真空蒸发镀膜法幻灯片.ppt

真空蒸发镀膜法真空蒸发镀膜法第1页，共89页，编辑于2022年，星期二 真空蒸发镀膜法（简称真空蒸镀）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，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固体（称为衬底或基片）表面，凝结形成固态薄膜的方法。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，所以又称为蒸发材料而产生，所以又称为热蒸发法。热蒸发法。2第2页，共89页，编辑于2022年，星期二一、真空蒸发的特点与蒸发过程一、真空蒸发的特点与蒸发过程 3图图2-1 真空蒸发镀膜原理 第3页，共89页，编辑于2022年，星期二(1)真空室真空室 为蒸发过程提供必要的真空环境；(2)蒸发源或蒸发加热器蒸发源或蒸发加热器 放置蒸发材料并对其加热；(3)基板基板 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基板加热器及测温器等。1.真空蒸发镀膜法的优缺点真空蒸发镀膜法的优缺点：优点：优点：是设备比较简单、操作容易；制成的薄膜纯是设备比较简单、操作容易；制成的薄膜纯 度高、度高、质量好，厚度可较准确控制；成膜速率快、效率高，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用掩膜可以获得清晰图形；薄膜的生长机理比较单纯薄膜的生长机理比较单纯。缺点：缺点：不容易获得结晶结构的薄膜，所形成薄膜在基不容易获得结晶结构的薄膜，所形成薄膜在基 板板上的附着力较小，工艺重复性不够好等。上的附着力较小，工艺重复性不够好等。4第4页，共89页，编辑于2022年，星期二2.真空蒸发镀膜的三种基本过程：真空蒸发镀膜的三种基本过程：(1)热蒸发过程热蒸发过程 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温度时有不相同的饱和蒸气压饱和蒸气压；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。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平均自由程及蒸发源到基片之间的距离，常称源源基距基距。(3)蒸发原子或分子在基片表面上的淀积过程，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第5页，共89页，编辑于2022年，星期二 由于基板温度远低于蒸发源温度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，污染，甚至形成氧化物；2.蒸发源被加热氧化烧毁蒸发源被加热氧化烧毁；3.由于空气分子的碰撞阻挡碰撞阻挡，难以形成均匀连续的薄 膜。6第6页，共89页，编辑于2022年，星期二二、饱和蒸气压和蒸汽压方程二、饱和蒸气压和蒸汽压方程1饱和蒸汽压饱和蒸汽压 一定温度一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸气与固体或液体下，真空室内蒸发物质的蒸气与固体或液体平衡平衡过程过程中所表现的中所表现的压力压力称为该物质的称为该物质的饱和蒸气压饱和蒸气压。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。一定的饱和蒸气压必定对应一定的物质的温度。饱和蒸饱和蒸汽压表征了物质的蒸发能力。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已经规定物质在饱和蒸气压为10-2托时的温度，称为该托时的温度，称为该物质的物质的蒸发温度蒸发温度。2蒸汽压方程蒸汽压方程 饱和蒸气压饱和蒸气压Pv与温度与温度T之间的数学表达式称为之间的数学表达式称为蒸汽压方程蒸汽压方程。可从克拉伯龙-克劳修斯（Clapeylon-Calusius）方程式推导出来7第7页，共89页，编辑于2022年，星期二 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，式中，R是气体常数，其值为是气体常数，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/R8第8页，共89页，编辑于2022年，星期二 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。而且在实际上实际上Pv与与 T 之间的关系多由实验确定之间的关系多由实验确定。且有Hv=19.12B(J/mol)关系存在。式（式（2-5）即为蒸发材料的饱和蒸气压与温度之间的近似即为蒸发材料的饱和蒸气压与温度之间的近似关系式。关系式。