1、會計學1薄膜物理蒸發源的類型薄膜物理蒸發源的類型第一頁，編輯于星期日：十九點 五十分。電子束蒸發是將蒸發材料放入水冷銅坩堝中，直接利用電子電子束蒸發是將蒸發材料放入水冷銅坩堝中，直接利用電子束束加熱，使蒸發材料氣化蒸發后凝結在基板表面成膜，是真空加熱，使蒸發材料氣化蒸發后凝結在基板表面成膜，是真空蒸蒸發鍍膜技術的一種重要的加熱方法和發展方向發鍍膜技術的一種重要的加熱方法和發展方向電子束加熱原理與特點電子束加熱原理與特點電子束加熱原理是基于電子在電場作用下，獲得動能轟擊處于電子束加熱原理是基于電子在電場作用下，獲得動能轟擊處于陽極的蒸發材料上，使蒸發材料加熱氣化，從而實現蒸發鍍膜陽極的蒸發材料上

2、，使蒸發材料加熱氣化，從而實現蒸發鍍膜若不考慮發射電子的初速度，則有若不考慮發射電子的初速度，則有Uem221U：電子的加速電壓：電子的加速電壓e：電荷：電荷10-19C)m: 電子的質量電子的質量10-28g)第1頁/共29頁第二頁，編輯于星期日：十九點 五十分。這樣高速運動的電子在一定的電磁場作用下，使之匯集成這樣高速運動的電子在一定的電磁場作用下，使之匯集成電電子束并轟擊到蒸發材料的表面，使動能變為熱能子束并轟擊到蒸發材料的表面，使動能變為熱能電子的運動速度為電子的運動速度為smU/1093. 55假如假如U = 10 kV, 則電子速度可達到則電子速度可達到6104 km/s當加速電壓

3、很高時，產生的熱能可足以使蒸發材料氣化蒸當加速電壓很高時，產生的熱能可足以使蒸發材料氣化蒸發，從而成為真空蒸發的良好熱源發，從而成為真空蒸發的良好熱源第2頁/共29頁第三頁，編輯于星期日：十九點 五十分。第3頁/共29頁第四頁，編輯于星期日：十九點 五十分。電子束蒸發源的優點電子束蒸發源的優點(1) 電子束轟擊熱源的束流密度高，能獲得遠比電阻加熱源更大電子束轟擊熱源的束流密度高，能獲得遠比電阻加熱源更大 的能量密度。可在不太小的面積上達到的能量密度。可在不太小的面積上達到104109 W/cm2的功率的功率 密度，因此使高熔點材料蒸發密度，因此使高熔點材料蒸發 (溫度可達溫度可達3000)。如

4、蒸發。如蒸發 W、 Mo、Ge、SiO2、Al2O3等等(2) 由于被蒸發材料是置于水冷坩堝內，因而可避免容器材料的由于被蒸發材料是置于水冷坩堝內，因而可避免容器材料的 蒸發蒸發 ，以及容器材料與蒸鍍材料之間的反應，這對提高鍍膜，以及容器材料與蒸鍍材料之間的反應，這對提高鍍膜 的純度極為重要的純度極為重要(3) 熱量可直接加到蒸鍍材料的表面，因而熱效率高，熱傳導和熱量可直接加到蒸鍍材料的表面，因而熱效率高，熱傳導和 熱輻射的損失少熱輻射的損失少第4頁/共29頁第五頁，編輯于星期日：十九點 五十分。電子束蒸發源的缺點電子束蒸發源的缺點(1) 電子槍發出的一次電子和蒸發材料發出的二次電子會使蒸發電

