真空蒸发镀膜综述

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2-3 蒸发源的类型
高频感应蒸发源
将装有蒸发材料的坩埚放在高频 螺旋线圈的中央，使蒸发材料在高 频电磁场的感应下产生强大的涡流 损失和磁滞损失（对铁磁体），致 使蒸发材料升温，直至气化蒸发。
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2-3 蒸发源的类型
高频感应蒸发源
高频感应蒸发源的优点： 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）蒸发材料是金属时，蒸发材料可产生热量； 4）蒸发源一次装料，无需送料机构，温度控制比较容易，操作比较 简单。 缺点： 1） 必须采用抗热震性好，高温化学性能稳定的氮化硼坩锅； 2） 蒸发装置必须屏蔽，并需要较复杂和昂贵的高频发生器； 3） 线圈附近的压强是有定值的，超过这个定值，高频场就会使残 余气体电离，使功耗增大。
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2-4 合金及化合物的蒸发
分馏现象：当蒸发二元以上的合金及化合物时，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，得不到希望的合金或化合物的比例成分，这种现 象称为分馏现象。
合金的蒸发
分压定律：液体的总蒸气压等于各组元蒸气分压之和。
拉乌尔定律：在溶液中，溶剂的饱和蒸气压与溶剂的摩尔分数成 正比，其比例常数就是同温度下溶剂单独存在时的饱和蒸气压。
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2-3 蒸发源的类型
其他蒸发源
激光加热式蒸发源：激光束加热蒸发的原理是利用激光源发射的光子 束的光能作为加热膜材的热源，使膜材吸热汽化蒸发，激光加热蒸发技 术是真空蒸发镀膜工艺中的一项新技术。通常用于制作金刚石，类金刚 石等超硬材料。 电弧加热蒸发源：电弧加热蒸发源是在高真空下通过两导电材料制成 的电极之间产生电弧放电，利用电弧高温使电极材料蒸发。电弧源的形 式有交流电弧放电、直流电弧放电和电子轰击电弧放电等形式。 电弧加热蒸发的优点是既可避免电阻加热法中存在的加热丝、坩埚与 蒸发物质发生反应和污染问题，还可以蒸发高熔点的难熔材料。 电弧加热蒸发的缺点是电弧放电会飞溅出微米级的靶电极材料微粒， 对膜层不利。
电阻蒸发源
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2-3 蒸发源的类型
2.蒸镀材料与蒸发源材料的湿润性
电阻蒸发源
蒸镀材料与蒸发源材料的湿润性与蒸 发材料的表面能大小有关。 高温熔化的蒸镀材料在蒸发源上有 扩展倾向时，可以认为是容易湿润的； 如果在蒸发源上有凝聚而接近于形成球 形的倾向时，就可以认为是难于湿润的。 在湿润的情况下，材料的蒸发是从 大的表面上发生的且比较稳定，可以认 为是面蒸发源的蒸发；在湿润小的时候， 一般可认为是点蒸发源的蒸发。如果容 易发生湿润，蒸发材料与蒸发源十分亲 和，蒸发状态稳定；如果是难以湿润的， 在采用丝状蒸发源时，蒸发材料就容易 从蒸发源上掉下来。
P A ' P B '
由拉乌尔定律：
MA MB
（2-4-3）
要保证薄膜的成分与蒸发料成分完全一致，则必须使
MA 1 MB
PA ' X A PA
PB ' X B PB
故
nA XA nA n B nB XB nA n B
（2-4-4）
PA ' nA PA P nB P B ' B
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2-3 蒸发源的类型
电子束蒸发源
电子束蒸发将蒸发材料放入水冷铜坩埚中，电子在电场作用下， 获得动能轰击到处于阳极的蒸发材料上，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中的一种重要的加热方法 和发展方向，特别适合制作高熔点薄膜材料和高纯薄膜材料。 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的 能流密度。 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 辐射的损失少。 缺点： 电子枪发出的一次电子和蒸发材料发出的二次电子会电离蒸发原子 和残余气体分子，从而影响膜层质量。
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2-4 合金及化合物的蒸发
假设 ：合金/固溶体→理想溶体
合金的蒸发速率
以二元合金为例子，合金各成分的蒸发速率
GA 0.058PA ' M A / T ( g / cm2 s)
GB 0.058PB ' M B / T ( g / cm s)
2
}
（2-4-1）
拉乌尔定律对合金往往不完全适用，故引入活度系数S进行修正， 经修正后相应的蒸发速率公式可表示为
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2-3 蒸发源的类型
电阻蒸发源
蒸发源的形状可根据蒸发材料的性质， 结合考虑与蒸发源材料的湿润性，制作成 不同的形式和选用不同的蒸发源物质。
丝状蒸发源常用于蒸发铝，因为铝和钨的 能相互润湿，为了增大蒸发表面，还有多 股丝状蒸发源。而锥形篮蒸发源通常用于 块状的升华材料和不易与蒸发源相润湿的 材料。
2、衬底与外延膜的热膨胀系数匹配：热膨胀系数的匹配非常重要，外延 膜与衬底材料在热膨胀系数上相差过大不仅可能使外延膜质量下降，还会 在器件工作过程中，由于发热而造成器件的损坏; 3、衬底与外延膜的化学稳定性匹配：衬底材料要有好的化学稳定性，在 外延生长的温度和气氛中不易分解和腐蚀，不能因为与外延膜的化学反应 使外延膜质量下降; 4、材料制备的难易程度及成本的高低：考虑到产业化发展的需要，衬底 材料的制备要求简洁，成本不宜很高。衬底尺寸一般不小于2英寸。
