第二章 真空蒸发(蒸发镀膜)#优质课件

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1、真空蒸发镀膜法1特选课件物理气相沉积（物理气相沉积（Physical Vapor DepositionPhysical Vapor Deposition）真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜真空溅射镀膜真空溅射镀膜真空离子镀膜真空离子镀膜2特选课件真空蒸发镀膜：真空蒸发镀膜： 将固体材料置于高真空环境中加热，使之升华将固体材料置于高真空环境中加热，使之升华或蒸发并沉积在特定衬底上以获得薄膜的工艺方法。或蒸发并沉积在特定衬底上以获得薄膜的工艺方法。3特选课件第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理4特选课件第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理蒸发度膜的三个基本过程：蒸发度膜的三个基本过程： 加热蒸发过程加热

2、蒸发过程 固相或液相转变为气相固相或液相转变为气相 气相原子或分子的输运过程（源气相原子或分子的输运过程（源- -基距）基距） 气相粒子在环境气氛中的飞行过程，输运过程中气相粒气相粒子在环境气氛中的飞行过程，输运过程中气相粒子与残余气体分子发生碰撞的次数，取决于蒸发原子的子与残余气体分子发生碰撞的次数，取决于蒸发原子的平均平均自由程自由程，以及蒸发源与基片之间的距离。，以及蒸发源与基片之间的距离。 蒸发原子或分子在基片表面的淀积过程蒸发原子或分子在基片表面的淀积过程 即即蒸气凝聚蒸气凝聚、成核成核、核生长核生长、形成、形成连续薄膜连续薄膜的过程。由的过程。由于基板温度较低，因此，沉积物分子在基

3、板表面将直接发生于基板温度较低，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。从气相到固相的相转变。5特选课件第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理2. 2. 饱和蒸气压饱和蒸气压概念概念 在一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸气与在一定温度下，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出来的压力固体或液体平衡过程中所表现出来的压力A.A.处于饱和蒸气压时，蒸发物表面液相、气相处于处于饱和蒸气压时，蒸发物表面液相、气相处于动态平衡；动态平衡；B.B.饱和蒸气压随温度的升高而增大；饱和蒸气压随温度的升高而增大；C.C.一定温度下，各种物质具有恒定的饱和蒸气压，一定温度下，各种物质

4、具有恒定的饱和蒸气压，相反一定的饱和蒸气压对应一定的温度；相反一定的饱和蒸气压对应一定的温度；D.D.不同物质在一定温度下的饱和蒸气压不同；不同物质在一定温度下的饱和蒸气压不同；6特选课件第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理克拉伯龙克拉伯龙-克劳修斯克劳修斯（Clapeylon-Clausius）方程）方程 为摩尔汽化热或蒸发热（为摩尔汽化热或蒸发热（J/mol）；）； 和和 分别为气分别为气相和固相的摩尔体积（相和固相的摩尔体积（cm3）；）； 为绝对温度（为绝对温度（K）。）。 因因为为 ，假假设设低低压压气气体体符符合合理理想想气气体体状状态态方方程程，则有则有线性关系线性关系或或饱和

5、蒸气压与温度的关系饱和蒸气压与温度的关系7特选课件第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理气化热气化热Hv随温度变化很小随温度变化很小或或在在30时，水的饱和蒸气压为时，水的饱和蒸气压为4132.982Pa；在在100时，水的饱和蒸气压增大到时，水的饱和蒸气压增大到101324.72Pa8特选课件 饱和蒸气压与温度的关系曲线对于薄膜制作技术有重要饱和蒸气压与温度的关系曲线对于薄膜制作技术有重要意义，它可以帮助我们合理选择蒸发材料和确定蒸发条件。意义，它可以帮助我们合理选择蒸发材料和确定蒸发条件。第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理蒸发温度蒸发温度 规定物质在饱和蒸气压为规定物质在饱和蒸气压为1

6、0-2Torr时时的温度的温度9特选课件3. 3. 蒸发速率蒸发速率 根根据据气气体体分分子子运运动动论论，在在气气体体压压力力为为P时时，单单位位时时间间内内碰碰撞撞单单位位面面积积器器壁壁上上的的分分子子数数量量，即即碰碰撞撞分分子子流流量量（通通量或蒸发速率）量或蒸发速率）J：冷凝系数冷凝系数 设蒸发材料表面液相、气体处于动态平衡，到达液相表设蒸发材料表面液相、气体处于动态平衡，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，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：则蒸发速率：第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理dN蒸发分子数，e蒸发系数，A蒸

