薄膜的制備蒸鍍

1、1會(huì)計(jì)學(xué)薄膜的制備蒸鍍薄膜的制備蒸鍍二、薄膜的物理氣相沉積二、薄膜的物理氣相沉積PVD 1、襯底的準(zhǔn)備、襯底的準(zhǔn)備 2、真空蒸鍍法、真空蒸鍍法 3、脈沖激光沉積法、脈沖激光沉積法4、濺射沉積法、濺射沉積法1、襯底的準(zhǔn)備、襯底的準(zhǔn)備（1 1）襯底的選?。┮r底的選取膨脹系數(shù)與薄膜相接近；膨脹系數(shù)與薄膜相接近；對于需要外延生長的薄膜，要選取晶格相匹配的單對于需要外延生長的薄膜，要選取晶格相匹配的單晶襯底；晶襯底；根據(jù)制備薄膜的目的，還要考慮襯底的電阻率、介根據(jù)制備薄膜的目的，還要考慮襯底的電阻率、介電常數(shù)、磁性、硬度、彈性模量等等電常數(shù)、磁性、硬度、彈性模量等等i i、玻璃是常用的襯底材料、玻璃是常

2、用的襯底材料石英玻璃石英玻璃-SiO2 ; 99.5% ；軟化溫度：；軟化溫度：1580oC；使用溫度：使用溫度：950oC； 膨脹系數(shù)：膨脹系數(shù)：5.5 10-7/oC名稱分子式 結(jié)晶類型晶格常數(shù)(nm)熱膨脹系數(shù)(10-7/oC)食鹽NaCl立方晶體a=0.5628水晶SiO2六方晶體a=0.41931c=0.54046a/133.7c/79.7藍(lán)寶石Al2O3三方晶體a=0.4763c=1.3003a/45c/53氧化鎂MgO立方晶體a=0.4203138硅Si金剛石型a=0.543126砷化鎵GaAs閃鋅礦結(jié)構(gòu)a=0.5641957iiii、常用單晶襯底常用單晶襯底單晶襯底單晶襯底-用

3、薄膜外延生長；通過從解理面切開用薄膜外延生長；通過從解理面切開的方法獲得平整、潔凈的襯底；的方法獲得平整、潔凈的襯底；食鹽晶體食鹽晶體-因?yàn)槭撬苄缘?，沉積薄膜后，通過因?yàn)槭撬苄缘?，沉積薄膜后，通過在水中浸泡，可獲得便于電鏡觀察的無襯底的薄在水中浸泡，可獲得便于電鏡觀察的無襯底的薄膜（用膜（用TEM時(shí)制備樣品）。在實(shí)驗(yàn)中廣泛應(yīng)用；時(shí)制備樣品）。在實(shí)驗(yàn)中廣泛應(yīng)用；氧化鎂晶體氧化鎂晶體-用于鈦酸鍶、用于鈦酸鍶、YBCO超導(dǎo)膜等等；超導(dǎo)膜等等；硅硅-大量用于半導(dǎo)體器件薄膜的制備；大量用于半導(dǎo)體器件薄膜的制備；砷化鎵砷化鎵-通常用于超晶格外延生長薄膜；通常用于超晶格外延生長薄膜；（2 2）襯底的清洗

4、）襯底的清洗 襯底表面的污染對于襯底表面的污染對于薄膜的物理化學(xué)性能有極大的影響。薄膜的物理化學(xué)性能有極大的影響。i）超聲波清洗）超聲波清洗原理：超聲波在液體中傳播時(shí)，在液體中會(huì)發(fā)生產(chǎn)原理：超聲波在液體中傳播時(shí)，在液體中會(huì)發(fā)生產(chǎn)生氣泡又消失的現(xiàn)象（氣穴效應(yīng)）。氣穴內(nèi)的壓力生氣泡又消失的現(xiàn)象（氣穴效應(yīng)）。氣穴內(nèi)的壓力瞬時(shí)局部升高，其作用在放在液體中的襯底時(shí)，就瞬時(shí)局部升高，其作用在放在液體中的襯底時(shí)，就在其表面產(chǎn)生局部溫升和局部高速流動(dòng)，結(jié)果使襯在其表面產(chǎn)生局部溫升和局部高速流動(dòng)，結(jié)果使襯底表面得到清洗。此方法對于除去油脂類污染有效。底表面得到清洗。此方法對于除去油脂類污染有效。操作：把襯底放入

