第四章 真空蒸發(fā)鍍膜法

1、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。,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。,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

2、子團(tuán)，0.1 0.3 eV)； 2.氣態(tài)粒子通過基本上無碰撞的直線運動方式傳輸?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。,四. 三個基本過程：,（1）加熱蒸發(fā)過程，包括由凝聚相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀啵ü滔嗷蛞合鄽庀啵┑南嘧冞^程。每種蒸發(fā)物質(zhì)在不同溫度時有不同的飽和蒸氣壓，蒸發(fā)化合物時，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，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)

3、，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。,特點： 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?？梢垣@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,一. 飽和蒸汽壓P與溫度的關(guān)系 Clapeyron-Clausiu

4、s方程：,H：單位摩爾物質(zhì)的熱焓變化 V：單位摩爾物質(zhì)體積的變化,第二節(jié) 蒸發(fā)熱力學(xué),理想氣體的物態(tài)方程：,則有,H物質(zhì)在某溫度的汽化熱He或蒸發(fā)熱,只在一定溫度范圍內(nèi)成立，實際上I與溫度相關(guān),說明:,1) 平衡蒸汽壓為1 Pa時的溫度即蒸發(fā)所需的溫度; 2) 溫度變化10%，平衡蒸汽壓變化大約一個數(shù)量級，對溫度很敏感； 3) 蒸發(fā)溫度高于熔點，液體 蒸汽 蒸發(fā)溫度低于熔點，固體 蒸汽，升華,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)（01）,PV,Ph,蒸發(fā)速率公式,朗謬爾(Langmuir)蒸發(fā)公式,一蒸發(fā)物質(zhì)的平均自由程與碰撞

5、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),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,被碰撞的粒子百分?jǐn)?shù),設(shè)N0個氣體分子飛行d距離

6、，被碰撞的氣體 分子數(shù)N,為保證薄膜的沉積質(zhì)量，要求f0.1，若源-基片距離25cm, 則P3X10-3Pa,關(guān)系曲線,薄膜的純度 Ci,Ci 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。,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)射特性不隨時間而變化。 3) 入射到基片上的原子

7、全部凝結(jié)成薄膜。,則時間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=dAscos, 所以有比例關(guān)系,一. 點蒸發(fā)源,已知Rm(單位時間單位面積點蒸發(fā)源蒸發(fā)的分子的質(zhì)量),薄膜厚度：,在點源正上方的單位時間的膜厚增加t0（l=0）：,h,l,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,當(dāng) =時,根據(jù)面蒸發(fā)源示意圖有：,所以,三. 點源和面源的比較：,面源：,點源：,1) 兩種源的相對膜厚分布的均勻性都不理想； 2) 點源的膜厚分布稍均勻些； 3) 在相

8、同條件下， 面源的中心膜厚為點源的4倍。,下圖表示與蒸發(fā)源平行放置于正上方的平面基片,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；,2)改變基片放置方式以提高厚度均勻 ： a) 球面放置基片； 點源 面源 b) 基片平面旋轉(zhuǎn)； c) 行星旋轉(zhuǎn)基片架；,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) .,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

9、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。,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。,1電阻蒸發(fā)源,通常對蒸發(fā)源材料的要求是 ： (1)熔點要高。 (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)

10、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，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。,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,常用的幾種加熱器形狀,絲狀,舟狀,坩堝,蒸發(fā)坩鍋種類,電阻蒸發(fā)源材料：,W，Mo，Ta，BN，C 等熔點高, 平衡蒸汽壓低 ,化學(xué)性能穩(wěn)定。但存在以下缺點： 1）與蒸發(fā)材料形成低熔點合金； 2）薄膜純度不高。,電

11、阻加熱法的特點：,(1)構(gòu)造簡單、造價便宜、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、難蒸發(fā)材料蒸發(fā) (3)直接加熱時：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，熱效率。 (5)蒸發(fā)某些易分解化合物時，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。,電子束熱蒸發(fā)：已成為蒸發(fā)高熔點待蒸發(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),電子束蒸發(fā)沉積可以做到避免坩堝材料的污染。

12、在同一蒸發(fā)沉積裝置中可以安置多個坩堝，這使得人們可以同時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)）,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。多用于實驗性研究工作，在生產(chǎn)中應(yīng)用較少。,直槍結(jié)構(gòu)示意圖,優(yōu)點：使用方便 功率變化范圍廣 易于調(diào)節(jié),缺點：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,e形槍結(jié)構(gòu)示意圖,優(yōu)點：不易污染燈絲，功率大 可蒸發(fā)高熔點材料 成膜質(zhì)量較好 缺點：要求高真空 設(shè)

13、備成本高,電子束蒸發(fā)特點： 優(yōu)點： (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：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,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

14、化蒸發(fā)。,43,特點： 優(yōu)點 (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 （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。,44,4.激光蒸發(fā)（Pulse Laser Deposition）,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，

15、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。,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,優(yōu)點： 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)高熔點材料； 可蒸發(fā)高熔點材料,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

16、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：費用高，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；,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，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),(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，

17、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存在時的飽和蒸氣壓。 即 式中,50,3.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，合金各成分的蒸發(fā)速率,51,式中，PA 和PB分別為A、B成分在溫度T時的飽和蒸氣分壓，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,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的估計值為 , , 假設(shè)

18、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, 合金中組元金屬A、B的蒸發(fā)速率之比可改寫為 (2-66),54,此式說明，二元合金中兩個組元金屬蒸發(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)常采用瞬時蒸發(fā)法、雙蒸發(fā)源法及合金升華法等。,55,1瞬時蒸發(fā)法,56,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，使一個一個的顆粒實現(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)行同時蒸發(fā)，故瞬時蒸發(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 ： 能獲得成分均勻的薄膜，可

19、以進(jìn)行摻雜蒸發(fā) 等。 缺點： 是蒸發(fā)速率難于控制，且蒸發(fā)速率不能太快。,57,2多源蒸發(fā)法,58,將要形成合金的每一個成分，分別裝入各自的蒸發(fā)源中，然后獨立地控制各個蒸發(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。,

20、59,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。,60,61,62,2三溫度法 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，溫度在沸

21、點以上，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，一共三個溫度，這就是所謂的三溫度法名稱的由來。,63,反應(yīng)蒸發(fā)（reactive evaporation）,原理： 在一定反應(yīng)氣氛中蒸發(fā)金屬或低價化合物，使之在淀積過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成所需的高價化合物薄膜 如：2Ti（激活蒸汽）+ N2（激活氮氣）= 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）

22、 3、基板表面（希望發(fā)生）,反應(yīng)蒸發(fā)法是真空鍍膜方法的一種改進(jìn) 特點： 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,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,67,蒸發(fā)法的優(yōu)點 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） 相對較高的真空度和薄膜純度 蒸發(fā)法的缺點 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)點與缺點,蒸發(fā)粒子的能量與物質(zhì)鍵合能的比較,兩者

23、相比，可看到蒸發(fā)法時，沉積粒子的能量偏低,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。,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一個地直接沉積在襯底上實現(xiàn)外延生成的。分子束外延雖然也是一個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

24、生長過程與生長速率。 分子束外延是一個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。,分子束外延裝置圖,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。,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。 可以獲得原子尺度平整的膜層，利于制備超晶格、異質(zhì)結(jié)。 可在大尺寸襯底（61

25、2英寸）上外延生長性能分散性?。?%）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。,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）一個一個地堆積在襯底上進(jìn)行生長，不是一個熱力學(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是生長速率低，相當(dāng)于每秒生長一個單原子層，因此有利于實現(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