7、发面积，t时间，Pv和Ph分别为饱和蒸气压和液体静压10特选课件最大蒸发速率：最大蒸发速率：（2-9）单位面积单位面积质量蒸发速率质量蒸发速率除了与蒸发物质的分子量、除了与蒸发物质的分子量、绝对温度和蒸发物质在绝对温度和蒸发物质在T温度温度时的饱和蒸气压有关外，还时的饱和蒸气压有关外，还与材料自身的清洁度有关，与材料自身的清洁度有关，特别是蒸发源温度的变化对特别是蒸发源温度的变化对蒸发速率影响极大蒸发速率影响极大第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理11特选课件12特选课件蒸发速率随温度变化关系蒸发速率随温度变化关系对金属对金属 之间之间蒸发源温度微小变蒸发源温度微小变化就可以引起蒸发化就可以

8、引起蒸发速率的很大变化。速率的很大变化。例：蒸发铝，计算由于例：蒸发铝，计算由于1的温度变化，对铝蒸发薄膜生长速率的温度变化，对铝蒸发薄膜生长速率的影响。的影响。B=3.586104（K）,在蒸气压为在蒸气压为1Torr时的蒸发温度为时的蒸发温度为1830K。第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理13特选课件对基片的碰撞率：对基片的碰撞率：热平衡条件下，单位时间通过单位面积的气体分子数为：热平衡条件下，单位时间通过单位面积的气体分子数为：第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理 一一般般薄薄膜膜的的淀淀积积速速率率为为每每秒秒一一个个原原子子层层，当当残残余余气气体体压压强强为为10-5Torr

9、时时，气气体体分分子子和和蒸蒸发发物物质质原原子子几几乎乎按按1：1的比例到达基板表面。的比例到达基板表面。14特选课件所以，真空度足够高，平均自由程足够大，且所以，真空度足够高，平均自由程足够大，且时：时： 为保证镀膜质量，在要求为保证镀膜质量，在要求 时，源时，源-基距基距 时，必须时，必须 。 由此可见，只有当由此可见，只有当 （l为源为源-基距）时，即平均自基距）时，即平均自由程较源由程较源-基距大得多的情况下，才能有效减少蒸发分子在基距大得多的情况下，才能有效减少蒸发分子在输运过程中的碰撞。输运过程中的碰撞。第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理15特选课件第三节第三节 蒸发源的类型

10、蒸发源的类型 常用电阻加热蒸发源形状常用电阻加热蒸发源形状丝状蒸发源丝状蒸发源线径线径0.51mm蒸铝蒸铝用于蒸发块状用于蒸发块状或丝状的升华或丝状的升华材料和不易浸材料和不易浸润材料润材料箔状蒸发源箔状蒸发源厚度厚度0.050.15mm16特选课件第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布各种蒸发皿结构各种蒸发皿结构17特选课件第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 电子束蒸发源电子束蒸发源 电电阻阻加加热热蒸蒸发发源源已已不不能能满满足足蒸蒸镀镀某某些些高高熔熔点点金金属属和和氧氧化化物物材材料料的的需需要要，特特别别是是制制备备高高纯纯

11、薄薄膜膜。电电子子束束加加热热蒸蒸发发法法克克服服了了电电阻阻加加热蒸发的许多缺点，得到广泛应用。热蒸发的许多缺点，得到广泛应用。18特选课件 电子束加热原理电子束加热原理 可可聚聚焦焦的的电电子子束束，能能局局部部加加温温元元素素源源，因因不不加加热热其其它它部部分而避免污染分而避免污染 高高能能量量电电子子束束能能使使高高熔熔点点元元素素达达到到足足够够高高温温以以产产生生适适量量的蒸气压的蒸气压电子的动能和电功率：电子的动能和电功率：19特选课件电子束蒸发源的优点：电子束蒸发源的优点： 电电子子束束的的束束流流密密度度高高，能能获获得得远远比比电电阻阻加加热热源源更更大大的的能能量密度。

12、量密度。 被被蒸蒸发发材材料料置置于于水水冷冷坩坩埚埚内内，避避免免了了容容器器材材料料的的蒸蒸发发，以及容器材料与蒸发材料的反应，提高了薄膜的纯度。以及容器材料与蒸发材料的反应，提高了薄膜的纯度。 热热量量直直接接加加到到蒸蒸镀镀材材料料表表面面，热热效效率率高高，热热传传导导和和热热辐辐射损失小。射损失小。电子束蒸发源的缺点：电子束蒸发源的缺点： 可使蒸发气体和残余气体电离，有时会影响膜层质量；可使蒸发气体和残余气体电离，有时会影响膜层质量； 电子束蒸镀装置结构复杂，价格昂贵；电子束蒸镀装置结构复杂，价格昂贵； 产生的软产生的软X射线对人体有一定的伤害。射线对人体有一定的伤害。20特选课件