5、燒杯，倒入丙酮或酒精。將燒杯操作：把襯底放入燒杯，倒入丙酮或酒精。將燒杯放入已放入水的超聲波清洗器水槽。清洗放入已放入水的超聲波清洗器水槽。清洗5分鐘。取分鐘。取出后，用氮?dú)獯蹈?，出后，用氮?dú)獯蹈桑M快放入真空室中盡快放入真空室中。ii）硅片的清洗）硅片的清洗1:10:1 mixture HF, ethanol, distilled water;1% HF solution diluted with the deionized water;iii）離子轟擊法）離子轟擊法 在真空室中設(shè)置正負(fù)電極，放入氬氣。用輝在真空室中設(shè)置正負(fù)電極，放入氬氣。用輝光放電時(shí)期產(chǎn)生離子。將襯底置于放電空間，具光放電

6、時(shí)期產(chǎn)生離子。將襯底置于放電空間，具有一定速度的離子轟擊襯底表面，襯底表面的分有一定速度的離子轟擊襯底表面，襯底表面的分子被離子從襯底表面打出來。子被離子從襯底表面打出來。 這種方法對于各種污染都是有效的。但是襯這種方法對于各種污染都是有效的。但是襯底表面會(huì)受到一定程度的破壞。底表面會(huì)受到一定程度的破壞。2、真空蒸鍍法、真空蒸鍍法原理：在真空中將制造薄膜的物質(zhì)加熱蒸發(fā)并使其原理：在真空中將制造薄膜的物質(zhì)加熱蒸發(fā)并使其沉積到適當(dāng)?shù)囊r底表面。沉積到適當(dāng)?shù)囊r底表面。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1）設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單；）設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單；2）許多物質(zhì)都可以用真空蒸鍍制備薄膜；）許多物質(zhì)都可以用真空蒸鍍制備薄膜；3）薄膜的形成機(jī)

7、理比較簡單，可以晶核的形成和生長理論）薄膜的形成機(jī)理比較簡單，可以晶核的形成和生長理論來解釋；來解釋；4）由于制作薄膜時(shí)熱、電的干擾小，所以是用于薄膜形成）由于制作薄膜時(shí)熱、電的干擾小，所以是用于薄膜形成是薄膜物理的研究；是薄膜物理的研究；5）能制備與源材料不同成分比的化合物，也能制備具有與）能制備與源材料不同成分比的化合物，也能制備具有與源材料不同晶體結(jié)構(gòu)的薄膜。源材料不同晶體結(jié)構(gòu)的薄膜。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：1）薄膜與襯底之間的結(jié)合力一般比較??；）薄膜與襯底之間的結(jié)合力一般比較小；2）對薄膜結(jié)構(gòu)敏感的一些性質(zhì)，再現(xiàn)性差，可靠）對薄膜結(jié)構(gòu)敏感的一些性質(zhì)，再現(xiàn)性差，可靠性差，無論用什么方法制備薄膜都有這

8、個(gè)問題存性差，無論用什么方法制備薄膜都有這個(gè)問題存在，而真空蒸鍍的薄膜這個(gè)問題特別突出。在，而真空蒸鍍的薄膜這個(gè)問題特別突出。3）高熔點(diǎn)物質(zhì)和低蒸氣壓物質(zhì)的真空蒸鍍膜時(shí)很）高熔點(diǎn)物質(zhì)和低蒸氣壓物質(zhì)的真空蒸鍍膜時(shí)很難制作的。例如鉑、鉭。難制作的。例如鉑、鉭。4）蒸發(fā)物質(zhì)的坩堝材料也或多或少的一起蒸發(fā)，）蒸發(fā)物質(zhì)的坩堝材料也或多或少的一起蒸發(fā)，從而混入薄膜中成為雜質(zhì)。真空室中的殘留氣體從而混入薄膜中成為雜質(zhì)。真空室中的殘留氣體分子也會(huì)進(jìn)入薄膜成為雜質(zhì)。分子也會(huì)進(jìn)入薄膜成為雜質(zhì)。1 1）物質(zhì)的蒸發(fā)速度）物質(zhì)的蒸發(fā)速度在一定溫度下，每種液體、固體都具有特定的平衡蒸在一定溫度下，每種液體、固體都具有特定

