薄膜物理與技術(shù)-2 薄膜的物理制備工藝學(xué)(1)--真空蒸發(fā)鍍膜

1、第第二二章章 薄膜薄膜的物理的物理制備制備工藝學(xué)工藝學(xué)宋春元材料科學(xué)與工程學(xué)院薄膜薄膜物理與技術(shù)物理與技術(shù)第二章第二章 薄膜的物理制備工藝學(xué)薄膜的物理制備工藝學(xué)2.1 薄膜制備薄膜制備方法概述方法概述2.2 真空蒸發(fā)鍍膜真空蒸發(fā)鍍膜2.3 濺射鍍膜濺射鍍膜2.4 離子束鍍膜離子束鍍膜2.5 分子束外延技術(shù)分子束外延技術(shù)2.6 脈沖激光沉積技術(shù)脈沖激光沉積技術(shù)2.1 薄膜制備薄膜制備方法概述方法概述物理氣相沉積法？物理氣相沉積法？物理氣相沉積法物理氣相沉積法 (Physical vapor deposition)是利用某種是利用某種物理過程物理過程，如物質(zhì)的如物質(zhì)的蒸發(fā)蒸發(fā)或在受到粒子轟擊時(shí)物質(zhì)

2、表面原子的或在受到粒子轟擊時(shí)物質(zhì)表面原子的濺射濺射等現(xiàn)象，實(shí)等現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)物質(zhì)從原物質(zhì)到薄膜物質(zhì)從原物質(zhì)到薄膜的可控的原子轉(zhuǎn)移過程。的可控的原子轉(zhuǎn)移過程。物理氣相沉積法的共同特點(diǎn)物理氣相沉積法的共同特點(diǎn):(1) 需要使用固態(tài)的或者熔融態(tài)的物質(zhì)作為沉積過程的源物質(zhì)需要使用固態(tài)的或者熔融態(tài)的物質(zhì)作為沉積過程的源物質(zhì)(2) 源物質(zhì)經(jīng)過物理過程而進(jìn)入氣相源物質(zhì)經(jīng)過物理過程而進(jìn)入氣相(3) 需要相對(duì)較低的氣體壓力環(huán)境需要相對(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)在氣相中及在襯底表面并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)物理氣相沉積法物理氣相沉積法 ：(1) 蒸發(fā)鍍膜法蒸發(fā)鍍膜法 ，(2) 濺射鍍膜法，

3、濺射鍍膜法， (3) 離子鍍膜法、離離子鍍膜法、離子束輔助沉積等子束輔助沉積等2.2.1 真空蒸發(fā)原理真空蒸發(fā)原理2.2.2 蒸發(fā)源的蒸發(fā)特性蒸發(fā)源的蒸發(fā)特性2.2.3 蒸發(fā)源的加熱方式蒸發(fā)源的加熱方式2.2.4 合金合金及化合物的及化合物的蒸發(fā)蒸發(fā)2.2 真空蒸發(fā)鍍膜真空蒸發(fā)鍍膜2.2 真空蒸發(fā)鍍膜真空蒸發(fā)鍍膜真空蒸發(fā)鍍膜法真空蒸發(fā)鍍膜法(簡(jiǎn)稱真空蒸鍍簡(jiǎn)稱真空蒸鍍)是在真空室內(nèi)，加熱蒸發(fā)容器中是在真空室內(nèi)，加熱蒸發(fā)容器中待形成薄膜的待形成薄膜的源源材料材料，使其原子或分子從表面蒸發(fā)，使其原子或分子從表面蒸發(fā)逸出逸出，形成蒸，形成蒸氣流，氣流，入射入射到固體到固體(稱為襯底、基片或基板稱為襯底

4、、基片或基板)表面，表面，凝結(jié)凝結(jié)形成固態(tài)形成固態(tài)薄膜的方法。薄膜的方法。由于真空蒸發(fā)鍍膜法由于真空蒸發(fā)鍍膜法(簡(jiǎn)稱真空蒸鍍簡(jiǎn)稱真空蒸鍍)主要物理過程是通過加熱蒸主要物理過程是通過加熱蒸發(fā)材料而產(chǎn)生，所以發(fā)材料而產(chǎn)生，所以又稱熱蒸發(fā)法又稱熱蒸發(fā)法。2.2.1 真空蒸發(fā)原理真空蒸發(fā)原理2.2 真空蒸發(fā)鍍膜真空蒸發(fā)鍍膜主要部分：主要部分：(1) 真空室，為蒸發(fā)過程提供必要的真空環(huán)境真空室，為蒸發(fā)過程提供必要的真空環(huán)境(2) 蒸發(fā)源或蒸發(fā)加熱器，放置蒸發(fā)材料并對(duì)其加熱蒸發(fā)源或蒸發(fā)加熱器，放置蒸發(fā)材料并對(duì)其加熱(3) 基板，用于接受蒸發(fā)物質(zhì)并在其表面形成固態(tài)薄膜基板，用于接受蒸發(fā)物質(zhì)并在其表面形成固態(tài)