5、子槍發出的一次電子和蒸發材料發出的二次電子會使蒸發 原子和殘余氣體電離，這有時會影響膜層質量原子和殘余氣體電離，這有時會影響膜層質量 (可通過設計可通過設計 和選用不同結構的電子槍加以解決和選用不同結構的電子槍加以解決)(2) 多數化合物在受到電子轟擊會部分發生分解，以及殘余氣體多數化合物在受到電子轟擊會部分發生分解，以及殘余氣體 分子和膜料分子部分地被電子所電離，將對薄膜的結構和性分子和膜料分子部分地被電子所電離，將對薄膜的結構和性 質產生影響質產生影響(3) 電子束蒸鍍裝置結構較復雜，設備價格較昂貴電子束蒸鍍裝置結構較復雜，設備價格較昂貴(4) 當加速電壓過高時所產生的軟當加速電壓過高時所

6、產生的軟X射線對人體有一定傷害射線對人體有一定傷害第5頁/共29頁第六頁，編輯于星期日：十九點 五十分。第6頁/共29頁第七頁，編輯于星期日：十九點 五十分。三、高頻感應蒸發源三、高頻感應蒸發源高頻感應蒸發源是將裝有蒸發材料的坩堝放在高頻螺旋線圈高頻感應蒸發源是將裝有蒸發材料的坩堝放在高頻螺旋線圈的中央，使蒸發材料在高頻電磁場的感應下產生強大的渦流的中央，使蒸發材料在高頻電磁場的感應下產生強大的渦流損失和磁滯損失損失和磁滯損失 (對鐵磁體對鐵磁體)，致使蒸發材料升溫，直至氣化，致使蒸發材料升溫，直至氣化蒸發蒸發蒸發源一般由水冷高頻線圈和石墨或陶瓷坩堝組成，其原理蒸發源一般由水冷高頻線圈和石墨或

7、陶瓷坩堝組成，其原理如下圖所示如下圖所示第7頁/共29頁第八頁，編輯于星期日：十九點 五十分。第8頁/共29頁第九頁，編輯于星期日：十九點 五十分。第9頁/共29頁第十頁，編輯于星期日：十九點 五十分。高頻感應蒸發源高頻感應蒸發源的特點的特點(1) 蒸發速率大，可比電阻蒸發源大蒸發速率大，可比電阻蒸發源大10倍左右倍左右(2) 蒸發源的溫度均勻穩定，不易產生飛濺現象蒸發源的溫度均勻穩定，不易產生飛濺現象 (3) 蒸發材料是金屬時，蒸發材料可產生熱量。因此，坩堝可蒸發材料是金屬時，蒸發材料可產生熱量。因此，坩堝可選選 用和蒸發材料反應最小的材料用和蒸發材料反應最小的材料 (4) 蒸發源一次裝料，

8、無需送料機構，溫度控制比較容易，操作蒸發源一次裝料，無需送料機構，溫度控制比較容易，操作 比較簡單比較簡單 第10頁/共29頁第十一頁，編輯于星期日：十九點 五十分。高頻感應蒸發源的高頻感應蒸發源的缺點缺點 (1) 蒸發裝置必須屏蔽，并需要較復雜和昂貴的高頻發生器蒸發裝置必須屏蔽，并需要較復雜和昂貴的高頻發生器 (2) 如果線圈附近的壓強超過如果線圈附近的壓強超過10-2 Pa，高頻場就會使殘余氣體，高頻場就會使殘余氣體 電離，使功耗增大電離，使功耗增大 第11頁/共29頁第十二頁，編輯于星期日：十九點 五十分。對于兩種以上元素組成的合金或化合物，在蒸發時如何控對于兩種以上元素組成的合金或化合

9、物，在蒸發時如何控制成分，以獲得與蒸發材料化學比不變的膜層，是非常重制成分，以獲得與蒸發材料化學比不變的膜層，是非常重要的問題要的問題利用蒸發法制備合金或化合物時，常需要考慮薄膜成分偏利用蒸發法制備合金或化合物時，常需要考慮薄膜成分偏離蒸發材料成分的問題離蒸發材料成分的問題第12頁/共29頁第十三頁，編輯于星期日：十九點 五十分。蒸發二元以上的合金及化合物的主要問題蒸發二元以上的合金及化合物的主要問題蒸發材料在氣化過程中，由于各成分的飽和蒸氣壓不同，會發蒸發材料在氣化過程中，由于各成分的飽和蒸氣壓不同，會發生分解和分餾，從而引起薄膜成分的偏離生分解和分餾，從而引起薄膜成分的偏離合金中原子間的結