9、的平衡蒸氣壓，只有當(dāng)環(huán)境中被蒸發(fā)物質(zhì)的分壓降低到它的平氣壓，只有當(dāng)環(huán)境中被蒸發(fā)物質(zhì)的分壓降低到它的平衡蒸氣壓以下時(shí)，才有物質(zhì)的凈蒸發(fā)。單位源物質(zhì)表衡蒸氣壓以下時(shí)，才有物質(zhì)的凈蒸發(fā)。單位源物質(zhì)表面上物質(zhì)的凈蒸發(fā)速率面上物質(zhì)的凈蒸發(fā)速率ehppdNdtmkT2= 01 蒸發(fā)系數(shù)； pe-物質(zhì)的平衡蒸氣壓ph-物質(zhì)的實(shí)際蒸氣分壓；物質(zhì)的平衡蒸氣壓隨溫度上升增加得很快，因此對物質(zhì)蒸發(fā)速度影響最大的因素是蒸發(fā)源的溫度。與 Knudsen克努森方程克努森方程比較3 3、單位面積上氣體分子的碰撞頻率、單位面積上氣體分子的碰撞頻率（單位面積上氣體分子的通量）nvpkTpkTmmkT 8442薄膜的沉積速度應(yīng)該

10、正比于單位面積上氣體分子的通量。薄膜的沉積速度應(yīng)該正比于單位面積上氣體分子的通量。所以，薄膜所以，薄膜的沉積速度應(yīng)與氣體的壓強(qiáng)成正比，與氣體的溫度、分的沉積速度應(yīng)與氣體的壓強(qiáng)成正比，與氣體的溫度、分子的質(zhì)量的平方根成反比。子的質(zhì)量的平方根成反比。-（Knudsen克努森方程，克努森方程，是真空和薄膜沉積技術(shù)中最常用的方程之一）是真空和薄膜沉積技術(shù)中最常用的方程之一）2 2）蒸氣的方向性）蒸氣的方向性物質(zhì)在蒸發(fā)的過程中，蒸發(fā)原子的運(yùn)動(dòng)具有明顯物質(zhì)在蒸發(fā)的過程中，蒸發(fā)原子的運(yùn)動(dòng)具有明顯的方向性。它對于薄膜的均勻性有顯著的影響。的方向性。它對于薄膜的均勻性有顯著的影響。sesdMM cosdAr24

11、Me蒸發(fā)出來的物質(zhì)總量dAs-襯底面積元dMsdAs上接受的沉積物的質(zhì)量-襯底表面與空間角法線的偏離角r蒸發(fā)源于襯底間的距離點(diǎn)蒸發(fā)源點(diǎn)蒸發(fā)源sesdMM coscosdAr2Knudsen cellMe蒸發(fā)出來的物質(zhì)總量dAs-襯底面積元dMsdAs上接受的沉積物的質(zhì)量-襯底表面與空間角法線的偏離角dAs與蒸發(fā)源平面法線間的夾角r蒸發(fā)源于襯底間的距離物質(zhì)蒸發(fā)的方向性遵從余物質(zhì)蒸發(fā)的方向性遵從余弦（弦（cos）關(guān)系！關(guān)系！3）蒸發(fā)源-蒸發(fā)材料的加熱裝置蒸鍍的裝置真空室+加熱裝置（蒸發(fā)源）+襯底蒸發(fā)源蒸發(fā)源電阻加熱電阻加熱；電子束加熱電子束加熱；高頻感應(yīng)加熱高頻感應(yīng)加熱i i、電阻加熱電阻加熱 把

12、片狀或線狀高熔點(diǎn)金屬把片狀或線狀高熔點(diǎn)金屬（鎢、鉬、鈦、鉭）做成適當(dāng)形狀的蒸發(fā)源（鎢、鉬、鈦、鉭）做成適當(dāng)形狀的蒸發(fā)源, ,裝上蒸鍍裝上蒸鍍材料，通電流加熱蒸鍍材料，使其蒸發(fā)。材料，通電流加熱蒸鍍材料，使其蒸發(fā)。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單。缺點(diǎn)：薄膜材料與蒸發(fā)源直接接觸，由此引起蒸缺點(diǎn)：薄膜材料與蒸發(fā)源直接接觸，由此引起蒸發(fā)源材料成為雜質(zhì)混入薄膜材料；薄膜材料與蒸發(fā)源材料成為雜質(zhì)混入薄膜材料；薄膜材料與蒸發(fā)源材料發(fā)生反應(yīng)；薄膜材料的蒸鍍受到蒸發(fā)源發(fā)源材料發(fā)生反應(yīng)；薄膜材料的蒸鍍受到蒸發(fā)源材料熔點(diǎn)的限制。材料熔點(diǎn)的限制。螺線形蒸發(fā)源：用鎢絲、或螺線形蒸發(fā)源：用鎢絲、或鉭絲容易制備。加熱電流鉭

