫度的汽化熱ΔHe或蒸發(fā)熱只在一定溫度范圍內(nèi)成立，實(shí)際上I與溫度相關(guān)第四章真空蒸發(fā)鍍膜法第四章真空蒸發(fā)鍍膜法說明:1)

平衡蒸汽壓為1Pa時(shí)的溫度即蒸發(fā)所需的溫度;2)

溫度變化10%，平衡蒸汽壓變化大約一個(gè)數(shù)量級，對溫度很敏感；3)

蒸發(fā)溫度高于熔點(diǎn)，液體

~蒸汽蒸發(fā)溫度低于熔點(diǎn)，固體~

蒸汽，升華第四章真空蒸發(fā)鍍膜法二.蒸發(fā)速率dN：蒸發(fā)粒子數(shù)A：蒸發(fā)表面積Ph：蒸發(fā)物分子對蒸發(fā)表面造成的靜壓強(qiáng)ae：蒸發(fā)系數(shù)（0~1）PVPh第四章真空蒸發(fā)鍍膜法蒸發(fā)速率公式朗謬爾(Langmuir)蒸發(fā)公式第四章真空蒸發(fā)鍍膜法一．蒸發(fā)物質(zhì)的平均自由程與碰撞幾率真空室內(nèi)存在著兩種粒子，一種是蒸發(fā)物質(zhì)的原子或分子，另一種是殘余氣體分子。真空蒸發(fā)實(shí)際上都是在具有一定壓強(qiáng)的殘余氣體中進(jìn)行的。顯然，這些殘余氣體分子會對薄膜的形成過程乃至薄膜的性質(zhì)產(chǎn)生影響。第三節(jié)蒸發(fā)動力學(xué)

第四章真空蒸發(fā)鍍膜法粒子在兩次碰撞之間所飛行的平均距離稱為蒸發(fā)分子的平均自由程。式中，P是殘余氣體壓強(qiáng)，d是分子直徑，n為殘余氣體分子密度。例如，在一個(gè)大氣壓下，蒸發(fā)分子的平均自由程約為50cm，這與普通真空鍍膜室的尺寸不相上下。因此，可以說在高真空條件下大部分的蒸發(fā)分子幾乎不發(fā)生碰撞而直接到達(dá)基板表面。二．蒸發(fā)物質(zhì)的碰撞幾率和純度在室溫下，空氣第四章真空蒸發(fā)鍍膜法被碰撞的粒子百分?jǐn)?shù)設(shè)N0個(gè)氣體分子飛行d距離，被碰撞的氣體分子數(shù)N為保證薄膜的沉積質(zhì)量，要求f≤0.1，若源-基片距離25cm,則P≤3X10-3Pa第四章真空蒸發(fā)鍍膜法關(guān)系曲線第四章真空蒸發(fā)鍍膜法薄膜的純度CiCi定義：在1cm2表面上每秒鐘剩余氣體分子碰撞的數(shù)目與蒸發(fā)淀積粒子數(shù)目之比。每秒鐘蒸發(fā)淀積在1cm2基片表面的粒子對應(yīng)的膜厚增加，成為淀積速率Rd。第四章真空蒸發(fā)鍍膜法避免環(huán)境中的殘存氣體對薄膜的污染:

(1)使用高真空技術(shù)，提高沉積系統(tǒng)的真空度;(2)提高薄膜生長速率;(3)預(yù)蒸發(fā)活性金屬薄膜。第四章真空蒸發(fā)鍍膜法第四節(jié)蒸發(fā)源的發(fā)射特性------厚度分布蒸發(fā)過程的假設(shè)：