5、薄膜(4) 基板加熱器及測(cè)溫器等基板加熱器及測(cè)溫器等2.2.1 真空蒸發(fā)原理真空蒸發(fā)原理2.2.1 真空蒸發(fā)原理真空蒸發(fā)原理真空蒸發(fā)鍍膜包括以下三個(gè)基本過程：真空蒸發(fā)鍍膜包括以下三個(gè)基本過程：(1) 加熱蒸發(fā)過程加熱蒸發(fā)過程。包括由凝聚相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?。包括由凝聚相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?(固相或液相變?yōu)闅庀喙滔嗷蛞合嘧優(yōu)闅庀? 的相變過程。的相變過程。(2) 氣態(tài)原子或分子在蒸發(fā)源與基片之間的輸運(yùn)氣態(tài)原子或分子在蒸發(fā)源與基片之間的輸運(yùn)，即這些粒子在環(huán)境，即這些粒子在環(huán)境氣氛中的飛行過程。飛行過程中與真空室內(nèi)殘余氣體分子發(fā)生碰氣氛中的飛行過程。飛行過程中與真空室內(nèi)殘余氣體分子發(fā)生碰撞的次數(shù)，取決于蒸發(fā)原子的平

6、均自由程以及從蒸發(fā)源到基板之撞的次數(shù)，取決于蒸發(fā)原子的平均自由程以及從蒸發(fā)源到基板之間的距離（源間的距離（源-基距）?；啵?3) 蒸發(fā)原子或分子在基板表面的沉積過程蒸發(fā)原子或分子在基板表面的沉積過程，即是蒸氣凝聚，即是蒸氣凝聚、成核、成核、核生長(zhǎng)、形成連續(xù)薄膜。由于基板溫度遠(yuǎn)低于蒸發(fā)源溫度，因此，核生長(zhǎng)、形成連續(xù)薄膜。由于基板溫度遠(yuǎn)低于蒸發(fā)源溫度，因此，沉積物分子在基板表面將直接發(fā)生從氣相到固相的轉(zhuǎn)變過程。沉積物分子在基板表面將直接發(fā)生從氣相到固相的轉(zhuǎn)變過程。（凝結(jié)、形核、長(zhǎng)大）氣相粒子在基片上成膜沉積激發(fā)粒子輸運(yùn)到基片輸運(yùn)相原子、分子、離子）從源材料發(fā)射粒子（氣產(chǎn)生氣相物質(zhì)的2. 飽和蒸

7、氣壓飽和蒸氣壓2.2.1 真空蒸發(fā)原理真空蒸發(fā)原理熱蒸發(fā)：熱蒸發(fā)：蒸發(fā)材料在真空中被加熱時(shí)，其原子或分子會(huì)從表蒸發(fā)材料在真空中被加熱時(shí)，其原子或分子會(huì)從表面逸出。面逸出。思考如下問題：飽和蒸氣壓與溫度的關(guān)系？思考如下問題：飽和蒸氣壓與溫度的關(guān)系？一定溫度下，各種物質(zhì)的飽和蒸氣壓不同，且具有恒定的數(shù)值。相一定溫度下，各種物質(zhì)的飽和蒸氣壓不同，且具有恒定的數(shù)值。相反，一定的飽和蒸氣壓必定對(duì)應(yīng)一定的物質(zhì)的溫度。反，一定的飽和蒸氣壓必定對(duì)應(yīng)一定的物質(zhì)的溫度。一般情況下，物質(zhì)的飽和蒸氣壓隨溫度的上升而增大。一般情況下，物質(zhì)的飽和蒸氣壓隨溫度的上升而增大。式中式中A、B為常數(shù)，為常數(shù)，A C/2.3，B

8、Hv/2.3R， A、B值可由實(shí)值可由實(shí)驗(yàn)確定。驗(yàn)確定。（常見金屬蒸氣壓方程中計(jì)算常數(shù)（常見金屬蒸氣壓方程中計(jì)算常數(shù)A、B值，可查詢表值，可查詢表2-3）2.2.1 真空蒸發(fā)原理真空蒸發(fā)原理TBAPlg蒸發(fā)材料的飽和蒸氣壓與溫度之間的近似關(guān)系式。蒸發(fā)材料的飽和蒸氣壓與溫度之間的近似關(guān)系式。飽和蒸氣壓飽和蒸氣壓P與溫度的關(guān)與溫度的關(guān)系曲線對(duì)于薄膜制作技系曲線對(duì)于薄膜制作技術(shù)有重要的實(shí)際意義，術(shù)有重要的實(shí)際意義，它可以幫助我們合理地它可以幫助我們合理地選擇蒸發(fā)材料及確定蒸選擇蒸發(fā)材料及確定蒸發(fā)條件。發(fā)條件。2.2.1 真空蒸發(fā)原理真空蒸發(fā)原理飽和蒸氣壓隨溫度的升高而迅速增加飽和蒸氣壓隨溫度的升高而

9、迅速增加3. 蒸發(fā)速率蒸發(fā)速率2.2.1 真空蒸發(fā)原理真空蒸發(fā)原理n：分子密度：分子密度Va：算術(shù)平均速度：算術(shù)平均速度m：分子質(zhì)量：分子質(zhì)量k：玻爾茲曼常數(shù)：玻爾茲曼常數(shù)142aPJnmkT由氣體分子運(yùn)動(dòng)論，處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，壓強(qiáng)為由氣體分子運(yùn)動(dòng)論，處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，壓強(qiáng)為P的氣體的氣體單位時(shí)間內(nèi)碰撞單位面積的分子數(shù)為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)碰撞單位面積的分子數(shù)為：2.2.1 真空蒸發(fā)原理真空蒸發(fā)原理2.2.1 真空蒸發(fā)原理真空蒸發(fā)原理/2ccJPmkT如果碰撞蒸發(fā)面的分子中僅有占如果碰撞蒸發(fā)面的分子中僅有占 c的部分發(fā)生凝結(jié)，的部分發(fā)生凝結(jié)，1- c部分被蒸發(fā)面反射返回氣相中，那么在平衡蒸部分被蒸發(fā)面

