3+真空蒸发镀膜法+第1,2,3节.pptVIP

第二章 真空蒸发镀膜法 优点： 测量简单、能在制膜过程中连续测量膜厚 缺点： 改变位置或改变蒸发源形状时必须重新校正； 在溅射法中使用容易受到电磁干扰； 石英晶片工作温度不应超过80℃ 分子束外延设备 合金及化合物的蒸发 外延 在一定的单晶材料衬底上，沿衬底某个指数晶面向外延伸生长一层单晶薄膜。 同质外延和异质外延 epitaxy = growth of film with a crystallographic relationship between film and substrate homoepitaxy (autoepitaxy, isoepitaxy) = film and substrate are same material heteroepitaxy = film and substrate are different materials 合金及化合物的蒸发 晶格匹配（失配度） Matched：common in homoepitaxy, sometimes in heteroepitaxy 衬底材料是影响外延层质量的重要因素。要求衬底在沉积温度下稳定，不发生热分解，不受外延材料和气体侵蚀，与外延材料的膨胀系数匹配，晶格匹配。 合金及化合物的蒸发 strained：film grows with structure different from bulk 应变外延结构是热力学不稳定、动力学稳定的。 合金及化合物的蒸发 Relaxed：form edge dislocations 外延单晶薄膜材料在纯度和性能上比体材料有显著改善； 可以制备难于用其它方法制作的大面积或特殊材料的薄膜； 材料制备和器件制造工艺统一设计，有利于提高成品率和稳定性； 合金及化合物的蒸发 MBE装置的结构 分子束喷射炉 监控仪 监测分子束流量 液氮冷阱 合金及化合物的蒸发 合金及化合物的蒸发 MBE的特点 MBE可以严格控制薄膜生长过程和生长速率。MBE虽然也是以气体分子论为基础的蒸发过程，但它并不以蒸发温度为控制参数，而是以四极质谱、原子吸收光谱等近代分析仪器，精密控制分子束的种类和强度。 MBE是一个超高真空的物理淀积过程，即不需要中间化学反应，又不受质量输运的影响，利用快门可对生长和中断进行瞬时控制。薄膜组成和掺杂浓度可以随源的变化作迅速调整。 合金及化合物的蒸发 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， ，相当于每秒生长一个单原子层，有利于精确控制薄膜厚度、结构和成分，形成陡峭的异质结结构。特别适合生长超晶格材料。 MBE在超高真空下进行，可以利用多种表面分析仪器实时进行成分、结构及生长过程分析，进行科学研究。 合金及化合物的蒸发 ★ 特殊的蒸发法 电弧蒸发法 真空蒸发一般所采用的电阻加热法，常存在加热丝、坩埚与蒸镀物质发生反应的问题。还有可能发生由加热源蒸发出的原子混入薄膜以及难于蒸镀高熔点物质的问题。这些问题可以由电子束蒸镀法加以解决，但必须使用复杂昂贵的设备。 这里探讨的方法是利用高真空中电弧放电的真空蒸发法。这种方法又分为交流电弧放电法和直流电弧放电法。 这种方法现在还存在的问题是： 1. 生长时间长，不适于大量生产； 2. 观察系统受到蒸发分子的污染，使性能劣化，而观察系统本身也成为残余气体的发生源。 3. 表面缺陷的密度大； 4. 难于控制混品系和四元化合物的组成。 合金及化合物的蒸发 合金及化合物的蒸发 交流电弧蒸发法借鉴了碳素膜制备方法，不需要特别的设备。蒸发材料作为电极棒安装在与蒸镀室绝缘的两根电极支持棒上，蒸镀室的真空度达10-6-10-7 Torr后，在电极间加交流电压10-50V，移动一个电极，使其与另一电极接触．随后立即拉开。这样，在电极间产生电弧放电，电极材料蒸发，在与蒸发源相距适当距离的基片上形成薄膜。 合金及化合物的蒸发 适当控制蒸镀室的真空度，直流电弧放电可持续较长时间。这种方法可用于金属膜的蒸镀，也可用于铁氧体等氧化膜的蒸镀。 把烧结的铁氧体块体放入真空度为10-5Torr的蒸镀室内，使块体表面朝上，Mo电极棒与块体表面接触，加直流电压110V。当接触部位熔化时