1)忽略蒸發(fā)原子與剩余氣體和蒸發(fā)原子之間的碰撞。2)蒸發(fā)源的發(fā)射特性不隨時(shí)間而變化。3)入射到基片上的原子全部凝結(jié)成薄膜。第四章真空蒸發(fā)鍍膜法則時(shí)間t1內(nèi)，蒸發(fā)總質(zhì)量：在dAs基片上的蒸發(fā)物質(zhì)的質(zhì)量，由于dAs在球表面的投影面積為dAc,dAc=dAscosθ,所以有比例關(guān)系一.點(diǎn)蒸發(fā)源已知Rm(單位時(shí)間單位面積點(diǎn)蒸發(fā)源蒸發(fā)的分子的質(zhì)量)第四章真空蒸發(fā)鍍膜法薄膜厚度：在點(diǎn)源正上方的單位時(shí)間的膜厚增加t0（l=0）：hl第四章真空蒸發(fā)鍍膜法二．面蒸發(fā)源其蒸氣發(fā)射特性具有方向性，發(fā)射限為半球。蒸發(fā)源的發(fā)射按所研究的方向與表面法線間夾角呈余弦分布，即遵守克努曾定律第四章真空蒸發(fā)鍍膜法當(dāng)θ=φ時(shí)根據(jù)面蒸發(fā)源示意圖有：

所以第四章真空蒸發(fā)鍍膜法三.點(diǎn)源和面源的比較：面源：點(diǎn)源：1)兩種源的相對膜厚分布的均勻性都不理想；2)點(diǎn)源的膜厚分布稍均勻些；3)在相同條件下，面源的中心膜厚為點(diǎn)源的4倍。第四章真空蒸發(fā)鍍膜法下圖表示與蒸發(fā)源平行放置于正上方的平面基片第四章真空蒸發(fā)鍍膜法四.提高膜厚均勻性的措施：1)采用若干分離的小面積蒸發(fā)源，最佳的數(shù)量,合理的布局和蒸發(fā)速率；第四章真空蒸發(fā)鍍膜法2)改變基片放置方式以提高厚度均勻：a)球面放置基片；點(diǎn)源面源

b)基片平面旋轉(zhuǎn)；c)行星旋轉(zhuǎn)基片架；第四章真空蒸發(fā)鍍膜法旋轉(zhuǎn)方式:(a)基片在圓頂上，繞軸旋轉(zhuǎn);(b)基片在鼓面上，源位于中軸線，鼓面繞中軸線旋轉(zhuǎn)；(c)行星式旋轉(zhuǎn).第四章真空蒸發(fā)鍍膜法五.熱蒸發(fā)鍍膜的陰影效應(yīng)陰影效應(yīng)：

由于蒸發(fā)產(chǎn)生的氣體分子直線運(yùn)動，使薄膜局部區(qū)域無法鍍膜或膜厚各處不一的現(xiàn)象第四章真空蒸發(fā)鍍膜法第五節(jié)蒸發(fā)源的類型真空蒸發(fā)所采用的設(shè)備根據(jù)其使用目的不同可能有很大的差別，從最簡單的電阻加熱蒸鍍裝置到極為復(fù)雜的分子束外延設(shè)備，都屬于真空蒸發(fā)沉積的范疇。在蒸發(fā)沉積裝置中，最重要的組成部分就是物質(zhì)的蒸發(fā)源。第四章真空蒸發(fā)鍍膜法目前，真空蒸發(fā)使用的蒸發(fā)源根據(jù)其加熱原理可以分為：電阻加熱、電子加熱、高頻感應(yīng)加熱、電弧加熱和激光加熱等五大類。電阻加熱采用鎢、鉬、鉭等高熔點(diǎn)金屬做成適當(dāng)形狀的蒸發(fā)源，或采用石英坩堝等。根據(jù)蒸發(fā)材料的性質(zhì)以及蒸發(fā)源材料的浸潤性等制作成不同的蒸發(fā)源形狀。第四章真空蒸發(fā)鍍膜法1．電阻蒸發(fā)源通常對蒸發(fā)源材料的要求是：(1)熔點(diǎn)要高。(2)飽和蒸氣壓低。防止或減少在高溫下蒸發(fā)源材料會隨蒸發(fā)材料蒸發(fā)而成為雜質(zhì)進(jìn)入蒸鍍膜層中。(3)化學(xué)性能穩(wěn)定，在高溫下不應(yīng)與蒸發(fā)材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。(4)具有良好的耐熱性。熱源變化時(shí)，功率密度變化較??；(5)原料豐富，經(jīng)濟(jì)耐用。根據(jù)上述這些要求，實(shí)際使用的電阻加熱材料一般均是一些難熔金屬如W、Mo、Ta等等。用這些金屬做成形狀適當(dāng)?shù)恼舭l(fā)源，讓電流通過，從而產(chǎn)生熱量直接加熱蒸發(fā)材料。第四章真空蒸發(fā)鍍膜法