13、 电子束蒸发源的结构电子束蒸发源的结构 环型枪环型枪 直型枪直型枪 e 型枪型枪结构简单结构简单功率、效率不高功率、效率不高21特选课件直型枪直型枪 使用方便，能量使用方便，能量密度高，易于调节密度高，易于调节控制。控制。 体积大、成本高，体积大、成本高，蒸镀材料会污染枪蒸镀材料会污染枪体结构，存在从灯体结构，存在从灯丝逸出的丝逸出的NaNa离子污离子污染染22特选课件23特选课件1-发射体，发射体，2-阳极，阳极，3-电磁线圈，电磁线圈，4-水冷坩埚，水冷坩埚，5-收集极，收集极，6-吸收极，吸收极，7-电子轨迹，电子轨迹，8-正离子轨迹，正离子轨迹，9-散射电子轨迹，散射电子轨迹，10-等

14、离子体等离子体吸吸收收反反射射电电子子、背背散散射射电电子子、二二次次电子电子吸吸收收电电子子束束与与蒸蒸发发的的中中性性离离子子碰碰撞撞产产生生的的正正离离子子e 型枪型枪24特选课件 高频感应蒸发源高频感应蒸发源高频感应蒸发源的特点：高频感应蒸发源的特点： 蒸发速率大，比电阻蒸发源大蒸发速率大，比电阻蒸发源大1010倍左右；倍左右； 蒸发源温度均匀稳定，不易产蒸发源温度均匀稳定，不易产生飞溅；生飞溅； 蒸发材料是金属时，从内部加蒸发材料是金属时，从内部加热；热； 蒸发源一次加料，无需送料机蒸发源一次加料，无需送料机构，控温容易，热惰性小，操作构，控温容易，热惰性小，操作简单。简单。缺点：缺

15、点：蒸发装置必须屏蔽、蒸发装置必须屏蔽、高频发生器昂贵，气压高于高频发生器昂贵，气压高于1010-2-2PaPa，高频场就会使残余，高频场就会使残余气体电离，使功耗增大气体电离，使功耗增大25特选课件5. 5. 蒸发所需能量和离子能量蒸发所需能量和离子能量 能量损失的种类能量损失的种类 蒸发材料蒸发材料蒸发蒸发时所需的热量时所需的热量 蒸发源因蒸发源因辐射辐射所损失的能量所损失的能量 蒸发源因蒸发源因热传导热传导而损失的能量而损失的能量 蒸发材料蒸发时所需的热量蒸发材料蒸发时所需的热量第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理26特选课件 不同物质在相同压强下所需的蒸发热是不同的；不同物质在相同压

16、强下所需的蒸发热是不同的； 蒸发热量蒸发热量 值的值的80%以上是蒸发热以上是蒸发热 而消耗掉的。而消耗掉的。第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理27特选课件第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理1. 1. 真空蒸发的特点与蒸发过程真空蒸发的特点与蒸发过程 设备比较简单、操作容易；设备比较简单、操作容易； 薄膜纯度高、质量好，厚度可较准确控制；薄膜纯度高、质量好，厚度可较准确控制； 成膜速度快、效率高，采用掩模可以获得清晰成膜速度快、效率高，采用掩模可以获得清晰的图形；的图形； 薄膜生长机理比较单纯。薄膜生长机理比较单纯。缺点：缺点：不容易获得不容易获得结晶结构结晶结构的薄膜，的薄膜，薄膜附

17、着力薄膜附着力较小，工较小，工艺重复性差艺重复性差。特点：特点：28特选课件主要内容主要内容6-1 真空蒸发原理真空蒸发原理6-2 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布6-3 蒸发源的类型蒸发源的类型6-4 合金及化合物蒸发合金及化合物蒸发6-5 膜厚和淀积速率的测量与监控膜厚和淀积速率的测量与监控29特选课件第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布均匀膜层厚度是薄膜技术中的关键问题。取决于如下因素：均匀膜层厚度是薄膜技术中的关键问题。取决于如下因素： 蒸发源的蒸发特性蒸发源的蒸发特性 基板与蒸发源的几何形状基板与蒸发源的几何形状 基板与蒸发源的相对位

18、置基板与蒸发源的相对位置 蒸发物质的蒸发量蒸发物质的蒸发量基本假设：基本假设： 1. 1. 蒸发原子或分子与残余气体分子之间不发生碰撞；蒸发原子或分子与残余气体分子之间不发生碰撞； 2. 2. 蒸发源附近的原子或分子之间不发生碰撞；蒸发源附近的原子或分子之间不发生碰撞； 3. 3. 淀积到基片上的原子不发生再蒸发现象。淀积到基片上的原子不发生再蒸发现象。30特选课件第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 点蒸发源点蒸发源 能能够够从从各各个个方方向向蒸蒸发发等等量量材材料料的的微微小小球球状状蒸蒸发发源源称称为为点点蒸蒸发源（点源）。发源（点源）。31特选课件第二节

