第5講蒸發(fā)法

1、第5講 薄膜的物理氣相沉積 蒸發(fā)法5.1 物質(zhì)的熱蒸發(fā)5.2 薄膜沉積的厚度和均勻性5.3 真空蒸發(fā)裝置何謂物理氣相沉積？何謂物理氣相沉積（physical vapor deposition, PVD)：利用某種物理過(guò)程，如物質(zhì)的熱蒸發(fā)或在受到粒子轟擊時(shí)物質(zhì)表面原子的濺射等現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)原子從源物質(zhì)到薄膜的可控轉(zhuǎn)移的過(guò)程。物理氣相沉積法制備薄膜的特點(diǎn)：1、需要使用固態(tài)的或者熔融態(tài)的物質(zhì)作為沉積過(guò)程的源物質(zhì)；2、源物質(zhì)經(jīng)過(guò)物理過(guò)程而進(jìn)入環(huán)境；3、需要相對(duì)較低的氣體壓力環(huán)境；4、在氣相中及在襯底表面并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。物理氣相沉積的三個(gè)階段：1、從源材料中發(fā)射出粒子；2、粒子輸運(yùn)到基片；3、粒子在基

2、片上凝結(jié)、成核、長(zhǎng)大、成膜。了解兩個(gè)概念熱蒸發(fā)：蒸發(fā)材料在真空室中被加熱到足夠溫度時(shí)，其原子或分子就會(huì)從表面逸出， 這種現(xiàn)象叫做熱蒸發(fā)。飽和蒸汽壓：在一定溫度下，真空室中蒸發(fā)材料的蒸汽在與固體或液體平衡過(guò)程*中所表現(xiàn)出的壓力，稱(chēng)為該溫度下的飽和蒸汽壓。（它隨溫度升高而增大）*實(shí)際上在真空蒸發(fā)制薄時(shí)，因?yàn)檎婵帐覂?nèi)其它部位的溫度都比蒸發(fā)源低得多，蒸發(fā)原子或分子被凝結(jié)因而不存在這種平衡過(guò)程。5.1 物質(zhì)的熱蒸發(fā) 實(shí)物圖1、影響薄膜厚度均勻性的因素（1）薄膜沉積的方向性對(duì)薄膜厚度均勻性的影響 物質(zhì)的蒸發(fā)源可分為：點(diǎn)蒸發(fā)源和面蒸發(fā)源，如下圖所示： 可以求出兩種情況下，襯底上沉積的物質(zhì)的質(zhì)量密度分別為：點(diǎn)

3、蒸發(fā)源： （2-12） 面蒸發(fā)源 （2-13）式中，Ms為襯底面積As上沉積的物質(zhì)的質(zhì)量；Me為蒸發(fā)出來(lái)的物質(zhì)總量； 是襯底表面法線與空間角方向間的偏離角度；r是蒸發(fā)源與襯底之間的距離；是面蒸發(fā)源平面法線與空間角方向間的偏離角度。 顯然，薄膜沉積速率將與距離r的平方成反比，并與、 有關(guān)。24cosrMdAdMess2coscosrMdAdMess5.2 薄膜沉積的厚度均勻性和純度 薄膜沉積的厚度均勻性是一個(gè)經(jīng)常需要考慮的問(wèn)題。需要同時(shí)沉積的薄膜的面積越大，則沉積均勻性的問(wèn)題越突出。 圖2.4畫(huà)出了對(duì)于點(diǎn)蒸發(fā)源和面蒸源計(jì)算得出的薄膜相對(duì)沉積厚度隨襯底尺寸、襯底距離的變化規(guī)律?？芍c(diǎn)蒸發(fā)源所對(duì)應(yīng)

4、的沉積均勻性稍好于面蒸源的情況。改善薄膜厚度均勻性的方法： 1）加大蒸發(fā)源到襯底表面的距離，但此法會(huì)降低沉積速率及增加蒸發(fā)材料損耗； 2）轉(zhuǎn)動(dòng)襯底；2、影響薄膜純度的因素（1）蒸發(fā)源物質(zhì)的純度；（2）加熱裝置、坩堝等可能造成的污染；（3）真空系統(tǒng)中殘留的氣體，前面講過(guò)雜質(zhì)氣體分子與蒸發(fā)物質(zhì)的原子分別射向襯底，并可能同時(shí)沉積在襯底上。 改善方法： 1）依靠使用高純物質(zhì)作為蒸發(fā)源以及改善蒸發(fā)裝置的設(shè)計(jì)； 2）改善設(shè)備的真空條件 3）提高物質(zhì)蒸發(fā)及沉積速率。5.3 真空蒸發(fā)裝置 真空蒸發(fā)所采用的設(shè)備根據(jù)其使用目的的不同可能有很大的差別，從最簡(jiǎn)單的電阻加熱蒸鍍裝置到極為復(fù)雜的分子束外延設(shè)備，都屬于真空

