电子束设备制备薄膜实验指导书

可以放不同样品的坩埚，基片放在真空室的顶部。 电子的发射，和加速，聚焦 � 膜厚监控仪 这部分需要深入了解。 � 离子轰击系统 � 电阻蒸发系统等其他配件 温度：加热和降温，理论基础《热力学》 测量温度的方式。
三 、实验原理和装置 1、 真空（Vaccum）
固态或液态材料被加热到足够高的温度时会发生气化（影响物质相变的因素，温度， 压强，固态或液态材料本身的性质等） ，由此产生的蒸汽在较冷的基体上沉积下来就形成了 固态薄膜。真空蒸发（真空环境，蒸发制备）是制备蒸发薄膜的方法，具体作法是使用真空 机组把沉积室内的压强降到 10 −2 Pa 以下，然后用电阻加热、电子轰击或其他方法把蒸发料 加热到使大量的原子或分子离开其表面， 并沉积到基片上。 金属和热稳定性良好的化合物均 可用此法淀积。蒸发薄膜的纯度较高。这种蒸发的方法简单、方便，因而目前应用仍然最为 广泛。 用真空蒸发的方法将金属或非金属材料沉积到基片上的具体过程可分为三个阶段： 从蒸 发源开始的热蒸发； 蒸发料原子或分子从蒸发源向基片渡越； 蒸发料原子或分子沉积在基片 上。 真空系统中， 由于背景气压低， 大部分蒸汽原子或分子不与残余气体分子发生碰撞现象， 而沿直线路径到达基片。 蒸发物质的分子在从蒸发源到待沉积薄膜衬底的迁移过程中， 会与周围环境中的气体原 子相碰撞。蒸发物分子中发生碰撞的百分数等于（１－ e
−L
D
） ，其中 L 为气体分子的平均自
由程，D 为从蒸发源到衬底的直线距离．对于普通的真空蒸发装置，Ｄ一般为 10 到 50 ㎝， 为了保证只有很小一部份蒸发物分子与镀膜装置中的残余气体分子发生碰撞， 减少对所沉积 薄膜的污染，通常蒸发要求 10 −2 ～ 10 −4 Pa 的真空度下进行。 用来制备薄膜的大多数蒸发材料的蒸发温度在 1000～2000℃。为了把蒸发材料加热到 如此高温,可以采用不同的加热方法和蒸发源。目前最常用的有电阻加热蒸发源、电子束加 热蒸发源、高频加热蒸发源、电弧加热蒸发源、激光加热蒸发源。真空蒸发镀膜最常用的是 电阻加热法。其优点是加热源的结构简单，造价低廉，操作方便；缺点是不适用于难熔金属 和耐高温的介质材料。 电子束加热则能克服电阻加热的缺点。 电子束蒸发是利用聚焦电子束直接对被轰击材料 加热，电子束的动能变成热能，使材料蒸发。能获得远比电阻热源更高的能量密度，数值可 达到 104--109W/cm2,可以将膜材表面加热到 3000--6000℃。 由于被蒸镀的材料是放在水冷坩 埚内， 所以还可以避免容器材料的蒸发以及容器材料与膜材之间的反应， 这对提高膜的纯度 是极为重要的。热量可直接加到膜材表面上，因此热效率高、热传导和热辐射损失少。电子 束加热可用于蒸发高熔点、高纯度的金属或介质材料。 本系实验室还有 PLD 和磁控镀膜设备，也是常用的真空镀膜设备系统。 PLD，磁控溅 射和电子束镀膜设备有各自的优缺点。PLD（准分子脉冲激光沉积系统）使用聚焦的脉冲激 光加热蒸发靶材，由于每份脉冲激光能量 ℏγ 很弱，PLD 不能沉积某些材料；磁控溅射设备
使用电子束设备制备氧化锌掺杂锰（ZnMnO）薄膜
目前有许多薄膜制备技术，包括各种蒸发、溅射、离子镀等的物理气相沉积技术，各种 化学气相沉积技术，各种电的、或机械的、或化学的沉积技术（电镀、化学镀、喷涂、静电 喷涂、等离子喷涂、刷涂等等） 。电子束蒸发是利用聚焦电子束直接对材料进行加热蒸发， 是一种重要的薄膜制备技术。利用电子束设备原则上可以蒸发各种材料，包括高熔点材料。 稀磁半导体（Diluted Magnetic Semiconductors,DMSs）是指由磁性过渡族金属元素或稀 土金属部分替代 II-VI 族、IV-VI 族、II-V 族或 III-V 族半导体中的非磁性元素后形成的一类 新型半导体信息功能材料。