19、第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布在基板平面内薄膜厚度分布：在基板平面内薄膜厚度分布：当当 在点源正上方，即在点源正上方，即 时，膜层厚度时，膜层厚度 为：为：32特选课件第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 小平面蒸发源小平面蒸发源 这这种种蒸蒸发发源源的的发发射射特特性性具具有有方方向向性性，使使得得在在 角角方方向向蒸蒸发发的的材材料料质量和质量和 成正比。成正比。33特选课件第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布当当 在点源正上方，即在点源正上方，即 时，膜层厚度时，膜层厚度 为：为：在基板平面内薄膜厚

20、度分布：在基板平面内薄膜厚度分布：34特选课件第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布点源：点源：小平面源：小平面源：35特选课件第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布36特选课件第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布37特选课件第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 细长平面蒸发源细长平面蒸发源dSSHhrzxy0-l/2ad(x,y)l/2 视视dS为小平面蒸发源，则为小平面蒸发源，则d上得到的蒸上得到的蒸发量量为38特选课件第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性

21、及膜厚分布积分后积分后在原点处，在原点处， ，则膜厚为，则膜厚为39特选课件第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 环状蒸发源环状蒸发源dRAN0xydS2dS1h40特选课件第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 实际蒸发源的发射特性实际蒸发源的发射特性 实际蒸发源的发射特性可根据熔融后的形态，选取实际蒸发源的发射特性可根据熔融后的形态，选取不同的膜厚蒸发公式进行理论分析和近似计算。（不同的膜厚蒸发公式进行理论分析和近似计算。（p33） 蒸发源与基板的相对位蒸发源与基板的相对位置配置置配置点源与基板相对位置点源与基板相对位置 为获得均匀

22、的膜厚，电源为获得均匀的膜厚，电源必须配置在基板围成的球面中必须配置在基板围成的球面中心。心。41特选课件第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布小平面源与基板相对位置小平面源与基板相对位置 当小平面源为球形工作架当小平面源为球形工作架的一部分时，在内球体表面上的一部分时，在内球体表面上的膜厚分布是均匀的。的膜厚分布是均匀的。当当 时，时， 厚厚度度与与 角角无无关关，对对于于一一定定半半径径 的的球球形形工工作作架架，其其内内表表面面膜膜厚厚取取决决于于材材料料性性质质、 的的大大小小及及蒸蒸发发量。量。42特选课件第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸

23、发特性及膜厚分布Evaporation Scheme to achieve Uniform Deposition43特选课件第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布小面积基板时蒸发源的位置配置小面积基板时蒸发源的位置配置 如如果果被被蒸蒸镀镀的的面面积积比比较较小小，可可以以将将蒸蒸发发源源直直接接配配置置于于基基板板的的中中心心线线上上，源源-基基距距H取取11.5D。44特选课件第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布大面积基板和蒸发源的配置大面积基板和蒸发源的配置v 基板公转加自转基板公转加自转v 多点源或小平面蒸发源多点源或小平面蒸发

24、源45特选课件46特选课件第三节第三节 蒸发源的类型蒸发源的类型 蒸发源是蒸发装置的关键部件。最常用的有：电阻法、蒸发源是蒸发装置的关键部件。最常用的有：电阻法、电子束法、高频法等。电子束法、高频法等。 电阻蒸发源电阻蒸发源直接加热法（直接加热法（W、Mo、Ta）间接加热法（间接加热法（Al2O3、BeO等坩埚）等坩埚） 对蒸发源材料的要求（对蒸发源材料的要求（p36表表2-5）1.高熔点高熔点2.饱和蒸气压低饱和蒸气压低3.化学性能稳定，高温下不与蒸发材料反应化学性能稳定，高温下不与蒸发材料反应4.良好的耐热性良好的耐热性5.原料丰富、经济耐用原料丰富、经济耐用 高温时，钽和金形成合金，高温