10、合力小于在不同化合物中不同原子間的結合合金中原子間的結合力小于在不同化合物中不同原子間的結合力。因而合金中各元素的蒸發過程可以近似看作各元素間相互力。因而合金中各元素的蒸發過程可以近似看作各元素間相互獨立蒸發的過程，就像它們在純元素蒸發時的情況一樣。但即獨立蒸發的過程，就像它們在純元素蒸發時的情況一樣。但即使如此，合金在蒸發和沉積過程中也會產生成分的偏差使如此，合金在蒸發和沉積過程中也會產生成分的偏差第13頁/共29頁第十四頁，編輯于星期日：十九點 五十分。合金中各成分的蒸發速率為合金中各成分的蒸發速率為TMPGAAA058. 0(g/cm2s)TMPGBBB058. 0(g/cm2s)PA

11、：A成分在溫度成分在溫度T時的平衡蒸氣壓時的平衡蒸氣壓PB ：B成分在溫度成分在溫度T時的平衡蒸氣壓時的平衡蒸氣壓GA： A成分的蒸發速率成分的蒸發速率GB： B成分的蒸發速率成分的蒸發速率MA： A成分的摩爾質量成分的摩爾質量MB： B成分的摩爾質量成分的摩爾質量第14頁/共29頁第十五頁，編輯于星期日：十九點 五十分。BABABAMMPPGGA、B兩種成分的蒸發速率之比為兩種成分的蒸發速率之比為要保證薄膜的成分與蒸發材料完全一致，必須使要保證薄膜的成分與蒸發材料完全一致，必須使1BABAMMPP這一點很難做到這一點很難做到第15頁/共29頁第十六頁，編輯于星期日：十九點 五十分。AAAPX

12、P BAAAnnnXBBBPXP 當當AB二元合金的兩組元二元合金的兩組元A-B 原子間的作用能與原子間的作用能與A-A或或B-B原原子間的作用能相等時，合金即是一種理想溶液子間的作用能相等時，合金即是一種理想溶液 由理想溶液的拉烏爾定律，合金中組元由理想溶液的拉烏爾定律，合金中組元A的平衡蒸氣壓的平衡蒸氣壓PA將將小于純組元小于純組元A的蒸氣壓的蒸氣壓PA，并與該組元在合金中的摩爾分數，并與該組元在合金中的摩爾分數成正比成正比 BABBnnnX第16頁/共29頁第十七頁，編輯于星期日：十九點 五十分。BABABAPPnnPPBAAAmmmWBABBmmmW設設mA、mB分別為組元金屬分別為組

13、元金屬A、B在合金中的質量，在合金中的質量，WA、WB為為在合金中的濃度在合金中的濃度BBAABABAMnMnmmWW第17頁/共29頁第十八頁，編輯于星期日：十九點 五十分。ABBABABAMMWWPPPPABBABABAMMWWPPGG因此，合金中組元因此，合金中組元A、B的蒸發速率之比為的蒸發速率之比為上式表明，在二元合金中兩個組元金屬蒸發速率之比，在該上式表明，在二元合金中兩個組元金屬蒸發速率之比，在該組元濃度或百分含量一定情況下，與該組元的組元濃度或百分含量一定情況下，與該組元的 值成值成正比正比MP/第18頁/共29頁第十九頁，編輯于星期日：十九點 五十分。一般的合金均不是一種理想

14、溶液，拉烏爾定律對合金往往不一般的合金均不是一種理想溶液，拉烏爾定律對合金往往不完全適用，要引用所謂的活度系數完全適用，要引用所謂的活度系數S來進行修正，但活度系來進行修正，但活度系數數S為未知，可由實驗測定為未知，可由實驗測定 通常還是采用上式來估計合金蒸發的分餾量通常還是采用上式來估計合金蒸發的分餾量 第19頁/共29頁第二十頁，編輯于星期日：十九點 五十分。CrNiNiCrNiCrNiCrMMPPWWGG計算：處于計算：處于1527下的鎳鉻合金下的鎳鉻合金(Ni 80%, Cr 20%)在在PCr=10Pa, PNi=1Pa時，它們的蒸發速率之比時，它們的蒸發速率之比 (MNi= 58.

