《真空蒸发镀膜法》ppt课件

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1、第二章 真空蒸发镀膜法,1,2-1 真空蒸发原理 2-2 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 2-3 蒸发源的类型 2-4 合金及化合物的蒸发 2-5 膜厚和淀积速率的测量与监控,真空蒸发镀膜法（简称真空蒸镀） 在真空室中，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到固体（称为衬底或基片）表面，凝结形成固态薄膜的方法。 由于真空蒸发法或真空蒸镀法主要物理过程是通过加热蒸发材料而产生，所以又称为热蒸发法。,2,2-1 真空蒸发原理,一、真空蒸发的特点与蒸发过程,3,图2-1 真空蒸发镀膜原理,(1) 真空室 为蒸发过程提供必要的真空环境； (2) 蒸发源或蒸发加热器

2、 放置蒸发材料并对其加热； (3) 基板 用于接收蒸发物质并在其表面形成固态蒸发 薄膜； (4) 基板加热器及测温器等。 1. 真空蒸发镀膜法的优缺点： 优点：是设备比较简单、操作容易；制成的薄膜纯 度高、质量好，厚度可较准确控制；成膜速率快、效率高，用掩膜可以获得清晰图形；薄膜的生长机理比较单纯。 缺点：不容易获得结晶结构的薄膜，所形成薄膜在基 板上的附着力较小，工艺重复性不够好等。,4,2.真空蒸发镀膜的三种基本过程： (1)热蒸发过程 是由凝聚相转变为气相（固相或液相气相）的相变过程。每种蒸发物质在不同温度时有不相同的饱和蒸气压；蒸发化合物时，其组分之间发生反应，其中有些组分以气态或蒸气

3、进入蒸发空间。 (2)气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运，即这 些粒子在环境气氛中的飞行过程。 飞行过程中与真空室内残余气体分子发生碰撞的次数，取决于蒸发原子的平均自由程及蒸发源到基片之间的距离，常称源基距。 (3)蒸发原子或分子在基片表面上的淀积过程， 即是蒸气凝聚、成核、核生长、形成连续薄膜。,5,由于基板温度远低于蒸发源温度，因此，沉积物分子在基板表面将直接发生从气相到固相的相转变。 真空蒸发镀膜时保证真空条件的必要性： 上述过程都必须在空气非常稀薄的真空环境中进行，否则将发生以下情况： 1.蒸发物原子或分子将与大量空气分子碰撞，使膜层 受到严重污染，甚至形成氧化物； 2. 蒸发源被

4、加热氧化烧毁； 3.由于空气分子的碰撞阻挡，难以形成均匀连续的薄 膜。,6,二、饱和蒸气压和蒸汽压方程 1饱和蒸汽压 一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸气与固体或液体平衡过程中所表现的压力称为该物质的饱和蒸气压。 物质的饱和蒸气压随温度的上升而增大，在一定温度下，各种物质的饱和蒸气压不相同，且具有恒定的数值。即一定的饱和蒸气压必定对应一定的物质的温度。饱和蒸汽压表征了物质的蒸发能力。 已经规定物质在饱和蒸气压为10-2托时的温度，称为该物质的蒸发温度。 2蒸汽压方程 饱和蒸气压Pv与温度T之间的数学表达式称为 蒸汽压方程。可从克拉伯龙-克劳修斯（Clapeylon-Calusius）方程式推导出

5、来,7,dPv /dT = Hv / T(Vg-Vs) （2-1） 式中，Hv为摩尔气化热或蒸发热（J/mol）；Vg和Vs分别为气相和固相或液相的摩尔体积（cm3）；T为绝对温度（K）。 因为VgVs，并假设在低气压下蒸气分子符合理想气体状态方程，则有 Vg -VsVg ，Vg = RT/Pv (2-2) 式中，R是气体常数，其值为8.31107J/Kmol。 故方程式（2-1）可写成 dPv /P v = HvdT/RT2 （2-3） 亦可写成 d(lnPv)/d(1/T)= - Hv / R,8,由于气化热 Hv 通常随温度只有微小的变化，故可近似地把Hv看作常数，于是式（2-3）求积分