5、蒸發(fā)沉積的范疇。在蒸發(fā)沉積裝置中，最重要的組成部分就是物質(zhì)的蒸發(fā)源，根據(jù)其加熱原理可以分為以下各種類(lèi)型。1、電阻式蒸發(fā)裝置 （1）電阻加熱蒸發(fā)法：采用鉭、鉬、鎢等高熔點(diǎn)金屬，做成適當(dāng)形狀的加熱裝置（也稱(chēng)“蒸發(fā)源”，注意與“蒸發(fā)材料”區(qū)別），其上裝入待蒸發(fā)材料，通以電流后，對(duì)蒸發(fā)材料進(jìn)行直接加熱蒸發(fā)，或者把待蒸發(fā)材料放入Al2O3、BeO等坩堝中進(jìn)行間接加熱蒸發(fā)， 蒸發(fā)源的形狀如下圖，大致有螺旋式(a)、籃式(b)、發(fā)叉式(c)和淺舟式(d)等 （2）加熱裝置所用電阻材料要求： 1）使用溫度高，即熔點(diǎn)要高，必須高于蒸發(fā)材料的蒸發(fā)溫度； 2）高溫下蒸氣壓低。這主要是為防止或減少高溫下蒸發(fā)源材料會(huì)成

6、為雜質(zhì)進(jìn)入蒸鍍膜層中。只有蒸發(fā)源材料的飽和蒸氣壓足夠低。才能保證蒸發(fā)時(shí)具有最小的自蒸發(fā)量，而不致于產(chǎn)生影響真空度和污染膜層質(zhì)量的蒸氣； 3）在化學(xué)性能穩(wěn)定，高溫下不應(yīng)與蒸發(fā)材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)； 4）無(wú)放氣現(xiàn)象或其它污染，并具有合適的電阻率； 5）在選擇加熱裝置所用電阻材料時(shí)，還必須考慮蒸發(fā)材料與電阻材料的“濕潤(rùn)性”問(wèn)題。在濕潤(rùn)的情況下，由于材料的蒸發(fā)是從大的表面上發(fā)生的且比較穩(wěn)定所以可認(rèn)為是面蒸發(fā)源的蒸發(fā)；在濕潤(rùn)小的時(shí)候，一般可認(rèn)為是點(diǎn)蒸發(fā)源的蒸發(fā)。另外，如果容易發(fā)生濕潤(rùn)，蒸發(fā)材料與電阻材料十分親合。因而蒸發(fā)狀態(tài)穩(wěn)定；如果是艱以濕潤(rùn)的，在采用絲狀揮發(fā)源時(shí)，蒸發(fā)材料就容易從電阻材料上掉下來(lái)。 （3

7、）電阻式蒸發(fā)裝置優(yōu)缺點(diǎn) 1）優(yōu)點(diǎn)：由于電阻加熱蒸發(fā)源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)廉易作，所以是一種應(yīng)用很普通的蒸發(fā)源。 2）缺點(diǎn)：來(lái)自坩堝、加熱元件及各種支撐部件的可能的污染；加熱功率和加熱溫度有一定的限制；難以滿足某些難熔金屬和氧化物材料的需要等。2、電子束蒸發(fā)裝置 （1）電子束蒸發(fā)法：將蒸發(fā)材料放入水冷銅坩鍋中，直接利用電子束加熱，使蒸發(fā)材料氣化蒸發(fā)后凝結(jié)在基板表面成膜。電子束加熱原理是由加熱的燈絲發(fā)射出電子束受到數(shù)千伏的偏置電壓的加速，獲得動(dòng)能后下橫向布置的磁場(chǎng)作用下，偏轉(zhuǎn)270度角后轟擊到處于陽(yáng)極的蒸發(fā)材料上，使蒸發(fā)材料加熱氣化，而實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)鍍膜。 （2）優(yōu)缺點(diǎn) 1）優(yōu)點(diǎn)：適用于高純或難熔物質(zhì)的蒸發(fā)；可

8、時(shí)沉積多種不同的物質(zhì)。 2）缺點(diǎn)：熱效率較低；過(guò)高的熱功率對(duì)整個(gè)沉積系統(tǒng)形成較強(qiáng)的熱輻射。3、電弧蒸發(fā)裝置 （1）電弧蒸發(fā)法：用欲蒸發(fā)的材料制成放電的電極，依靠調(diào)節(jié)真空室內(nèi)電極間距的方法來(lái)點(diǎn)燃電弧，瞬間的高溫電弧將使電極端部產(chǎn)生蒸發(fā)從而實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的沉積?？刂齐娀〉狞c(diǎn)燃次數(shù)或時(shí)間就可以沉積出一定厚度的薄膜。 （2）優(yōu)缺點(diǎn) 1）優(yōu)點(diǎn)：避免電阻加熱材料或坩堝材料的污染；加熱溫度高，適用于溶點(diǎn)高、同時(shí)具有一定導(dǎo)電性的難熔金屬、石墨等的蒸發(fā)；簡(jiǎn)單廉價(jià)。 2）缺點(diǎn)：在放電過(guò)程中容易產(chǎn)生微米量級(jí)大小的電極顆粒的飛濺，從而會(huì)影響被沉積薄膜的均勻性。4、激光蒸發(fā)裝置（1）激光蒸發(fā)法：高功率激光器產(chǎn)生的高能激光束，可在瞬間將能量直接傳遞給被蒸發(fā)物質(zhì)，使之發(fā)生蒸發(fā)鍍薄。 （2）優(yōu)缺點(diǎn) 1）優(yōu)點(diǎn)：避免電阻加熱材料或坩堝材料的污染；加熱溫度高；蒸發(fā)速率高；蒸發(fā)