10、反射返回氣相中，那么在平衡蒸氣壓氣壓Pv下的凝結(jié)分子流量：下的凝結(jié)分子流量： c 為冷凝系數(shù)為冷凝系數(shù) c 1，Pv為飽和蒸氣壓為飽和蒸氣壓在平衡狀態(tài)，與從液相到氣相的分子數(shù)相等，蒸發(fā)流量在平衡狀態(tài)，與從液相到氣相的分子數(shù)相等，蒸發(fā)流量 等于等于 vJcJ2vhvPPJm kTv 為蒸發(fā)系數(shù)，平衡為蒸發(fā)系數(shù)，平衡時(shí)可以認(rèn)為時(shí)可以認(rèn)為 v = c。實(shí)際蒸發(fā)中，對(duì)于蒸發(fā)面既有氣相壓力實(shí)際蒸發(fā)中，對(duì)于蒸發(fā)面既有氣相壓力 Pv ，也有液相壓力，也有液相壓力Ph（液體靜壓），則實(shí)際蒸發(fā)流量，則實(shí)際蒸發(fā)流量 為：為：vJ2.2.1 真空蒸發(fā)原理真空蒸發(fā)原理2mPJmkT如果如果c = 1和和Ph = 0時(shí)

11、，得到最大凈蒸發(fā)速率，即時(shí)，得到最大凈蒸發(fā)速率，即最大蒸發(fā)速率最大蒸發(fā)速率TMPTMP11064. 211051. 32422(個(gè)個(gè)cm2s,Torr)(個(gè)個(gè)m2s,Pa)M：蒸發(fā)物質(zhì)的摩爾質(zhì)量：蒸發(fā)物質(zhì)的摩爾質(zhì)量2vhvPPJm kTPkTmmJGm2如果對(duì)上式乘以原子或分子質(zhì)量，則得到單位面積的質(zhì)量蒸如果對(duì)上式乘以原子或分子質(zhì)量，則得到單位面積的質(zhì)量蒸發(fā)速率發(fā)速率PTMPTM321037. 41083. 5(gcm2s,Torr)(kgm2s,Pa)此兩式是描述蒸發(fā)速率的重要表達(dá)式，它確定了蒸發(fā)速率、蒸此兩式是描述蒸發(fā)速率的重要表達(dá)式，它確定了蒸發(fā)速率、蒸氣壓和溫度之間的關(guān)系氣壓和溫度之間

12、的關(guān)系必須指出，蒸發(fā)速率還與材料自身的表面清潔度有關(guān)必須指出，蒸發(fā)速率還與材料自身的表面清潔度有關(guān)2.2.1 真空蒸發(fā)原理真空蒸發(fā)原理TBAPlg將飽和蒸氣壓與溫度關(guān)系式將飽和蒸氣壓與溫度關(guān)系式并對(duì)其微分，即可得出蒸發(fā)速率隨溫度變化的關(guān)系式并對(duì)其微分，即可得出蒸發(fā)速率隨溫度變化的關(guān)系式TdTTBGdG213 . 2代入代入PkTmmJGm22.2.1 真空蒸發(fā)原理真空蒸發(fā)原理對(duì)于金屬對(duì)于金屬, 2.3B/T通常在通常在2030之間，即有之間，即有20 30dGdTGT蒸發(fā)溫度對(duì)蒸發(fā)速率的影響蒸發(fā)溫度對(duì)蒸發(fā)速率的影響TdTGdG3020在蒸發(fā)溫度以上進(jìn)行蒸發(fā)時(shí)，蒸發(fā)源溫度的微小變化即可引起蒸在蒸

13、發(fā)溫度以上進(jìn)行蒸發(fā)時(shí)，蒸發(fā)源溫度的微小變化即可引起蒸發(fā)速率發(fā)生很大變化發(fā)速率發(fā)生很大變化.啟示：鍍膜時(shí)精確控制并穩(wěn)定蒸發(fā)溫度，進(jìn)而獲得均勻的物質(zhì)蒸啟示：鍍膜時(shí)精確控制并穩(wěn)定蒸發(fā)溫度，進(jìn)而獲得均勻的物質(zhì)蒸發(fā)速度。發(fā)速度。2.2.1 真空蒸發(fā)原理真空蒸發(fā)原理 計(jì)算計(jì)算1%的溫度變化，的溫度變化，Al蒸發(fā)薄膜生長(zhǎng)速率的變化情蒸發(fā)薄膜生長(zhǎng)速率的變化情況。況。B值為值為3.586104K，蒸發(fā)溫度值為，蒸發(fā)溫度值為1830K時(shí)，飽時(shí)，飽和蒸氣壓為托和蒸氣壓為托12.32TBGTddGT1909. 01021183010586. 324GdG蒸發(fā)源蒸發(fā)源1%的溫度變化會(huì)引起生長(zhǎng)速率有的溫度變化會(huì)引起生長(zhǎng)速