關(guān)于蒸發(fā)源的形狀可根據(jù)蒸發(fā)材料的性質(zhì)，結(jié)合考慮與蒸發(fā)源材料的濕潤性，制作成不同的形式和選用不同的蒸發(fā)源物質(zhì)。

33第四章真空蒸發(fā)鍍膜法常用的幾種加熱器形狀

絲狀舟狀坩堝第四章真空蒸發(fā)鍍膜法蒸發(fā)坩鍋種類克努曾槽自由蒸發(fā)源坩堝蒸發(fā)源第四章真空蒸發(fā)鍍膜法電阻蒸發(fā)源材料：W，Mo，Ta，BN，C等熔點(diǎn)高,平衡蒸汽壓低,化學(xué)性能穩(wěn)定。但存在以下缺點(diǎn)：1）與蒸發(fā)材料形成低熔點(diǎn)合金；2）薄膜純度不高。第四章真空蒸發(fā)鍍膜法電阻加熱法的特點(diǎn)：

(1)構(gòu)造簡單、造價(jià)便宜、使用可靠(2)加熱所達(dá)最高溫度有限、蒸發(fā)速率較低、蒸發(fā)面積小，不能使高熔點(diǎn)、難蒸發(fā)材料蒸發(fā)(3)直接加熱時(shí)：待蒸發(fā)材料與電熱材料反應(yīng)或互溶影響薄膜純度。

(4)采用坩堝間接加熱時(shí)，熱效率。

(5)蒸發(fā)某些易分解化合物時(shí)，薄膜成分與待蒸發(fā)材料不一致。(6)不適合高純度薄膜的制備。第四章真空蒸發(fā)鍍膜法電子束熱蒸發(fā)：已成為蒸發(fā)高熔點(diǎn)待蒸發(fā)材料和制備高純薄膜的一種主要方法。電子束熱蒸發(fā)的原理:將蒸發(fā)材料置于水冷坩堝中，利用電子束在電場作用下獲得動能轟擊陽極的蒸發(fā)材料，使待蒸發(fā)材料氣化并在襯底上凝結(jié)形成薄膜。2.電子束蒸發(fā)第四章真空蒸發(fā)鍍膜法電子束蒸發(fā)沉積可以做到避免坩堝材料的污染。在同一蒸發(fā)沉積裝置中可以安置多個(gè)坩堝，這使得人們可以同時(shí)或分別對多種不同的材料進(jìn)行蒸發(fā)。電子槍由電子束聚焦方式的不同分類：(1)直式電子槍(2)環(huán)槍（電偏轉(zhuǎn)）(3)e形槍（磁偏轉(zhuǎn)）第四章真空蒸發(fā)鍍膜法環(huán)形槍結(jié)構(gòu)示意圖如右圖環(huán)型槍是靠環(huán)型陰極來發(fā)射電子束，經(jīng)聚焦和偏轉(zhuǎn)后打在坩堝中使坩堝內(nèi)材料蒸發(fā)。其結(jié)構(gòu)較簡單，但是功率和效率都不高，燈絲易受污染。多用于實(shí)驗(yàn)性研究工作，在生產(chǎn)中應(yīng)用較少。直槍結(jié)構(gòu)示意圖優(yōu)點(diǎn)：使用方便功率變化范圍廣易于調(diào)節(jié)缺點(diǎn)：設(shè)備體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高易污染待蒸發(fā)材料和電子槍第四章真空蒸發(fā)鍍膜法e形槍結(jié)構(gòu)示意圖優(yōu)點(diǎn)：不易污染燈絲，功率大可蒸發(fā)高熔點(diǎn)材料成膜質(zhì)量較好缺點(diǎn)：要求高真空設(shè)備成本高第四章真空蒸發(fā)鍍膜法電子束蒸發(fā)特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：(1)電子束轟擊熱源的束流密度高，能獲得遠(yuǎn)比電阻加熱源更大的能流密度。蒸發(fā)高熔點(diǎn)材料(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(yīng)，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(dǎo)和熱輻射的損失少。缺點(diǎn)：裝置復(fù)雜

