第6章 真空蒸镀

电子束蒸发源定义：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。
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蒸发源
➢电子束蒸发源
优点： • 电子束的束流密度高，能获得远比电阻加热源更大的能 量密度。 • 被蒸发材料置于水冷坩埚内，避免了容器材料的蒸发， 以及容器材料与蒸发材料的反应，适宜制备高纯度薄膜。 • 热量直接加到蒸镀材料表面，热效率高，热传导和热辐 射损失小。
➢饱和蒸气压
在一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸气与固体或液体处 于平衡过程中所表现出的压力，称为该物质在该温度下的 饱和蒸气压。
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镀料的蒸发
➢饱和蒸气压
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镀料的蒸发
➢饱和蒸气压
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镀料的蒸发
➢饱和蒸气压
一些常用材料的蒸气压与温度关系
金 分子量
属
10-8
Au 197
Ag 107.9
Al
27
Ga 69.7
操作简单。
• 缺点： 1. 蒸发装置必须屏蔽，否则对广播通讯产生影响。 2. 高频发生器昂贵。 3. 气压高于10-2Pa时，高频电场就会使残余气体电离，使
功耗增大。 22
蒸发源
➢激光束蒸发
工作原理：采用激光束作为蒸发材料的一种热源，让高能量 的激光束透过真空式窗口，对蒸发材料加热蒸发，通过聚焦 可使激光束功率密度提高到106 w/cm2以上。
缺点： 费用高
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蒸发源的蒸发特性
镀料熔化后，若有沿蒸发源上扩展的倾向时，两者是浸润的。 反之，若在蒸发源上有凝聚而接近于形成球形的倾向时，是 不浸润的。
浸润－面蒸发源 不浸润－点蒸发源
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蒸发源的蒸发特性
点蒸发源与面蒸发源
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蒸发源的蒸发特性
点蒸发源与面蒸发源
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蒸镀装置及操作
1. 放置基片 2. 排气 3. 加热基片 4. 蒸发源除气 5. 蒸镀 6. 关闭 7. 换样品
优点：可以获得成分均匀的薄膜， 方便进行掺杂。
缺点：蒸发速率难于控制，蒸发速 率不能太快。
多 用 于 Ⅲ-Ⅴ 族 及 Ⅱ-Ⅵ 半 导 体 化 合 薄膜的制作。
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合金膜的蒸镀
➢ 双源或多源蒸发法
将要形成合金的 每一成分，分别装入 各自的蒸发源中，然 后独立地控制其蒸发 速率，使达到基板的 各种原子符合组成要 求。为使薄膜厚度分 布均匀，基板常需要 进行转动。
断进行瞬时控制。 • MBE的衬底温度低，降低了界面上热膨胀引入的晶格失配效应
和衬底杂质对外延层自掺杂扩散的影响。 • MBE是一个动力学过程，即将入射的中性粒子（原子或分子）
一个一个地堆积在衬底上进行生长，而不是一个热力学过程， 所以它可以生长普通热平衡生长难以生长的薄膜。 • MBE生长速率低，有利于精确控制薄膜厚度、结构和成分。
1220 958 1085 1015 1420 450 392 423 2140 2510 2680
1405 1105 1245 1180 1610 520 450 477 2410 2860 3030
1670 1300 1490 1405 1905 617 538 550 2730 3330 3500
的变化。因此在制膜过程中，要想控制蒸发速率，必须精确控
制蒸发源的温度，加热时应尽量避免产生过大的温度梯度。
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蒸发源
蒸发源是蒸发装置的关键部件，最常用的有： • 电阻法 • 电子束法 • 高频法等 • 激光法等
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蒸发源
➢电阻蒸发源
电阻蒸发源通常用于熔点低于1500℃的镀料。灯丝或者蒸 发舟等加热体所需电功率一般为（150-500）A*10V，为低 电压大电流供电方式。通过电流的焦耳热使镀料熔化、蒸 发或者升华。
第六章 真空蒸镀
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蒸发镀膜概述
➢ 真空蒸发镀膜： 把装有基片的真空室抽成真空，使气压达到 10-2Pa以下，然后加热蒸发源中的镀料，使其 原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入 射到基片表面，凝结形成固态薄膜。