14、率有19的改變的改變2.2.1 真空蒸發(fā)原理真空蒸發(fā)原理用蒸發(fā)法制備薄膜過程中，要想控制蒸發(fā)速率，必須精確控制用蒸發(fā)法制備薄膜過程中，要想控制蒸發(fā)速率，必須精確控制蒸發(fā)源的溫度，加熱時(shí)盡量避免產(chǎn)生過大的溫度梯度蒸發(fā)源的溫度，加熱時(shí)盡量避免產(chǎn)生過大的溫度梯度用蒸發(fā)法制備薄膜過程中受到哪些啟發(fā)？用蒸發(fā)法制備薄膜過程中受到哪些啟發(fā)？例例4. 蒸發(fā)分子的平均自由程與碰撞幾率蒸發(fā)分子的平均自由程與碰撞幾率真空室中存在兩種粒子，一種是真空室中存在兩種粒子，一種是。另一種是。另一種是2.2.1 真空蒸發(fā)原理真空蒸發(fā)原理真空蒸發(fā)鍍膜實(shí)際真空蒸發(fā)鍍膜實(shí)際上都是在具有一上都是在具有一定壓強(qiáng)的殘余氣定壓強(qiáng)的殘余氣體

15、中進(jìn)行的體中進(jìn)行的殘余氣體分子會(huì)對(duì)殘余氣體分子會(huì)對(duì)薄膜的形成過程薄膜的形成過程以及薄膜的性質(zhì)以及薄膜的性質(zhì)產(chǎn)生影響產(chǎn)生影響Pb2.2.1 真空蒸發(fā)原理真空蒸發(fā)原理(1) 蒸發(fā)原子或分子之間、以及與殘余的空氣分子碰撞，影響蒸發(fā)蒸發(fā)原子或分子之間、以及與殘余的空氣分子碰撞，影響蒸發(fā)分子的直線行進(jìn)，影響成膜均一性；分子的直線行進(jìn)，影響成膜均一性；(2) 蒸發(fā)原子或分子將與大量的空氣分子碰撞，蒸發(fā)原子或分子將與大量的空氣分子碰撞， 引起蒸發(fā)分子發(fā)生引起蒸發(fā)分子發(fā)生質(zhì)變，如形成氧化物等質(zhì)變，如形成氧化物等;(3) 蒸發(fā)源被加熱氧化物燒毀蒸發(fā)源被加熱氧化物燒毀;(4) 氣體分子沉積到基片表面使膜層受到污染

16、。氣體分子沉積到基片表面使膜層受到污染。思考如下問題：思考如下問題：如果沉積過程不在真空環(huán)境（或者真空度較低）下進(jìn)行將怎樣？如果沉積過程不在真空環(huán)境（或者真空度較低）下進(jìn)行將怎樣？在熱平衡條件下，單位時(shí)間通過單位面積的氣體分子數(shù)在熱平衡條件下，單位時(shí)間通過單位面積的氣體分子數(shù)Ng為為P：氣體的壓強(qiáng)：氣體的壓強(qiáng) (托托) M：氣體的摩爾質(zhì)量：氣體的摩爾質(zhì)量 (克克) T ：氣體的溫度：氣體的溫度(K)Ng：氣體分子對(duì)基板的碰撞率：氣體分子對(duì)基板的碰撞率TMPNg2210513. 3(個(gè)個(gè)cm2s,Torr)2.2.1 真空蒸發(fā)原理真空蒸發(fā)原理()2mPJmkT1、真空室中鍍膜材料飽和蒸氣壓為真空

17、室中鍍膜材料飽和蒸氣壓為10-5托時(shí)，每秒種大約有托時(shí)，每秒種大約有1015個(gè)氣個(gè)氣體分子到達(dá)單位基板表面。體分子到達(dá)單位基板表面。要獲得純度高的薄膜，必須要求殘余氣體的壓強(qiáng)非常低要獲得純度高的薄膜，必須要求殘余氣體的壓強(qiáng)非常低2、當(dāng)殘余氣體的壓強(qiáng)為當(dāng)殘余氣體的壓強(qiáng)為10-5托時(shí)，氣體分子與蒸發(fā)物質(zhì)原子或分托時(shí)，氣體分子與蒸發(fā)物質(zhì)原子或分子幾乎按子幾乎按1:1的比例到達(dá)基板表面的比例到達(dá)基板表面2.2.1 真空蒸發(fā)原理真空蒸發(fā)原理幾種典型氣體的幾種典型氣體的Ng蒸發(fā)分子蒸發(fā)分子的平均自由程為的平均自由程為n：殘余氣體分子的密度：殘余氣體分子的密度 d：碰撞截面，大約為幾個(gè)：碰撞截面，大約為幾個(gè)

18、 ( )222221PdkTdn2423.107 10TPd帕2.2.1 真空蒸發(fā)原理真空蒸發(fā)原理計(jì)算在計(jì)算在4.510-3 Pa的氣體壓強(qiáng)下，碰撞截面為的氣體壓強(qiáng)下，碰撞截面為2平方埃，在平方埃，在1500 K時(shí)平均分子自由程時(shí)平均分子自由程蒸發(fā)分子的平均自由程為：蒸發(fā)分子的平均自由程為：51.8 m2.2.1 真空蒸發(fā)原理真空蒸發(fā)原理在高真空的條件下大部分的蒸發(fā)分子幾乎不發(fā)生碰撞而直接到達(dá)在高真空的條件下大部分的蒸發(fā)分子幾乎不發(fā)生碰撞而直接到達(dá)基板表面基板表面22221PdkTdn2423.107 10TPd帕設(shè)設(shè)N0個(gè)蒸發(fā)分子飛行距離為個(gè)蒸發(fā)分子飛行距離為x后，未受到殘余氣體分子碰撞的后

