《蒸发法薄膜制备》PPT课件

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1、1.平均自由程的定义及公式，物理含义平均自由程的定义及公式，物理含义2.三种常见的真空泵，它们的特点及具体应用。三种常见的真空泵，它们的特点及具体应用。3.常见真空计的类型及使用范围常见真空计的类型及使用范围4.现有机械泵、分子泵，请将他们按适当的顺序连接到真空现有机械泵、分子泵，请将他们按适当的顺序连接到真空制膜腔体上（画图），并说明理由。制膜腔体上（画图），并说明理由。第一章第一章 薄膜技术基础薄膜技术基础作作 业业第二章、真空蒸发镀膜第二章、真空蒸发镀膜物理气相沉积物理气相沉积定义定义 物理气相沉积物理气相沉积(physical vapor deposition，PVD)是利用某种物理过

2、程，是利用某种物理过程，如物质的热蒸发或在受到粒子轰击时物质如物质的热蒸发或在受到粒子轰击时物质表面原子的溅射等现象，实现物质原子从表面原子的溅射等现象，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移的过程。源物质到薄膜的可控转移的过程。特点（与特点（与CVD相比）相比）(1)需要使用固态的或者熔融态的物质作为沉积需要使用固态的或者熔融态的物质作为沉积过程的源物质；过程的源物质；(2)源物质经过物理过程而进入气相；源物质经过物理过程而进入气相；(3)需要相对较低的气体压力环境；需要相对较低的气体压力环境； a)其他气体分子对于气相分子的散射作用较小其他气体分子对于气相分子的散射作用较小 b)气相分子的运

3、动路径近似为一条直线；气相分子的运动路径近似为一条直线； c)气相分子在衬底上的沉积几率接近气相分子在衬底上的沉积几率接近100。(4)在气相中及在衬底表面大多不发生化学反应在气相中及在衬底表面大多不发生化学反应 定义定义：简称真空蒸镀，在真空腔室中加热原：简称真空蒸镀，在真空腔室中加热原材料，使其以材料，使其以原子原子或者或者分子分子的形式逸出（的形式逸出（熔化熔化升华升华），形成蒸），形成蒸气气流，入射到基片表面并凝结流，入射到基片表面并凝结成连续薄膜的方法。成连续薄膜的方法。主要部件主要部件分分子子泵泵机机械械泵泵排气口排气口观察窗观察窗电源电源电源电源基片基片加热器加热器线缆线缆(1)

4、真空室真空室(2)蒸发源蒸发源(3)基板基板(4)基板加热器基板加热器及测温器等：及测温器等：真空蒸发的过程真空蒸发的过程蒸发逸出蒸发逸出粒子输运粒子输运凝聚成膜凝聚成膜凝凝聚聚相相气气相相。该该阶阶段段的的主主要要作用因素：饱和蒸气压作用因素：饱和蒸气压蒸蒸气气流流在在蒸蒸发发源源与与基基片片之之间间的的飞飞行行, ,该该阶阶段段的的主主要要作作用用因因素素：分子的平均自由程分子的平均自由程凝聚凝聚成核成核核生长核生长连续薄膜连续薄膜真空蒸发镀膜的特点真空蒸发镀膜的特点B缺点缺点(1)薄膜与基片的附着力小；薄膜与基片的附着力小；(2)工艺重复性不好，膜厚不易控制；工艺重复性不好，膜厚不易控制

5、；(3)不能淀积高熔点物质；不能淀积高熔点物质；(4)加热器具易污染薄膜原材料。加热器具易污染薄膜原材料。A优点优点(1)设备简单，操作容易；设备简单，操作容易；(2) 成膜速率快，成膜速率快，0.1-50 m/min；(3)制得的薄膜纯度高、分布均匀；制得的薄膜纯度高、分布均匀；(4)薄膜生长机理单纯。薄膜生长机理单纯。1.真空蒸发原理真空蒸发原理决定因素决定因素饱和蒸气压：气饱和蒸气压：气液液平衡平衡称为饱和，饱和状态称为饱和，饱和状态的气体与液体分别称为饱和气体与饱和液体，的气体与液体分别称为饱和气体与饱和液体，该状态下的压力称为饱和蒸气压。该状态下的压力称为饱和蒸气压。平衡平衡气相与液

6、相的气相与液相的能量、质量能量、质量交换相等交换相等一定温度下，气态与液态分子数目交换相等一定温度下，气态与液态分子数目交换相等真空蒸发近似平衡过程，需保持真空与温度真空蒸发近似平衡过程，需保持真空与温度常识气与汽不一样气与汽不一样临界温度与室温相比不同临界温度与室温相比不同室温下，汽可压缩成液体，气不可压缩成液体室温下，汽可压缩成液体，气不可压缩成液体蒸气压方程蒸气压方程控制温度与压强控制温度与压强Step1：克拉伯龙克拉伯龙克劳修斯方程克劳修斯方程P Pv v饱和蒸气压，饱和蒸气压，饱和蒸气压，饱和蒸气压，HHv v摩尔摩尔摩尔摩尔气化热气化热气化热气化热或者或者或者或者液化热，液化热，液