殘余氣體和部分待蒸發(fā)材料的蒸氣電離，產(chǎn)生的電子和正離子轟擊基片，對薄膜成分、結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生影響第四章真空蒸發(fā)鍍膜法3.高頻感應(yīng)蒸發(fā)源

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(yīng)下產(chǎn)生強(qiáng)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)。

43第四章真空蒸發(fā)鍍膜法特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)

(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)源一次裝料，無需送料機(jī)構(gòu)，溫度控制比較容易，操作比較簡單。缺點(diǎn)（1）蒸發(fā)裝置必須屏蔽；（2）需要較復(fù)雜和昂貴的高頻發(fā)生器；（3）如果線圈附近的壓強(qiáng)超過10-2Pa，高頻場就會使殘余氣體電離，使功耗增大。

44第四章真空蒸發(fā)鍍膜法4.激光蒸發(fā)（PulseLaserDeposition）使用高功率的激光束作為能源進(jìn)行薄膜沉積的方法稱為激光蒸發(fā)沉積法。

多使用位于紫外波段的脈沖激光器作為蒸發(fā)的光源，如波長為248nm、脈沖寬度為20ns的準(zhǔn)分子激光等。由于在蒸發(fā)過程中，高能激光光子可在瞬間將能量直接傳遞給被蒸發(fā)物質(zhì)的原子，因而激光蒸發(fā)法產(chǎn)生的粒子能量一般顯著高于普通的蒸發(fā)方法。第四章真空蒸發(fā)鍍膜法熱源：激光激光器：紅寶石激光器釹玻璃激光器釔鋁石榴石激光：巨脈沖

CO2激光器：連續(xù)可調(diào)，大功率激光束功率密度：聚焦后106w/cm2以上物質(zhì)吸收的能量：

EA（吸收）=EI(入射)-ET(透射)-ER(反射)-ES(散射)

透射、反射、散射盡量小，損失小第四章真空蒸發(fā)鍍膜法優(yōu)點(diǎn)：熱源在室外，無污染，簡化真空室；非接觸加熱，可避免坩堝污染，適宜于超高真空下制取純潔薄膜；加熱溫度高，蒸發(fā)速率快；可蒸發(fā)高熔點(diǎn)材料；可蒸發(fā)高熔點(diǎn)材料,特別適于蒸發(fā)復(fù)雜成分的合金或化合物，(高能激光光子瞬間內(nèi)將能量傳遞給被蒸發(fā)物質(zhì)，粒子能量高于普通蒸發(fā)方法)；缺點(diǎn)：費(fèi)用高，并非所有材料均能適用；

需要特殊的窗口材料；易產(chǎn)生物質(zhì)顆粒的飛濺；設(shè)備較為復(fù)雜，難于大規(guī)模使用；

第四章真空蒸發(fā)鍍膜法第四章真空蒸發(fā)鍍膜法一．合金的蒸發(fā)

1.分餾現(xiàn)象當(dāng)蒸發(fā)二元以上的合金及化合物時(shí)，蒸發(fā)材料在氣化過程中，由于各成分的飽和蒸氣壓不同，使得其蒸發(fā)速率也不同，得不到希望的合金或化合物的比例成分，這種現(xiàn)象稱為分餾現(xiàn)象。2.引入兩個(gè)定律（理想溶體定律）

