蒸发沉积设备的工艺流程基于物质的气化与冷凝原理。设备运行之初,需将蒸发腔室抽至高真空状态,以减少空气分子对沉积过程的干扰,通常真空度需达到 10⁻³ - 10⁻⁶Pa。
随后,将待镀材料放置于蒸发源上,常见的蒸发源有电阻加热源和电子束加热源。以电阻加热为例,当电流通过电阻丝,电阻丝发热,对待镀材料进行加热。待镀材料吸收热量,温度不断升高,直至达到其沸点,开始从固态直接转变为气态。
气化后的待镀材料原子或分子,在高真空环境下,几乎沿直线向各个方向运动。位于蒸发源上方特定位置的基片,会捕获这些气态粒子。气态粒子在基片表面逐渐聚集、冷却并凝结,开始形成薄膜的晶核。随着蒸发过程持续,越来越多的气态粒子在基片表面沉积,晶核不断生长、合并,最终形成连续的薄膜。
在整个蒸发沉积过程中,对蒸发源温度、沉积时间以及基片温度等参数的精确控制至关重要。蒸发源温度决定了待镀材料的蒸发速率,沉积时间直接影响薄膜的厚度,而基片温度会影响薄膜的结晶质量与附着力。蒸发沉积设备广泛应用于光学薄膜、装饰镀膜以及部分电子器件制造中,用于制备金属薄膜、氧化物薄膜等多种类型的薄膜 。
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分子束外延设备用于制备高质量的单晶薄膜,其工艺流程高度精密。设备启动后,先将生长腔室抽至超高真空状态,真空度通常要达到 10⁻⁸ - 10⁻¹¹Pa,以最大程度减少杂质气体对薄膜生长的影响。
接着,将经过精确提纯的源材料(如用于半导体薄膜生长的元素半导体或化合物半导体材料)放置在分子束炉中。分子束炉通过加热,使源材料蒸发产生分子束或原子束。这些束流在超高真空环境下,以近乎直线的轨迹射向加热至特定温度的基片表面。
基片温度的精确控制极为关键,它决定了原子在基片表面的迁移能力和结晶质量。到达基片表面的原子,会在表面扩散,寻找合适的晶格位置进行吸附和生长。由于 MBE 设备能精确控制源材料的束流强度和生长时间,薄膜得以一层原子一层原子地精确生长,从而实现对薄膜厚度、成分和结构的原子级精准控制。
在生长过程中,还配备有实时监测系统,如反射高能电子衍射(RHEED),用于实时观察薄膜的生长状态,包括表面平整度、结晶质量等。分子束外延设备主要应用于半导体领域,用于制备高性能的半导体器件,如量子阱激光器、高电子迁移率晶体管等的关键薄膜结构 。
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