7、化热，液化热，V V摩尔体积摩尔体积摩尔体积摩尔体积Step2：忽略液体体积忽略液体体积,气体状态方程气体状态方程Step3：代入克代入克克方程克方程Step4：解微分方程解微分方程安托万方程安托万方程安托万方程安托万方程安托万常数安托万常数安托万常数安托万常数100100PaPa以下适用以下适用以下适用以下适用PvT蒸发温度蒸发温度定义：饱和蒸气压为定义：饱和蒸气压为定义：饱和蒸气压为定义：饱和蒸气压为1010-2-2托时的温度。托时的温度。托时的温度。托时的温度。由此，蒸发材料分为两种：由此，蒸发材料分为两种：由此，蒸发材料分为两种：由此，蒸发材料分为两种：1 1）蒸发：蒸发温度大于）蒸发

8、：蒸发温度大于）蒸发：蒸发温度大于）蒸发：蒸发温度大于熔点，大多数金属熔点，大多数金属熔点，大多数金属熔点，大多数金属2 2）升华：加热温度小于）升华：加热温度小于）升华：加热温度小于）升华：加热温度小于熔点，如熔点，如熔点，如熔点，如CrCr、TiTi、MoMo、FeFe等等等等 1.真空蒸发原理真空蒸发原理决定因素决定因素 蒸发速率：单位面积上，单位时间内从气蒸发速率：单位面积上，单位时间内从气相到达固相表面并能够停留的分子数。相到达固相表面并能够停留的分子数。单位面积单位面积单位面积单位面积停留分子数停留分子数停留分子数停留分子数碰撞频率碰撞频率逸出几率逸出几率当当=1，Ph=0时，蒸发

9、速率最大时，蒸发速率最大如何获得最大蒸发速率？如何获得最大蒸发速率？1.基片足够清洁，减少逸出；基片足够清洁，减少逸出；2.冷却基片（特殊情况除外）；冷却基片（特殊情况除外）；3.升高蒸发源温度，增大蒸气压。升高蒸发源温度，增大蒸气压。4.提高背底真空度，增大蒸发系数提高背底真空度，增大蒸发系数。不完全蒸发、逸出不完全蒸发、逸出不完全蒸发、逸出不完全蒸发、逸出从液面逸出从液面逸出从液面逸出从液面逸出 蒸发系数蒸发系数蒸发系数蒸发系数P Ph h液体静压液体静压液体静压液体静压( (个个个个/ /mm2 2 s, Pa)s, Pa)以质量表示的最大蒸发速率以质量表示的最大蒸发速率(kg/m2s,

10、 Pa)温度、饱和蒸气压变化，引起蒸发速率变化，但温度、饱和蒸气压变化，引起蒸发速率变化，但是温度决定饱和蒸气压，故而温度决定蒸发速率是温度决定饱和蒸气压，故而温度决定蒸发速率这里的温度是沉积腔内蒸气的温度，因此这里的温度是沉积腔内蒸气的温度，因此接近蒸发源的温度，但不是基片的温度。接近蒸发源的温度，但不是基片的温度。例例注注注注意意意意实验室温度条件下采用真空蒸发沉积银膜，实验室温度条件下采用真空蒸发沉积银膜，黏附系黏附系数为数为1,1,求真空沉积腔内的压强为求真空沉积腔内的压强为1 1PaPa时的蒸发速率时的蒸发速率解：查表得解：查表得解：查表得解：查表得1 1PaPa下蒸发温度分别为下蒸

11、发温度分别为下蒸发温度分别为下蒸发温度分别为13001300KK：(kg/m2s, Pa)温度变化对蒸发速率的影响温度变化对蒸发速率的影响在高真空条件下，原材料的蒸发温度比较低，在高真空条件下，原材料的蒸发温度比较低，蒸发比较容易，真空腔内其他分子数所占比例蒸发比较容易，真空腔内其他分子数所占比例非常小，主要以蒸发气体分子为主，所以可以非常小，主要以蒸发气体分子为主，所以可以近似认为蒸发系数等于近似认为蒸发系数等于1 1；并且基片足够清洁时；并且基片足够清洁时黏附系数也等于黏附系数也等于1 1。例例已知铝的蒸气压与温度的对应关系如下表已知铝的蒸气压与温度的对应关系如下表:蒸气压蒸气压(Pa)1

12、0-2100102温度温度(K)124514901830求在求在102Pa蒸气压下，温度变化蒸气压下，温度变化1%时蒸发速率的变化时蒸发速率的变化解：将上表值代入公式：解：将上表值代入公式：解：将上表值代入公式：解：将上表值代入公式：可求得多个可求得多个可求得多个可求得多个B B值，求平均，得值，求平均，得值，求平均，得值，求平均，得B B 10104 4根据公式：根据公式：根据公式：根据公式：10102 2PaPa下下下下说说说说明明明明蒸发源温度影响巨大，必须严格控制蒸发温度！蒸发源温度影响巨大，必须严格控制蒸发温度！1.真空蒸发原理真空蒸发原理决定因素决定因素讨讨论论P Pv vPb背底

