第二章薄膜的物理氣相沉積-蒸發(fā)法

1、第第2章章 薄膜物理氣相沉積薄膜物理氣相沉積-蒸發(fā)法蒸發(fā)法2主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容 引引 言言2.1 物質(zhì)的熱蒸發(fā)物質(zhì)的熱蒸發(fā) 2.2 薄膜沉積的厚度均勻性和純度薄膜沉積的厚度均勻性和純度 2.3 真空蒸發(fā)裝置真空蒸發(fā)裝置 3 一、定義一、定義 物理氣相沉積（物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition， PVD ） 利用某種物理過(guò)程，如利用某種物理過(guò)程，如物質(zhì)的熱蒸發(fā)物質(zhì)的熱蒸發(fā)或受到離子轟擊時(shí)或受到離子轟擊時(shí)物質(zhì)表面原子物質(zhì)表面原子的濺射現(xiàn)象的濺射現(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。，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。二、特點(diǎn)二、特點(diǎn)（相對(duì)于化學(xué)

2、氣相沉積而言）：（相對(duì)于化學(xué)氣相沉積而言）：（1 1）需要使用固態(tài)的或熔融態(tài)物質(zhì)作為沉積過(guò)程的源物質(zhì)；）需要使用固態(tài)的或熔融態(tài)物質(zhì)作為沉積過(guò)程的源物質(zhì)；（2 2）源物質(zhì)經(jīng)過(guò)物理過(guò)程而進(jìn)入氣相；）源物質(zhì)經(jīng)過(guò)物理過(guò)程而進(jìn)入氣相；（3 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 4）在氣相中及沉底表面并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。）在氣相中及沉底表面并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 上述物理氣相沉積方法的幾個(gè)特點(diǎn)也帶來(lái)了另外一些特點(diǎn)：上述物理氣相沉積方法的幾個(gè)特點(diǎn)也帶來(lái)了另外一些特點(diǎn)：在低壓環(huán)境中，其他氣體分子對(duì)于氣相分子的散射作用較小，氣相分子的在低壓環(huán)境中，其他氣體分子對(duì)于氣相分子的散射作用較小，

3、氣相分子的運(yùn)動(dòng)路徑近似為一條直線；氣相分子在襯底上的沉積幾率接近運(yùn)動(dòng)路徑近似為一條直線；氣相分子在襯底上的沉積幾率接近100100。引引 言言4蒸發(fā)法：蒸發(fā)法：把裝有基片的真空室抽成真空，使氣體壓強(qiáng)達(dá)到把裝有基片的真空室抽成真空，使氣體壓強(qiáng)達(dá)到10-2Pa以下，然后加熱鍍料，使其原子或分子從表面逸出，形成蒸汽流以下，然后加熱鍍料，使其原子或分子從表面逸出，形成蒸汽流，入射到基片表面，凝結(jié)形成固態(tài)薄膜。，入射到基片表面，凝結(jié)形成固態(tài)薄膜。 具有較高的沉積速率、相對(duì)較高的真空度，以及由此導(dǎo)致的較具有較高的沉積速率、相對(duì)較高的真空度，以及由此導(dǎo)致的較高的薄膜純度等優(yōu)點(diǎn)。高的薄膜純度等優(yōu)點(diǎn)。濺射法：濺

4、射法：具有自己的特點(diǎn)，具有自己的特點(diǎn)，如在沉積多元合金薄膜時(shí)化學(xué)成分容如在沉積多元合金薄膜時(shí)化學(xué)成分容易控制、沉積層對(duì)沉底的附著力較好。易控制、沉積層對(duì)沉底的附著力較好。引引 言言三、分類三、分類52.1 2.1 物質(zhì)的熱蒸發(fā)物質(zhì)的熱蒸發(fā) 利用物質(zhì)在高溫下的蒸發(fā)現(xiàn)利用物質(zhì)在高溫下的蒸發(fā)現(xiàn)象，可以制備各種薄膜材料。蒸象，可以制備各種薄膜材料。蒸發(fā)法具有發(fā)法具有較高的背底真空度較高的背底真空度。在。在較高的真空條件下，不僅蒸發(fā)出較高的真空條件下，不僅蒸發(fā)出來(lái)的物質(zhì)原子或分子具有較長(zhǎng)的來(lái)的物質(zhì)原子或分子具有較長(zhǎng)的平均自由程，可以直接沉積在沉平均自由程，可以直接沉積在沉底表面上，而且還可以確保所制底表

5、面上，而且還可以確保所制備的薄膜具有較高的純凈程度。備的薄膜具有較高的純凈程度。物理氣相沉積過(guò)程可概括為三物理氣相沉積過(guò)程可概括為三個(gè)階段：個(gè)階段： 從源材料中發(fā)射出粒子；從源材料中發(fā)射出粒子； 粒子運(yùn)輸?shù)交?；粒子運(yùn)輸?shù)交?粒子在基片上凝結(jié)、成核粒子在基片上凝結(jié)、成核、長(zhǎng)大、成膜。、長(zhǎng)大、成膜。6蒸發(fā)成膜過(guò)程是由蒸發(fā)、蒸發(fā)材料粒子的遷移和沉蒸發(fā)成膜過(guò)程是由蒸發(fā)、蒸發(fā)材料粒子的遷移和沉積三個(gè)過(guò)程所組成。積三個(gè)過(guò)程所組成。真空蒸發(fā)鍍膜原理及其基本過(guò)程真空蒸發(fā)鍍膜原理及其基本過(guò)程被鍍材料被鍍材料蒸發(fā)過(guò)程蒸發(fā)過(guò)程蒸發(fā)材料蒸發(fā)材料粒子遷移粒子遷移過(guò)程過(guò)程蒸發(fā)材料蒸發(fā)材料粒子沉積粒子沉積過(guò)程過(guò)程蒸發(fā)

6、材料蒸發(fā)材料粒子 基片(工件)7真空蒸發(fā)的原理真空蒸發(fā)的原理在真空蒸發(fā)技術(shù)中，人們只需要產(chǎn)生一個(gè)在真空蒸發(fā)技術(shù)中，人們只需要產(chǎn)生一個(gè)真空環(huán)境真空環(huán)境。在真。在真空環(huán)境下，給空環(huán)境下，給待蒸發(fā)物待蒸發(fā)物提供提供足夠的熱量足夠的熱量以獲得蒸發(fā)所必需以獲得蒸發(fā)所必需的蒸氣壓。在適當(dāng)?shù)臏囟认拢恼魵鈮?。在適當(dāng)?shù)臏囟认?，蒸發(fā)粒子在基片上凝結(jié)，蒸發(fā)粒子在基片上凝結(jié)，這這樣即可實(shí)現(xiàn)真空蒸發(fā)薄膜沉積。樣即可實(shí)現(xiàn)真空蒸發(fā)薄膜沉積。大量材料皆可以在真空中蒸發(fā)，最終在基片上凝結(jié)以形成大量材料皆可以在真空中蒸發(fā)，最終在基片上凝結(jié)以形成薄膜。真空蒸發(fā)沉積過(guò)程由薄膜。真空蒸發(fā)沉積過(guò)程由三個(gè)步驟三個(gè)步驟組成：組成：（1）加

7、熱蒸發(fā)過(guò)程加熱蒸發(fā)過(guò)程，包括由凝聚相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀啵ü滔嗷蛞合啵ㄓ赡巯噢D(zhuǎn)變?yōu)闅庀啵ü滔嗷蛞合鄽庀啵庀啵┑南嘧冞^(guò)程。每種蒸發(fā)物質(zhì)在不同溫度時(shí)有不同的飽和蒸氣壓，蒸的相變過(guò)程。每種蒸發(fā)物質(zhì)在不同溫度時(shí)有不同的飽和蒸氣壓，蒸發(fā)化合物時(shí)，其組合之間發(fā)生反應(yīng)，其中有些組成以氣態(tài)或蒸氣進(jìn)發(fā)化合物時(shí)，其組合之間發(fā)生反應(yīng)，其中有些組成以氣態(tài)或蒸氣進(jìn)入蒸發(fā)空間。入蒸發(fā)空間。（2）氣化原子或分子在蒸發(fā)源與基片之間的輸運(yùn)，即這些粒子在環(huán)境）氣化原子或分子在蒸發(fā)源與基片之間的輸運(yùn)，即這些粒子在環(huán)境氣氛中的氣氛中的飛行過(guò)程飛行過(guò)程。飛行過(guò)程中與真空室內(nèi)殘余氣體分子發(fā)生碰撞。飛行過(guò)程中與真空室內(nèi)殘余氣體分子發(fā)生碰撞的

