薄膜物理(3)合金及化學(xué)物的蒸發(fā)課件

合金及化合物的蒸發(fā)化合物在蒸發(fā)過(guò)程中，蒸發(fā)出來(lái)的物質(zhì)蒸氣可能具有完全不同于固態(tài)或液態(tài)化合物的成分。氣相分子還可能發(fā)生一系列的化合與分解過(guò)程。二、化合物的蒸發(fā)發(fā)生上述現(xiàn)象的直接后果是沉積的薄膜成分可能偏離原來(lái)的化學(xué)組成合金及化合物的蒸發(fā)合金及化合物的蒸發(fā)化合物的蒸發(fā)法有四種(1)電阻加熱法(2)瞬時(shí)蒸發(fā)法(3)反應(yīng)蒸發(fā)法(4)雙源或多源蒸發(fā)法－三溫度法和分子束外延法合金及化合物的蒸發(fā)反應(yīng)蒸發(fā)法不僅用于熱分解嚴(yán)重，而且用于因飽和蒸氣壓較低而難以采用電阻加熱蒸發(fā)的材料合金及化合物的蒸發(fā)在空氣中或O2氣氛中蒸發(fā)SiO制備SiO2薄膜在N2氣氛中蒸發(fā)Zr制備ZrN薄膜Al(激活蒸氣)＋O2(激活蒸氣)Al2O3(固相沉積)Sn(激活蒸氣)＋O2(激活蒸氣)SnO2(固相沉積)合金及化合物的蒸發(fā)合金及化合物的蒸發(fā)三溫度法和分子束外延法主要用于制備單晶半導(dǎo)體化合物薄膜，特別是Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體化合物薄膜、超晶薄膜以及各種單晶外延薄膜的制備(2)雙源或多源蒸發(fā)法－三溫度法和分子束外延法三溫度法從原理上講是雙蒸發(fā)源蒸發(fā)法三溫度蒸發(fā)法是分別控制低蒸氣壓元素的蒸發(fā)源溫度、高蒸氣壓元素的蒸發(fā)源溫度和基板溫度的蒸發(fā)方法超晶格：由不同的單晶體薄層周期性地交替外延所形成的高度完整的薄膜結(jié)構(gòu)合金及化合物的蒸發(fā)三溫度蒸發(fā)法很難得到外延單晶薄膜，這種方法目前應(yīng)用較少三、特殊的蒸發(fā)法1.電弧蒸發(fā)法上述缺點(diǎn)可由電子束蒸發(fā)法加以解決，但所需設(shè)備昂貴電阻加熱蒸發(fā)源缺點(diǎn)(1)來(lái)自加熱裝置、坩堝等可能造成的污染(2)電阻加熱法的加熱功率或加熱溫度也有一定的限制優(yōu)點(diǎn)：可蒸發(fā)包括高熔點(diǎn)金屬在內(nèi)的所有導(dǎo)電材料，可簡(jiǎn)單快速制備無(wú)污染的薄膜，也不會(huì)引起由于蒸發(fā)源輻射而造成基板溫度升高的問(wèn)題缺點(diǎn)：難于控制蒸發(fā)速率；放電時(shí)所飛濺出微米級(jí)大小的電極材料會(huì)影響被沉積薄膜的均勻性熱壁法是利用加熱的石英管等(熱壁)把蒸發(fā)分子或原子從蒸發(fā)源導(dǎo)向基板，進(jìn)而生成薄膜2.熱壁法特點(diǎn)：在熱平衡狀態(tài)下成膜；通過(guò)加熱源材料與基板材料間的容器壁來(lái)實(shí)現(xiàn)的通常，熱壁較基板處于更高的溫度。整個(gè)系統(tǒng)置于高真空中，但由于蒸發(fā)管內(nèi)有蒸發(fā)物質(zhì)，因此壓強(qiáng)較高3.激光蒸發(fā)法使用高功率的激光束作為能源來(lái)進(jìn)行蒸發(fā)鍍膜的方法，從本質(zhì)上講，也是一種真空蒸發(fā)鍍膜法高能量的激光束透過(guò)窗口進(jìn)入真空室，經(jīng)棱鏡或凹面鏡聚焦，照射到蒸發(fā)材料上，使之加熱汽化蒸發(fā)合金及化合物的蒸發(fā)合金及化合物的蒸發(fā)激光蒸發(fā)法的特點(diǎn)(1)激光加熱可以達(dá)到極高的溫度，可蒸發(fā)任何高熔點(diǎn)的材料，且可獲得很高的蒸發(fā)速率(2)由于采用非接觸式加熱，激光器可以安放在真空室外，既完全避免了蒸發(fā)源的污染，又簡(jiǎn)化了真空室，非常適宜在高真空下制備高純薄膜(3)利用激光束加熱能夠?qū)δ承┗衔锘蚝辖疬M(jìn)行閃爍蒸發(fā)，有利于保證膜成分的化學(xué)計(jì)量比或防止分解；又由于材料氣化時(shí)間短促，不足以使四周材料達(dá)到蒸發(fā)溫度，所以激光蒸發(fā)不易出現(xiàn)分餾現(xiàn)象第五節(jié)分子束外延鍍膜法外延是一種制備單晶薄膜的新技術(shù)，它是在適當(dāng)?shù)囊r底與合適條件下，沿襯底材料晶軸方向生長(zhǎng)一層結(jié)晶結(jié)構(gòu)完整的新單晶層薄膜的方法，新生單晶層叫做外延層。