13、真空度与饱和蒸气压有何关系？背底真空度与饱和蒸气压有何关系？（1 1）P Pb b P Pv v（2 2）P Pv v P Pb b是能够成膜的关键是能够成膜的关键是能够成膜的关键是能够成膜的关键（3 3）保持高真空，以使在）保持高真空，以使在）保持高真空，以使在）保持高真空，以使在较低的蒸气压下就可以蒸发较低的蒸气压下就可以蒸发较低的蒸气压下就可以蒸发较低的蒸气压下就可以蒸发成膜，也可以降低能耗。成膜，也可以降低能耗。成膜，也可以降低能耗。成膜，也可以降低能耗。（4 4）蒸气分子要与残余气）蒸气分子要与残余气）蒸气分子要与残余气）蒸气分子要与残余气体分子碰撞，两者都可能体分子碰撞，两者都可能

14、体分子碰撞，两者都可能体分子碰撞，两者都可能与基片碰撞。与基片碰撞。与基片碰撞。与基片碰撞。决定因素决定因素蒸气分子平均自由程与碰撞几率蒸气分子平均自由程与碰撞几率（1 1）蒸气分子的平均自由程）蒸气分子的平均自由程各符号的意义各符号的意义: n，d，P，T注注注注意意意意n n：蒸气分子与残余气体分子碰撞，蒸气分子与残余气体分子碰撞，蒸气分子与残余气体分子碰撞，蒸气分子与残余气体分子碰撞， 忽略蒸气分子之间的碰撞忽略蒸气分子之间的碰撞忽略蒸气分子之间的碰撞忽略蒸气分子之间的碰撞残余气体分残余气体分子密度子密度d d：碰撞截面直径，蒸发分子小碰撞截面直径，蒸发分子小碰撞截面直径，蒸发分子小碰撞

15、截面直径，蒸发分子小蒸发分子直径蒸发分子直径蒸发分子直径蒸发分子直径P P：蒸发分子已脱离蒸发源表面蒸发分子已脱离蒸发源表面蒸发分子已脱离蒸发源表面蒸发分子已脱离蒸发源表面腔内压强腔内压强腔内压强腔内压强( (真空真空真空真空) )T T：蒸发分子温度，但远离蒸发源蒸发分子温度，但远离蒸发源蒸发分子温度，但远离蒸发源蒸发分子温度，但远离蒸发源略低于蒸发温度略低于蒸发温度略低于蒸发温度略低于蒸发温度讨讨论论平均自由程与源平均自由程与源基距的关系基距的关系PaPa范围，蒸气温度在范围，蒸气温度在范围，蒸气温度在范围，蒸气温度在1000150010001500KK，分子直径约分子直径约分子直径约分子

16、直径约1010 ，算算算算出出出出 约为约为约为约为550550cmcm。（1 1）可以采用高真空使得）可以采用高真空使得）可以采用高真空使得）可以采用高真空使得 远大于沉积腔尺寸，蒸远大于沉积腔尺寸，蒸远大于沉积腔尺寸，蒸远大于沉积腔尺寸，蒸气分子几乎不发生碰撞到达基片，但是压强越低，气分子几乎不发生碰撞到达基片，但是压强越低，气分子几乎不发生碰撞到达基片，但是压强越低，气分子几乎不发生碰撞到达基片，但是压强越低，蒸气分子密度越小。蒸气分子密度越小。蒸气分子密度越小。蒸气分子密度越小。（2 2）可以缩短源）可以缩短源）可以缩短源）可以缩短源基距使蒸气分子顺利达到基片，基距使蒸气分子顺利达到基

17、片，基距使蒸气分子顺利达到基片，基距使蒸气分子顺利达到基片，但薄膜生长不易控制，受蒸发源影响大。但薄膜生长不易控制，受蒸发源影响大。但薄膜生长不易控制，受蒸发源影响大。但薄膜生长不易控制，受蒸发源影响大。（2 2）蒸气分子与残余气体分子的碰撞几率）蒸气分子与残余气体分子的碰撞几率表示蒸气分子飞越表示蒸气分子飞越x距离后，与残余气体的碰撞几率距离后，与残余气体的碰撞几率(1) 增加增加10倍，倍，f减小减小7倍倍(2)若要求若要求f0.1,源基距为源基距为25cm则则P 310-3Pa 2.2.真空蒸发制膜的纯度真空蒸发制膜的纯度残余气体的组成及其影响。残余气体的组成及其影响。大大气气的的残残余

18、余物物（O2、N2、CO2、H2O），扩扩散散泵泵油油蒸蒸气，真空室吸气。气，真空室吸气。当当P10-4Pa时，主要为真空室吸气。时，主要为真空室吸气。水汽易与金属膜反应，或与加热器材料反应。水汽易与金属膜反应，或与加热器材料反应。在设计优良的系统中在设计优良的系统中 ，扩散油蒸气不明显。，扩散油蒸气不明显。影响薄膜纯度的因素：影响薄膜纯度的因素：1.1.蒸发源物质的纯度；蒸发源物质的纯度；2.2.加热装置、加热装置、坩埚的污染；坩埚的污染；3.3.残留气体的污染。残留气体的污染。残余气体杂质浓度公式残余气体杂质浓度公式讨讨论论是否可从蒸发速率公式、气体碰撞频率公式，粘附系数出发，推导公式？蒸