13、絲容易制備。加熱電流20A左右。左右。薄膜材料是向整個(gè)空間蒸發(fā)，薄膜材料是向整個(gè)空間蒸發(fā)，材料損耗大，粉末狀薄膜材材料損耗大，粉末狀薄膜材料不能使用。料不能使用。舟形蒸發(fā)源舟形蒸發(fā)源：蒸發(fā)方向被限：蒸發(fā)方向被限制在半個(gè)空間，可以放置任制在半個(gè)空間，可以放置任何形狀的薄膜材料。何形狀的薄膜材料。薄膜材料只能從下向上蒸發(fā)。電薄膜材料只能從下向上蒸發(fā)。電流可能超過流可能超過100A，需要特殊的，需要特殊的變壓器。變壓器。影響蒸發(fā)源材料的選擇的三個(gè)因素影響蒸發(fā)源材料的選擇的三個(gè)因素 蒸發(fā)源材料的熔點(diǎn)、蒸氣壓蒸發(fā)源材料的熔點(diǎn)、蒸氣壓 薄膜材料的蒸發(fā)溫度（平衡蒸氣壓為薄膜材料的蒸發(fā)溫度（平衡蒸氣壓為1Pa

14、時(shí)時(shí)的溫度）多數(shù)在的溫度）多數(shù)在1000K2000K之間，所以蒸發(fā)之間，所以蒸發(fā)源材料的熔點(diǎn)必須高于這個(gè)溫度。源材料的熔點(diǎn)必須高于這個(gè)溫度。 此外，還必須考慮蒸發(fā)源材料在蒸發(fā)蒸鍍材此外，還必須考慮蒸發(fā)源材料在蒸發(fā)蒸鍍材料時(shí)，也隨著蒸發(fā)而成為雜質(zhì)進(jìn)入薄膜。因此必料時(shí)，也隨著蒸發(fā)而成為雜質(zhì)進(jìn)入薄膜。因此必須考慮蒸發(fā)源材料的平衡蒸氣壓。使薄膜材料的須考慮蒸發(fā)源材料的平衡蒸氣壓。使薄膜材料的蒸發(fā)溫度低于蒸發(fā)源材料平衡蒸氣壓為蒸發(fā)溫度低于蒸發(fā)源材料平衡蒸氣壓為10-10Pa時(shí)的溫度。在雜質(zhì)較多而不受影響的情況下，也時(shí)的溫度。在雜質(zhì)較多而不受影響的情況下，也可采用與可采用與10-7Pa相對應(yīng)的溫度。相對應(yīng)

15、的溫度。高溫使蒸發(fā)源材料與薄膜材料發(fā)生反應(yīng)高溫使蒸發(fā)源材料與薄膜材料發(fā)生反應(yīng) 形形成化合物、合金成化合物、合金鉭鉭-金金鋁、鐵、鎳、鈷鋁、鐵、鎳、鈷-鎢、鉬、鉭鎢、鉬、鉭 在高溫時(shí)形在高溫時(shí)形成合金。成合金。形成合金，熔點(diǎn)下降，蒸發(fā)源容易燒斷，因形成合金，熔點(diǎn)下降，蒸發(fā)源容易燒斷，因此要避免相應(yīng)的搭配。此要避免相應(yīng)的搭配。薄膜材料對蒸發(fā)源的薄膜材料對蒸發(fā)源的“浸潤性浸潤性”浸潤的情況浸潤的情況下薄膜材料下薄膜材料的蒸發(fā)可以的蒸發(fā)可以看作是面蒸看作是面蒸發(fā)；發(fā)；而不浸潤的而不浸潤的情況則可視情況則可視為點(diǎn)蒸發(fā)。為點(diǎn)蒸發(fā)。不浸潤的情況下，蒸發(fā)材料容易不浸潤的情況下，蒸發(fā)材料容易從蒸發(fā)源上掉下來。從