典型的外延方法有液相外延法、氣相外延法和分子束外延法外延來(lái)自希臘詞(epi)和(taxis)，(epi)意思是“在┄上面”，(taxis)意思是排列。如果基片與薄膜的材料相同（例如在單晶Ge上生長(zhǎng)Ge膜）則說(shuō)是自外延（同質(zhì)外延）；如果薄膜與基片是兩種不同的材料（例如在NaCl上生長(zhǎng)Al膜），則稱(chēng)為異質(zhì)外延分子束外延(Molecularbeamepitaxy)是在超高真空條件下，將薄膜諸組分元素的分子束流直接噴射到襯底表面，從而在其上形成外延層的技術(shù)。從本質(zhì)上講，它屬于物理氣相沉積的真空蒸發(fā)鍍膜方法分子束外延鍍膜法與傳統(tǒng)的真空蒸發(fā)鍍膜法不同的是，分子束外延具有超高真空，并配有原位監(jiān)測(cè)和分析系統(tǒng)，能獲得高質(zhì)量的單晶薄膜分子束外延鍍膜法電子衍射儀和俄歇電子能譜儀用來(lái)監(jiān)測(cè)與研究外延層單晶的生長(zhǎng)過(guò)程，評(píng)價(jià)結(jié)晶質(zhì)量和進(jìn)行成分分析主要由工作室、分子束噴射爐和各種監(jiān)控儀器組成四極質(zhì)譜儀用來(lái)檢測(cè)分子束流量液N2是為了提高真空度并對(duì)各個(gè)噴射爐實(shí)施熱隔離且減小對(duì)基板的熱輻射的影響電子槍是用來(lái)監(jiān)測(cè)膜厚分子束外延鍍膜法對(duì)襯底材料的要求：分子束外延鍍膜法(1)要求晶格類(lèi)型和晶格常數(shù)盡可能與外延材料相近(2)在沉積溫度下穩(wěn)定，不發(fā)生熱分解(3)不受外延材料及其蒸氣的侵蝕(4)和外延材料有相近的熱膨脹系數(shù)分子束外延鍍膜法超高真空的環(huán)境控制外延膜生長(zhǎng)的重要條件嚴(yán)格控制適合的襯底溫度各噴射爐的加熱溫度分子束的強(qiáng)度和種類(lèi)分子束外延鍍膜的特點(diǎn)：分子束外延鍍膜法(1)MBE雖然也是一個(gè)以氣體分子運(yùn)動(dòng)論為基礎(chǔ)的蒸發(fā)過(guò)程，但它不是以蒸發(fā)溫度為控制參數(shù)，而是以系統(tǒng)中的四極質(zhì)譜儀、原子吸收光譜等近代分析儀器，精密地監(jiān)控分子束的種類(lèi)和強(qiáng)度，從而嚴(yán)格控制生長(zhǎng)過(guò)程和生長(zhǎng)速率(2)MBE是一個(gè)超高真空的物理沉積過(guò)程，既不需要考慮中間化學(xué)反應(yīng)，又不受質(zhì)量傳輸?shù)挠绊懀⑶依每扉T(mén)可對(duì)生長(zhǎng)和中斷瞬時(shí)調(diào)整。膜的組分和摻雜濃度可隨源的變化作迅速調(diào)整(3)MBE的襯底溫度低，因此降低了界面上熱膨脹引入的晶格失配效應(yīng)和襯底雜質(zhì)對(duì)外延層的自摻雜和擴(kuò)散的影響分子束外延鍍膜法(4)MBE是動(dòng)力學(xué)過(guò)程，即將入射的中性粒子(原子或分子)一個(gè)一個(gè)地堆積在襯底上進(jìn)行生長(zhǎng)，而不是一個(gè)熱力學(xué)過(guò)程，所以它可生長(zhǎng)按照普通熱平衡生長(zhǎng)方法難以生長(zhǎng)的薄膜(5)MBE的另一顯著特點(diǎn)是生長(zhǎng)速率低，大約１μm/h，相當(dāng)于每秒生長(zhǎng)一個(gè)單原子層，因此有利于實(shí)現(xiàn)精確控制厚度、結(jié)構(gòu)與成分和形成陡峭異質(zhì)結(jié)等。MBE特別適于生長(zhǎng)超晶格材料

