[理学]薄膜物理第二章.pptVIP

第二章 真空蒸发镀膜法 真空蒸发镀膜法(简称真空蒸镀)是在真空室中，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到固体(称为衬底或基片)表面，凝结形成固态薄膜的方法。由于真空蒸发法或真空蒸镀法主要物理过程是通过加热蒸发材料而产生，所以又称热蒸发法。采用这种方法制造薄膜，已有几十年的历史，用途十分广泛。 近年来，该法的改进主要是在蒸发源上。为了抑制或避免薄膜原材料与蒸发加热器发生化学反应，改用耐热陶瓷坩埚，如BN坩埚。为了蒸发低蒸气压物质，采用电子束加热源或激光加热源。为了制造成分复杂或多层复合薄膜，发展了多源共蒸发或顺序蒸发法。为了制备化合物薄膜或抑制薄膜成分对原材料的偏离，出现了反应蒸发法等。 本章主要介绍蒸发原理、蒸发源的发射特性、膜厚测量与有关蒸发的工艺技术。 2-1 真空蒸发原理 一、真空蒸发的特点与蒸发过程 一般说来，真空蒸发(除电子束蒸发外)与化学气相沉积、溅射镀膜等成膜方法相比较，有如下特点：设备比较简单、操作容易，制成的薄膜纯度高、质量好，厚度可较准确控制；成膜速率快、效率高，用掩模可以获得清晰图形；薄膜的生长机理比较单纯。这种方法的主要缺点是，不容易获得结晶结构的薄膜，所形成薄膜在基板上的附着力较小，工艺重复性不够好等。 图2—1为真空蒸发镀膜原理示意图。主要部分有： (1)真空室，为蒸发过程提供必要的真空环境； (2)蒸发源或蒸发加热器，放置蒸发材料并对其进行加 热； (3)基板，用于接收蒸发物质并在其表面形成固态蒸发 薄膜： (4)基板加热器及测温器等。 石英晶片的固有振动频率f、波长λ和声速v之间有以下关系式 (2-72) 如果石英晶片的厚度为t，对基波而言，则波长λ为 (2-73) 再设石英晶片的密度为ρ，切变弹性系数为c，则 （2-74） 将式(2—74)、(2—73)代入式(2—72)，可得 (2-75) 式中，N为频率常数，其值N＝(c/ρ)1/2/2，对于AT切割方式，N=1670kHzmm。 对式(2—75)求导，则得 (2-76) 由此可知，厚度的变化与振荡频率成正比。式中的负号表示石英晶体厚度增加时其频率下降。若在蒸镀时石英晶体上接收的淀积厚度(质量膜厚)为dx，则相应的晶体厚度变化为 （2-77） 式中，ρm为淀积物质的密度，ρ是石英晶体的密度，其值ρ＝2.65g/cm3。 当ρmdx在不大的范围内，可把由式(2—77)给出的dt代入式(2—76)，则得 （2-78） 此式即为表示振荡频率变化与薄膜质量膜厚之间关系的基本公式。 这种测膜厚方法的优点是测量简单，能够在制膜过程中连续测量膜厚。而且由于膜厚的变化是通过频率显示，因此，如果在输出端引入时间的微分电路，就能测量薄膜的生长速度或蒸发速率。其缺点是，测量的膜厚始终是在石英晶体振荡片上的薄膜厚度。并且每当改变晶片位置或蒸发源形状时，都必须重新校正，若在溅射法中应用此法测膜厚，很容易受到电磁干扰。此外，探头(石英晶片)工作温度一般不允许超过80℃，否则将会带来很大误差。 利用上述原