19、发速率虽然可以认为是沉积（生长）速率，蒸发速率虽然可以认为是沉积（生长）速率，但公式中各参数难以确定。但公式中各参数难以确定。通常可以通过实验确定厚度沉积速率通常可以通过实验确定厚度沉积速率s(/s)(1)以原子个数表示的沉积速率:(2)杂质原子的粘附系数为1，则杂质原子的沉积速率即为碰撞频率:(3)两者相比可得杂质浓度公式:提高纯度的措施：提高纯度的措施：1.1.提高本底真空度，蒸发可比溅射低提高本底真空度，蒸发可比溅射低5 5个数量级个数量级2.2.提高沉积速率，蒸发比溅射高提高沉积速率，蒸发比溅射高1 1个量级以上个量级以上3.蒸发制膜的厚度分布及蒸发源特性蒸发制膜的厚度分布及蒸发源特性

20、假设：假设：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在蒸发源附近的蒸发原子间也不发生碰撞在蒸发源附近的蒸发原子间也不发生碰撞3蒸发原子到达基板上后不发生再蒸发现象蒸发原子到达基板上后不发生再蒸发现象影响膜厚分布的因素：影响膜厚分布的因素：A蒸发源的特性；蒸发源的特性；B基板与蒸发源的几何形状，相对位置基板与蒸发源的几何形状，相对位置(1)点蒸发源膜厚分布点蒸发源膜厚分布点蒸发源点蒸发源dS以每秒以每秒m克向克向各方向蒸发，则处于立体各方向蒸发，则处于立体角角d 中的蒸发量中的蒸发量dm为为:到达到达ds2面的蒸发速率，若黏面的蒸发速率，若黏附

21、系数为附系数为1，即为沉积速率。，即为沉积速率。假设厚度沉积速率为假设厚度沉积速率为t，膜的密度，膜的密度为 上式说明了源上式说明了源基距为基距为h，偏离基片中心，偏离基片中心x距离时距离时的厚度，很显然，当源的厚度，很显然，当源基距一定时，基距一定时，x=0 0处，处，即处于基片中心的膜厚即处于基片中心的膜厚t0最大：最大：膜厚分布膜厚分布:源源基距、基片尺寸对膜厚分布的影响基距、基片尺寸对膜厚分布的影响讨讨论论t/t0ht/t0x基片尺寸一定时基片尺寸一定时源源基距一定时基距一定时(2)小平面蒸发源的膜厚分布小平面蒸发源的膜厚分布特点：射入小孔的分子方向不改变特点：射入小孔的分子方向不改变

22、在在角方向蒸发的材料质量与角方向蒸发的材料质量与cos成正比成正比半球面半球面(余弦散射定理余弦散射定理) = l点源与小平面蒸发源相比，厚度的均匀性要好一些点源与小平面蒸发源相比，厚度的均匀性要好一些 l但淀积速率要低得多但淀积速率要低得多 ，单位质量的原料所得膜厚，单位质量的原料所得膜厚1/4课堂思考课堂思考1.结合物理气相制膜的特点，说明为什么制备结合物理气相制膜的特点，说明为什么制备薄膜时需要真空？薄膜时需要真空？4.4.蒸发源与基板的相对位置配置蒸发源与基板的相对位置配置 (1)点点源源蒸发源放在球心，蒸发源放在球心，基板放在球面上，基板放在球面上，可得到均匀薄膜。可得到均匀薄膜。x

23、=0h(2)小平面蒸发源小平面蒸发源蒸发源、基板放在蒸发源、基板放在同一球面上，同一球面上，可得到均匀薄膜。可得到均匀薄膜。5. 5. 蒸发源的类型蒸发源的类型 最常用的加热方式：最常用的加热方式：电阻法、电阻法、电子束法、电子束法、高频感应高频感应激光激光 一、电阻蒸发源一、电阻蒸发源 蒸发源材料的要求蒸发源材料的要求1）熔熔点点要要高高，熔熔点点要要高高于于被被蒸蒸发发物物质质的的蒸蒸发温度（多在发温度（多在10002000）；）；2）饱饱和和蒸蒸气气压压低低，减减少少蒸蒸发发源源材材料料蒸蒸气气的的污污染染.要要求求：蒸蒸发发材材料料的的蒸蒸发发温温度度低低于于蒸蒸发源材料在平衡蒸气压为

24、发源材料在平衡蒸气压为10-8托时的温度。托时的温度。3）化学性能稳定，不与镀料反应。）化学性能稳定，不与镀料反应。4）耐耐热热性性好好，热热源源变变化化时时，功功率率密密度度变变化化较小。较小。5）经济耐用。）经济耐用。 金属电阻蒸发源材料金属电阻蒸发源材料加工性：加工性：W最差，室温很脆，需最差，室温很脆，需400高温退火高温退火Mo好好Ta最好最好金属蒸发源与镀料的反应金属蒸发源与镀料的反应例子：钽与金；例子：钽与金； 铝、铁、镍、钴等与钨、钼、钽。铝、铁、镍、钴等与钨、钼、钽。改进方法：陶瓷坩埚改进方法：陶瓷坩埚陶瓷坩埚的性能陶瓷坩埚的性能 镀料熔化后，若有沿蒸发源扩展的倾向时，两镀料