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蒸发镀膜概述
➢ 真空蒸发结构
• 真空室：为蒸发过程提 供必要的真空环境;
• 蒸发源: 放置蒸发材料并 对其加热；
Si 28.1
Zn 65.4
Cd 112.4
As 74.9
C
12
Ta 181
W 183.8
964 759 860 796 1145 354 310 340 1765 2020 2150
不同蒸气压Pv(Pa)下的温度T（K）
10-6
10-4
10-2
100
1080 847 958 892 1265 396 347 377 1930 2230 2390
• 基板：用于接收蒸发物 质并在其表面形成固体 物质；
• 基板加热器及测量器等。
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蒸发镀膜概述
➢ 蒸发镀膜的三个条件：
• 热的气相源 •低温基板（基片） •真空环境
➢ 蒸发镀膜的三个基本过程：
• 加热蒸发过程 • 气相原子或分子的输运过程（源-基距） • 蒸发原子或分子在基片表面的淀积过程
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镀料的蒸发
免了灯丝污染。 4）可通过调节磁场改变电子束的轰击位置。
• e 型枪缺点：设备成本高
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蒸发源
➢高频感应蒸发源
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 而升温蒸发。
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蒸发源
➢高频感应蒸发源
• 特点： ✓ 蒸发速率大，比电阻蒸发源大10倍左右； ✓ 蒸发源温度均匀稳定，不易产生飞溅； ✓ 蒸发材料是金属时，从内部加热； ✓ 蒸发源一次加料，无需送料机构，控温容易，热惰性小，
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蒸发源
➢激光束蒸发
优点： • 激光加热可以达到极高的温度，可蒸发任何高熔点材
料，且获得很高的蒸发速率； • 非接触式加热，完全避免了蒸发源的污染，简化了真
空室，非常适合在超高真空下制备高纯薄膜; • 能对某些化合物或合金进行“闪烁”蒸发，有利于保
证薄膜成分的组成和防止分解，是淀积介质薄膜、半 导体薄膜和无机化合物薄膜的好方法。
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化合物膜的蒸镀
➢分子束外延
• 分子束外延(MBE)：是在10-8Pa的超高真空条件下，将薄膜 诸组分元素的分子束流，直接喷到衬底表面，从而在其上 形成外延层的技术。其中未被基片捕获的分子，及时被真 空系统抽走，保证到达衬底表面的总是新分子束。
• MBE是在适当的衬底和合适的条件下，沿衬底材料晶轴方 向生长一层结晶结构完整的新单晶层薄膜的方法，故称该 工艺为外延。新生的单晶层叫外延层。
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镀料的蒸发
➢蒸发粒子的速度和能量
对于绝大部分可以热蒸发的材料 ，蒸发温度在10002500 ℃范围内，蒸发粒子的平均速度约为1000 m/s，对应的 平均动能约为0.1-0.2eV。
➢蒸发速率
单位时间蒸发到基板上的蒸发物质的量 (分子数或质量)。
dG (20 ~ 30) dT
G
T
可见，蒸发源温度的微小变化即可引起蒸发速率发生很大
直接加热式块状蒸 发源，用石墨、氮 化硼等做成导电坩 埚。电、热、机械、
抗蚀性能稳定。
间接加热式蒸发 源。多用于熔点 低、化学活性大、 容易与加热丝形
成合金的镀料
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蒸发源
➢电子束蒸发源
电子束加热原理是基于电子在电场作用下，获得动能轰击 处于阳极的蒸发材料上，使蒸发材料加热气化，而实现蒸 发镀膜。
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合金膜的蒸镀
蒸发二元以上的合金及化合物的主要问题，是蒸发材料在气 化过程中，由于各成分的饱和蒸气压不同，使得其蒸发速率 也不同，会发生分解和分馏，从而引起薄膜成分的偏离。
在真空蒸发法制作合金薄膜时，为保证薄膜组成，经常采 用瞬时蒸发法、双蒸发源法等。
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合金膜的蒸镀
➢ 瞬时蒸发法
瞬时蒸发法又称“闪烁”蒸发 法。是将细小的合金颗粒，逐次送 到非常炽热的蒸发器或者坩埚中， 使一个个的颗粒实现瞬间完全蒸发。
1. 结构简单 2. 使用方便 3. 造价低廉
1. 不能蒸发某些难熔金属， 2. 不能制备高纯度薄膜。
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蒸发源