氧化锌属于 II-VI 族氧化物，具有高的熔点、激子束缚能、激子 增益，并且其生长温度低、生长工艺多样、原料丰富、无毒无害及易刻蚀等优良特性，使得 氧化锌在高速激子光开关、超声换能器、高频滤波器，及紫外探测器、光电子领域和太阳能 电池方面有巨大的应用潜力。 过渡金属元素在氧化锌中具有较高的溶解度， 其中在非平衡态 条件下锰的固溶度高达 35%。 2000 年 Dietl T.等用平均场理论预测出 Mn 掺杂的 P 型 ZnO 具 [1] 有与室温铁磁性 ，引起人们对 Mn 掺杂的 ZnO 进行了大量研究[2-6]，但使用电子束方法制 备氧化锌掺杂锰材料尚未见报道， 本次实验探索使用电子束方法来制备一系列不同掺杂比例 的稀磁半导体材料 Zn1-xMnxO（x=0.01, 0.02, 0.05, 0.1） ，并表征和研究其特性。
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需要通入 Ar 气来产生等离子体，因此溅射镀膜在一定气氛条件下完成，这也限制了其镀膜 的环境。相比较而言，电子束镀膜系统，每个电子能量较 PLD 强，又没有磁控溅射的气氛 限制，是比较理想的真空沉积装置。
2、 电子束蒸发薄膜制备技术
电子束蒸发镀膜设备通常由镀膜工作室、真空系统、电子枪及电源、样品架组件、样品 烘烤加热系统、膜厚监控系统、离子轰击系统、控制系统、系统电源等组成。 电子束加热蒸发系统的结构如图 1 所示。
图2
e 型电子枪的工作原理
1—电子发射体, 2—阳极, 3—电磁线圈，4—水冷坩埚，5—收集极，6—吸收极，7—电子轨迹，8—正 离子轨迹，9—散射电子轨迹，10—等离子体。
蒸发源中通常使用灼热的钨丝阴极作为电子源。电子加速电压通常为 5-10 千伏（这个 电压下电子的能量是多少？估计转化为物质的熔点关系？） ，电子电流为数百毫安，电子枪 功率 0-6kW 连续可调。聚焦于蒸发源上的电子束斑可以作扫描运动，扫描频率和幅度可调。 利用离子轰击装置可以清洗基片表面。使基片表面上少许残留污物被轰击去掉，增加 膜层与基片表面的附着力，提高膜层的机械强度。 挡板由压缩空气驱动。 当被蒸发的金属或非金属加热预熔时， 可使挡板遮住蒸发源上方， 以防止材料中的杂质淀积到基片表面。另外当薄膜达到所需厚度时，也可使用挡板，以控制 膜层厚度。 为了获得厚度均匀分布的膜层，使工件架作 3-30RPM 的转动，转动由变速电机驱动， 转 速连续可调。利用温控器控制基片加热温度，温度范围：室温～800℃。镀膜时薄膜的厚度 通过石英晶体振荡膜厚监控仪监测。
钛和氧化锌，并制备不同掺杂比例的一系列氧化锌掺杂锰薄膜。通过做实验，让学生观 察领会实验现象和复杂的实验过程， 小心留心用心实验的每个环节。 本次实验以上安排， 可对比观察到：蒸发钛，电离规读数下降，显示真空度提高，表明蒸发金属钛，能够起 到净化真空室的作用；不加束流，也会在氧化锌靶上观察到荧光，这便于寻找定位电子 束斑，比在金属靶上直接加束流直到有亮点出现要好，实验更安全合理；对比氧化锌掺 杂锰的靶和纯氧化锌，可明显观察到掺杂锰的氧化锌靶，在缓慢地加束流时，就发现靶 上出现亮点，表明靶上有容易吸收电子束的其他成分。
3、 制备氧化锌掺杂锰（ZnMnO）薄膜【2-6】
1. 制备不同掺杂比例的 Zn1-xMnxO 靶（x=0.01, 0.02, 0.05, 0.1） 2. 实验计划 基片采用玻璃，P 型和 N 型重掺杂硅片。实验安排及实验观察现象结果如下。