25、熔化后，若有沿蒸发源扩展的倾向时，两者是浸润的。反之，是不浸润的。浸润时，为面蒸者是浸润的。反之，是不浸润的。浸润时，为面蒸发源，蒸发状态稳定。不侵润时，为点蒸发源，若发源，蒸发状态稳定。不侵润时，为点蒸发源，若用丝式蒸发源时镀料易脱落。用丝式蒸发源时镀料易脱落。镀料与蒸发源的浸润性镀料与蒸发源的浸润性各种形状的电阻蒸发源各种形状的电阻蒸发源1）丝式）丝式 a)、b)要求浸润性，镀料要求浸润性，镀料为丝状。但浸润好意味着为丝状。但浸润好意味着有轻微合金化，只能用有轻微合金化，只能用1次。次。 c)不要求浸润性，镀料可不要求浸润性，镀料可丝状、块状丝状、块状蒸发加热丝的直径：蒸发加热丝的直径：m

26、m，mm,多股多股2）蒸发舟）蒸发舟 用金属箔制成，箔厚用金属箔制成，箔厚mm，可蒸发可蒸发块状、丝状、粉状镀料块状、丝状、粉状镀料注意避免局部过热，注意避免局部过热，发生飞溅发生飞溅3）外热坩埚）外热坩埚二、电子束蒸发源二、电子束蒸发源 定定义义：将将镀镀料料放放入入水水冷冷铜铜坩坩埚埚中中，利利用用高高能能电电子子束束轰轰击击镀镀料料，使其受热蒸发。使其受热蒸发。电阻蒸发源的缺点电阻蒸发源的缺点 1）不能蒸发某些难熔金）不能蒸发某些难熔金 属和氧化物属和氧化物 2）不能制备高纯度薄膜不能制备高纯度薄膜电子束加热的特点电子束加热的特点一、优点：一、优点：1）采用聚焦电子束，功率密度高，可蒸发

27、高熔点）采用聚焦电子束，功率密度高，可蒸发高熔点 镀料（镀料（3000以上）如以上）如W，Mo，Ge，SiO2， Al2O3等。等。2）采用水冷坩埚，可避免坩埚材料的蒸发，及）采用水冷坩埚，可避免坩埚材料的蒸发，及 坩埚与镀料的反应，制得高纯度薄膜。坩埚与镀料的反应，制得高纯度薄膜。3）热量直接加在镀料上，热效率高，传导，辐射）热量直接加在镀料上，热效率高，传导，辐射 的热损失少。的热损失少。二、缺点：二、缺点：1）电子枪发出的一次电子和蒸发材料发出的二）电子枪发出的一次电子和蒸发材料发出的二 次电子会使蒸发原子和残留气体电离，影响次电子会使蒸发原子和残留气体电离，影响 膜层质量。膜层质量。2

28、）多数化合物在受到电子轰击时会部分分解。）多数化合物在受到电子轰击时会部分分解。3）设备结构复杂，昂贵。）设备结构复杂，昂贵。4）当加速电压过高时产生软）当加速电压过高时产生软X射线会对人体有伤射线会对人体有伤 害。害。 4）电子束蒸发源的结构）电子束蒸发源的结构环形枪：环状阴极发射电子，结构简单环形枪：环状阴极发射电子，结构简单缺点：阴极与坩埚近，阴极材料的蒸发污染；缺点：阴极与坩埚近，阴极材料的蒸发污染； 阴极与坩埚加有高压，导致闪火、辉光放电，阴极与坩埚加有高压，导致闪火、辉光放电， 并随蒸气压力和电压增加，导致功率、效率上不并随蒸气压力和电压增加，导致功率、效率上不去。去。直枪直枪轴对

29、称的直线加速轴对称的直线加速电子枪，阴极发射电子枪，阴极发射电子，阳极加速，电子，阳极加速，缺点是体积大，成缺点是体积大，成本高，蒸镀材料会本高，蒸镀材料会污染枪体，灯丝逸污染枪体，灯丝逸出的出的Na+离子污染膜离子污染膜层。层。 偏转枪偏转枪偏转偏转180 偏转偏转270，e型枪型枪e型枪优点型枪优点1）电子束偏转）电子束偏转180 以上，多为以上，多为270 ， 避免了镀膜材料对枪体的污染，并给镀避免了镀膜材料对枪体的污染，并给镀 膜留出了更大的空间。膜留出了更大的空间。2）收集极使正离子对膜的影响减少。）收集极使正离子对膜的影响减少。3）吸收极使二次电子对基板的轰击减少。）吸收极使二次电

30、子对基板的轰击减少。4）阴极结构防止极间放电，又避免了灯丝）阴极结构防止极间放电，又避免了灯丝 污染。污染。5）可通过调节磁场改变电子束的轰击位置。）可通过调节磁场改变电子束的轰击位置。三、高频感应蒸发源三、高频感应蒸发源 原理：将镀料放在坩原理：将镀料放在坩埚中，坩埚放在高频埚中，坩埚放在高频螺旋线圈的中央，使螺旋线圈的中央，使镀料在高频电磁场的镀料在高频电磁场的感应下产生涡流损失感应下产生涡流损失和磁滞损失（对铁磁和磁滞损失（对铁磁体）而升温蒸发。体）而升温蒸发。 二）特点：二）特点：1）蒸发速率大，可比电阻蒸发源大）蒸发速率大，可比电阻蒸发源大10倍左右。倍左右。2）蒸发源的温度均匀稳定