8、次數(shù)，取決于蒸發(fā)原子的平均自由程以及從蒸發(fā)源到基片之間的的次數(shù)，取決于蒸發(fā)原子的平均自由程以及從蒸發(fā)源到基片之間的距離，常稱距離，常稱源源-基距基距。（3）蒸發(fā)原子或分子在基片表面上的）蒸發(fā)原子或分子在基片表面上的淀積過(guò)程淀積過(guò)程，即蒸氣凝聚、成核、，即蒸氣凝聚、成核、核生長(zhǎng)、形成連續(xù)薄膜核生長(zhǎng)、形成連續(xù)薄膜8 由于由于基板溫度遠(yuǎn)低于蒸發(fā)源溫度基板溫度遠(yuǎn)低于蒸發(fā)源溫度，因此，沉積物分子在基，因此，沉積物分子在基板表面將直接發(fā)生從氣相到固相的相轉(zhuǎn)變。板表面將直接發(fā)生從氣相到固相的相轉(zhuǎn)變。 真空蒸發(fā)鍍膜時(shí)保證真空條件的必要性：真空蒸發(fā)鍍膜時(shí)保證真空條件的必要性： 上述過(guò)程都必須在空氣非常稀薄的真空

9、環(huán)境中進(jìn)行，否則上述過(guò)程都必須在空氣非常稀薄的真空環(huán)境中進(jìn)行，否則將發(fā)生以下情況：將發(fā)生以下情況：1.蒸發(fā)物原子或分子將與大量空氣分子碰撞，使膜層蒸發(fā)物原子或分子將與大量空氣分子碰撞，使膜層 受到嚴(yán)重污染，甚至形成氧化物；受到嚴(yán)重污染，甚至形成氧化物；2. 蒸發(fā)源被加熱氧化燒毀；蒸發(fā)源被加熱氧化燒毀；3.由于空氣分子的碰撞阻擋，難以形成均勻連續(xù)的薄由于空氣分子的碰撞阻擋，難以形成均勻連續(xù)的薄 膜。膜。 9 要實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)法鍍膜，需要三個(gè)最基本條件：要實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)法鍍膜，需要三個(gè)最基本條件：加熱，使鍍料加熱，使鍍料蒸發(fā)；處于真空環(huán)境，以便于氣相鍍料向基片運(yùn)輸；采用溫蒸發(fā)；處于真空環(huán)境，以便于氣相鍍料向基

10、片運(yùn)輸；采用溫度較低的基片，以便于氣體鍍料凝結(jié)成膜。度較低的基片，以便于氣體鍍料凝結(jié)成膜。 蒸發(fā)材料在真空中被加熱時(shí)，其原子或分子就會(huì)從表面蒸發(fā)材料在真空中被加熱時(shí)，其原子或分子就會(huì)從表面逸出，這種現(xiàn)象叫逸出，這種現(xiàn)象叫熱蒸發(fā)。熱蒸發(fā)。2.1 2.1 物質(zhì)的熱蒸發(fā)物質(zhì)的熱蒸發(fā)101.真空蒸發(fā)沉積薄膜的真空蒸發(fā)沉積薄膜的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單便利、操作容易、成膜速簡(jiǎn)單便利、操作容易、成膜速度快、效率高度快、效率高等，是薄膜制備中最為廣泛使用的技術(shù)。等，是薄膜制備中最為廣泛使用的技術(shù)。2.真空蒸發(fā)技術(shù)的真空蒸發(fā)技術(shù)的缺點(diǎn)缺點(diǎn)：不容易獲得結(jié)晶結(jié)構(gòu)的薄膜，形成不容易獲得結(jié)晶結(jié)構(gòu)的薄膜，形成的薄膜與基片結(jié)合較差

11、，工藝重復(fù)性不好。的薄膜與基片結(jié)合較差，工藝重復(fù)性不好。p基片可以選用各種材料，根據(jù)所需的薄膜性質(zhì)基片可基片可以選用各種材料，根據(jù)所需的薄膜性質(zhì)基片可以保持在某一溫度下。當(dāng)蒸發(fā)在真空中開(kāi)始時(shí)，蒸發(fā)以保持在某一溫度下。當(dāng)蒸發(fā)在真空中開(kāi)始時(shí)，蒸發(fā)溫度會(huì)降低很多。溫度會(huì)降低很多。 真空蒸發(fā)的特點(diǎn)真空蒸發(fā)的特點(diǎn)11 蒸發(fā)過(guò)程蒸發(fā)過(guò)程 鍍膜時(shí)，加熱蒸鍍材料，使材料以分子或原子的狀鍍膜時(shí)，加熱蒸鍍材料，使材料以分子或原子的狀態(tài)進(jìn)入氣相。態(tài)進(jìn)入氣相。 在真空的條件下，金屬或非金屬材料的蒸發(fā)與在大在真空的條件下，金屬或非金屬材料的蒸發(fā)與在大氣壓條件下相比要容易得多。氣壓條件下相比要容易得多。 沸騰蒸發(fā)溫度大幅

12、度下降，熔化蒸發(fā)過(guò)程大大縮短，沸騰蒸發(fā)溫度大幅度下降，熔化蒸發(fā)過(guò)程大大縮短，蒸發(fā)效率提高。以金屬鋁為例，在一個(gè)大氣壓條件下，蒸發(fā)效率提高。以金屬鋁為例，在一個(gè)大氣壓條件下，鋁要加熱到鋁要加熱到2400 C才能達(dá)到沸騰而大量蒸發(fā)，但在才能達(dá)到沸騰而大量蒸發(fā)，但在1.3mPa壓強(qiáng)下，只要加熱到壓強(qiáng)下，只要加熱到847 C就可以大量蒸發(fā)。就可以大量蒸發(fā)。 一般材料都有這種在真空下易于蒸發(fā)的特性。一般材料都有這種在真空下易于蒸發(fā)的特性。 真空蒸發(fā)鍍膜真空蒸發(fā)鍍膜12飽和蒸氣壓飽和蒸氣壓 飽和蒸氣壓的概念飽和蒸氣壓的概念 ：某溫度下物質(zhì)汽化（蒸發(fā)）和液化某溫度下物質(zhì)汽化（蒸發(fā)）和液化達(dá)到平衡時(shí)氣體的壓強(qiáng)

13、。達(dá)到平衡時(shí)氣體的壓強(qiáng)。飽和蒸汽壓越大，表示液體越容易飽和蒸汽壓越大，表示液體越容易蒸發(fā)。蒸發(fā)。蒸發(fā)過(guò)程中膜材料的蒸發(fā)速率及其影響因素與飽和蒸蒸發(fā)過(guò)程中膜材料的蒸發(fā)速率及其影響因素與飽和蒸氣壓密切相關(guān)。氣壓密切相關(guān)。物質(zhì)的飽和蒸氣壓隨溫度的上升而增大，在一定溫度下，物質(zhì)的飽和蒸氣壓隨溫度的上升而增大，在一定溫度下，各種物質(zhì)的飽和蒸氣壓不相同，且具有恒定的數(shù)值。即各種物質(zhì)的飽和蒸氣壓不相同，且具有恒定的數(shù)值。即一定一定的飽和蒸氣壓必定對(duì)應(yīng)一定的物質(zhì)的溫度。飽和蒸汽壓表征的飽和蒸氣壓必定對(duì)應(yīng)一定的物質(zhì)的溫度。飽和蒸汽壓表征了物質(zhì)的蒸發(fā)能力。了物質(zhì)的蒸發(fā)能力。 蒸發(fā)溫度：蒸發(fā)溫度：物質(zhì)在飽和蒸氣壓為

14、物質(zhì)在飽和蒸氣壓為10-2 Torr時(shí)的溫時(shí)的溫度，稱為該物質(zhì)的蒸發(fā)溫度。度，稱為該物質(zhì)的蒸發(fā)溫度。真空蒸發(fā)過(guò)程真空蒸發(fā)過(guò)程132.1 2.1 物質(zhì)的熱蒸發(fā)物質(zhì)的熱蒸發(fā)一、元素的蒸發(fā)速率一、元素的蒸發(fā)速率 - - 蒸發(fā)現(xiàn)象：蒸發(fā)現(xiàn)象： 蒸發(fā)與溫度有關(guān)，但不完全受熔體表面的受熱多少所決定；蒸發(fā)與溫度有關(guān)，但不完全受熔體表面的受熱多少所決定； 蒸發(fā)速率正比于物質(zhì)的平衡蒸氣壓蒸發(fā)速率正比于物質(zhì)的平衡蒸氣壓( (P Pe e) )與實(shí)際蒸氣壓力與實(shí)際蒸氣壓力( (P Ph h) )之之差；差； - - 蒸發(fā)速率（兩種表達(dá)）：蒸發(fā)速率（兩種表達(dá)）： 元素的凈蒸發(fā)速率元素的凈蒸發(fā)速率：在一定的溫度下，處于

15、液態(tài)或固態(tài)的元：在一定的溫度下，處于液態(tài)或固態(tài)的元素都具有一定的平衡蒸汽壓。因此，當(dāng)環(huán)境中的分壓降低到了素都具有一定的平衡蒸汽壓。因此，當(dāng)環(huán)境中的分壓降低到了其平衡蒸汽壓之下時(shí)，就會(huì)發(fā)生元素的凈蒸發(fā)。其平衡蒸汽壓之下時(shí)，就會(huì)發(fā)生元素的凈蒸發(fā)。14元素的質(zhì)量蒸發(fā)速率：元素的質(zhì)量蒸發(fā)速率：其中其中蒸發(fā)系數(shù)蒸發(fā)系數(shù)(01)，Pe元素的平衡蒸汽壓，元素的平衡蒸汽壓，Ph元素的元素的實(shí)際分壓；實(shí)際分壓； 最大蒸發(fā)速率最大蒸發(fā)速率(分子分子/cm2s)： 1， Ph= 0由氣體分子通量的表達(dá)式，單位表面上元素的凈蒸發(fā)速率等于：由氣體分子通量的表達(dá)式，單位表面上元素的凈蒸發(fā)速率等于：2.1 2.1 物質(zhì)的熱