19、，未受到殘余氣體分子碰撞的數(shù)目為數(shù)目為則則被碰撞的分子百分?jǐn)?shù)被碰撞的分子百分?jǐn)?shù)/0 xgeNN根據(jù)上式可以進(jìn)行計(jì)算所得蒸發(fā)分子在源基之間渡越過程根據(jù)上式可以進(jìn)行計(jì)算所得蒸發(fā)分子在源基之間渡越過程中，蒸發(fā)分子的碰撞百分?jǐn)?shù)與實(shí)際行程對(duì)平均自由程之比的曲中，蒸發(fā)分子的碰撞百分?jǐn)?shù)與實(shí)際行程對(duì)平均自由程之比的曲線線2.2.1 真空蒸發(fā)原理真空蒸發(fā)原理/011xgeNNf（e = 2.718） 只有在平均自由程較源基距大得多的情況下，才能有效減少蒸發(fā)分子只有在平均自由程較源基距大得多的情況下，才能有效減少蒸發(fā)分子在渡越中的碰撞現(xiàn)象在渡越中的碰撞現(xiàn)象當(dāng)平均自由程等于源基距離時(shí)，大約有當(dāng)平均自由程等于源基距離

20、時(shí)，大約有63的蒸發(fā)分子受到碰撞；如的蒸發(fā)分子受到碰撞；如果平均自由程增加果平均自由程增加10倍，則碰撞幾率減小到倍，則碰撞幾率減小到9左右左右2.2.1 真空蒸發(fā)原理真空蒸發(fā)原理合理方法：（合理方法：（1） 減少殘余氣體減少殘余氣體提高背景真空度提高背景真空度 （2） 合適的源合適的源-基距基距第二章第二章 薄膜的物理制備工藝學(xué)薄膜的物理制備工藝學(xué)2.2 真空蒸發(fā)鍍膜真空蒸發(fā)鍍膜2.2.2 蒸發(fā)源的蒸發(fā)特性蒸發(fā)源的蒸發(fā)特性 在物質(zhì)的蒸發(fā)過程中，蒸發(fā)原子的運(yùn)動(dòng)具有明顯在物質(zhì)的蒸發(fā)過程中，蒸發(fā)原子的運(yùn)動(dòng)具有明顯的的方向性方向性。并且，由于被蒸發(fā)原子的運(yùn)動(dòng)具有方向性，并且，由于被蒸發(fā)原子的運(yùn)動(dòng)具有

21、方向性，因而沉積薄膜本身的因而沉積薄膜本身的均勻性以及其微觀組織也將受到均勻性以及其微觀組織也將受到影響影響。 基片上基片上不同蒸發(fā)位置的膜厚不同蒸發(fā)位置的膜厚，取決于蒸發(fā)源的蒸，取決于蒸發(fā)源的蒸發(fā)特性、基片與蒸發(fā)源的幾何形狀、相對(duì)位置以及蒸發(fā)特性、基片與蒸發(fā)源的幾何形狀、相對(duì)位置以及蒸發(fā)物質(zhì)的蒸發(fā)量等多種因素。發(fā)物質(zhì)的蒸發(fā)量等多種因素。 幾種常見的蒸發(fā)源。幾種常見的蒸發(fā)源。點(diǎn)蒸發(fā)源空間角示意圖點(diǎn)蒸發(fā)源空間角示意圖dOOhMedS1dS2xxr2.2.2 蒸發(fā)源的蒸發(fā)特性蒸發(fā)源的蒸發(fā)特性1、點(diǎn)蒸發(fā)源、點(diǎn)蒸發(fā)源相對(duì)襯底距離較遠(yuǎn)，尺寸較小的蒸發(fā)源都可以被認(rèn)為是相對(duì)襯底距離較遠(yuǎn)，尺寸較小的蒸發(fā)源都可

22、以被認(rèn)為是點(diǎn)點(diǎn)蒸發(fā)源。蒸發(fā)源。能夠從各個(gè)方向蒸發(fā)等量材料的微小球狀蒸發(fā)源。能夠從各個(gè)方向蒸發(fā)等量材料的微小球狀蒸發(fā)源。t為厚度為厚度2dmt dS 23223 2cos444()mmhmhtrrhx224cos4mdmdmdSr1212cossssddrdd2.2.2 蒸發(fā)源的蒸發(fā)特性蒸發(fā)源的蒸發(fā)特性00cos =1 t時(shí)，表示原點(diǎn)處的膜厚，則20m=4ht為基片表面內(nèi)所能得到的最大膜厚基片表面內(nèi)所能得到的最大膜厚。基片平面內(nèi)的任意處的膜厚分布可表示為：03221=1+(x/h) tt2. 2. 小平面蒸發(fā)源小平面蒸發(fā)源 這種蒸發(fā)源的發(fā)這種蒸發(fā)源的發(fā)射特性具有方向性，射特性具有方向性，使得在使