25、时，钽和金形成合金，铝、铁、镍、钴等与钨、钼、铝、铁、镍、钴等与钨、钼、钽等形成合金钽等形成合金 B2O3与钨、钼、钽有反应，与钨、钼、钽有反应，W与水汽或氧反应，形成挥发与水汽或氧反应，形成挥发性的性的WO、WO2或或WO3；Mo也能与水汽或氧反应生成挥发也能与水汽或氧反应生成挥发性的性的MoO347特选课件第三节第三节 蒸发源的类型蒸发源的类型 改进的办法，是采用氮化硼导电陶瓷坩埚、氧化锆、氧化改进的办法，是采用氮化硼导电陶瓷坩埚、氧化锆、氧化钍、氧化铍、氧化镁、氧化铝坩埚及石磨坩埚，或采用蒸发材钍、氧化铍、氧化镁、氧化铝坩埚及石磨坩埚，或采用蒸发材料自热蒸发源。料自热蒸发源。 常用的蒸发

26、源材料有：常用的蒸发源材料有： W、Mo、Ta，耐高温的金属，耐高温的金属氧化物、陶瓷或石墨坩埚氧化物、陶瓷或石墨坩埚 蒸镀材料对蒸发源材料的蒸镀材料对蒸发源材料的“湿润性湿润性”湿润情况面蒸发源湿润情况面蒸发源湿润小点蒸发源湿润小点蒸发源48特选课件2.4 合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发 对于两种以上元素组成的合金和化合物薄膜，在蒸发时如对于两种以上元素组成的合金和化合物薄膜，在蒸发时如何控制组分，以获得与蒸发材料化学比不变的膜层，是薄膜技何控制组分，以获得与蒸发材料化学比不变的膜层，是薄膜技术中的一个重要问题。术中的一个重要问题。 合金的蒸发合金的蒸发合金的蒸发合金的蒸发 二元以上合

27、金或化合物，由于各成分饱和蒸气压不同，蒸二元以上合金或化合物，由于各成分饱和蒸气压不同，蒸发速率不同，引起薄膜成分偏离。发速率不同，引起薄膜成分偏离。 合金的蒸发可以近似地用拉乌尔定律来处理。合金的蒸发可以近似地用拉乌尔定律来处理。 合金蒸发的组分偏离问题合金蒸发的组分偏离问题49特选课件合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发拉乌尔定律（Raoults Law）1887年，法国化学家Raoult从实验中归纳出一个经验定律：在定温下，在稀溶液中，溶剂的蒸气压等于纯溶剂蒸气压 乘以溶液中溶剂的物质的量分数 ，用公式表示为：如果溶液中只有A，B两个组分，则拉乌尔定律也可表示为：溶剂蒸气压的降低值与纯溶

28、剂蒸气压之比等于溶质的摩尔分数。50特选课件合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发 设设 、 分别围分别围A、B的质量，的质量， 、 为合金中的浓度，为合金中的浓度，则则51特选课件合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发合金各组分的蒸发速率：合金各组分的蒸发速率： 若要保证薄膜组分和蒸发料一致，则必须若要保证薄膜组分和蒸发料一致，则必须 ，实际，实际上难于做到。上难于做到。52特选课件合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发例题：例题： 处于处于1527 下的镍铬合金（下的镍铬合金（Ni80%，Cr20%），），在在 ， 时，蒸发速率比为：时，蒸发速率比为： 铬的初始蒸发速率是镍的铬的初始蒸发速率是镍

29、的2.8倍；倍； 随蒸发过程，随蒸发过程， 会逐渐减小，最终会小于会逐渐减小，最终会小于1。镍镍-铬合金薄膜实验结果证实了上述结果。铬合金薄膜实验结果证实了上述结果。在真空蒸发法制作合金薄膜时，为保证薄膜组成，经常采用在真空蒸发法制作合金薄膜时，为保证薄膜组成，经常采用瞬时蒸发法、双蒸发源法等。瞬时蒸发法、双蒸发源法等。53特选课件合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发 瞬时蒸发法瞬时蒸发法瞬时蒸发法又称瞬时蒸发法又称“闪烁闪烁”蒸发蒸发法。法。优点：优点：优点：优点：可以获得成分均匀的薄可以获得成分均匀的薄膜，方便进行掺杂。膜，方便进行掺杂。缺点：缺点：缺点：缺点：蒸发速率难于控制，蒸蒸发速率

30、难于控制，蒸发速率不能太快。发速率不能太快。多用于多用于-族及族及-半导体半导体化合薄膜的制作。化合薄膜的制作。54特选课件合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发 双源或多源蒸发法双源或多源蒸发法 将将要要形形成成合合金金的的每每一一成成分分，分分别别装装入入各各自自的的蒸蒸发发源源中中，然然后后独独立立地地控控制制其其蒸蒸发发速速率率，使使达达到到基基板板的的各各种种原原子符合组成要求。子符合组成要求。55特选课件合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发 化合物的蒸发化合物的蒸发化合物的蒸发化合物的蒸发 电电阻阻蒸蒸发发法法、反反应应蒸蒸发发法法、双双源源或或多多源源蒸蒸发发法法、三三温温度度法和