16、蒸發(fā)物質(zhì)的熱蒸發(fā)()2ehMppRT ()2AehNppMRT為單位表面上元素的質(zhì)量蒸發(fā)速率。為單位表面上元素的質(zhì)量蒸發(fā)速率。sPa)/cm (TMP10 sTorr)/cm (TMP103.512v242v22max個(gè)個(gè)64. 215影響蒸發(fā)速率的因素：影響蒸發(fā)速率的因素： 由于元素的平衡蒸汽壓隨著溫度的上升增加很快，因而對(duì)由于元素的平衡蒸汽壓隨著溫度的上升增加很快，因而對(duì)元素的蒸發(fā)速率影響最大的因素是蒸發(fā)源所處的溫度。元素的蒸發(fā)速率影響最大的因素是蒸發(fā)源所處的溫度。2.1 2.1 物質(zhì)的熱蒸發(fā)物質(zhì)的熱蒸發(fā)16二、元素的平衡蒸氣壓二、元素的平衡蒸氣壓 2.1 2.1 物質(zhì)的熱蒸發(fā)物質(zhì)的熱蒸發(fā)

17、 克勞修斯克勞修斯-克萊普朗方程指出，物質(zhì)的平衡蒸氣壓克萊普朗方程指出，物質(zhì)的平衡蒸氣壓Pe隨溫度隨溫度T的變化率可以定量地表達(dá)為：的變化率可以定量地表達(dá)為：H：蒸發(fā)過(guò)程中單位摩爾物質(zhì)的熱焓變化，：蒸發(fā)過(guò)程中單位摩爾物質(zhì)的熱焓變化， 隨著溫度不同隨著溫度不同而不同。而不同。 V：相應(yīng)過(guò)程中物質(zhì)體積的變化。：相應(yīng)過(guò)程中物質(zhì)體積的變化。VTHdTdpe 因?yàn)橐驗(yàn)?VgVs ，假設(shè)低壓氣體符合理想氣體狀態(tài)方程，假設(shè)低壓氣體符合理想氣體狀態(tài)方程，則有則有2eRTHpdTdp17 作為近似，可以利用物質(zhì)在某一溫度時(shí)的氣化熱作為近似，可以利用物質(zhì)在某一溫度時(shí)的氣化熱He代代替替H，從而得到物質(zhì)蒸氣壓的兩種

18、近似表達(dá)方式：，從而得到物質(zhì)蒸氣壓的兩種近似表達(dá)方式：eeeHRTeeHlnpI(25a)RTpB(25b) 其中，其中，I積分常數(shù)，積分常數(shù)， B相應(yīng)的系數(shù)。相應(yīng)的系數(shù)。18說(shuō)明：說(shuō)明： 由于使用了近似條件由于使用了近似條件He=H ，即熱焓變化，即熱焓變化=汽化汽化熱，故熱，故蒸氣壓表達(dá)式只在某一溫度區(qū)間才嚴(yán)格成立蒸氣壓表達(dá)式只在某一溫度區(qū)間才嚴(yán)格成立。1. 要準(zhǔn)確地描述要準(zhǔn)確地描述Pe-T的關(guān)系，應(yīng)該的關(guān)系，應(yīng)該將將H寫(xiě)成寫(xiě)成H（T ）的函數(shù)形式）的函數(shù)形式。例如例如：液態(tài)下的：液態(tài)下的Al60.15993ln14.5999lg3.52 1303ePTTT貢獻(xiàn)較小貢獻(xiàn)較小eeeHRTee

19、HlnpI(25a)RTpB(25b) 192.1 2.1 物質(zhì)的熱蒸發(fā)物質(zhì)的熱蒸發(fā)P-T關(guān)系關(guān)系： 兩者之間基本上保持為線性關(guān)系兩者之間基本上保持為線性關(guān)系ln1ePT與與202.1 2.1 物質(zhì)的熱蒸發(fā)物質(zhì)的熱蒸發(fā)212.1 2.1 物質(zhì)的熱蒸發(fā)物質(zhì)的熱蒸發(fā) 元素的蒸發(fā)元素的蒸發(fā)根據(jù)物質(zhì)的蒸發(fā)特性，物質(zhì)的蒸發(fā)情況可被劃分為兩種類型：根據(jù)物質(zhì)的蒸發(fā)特性，物質(zhì)的蒸發(fā)情況可被劃分為兩種類型：1. 將物質(zhì)加熱到其熔點(diǎn)以上（固液氣）。將物質(zhì)加熱到其熔點(diǎn)以上（固液氣）。例如：多數(shù)金屬例如：多數(shù)金屬2. 利用由固態(tài)物質(zhì)的升華，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的氣相沉積。利用由固態(tài)物質(zhì)的升華，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的氣相沉積。例如：例如：Cr

20、、Ti、Mo、Fe、Si等等 石墨石墨C例外，沒(méi)有熔點(diǎn)，例外，沒(méi)有熔點(diǎn)，而其升華溫度又相當(dāng)高，因而實(shí)踐而其升華溫度又相當(dāng)高，因而實(shí)踐中多是利用石墨電極間的高溫放電過(guò)程來(lái)使碳原子發(fā)生升華。中多是利用石墨電極間的高溫放電過(guò)程來(lái)使碳原子發(fā)生升華。22 蒸發(fā)源的選擇：蒸發(fā)源的選擇： 固體源：熔點(diǎn)以下的飽和蒸氣壓可以達(dá)到固體源：熔點(diǎn)以下的飽和蒸氣壓可以達(dá)到0.1Pa; 液體源：熔點(diǎn)以下的飽和蒸氣壓難以達(dá)到液體源：熔點(diǎn)以下的飽和蒸氣壓難以達(dá)到0.1Pa; 難熔材料：可以采用激光、電弧蒸發(fā)；難熔材料：可以采用激光、電弧蒸發(fā)；2.1 2.1 物質(zhì)的熱蒸發(fā)物質(zhì)的熱蒸發(fā)23三、化合物與合金的熱蒸發(fā)三、化合物與合金

21、的熱蒸發(fā) - 多組元材料的蒸發(fā)：多組元材料的蒸發(fā)： 合金的偏析：蒸氣成分一般與原始固體或液體成分不同；合金的偏析：蒸氣成分一般與原始固體或液體成分不同； 化合物的解離：蒸氣中分子的結(jié)合和解離發(fā)生頻率很高；化合物的解離：蒸氣中分子的結(jié)合和解離發(fā)生頻率很高； - 蒸發(fā)不發(fā)生解離的材料，可以得到成分匹配的薄膜：如蒸發(fā)不發(fā)生解離的材料，可以得到成分匹配的薄膜：如 AlN, CaF2, MgF2, - 蒸發(fā)發(fā)生分解的材料，沉積物中富金屬，沉積物化學(xué)成蒸發(fā)發(fā)生分解的材料，沉積物中富金屬，沉積物化學(xué)成分發(fā)生偏離，需要分別使用獨(dú)立的蒸發(fā)源；如：分發(fā)生偏離，需要分別使用獨(dú)立的蒸發(fā)源；如：Ag2S, Ag2Se,

22、 III-V半導(dǎo)體等；半導(dǎo)體等；2.1 2.1 物質(zhì)的熱蒸發(fā)物質(zhì)的熱蒸發(fā)24 蒸發(fā)發(fā)生解離的材料；沉積物中富金屬，需要分立的蒸發(fā)源；蒸發(fā)發(fā)生解離的材料；沉積物中富金屬，需要分立的蒸發(fā)源； 硫族化合物：硫族化合物：CdS, CdSe, CdTe, 氧化物：氧化物：SiO2, GeO2, TiO2, SnO2, 2.1 2.1 物質(zhì)的熱蒸發(fā)物質(zhì)的熱蒸發(fā)252.1 2.1 物質(zhì)的熱蒸發(fā)物質(zhì)的熱蒸發(fā)1、化合物的蒸發(fā)、化合物的蒸發(fā)化合物蒸發(fā)中存在的問(wèn)題：化合物蒸發(fā)中存在的問(wèn)題：a）蒸發(fā)出來(lái)的蒸氣可能具有完全不同于其固態(tài)或液體的成分；）蒸發(fā)出來(lái)的蒸氣可能具有完全不同于其固態(tài)或液體的成分；（蒸氣組分變化）（