理想溶體：各組元在量上可以任何比例互溶，溶解時(shí)沒有熱效應(yīng)發(fā)生，體積具有加和性()。49合金與化合物的蒸發(fā)第四章真空蒸發(fā)鍍膜法(a)分壓定律液體的總蒸氣壓等于各組元蒸氣分壓之和，即(b)拉烏爾定律在溶液中，溶劑的飽和蒸氣壓與溶劑的摩爾分?jǐn)?shù)成正比，其比例常數(shù)就是同溫度下溶劑單獨(dú)存在時(shí)的飽和蒸氣壓。即式中50第四章真空蒸發(fā)鍍膜法3.拉烏爾定律在合金蒸發(fā)中的應(yīng)用

合金屬固溶體的一種，因此：

合金→固溶體→理想溶體所以合金的蒸發(fā)可近似地按拉烏爾定律來處理。如當(dāng)合金含有二元組分時(shí)，合金各成分的蒸發(fā)速率

51第四章真空蒸發(fā)鍍膜法

式中，PA’

和PB’分別為A、B成分在溫度T時(shí)的飽和蒸氣分壓，GA

、GB分別為兩種成分的蒸發(fā)速率；MA

、MB分別為兩種成分元素的摩爾質(zhì)量。A、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)料成分完全一致，則必須使

52第四章真空蒸發(fā)鍍膜法

如果認(rèn)為合金中各成分的飽和蒸氣壓也服從拉烏爾定律，則PA’、PB’的估計(jì)值為

,,

假設(shè)mA、mB分別為組元金屬A、B在合金中的質(zhì)量,WA、WB為在合金中的濃度，即有53第四章真空蒸發(fā)鍍膜法,

合金中組元金屬A、B的蒸發(fā)速率之比可改寫為

(2-66)54第四章真空蒸發(fā)鍍膜法

此式說明，二元合金中兩個(gè)組元金屬蒸發(fā)速率之比，可能不同，從而使得薄膜的成分在厚度方向不一致。

采用真空蒸發(fā)法制作預(yù)定組成的合金薄膜，經(jīng)常采用瞬時(shí)蒸發(fā)法、雙蒸發(fā)源法及合金升華法等。

55第四章真空蒸發(fā)鍍膜法1．瞬時(shí)蒸發(fā)法

56第四章真空蒸發(fā)鍍膜法

又稱“閃爍”法。它是將細(xì)小的顆粒，逐次送到非常熾熱的蒸發(fā)器或坩堝中，使一個(gè)一個(gè)的顆粒實(shí)現(xiàn)瞬間完全蒸發(fā)。如果顆粒尺寸很小，幾乎能對任何成分進(jìn)行同時(shí)蒸發(fā)，故瞬時(shí)蒸發(fā)法常用于合金中元素的蒸發(fā)速率相差很大的場合。

優(yōu)點(diǎn)：能獲得成分均勻的薄膜，可以進(jìn)行摻雜蒸發(fā)等。缺點(diǎn)：是蒸發(fā)速率難于控制，且蒸發(fā)速率不能太快。

57第四章真空蒸發(fā)鍍膜法2．多源蒸發(fā)法

58第四章真空蒸發(fā)鍍膜法

將要形成合金的每一個(gè)成分，分別裝入各自的蒸發(fā)源中，然后獨(dú)立地控制各個(gè)蒸發(fā)源的蒸發(fā)速率，使到達(dá)基板的各種原子與所需合金薄膜的組成相對應(yīng)。為使薄膜厚度分布均勻，基板常需要進(jìn)行轉(zhuǎn)動。

二．化合物的蒸發(fā)

化合物的蒸發(fā)法有三種：（1）電阻加熱法；（2）反應(yīng)蒸發(fā)法；（3）雙源或多源蒸發(fā)法—三溫度法和分子束外延法。

反應(yīng)蒸發(fā)法主要用于制備高熔點(diǎn)的絕緣介質(zhì)薄膜，如氧化物、氮化硅和硅化物等。而三溫度法和分子外延法主要用于制作單晶半導(dǎo)體化合物薄膜，特別是III-V族化合物半導(dǎo)體薄膜、超晶格薄膜以及各種單晶外延薄膜等。

