物理气相沉积2真空蒸发技术

3. 脉冲激光
特点：闪烁蒸发，有利 于控制化学成分和防止 分解；又由于材料气化 时间短，不足以使周围 材料达到蒸发温度，所 以不易出现分馏现象。
脉冲激光烧蚀（Pulsed Laser Ablation）
定义：将准分子激光器所产生的高强度脉冲激光 束聚焦于靶材表面，使之产生高温并熔蚀，并进 一步产生高温高压等离子体，等离子体作定向局 域膨胀发射并在衬底上淀积形成薄膜。
0.1Hz 105W/cm2
20-30ns 25-30ns
1-20Hz 5Hz 10Hz
0.1-1J 650mJ 3-4J
准分子激光的特点：波长短、脉宽短、频率低
Read textbook! CO2激光——连续激光
材料表面温度：
Ts 2(1 r)P /d
P:激光功率 r:反射率 d:光点直径 k:导热系数 例：P=100W,r=0， d=1mm,k=50W/m·k 石墨表面1000 ℃， 改用粉末状镀料，导 热系数下降1个量级
要求：蒸发材料的蒸发温度低于蒸发源材料在 平衡蒸气压为10-8托时的温度; 3）化学性能稳定，不与镀料反应; 4）耐热性好，热源变化时，功率密度变化较小; 5）经济耐用。
金属电阻蒸发源材料
W最差，室温很脆，需400℃高温退火 加工性： Mo好
Ta最好
金属蒸发源与镀料的反应
例子：钽与金； 铝、铁、镍、钴等与钨、钼、钽。
2. 特点： 1）蒸发速率大，可比电阻蒸发源大10倍左右。 2）蒸发源的温度均匀稳定，不易产生飞溅现象。 3）镀料是金属时，自身产生热量，坩锅可选用与蒸发
材料反应最小的材料。
3. 缺点： 1）蒸发装置必须屏蔽，否则会对广播通讯产生影响。 2）线圈附近压强超过10-2Pa时，高频电场会使残余气体
电离。 3）高频发生器昂贵。
4. PLA成膜过程
1. 激光表面熔蚀，使蒸发粒子和等离子体产生 2.蒸发粒子和等离子体的定向局域等温膨胀发射 3. 在基板上沉积形成薄膜
(1) 激光与靶的作用过程
高强度脉冲激光照射靶材时，靶材吸收 激光束能量并使束斑处的靶材温度迅速升高 至蒸发温度以上，使靶材气化蒸发并电离， 从而形成局域化的高浓度蒸发粒子与等离子 混合体。在纳秒级短脉冲激光的作用期间， 靶体内束斑处原子的扩散和液相的对流来不 及发生，靶材的各组份元素一致气化，不出 现分馏现象。
第二节 真空蒸发技术
按加热方式分类：
电阻加热蒸发 瞬间蒸发(闪烁蒸发) 电子束蒸发 激光蒸发
真空室
蒸发源或蒸发加热装 置
放置基片及给基片加 热的装置
电弧蒸发
射频蒸发
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一、电阻蒸发源
蒸发源材料的要求 1）熔点要高，熔点要高于被蒸发物质的蒸发温度
（多在1000~2000℃）； 2）饱和蒸气压低，减少蒸发源材料蒸气的污染。
2）收集极使正离子对膜的影响减少。 3）吸收极使二次电子对基板的轰击减少。 4）阴极结构防止极间放电，又避免了灯丝
污染。 5）可通过调节磁场改变电子束的轰击位置。
三、高频感应蒸发源
1. 原理
将镀料放在坩埚中， 坩埚放在高频螺旋 线圈的中央，使镀 料在高频电磁场的 感应下产生涡流损 失和磁滞损失（对 铁磁体）而升温蒸 发。
四、激光蒸发
定义：利用高能激光作为热源来蒸镀薄膜
1.优点：
1）加热温度高，可蒸发任何吸收激光的材料（如 石墨，熔点为3500 ℃ ）。
2）采用非接触式加热，避免了蒸发源的污染，非 常适宜于制备高纯薄膜。
3）蒸发速率可极高（如Si，可得到106Å/s ）。 4）方便于多源顺序蒸发或多源共蒸发。
2. 激光器
2）蒸发舟
● 用金属箔制成，箔厚 0.05-0.15mm，可蒸发 块状、丝状、粉状镀料 ●注意避免局部过热， 发生飞溅
3）外热坩埚
●电阻加热蒸发的缺点
1)支撑坩埚及材料与蒸发物反反应; 2) 难以获得足够高的温度使某些难熔金属 和氧化物如氧化铝，氧化钛等蒸发； 3）蒸发率低； 4）加热时合金化或化合物分解，hence, 不能制备高纯度薄膜
二、电子束蒸发源
●电阻蒸发源的缺点 1）不能蒸发某些难熔金 属和氧化物
2）不能制备高纯度薄膜
●定义：将镀料放入水 冷铜坩埚中，利用高 能电子束轰击镀料， 使其受热蒸发。
电子束加热的特点
1. 优点： 1）采用聚焦电子束，功率密度高，可蒸发高熔点
镀料（3000℃以上）如W，Mo，Ge，SiO2， Al2O3等。 2）采用水Βιβλιοθήκη Baidu坩埚，可避免坩埚材料的蒸发，及 坩埚与镀料的反应，制得高纯度薄膜。 3）热量直接加在镀料上，热效率高，传导，辐射 的热损失少。
连续激光器
脉冲 激光器 准分子激光
材料
CO2 红宝石 YAG Nd玻璃
XeF XeCl KrF ArF
波长
10.6μm 6943Å 1.06μm 可调 351nm 308nm 248nm 193nm
脉宽
/ 30ns 200ns 0.4ms
脉冲频率 功率
/
100W
0.2Hz 104W/cm2
1000-2000 105-106
2. 缺点： 1）电子枪发出的一次电子和蒸发材料发出的二
次电子会使蒸发原子和残留气体电离，影响 膜层质量。 2）多数化合物在受到电子轰击时会部分分解。 3）设备结构复杂，昂贵。 4）当加速电压过高时产生软X射线会对人体有 伤害。
3. 电子束蒸发源的结构
●环形枪：环状阴极发射电子，结构简单 缺点：阴极与坩埚近，阴极材料的蒸发污染；
改进方法：陶瓷坩埚
陶瓷坩埚的性能
镀料与蒸发源的浸润性
镀料熔化后，若有沿蒸发源扩展的倾向时，两 者是浸润的。反之，是不浸润的。浸润时，为面蒸 发源，蒸发状态稳定。不侵润时，为点蒸发源，若 用丝式蒸发源时镀料易脱落。
各种形状的电阻蒸发源
1）丝式
● a)、b)要求浸润性，镀料 为丝状。但浸润好意味着 有轻微合金化，只能用1次。 ● c)不要求浸润性，镀料可 丝状、块状 ●蒸发加热丝的直径： 0.5-1mm，特殊1.5mm, 多股
阴极与坩埚加有高压，导致闪火、辉光放电， 并随蒸气压力和电压增加，导致功率、效率不高
●直枪
轴对称的直线加速 电子枪，阴极发射 电子，阳极加速， 缺点是体积大，成 本高，蒸镀材料会 污染枪体，灯丝逸 出的Na+离子污染膜 层。
● 偏转枪
偏转270°，e型枪 偏转180°
e型枪优点
1）电子束偏转180 °以上，多为270 °， 避免了镀膜材料对枪体的污染，并给镀 膜留出了更大的空间。