薄膜物理课件 (3)合金及化学物的蒸发.ppt

1、合金及化合物的蒸发,化合物在蒸发过程中，蒸发出来的物质蒸气可能具有完全 不同于固态或液态化合物的成分。气相分子还可能发生一 系列的化合与分解过程。,二、化合物的蒸发,发生上述现象的直接后果是沉积的薄膜成分可能偏离原 来的化学组成,合金及化合物的蒸发,合金及化合物的蒸发,化合物的蒸发法有四种,(1) 电阻加热法,(2) 瞬时蒸发法,(3) 反应蒸发法,(4) 双源或多源蒸发法三温度法和分子束外延法,合金及化合物的蒸发,反应蒸发法主要用于制备高熔点的绝缘介质薄膜，如氧化 物、氮化物和硅化物等,(1) 反应蒸发法,反应蒸发法是将活性气体导入真空室，使活性气体的原子、 分子和从蒸发源逸出的蒸发金属原子

2、、低价化合物分子在基 板表面沉积过程中发生反应，从而形成所需高价化合物的方 法,许多化合物在高温蒸发过程中会产生分解，例如直接蒸发 Al2O3、TiO2等会产生失氧，宜采用反应蒸发法为宜,合金及化合物的蒸发,反应蒸发法不仅用于热分解严重，而且用于因饱和蒸气压较 低而难以采用电阻加热蒸发的材料,合金及化合物的蒸发,在空气中或O2气氛中蒸发SiO制备SiO2薄膜,在N2气氛中蒸发Zr制备ZrN薄膜,合金及化合物的蒸发,合金及化合物的蒸发,在反应蒸发法中，蒸发源原子或低价化合物分子与活性气体 发生反应的地方有三种可能,蒸发源表面的反应尽可能避免，因为它会导致蒸发速率的降低,(1) 蒸发源表面,(2)

3、 蒸发源到基板的空间,(3) 基板表面,活性反应气体所对应的平均自由程大于源基的距离，碰撞 的几率即使达到50左右，但反应的可能性很小,反应主要发生在基板表面,合金及化合物的蒸发,三温度法和分子束外延法主要用于制备单晶半导体化合物 薄膜，特别是-族半导体化合物薄膜、超晶薄膜以及各 种单晶外延薄膜的制备,(2) 双源或多源蒸发法三温度法和分子束外延法,三温度法从原理上讲是双蒸发源蒸发法,三温度蒸发法是分别控制低蒸气压元素的蒸发源温度、高蒸 气压元素的蒸发源温度和基板温度的蒸发方法,超晶格：由不同的单晶体薄层周期性地交替外延所形成的高 度完整的薄膜结构,合金及化合物的蒸发,三温度蒸发法很难得到外延

4、单 晶薄膜，这种方法目前应用较 少,三、特殊的蒸发法,1. 电弧蒸发法,上述缺点可由电子束蒸发法加以解决，但所需设备昂贵,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 (2) 电阻加热法的加热功率或加热温度也有一定的限制,电弧蒸发法是制备高熔点薄膜的一种较为简便的方法，它是 采用高熔点材料构成两个棒状电极，在高真空下通电使其发 生电弧放电，使接触部分达到高温进行蒸发。它是一种自加 热方法,优点：可蒸发包括高熔点金属在内的所有导电材料，可简单 快速制备无污染的薄膜，也不会引起由于蒸发源辐射 而造成基板温度升高的问题,缺点：难于控制蒸发速率；放电时所飞溅出微米级大小的电 极材料会

5、影响被沉积薄膜的均匀性,热壁法是利用加热的石英管等 (热壁) 把蒸发分子或原子从蒸 发源导向基板，进而生成薄膜,2. 热壁法,特点：在热平衡状态下成膜；通过加热源材料与基板材料间 的容器壁来实现的,通常，热壁较基板处于更高的温度。整个系统置于高真空 中，但由于蒸发管内有蒸发物质，因此压强较高,热壁法制备薄膜的优点,热壁法主要用于-族、-和-族半导体化合物薄膜 的制备,(1) 蒸发材料的损失保持在最小,(2) 生长管中可以得到洁净的环境,(3) 管内可以保持相对较高的气压,(4) 源与基板间的温差可以大幅度降低,和分子束外延法制备薄膜相比，热壁法方法简便、价格便 宜，但可控性和重复性较差,3.

6、激光蒸发法,使用高功率的激光束作为能源来进行蒸发镀膜的方法，从本 质上讲，也是一种真空蒸发镀膜法,高能量的激光束透过窗口进入真空室，经棱镜或凹面镜聚 焦，照射到蒸发材料上，使之加热汽化蒸发,合金及化合物的蒸发,合金及化合物的蒸发,合金及化合物的蒸发,激光蒸发法的特点,(1) 激光加热可以达到极高的温度，可蒸发任何高熔点的材 料，且可获得很高的蒸发速率,(2) 由于采用非接触式加热，激光器可以安放在真空室外，既 完全避免了蒸发源的污染，又简化了真空室，非常适宜 在高真空下制备高纯薄膜,(3) 利用激光束加热能够对某些化合物或合金进行闪烁蒸发， 有利于保证膜成分的化学计量比或防止分解；又由于材 料