59第四章真空蒸發(fā)鍍膜法反應(yīng)蒸發(fā)法

將活性氣體導(dǎo)入真空室，使活性氣體的原子、分子和從蒸發(fā)源逸出的蒸發(fā)金屬原子、低價(jià)化合物分子在基板表面淀積過程中發(fā)生反應(yīng)，從而形成所需高價(jià)化合物薄膜的方法。不僅用于熱分解嚴(yán)重，而且用于因飽和蒸氣壓較低而難以采用電阻加熱蒸發(fā)的材料。經(jīng)常被用來制作高熔點(diǎn)的化合物薄膜，特別是適合制作過渡金屬與易分解吸收的O2、N2等反應(yīng)氣體所組成的化合物薄膜。在反應(yīng)蒸發(fā)中，蒸發(fā)原子或低價(jià)化合物分子與活性氣體發(fā)生反應(yīng)的地方有三種可能，即蒸發(fā)源表面、蒸發(fā)源到基板的空間和基板表面。

60第四章真空蒸發(fā)鍍膜法61第四章真空蒸發(fā)鍍膜法62第四章真空蒸發(fā)鍍膜法2．三溫度法

從原理上講，就是雙蒸發(fā)源蒸發(fā)法。把III-V族化合物半導(dǎo)體材料置于坩堝內(nèi)加熱蒸發(fā)時(shí)，溫度在沸點(diǎn)以上，半導(dǎo)體材料就會發(fā)生熱分解，分溜出組分元素，淀積在基板上的膜層會偏離化合物的化學(xué)計(jì)量比。這種方法是分別控制低蒸氣壓元素（III）的蒸發(fā)源溫度TM

、高蒸氣壓元素（V）的蒸發(fā)源溫度TV和基板溫度TS，一共三個(gè)溫度，這就是所謂的三溫度法名稱的由來。

63第四章真空蒸發(fā)鍍膜法反應(yīng)蒸發(fā)（reactiveevaporation）原理：

在一定反應(yīng)氣氛中蒸發(fā)金屬或低價(jià)化合物，使之在淀積過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成所需的高價(jià)化合物薄膜如：2Ti（激活蒸汽）+N2（激活氮?dú)猓?2TiN

2SiO+O2（激活氧氣）=2SiO2發(fā)生反應(yīng)的地方：

1、蒸發(fā)源表面（盡可能避免）

2、蒸發(fā)源到基板的空間（概率很少）

3、基板表面（希望發(fā)生）第四章真空蒸發(fā)鍍膜法反應(yīng)蒸發(fā)法是真空鍍膜方法的一種改進(jìn)特點(diǎn)：產(chǎn)生等離子體，使蒸發(fā)材料和反應(yīng)氣體電離活化，提高反應(yīng)效率反應(yīng)蒸發(fā)裝置圖第四章真空蒸發(fā)鍍膜法以金屬氧化物薄膜為例(1)金屬原子和氧分子入射到基板上(2)一部分被吸附，另一部分可能被反射或短暫停留后解吸，吸附能越小，或溫度越高，解吸越快(3)吸附的金屬原子或氧分子產(chǎn)生表面遷移，通過氧的離解，化學(xué)吸附發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成氧化物第四章真空蒸發(fā)鍍膜法蒸發(fā)法的優(yōu)點(diǎn)方法和設(shè)備可以相對簡單較高的沉積速度（數(shù)十

m/小時(shí)）相對較高的真空度和薄膜純度蒸發(fā)法的缺點(diǎn)蒸發(fā)粒子的能量相對較低總結(jié)：蒸發(fā)薄膜沉積法的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)67第四章真空蒸發(fā)鍍膜法蒸發(fā)粒子的能量與物質(zhì)鍵合能的比較

能量項(xiàng)能量數(shù)值（eV）蒸發(fā)粒子動能

300K時(shí)