16、蒸發(fā)源上掉下來。螺線形蒸發(fā)源螺線形蒸發(fā)源-舟形蒸發(fā)源舟形蒸發(fā)源ii、電子束加熱：電子束加熱：原理圖：原理圖：通過改變電子束功率，和電通過改變電子束功率，和電子束的聚焦，可以控制加熱子束的聚焦，可以控制加熱溫度。通過改變電場，磁場溫度。通過改變電場，磁場使電子束掃描薄膜材料。使電子束掃描薄膜材料。缺點(diǎn)：會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的缺點(diǎn)：會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的X射線，射線，需要設(shè)有需要設(shè)有X射線屏蔽裝置；射線屏蔽裝置；熱效率低熱效率低優(yōu)點(diǎn)：由于電子束只加熱薄膜優(yōu)點(diǎn)：由于電子束只加熱薄膜材料中很小的局部，薄膜材料材料中很小的局部，薄膜材料的大部分在坩堝中處于低溫狀的大部分在坩堝中處于低溫狀態(tài)，隔絕了薄膜材料熔融部分態(tài)，隔絕了

17、薄膜材料熔融部分與坩堝的接觸，避免了坩堝材與坩堝的接觸，避免了坩堝材料的污染；蒸發(fā)溫度也不受坩料的污染；蒸發(fā)溫度也不受坩堝材料熔點(diǎn)的限制。堝材料熔點(diǎn)的限制。4 4）純元素蒸發(fā)、與蒸鍍）純元素蒸發(fā)、與蒸鍍以單原子或原子團(tuán)的形式蒸發(fā)進(jìn)入氣相；以單原子或原子團(tuán)的形式蒸發(fā)進(jìn)入氣相；蒸發(fā)形式：固態(tài)蒸發(fā)形式：固態(tài)-液態(tài)液態(tài)-氣態(tài)氣態(tài)（當(dāng)溫度達(dá)到（當(dāng)溫度達(dá)到 熔點(diǎn)時(shí)其平衡氣壓仍較低）熔點(diǎn)時(shí)其平衡氣壓仍較低） 固態(tài)固態(tài)-氣態(tài)（升華）氣態(tài)（升華）（在熔點(diǎn)附近平（在熔點(diǎn)附近平 衡氣壓已經(jīng)較高）衡氣壓已經(jīng)較高）例：鍍銀薄膜例：鍍銀薄膜銀是最容易蒸鍍的的物質(zhì)之一2、安裝襯底；、安裝襯底；3、真空室抽氣、真空室抽氣 機(jī)

18、械泵機(jī)械泵-擴(kuò)散泵擴(kuò)散泵 p=10-4Pa4、移動(dòng)擋板，使蒸發(fā)的銀原子不直接到襯底，而、移動(dòng)擋板，使蒸發(fā)的銀原子不直接到襯底，而直接到達(dá)膜厚計(jì)；襯底加熱；直接到達(dá)膜厚計(jì)；襯底加熱；5、慢慢增大蒸發(fā)源電流；（預(yù)熱）、慢慢增大蒸發(fā)源電流；（預(yù)熱）蒸發(fā)源，銀處于赤熱狀態(tài)，銀熔化形成顆粒。蒸發(fā)源，銀處于赤熱狀態(tài)，銀熔化形成顆粒。-繼續(xù)升高繼續(xù)升高溫度溫度銀球狀顆粒表面浮現(xiàn)銀球狀顆粒表面浮現(xiàn)“渣斑渣斑”，并不停地旋轉(zhuǎn)。，并不停地旋轉(zhuǎn)。由于附著在蒸發(fā)源、銀上的氣體放出使真空度降低。（除由于附著在蒸發(fā)源、銀上的氣體放出使真空度降低。（除氣）為了減小銀的損耗，經(jīng)過適當(dāng)時(shí)間后，減小蒸發(fā)源電氣）為了減小銀的損耗，

19、經(jīng)過適當(dāng)時(shí)間后，減小蒸發(fā)源電流，使蒸發(fā)量減小到膜厚計(jì)測量的靈敏度之下，直到真空流，使蒸發(fā)量減小到膜厚計(jì)測量的靈敏度之下，直到真空度恢復(fù)。度恢復(fù)。6、增大蒸發(fā)源的電流，使銀的蒸發(fā)率達(dá)到希望、增大蒸發(fā)源的電流，使銀的蒸發(fā)率達(dá)到希望值。打開擋板，使銀原子直接到達(dá)襯底。讀出膜值。打開擋板，使銀原子直接到達(dá)襯底。讀出膜厚計(jì)的指示值，當(dāng)襯底上薄膜蒸鍍到預(yù)計(jì)膜厚時(shí)厚計(jì)的指示值，當(dāng)襯底上薄膜蒸鍍到預(yù)計(jì)膜厚時(shí)關(guān)閉擋板，切斷蒸發(fā)源電流。關(guān)閉擋板，切斷蒸發(fā)源電流。7、使襯底緩慢降溫。待到襯底溫度降到室溫，打、使襯底緩慢降溫。待到襯底溫度降到室溫，打開真空室，取出襯底。開真空室，取出襯底。步驟：步驟：1、放入蒸發(fā)物質(zhì)