(6)MBE是在一個(gè)超高真空環(huán)境中進(jìn)行的，而且襯底和分子束源相隔較遠(yuǎn)，因此可用多種表面分析儀器實(shí)時(shí)觀察生長(zhǎng)面上的成分結(jié)構(gòu)及生長(zhǎng)過(guò)程，有利于科學(xué)研究

MBE已在固體微波器件、光電器件、多層周期結(jié)構(gòu)器件和單分子層薄膜等方面的研制得到廣泛應(yīng)用

真空蒸發(fā)鍍膜法操作步驟：(1)放置基片(2)排氣(3)加熱基片(要想快，可以從排氣開(kāi)始后立即進(jìn)行加熱，但為慎重起見(jiàn)，最好在獲得高真空后開(kāi)始加熱)(4)蒸發(fā)源除氣(供給蒸發(fā)源蒸法所需的30％～100％的電功率)(5)蒸鍍(旋轉(zhuǎn)基片，供給蒸發(fā)源所需電能，打開(kāi)擋板)(6)達(dá)到所要求的膜厚之后，關(guān)閉擋板，停止供給蒸發(fā)源和基片電能(7)經(jīng)過(guò)必要的冷卻時(shí)間之后，取出基片，放入下一批基片ⅠAⅡAⅢAⅣAⅤAⅥAⅦAⅧAH(1)HydrogenHe(2)HeliumLi(3)LithiumBe(4)Beryllium固體元素人造元素B(5)BoronC(6)CarbonN(7)NitrogenO(8)OxygenF(9)FluorineNe(10)NeonNa(11)SodiumMg(12)Magnesium氣體元素液體元素Al(13)AluminumSi(14)SiliconP(15)PhosphorousS(16)SulfurCl(17)ChlorineAr(18)ArgonK(19)PotassiumCa(20)CalciumSc(21)ScandiumTi(22)TitaniumV(23)VanadiumCr(24)ChromiumMn(25)ManganeseFe(26)IronCo(27)Cobalt

Ni(28)NickelCu(29)CopperZn(30)ZincGa(31)GalliumGe(32)GermaniumAs(33)ArsenicSe(34)SeleniumBr(35)BromineKr(36)Krypton

Rb(37)RubidiumSr(38)StrontiumY(39)YttriumZr(40)ZirconiumNb(41)NiobiumMo(42)MolybdenumTc(43)TechnetiumRu(44)Ruthenium

Rh(45)RhodiumPd(46)PalladiumAg(47)SilverCd(48)Cadmium

In(49)IndiumSn(50)TinSb(51)AntimonyTe(52)TelluriuI(53)IodineXe(54)Xenon

Cs(55)CesiumBa(56)BariumLa(57-71)LanthanumHf(72)HafniumTa(73)TantalumW(74)TungstenRe(75)RheniumOs(76)OsmiumIr(77)IridiumPt(78)PlatinumAu(79)GoldHg(80)MercuryTl(81)ThalliumPb(82)LeadBi(83)BismuthPo(84)PoloniumAt(85)AstatineRn(86)RadonFr(87)FranciumRa(88)RadiumAc(89-103)ActiniumRf(104)RutherfordiumDb(105)DubniumSg(106)SeaborgiumBh(107)BohriiumHs(108)HassiumMt(109)MeitneriumUunUuuUubUutUuqUupUuhUusUuo

Ce(58)Pr(59)Nd(60)NeodymiumPm(61)PromethiumSm(62)SamariumEu(63)EuropiumGd(64)GadoliniumTb(65)TerbiumDy(66)DysprosiumHo(67)HolmiumEr(68)ErbiumTm(69)ThuliumYb(70)YtterbiumLu(71)LutetiumTh(90)ThoriumPa(91)ProactiniumU(92)UraniumNp(93)NeptuniumPu(94)PlutoniumAm(95)AmericiumCm(96)CuriumBk(97)BerkeliumCf(98)CaliforniumEs(99)EinsteiniumFm(100)Fermium

Md(101)MendeleviumNo(102)NobeliumLr(103)ThuliumⅢBⅣBⅤBⅥBⅦB....ⅧB(niǎo)....ⅠBⅡB半導(dǎo)體薄膜材料半導(dǎo)體材料的分類(lèi)：1無(wú)機(jī)半導(dǎo)體2非晶態(tài)半導(dǎo)體3有機(jī)半導(dǎo)體半導(dǎo)體薄膜材料無(wú)機(jī)半導(dǎo)體晶體材料1元素半導(dǎo)體晶體有實(shí)際用途的只有SiGeSe周期表中有12種元素具有半導(dǎo)體性質(zhì)SiGeSeTeAsSbSnBCPIS半導(dǎo)體薄膜材料2化合物半導(dǎo)體及固溶體半導(dǎo)體有四千多種，大體可作如下分類(lèi)：(1)Ⅲ－Ⅴ化合物半導(dǎo)體AlGaIn與PAsSb組成的九種化合物半導(dǎo)體AlPAlAsGaAsGaSbInPInAsInSb等(2)Ⅱ－Ⅵ化合物半導(dǎo)體ZnCdHg與SSeTe組成的12種化合物CdSCdTeCdSe等半導(dǎo)體薄膜材料(3)Ⅳ－Ⅳ化合物半導(dǎo)體GeSSnTeGeSePbSPbTe等九種AsSe3AsTe3