GA 0.058S A X A PA M A / T
其中，
（2-4-2）
PA’ 和PB’分别为A、B成分在温度T时的饱和蒸气分压； GA 、GB分别为两种成分的蒸发速率； MA 、MB分别为两种成分元素的摩尔质量。
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2-4 合金及化合物的蒸发
A、B两种成分的蒸发速率之比为
合金的蒸发速率
GA PA ' GB P B '
化合物的蒸发
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2-4 合金及化合物的蒸发
化合物的蒸发
2．三温度法 从原理上讲，就是双蒸发源蒸发法。 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，分溜出组分元素， 淀积在基板上的膜层会偏离化合物的化 学计量比。这种方法是分别控制低蒸气 压元素（III）的蒸发源温度TM 、高蒸气 压元素（V）的蒸发源温度TV和基板温 度TS，一共三个温度，这就是所谓的三 温度法名称的由来。
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2-3 蒸发源的类型
电子束蒸发源
e型电子枪，即270度偏转的电 子枪克服了直枪的缺点，是目前用 的较多的电子束蒸发源之一。
e型电子枪可以产生很多的功率 密度，能融化高熔点的金属，产生 的蒸发粒子能量高，使膜层和基底 结合牢固，成膜的质量较好。缺点 使电子枪要求较高的真空度，并需 要使用负高压，真空室内要求有查 压板，这些造成了设备结构复杂， 安全性差，不易维护，造价也较高。
mA、mB分别为组元金属A、B在合金中的质量 WA、WB为在合金中的质量百分数 Pi溶剂i单独存在时的饱和蒸气压
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2-4 合金及化合物的蒸发
例题1：
合金的蒸发速率
计算处于1527℃下的镍铬合金(Ni 80%, Cr 20%)在PCr=10Pa,， PNi=1Pa时，它们的蒸发速率之比 (MNi= 58.7 MCr = 52.0)。 解：
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2-3 蒸发源的类型
电阻蒸发源
采用钽、钼、钨等高熔点金属，做成适当形状的蒸发源， 其上装入待蒸发材料，让电流通过，对蒸发材料进行直接 加热蒸发，或者把待蒸发材料放入Al2O3、BeO 等坩埚中 进行间接加热蒸发 。 优点：蒸发源结构简单、廉价易操作 缺点：需考虑蒸发源的材料和形状
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2-3 蒸发源的类型
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2-4 合金及化合物的蒸发
合金中组元金属A、B的蒸发速率之比可改写为
合金的蒸发速率
GA P WA A GB P WB B
其中
MB M A
（2-4-5）
mA WA mA m B
WA m n M A A A WB mB nBM B
i
WB
mB m A mB
PA ' PA WA M B PB ' PB WB M A
GCr WCr PCr M Ni GNi WNi PNi M Cr

20 10 58.7 2.7 80 1 52.0
在1527℃下开始蒸发时，铬的初始蒸发速率为镍的2.7倍。 随着铬的迅速蒸发，GCr/GNi会逐渐减小，最终会小于1，这种 分馏现象的出现使得靠近基板的膜是富铬的，这也是Ni-Cr合 金薄膜具有良好附着性的原因。
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2-4 合金及化合物的蒸发
化合物的蒸发
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2-4 合金及化合物的蒸发
化合物的蒸发
衬底材料是影响外延层质量的重要因素。外延薄膜和衬底为同一物质的称 为“同质外延”，两者不相同的称为“异质外延”。对衬底有如下要求：
1、衬底与外延膜的结构匹配：外延材料与衬底材料的晶体结构相同或相 近、晶格常数失配小、结晶性能好、缺陷密度低;
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2-3 蒸发源的类型
电子束蒸发源的形势
电子束蒸发源
根据电子束蒸发源的形式不同，可分为环形枪，直枪，e型枪和空 心阴极电子枪等几种。 直枪是一种轴对称的直线加 速枪，电子从灯丝阴极发射，聚 成细束，经阳极加速后打在坩锅 中使镀膜材料融化和蒸发。直枪 的功率从几百瓦至几百千瓦的都 有，有的可用于真空蒸发，有的 可用于真空冶炼。直枪的缺点是 蒸镀的材料会污染枪体结构，给 运行的稳定性带来困难，同时发 射灯丝上逸出的钠离子等也会引 起膜层的污染
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2-4 合金及化合物的蒸发
3．分子束外延镀膜法（MBE）
化合物的蒸发
外延是一种制备单晶薄膜的新技术，它是在适当的衬底与合适条件下， 沿衬底材料晶轴方向生长一层结晶结构完整的新单晶薄膜的方法，新生单 晶层叫做外延层。 分子束外延法是在超高真空条件下，将薄膜诸组元素的分子束流，直接 喷到衬底表面，从而在其上形成外延层的技术，是新发展起来的外延制膜 方法。 优点 : 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，从而为集成光电和超大规模集成电路的 发展提供了有效手段。