31、，不易产生飞溅现象。）蒸发源的温度均匀稳定，不易产生飞溅现象。3）镀镀料料是是金金属属时时可可自自身身产产生生热热量量，坩坩锅锅可可选选用用与与蒸发材料反应最小的材料。蒸发材料反应最小的材料。三）缺点：三）缺点：1）蒸蒸发发装装置置必必须须屏屏蔽蔽，否否则则会会对对广广播播通通讯讯产产生生影影响。响。2）线线圈圈附附近近压压强强超超过过10-2Pa时时，高高频频电电场场会会使使残残余气体电离。余气体电离。3）高频发生器昂贵。）高频发生器昂贵。四、激光蒸发四、激光蒸发 优点：优点：1）加加热热温温度度高高，可可蒸蒸发发任任何何吸吸收收激激光光的的材材料料（如如石墨，熔点为石墨，熔点为3500 ）

32、。）。2）采采用用非非接接触触式式加加热热，避避免免了了蒸蒸发发源源的的污污染染，非非常适宜于制备高纯薄膜。常适宜于制备高纯薄膜。3）蒸发速率可极高（如）蒸发速率可极高（如Si可得到可得到106/s ）。）。4）方便于多源顺序蒸发或多源共蒸发。方便于多源顺序蒸发或多源共蒸发。定义：利用高能激光作为热源来蒸镀薄膜的方法。定义：利用高能激光作为热源来蒸镀薄膜的方法。激光器激光器材料材料波长波长脉宽脉宽脉冲频率脉冲频率功率功率连续激光器连续激光器CO210.6m/100W脉冲脉冲激光器激光器准分子激光准分子激光红宝石红宝石YAGNd玻璃玻璃XeFXeClKrFArF6943 1.06m可调可调351

33、nm308nm248nm193nm30ns200ns0.4ms20-30ns25-30ns0.2Hz1000-20000.1Hz1-20Hz5Hz10Hz104W/cm2105-106105W/cm20.1-1J650mJ3-4J准分子激光的特点：波长短、脉宽短、频率低准分子激光的特点：波长短、脉宽短、频率低CO2激光激光连续激光连续激光材料表面温度：材料表面温度：P:激光功率激光功率r:反射率反射率d:光点直径光点直径k:导热系数导热系数例：例：P=100W,r=0，d=1mm,k=50W/mk石墨表面石墨表面1000 ，改用粉末状镀料，导改用粉末状镀料，导热系数下降热系数下降1个量级个量级

34、脉冲激光脉冲激光特点特点：闪烁蒸发，有利：闪烁蒸发，有利于控制化学成分和防止于控制化学成分和防止分解；又由于材料气化分解；又由于材料气化时间短，不足以使周围时间短，不足以使周围材料达到蒸发温度，所材料达到蒸发温度，所以不易出现分馏现象。以不易出现分馏现象。脉冲激光脉冲激光烧蚀烧蚀（Pulsed Laser Ablation）定义：将准分子激光器所产生的高强度脉冲激光定义：将准分子激光器所产生的高强度脉冲激光束聚焦于靶材表面，使之产生高温并熔蚀，并进束聚焦于靶材表面，使之产生高温并熔蚀，并进一步产生高温高压一步产生高温高压等离子体等离子体，等离子体作定向局，等离子体作定向局域膨胀发射并在衬底上淀

35、积形成薄膜。域膨胀发射并在衬底上淀积形成薄膜。PLA成膜过程成膜过程1. 激光表面熔蚀，使激光表面熔蚀，使蒸发粒子和等离子体蒸发粒子和等离子体产生产生局域等温局域等温膨胀发射膨胀发射 3. 在基板上沉积形成薄膜在基板上沉积形成薄膜 (1) 激光与靶的作用过程激光与靶的作用过程 高强度脉冲激光照射靶材时，靶材吸收高强度脉冲激光照射靶材时，靶材吸收激光束能量并使束斑处的靶材温度迅速升高激光束能量并使束斑处的靶材温度迅速升高至蒸发温度以上，使靶材至蒸发温度以上，使靶材气化蒸发并电离，气化蒸发并电离，从而形成局域化的高浓度从而形成局域化的高浓度蒸发粒子与等离子蒸发粒子与等离子混合体混合体。在纳秒级短脉

36、冲激光的作用期间，。在纳秒级短脉冲激光的作用期间，靶体内束斑处原子的扩散和液相的对流来不靶体内束斑处原子的扩散和液相的对流来不及发生，靶材的各组份元素一致气化，不出及发生，靶材的各组份元素一致气化，不出现分馏现象。现分馏现象。(2) 等离子体的定向局域等温绝热膨胀发等离子体的定向局域等温绝热膨胀发射射 靶表面等离子体区继续吸收激光的能量，靶表面等离子体区继续吸收激光的能量，产生进一步的电离，等离子体区的温度和压产生进一步的电离，等离子体区的温度和压力迅速升高，以等温（激光作用时）和绝热力迅速升高，以等温（激光作用时）和绝热（激光终止时）膨胀的方式沿靶面轴线向空（激光终止时）膨胀的方式沿靶面轴线