6、得 ln Pv = C- Hv / RT （2-4） 式中C为积分常数。式（2-4）常采用对数表示为 lgPv = A - B/ T （2-5） 式中，A、B为常数，A=C/2.3，B=Hv/2.3R，A、B值可由实验确定。而且在实际上Pv与 T 之间的关系多由实验确定。且有Hv=19.12B(J/mol)关系存在。 式（2-5）即为蒸发材料的饱和蒸气压与温度之间的近似关系式。,9,表2-1 和图 2-2 分别给出了常用金属的饱和蒸气压与温度之间的关系，从图2-2的lgPv1/T近似直线图看出，饱和蒸气压随温度升高而迅速增加，并且到达正常蒸发速率所需温度，即饱和蒸气压约为1Pa时的温度（已经规

7、定物质在饱和蒸气压为10-2托时的温度，称为该物质的蒸发温度）。 因此，在真空条件下蒸发物质要比常压下容易的多，所需蒸发温度也大大降低，蒸发过程也将大大缩短，蒸发速率显著提高 。,10,表2-1 一些常用材料的蒸气压与温度关系,11,12,图2-2 各种元素的蒸气压与温度关系,13,14,15,三、蒸发速率 根据气体分子运动论，在处于热平衡状态时，压强为P的气体，单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数 (2-6) 式中，n是分子密度， 是算术平均速度，m是分子质量，k为玻尔兹曼常数。 如果考虑在实际蒸发过程中，并非所有蒸发分子全部发生凝结，上式可改写为 (2-7) 式中， 为冷凝系数，一般 1，

8、为饱和蒸气压。,16,设蒸发材料表面液相、气相处于动态平衡，到达液相表面的分子全部粘接而不脱离，与从液相到气相的分子数相等，则蒸发速率可表示为 (2-8) 式中，dN为蒸发分子（原子）数， 为蒸发系数，A为蒸发表面积，t为时间（秒） 和 分别为饱和蒸气压与液体静压（Pa）。当 =1和 =0 时，得最大蒸发速率： (2-9),17,式中，M为蒸发物质的摩尔质量。如果对式（2-9）乘以原子或分子质量，则得到单位面积的质量蒸发速率 (2-10),18,2-2 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布,真空蒸发镀膜过程中，能否在基板上获得均匀膜厚，是制膜的关键问题。 基板上不同蒸发位置的膜厚，取决于蒸发源的蒸发（或

9、发射）特性、基板与蒸发源的几何形状、相对位置以及蒸发物质的蒸发量。 为了对膜厚进行理论计算，找出其分布规律，首先对蒸发过程作如下几点假设： （1）蒸发原子或分子与残余气体分子间不发生碰撞； （2）在蒸发源附近的蒸发原子或分子之间也不发生 碰撞； （3）蒸发淀积到基板上的原子不发生再蒸发现象， 即第一次碰撞就凝结于基板表面上。(P25),19,上述假设的实质就是设每一个蒸发原子或分子，在入射到基板表面上的过程中均不发生任何碰撞，而且到达基板后又全部凝结。 一点蒸发源 通常将能够从各个方向蒸发等量材料的微小球状蒸发源称为点蒸发源（简称点源）。一个很小的球dS，以每秒m克的相同蒸发速率向各个方向蒸发

10、，则在单位时间内，在任何方向上，通过如图2-4所示立体角d的蒸发材料总量为dm，此角度为蒸发源和表面的角度，则有 dm = m / 4d （2-21） 因此，在蒸发材料到达与垂直蒸发方向成角的小面积dS2的几何尺寸已知时，则淀积在此面积上的膜材厚度与数量即可求得。由图可知,20,21,dS1 = dS2cos dS1 = r2d 则有 d= dS2cos/ r2 = dS2cos/（h2+x2）（2-22） r是点源与基板上被观察膜厚点的距离。 所以蒸发材料到达dS2上的蒸发速率dm 可写成 dm = m/4 dS2 cos/ r2 （2-23） 假设蒸发膜的密度为；单位时间内淀积在 dS2上

