薄膜物理课件 (2)蒸发源的类型

蒸发源的类型
蒸发源的类型
电子束蒸发源的优点 (1) 电子束轰击热源的束流密度高，能获得远比电阻加热源更大 电子束轰击热源的束流密度高， 的能量密度。可在不太小的面积上达到10 的能量密度。可在不太小的面积上达到 4~109 W/cm2的功率 密度， 温度可达3000℃)。如蒸发 密度，因此使高熔点材料蒸发 (温度可达 温度可达 ℃。 W、 Mo、Ge、SiO2、Al2O3等 、 、 、 (2) 由于被蒸发材料是置于水冷坩埚内，因而可避免容器材料的 由于被蒸发材料是置于水冷坩埚内， 以及容器材料与蒸镀材料之间的反应， 蒸发 ，以及容器材料与蒸镀材料之间的反应，这对提高镀膜 的纯度极为重要 (3) 热量可直接加到蒸镀材料的表面，因而热效率高，热传导和 热量可直接加到蒸镀材料的表面，因而热效率高， 热辐射的损失少
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蒸发源的类型
电子束蒸发是将蒸发材料放入水冷铜坩埚中， 电子束蒸发是将蒸发材料放入水冷铜坩埚中，直接利用电子束 加热，使蒸发材料气化蒸发后凝结在基板表面成膜， 加热，使蒸发材料气化蒸发后凝结在基板表面成膜，是真空蒸 发镀膜技术的一种重要的加热方法和发展方向 电子束加热原理与特点 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 电子束加热原理是基于电子在电场作用下， 阳极的蒸发材料上，使蒸发材料加热气化， 阳极的蒸发材料上，使蒸发材料加热气化，从而实现蒸发镀膜 若不考虑发射电子的初速度， 若不考虑发射电子的初速度，则有
上式表明，在二元合金中两个组元金属蒸发速率之比， 上式表明，在二元合金中两个组元金属蒸发速率之比，在该 组元浓度或百分含量一定情况下， 组元浓度或百分含量一定情况下，与该组元的 P / M 值成 正比
合金及化合物的蒸发
一般的合金均不是一种理想溶液， 一般的合金均不是一种理想溶液，拉乌尔定律对合金往往不 完全适用，要引用所谓的活度系数S来进行修正 来进行修正， 完全适用，要引用所谓的活度系数 来进行修正，但活度系 为未知， 数S为未知，可由实验测定 为未知
20 10 58.7 = ⋅ ⋅ ≈ 2.7 80 1 52.0
这种分馏现象的出现使得靠近基板的膜是富铬的 在1527℃下开始蒸发时，铬的初始蒸发速率为镍的2.7倍。 ℃下开始蒸发时， 的初始蒸发速率为镍 倍 会逐渐减小，最终会小于1 随着铬的迅速蒸发， 随着铬的迅速蒸发，GCr/GNi会逐渐减小，最终会小于
合金及化合物的蒸发
合金中各成分的蒸发速率为
MA T
MB T
GA = 0.058PA'
(g/cm2·s)
GB = 0.058PB '
(g/cm2·s)
PA' ：A成分在温度 时的平衡蒸气压 成分在温度T时的平衡蒸气压 成分在温度 成分在温度T时的平衡蒸气压 PB' ：B成分在温度 时的平衡蒸气压 成分在温度 GA： A成分的蒸发速率 成分的蒸发速率 GB： B成分的蒸发速率 成分的蒸发速率 MA： A成分的摩尔质量 成分的摩尔质量 MB： B成分的摩尔质量 成分的摩尔质量
1 mυ 2 = e ⋅ U 2
U：电子的加速电压 ： e：电荷 ：电荷(1.6×10-19C) × m: 电子的质量 电子的质量(9.1×10-28g) ×
蒸发源的类型
电子的运动速度为
υ = 5.93 × 10 U (m / s )
5
假如U 则电子速度可达到6× 假如 = 10 kV, 则电子速度可达到 ×104 km/s 这样高速运动的电子在一定的电磁场作用下， 这样高速运动的电子在一定的电磁场作用下，使之汇集成电 子束并轰击到蒸发材料的表面， 子束并轰击到蒸发材料的表面，使动能变为热能 当加速电压很高时， 当加速电压很高时，产生的热能可足以使蒸发材料气化蒸 发，从而成为真空蒸发的良好热源
蒸发源的类型
蒸发源的类型
蒸发源的类型