23、得在 角方向蒸發(fā)角方向蒸發(fā)的材料質(zhì)量和的材料質(zhì)量和 成成正比。正比。cos221coscoscosdmmdmdSr2222 2cos cos()mmhtrhx2.2.2 蒸發(fā)源的蒸發(fā)特性蒸發(fā)源的蒸發(fā)特性ds12.2.2 蒸發(fā)源的蒸發(fā)特性蒸發(fā)源的蒸發(fā)特性00,=0t時(shí)， 表示原點(diǎn)處的膜厚，則20m=ht為基片表面內(nèi)所能得到的最大膜厚基片表面內(nèi)所能得到的最大膜厚。基片平面內(nèi)的任意處的膜厚分布可表示為：02 21=1+(x/h) tt2.2.2 蒸發(fā)源的蒸發(fā)特性蒸發(fā)源的蒸發(fā)特性點(diǎn)源蒸發(fā)的厚度分布略均勻些。點(diǎn)源蒸發(fā)的厚度分布略均勻些。在給定蒸發(fā)物、蒸發(fā)源和基板距離的情況下，平面蒸發(fā)源的最大厚度可為點(diǎn)源

24、的4倍左右。 蒸發(fā)裝置是實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)的關(guān)鍵部件。最常用的有：電蒸發(fā)裝置是實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)的關(guān)鍵部件。最常用的有：電阻法、電子束法、高頻法等。阻法、電子束法、高頻法等。 1 電阻加熱蒸發(fā)電阻加熱蒸發(fā) （熔點(diǎn)低于（熔點(diǎn)低于1500 0C的鍍料）的鍍料）對(duì)加對(duì)加熱材熱材料的料的要求要求1.高熔點(diǎn)：蒸發(fā)源材料的熔點(diǎn)必須高于鍍料的蒸發(fā)溫度。高熔點(diǎn)：蒸發(fā)源材料的熔點(diǎn)必須高于鍍料的蒸發(fā)溫度。2.飽和蒸氣壓低：防止和減少高溫下蒸發(fā)源材料會(huì)隨鍍料蒸發(fā)而飽和蒸氣壓低：防止和減少高溫下蒸發(fā)源材料會(huì)隨鍍料蒸發(fā)而成為雜質(zhì)進(jìn)入鍍膜層。成為雜質(zhì)進(jìn)入鍍膜層。3.化學(xué)性能穩(wěn)定，高溫下不與蒸發(fā)材料反應(yīng)?；瘜W(xué)性能穩(wěn)定，高溫下不與蒸發(fā)材料反應(yīng)。

25、4.良好的耐熱性，功率密度變化較小。良好的耐熱性，功率密度變化較小。5.原料豐富、經(jīng)濟(jì)耐用。原料豐富、經(jīng)濟(jì)耐用。2.2.3 蒸發(fā)源的加熱方式蒸發(fā)源的加熱方式2.2.3 蒸發(fā)源的加熱方式蒸發(fā)源的加熱方式低電壓大電流供電（150500）A*10 V，通過電流的焦耳熱使鍍料熔化、蒸發(fā)或升華。 選擇蒸發(fā)加熱材料時(shí)，必須考慮蒸鍍材料與蒸發(fā)材料選擇蒸發(fā)加熱材料時(shí)，必須考慮蒸鍍材料與蒸發(fā)材料的的“濕潤(rùn)性濕潤(rùn)性”問題。問題。2.2.3 蒸發(fā)源的加熱方式蒸發(fā)源的加熱方式 濕潤(rùn)良好：濕潤(rùn)良好：蒸發(fā)面積大、穩(wěn)定，可以認(rèn)為是面蒸發(fā)源蒸發(fā)。蒸發(fā)面積大、穩(wěn)定，可以認(rèn)為是面蒸發(fā)源蒸發(fā)。 濕潤(rùn)?。簼駶?rùn)?。?可以認(rèn)為是點(diǎn)源蒸發(fā)

26、，穩(wěn)定性差。可以認(rèn)為是點(diǎn)源蒸發(fā)，穩(wěn)定性差。2.2.3 蒸發(fā)源的加熱方式蒸發(fā)源的加熱方式 可聚焦的電子束，能局部加溫元素源，因不加熱其它可聚焦的電子束，能局部加溫元素源，因不加熱其它部分而避免污染部分而避免污染 高能量電子束能使高熔點(diǎn)元素達(dá)到足夠高溫以產(chǎn)生適高能量電子束能使高熔點(diǎn)元素達(dá)到足夠高溫以產(chǎn)生適量的蒸氣壓量的蒸氣壓2 電子束蒸發(fā)電子束蒸發(fā) 電阻加熱蒸發(fā)已不能滿足蒸鍍某些高熔點(diǎn)金屬和氧化電阻加熱蒸發(fā)已不能滿足蒸鍍某些高熔點(diǎn)金屬和氧化物材料的需要，特別是制備高純薄膜。電子束加熱蒸發(fā)法物材料的需要，特別是制備高純薄膜。電子束加熱蒸發(fā)法克服了電阻加熱蒸發(fā)的許多缺點(diǎn)（如高污染、低加熱功率克服了電阻