第一次实验：试验尝试性质使用电子束设备制备 Zn0.99Mn0.01O 薄膜，以靶为例，讲授“逻辑 分析的作用” 。 由于使用电子束设备制备氧化锌掺杂锰是个探索实验， 而使用电子束设备制备氧化锌是成熟 的实验，因此，第一次实验采用掺杂锰比例最低的靶 Zn0.99Mn0.01O，来看实验效果。 实验发现： 采用氧化锌的实验条件，实验可以进行；但与纯氧化锌不同，未加束流时，靶 Zn0.99Mn0.01O 荧光中有许多很小的亮点出现；实验过程很快。实验结束后发现，基片上成功地镀膜，但是 靶熔穿一个小洞，表明蒸发时间不能很长，否则束斑会击穿到坩埚。 以压靶为例，让学生学会分析解决问题的能力。实验中总会遇到困难和矛盾，让学生先学会 把这些困难，矛盾和问题用文字记录下来，再分析思考解决问题，即“逻辑分析在实践中的 应用” 。如，本次压靶中退靶一般都采用“向上顶，退出靶” ，现在由于模具的退柱长度稍微 短于模具，使得靶总有一部分嵌在模具里，影响靶的完好取出，即问题“向上顶，不好退出 靶” ，分析这个语句，我们自然想到“向下顶，如何？”当然，向下顶，也存在问题，主要 是退柱会在重力下滑下撞压在靶上，有可能造成靶的裂纹。 第二次实验： 使用电子束设备制备 Zn0.95Mn0.05O 薄膜， 讲授稀磁半导体材料及磁电子学知识 [7,8]。 继续采用氧化锌的实验条件，实验发现缓慢增加很小的束流时，靶自身除了发热发红外， 还 发出耀眼的光芒， 使得无法透过观察窗口来观察靶的情况， 这是以前使用电子束蒸发金属和 氧化物没有出现的新情况。 由于第一次实验很快让靶熔穿， 这次实验也只能是尝试摸索性质。 实验结束后发现，即使采用很小的束流和很短的时间，靶也熔穿一个小洞。 第三次实验：使用电子束设备制备 Zn0.90Mn0.10O 薄膜，介绍锰氧化物的相关知识。 在上两次实验的基础上， 可以使用电子束设备来制备氧化锌掺杂锰材料。 针对实验中出现的 问题，我们这次实验采用较小的灯丝电流，缓慢增加束流来蒸发制备 Zn0.90Mn0.10O 薄膜。 实验发现采用较小的灯丝电流， 增加束流， 在较强的灯光照耀下， 可以通过观察窗口监控靶。 但是，较小的灯丝电流下，膜厚仪很难监控沉积速率，我们采取在灯丝电流由预置电流在增 加束流到达靶变红电流的时间来监测膜厚。先蒸发 10 分钟，观察膜厚仪的厚度和频率，发 现沉积速率大概为 1Å/min。然后关闭束流，看靶蒸发的情况。再先后蒸发 30 分钟和 20 分 钟。实验结束发现，基片上成功沉积了 Zn0.90Mn0.10O 薄膜，靶可以下次再次使用；但是薄膜 沉积的均匀性不是很好。 第四次实验：使用电子束设备制备 Zn0.99Mn0.01O 薄膜，讲授本实验的目的和薄膜特性表征。 实验发现，采用第三次实验的实验条件（较小的灯丝电流） ，无法蒸发 Zn0.99Mn0.01O 薄膜， 表明不同锰的掺杂比例对蒸发条件影响很大。 我们只能再次使用氧化锌的实验条件， 并在较 强的灯光照耀下监控，及膜厚仪监控。实验发现，膜厚仪监测的蒸发速率明显大于第三次实 验，沉积速率为上次的 2 到 3 倍。蒸发时间 20 分钟，靶就被熔穿一个较深的洞。膜厚仪经 常蓝屏。 第五次实验：使用电子束设备制备 Zn0.98Mn0.02O 薄膜 将膜厚仪接地线。采用类似上次实验条件，继续摸索实验条件，蒸发时间限定 20 分钟之内。 主要参考文献 1. Zener model description of ferromagnetism in zinc-blende magnetic semiconductors [J].Science, 2000, 287(5455):1019, Dietl T, Ohno H, Matsukura F, et al. 2. Magnetic and transport properties of (Mn, Co)-codoped ZnO films prepared by radio-frequency magnetron cosputtering, Journal of applied physics 98, 053908(2005), Zheng-Bin Gu, Chang-Sheng Yuan, et al.