37、向空间中传播，传播的速度可高达间中传播，传播的速度可高达105106cm/s，具有具有瞬间爆炸瞬间爆炸的形式，在空间中形成细长的的形式，在空间中形成细长的等离子体羽辉。羽辉的空间分布可用高次余等离子体羽辉。羽辉的空间分布可用高次余弦弦cosn 描述，描述， 为相对靶面法线的夹角。为相对靶面法线的夹角。n的的典型值为典型值为510，视靶材而异。，视靶材而异。 (3) 在基板上沉积形成薄膜在基板上沉积形成薄膜 在在绝绝热热膨膨胀胀的的等等离离子子体体遇遇到到靶靶对对面面的的基基板板后后即即在在上上面面凝凝结结形形成成薄薄膜膜。等等离离子子体体能能量量在在10103eV之之间间，其其最最可可几几分分

38、布布为为60100 eV，远远高于常规蒸发和溅射产物的能量。远远高于常规蒸发和溅射产物的能量。PLA的主要特点的主要特点 (1)PLA法可以生长和靶材成份一致的多元化合物薄膜，甚至是法可以生长和靶材成份一致的多元化合物薄膜，甚至是含有易挥发元素的多元化合物薄膜。含有易挥发元素的多元化合物薄膜。其原因有三：其原因有三：第一，第一，由于采用闪烁蒸发，脉冲作用时间短，重复频率低，表面熔由于采用闪烁蒸发，脉冲作用时间短，重复频率低，表面熔蚀区只有蚀区只有110 m，而靶的其他部分（包括夹具、垫板等）处于绝而靶的其他部分（包括夹具、垫板等）处于绝热状态，不受激光加热的影响，保证了蒸发原子与靶材的一致性。

39、热状态，不受激光加热的影响，保证了蒸发原子与靶材的一致性。第二，第二，由于等离子体的瞬间爆炸式发射，以及等离子体沿轴向空间由于等离子体的瞬间爆炸式发射，以及等离子体沿轴向空间的约束效应，防止了在输运过程中可能出现的成份偏析。的约束效应，防止了在输运过程中可能出现的成份偏析。第三，第三，成膜的的原子、分子和离子具有极快的运动速度，增强了原成膜的的原子、分子和离子具有极快的运动速度，增强了原子间的结合力，消除了由于不同种类原子与衬底之间粘接系数不同子间的结合力，消除了由于不同种类原子与衬底之间粘接系数不同所引起的成份偏离。所引起的成份偏离。 (2)准准分分子子激激光光波波长长短短，其其辐辐射射频频

40、率率位位于于紫紫外外波波段段，易易于于被被金金属属、氧氧化化物物、陶陶瓷瓷、玻玻璃璃、高高分分子子材材料料和和塑塑料料等等多多种种材材料料吸吸收收。用用其其加加热热可可以以达达到到极极高高的的温温度度，可可蒸蒸发发任任何何高高熔熔点点材材料料，并并且且可可以以获获得得很很高高的的沉沉积积速速率率(1050nm/min)。 蒸蒸发发粒粒子子与与等等离离子子混混合合体体能能量量高高，入入射射原原子子在在衬衬底底表表面面的的扩扩散散剧剧烈烈。并并且且由由于于脉脉冲冲频频率率低低，使使得得成成膜膜原原子子的的扩扩散散时时间间也也足足够够长长。因因此此薄薄膜膜的的附附着着力力好好，易易于于在在低低温温下

41、下实实现现外外延延生生长长，特特别别适适合合于于制制作作高高温温超超导导、铁铁电电、压压电电、电光等功能薄膜。电光等功能薄膜。 由由于于等等离离子子混混合合体体具具有有极极高高的的前前向向速速度度，真真空空室室中中残残留留气气体体的的散散射射作作用用相相对对减减弱弱，因因此此PLA往往往往不不要要求求在在高高真真空空下下进进行行（例例如如，制制备备YBa2Cu3O7- 高高温温超超导导薄薄膜膜的的本本底底真真空空通通常常为为10Pa），），简化了设备，缩短了生产周期。简化了设备，缩短了生产周期。PLA的缺点：的缺点：(1)薄膜表面存在微米薄膜表面存在微米-亚微米尺度的颗粒物；亚微米尺度的颗粒物

42、；(2)制备的薄膜面积较小；制备的薄膜面积较小；(3)某些靶膜成分不一致某些靶膜成分不一致。实际蒸发源的特点：实际蒸发源的特点：点源：电子束，激光蒸发点源：电子束，激光蒸发小平面：蒸发舟，陶瓷坩埚（浸润）小平面：蒸发舟，陶瓷坩埚（浸润）6. 6. 合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发 一）合金的蒸发一）合金的蒸发 关键点：如何控制成分关键点：如何控制成分其中：其中：GA、GB为蒸发速率；为蒸发速率； 为饱和蒸气压为饱和蒸气压 A、B两组份蒸发速率之比为：两组份蒸发速率之比为：但但 不知，假设合金中各成分的饱和蒸气压不知，假设合金中各成分的饱和蒸气压服从拉乌尔定律服从拉乌尔定律 nA、nB：合金