23、蒸氣組分變化）b）氣態(tài)狀態(tài)下，還可能發(fā)生化合物個(gè)組員間的化合與分解過(guò)程）氣態(tài)狀態(tài)下，還可能發(fā)生化合物個(gè)組員間的化合與分解過(guò)程；后果是沉積后得到的薄膜成分可能偏離化合物的正確的化學(xué)組；后果是沉積后得到的薄膜成分可能偏離化合物的正確的化學(xué)組成。成?；衔镎舭l(fā)過(guò)程中可能發(fā)生的各種物理化學(xué)反應(yīng)：化合物蒸發(fā)過(guò)程中可能發(fā)生的各種物理化學(xué)反應(yīng)：無(wú)分解反應(yīng)；固態(tài)分解反應(yīng)；氣態(tài)分解蒸發(fā)無(wú)分解反應(yīng)；固態(tài)分解反應(yīng)；氣態(tài)分解蒸發(fā)262.1 2.1 物質(zhì)的熱蒸發(fā)物質(zhì)的熱蒸發(fā)2 2、合金的蒸發(fā)、合金的蒸發(fā)合金蒸發(fā)與化合物蒸發(fā)與化合物蒸發(fā)的區(qū)別與聯(lián)系合金蒸發(fā)與化合物蒸發(fā)與化合物蒸發(fā)的區(qū)別與聯(lián)系聯(lián)系：聯(lián)系：也會(huì)發(fā)生成分的偏差

24、。也會(huì)發(fā)生成分的偏差。區(qū)別：區(qū)別：合金中原子的結(jié)合力小于在化合物中不同原子的結(jié)合力合金中原子的結(jié)合力小于在化合物中不同原子的結(jié)合力，因而，合金中元素原子的蒸發(fā)過(guò)程實(shí)際上可以被看成是各自，因而，合金中元素原子的蒸發(fā)過(guò)程實(shí)際上可以被看成是各自相互獨(dú)立的過(guò)程，就像它們?cè)诩冊(cè)卣舭l(fā)時(shí)的情況一樣。相互獨(dú)立的過(guò)程，就像它們?cè)诩冊(cè)卣舭l(fā)時(shí)的情況一樣。27合金的蒸發(fā)：合金的蒸發(fā)： 合金薄膜生長(zhǎng)的特點(diǎn)：合金薄膜不同于化合物，其固相成分合金薄膜生長(zhǎng)的特點(diǎn)：合金薄膜不同于化合物，其固相成分的范圍變化很大，其熔點(diǎn)由熱力學(xué)定律所決定；的范圍變化很大，其熔點(diǎn)由熱力學(xué)定律所決定； 合金元素的蒸氣壓：合金元素的蒸氣壓： 理想

25、合金的蒸氣壓與合金比例理想合金的蒸氣壓與合金比例(XB)的關(guān)系（拉烏爾定律）：的關(guān)系（拉烏爾定律）： PB=XBPB(0) PB(0)為純?cè)氐恼魵鈮?；為純?cè)氐恼魵鈮海?實(shí)際合金的蒸氣壓：實(shí)際合金的蒸氣壓：PB=BXBPB(0) = aBPB(0) 合金組元蒸發(fā)速率之比：合金組元蒸發(fā)速率之比：2.1 2.1 物質(zhì)的熱蒸發(fā)物質(zhì)的熱蒸發(fā)28合金薄膜生長(zhǎng)的特點(diǎn)：合金薄膜不同于化合物，其固相成分合金薄膜生長(zhǎng)的特點(diǎn)：合金薄膜不同于化合物，其固相成分的范圍變化很大，其熔點(diǎn)由熱力學(xué)定律所決定；的范圍變化很大，其熔點(diǎn)由熱力學(xué)定律所決定；n理想合金理想合金AB：A-B間的作用能等于間的作用能等于A-A 或或B

26、-B的作用能的作用能.n拉烏爾定律：平衡蒸汽壓正比于純組元蒸汽壓，系數(shù)為摩爾分?jǐn)?shù)拉烏爾定律：平衡蒸汽壓正比于純組元蒸汽壓，系數(shù)為摩爾分?jǐn)?shù) PA = APA(0) ；PB = BPB(0) ； PA(0) 、PB(0)分別為純組元分別為純組元A、B的平衡蒸氣壓，的平衡蒸氣壓， A、 B分別為分別為 A、B 組元在合金中的摩爾分?jǐn)?shù)。組元在合金中的摩爾分?jǐn)?shù)。 因此，即使對(duì)于理想合金因此，即使對(duì)于理想合金A、B兩組元的蒸氣壓之比，或蒸發(fā)速度兩組元的蒸氣壓之比，或蒸發(fā)速度之比，不等于合金中的元素摩爾分?jǐn)?shù)之比，出現(xiàn)成分分離。之比，不等于合金中的元素摩爾分?jǐn)?shù)之比，出現(xiàn)成分分離。 合金的蒸發(fā)：合金的蒸發(fā)：2.

27、1 2.1 物質(zhì)的熱蒸發(fā)物質(zhì)的熱蒸發(fā)29n實(shí)際合金的蒸氣壓之比更加偏離合金中的原始組分之比。實(shí)際合金的蒸氣壓之比更加偏離合金中的原始組分之比。 PA = A APA(0) ；PB = B BPB(0) ； A， B 分別為元素分別為元素A、B在合金中的活度系數(shù)在合金中的活度系數(shù)n合金中合金中A、B組元的蒸發(fā)速率之比為組元的蒸發(fā)速率之比為 n對(duì)于初始成分確定的蒸發(fā)源，易于蒸發(fā)的組元優(yōu)先蒸發(fā)，造成該對(duì)于初始成分確定的蒸發(fā)源，易于蒸發(fā)的組元優(yōu)先蒸發(fā)，造成該組元的不斷貧發(fā)，造成該組元的蒸發(fā)速率下降。組元的不斷貧發(fā)，造成該組元的蒸發(fā)速率下降。實(shí)際采取的措施：實(shí)際采取的措施：采用雙源或多源，分別加熱至不同

28、溫度來(lái)控制采用雙源或多源，分別加熱至不同溫度來(lái)控制每一組元的蒸發(fā)速率。每一組元的蒸發(fā)速率。ABBBBAAABAMMPxPx)0()0(2.1 2.1 物質(zhì)的熱蒸發(fā)物質(zhì)的熱蒸發(fā)30蒸發(fā)質(zhì)量定律的應(yīng)用蒸發(fā)質(zhì)量定律的應(yīng)用:2.1 2.1 物質(zhì)的熱蒸發(fā)物質(zhì)的熱蒸發(fā)例如：例如：已知在已知在1350K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Al2Cu成分的薄膜，需要使用的蒸發(fā)成分的薄膜，需要使用的蒸發(fā)源的大致成分應(yīng)該是源的大致成分應(yīng)該是Al13.6Cu 。蒸發(fā)質(zhì)量定律的應(yīng)用蒸發(fā)質(zhì)量定律的應(yīng)用: 計(jì)算只適用于初始的蒸發(fā)計(jì)算只適用于初始的蒸發(fā)，若蒸發(fā)持續(xù)進(jìn)行，成分將平衡，

29、若蒸發(fā)持續(xù)進(jìn)行，成分將平衡到某一固定的值；到某一固定的值； 蒸氣成分的穩(wěn)定性與蒸發(fā)工藝有關(guān)蒸氣成分的穩(wěn)定性與蒸發(fā)工藝有關(guān)；31 蒸氣成分穩(wěn)定性的控制蒸氣成分穩(wěn)定性的控制: 用較多的蒸發(fā)物質(zhì)作為蒸發(fā)源；用較多的蒸發(fā)物質(zhì)作為蒸發(fā)源； 采用向蒸發(fā)容器中每次只加入少量被蒸發(fā)物質(zhì)的方法，使不同采用向蒸發(fā)容器中每次只加入少量被蒸發(fā)物質(zhì)的方法，使不同的組元能夠?qū)崿F(xiàn)瞬間的同步蒸發(fā)；的組元能夠?qū)崿F(xiàn)瞬間的同步蒸發(fā)； 利用加熱至不同溫度的雙源或多源的方法，分別控制和調(diào)節(jié)每利用加熱至不同溫度的雙源或多源的方法，分別控制和調(diào)節(jié)每一組元的蒸發(fā)速率。一組元的蒸發(fā)速率。 蒸發(fā)方法的缺點(diǎn)：蒸發(fā)方法的缺點(diǎn)： 不適合組元蒸氣壓差別

30、比較大的合金薄膜；不適合組元蒸氣壓差別比較大的合金薄膜； 多元合金的成分控制比較困難：多元合金的成分控制比較困難：2.1 物質(zhì)的熱蒸發(fā)物質(zhì)的熱蒸發(fā)32多組分薄膜的蒸發(fā)方法多組分薄膜的蒸發(fā)方法 利用蒸發(fā)法制備多組分薄膜的方法主要有三種方法利用蒸發(fā)法制備多組分薄膜的方法主要有三種方法（1 1）單源蒸發(fā)法：）單源蒸發(fā)法：先按薄膜組分比例的要求制成合金靶，然后先按薄膜組分比例的要求制成合金靶，然后 對(duì)合金靶進(jìn)行蒸發(fā)、沉積形成固態(tài)薄膜?；疽笫呛辖鸢袑?duì)合金靶進(jìn)行蒸發(fā)、沉積形成固態(tài)薄膜?；疽笫呛辖鸢兄懈鹘M分材料的蒸汽壓比較接近。中各組分材料的蒸汽壓比較接近。（2 2）多源同時(shí)蒸發(fā)法：）多源同時(shí)蒸發(fā)法