➢电阻蒸发源
为了使蒸发源材料所蒸发的数量非常少，在选择蒸发源材料 时，要保证镀料的蒸发温度应低于该表中蒸发源材料在平衡蒸气 压为 10-8 Torr时的温度。
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蒸发源
➢电阻蒸发源：常用的蒸发源形状
• 其突出的优点是能生长极薄的单晶膜层，且能够精确控制 膜厚、组分和掺杂。
• 适于制作微波、光电和多层结构器件。
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化合物膜的蒸镀
➢分子束外延 分子束外延设备
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化合物膜的蒸镀
➢分子束外延
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化合物膜的蒸镀百度文库
➢分子束外延
特点： • MBE可以严格控制薄膜生长过程和生长速率。 • MBE是一个超高真空的物理淀积过程，利用快门可对生长和中
缺点：
• 可使蒸发气体和残余气体电离，有时会影响膜层质量；
• 电子束蒸镀装置结构复杂，价格昂贵；
• 产生的软X射线对人体有一定的伤害。
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蒸发源
➢电子束蒸发源：结构型式
根据电子束蒸发源的型式不同，可分为环抢、直枪、e型枪、 空心阴极枪，由于环抢、直枪固有缺点，近年来用的比较多 的有e型枪、空心阴极枪。 电子枪需要在高真空条件下才能正常发射电子束。
蒸发温度
102
2040 1605 1830 1745 2330 760 665 645 3170 3980 4180
熔点 （K）
蒸发速 率*
1336 1234 932 303 1685 693 594 1090 4130 3270 3650
6.1 9.4 18 11 15 17 14 17 19 4.5 4.4
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化合物膜的蒸镀
常采用反应蒸发法、三温度法、热壁法和分子束外延法等。
➢反应蒸发法
许多化合物在高温蒸发过程中 会产生分解，例如直接蒸发 A12O3、TiO2等都会产生失氧， 为此宜采用反应蒸发。
将活性气体导入真空室，并与 蒸发源逸出的金属原子、低价 化合物分子在基板表面淀积过 程中发生化学反应，从而形成 所需高价化合物薄膜。
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蒸发源
➢电子束蒸发源：结构型式
直枪蒸发源简图
• 使用方便，能 量密度高，易 于调节控制。
• 体积大、成本 高，蒸镀材料 会污染枪体结 构，存在从灯 丝逸出的Na离 子污染
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蒸发源
➢电子束蒸发源：结构型式
e型枪的结构和工作原理
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蒸发源
➢电子束蒸发源：结构型式
• e 型枪优点：
1）电子束偏转270度，避免了正离子对膜的影响。 2）吸收极使二次电子对基板的轰击减少。 3）结构上采用了内藏式阴极，既防止极间放电，又避
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化合物膜的蒸镀
➢反应蒸发法
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化合物膜的蒸镀
➢三温度法
当把Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料置于坩 埚内加热蒸发时，温度在沸点以上， 半导体材料就会发生热分解，分馏出 组分元素。由于Ⅴ族元素的蒸气压比 Ⅲ族元素大得多，淀积在基板上的膜 层会偏离化合物的化学计量比。所以 发展了三温度蒸发法。
分别控制低蒸气压元素(Ⅲ)的蒸发温度 TⅢ、高蒸气压元素(Ⅴ)的蒸发温度TⅤ 和基板温度TS，一共三个温度，即三 温度法。
直接加热法：W、Mo、Ta 间接加热法：Al2O3、BeO 等坩埚
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蒸发源
➢电阻蒸发源
• 对蒸发源材料的要求：
1. 高熔点 2. 饱和蒸气压低 3. 化学性能稳定，高温下不与蒸发材料反应 4. 良好的耐热性，热源变化时，功率密度变化小 5. 原料丰富、经济耐用
• 电阻蒸发源的优点： 电阻蒸发源的缺点：
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习题
1. 简述真空蒸镀制备薄膜的过程。 2. 点电阻蒸发源的材料要求有哪些？常用的电
阻蒸发源材料有哪几种？ 3. 何为分子束外延？请简述分子束外延的特点。
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