高频感应蒸发源的特点 高频感应蒸发源的特点 (1) 蒸发速率大，可比电阻蒸发源大 倍左右 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 蒸发源的温度均匀稳定， (3) 蒸发材料是金属时，蒸发材料可产生热量。因此，坩埚可选 蒸发材料是金属时，蒸发材料可产生热量。因此， 用和蒸发材料反应最小的材料 (4) 蒸发源一次装料，无需送料机构，温度控制比较容易，操作 蒸发源一次装料，无需送料机构，温度控制比较容易， 比较简单
蒸发源的类型
电子束蒸发源的缺点 (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 原子和残余气体电离， 原子和残余气体电离，这有时会影响膜层质量 (可通过设计 可通过设计 和选用不同结构的电子枪加以解决) 和选用不同结构的电子枪加以解决 (2) 多数化合物在受到电子轰击会部分发生分解，以及残余气体 多数化合物在受到电子轰击会部分发生分解， 分子和膜料分子部分地被电子所电离， 分子和膜料分子部分地被电子所电离，将对薄膜的结构和性 质产生影响 (3) 电子束蒸镀装置结构较复杂，设备价格较昂贵 电子束蒸镀装置结构较复杂， (4) 当加速电压过高时所产生的软 射线对人体有一定伤害 当加速电压过高时所产生的软X射线对人体有一定伤害
通常还是采用上式来估计合金蒸发的分馏量
合金及化合物的蒸发
计算：处于 计算：处于1527℃下的镍铬合金 ℃下的镍铬合金(Ni 80%, Cr 20%)在PCr=10Pa, 在 PNi=1Pa时，它们的蒸发速率之比 (MNi= 58.7 MCr = 52.0) 时
GCr WCr PCr M Ni = ⋅ ⋅ GNi WNi PNi M Cr
合金及化合物的蒸发
计算：已知在 的温度下， 合金(Al 98%, Cu 2%) 计算：已知在1350 K的温度下，Al-2%Cu合金 的温度下 合金 在PAl=2×10-4Pa, PCu=10-3Pa，它们的蒸发速率之比 Al= × ，它们的蒸发速率之比M 27.0 MCu= 63.7
G Al WAl PAl M Cu = ⋅ ⋅ GCu WCu PCu M Al
WA = mA m A + mB
WB = mB m A + mB
WA m A n A M A = = WB mB nB M B
合金及化合物的蒸发
PA' PA WA M B = ⋅ ⋅ PB ' PB WB M A
因此，合金中组元A、B的蒸发速率之比为 因此，合金中组元 、 的蒸发速率之比为
G A PA WA M B = ⋅ ⋅ GB PB WB MA
蒸发源的类型
高频感应蒸发源的缺点 高频感应蒸发源的缺点 (1) 蒸发装置必须屏蔽，并需要较复杂和昂贵的高频发生器 蒸发装置必须屏蔽， (2) 如果线圈附近的压强超过 -2 Pa，高频场就会使残余气体 如果线圈附近的压强超过10 ， 电离， 电离，使功耗增大
第四节
合金及化合物的蒸发
对于两种以上元素组成的合金或化合物， 对于两种以上元素组成的合金或化合物，在蒸发时如何控 制成分，以获得与蒸发材料化学比不变的膜层， 制成分，以获得与蒸发材料化学比不变的膜层，是非常重 要的问题 利用蒸发法制备合金或化合物时， 利用蒸发法制备合金或化合物时，常需要考虑薄膜成分偏 离蒸发材料成分的问题
合金及化合物的蒸发
A、B两种成分的蒸发速率之比为 、 两种成分的蒸发速率之比为
G A PA' = GB PB ' MA MB
要保证薄膜的成分与蒸发材料完全一致，必须使 要保证薄膜的成分与蒸发材料完全一致，
PA' PB '
MA =1 MB
这一点很难做到
合金及化合物的蒸发
二元合金的两组元A-B 原子间的作用能与 原子间的作用能与A-A或B-B原 当AB二元合金的两组元 二元合金的两组元 或 原 子间的作用能相等时， 子间的作用能相等时，合金即是一种理想溶液 由理想溶液的拉乌尔定律，合金中组元 的平衡蒸气压 的平衡蒸气压P 由理想溶液的拉乌尔定律，合金中组元A的平衡蒸气压 A'将 小于纯组元A的蒸气压 的蒸气压P 小于纯组元 的蒸气压 A，并与该组元在合金中的摩尔分数 成正比
98 2 × 10−4 63.7 = ⋅ ⋅ ≈ 15 −3 2 10 27
合金及化合物的蒸发