31、：利用多個(gè)坩堝，在每個(gè)坩堝中放入薄膜利用多個(gè)坩堝，在每個(gè)坩堝中放入薄膜所需的一種材料，在不同溫度下同時(shí)蒸發(fā)。所需的一種材料，在不同溫度下同時(shí)蒸發(fā)。 （3 3）多源順序蒸發(fā)法：）多源順序蒸發(fā)法：把薄膜所需材料放在不同坩堝中，但把薄膜所需材料放在不同坩堝中，但不是同時(shí)蒸發(fā)，而是按順序蒸發(fā)，并根據(jù)薄膜組分控制相應(yīng)不是同時(shí)蒸發(fā)，而是按順序蒸發(fā)，并根據(jù)薄膜組分控制相應(yīng)的層厚，然后通過(guò)高溫退火形成需要的多組分薄膜。的層厚，然后通過(guò)高溫退火形成需要的多組分薄膜。2.1 物質(zhì)的熱蒸發(fā)物質(zhì)的熱蒸發(fā)332.1 物質(zhì)的熱蒸發(fā)物質(zhì)的熱蒸發(fā)342.2 薄膜沉積厚度均勻性與純度薄膜沉積厚度均勻性與純度 蒸發(fā)源幾何類型蒸發(fā)

32、源幾何類型:點(diǎn)源點(diǎn)源：蒸發(fā)源的幾何尺寸遠(yuǎn)小于基片的尺寸；：蒸發(fā)源的幾何尺寸遠(yuǎn)小于基片的尺寸； 蒸發(fā)量蒸發(fā)量： 沉積量：沉積量： 基片某點(diǎn)的沉積量與該點(diǎn)和蒸發(fā)源連線與基片法向的夾角基片某點(diǎn)的沉積量與該點(diǎn)和蒸發(fā)源連線與基片法向的夾角有關(guān)；有關(guān)；（1）薄膜沉積的方向性和陰影效應(yīng)）薄膜沉積的方向性和陰影效應(yīng) 在物質(zhì)的蒸發(fā)過(guò)程中，蒸發(fā)原子的運(yùn)動(dòng)具有明顯的方向性。并且，由于被在物質(zhì)的蒸發(fā)過(guò)程中，蒸發(fā)原子的運(yùn)動(dòng)具有明顯的方向性。并且，由于被蒸發(fā)原子的運(yùn)動(dòng)具有方向性，因而沉積薄膜本身的均勻性以及其微觀組織蒸發(fā)原子的運(yùn)動(dòng)具有方向性，因而沉積薄膜本身的均勻性以及其微觀組織也將受到影響。也將受到影響。35 面源：面

33、源：蒸發(fā)源的幾何尺寸與基片的尺寸相當(dāng)；蒸發(fā)源的幾何尺寸與基片的尺寸相當(dāng)； 沉積量：沉積量： 基片某點(diǎn)的沉積量與蒸發(fā)源法向方向和基片法向方向夾基片某點(diǎn)的沉積量與蒸發(fā)源法向方向和基片法向方向夾角有關(guān)；與該點(diǎn)和蒸發(fā)源連線與基片法向的夾角有關(guān)；角有關(guān)；與該點(diǎn)和蒸發(fā)源連線與基片法向的夾角有關(guān)；2.2 薄膜沉積厚度均勻性與純度薄膜沉積厚度均勻性與純度 362.2 薄膜沉積厚度均勻性與純度薄膜沉積厚度均勻性與純度 372.2 薄膜沉積厚度均勻性與純度薄膜沉積厚度均勻性與純度 1 1、在蒸發(fā)源內(nèi)物質(zhì)的蒸氣壓近似等于其平衡蒸氣壓；、在蒸發(fā)源內(nèi)物質(zhì)的蒸氣壓近似等于其平衡蒸氣壓；2 2、蒸發(fā)源外仍可保持真空室的高真

34、空度。、蒸發(fā)源外仍可保持真空室的高真空度。3 3、具有較小的有效蒸發(fā)面積，因此它的蒸發(fā)速率較低。、具有較小的有效蒸發(fā)面積，因此它的蒸發(fā)速率較低。4 4、蒸發(fā)束流的方向性較好，溫度以及蒸發(fā)速率可以被控制的極為準(zhǔn)確。、蒸發(fā)束流的方向性較好，溫度以及蒸發(fā)速率可以被控制的極為準(zhǔn)確。38面源的高階效應(yīng)面源的高階效應(yīng): 實(shí)際的面源沉積量與蒸發(fā)源法向方向和基片法向方向夾角的實(shí)際的面源沉積量與蒸發(fā)源法向方向和基片法向方向夾角的余弦函數(shù)的高階冪有關(guān)；余弦函數(shù)的高階冪有關(guān)； n的大小取決于熔池的面積、深度的大小取決于熔池的面積、深度; 面積小、熔池深將導(dǎo)致面積小、熔池深將導(dǎo)致n的增加；但針對(duì)揮發(fā)性強(qiáng)的物質(zhì)的增加；

35、但針對(duì)揮發(fā)性強(qiáng)的物質(zhì)，則有利于對(duì)真空室壁污染的保護(hù)；，則有利于對(duì)真空室壁污染的保護(hù)；2.2 薄膜沉積厚度均勻性與純度薄膜沉積厚度均勻性與純度 392.2 薄膜沉積厚度均勻性與純度薄膜沉積厚度均勻性與純度 40薄膜厚度與位置的關(guān)系薄膜厚度與位置的關(guān)系:單蒸發(fā)源情況單蒸發(fā)源情況點(diǎn)源：點(diǎn)源：面源：面源：（2）薄膜的均勻性）薄膜的均勻性2.2 薄膜沉積厚度均勻性與純度薄膜沉積厚度均勻性與純度 412.2 薄膜沉積厚度均勻性與純度薄膜沉積厚度均勻性與純度 42 方法一方法一 ：在同時(shí)需要蒸發(fā)沉積的樣品數(shù)較多、而每個(gè)樣：在同時(shí)需要蒸發(fā)沉積的樣品數(shù)較多、而每個(gè)樣品的尺寸相對(duì)較小的時(shí)候，經(jīng)?？梢愿纳茖?shí)驗(yàn)裝置來(lái)

36、提品的尺寸相對(duì)較小的時(shí)候，經(jīng)?？梢愿纳茖?shí)驗(yàn)裝置來(lái)提高樣品的均勻性，如轉(zhuǎn)動(dòng)襯底。高樣品的均勻性，如轉(zhuǎn)動(dòng)襯底。 原理：將面蒸發(fā)源和襯底表面放在一個(gè)圓周上，有原理：將面蒸發(fā)源和襯底表面放在一個(gè)圓周上，有coscos =cos=cos =(1/2)r/r=(1/2)r/ro o, ,其中其中r ro o為相應(yīng)圓周的半徑。這時(shí)，為相應(yīng)圓周的半徑。這時(shí)，襯底上沉積的物質(zhì)量襯底上沉積的物質(zhì)量204sesdMMdAr使得薄膜的沉積厚度變得與角度使得薄膜的沉積厚度變得與角度或或無(wú)關(guān)。無(wú)關(guān)。改善樣品均勻性方法改善樣品均勻性方法2.2 薄膜沉積厚度均勻性與純度薄膜沉積厚度均勻性與純度 43方法二方法二 ：加大蒸發(fā)源

37、到襯底表面的距離也可加大蒸發(fā)源到襯底表面的距離也可以改善薄膜的厚度均勻性。以改善薄膜的厚度均勻性。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：降低薄膜沉積速率，增加被蒸發(fā)物質(zhì)降低薄膜沉積速率，增加被蒸發(fā)物質(zhì)損耗。損耗。44定義：在利用蒸發(fā)法沉積薄膜時(shí)，其真空度一般較高，這使定義：在利用蒸發(fā)法沉積薄膜時(shí)，其真空度一般較高，這使得被蒸發(fā)物質(zhì)的原子、分子是處于分子流狀態(tài)下。得被蒸發(fā)物質(zhì)的原子、分子是處于分子流狀態(tài)下。當(dāng)蒸發(fā)源當(dāng)蒸發(fā)源與襯底之間存在某種障礙物的時(shí)候，物質(zhì)的沉積將會(huì)產(chǎn)生與襯底之間存在某種障礙物的時(shí)候，物質(zhì)的沉積將會(huì)產(chǎn)生陰陰影效應(yīng)影效應(yīng)，即蒸發(fā)出來(lái)的物質(zhì)將被障礙物阻擋而不能沉積在襯即蒸發(fā)出來(lái)的物質(zhì)將被障礙物阻擋而不能沉積