7、气化时间短促，不足以使四周材料达到蒸发温度，所 以激光蒸发不易出现分馏现象,第五节分子束外延镀膜法,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 层薄膜的方法，新生单晶层叫做外延层。典型的外延方法有液 相外延法、气相外延法和分子束外延法,外延来自希腊词 (epi)和 (taxis)， (epi)意思是“在 上面”， (taxis)意思是排列。如果基片与薄膜的材料相同（例如在单晶 Ge上生长Ge膜）则说是自外延（同质外延）；如果薄膜与基片 是两种不同的材料（例如在NaCl上生长Al膜），则称为异质外 延,第五节分子束外延镀膜法,液

8、相外延是使衬底与含有被沉积组分的过饱和溶液相接触，从 而获得外延生长的方法,例如，要生长GaAs外延薄膜，可以将衬底浸入成分为90Ga- 10%As(摩尔比)的液相中,该方法的特点是简单易行，但具有外延层一致性和平整性较 低，界面成分突变性较差等缺点,分子束外延(Molecular beam epitaxy )是在超高真空条件下， 将薄膜诸组分元素的分子束流直接喷射到衬底表面，从而 在其上形成外延层的技术。从本质上讲，它属于物理气相沉 积的真空蒸发镀膜方法,分子束外延镀膜法,与传统的真空蒸发镀膜法不同的是，分子束外延具有超高真 空，并配有原位监测和分析系统，能获得高质量的单晶薄膜,分子束外延镀

9、膜法,电子衍射仪和俄歇电子能谱仪用来监测与研 究外延层单晶的生长过程，评价结晶质量和 进行成分分析,主要由工作室、分子束喷射炉和各种监控 仪器组成,四极质谱仪用来检测分子束流量,液N2是为了提高真空度并对各个喷射炉实 施热隔离且减小对基板的热辐射的影响,电子枪是用来监测膜厚,分子束外延镀膜法,分子束外延镀膜法,分子束外延法镀膜的优点,(1) 由于系统是超高真空，因此残余气体不易进入膜层，薄膜纯 度高,(2) 外延生长可在低温下进行,(3) 可严格控制薄膜成分及掺杂浓度,(4) 能对薄膜进行原位检测分析,对衬底材料的要求：,分子束外延镀膜法,(1) 要求晶格类型和晶格常数尽可能与外延材料相近,(

10、2) 在沉积温度下稳定，不发生热分解,(3) 不受外延材料及其蒸气的侵蚀,(4) 和外延材料有相近的热膨胀系数,分子束外延镀膜法,超高真空的环境,控 制 外 延 膜 生 长 的 重 要 条 件,严格控制适合的衬底温度,各喷射炉的加热温度,分子束的强度和种类,分子束外延镀膜的特点：,分子束外延镀膜法,(1) MBE虽然也是一个以气体分子运动论为基础的蒸发过程，但它 不是以蒸发温度为控制参数，而是以系统中的四极质谱仪、原子 吸收光谱等近代分析仪器，精密地监控分子束的种类和强度，从 而严格控制生长过程和生长速率,(2) MBE是一个超高真空的物理沉积过程，既不需要考虑中间化学 反应，又不受质量传输的

11、影响，并且利用快门可对生长和中断 瞬时调整。膜的组分和掺杂浓度可随源的变化作迅速调整,(3) MBE的衬底温度低，因此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的自掺杂和扩散的影响,分子束外延镀膜法,(4) MBE是动力学过程，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 可生长按照普通热平衡生长方法难以生长的薄膜,(5) MBE的另一显著特点是生长速率低，大约m/h，相当于每 秒生长一个单原子层，因此有利于实现精确控制厚度、结构与 成分和形成陡峭异质结等。 MBE特别适于生长超晶格材料,(6) MBE是在一个超高真空环境中进行的

12、，而且衬底和分子束源相 隔较远，因此可用多种表面分析仪器实时观察生长面上的成分 结构及生长过程，有利于科学研究,MBE已在固体微波器件、光电器件、多层周期结构器件和单分子 层薄膜等方面的研制得到广泛应用,真空蒸发镀膜法操作步骤：,(1) 放置基片,(2) 排气,(3) 加热基片(要想快，可以从排气开始后立即进行加热，但为慎重起见，最好在获得高真空后开始加热),(4) 蒸发源除气(供给蒸发源蒸法所需的30100的电功率),(5) 蒸镀(旋转基片，供给蒸发源所需电能，打开挡板),(6) 达到所要求的膜厚之后，关闭挡板，停止供给蒸发源和基片电能,(7) 经过必要的冷却时间之后，取出基片，放入下一批基

13、片,半导体薄膜材料,半导体材料的分类：,1 无机半导体,2 非晶态半导体,3 有机半导体,半导体薄膜材料,无机半导体晶体材料,1 元素半导体晶体,有实际用途的只有Si Ge Se,周期表中有12种元素具有半导体性质,Si Ge Se Te As Sb Sn B C P I S,半导体薄膜材料,2 化合物半导体及固溶体半导体,有四千多种，大体可作如下分类：,(1) 化合物半导体,Al Ga In与P As Sb组成的九种化合物半导体,AlP AlAs GaAs GaSb InP InAs InSb等,(2) 化合物半导体,Zn Cd Hg与S Se Te组成的12种化合物,CdS CdTe CdSe等,半导体薄膜材料,(3) 化合物半导体,GeS SnTe GeSe PbS PbTe等九种,AsSe3 AsTe3 AsS3 SbS3等,(4) 化合物半导体,(5)