This mean that the 2wt% Cu-Al vapor stream requires a melt with a 15:1 molar ratio of Al to Cu. In order to compensate for the preferential vaporization of Al the original melt composition must be enriched to 13.6wt% Cu. But the calculation only holds for the first instant of time. With successive loss of the volatile melt component, the evaporant flux changes in concert, and if nothing is done a graded film of varying composition will deposit, i.e., the desired stoichimetry at the substrate interface, and layers increasingly richer in Cu above it. Clearly, the desired steady-state deposition of alloys having uniform composition is not sustainable, and this fact is a potential disadvantage of evaporation methods
蒸发源的类型
蒸发源的类型
三、高频感应蒸发源 高频感应蒸发源是将装有蒸发材料的坩埚放在高频螺旋线圈 的中央， 的中央，使蒸发材料在高频电磁场的感应下产生强大的涡流 对铁磁体)， 损失和磁滞损失 (对铁磁体 ，致使蒸发材料升温，直至气化 对铁磁体 致使蒸发材料升温， 蒸发 蒸发源一般由水冷高频线圈和石墨或陶瓷坩埚组成， 蒸发源一般由水冷高频线圈和石墨或陶瓷坩埚组成，其原理 如下图所示
蒸发源的类型
二、电子束蒸发源 电阻加热蒸发源缺点 (1) 来自加热装置、坩埚等可能造成的污染 来自加热装置、 (2) 电阻加热法的加热功率或加热温度也有一定的限制 要制备纯度很高的薄膜材料， 要制备纯度很高的薄膜材料，以及蒸镀某些难熔金属和氧化 物材料时， 物材料时，采用电阻加热蒸发源不能满足要求 电子束蒸发克服了电阻加热法的上述两个缺点， 电子束蒸发克服了电阻加热法的上述两个缺点，特别适合制备 高熔点薄膜材料和高纯薄膜材料
PA' = X A PA
PB ' = X B PB
XA =
nA n A + nB
nB n A + nB
XB =
合金及化合物的蒸发
PA' n A PA = ⋅ PB ' nB PB
分别为组元金属A、 在合金中的质量 在合金中的质量， 设mA、mB分别为组元金属 、B在合金中的质量，WA、WB为 在合金中的浓度
合金及化合物的蒸发
一、合金的蒸发 合金中原子间的结合力小于在不同化合物中不同原子间的结合 力。因而合金中各元素的蒸发过程可以近似看作各元素间相互 独立蒸发的过程，就像它们在纯元素蒸发时的情况一样。 独立蒸发的过程，就像它们在纯元素蒸发时的情况一样。但即 使如此， 使如此，合金在蒸发和沉积过程中也会产生成分的偏差 蒸发二元以上的合金及化合物的主要问题 蒸发材料在气化过程中，由于各成分的饱和蒸气压不同， 蒸发材料在气化过程中，由于各成分的饱和蒸气压不同，会发 生分解和分馏， 生分解和分馏，从而引起薄膜成分的偏离
合金及化合物的蒸发
已知在1350℃的温度下，Al的蒸气压高于 ，因而为了获得 ℃的温度下， 的蒸气压高于 的蒸气压高于Cu， 已知在 Al-2%Cu(质量分数 成分的薄膜，需要使用的蒸发源大致应 质量分数)成分的薄膜 质量分数 成分的薄膜， 该是Al-13.6%Cu (质量分数 质量分数) 该是 质量分数 对于初始确定的蒸发源来说， 对于初始确定的蒸发源来说，由上式确定的组元蒸发速率之 比随着时间而发生变化 这是因为易于蒸发的组元的优先蒸发将造成该组元的不断贫 化，进而造成该组元蒸发速率的不断下降