31、分子束外延法法和分子束外延法等。等。反应蒸发法：反应蒸发法：主要用于制备高熔点的绝缘介质薄膜，如氧化物、氮化物、硅化物等。三温度法和分子束外延：三温度法和分子束外延：主要用于制备单晶半导体化合物薄膜，特别是-族化合物半导体薄膜。56特选课件反应蒸发法反应蒸发法 将将活活性性气气体体导导入入真真空空室室，并并与与蒸蒸发发源源逸逸出出的的金金属属原原子子、低低价价化化合合物物分分子子在在基基板板表表面面淀淀积积过过程程中中发发生生化化学学反反应应，从从而而形成所需高价化合物薄膜。形成所需高价化合物薄膜。57特选课件合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发58特选课件合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发

32、 在在反反应应蒸蒸发发中中，蒸蒸发发原原子子或或低低价价化化合合物物分分子子与与活活性性气气体体发生反应有三个可能的部位。发生反应有三个可能的部位。 蒸发源表面（尽可能避免）蒸发源表面（尽可能避免） 蒸发源到基板的空间（反应几率很小）蒸发源到基板的空间（反应几率很小） 基板表面（主要反应部位）基板表面（主要反应部位）59特选课件合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发 三温度法三温度法 分分别别控控制制低低蒸蒸气气压压元元素素（ ）的的蒸蒸发发温温度度T、高高蒸蒸气气压压元元素素（ ）的的蒸蒸发发温温度度T和和基基板板温温度度TS，一一共共三三个个温温度，即三温度法。度，即三温度法。 由由于于相相

33、当当与与在在高高蒸蒸气气压压元元素素气气氛氛中中蒸蒸发发低低低低蒸蒸气气压压元元素素，所所以以，类类似似于于反反应应蒸蒸发发法。法。60特选课件合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发MBE 分子束外延分子束外延 分子束外延是分子束外延是5050年代用真空蒸发技术制备半导体薄膜材料年代用真空蒸发技术制备半导体薄膜材料发展而来的。随着超高真空技术的发展而日趋完善，发展而来的。随着超高真空技术的发展而日趋完善，近十几年近十几年来来由于分子束外延技术的发展由于分子束外延技术的发展, ,开拓了一系列崭新的超晶格器件，开拓了一系列崭新的超晶格器件，扩展了半导体科学的新领域，进一步说明了半导体材料的发展扩展了

34、半导体科学的新领域，进一步说明了半导体材料的发展对半导体物理和半导体器件的影响。分子束外延的优点就是能对半导体物理和半导体器件的影响。分子束外延的优点就是能够制备超薄层的半导体材料；外延材料表面形貌好，而且面积够制备超薄层的半导体材料；外延材料表面形貌好，而且面积较大均匀性较好；可以制成不同掺杂剂或不同成份的多层结构；较大均匀性较好；可以制成不同掺杂剂或不同成份的多层结构；外延生长的温度较低，有利于提高外延层的纯度和完整性；利外延生长的温度较低，有利于提高外延层的纯度和完整性；利用各种元素的粘附系数的差别，可制成化学配比较好的化合物用各种元素的粘附系数的差别，可制成化学配比较好的化合物半导体薄

35、膜。半导体薄膜。 61特选课件 分分子子束束外外延延（Molecular beam epitaxy, MBE）是是在在1969年年由由贝贝尔尔（Bell）实实验验室室的的J. R. Arthur命命名名的的。它它是是在在适适当当的的衬衬底底和和合合适适的的条条件件下下，沿沿衬衬底底材材料料晶晶轴轴方方向向生生长长一一层层结结晶晶结结构构完完整整的的新新单单晶晶层层薄薄膜膜的的方方法法，故故称称该该工工艺艺为为外外延延。新新生生的单晶层叫外延层。的单晶层叫外延层。气相外延气相外延（VPE）：）：CVD外延、外延、PVD外延外延液相外延（液相外延（LPE）：）：分子束外延（分子束外延（MBE）：）

36、： 广广泛泛应应用用于于固固态态微微波波器器件件、光光电电器器件件、超超大大规规模模集集成成电电路、光通讯和制备超晶格材料等领域。路、光通讯和制备超晶格材料等领域。62特选课件合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发 交交流流电电弧弧蒸蒸发发法法借借鉴鉴了了碳碳素素膜膜制制备备方方法法，不不需需要要特特别别的的设设备备。蒸蒸发发材材料料作作为为电电极极棒棒安安装装在在与与蒸蒸镀镀室室绝绝缘缘的的两两根根电电极极支支持持棒棒上上，蒸蒸镀镀室室的的真真空空度度达达10-6-10-7 Torr后后，在在电电极极间间加加交交流流电电压压10-50V，移移动动一一个个电电极极，使使其其与与另另一一电电极极接