43、中合金中A、B组分的摩尔数组分的摩尔数PA，PB为各组分单质的饱和蒸气压为各组分单质的饱和蒸气压所以所以式中式中WA、WB为重量比为重量比 上式说明当合金成分一定时，各组元的蒸发速上式说明当合金成分一定时，各组元的蒸发速率与率与 成正比。成正比。例：例：1527时蒸发镍铬合金（时蒸发镍铬合金（Ni80%，Cr20%）。）。 Pcr=10-1TorrPNi=10-2Torr 在蒸发初期，富铬，导致薄膜有良好附着力。在蒸发初期，富铬，导致薄膜有良好附着力。活度系数活度系数绝大多少合金的绝大多少合金的Z不不等于等于1，意味着成分，意味着成分偏析。偏析。Z主要受合金主要受合金成分的影响。成分的影响。Z

44、=1的例子，坡莫合金的例子，坡莫合金活度修正活度修正经时变化（经时变化（ Z1 ）设蒸发初期，易蒸发成分设蒸发初期，易蒸发成分A优先蒸发，考察表面成分优先蒸发，考察表面成分1）扩散速度）扩散速度蒸发速度，蒸发面表面成分不变，薄膜蒸发速度，蒸发面表面成分不变，薄膜 成分恒定，可由上式计算；成分恒定，可由上式计算；2）扩散速度）扩散速度n2，极大值极大值n1n2，极小值极小值金属膜吸收太金属膜吸收太强，不适用。强，不适用。 透明薄膜厚度的测量透明薄膜厚度的测量测试条件：单色光、垂直入射，反射光强度将测试条件：单色光、垂直入射，反射光强度将随膜厚而周期变化。随膜厚而周期变化。单色平行光照射到楔单色平

45、行光照射到楔形薄膜上，反射后，形薄膜上，反射后，会在固定的位置产生会在固定的位置产生干涉的最大和最小，干涉的最大和最小，所以可观察到明暗所以可观察到明暗相间的平等条纹。相间的平等条纹。2.2 不透明薄膜厚度的测量不透明薄膜厚度的测量 等厚干涉条纹法等厚干涉条纹法若膜厚不均，干涉条纹也就不规若膜厚不均，干涉条纹也就不规则。若膜厚有台阶，干涉条纹出则。若膜厚有台阶，干涉条纹出现台阶，显然相邻干涉条纹间相现台阶，显然相邻干涉条纹间相差差/2。反射镜反射镜 用用曲曲率率半半径径很很小小（um）的的蓝蓝宝宝石石或或金金刚刚石石触触针针，在在薄薄膜膜表表面面上上移移动动，而而记记录录下下表面的起伏。表面的

46、起伏。 常用的信号记录方法有：常用的信号记录方法有： 1差差动动变变压压器器法法，触触针针牵牵动动铁铁芯芯上上下下移移动动，由线圈输出差动电信号。由线圈输出差动电信号。2阻抗放大法阻抗放大法 触针上下移动使电感器间隙触针上下移动使电感器间隙d发生相应变发生相应变化，使得阻抗改变。化，使得阻抗改变。 五、触针法五、触针法应用时注意：应用时注意：1）不不能能用用于于软软质质膜膜，否否则则触触针针会会穿穿透透薄薄膜膜，导导致致极大误差。极大误差。2）基片不平整会产生）基片不平整会产生“噪声噪声”误差。误差。3）被测薄膜与基片之间必须有）被测薄膜与基片之间必须有膜膜-基台阶基台阶存在，存在，才能进行测

47、量。才能进行测量。3压电元件法压电元件法 触针上下移动时，作用在压电晶体上的力随着改触针上下移动时，作用在压电晶体上的力随着改变，从而使输出电信号改变。变，从而使输出电信号改变。作业作业1）蒸发）蒸发Al薄膜的沉积速度为薄膜的沉积速度为1m/min，基板温度为基板温度为25 ，测得薄膜中氧气的含量为，测得薄膜中氧气的含量为10-3，求真空系统中，求真空系统中氧气的分压是多少？（所需各种参数请自己查）氧气的分压是多少？（所需各种参数请自己查）2）采用微小平面蒸发源沉积薄膜，要求在直径为）采用微小平面蒸发源沉积薄膜，要求在直径为30mm的基板上薄膜的厚度的差别小于的基板上薄膜的厚度的差别小于10，求基板应，求基板应距离蒸发源多远放置？距离蒸发源多远放置？3）3源反应蒸发法沉积源反应蒸发法沉积YBa2Cu3O7薄膜，若薄膜，若Y的蒸气的蒸气压为压为10-4托，则为了获得化学计量比的薄膜，托，则为了获得化学计量比的薄膜，O2的分的分压应该多少？（压应该多少？（ O2的温度是的温度是300K, Y的温度的温度1620K ，Y、O的原子量分别为、的原子量分别为、16.0 ）