2200K時(shí)物質(zhì)的鍵合能

Si-Si固體鍵合能

N-N氣體分子鍵合能0.0380.283.299.83兩者相比，可看到蒸發(fā)法時(shí)，沉積粒子的能量偏低第四章真空蒸發(fā)鍍膜法第六節(jié)分子束外延分子束外延（MBE）是新發(fā)展起來的外延制膜方法，也是一種特殊的真空鍍膜工藝。它是在超高真空條件下，將薄膜諸組分元素的分子束流直接噴到襯底表面，從而在其上形成外延層的技術(shù)。其突出的優(yōu)點(diǎn)是能生長極薄的單晶膜層，且能夠精確控制膜厚、組分和摻雜。第四章真空蒸發(fā)鍍膜法分子束外延裝置主要由工作室、分子束噴射爐和各種監(jiān)控儀器組成。分子束外延制膜是將原子一個(gè)一個(gè)地直接沉積在襯底上實(shí)現(xiàn)外延生成的。分子束外延雖然也是一個(gè)以氣體分子論為基礎(chǔ)的蒸發(fā)過程，但它并不以蒸發(fā)溫度為控制參數(shù)，而以系統(tǒng)中的四極質(zhì)譜儀、原子吸收光譜等現(xiàn)代儀器精密地監(jiān)控分子束的種類和強(qiáng)度，從而嚴(yán)格控制生長過程與生長速率。分子束外延是一個(gè)超高真空的物理淀積過程，既不需要考慮中間化學(xué)反應(yīng)，又不受質(zhì)量傳輸?shù)挠绊懀⑶依每扉T可對生長和中斷進(jìn)行瞬時(shí)控制。因此，膜的組分和摻雜濃度可隨要求的變化作迅速調(diào)整。第四章真空蒸發(fā)鍍膜法

分子束外延裝置圖

第四章真空蒸發(fā)鍍膜法分子束外延(MBE)超高真空10-8Pa，分子束流直接噴射到襯底。到達(dá)襯底的分子僅由蒸發(fā)系統(tǒng)的幾何形狀和蒸發(fā)源溫度決定。所以可以精確控制晶體生長速率、雜質(zhì)濃度、多元化合物成分比。第四章真空蒸發(fā)鍍膜法超高真空下的干式工藝，殘留氣體等雜質(zhì)混入少，表面清潔。與半導(dǎo)體的其它工藝（離子注入、干法刻蝕、薄膜沉積等）有很好的相容性?？梢垣@得原子尺度平整的膜層，利于制備超晶格、異質(zhì)結(jié)?？稍诖蟪叽缫r底（6~12英寸）上外延生長性能分散性小（<1%）的均勻膜層。成膜溫度低，降低熱膨脹和襯底自擴(kuò)散的影響；可嚴(yán)格控制組元成分和雜質(zhì)濃度，能制備出急劇變化的雜質(zhì)濃度和組成器件。非熱平衡下生長，可進(jìn)行超過固溶度極限的高濃度摻雜。能進(jìn)行原位監(jiān)測生長過程。第四章真空蒸發(fā)鍍膜法分子束外延的襯底溫度低，因此降低了界面上熱膨脹引入的晶格失配效應(yīng)和襯底雜質(zhì)對外延層的自摻雜擴(kuò)散影響。分子束外延將入射的中性粒子（原子或分子）一個(gè)一個(gè)地堆積在襯底上進(jìn)行生長，不是一個(gè)熱力學(xué)過程，所以它是按照普通熱平衡生長方法難以生長的薄膜。分子束外延的另一顯著特點(diǎn)是生長速率低，相當(dāng)于每秒生長一個(gè)單原子層，因此有利于實(shí)現(xiàn)精確控制厚度、結(jié)構(gòu)與成分和形成陡峭異質(zhì)結(jié)等，特別適于生長超晶格材料。分子束外延受襯底材料的影響較大，要求外延材料與襯底材料的晶格結(jié)構(gòu)和原子間距相互匹配，晶格失配率要≤7%。由此可見，分子束外延特別適宜于制作具有復(fù)雜剖面的薄外延層。它已在固體微波器件