27、加熱蒸發(fā)的許多缺點(diǎn)（如高污染、低加熱功率以及可達(dá)到溫度低等），得到廣泛應(yīng)用。以及可達(dá)到溫度低等），得到廣泛應(yīng)用。2.2.3 蒸發(fā)源的加熱方式蒸發(fā)源的加熱方式電子束蒸發(fā)源的優(yōu)點(diǎn)：電子束蒸發(fā)源的優(yōu)點(diǎn)：1.1.束流密度高，能獲得遠(yuǎn)比電阻加熱源更大的能量密度。束流密度高，能獲得遠(yuǎn)比電阻加熱源更大的能量密度。2.2.被蒸發(fā)材料置于水冷坩堝內(nèi)，避免了容器材料的蒸發(fā)，被蒸發(fā)材料置于水冷坩堝內(nèi)，避免了容器材料的蒸發(fā)， 以及容器材料與蒸發(fā)材料的反應(yīng)，提高了薄膜的純度。以及容器材料與蒸發(fā)材料的反應(yīng)，提高了薄膜的純度。3.3.熱量直接加到蒸鍍材料表面，熱效率高，熱傳導(dǎo)和熱輻熱量直接加到蒸鍍材料表面，熱效率高，熱傳導(dǎo)

28、和熱輻 射損失小。射損失小。電子束蒸發(fā)源的缺點(diǎn)：電子束蒸發(fā)源的缺點(diǎn)：1. 1. 可使蒸發(fā)氣體和殘余氣體電離，有時(shí)會(huì)影響膜層質(zhì)量；可使蒸發(fā)氣體和殘余氣體電離，有時(shí)會(huì)影響膜層質(zhì)量；2. 2. 電子束蒸鍍裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴；電子束蒸鍍裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴；3. 3. 產(chǎn)生的軟產(chǎn)生的軟X X射線對(duì)人體有一定的傷害。射線對(duì)人體有一定的傷害。2.2.3 蒸發(fā)源的加熱方式蒸發(fā)源的加熱方式直型槍直型槍電子束蒸發(fā)裝置的結(jié)構(gòu)電子束蒸發(fā)裝置的結(jié)構(gòu)較高的能量密度較高的能量密度 100 KW/cm2，易于，易于調(diào)節(jié)控制。調(diào)節(jié)控制。缺點(diǎn)：體積大、成本高。缺點(diǎn)：體積大、成本高。 蒸鍍材料會(huì)污染槍體。蒸鍍材料會(huì)污染槍體

29、。1-發(fā)射體，2-陽極，3-電磁線圈，4-水冷坩堝，5-收集極，6-吸收極，7-電子軌跡，8-正離子軌跡，9-散射電子軌跡，10-等離子體吸收反射吸收反射電子、背電子、背散射電子、散射電子、二次電子二次電子吸收電子束吸收電子束與蒸發(fā)的中與蒸發(fā)的中性離子碰撞性離子碰撞產(chǎn)生的正離產(chǎn)生的正離子子e 型槍型槍3. 高頻感應(yīng)蒸發(fā)源高頻感應(yīng)蒸發(fā)源高頻感應(yīng)蒸發(fā)源的特點(diǎn)：高頻感應(yīng)蒸發(fā)源的特點(diǎn)：1. 1. 蒸發(fā)速率大，比電阻蒸發(fā)源大蒸發(fā)速率大，比電阻蒸發(fā)源大1010倍左右；倍左右；2. 2. 蒸發(fā)源溫度均勻穩(wěn)定，不易產(chǎn)生飛濺；蒸發(fā)源溫度均勻穩(wěn)定，不易產(chǎn)生飛濺；3. 3. 蒸發(fā)材料是金屬時(shí)，從內(nèi)部加熱；蒸發(fā)材料是

30、金屬時(shí)，從內(nèi)部加熱；4. 4. 蒸發(fā)源一次加料，無需送料機(jī)構(gòu)，控溫容蒸發(fā)源一次加料，無需送料機(jī)構(gòu)，控溫容易，熱惰性小，操作簡(jiǎn)單。易，熱惰性小，操作簡(jiǎn)單。將裝有蒸發(fā)材料的坩堝放在高頻（通常為射頻）螺線管將裝有蒸發(fā)材料的坩堝放在高頻（通常為射頻）螺線管線圈的中央，使蒸發(fā)材料在高頻電磁場(chǎng)感應(yīng)下產(chǎn)生強(qiáng)大線圈的中央，使蒸發(fā)材料在高頻電磁場(chǎng)感應(yīng)下產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流損失，致使蒸發(fā)材料升溫而蒸發(fā)。的渦流損失，致使蒸發(fā)材料升溫而蒸發(fā)。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：蒸發(fā)裝置需屏蔽，高頻發(fā)射器昂貴蒸發(fā)裝置需屏蔽，高頻發(fā)射器昂貴蒸發(fā)材料作為電極棒安裝在與蒸鍍蒸發(fā)材料作為電極棒安裝在與蒸鍍室絕緣的兩根電極支持棒上，蒸鍍室絕緣的兩根電極支持棒

31、上，蒸鍍室的真空度達(dá)室的真空度達(dá)10-6-10-7 Torr后，在后，在電極間加交流電壓電極間加交流電壓10-50V，移動(dòng)一，移動(dòng)一個(gè)電極，使其與另一電極接觸隨個(gè)電極，使其與另一電極接觸隨后立即拉開。這樣，在電極間產(chǎn)生后立即拉開。這樣，在電極間產(chǎn)生電弧放電，電極材料蒸發(fā)，在與蒸電弧放電，電極材料蒸發(fā)，在與蒸發(fā)源相距適當(dāng)距離的基片上形成薄發(fā)源相距適當(dāng)距離的基片上形成薄膜。膜。避免：避免：加熱絲、坩堝與蒸鍍物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的問題；加熱源蒸發(fā)加熱絲、坩堝與蒸鍍物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的問題；加熱源蒸發(fā)出的原子混入薄膜以及難于蒸鍍高熔點(diǎn)物質(zhì)的問題。出的原子混入薄膜以及難于蒸鍍高熔點(diǎn)物質(zhì)的問題。4. 電弧蒸發(fā)法電弧蒸發(fā)