一 、实验目的 1．介绍和学习电子束蒸发镀膜的工作原理；了解真空镀膜设备的知识；并对比三套不同的
真空设备（四种方式） ：传统的热蒸发镀膜，电子束镀膜系统，PLD 镀膜系统，磁控溅射 镀膜系统，主要区别是靶材获取能量的方式不同；重点关注电子束设备的特点。
2．实践用电子束 DZS-500 型设备制备 Zn1-xMnxO 薄膜。 本次实验先后分别演示电子束蒸发
3．分析、思考和解决实验中的问题。由于使用电子束方法制备氧化锌掺杂锰的实验尚未见
文献报道，因此这是一个探索性实验，需要摸索实验条件。
4．试验磁性元素锰的掺杂能够增强光的吸收，并测试变温下的光吸收谱；试验锰的掺杂能
够增强 PN 结的光伏效果，并测试磁效应与光伏的依赖关系。
二 、实验设备
电子束 DZS-500 型蒸发镀膜系统，辅助设备有：压靶机，磁力搅拌器，高温炉。电子 束 DZS-500 设备系统包括有： � 真空系统 真空系统一般包括：真空泵及真空测量系统。我们目前的系统安装的获取真空的设备有： 上 海富思特牌 2XZ-8B 型直连旋片式真空泵，北京华特分子泵。测量真空设备有成都睿宝 REBORN 牌 ZDF-5327 型真空计。 � 电子枪及电源 电子枪头是本设备的一个关键部件，他直接关系到电子束的聚焦、能量和光斑位置。有四个
本实验采用 e 型枪电子束蒸发源。e 型电子枪即电子束经过 270°偏转的电子枪，是目 前用得较多的电子束蒸发源。其结构如图 2 所示。所谓 e 型枪是由电子运动轨迹而得名。 电 子由热阴极发射，经聚集极和阳极(即接地的坩埚)之间的电场加速，并聚集在被蒸发物质的 表面。 电子枪是通过控制柜来控制的。 由于入射电子与蒸发原子相碰撞而游离出来的正离子， 在偏转磁场作用下， 产生与入射电子相反方向的运动， 因而避免了直枪中正离子对蒸镀膜层 的污染。同时 e 型枪也大大减少了二次电子(高能电子轰击材料表而所产生的电子)对基板轰 击的几率。
图 1 电子束加热蒸发系统示意图 蒸发过程在镀膜工作室内进行。 镀膜工作室为箱形真空室， 其中有基片加热器、 基片架、 活动挡板、离子轰击电极、蒸发源、低压蒸发电极、真空规管插座、放气阀等部件。离子轰 击采用交流高压电源，其作用是清除基片表面的污垢和吸附的气体。 真空系统由高真空系统和低真空系统两部分组成。高真空系统出过渡管道(连接分子泵 与镀膜室)、高真空阀(分子泵阀门)、分子泵等组成。低真空系统由管道阀、低真空管道、 机 械泵电磁放气阀(在机械泵停止工作的同时，该阀门会把气体放入机械泵抽气端)及机械真空 泵组成。这些泵的原理都是机械式的，扩散排空式的。 思考的问题：由于这些泵采用的都是电力自动驱动装置设计，难免有些局限；可否考虑 人力设计的真空系统？由于人力的智能， 我们可以设计更巧妙的真空抽取设备？我们希望获 得真空度高的真空，主要排除的是气体，气体的性质除了教科书上的《热力学》描述，还有 哪些性质可以表征的？如承认原子分子学说的，空气的主要成分是氧气和氮气，利用化学 性质驱除；还有可否利用其电介质性质，使用电场驱赶？另外，可将真空腔设计成上下两个 通道， 这样可以故意从上方通入大量的特定气体来驱赶剩余的空气， 这种特定气体可以不仅 通过常用的泵可以抽出，还可以充分利用它的物理，化学性质来排除的。 采用热偶电离复合真空计测量真空度，热偶真空计的量程为 10-2~102Pa，电离真空计的 量程为 10-7~10-2Pa。