11、的膜厚为t，则淀积到dS2上的薄膜体积为tdS2， 则 dm =tdS2 （2-24） 将此值代入式（2-23），则可得基板上任意一点的膜厚 t = m /4cos/ r2 （2-25）,22,t = m /4cos/ r2 （2-25） 经整理后得 t = mh / 4r3 = mh/4（h2+x2）3/2 (2-26) 当dS2在点源的正上方，即=0时，cos=1， 用t0 表示原点处的膜厚，即有 t0 = m/4h2 （ 2-27） 显然，t0是在基板平面内所能得到的最大厚度。则在基板架平面内膜厚分布状况可用下式表示 t/t0 = 1 / 1+（x/h）23/2 （2-28）,23,立体

12、角的定义 将弧度表示平面角度大小的定义（弧长除以半径）推广到三维空间中，定义“立体角”为：球面面积与半径平方的比值。即：= A /r 2,二小平面蒸发源,25,如图2-5所示，用小型平面蒸发源代替点源。由于这种蒸发源的发射特性具有方向性，使在角方向蒸发的材料质量和cos成正比例，即遵从所谓余弦角度分布规律(1-23式)。 余弦散射律 碰撞于固体表面的分子，它们飞离表面的方向与原入射方向无关，并按与表面法线方向所成角度的余弦进行分布。则一个分子在离开其表面时，处于立体角d（与表面法线成角）中的几率为 dp = dcos/ （1-23） 式中1/是由于归一化条件，即位于2立体角中的几率为1而出现的

13、。,26,是平面蒸发源法线与接收平面dS2中心和平面源中心连线之间的夹角。则膜材从小型平面dS上以每秒m克的速率进行蒸发时，膜材在单位时间内通过与该小平面的法线成角度方向的立体角d的蒸发量dm为 （2-29） 式中，1/是因为小平面源的蒸发范围局限在半球形空间。如果蒸发材料到达与蒸发方向成角的小平面dS2几何面积已知，则淀积在该小平面薄膜的蒸发速率即可求出,前已有 dS1 = dS2cos() ，dS1 = r2d （2-22） 则有 d= dS2cos() / r2 dm = m coscosdS2/r2 （2-30） 将dm =tdS2 代入上式后，则可得到小型蒸发源时，基板上任意一点的膜

14、厚t为 t = m /()coscos/ r2 =mh2/(h2+x2)2 (2-31) 当dS2在小平面源正上方时（=0，=0）， 用t0 表示该点的膜厚为 t0 = m/h2 （2-32） t0 是基板平面内所得到的最大蒸发膜厚。基板平面内其他各处的膜厚分布，即t与t0之比为 t / t0=1 / 1+(x/h)22 （2-33）,28,29,图2-6比较了点蒸发源与小平面蒸发源两者的相对膜厚分布曲线。另外，比较（2-25）和（2-31），可以看出，两种源在基片上所淀积的膜层厚度，虽然很近似，但是由于蒸发源不同，在给定蒸发料、蒸发源和基板距离的情况下，平面蒸发源的最大厚度可为点蒸发源的4倍

15、左右。这一点也可从式（2-27）与（2-32）的比较中得出。 三、实际蒸发源的特性 1. 发针形蒸发源或电子蒸发源中的熔融材料为球形，与点蒸发源近似。 2. 舟式蒸发源中，若蒸发料熔融时与舟不浸润，从,30,舟中蒸发时也呈球形，但位于舟源表面处的蒸发料，使原来向下蒸发的粒子重新向上蒸发，故与小平面蒸发源近似。 3. 蒸发料润湿的螺旋丝状蒸发源是理想的柱形蒸发源。4. 锥形篮式蒸发源在各圈间隔很小时，其发射特性与 平面蒸发源近似。 5. 坩埚蒸发源可看成表面蒸发源或高度定向的蒸发源。 6. 磁控靶源可看成大面积(平面或圆柱面)蒸发源。 蒸发源的发射特性是比较复杂的问题，为了得到较均匀的膜厚还必须注意源和基板的配置，或使基板公转加自转等。,31,当蒸发源与衬底之间存在某种障碍物时，物质的沉积会产生阴影效应，即蒸发来的物质被障碍物阻挡而未能沉积到衬底上。显然，蒸发沉积的阴影效应可能破坏薄膜沉积的均匀性。在沉积的衬底不平甚至有一些较大的起伏时，薄膜的沉积将会受到蒸发源方向