37、接触触随随后后立立即即拉拉开开。这这样样，在在电电极极间间产产生生电电弧弧放放电电，电电极极材材料料蒸蒸发发，在在与与蒸蒸发发源源相相距距适适当当距距离离的的基片上形成薄膜。基片上形成薄膜。63特选课件合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发 适适当当控控制制蒸蒸镀镀室室的的真真空空度度，直直流流电电弧弧放放电电可可持持续续较较长长时时间间。这这种种方方法法可可用用于于金金属属膜膜的的蒸蒸镀镀，也也可可用用于于铁铁氧氧体体等等氧氧化化膜膜的的蒸蒸镀。镀。 把把烧烧结结的的铁铁氧氧体体块块体体放放入入真真空空度度为为10-5Torr的的蒸蒸镀镀室室内内，使使块块体体表表面面朝朝上上，Mo电电极极棒棒

38、与与块块体体表表面面接接触触，加加直直流流电电压压110V。当当接接触触部部位位熔熔化化时时，将将Mo电电极极稍稍微微拉拉离离表表面面就就会会引引起起电电弧弧放放电电，使铁氧体蒸发。使铁氧体蒸发。 为为了了维维持持放放电电，需需要要有有10-6-10-7 Torr的的真真空空度度和和5-15A的的放放电电电电流流。构构成成铁铁氧氧体体的的金金属属元元素素有有不不同同的的蒸蒸发发温温度度，因因此此得得到到的的蒸蒸镀镀膜膜是是不不均均匀匀的的，但但将将其其在在空空气气加加热热至至1250一一1350就就会会形成均质薄膜。形成均质薄膜。 母母材材的的组组成成与与膜膜的的组组成成是是有有差差别别的的，

39、适适当当选选择择母母材材组组成成就就可以得到符合组成要求的铁氧体薄膜。可以得到符合组成要求的铁氧体薄膜。64特选课件合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发 热壁法热壁法 为为获获得得良良好好的的外外延延生生长长膜膜，人人们们研研究究了了热热壁壁外外延延生生长长法。法。 热热壁壁法法是是利利用用加加热热的的石石英英管管间间接接加加热热蒸蒸发发材材料料，使使其其蒸发，在衬底上形成薄膜。蒸发，在衬底上形成薄膜。 热热壁壁法法的的主主要要结结构构是是在在热热管管( (热热壁壁) )的的上上端端安安装装基基片片，在在热热管管下下端端安安装装蒸蒸发发源源，热热管管起起着着输输运运蒸蒸气气和和使使蒸蒸气气温温

40、度度保保持持均均匀匀的的作作用用。热热管管结结构构是是封封闭闭的的，因因此此可可以以防防止止蒸蒸气气向外部散失，并可控制组分的蒸气压。向外部散失，并可控制组分的蒸气压。65特选课件合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发 热壁法的最大特点是在热热壁法的最大特点是在热平衡状态下成膜。平衡状态下成膜。 可以形成超晶格结构。可以形成超晶格结构。66特选课件合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发激光蒸发法的特点：激光蒸发法的特点： 激光加热可以达到极高的温度，可蒸发任何高熔点材激光加热可以达到极高的温度，可蒸发任何高熔点材料，且获得很高的蒸发速率；料，且获得很高的蒸发速率； 非接触式加热，完全避免了蒸发源的

41、污染，简化了真非接触式加热，完全避免了蒸发源的污染，简化了真空室，非常适合在超高真空下制备高纯薄膜；空室，非常适合在超高真空下制备高纯薄膜； 能对某些化合物或合金进行能对某些化合物或合金进行“闪烁闪烁”蒸发，有利于保蒸发，有利于保证薄膜成分的组成和防止分解，是淀积介质薄膜、半证薄膜成分的组成和防止分解，是淀积介质薄膜、半导体薄膜和无机化合物薄膜的好方法。导体薄膜和无机化合物薄膜的好方法。67特选课件68特选课件膜厚和淀积速率的测量与监控膜厚和淀积速率的测量与监控 薄膜厚度是薄膜最重要的参数之一，它影响着薄膜的各薄膜厚度是薄膜最重要的参数之一，它影响着薄膜的各种性质及其应用。种性质及其应用。 薄