15、7 MCr = 52.0)在在1527下開始蒸發時，鉻下開始蒸發時，鉻的初始蒸發速率為的初始蒸發速率為鎳鎳的倍。的倍。隨著鉻的迅速蒸發，隨著鉻的迅速蒸發，GCr/GNi會逐漸減小，最終會小于會逐漸減小，最終會小于1這種分餾現象的出現使得靠近基板的膜是富鉻的這種分餾現象的出現使得靠近基板的膜是富鉻的7 . 20 .527 .581108020第20頁/共29頁第二十一頁，編輯于星期日：十九點 五十分。已知在已知在1350的溫度下，的溫度下，Al的蒸氣壓高于的蒸氣壓高于Cu，因而為了獲得，因而為了獲得Al-2%Cu(質量分數質量分數)成分的薄膜，需要使用的蒸發源大致應成分的薄膜，需要使用的蒸發源大

16、致應該是該是Al-13.6%Cu (質量分數質量分數)對于初始確定的蒸發源來說，由上式確定的組元蒸發速率之對于初始確定的蒸發源來說，由上式確定的組元蒸發速率之比隨著時間而發生變化比隨著時間而發生變化這是因為易于蒸發的組元的優先蒸發將造成該組元的不斷貧這是因為易于蒸發的組元的優先蒸發將造成該組元的不斷貧化，進而造成該組元蒸發速率的不斷下降化，進而造成該組元蒸發速率的不斷下降第21頁/共29頁第二十二頁，編輯于星期日：十九點 五十分。AlCuCuAlCuAlCuAlMMPPWWGG計算：已知在計算：已知在1350 K的溫度下，的溫度下，Al-2%Cu合金合金(Al 98%, Cu 2%) 在在PA

17、l=210-4Pa, PCu=10-3Pa，它們的蒸發速率之比，它們的蒸發速率之比MAl= 27.0 MCu15277 .631010229834第22頁/共29頁第二十三頁，編輯于星期日：十九點 五十分。This mean that the 2wt% Cu-Al vapor stream requires a melt with a 15:1 molar ratio of Al to Cu. In order to compensate for the preferential vaporization of Al the original melt composition must be

18、enriched to 13.6wt% Cu. But the calculation only holds for the first instant of time. With successive loss of the volatile melt component, the evaporant flux changes in concert, and if nothing is done a graded film of varying composition will deposit, i.e., the desired stoichimetry at the substrate

19、interface, and layers increasingly richer in Cu above it. Clearly, the desired steady-state deposition of alloys having uniform composition is not sustainable, and this fact is a potential disadvantage of evaporation methods第23頁/共29頁第二十四頁，編輯于星期日：十九點 五十分。解決的辦法是什么？解決的辦法是什么？(2) 采用向蒸發容器中不斷地，但每次僅加入少量被蒸發物質采用向蒸發容器中不斷地，但每次僅加入少量被蒸發物質的方法的方法(1) 使用較多的物質作為蒸發源，盡量減少組元成分的相對變化率使用較多的物質作為蒸發源，盡量減少組元成分的相對變化率(3) 利用加熱不同溫度的雙蒸發源或多蒸發源的方法，分別控制和利用加熱不同溫度的雙蒸發源或多蒸發源的方法，分別控制和調節每個組元的蒸發速率，此方法用得較為普遍調節每個組元的蒸發速率，此方法用得較為普遍采用真空蒸發法制作預定組成的薄膜，經常采用瞬時蒸發采用真空蒸發法制作預定組成的薄膜，經常采用瞬時蒸發法、雙蒸發源法及合金升華法法、雙蒸發源法及合金升華法第24頁/共29頁第二十五頁，編