32、法電弧加熱蒸發(fā)裝置示意圖 5 脈沖激光蒸發(fā)法（脈沖激光蒸發(fā)法（PLD） 利用高能激光作為熱源蒸鍍薄膜是一項(xiàng)新技術(shù)。利用高能激光作為熱源蒸鍍薄膜是一項(xiàng)新技術(shù)。 CO激光器激光器 釹玻璃激光器釹玻璃激光器 釔鋁石榴石（釔鋁石榴石（YAG）激光）激光 控制激光功率、束斑大小控制激光功率、束斑大小 和脈沖寬度，和脈沖寬度，可以方便地調(diào)節(jié)蒸發(fā)速率和加熱溫度可以方便地調(diào)節(jié)蒸發(fā)速率和加熱溫度1.1.可達(dá)到極高的溫度，可蒸發(fā)任何高熔點(diǎn)材料，可達(dá)到極高的溫度，可蒸發(fā)任何高熔點(diǎn)材料，且獲得很高的蒸發(fā)速率；且獲得很高的蒸發(fā)速率；2. 2. 非接觸式加熱，避免蒸發(fā)源的污染，簡(jiǎn)化了非接觸式加熱，避免蒸發(fā)源的污染，簡(jiǎn)化了

33、真空室，非常適合在超高真空下制備高純薄真空室，非常適合在超高真空下制備高純薄膜；膜；3. 3. 能對(duì)某些化合物或合金進(jìn)行能對(duì)某些化合物或合金進(jìn)行“閃爍閃爍”蒸發(fā)，蒸發(fā)，有利于保證薄膜成分的組成和防止分解，是有利于保證薄膜成分的組成和防止分解，是淀積介質(zhì)薄膜、半導(dǎo)體薄膜和無機(jī)化合物薄淀積介質(zhì)薄膜、半導(dǎo)體薄膜和無機(jī)化合物薄膜的好方法。膜的好方法。2.2.4 合金及化合物的蒸發(fā)合金及化合物的蒸發(fā) 對(duì)于兩種以上元素組成的合金和化合物薄膜，對(duì)于兩種以上元素組成的合金和化合物薄膜，在蒸發(fā)時(shí)如何控制組分，以獲得與蒸發(fā)材料化學(xué)比不在蒸發(fā)時(shí)如何控制組分，以獲得與蒸發(fā)材料化學(xué)比不變的膜層，是薄膜技術(shù)中的一個(gè)重要問

34、題。變的膜層，是薄膜技術(shù)中的一個(gè)重要問題。1. 合金的蒸發(fā)合金的蒸發(fā) 二元以上合金或化合物，由于各成分飽和蒸氣二元以上合金或化合物，由于各成分飽和蒸氣壓不同，蒸發(fā)速率不同，從而使蒸發(fā)源發(fā)生分解和壓不同，蒸發(fā)速率不同，從而使蒸發(fā)源發(fā)生分解和分餾，引起薄膜成分偏離。分餾，引起薄膜成分偏離。2.2 真空蒸發(fā)鍍膜真空蒸發(fā)鍍膜優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：可以獲得成分均勻的薄膜，方便進(jìn)行摻可以獲得成分均勻的薄膜，方便進(jìn)行摻雜。雜。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：蒸發(fā)速率難于控制，蒸發(fā)速率不能太快。蒸發(fā)速率難于控制，蒸發(fā)速率不能太快。 多用于多用于-族及族及 -半導(dǎo)體化合薄膜的半導(dǎo)體化合薄膜的制作。制作。1 1）瞬時(shí)蒸發(fā)法）瞬時(shí)蒸發(fā)法又稱又稱

35、“閃爍閃爍”蒸發(fā)法。蒸發(fā)法。將細(xì)小的合金顆粒，逐次送到非常炙將細(xì)小的合金顆粒，逐次送到非常炙熱的蒸發(fā)器或坩堝中，使一個(gè)一個(gè)的熱的蒸發(fā)器或坩堝中，使一個(gè)一個(gè)的顆粒實(shí)現(xiàn)瞬間蒸發(fā)。顆粒實(shí)現(xiàn)瞬間蒸發(fā)。如果顆粒尺寸很小，幾乎可以對(duì)任何成份同時(shí)蒸發(fā)。2.2.4 合金及化合物的蒸發(fā)合金及化合物的蒸發(fā)1. 合金的蒸發(fā)合金的蒸發(fā)2） 雙源或多源蒸發(fā)法雙源或多源蒸發(fā)法將要形成合金的每一成將要形成合金的每一成分，分別裝入各自的蒸分，分別裝入各自的蒸發(fā)源中，然后獨(dú)立地控發(fā)源中，然后獨(dú)立地控制其蒸發(fā)速率，使達(dá)到制其蒸發(fā)速率，使達(dá)到基板的各種原子符合組基板的各種原子符合組成要求。成要求。2.2.4 合金及化合物的蒸發(fā)合金及化合物的蒸發(fā)有利于提高膜厚成份分布的