38、在襯底上。底上。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：陰影效應(yīng)可能破壞薄膜沉積的均勻性；陰影效應(yīng)可能破壞薄膜沉積的均勻性；1.薄膜的沉積將會(huì)受到蒸發(fā)源方向性的限制，造成薄膜的沉積將會(huì)受到蒸發(fā)源方向性的限制，造成有些部位沒(méi)有物質(zhì)沉積。有些部位沒(méi)有物質(zhì)沉積。（2）薄膜的陰影效應(yīng)）薄膜的陰影效應(yīng)452.2 薄膜沉積厚度均勻性與純度薄膜沉積厚度均勻性與純度 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：可以在蒸發(fā)沉積的時(shí)候，有目的地使用一些特定形狀的掩膜可以在蒸發(fā)沉積的時(shí)候，有目的地使用一些特定形狀的掩膜(Mask)，從而實(shí)現(xiàn)薄膜的選擇性沉積。，從而實(shí)現(xiàn)薄膜的選擇性沉積。46 蒸發(fā)源純度的影響：蒸發(fā)源純度的影響： 加熱器、坩堝、支撐材料等的污染：加熱器、坩堝、

39、支撐材料等的污染： 真空系統(tǒng)中殘余氣體的影響：真空系統(tǒng)中殘余氣體的影響： 蒸氣物質(zhì)原子的沉積速率：蒸氣物質(zhì)原子的沉積速率： 薄膜中雜質(zhì)的濃度：薄膜中雜質(zhì)的濃度：2.2 薄膜沉積厚度均勻性與純度薄膜沉積厚度均勻性與純度 （3）蒸發(fā)沉積薄膜的純度）蒸發(fā)沉積薄膜的純度：AAN sGM 提高薄膜純度的方法：提高薄膜純度的方法： 降低殘余氣體分壓；降低殘余氣體分壓； 提高沉積速率；提高沉積速率；2AgpMcsM RT（使用高純物質(zhì)作為蒸發(fā)源使用高純物質(zhì)作為蒸發(fā)源） （改善實(shí)驗(yàn)裝置改善實(shí)驗(yàn)裝置）（改善真空條件改善真空條件 ） 其量綱為原子數(shù)其量綱為原子數(shù)/cm/cm2 2ss。其中其中 為沉積物質(zhì)的密度，

40、為沉積物質(zhì)的密度，s s為厚度沉積速度。為厚度沉積速度。47假設(shè)運(yùn)動(dòng)至襯底處的假設(shè)運(yùn)動(dòng)至襯底處的O2分子均被沉積在薄膜之中分子均被沉積在薄膜之中2.2 薄膜沉積厚度均勻性與純度薄膜沉積厚度均勻性與純度 例如：例如：在濺射法制備薄膜時(shí)，薄膜的沉積速度比蒸發(fā)法低在濺射法制備薄膜時(shí)，薄膜的沉積速度比蒸發(fā)法低一個(gè)數(shù)量級(jí)，而真空度要高一個(gè)數(shù)量級(jí)，而真空度要高5個(gè)數(shù)量級(jí)以上，故濺射法制個(gè)數(shù)量級(jí)以上，故濺射法制備的薄膜純度較蒸發(fā)法制備的純度要低。備的薄膜純度較蒸發(fā)法制備的純度要低。48 制備高純的薄膜材料要求：制備高純的薄膜材料要求： 1 1）改善沉積的真空條件）改善沉積的真空條件 2 2）提高物質(zhì)的蒸發(fā)以

41、及薄膜的沉積速度）提高物質(zhì)的蒸發(fā)以及薄膜的沉積速度2.2 薄膜沉積厚度均勻性與純度薄膜沉積厚度均勻性與純度 49蒸發(fā)鍍膜過(guò)程中，從膜材料表面蒸發(fā)的粒子以一定的速度蒸發(fā)鍍膜過(guò)程中，從膜材料表面蒸發(fā)的粒子以一定的速度在空間沿直線運(yùn)動(dòng)在空間沿直線運(yùn)動(dòng)，直到與其他粒子碰撞為止。在真空室，直到與其他粒子碰撞為止。在真空室中，當(dāng)氣相中的粒子濃度和殘余氣體的壓力足夠低時(shí)，這中，當(dāng)氣相中的粒子濃度和殘余氣體的壓力足夠低時(shí)，這些粒子從蒸發(fā)源到基片之間可以保持直線運(yùn)動(dòng)，否則，就些粒子從蒸發(fā)源到基片之間可以保持直線運(yùn)動(dòng)，否則，就會(huì)產(chǎn)生碰撞而改變運(yùn)動(dòng)方向。為此，會(huì)產(chǎn)生碰撞而改變運(yùn)動(dòng)方向。為此，增加殘余氣體的平均增加殘

42、余氣體的平均自由程，借以減少其與蒸氣分子的碰撞幾率，自由程，借以減少其與蒸氣分子的碰撞幾率，把真空室抽把真空室抽成高真空是必要的。當(dāng)真空容器內(nèi)蒸氣分子的平均自由程成高真空是必要的。當(dāng)真空容器內(nèi)蒸氣分子的平均自由程大于蒸發(fā)源與基片的距離時(shí)，就會(huì)獲得充分的真空條件。大于蒸發(fā)源與基片的距離時(shí)，就會(huì)獲得充分的真空條件。蒸發(fā)過(guò)程的真空條件蒸發(fā)過(guò)程的真空條件50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222021821222.331 10()3.107 10()kTn dPdTPdTPd托帕蒸發(fā)分子平均自由程：蒸發(fā)分子平均自由程：碰撞幾率：碰撞幾率：未受到殘余氣體碰撞的數(shù)目：未受到殘余

43、氣體碰撞的數(shù)目：0exp()xxNN受到殘余氣體碰撞的幾率：受到殘余氣體碰撞的幾率：011 exp()xNxfN 當(dāng)蒸發(fā)粒子在蒸發(fā)源到基片的輸運(yùn)過(guò)程中可能與氣體分子發(fā)生碰撞當(dāng)蒸發(fā)粒子在蒸發(fā)源到基片的輸運(yùn)過(guò)程中可能與氣體分子發(fā)生碰撞，碰撞次數(shù)取決于分子的平均自由程，總數(shù)為，碰撞次數(shù)取決于分子的平均自由程，總數(shù)為N0、通過(guò)距離、通過(guò)距離l。ll51n通常薄膜沉積是在通常薄膜沉積是在10-5Torr或更高的真空下進(jìn)行，蒸發(fā)粒子或更高的真空下進(jìn)行，蒸發(fā)粒子與殘余氣體分子的碰撞數(shù)可以忽略不計(jì)，因而蒸氣粒子會(huì)沿與殘余氣體分子的碰撞數(shù)可以忽略不計(jì)，因而蒸氣粒子會(huì)沿直線行進(jìn)。直線行進(jìn)。n平均自由程必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于

44、蒸發(fā)源到基片的距離才能避免蒸氣平均自由程必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于蒸發(fā)源到基片的距離才能避免蒸氣分子向基片遷移過(guò)程中與殘余氣體分子發(fā)生碰撞，從而有效分子向基片遷移過(guò)程中與殘余氣體分子發(fā)生碰撞，從而有效地減少蒸氣粒子的散射現(xiàn)象。地減少蒸氣粒子的散射現(xiàn)象。52只有當(dāng)只有當(dāng) l 時(shí)，即平均自由程較源時(shí)，即平均自由程較源-基距大得多的情況下，基距大得多的情況下，才能有效減少蒸發(fā)分子在輸運(yùn)過(guò)程中的碰撞。才能有效減少蒸發(fā)分子在輸運(yùn)過(guò)程中的碰撞。?在上述條件下，有在上述條件下，有l(wèi)f0.667P1.50flP 為保證鍍膜質(zhì)量，在要求為保證鍍膜質(zhì)量，在要求 時(shí)，源時(shí)，源-基距基距 時(shí)，必須時(shí)，必須 。0.1f 25lcm3

45、3 10PPa53在真空蒸發(fā)過(guò)程中，基片不僅受到蒸發(fā)粒子轟擊，而且也受在真空蒸發(fā)過(guò)程中，基片不僅受到蒸發(fā)粒子轟擊，而且也受到真空中殘余氣體的轟擊，殘余氣體對(duì)薄膜生長(zhǎng)和薄膜性質(zhì)到真空中殘余氣體的轟擊，殘余氣體對(duì)薄膜生長(zhǎng)和薄膜性質(zhì)皆有重要影響。薄膜會(huì)被真空系統(tǒng)中殘余的氣體嚴(yán)重污染，皆有重要影響。薄膜會(huì)被真空系統(tǒng)中殘余的氣體嚴(yán)重污染，這一污染起源于沉積過(guò)程中殘余氣體分子對(duì)基片表面的撞擊這一污染起源于沉積過(guò)程中殘余氣體分子對(duì)基片表面的撞擊。殘余氣體分子的撞擊率。殘余氣體分子的撞擊率由氣體的運(yùn)動(dòng)學(xué)給出：由氣體的運(yùn)動(dòng)學(xué)給出： 一般薄膜的沉積速率為每秒一個(gè)原子層，當(dāng)殘余氣體一般薄膜的沉積速率為每秒一個(gè)原子層