20、、放入蒸發(fā)物質(zhì)-銀；銀；0、清洗襯底、清洗襯底5 5）合金的蒸發(fā)與蒸鍍）合金的蒸發(fā)與蒸鍍蒸發(fā)蒸發(fā)合金中原子間的結(jié)合力小于化合物中不同原子間合金中原子間的結(jié)合力小于化合物中不同原子間的結(jié)合力，因此合金中各元素原子的蒸發(fā)過程可的結(jié)合力，因此合金中各元素原子的蒸發(fā)過程可以看作各自獨(dú)立的過程，就像它們在純元素蒸發(fā)以看作各自獨(dú)立的過程，就像它們在純元素蒸發(fā)時(shí)一樣。時(shí)一樣。不同的金屬蒸發(fā)速度不同，合金成分蒸發(fā)時(shí)隨時(shí)不同的金屬蒸發(fā)速度不同，合金成分蒸發(fā)時(shí)隨時(shí)間而變化。因此，薄膜的成分亦隨時(shí)間改變。間而變化。因此，薄膜的成分亦隨時(shí)間改變。閃蒸蒸鍍法：閃蒸蒸鍍法： 把合金做成粉末，均勻的落入加把合金做成粉末，均

21、勻的落入加熱器中，使其一個(gè)一個(gè)在一瞬間完全蒸發(fā)從而保熱器中，使其一個(gè)一個(gè)在一瞬間完全蒸發(fā)從而保證薄膜的組分與原料的組分一致。證薄膜的組分與原料的組分一致。雙蒸發(fā)源蒸鍍法：雙蒸發(fā)源蒸鍍法：6 6）化合物的蒸發(fā)、與蒸鍍）化合物的蒸發(fā)、與蒸鍍 蒸發(fā)蒸發(fā)： 蒸發(fā)時(shí)化合物可能分解；蒸發(fā)時(shí)化合物可能分解； 在氣相狀態(tài)下，可能發(fā)生化合物各組元間的在氣相狀態(tài)下，可能發(fā)生化合物各組元間的 化合與分解過程；化合與分解過程； 沉積后的薄膜成分可能偏離原化合物的化學(xué)沉積后的薄膜成分可能偏離原化合物的化學(xué) 組成；組成；反應(yīng)蒸鍍法：反應(yīng)蒸鍍法：（主要用于制備高熔點(diǎn)化合物薄膜）（主要用于制備高熔點(diǎn)化合物薄膜）以蒸鍍以蒸鍍S

22、iO2為例為例雙蒸發(fā)源蒸鍍法（三溫度法、分子束外延法）：雙蒸發(fā)源蒸鍍法（三溫度法、分子束外延法）：-主要用于制備單晶半導(dǎo)體化合物（主要用于制備單晶半導(dǎo)體化合物（III-V族）薄膜族）薄膜一般合金的兩種金屬蒸氣壓差別不大，一般合金的兩種金屬蒸氣壓差別不大，1000K時(shí)時(shí)Co，F(xiàn)e，Ni的蒸氣壓約為的蒸氣壓約為10-10Pa；Cr10-9Pa；Au，Pd10-8PaIII-V族的化合物中族的化合物中V族元素的蒸氣壓比族元素的蒸氣壓比III族元素族元素大得多。大得多。制備制備III-V族半導(dǎo)體化合物單晶薄膜時(shí)，襯底溫度族半導(dǎo)體化合物單晶薄膜時(shí)，襯底溫度必須保持在幾百度。此時(shí)必須保持在幾百度。此時(shí)V族