42、膜淀积速率是制膜工艺中的一个重要参数，它直接影薄膜淀积速率是制膜工艺中的一个重要参数，它直接影响薄膜的结构的特性。响薄膜的结构的特性。 重点：薄膜厚度的测量和监控。重点：薄膜厚度的测量和监控。69特选课件膜厚和淀积速率的测量与监控膜厚和淀积速率的测量与监控 膜厚的分类膜厚的分类厚度：是指两个完全平整的平行平面之间的距离。厚度：是指两个完全平整的平行平面之间的距离。理想薄膜厚度：基片表面到薄膜表面之间的距离。理想薄膜厚度：基片表面到薄膜表面之间的距离。 由于薄膜具有显微结构，要严格定义和精确测量薄膜由于薄膜具有显微结构，要严格定义和精确测量薄膜厚度，实际上比较困难的。厚度，实际上比较困难的。 薄

43、膜厚度的定义是与测量方法和目的相关的。薄膜厚度的定义是与测量方法和目的相关的。70特选课件膜厚和淀积速率的测量与监控膜厚和淀积速率的测量与监控71特选课件膜厚和淀积速率的测量与监控膜厚和淀积速率的测量与监控衬底的平均表面衬底的平均表面薄膜形状表面薄膜形状表面质量等价表面质量等价表面物性等价表面物性等价表面72特选课件膜厚和淀积速率的测量与监控膜厚和淀积速率的测量与监控形状厚度形状厚度dT是接近与直观形式的厚度。是接近与直观形式的厚度。质量厚度质量厚度dM反映了薄膜中质量的多少。反映了薄膜中质量的多少。物性厚度物性厚度dP实际使用较少。实际使用较少。73特选课件膜厚和淀积速率的测量与监控膜厚和淀

44、积速率的测量与监控 称重法称重法称重法称重法 微微量量天天平平法法：采采用用微微天天平平直直接接测测量量基基片片上上的的薄薄膜膜质质量量，得得到质量膜厚。到质量膜厚。 使使用用高高灵灵敏敏度度微微天天平平可可检检测测的的膜膜厚厚质质量量为为1 11010-7-7kgkgm m2 2。这这一一膜膜厚厚质质量量相相当当于于单单原原子子层层普普通通薄薄膜膜物物质质的的l l2020至至几几分分之之一一。从从可可以以检检测测基基片片上上微微量量附附着着量量的的意意义义上上说说，微微天天平平是是膜膜厚厚测量中最敏感的方法。测量中最敏感的方法。 这这种种方方法法是是直直接接测测量量，其其测测量量值值是是可

45、可靠靠的的。可可以以在在蒸蒸镀镀过过程程中中进进行行膜膜厚厚测测量量，有有效效用用于于膜膜厚厚监监控控。该该法法可可用用于于薄薄膜膜制制作作初初期期膜膜厚厚测测量量和和石石英英晶晶体体振振动动子子的的校校正正，也也可可用用于于基基片片上上吸吸附附气体量的测量。气体量的测量。74特选课件膜厚和淀积速率的测量与监控膜厚和淀积速率的测量与监控优点：灵敏度高，能测量淀积质量的绝对值；能在比较广优点：灵敏度高，能测量淀积质量的绝对值；能在比较广的范围内选择基片材料；能在淀积过程中跟踪质量的变化。的范围内选择基片材料；能在淀积过程中跟踪质量的变化。存在问题：不能在一个基片上测量厚度分布；由于薄膜的存在问题

46、：不能在一个基片上测量厚度分布；由于薄膜的密度与体材料不同，实测的薄膜厚度稍小于实际厚度。其密度与体材料不同，实测的薄膜厚度稍小于实际厚度。其应用目前还没有普及，原因是需要极纯熟的操作技术和系应用目前还没有普及，原因是需要极纯熟的操作技术和系统构成技术条件（常用石英丝扭转天平）。统构成技术条件（常用石英丝扭转天平）。75特选课件习题、思考题习题、思考题1.1.什么是饱和蒸气压、蒸发温度？什么是饱和蒸气压、蒸发温度？2.2.克克- -克方程及其意义？克方程及其意义？3.3.蒸发速率、温度变化对其影响？蒸发速率、温度变化对其影响？4.4.平均自由程与碰撞几率的概念。平均自由程与碰撞几率的概念。5.5.点蒸发源和小平面蒸发源特性？点蒸发源和小平面蒸发源特性？6.6.拉乌尔定律？如何控制合金薄膜的组分？拉乌尔定律？如何控制合金薄膜的组分？7.7.MBEMBE的特点？的特点？8.8.膜厚的定义？监控方法？膜厚的定义？监控方法？9.9.从从网网上上找找出出一一种种商商业业化化的的膜膜厚厚测测量量仪仪，并并写写出出其其主主要要性性能能参数。参数。76特选课件