46、，當(dāng)殘余氣體壓強(qiáng)為壓強(qiáng)為10-5Torr時(shí)，氣體分子和蒸發(fā)物質(zhì)原子幾乎按時(shí)，氣體分子和蒸發(fā)物質(zhì)原子幾乎按1：1的比例到達(dá)基板表面。的比例到達(dá)基板表面。對(duì)基片的碰撞率：對(duì)基片的碰撞率：sPa)/cm (TMP10 sTorr)/cm (TMP103.512v242v22max個(gè)個(gè)64. 254n真空室中殘余氣體分子的來(lái)源主要是真空室中殘余氣體分子的來(lái)源主要是真空鍍膜室表面上真空鍍膜室表面上的解吸放氣、蒸發(fā)源釋放的氣體、抽氣系統(tǒng)的返流以及的解吸放氣、蒸發(fā)源釋放的氣體、抽氣系統(tǒng)的返流以及設(shè)備的漏氣設(shè)備的漏氣等。等。n在常用的真空系統(tǒng)中，其內(nèi)表面所吸附的單層分子數(shù)遠(yuǎn)在常用的真空系統(tǒng)中，其內(nèi)表面所吸附的

47、單層分子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)氣相中的分子數(shù)，因此，除了蒸發(fā)源在蒸鍍過(guò)程遠(yuǎn)超過(guò)氣相中的分子數(shù)，因此，除了蒸發(fā)源在蒸鍍過(guò)程中所釋放的氣體外，在密封和抽氣系統(tǒng)均良好和清潔的中所釋放的氣體外，在密封和抽氣系統(tǒng)均良好和清潔的真空系統(tǒng)中，若氣壓處于真空系統(tǒng)中，若氣壓處于10-4Pa時(shí)，從時(shí)，從真空室壁表面上真空室壁表面上解吸出來(lái)的氣體分子解吸出來(lái)的氣體分子就是真空系統(tǒng)內(nèi)的主要?dú)怏w來(lái)源。就是真空系統(tǒng)內(nèi)的主要?dú)怏w來(lái)源。n此外，此外， 在在10-4Pa時(shí)的真空室內(nèi)殘余氣體的主要組分為時(shí)的真空室內(nèi)殘余氣體的主要組分為水水蒸氣蒸氣（約（約90%以上），水蒸氣與金屬膜層或蒸發(fā)源均會(huì)以上），水蒸氣與金屬膜層或蒸發(fā)源均會(huì)發(fā)生化學(xué)反

48、應(yīng)，生成氧化物而釋放出氫氣。因此，為了發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成氧化物而釋放出氫氣。因此，為了減少殘余氣體中的水分，可以提高真空室內(nèi)的溫度，使減少殘余氣體中的水分，可以提高真空室內(nèi)的溫度，使水分解。水分解。55 利用物質(zhì)在高溫下的蒸發(fā)現(xiàn)象，可以制備各種薄膜。真空利用物質(zhì)在高溫下的蒸發(fā)現(xiàn)象，可以制備各種薄膜。真空蒸發(fā)法所采用的設(shè)備根據(jù)其使用目的，可能有很大差別，從最蒸發(fā)法所采用的設(shè)備根據(jù)其使用目的，可能有很大差別，從最簡(jiǎn)單的簡(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，都屬于真空蒸發(fā)沉積裝置的范疇。顯而易見(jiàn)，在蒸發(fā)沉積裝置中，于真空蒸發(fā)沉積裝置的范疇。

49、顯而易見(jiàn)，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，可以分為以下幾種。分為以下幾種。2.3 真空蒸發(fā)裝置真空蒸發(fā)裝置 56p在真空中為了蒸發(fā)待沉積的材料，需要容器來(lái)支撐或盛裝在真空中為了蒸發(fā)待沉積的材料，需要容器來(lái)支撐或盛裝蒸發(fā)物，同時(shí)需要提供蒸發(fā)物，同時(shí)需要提供蒸發(fā)熱蒸發(fā)熱使使蒸發(fā)物蒸發(fā)物達(dá)到足夠高的溫度達(dá)到足夠高的溫度以產(chǎn)生所需的蒸氣壓。以產(chǎn)生所需的蒸氣壓。p為避免污染薄膜材料，蒸發(fā)源中所用的為避免污染薄膜材料，蒸發(fā)源中所用的支撐材料支撐材料在工作溫在工作溫度下必須具有可忽略的蒸氣壓。度下必須具有可忽略的蒸氣壓

50、。通常所用的支撐材料為難通常所用的支撐材料為難熔金屬和氧化物。熔金屬和氧化物。當(dāng)選擇某一特殊支撐材料時(shí)，一定要考當(dāng)選擇某一特殊支撐材料時(shí)，一定要考慮蒸發(fā)物和支撐材料之間可能發(fā)生的合金化和化學(xué)反應(yīng)等慮蒸發(fā)物和支撐材料之間可能發(fā)生的合金化和化學(xué)反應(yīng)等問(wèn)題。支撐材料的形狀則主要取決于蒸發(fā)物。問(wèn)題。支撐材料的形狀則主要取決于蒸發(fā)物。p重要的蒸發(fā)方法有重要的蒸發(fā)方法有電阻加熱蒸發(fā)電阻加熱蒸發(fā)、閃爍蒸發(fā)閃爍蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)電子束蒸發(fā)、激光熔融蒸發(fā)激光熔融蒸發(fā)、弧光蒸發(fā)弧光蒸發(fā)、射頻加熱蒸發(fā)射頻加熱蒸發(fā)等。等。2.3 真空蒸發(fā)裝置真空蒸發(fā)裝置 572.3 真空蒸發(fā)裝置真空蒸發(fā)裝置 （1）電阻式蒸發(fā)裝置）電阻

51、式蒸發(fā)裝置電阻式蒸發(fā)裝置電阻式蒸發(fā)裝置目前使用最廣泛的加熱裝置電阻式加熱裝置對(duì)電阻材料的要求電阻式加熱裝置對(duì)電阻材料的要求能夠在高溫下使用且在高溫下具有較低的蒸氣壓能夠在高溫下使用且在高溫下具有較低的蒸氣壓不與被蒸發(fā)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)不與被蒸發(fā)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)無(wú)放氣現(xiàn)象和其他污染無(wú)放氣現(xiàn)象和其他污染具有合適的電阻率具有合適的電阻率58 1 1、將鎢絲繞制成各種等直徑或不等直徑的螺旋狀，即可作為加熱源。、將鎢絲繞制成各種等直徑或不等直徑的螺旋狀，即可作為加熱源。 2 2、對(duì)于不能用鎢絲裝置加熱的物質(zhì)，采用難熔金屬板制成的舟狀加熱、對(duì)于不能用鎢絲裝置加熱的物質(zhì)，采用難熔金屬板制成的舟狀加熱裝置。裝置

52、。 3 3、高熔點(diǎn)氧化物、高溫裂解、高熔點(diǎn)氧化物、高溫裂解BNBN、石墨、難熔金屬等制成的坩堝也可、石墨、難熔金屬等制成的坩堝也可以作為蒸發(fā)容器。以作為蒸發(fā)容器。常用的電阻材料及作用常用的電阻材料及作用 作用：作用：做加熱器做加熱器或者或者支撐被加熱物質(zhì)支撐被加熱物質(zhì)電阻式加熱方式電阻式加熱方式2.3 真空蒸發(fā)裝置真空蒸發(fā)裝置 避免避免被蒸發(fā)物質(zhì)與加熱材料之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的可能性，可以考慮被蒸發(fā)物質(zhì)與加熱材料之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的可能性，可以考慮使用表面涂有一層使用表面涂有一層Al2O3的加熱體的加熱體。另外，還要防止被加熱物質(zhì)的。另外，還要防止被加熱物質(zhì)的放氣過(guò)程可能引起的物質(zhì)飛濺。放氣過(guò)程可能

53、引起的物質(zhì)飛濺。59 選擇蒸發(fā)加熱材料時(shí)，必須考慮蒸鍍材料與蒸發(fā)源材選擇蒸發(fā)加熱材料時(shí)，必須考慮蒸鍍材料與蒸發(fā)源材料的料的“濕潤(rùn)性濕潤(rùn)性”問(wèn)題。鍍料熔化后，若有沿蒸發(fā)源擴(kuò)展的傾問(wèn)題。鍍料熔化后，若有沿蒸發(fā)源擴(kuò)展的傾向時(shí)，兩者是浸潤(rùn)的。反之，是不浸潤(rùn)的。浸潤(rùn)時(shí)，為面蒸向時(shí)，兩者是浸潤(rùn)的。反之，是不浸潤(rùn)的。浸潤(rùn)時(shí)，為面蒸發(fā)源，蒸發(fā)狀態(tài)穩(wěn)定。不侵潤(rùn)時(shí)，為點(diǎn)蒸發(fā)源，若用絲式蒸發(fā)源，蒸發(fā)狀態(tài)穩(wěn)定。不侵潤(rùn)時(shí)，為點(diǎn)蒸發(fā)源，若用絲式蒸發(fā)源時(shí)鍍料易脫落。發(fā)源時(shí)鍍料易脫落。鍍料與蒸發(fā)源的浸潤(rùn)性鍍料與蒸發(fā)源的浸潤(rùn)性6061絲狀舟狀坩堝常用的幾種加熱器形狀 62各各種種形形狀狀的的電電阻蒸阻蒸發(fā)發(fā)源源1）絲式）絲式