23、元素的蒸氣壓比族元素的蒸氣壓比III族元素高出很多，族元素高出很多，V族元素不會(huì)單獨(dú)凝結(jié)在襯底族元素不會(huì)單獨(dú)凝結(jié)在襯底上。如果存在上。如果存在III族元素，在適當(dāng)?shù)膲毫?、溫度條族元素，在適當(dāng)?shù)膲毫?、溫度條件下，件下，V族元素的蒸氣與族元素的蒸氣與III-V族化合物的固體保族化合物的固體保持平衡共存。因此制備持平衡共存。因此制備III-V族化合物的單晶薄膜族化合物的單晶薄膜時(shí)必須嚴(yán)格控制襯底、和兩個(gè)蒸發(fā)源的溫度。時(shí)必須嚴(yán)格控制襯底、和兩個(gè)蒸發(fā)源的溫度。這就是所謂的三溫度法，分子束外延法就是在三這就是所謂的三溫度法，分子束外延法就是在三溫度法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。溫度法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。1、生長速

24、率一般為、生長速率一般為0.110單原子層單原子層/s。通過控制。通過控制快門閉啟，可以實(shí)現(xiàn)噴射束流的快速切換，已達(dá)到快門閉啟，可以實(shí)現(xiàn)噴射束流的快速切換，已達(dá)到層厚、組分、摻雜的原子尺度的控制；層厚、組分、摻雜的原子尺度的控制；2、與常規(guī)的外延生長方法相比，、與常規(guī)的外延生長方法相比，MBE生長的襯底生長的襯底溫度較低（生長溫度較低（生長GaAs時(shí)，時(shí)，T=5506500C），可以），可以減少異質(zhì)結(jié)界面的互擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)突變結(jié)；減少異質(zhì)結(jié)界面的互擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)突變結(jié)；分子束外延技術(shù)的特點(diǎn)：分子束外延技術(shù)的特點(diǎn)：3、分子束外延為臺(tái)階流生長或二維生長模式，可、分子束外延為臺(tái)階流生長或二維生長模式，可以使

25、外延層表面及界面具有原子級平整度；以使外延層表面及界面具有原子級平整度；4、反射式高能電子衍射儀（、反射式高能電子衍射儀（RHEED）的配置，）的配置，實(shí)現(xiàn)了原位實(shí)時(shí)監(jiān)測，可以提供表面形貌、生長實(shí)現(xiàn)了原位實(shí)時(shí)監(jiān)測，可以提供表面形貌、生長速率、合金成分的信息；速率、合金成分的信息；分子束外延技術(shù)的特點(diǎn)：分子束外延技術(shù)的特點(diǎn)：5、利用掩模技術(shù)，可在襯底上實(shí)現(xiàn)選區(qū)外延；、利用掩模技術(shù)，可在襯底上實(shí)現(xiàn)選區(qū)外延；6、用其他的外延生長方法無法實(shí)現(xiàn)的某些非固、用其他的外延生長方法無法實(shí)現(xiàn)的某些非固溶材料，可以用溶材料，可以用MBE方法實(shí)現(xiàn)；方法實(shí)現(xiàn)；7、利用微機(jī)控制可以實(shí)現(xiàn)外延生長的全自動(dòng)、利用微機(jī)控制可以

26、實(shí)現(xiàn)外延生長的全自動(dòng)化，為分子束外延設(shè)備的生產(chǎn)型發(fā)展奠定了基化，為分子束外延設(shè)備的生產(chǎn)型發(fā)展奠定了基礎(chǔ)；礎(chǔ)；8、MBE設(shè)備的超高真空環(huán)境為各類表面分析設(shè)備的超高真空環(huán)境為各類表面分析方法提供了研究生長過程的條件；方法提供了研究生長過程的條件；反射式高能電子衍射儀（反射式高能電子衍射儀（RHEED）1983年年Neave，Van Hove 首次在首次在MBE外延生長過程外延生長過程中觀察到高能電子衍射鏡面中觀察到高能電子衍射鏡面反射電子束強(qiáng)度的衰減振蕩，反射電子束強(qiáng)度的衰減振蕩，此振蕩周期嚴(yán)格的對應(yīng)一個(gè)此振蕩周期嚴(yán)格的對應(yīng)一個(gè)單原子層的生長。單原子層的生長。鏡面反射鏡面反射漫反射漫反射元素的蒸氣壓元素的蒸氣壓由克勞修斯由克勞修斯-克萊普朗方程，物質(zhì)的平衡蒸氣克萊普朗方程，物質(zhì)的平衡蒸氣壓壓p隨溫度的變化率為：隨溫度的變化率為：dpH