54、a)、b)要求浸潤(rùn)性，鍍料要求浸潤(rùn)性，鍍料為絲狀。但浸潤(rùn)好意味著為絲狀。但浸潤(rùn)好意味著有輕微合金化，只能用有輕微合金化，只能用1次。次。 c)不要求浸潤(rùn)性，鍍料可不要求浸潤(rùn)性，鍍料可絲狀、塊狀絲狀、塊狀蒸發(fā)加熱絲的直徑：蒸發(fā)加熱絲的直徑：0.5-1mm，特殊特殊1.5mm,多股多股632）蒸）蒸發(fā)發(fā)舟舟 用金屬箔制成，箔厚用金屬箔制成，箔厚0.05-0.15mm，可蒸發(fā)可蒸發(fā)塊狀、絲狀、粉狀鍍料塊狀、絲狀、粉狀鍍料注意避免局部過(guò)熱，注意避免局部過(guò)熱，發(fā)生飛濺發(fā)生飛濺643）外）外熱熱坩坩堝堝65優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):1.電阻式蒸鍍機(jī)設(shè)備價(jià)格便宜電阻式蒸鍍機(jī)設(shè)備價(jià)格便宜,構(gòu)造簡(jiǎn)單容易維護(hù)。構(gòu)造簡(jiǎn)單容易維護(hù)。

55、2.靶材可以依需要靶材可以依需要,做成各種的形狀。做成各種的形狀。缺點(diǎn)缺點(diǎn):1. 因?yàn)闊崃考皽囟仁怯呻娮杵鳟a(chǎn)生因?yàn)闊崃考皽囟仁怯呻娮杵鳟a(chǎn)生,并傳導(dǎo)至靶材并傳導(dǎo)至靶材,電阻器本身的材料難免會(huì)在電阻器本身的材料難免會(huì)在過(guò)程中參加反應(yīng)過(guò)程中參加反應(yīng),因此會(huì)有些微的污染因此會(huì)有些微的污染,造成蒸發(fā)膜層純度稍差造成蒸發(fā)膜層純度稍差,傷害膜層的質(zhì)傷害膜層的質(zhì)量。量。 2. 熱阻式蒸鍍熱阻式蒸鍍比較適合金屬材料比較適合金屬材料的靶材的靶材,光學(xué)鍍膜常用的介電質(zhì)光學(xué)鍍膜常用的介電質(zhì)(dielectric)材材料料,因?yàn)橐驗(yàn)檠趸锼枞埸c(diǎn)溫度更高氧化物所需熔點(diǎn)溫度更高,大部分都無(wú)法使用電阻式加溫大部分都無(wú)法使用

56、電阻式加溫來(lái)蒸發(fā)。來(lái)蒸發(fā)。3. 蒸鍍的速率比較慢蒸鍍的速率比較慢,且不易控制。且不易控制。4. 化合物的靶材化合物的靶材,可能會(huì)因?yàn)楦邷囟环纸饪赡軙?huì)因?yàn)楦邷囟环纸?只有小部分化合物靶材可以被只有小部分化合物靶材可以被閃燃閃燃式蒸鍍式蒸鍍使用。使用。5. 電阻式蒸鍍的膜層硬度比較差電阻式蒸鍍的膜層硬度比較差,密度比較低。密度比較低。2.3 真空蒸發(fā)裝置真空蒸發(fā)裝置 662.3 真空蒸發(fā)裝置真空蒸發(fā)裝置 電阻加熱裝置的缺點(diǎn)之一是來(lái)自坩堝、加熱元件以及各種電阻加熱裝置的缺點(diǎn)之一是來(lái)自坩堝、加熱元件以及各種支撐部件的可能的污染。另外，電阻加熱法的加熱功率或加熱支撐部件的可能的污染。另外，電阻加熱法

57、的加熱功率或加熱溫度也有一定的限制。溫度也有一定的限制。因此其不適用于高純或難熔物質(zhì)的蒸發(fā)因此其不適用于高純或難熔物質(zhì)的蒸發(fā)。 電子束蒸發(fā)裝置電子束蒸發(fā)裝置正好克服了電阻加熱法的上述兩個(gè)不足。在電正好克服了電阻加熱法的上述兩個(gè)不足。在電子束加熱裝置中，被加熱的物質(zhì)被放置于水冷的坩堝中，電子子束加熱裝置中，被加熱的物質(zhì)被放置于水冷的坩堝中，電子束只轟擊到其中很少的一部分物質(zhì)，而其余的大部分物質(zhì)在坩束只轟擊到其中很少的一部分物質(zhì)，而其余的大部分物質(zhì)在坩堝的冷卻作用下一直處于很低的溫度，即后者實(shí)際上變成了被堝的冷卻作用下一直處于很低的溫度，即后者實(shí)際上變成了被蒸發(fā)物質(zhì)的坩堝。因此，電子束蒸發(fā)沉積裝置

58、中可以安置多個(gè)蒸發(fā)物質(zhì)的坩堝。因此，電子束蒸發(fā)沉積裝置中可以安置多個(gè)坩堝，這使得人們可以同時(shí)分別蒸發(fā)和沉積多種不同的物質(zhì)。坩堝，這使得人們可以同時(shí)分別蒸發(fā)和沉積多種不同的物質(zhì)。 （2 2）電子束蒸發(fā)裝置）電子束蒸發(fā)裝置67 電子束加熱槍：燈絲電子束加熱槍：燈絲+加速電極加速電極+偏轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)組成磁場(chǎng)組成 蒸發(fā)坩堝：陶瓷坩堝或水冷銅坩堝；蒸發(fā)坩堝：陶瓷坩堝或水冷銅坩堝； 電子束蒸發(fā)的特點(diǎn)：電子束蒸發(fā)的特點(diǎn)： 工作真空度比較高，可與離子源聯(lián)合工作真空度比較高，可與離子源聯(lián)合使用；使用； 可用于粉末、塊狀材料的蒸發(fā)；可用于粉末、塊狀材料的蒸發(fā)； 可以蒸發(fā)金屬和化合物；可以蒸發(fā)金屬和化合物； 可以比較

59、精確地控制蒸發(fā)速率；可以比較精確地控制蒸發(fā)速率； 電離率比較低。電離率比較低。2.3 真空蒸發(fā)裝置真空蒸發(fā)裝置 68發(fā)射電子束發(fā)射電子束加速（數(shù)千伏）加速（數(shù)千伏）偏轉(zhuǎn)（橫向磁場(chǎng)）偏轉(zhuǎn)（橫向磁場(chǎng)）轟擊坩堝轟擊坩堝薄膜沉積薄膜沉積?69 電子束蒸發(fā)設(shè)備的核心是電子束蒸發(fā)設(shè)備的核心是偏轉(zhuǎn)電子槍，偏轉(zhuǎn)電子槍是偏轉(zhuǎn)電子槍，偏轉(zhuǎn)電子槍是利用具有一定速度的帶電粒利用具有一定速度的帶電粒子在均勻磁場(chǎng)中受力做圓周子在均勻磁場(chǎng)中受力做圓周運(yùn)動(dòng)這一原理設(shè)計(jì)而成的。運(yùn)動(dòng)這一原理設(shè)計(jì)而成的。其結(jié)構(gòu)由兩部分組成：一是其結(jié)構(gòu)由兩部分組成：一是電子槍用來(lái)射高速運(yùn)動(dòng)的電電子槍用來(lái)射高速運(yùn)動(dòng)的電子；二是使電子做圓周運(yùn)動(dòng)子；二是

60、使電子做圓周運(yùn)動(dòng)的均勻磁場(chǎng)。的均勻磁場(chǎng)。 70 磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)法的使用可以避免燈絲材料的磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)法的使用可以避免燈絲材料的蒸發(fā)對(duì)于沉積過(guò)程可能造成的污染。蒸發(fā)對(duì)于沉積過(guò)程可能造成的污染。71 電子束蒸發(fā)法的缺點(diǎn)是，電子束蒸發(fā)法的缺點(diǎn)是，電子束的絕大部分能量要被坩堝電子束的絕大部分能量要被坩堝的水冷系統(tǒng)帶走，因而其熱效率較低。另外，過(guò)高的加熱功率的水冷系統(tǒng)帶走，因而其熱效率較低。另外，過(guò)高的加熱功率也會(huì)對(duì)整個(gè)薄膜沉積系統(tǒng)形成較強(qiáng)的熱輻射。也會(huì)對(duì)整個(gè)薄膜沉積系統(tǒng)形成較強(qiáng)的熱輻射。2.3 真空蒸發(fā)裝置真空蒸發(fā)裝置 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)電子束轟擊熱源的束流密度高，能獲得遠(yuǎn)比電阻加熱