9第9页，共89页，编辑于2022年，星期二 表表2-1 和图和图 2-2 分别给出了常用金属的饱和蒸气压与温度分别给出了常用金属的饱和蒸气压与温度之间的关系，从之间的关系，从图图2-2的的lgPv1/T近似直线图看出，饱和近似直线图看出，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，即饱和蒸气压约为所需温度，即饱和蒸气压约为1Pa时的温度时的温度（已经规定物已经规定物质在饱和蒸气压为质在饱和蒸气压为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，蒸发速率显著提高提高。10第10页，共89页，编辑于2022年，星期二11第11页，共89页，编辑于2022年，星期二12第12页，共89页，编辑于2022年，星期二13第13页，共89页，编辑于2022年，星期二14第14页，共89页，编辑于2022年，星期二15第15页，共89页，编辑于2022年，星期二三、蒸发速率三、蒸发速率 根据气体分子运动论，在处于热平衡状态时，压强为根据气体分子运动论，在处于热平衡状态时，压强为P P的气体，的气体，单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数 (2-6)式中，式中，n是分子密度，是分子密度，是算术平均速度，是算术平均速度，m是分子质量，是分子质量，k为玻为玻尔兹曼常数。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，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，上式可改写为上式可改写为 (2-7)式中，式中，为冷凝系数，一般为冷凝系数，一般 1，为饱和蒸气压。为饱和蒸气压。16第16页，共89页，编辑于2022年，星期二 设蒸发材料表面液相、气相处于动态平衡，到达液相表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等，则蒸发速率可表示为 (2-8)式中，式中，dN为蒸发分子（原子）数，为蒸发分子（原子）数，为蒸发系数，为蒸发系数，A为蒸为蒸发表面积，发表面积，t为时间（秒）为时间（秒）和和 分别为饱和蒸气压与液体分别为饱和蒸气压与液体静压（静压（Pa）。当）。当 =1和和 =0 时，得最大蒸发速率：时，得最大蒸发速率：(2-9)17第17页，共89页，编辑于2022年，星期二 式中，式中，M为蒸发物质的摩尔质量。如果对式（为蒸发物质的摩尔质量。如果对式（2-9）乘以）乘以原子或分子质量，则得到单位面积的质量蒸发速率原子或分子质量，则得到单位面积的质量蒸发速率 (2-10)18第18页，共89页，编辑于2022年，星期二 真空蒸发镀膜过程中，能否在基板上获得均匀膜厚均匀膜厚，是制膜的关键问题。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（或发取决于蒸发源的蒸发（或发射）特性、基板与蒸发源的几何形状、相对位置以及蒸发射）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。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；）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）在蒸发源附近的蒸发原子或分子之间也不发生 碰撞；碰撞；（3）蒸发淀积到基板上的原子不发生再蒸发现象，）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。即第一次碰撞就凝结于基板表面上。(P25)19第19页，共89页，编辑于2022年，星期二 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。凝结。一点蒸发源一点蒸发源 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）点蒸发源（简称点源）。一个很小的球一个很小的球dS，以每秒，以每秒m克的相克的相同蒸发速率向各个方向蒸发，则在单位时间内，在任何方向上，同蒸发速率向各个方向蒸发，则在单位时间内，在任何方向上，通过如通过如图图2-4所示立体角所示立体角d的蒸发材料总量为的蒸发材料总量为dm，此角度，此角度为蒸发源和表面的角度，则有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因此，在蒸发材料到达与垂直蒸发方向成角的小面积角的小面积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。由图可知量即可求得。由图可知20第20页，共89页，编辑于2022年，星期二21第21页，共89页，编辑于2022年，星期二 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。是点源与基板上被观察膜厚点的距离。所以蒸发材料到达所以蒸发材料到达dS2上的蒸发速率上的蒸发速率dm可写成可写成 dm=m/4 dS2 cos/r2 （2-23）假设蒸发膜的密度为假设蒸发膜的密度为；单位时间内淀积在；单位时间内淀积在dS2上的膜厚为上的膜厚为t，则淀积到，则淀积到dS2上的薄膜体积为上的薄膜体积为tdS2，则则 dm=tdS2 （2-24）将此值代入式将此值代入式（2-23），则可得基板上任意一点的膜厚，则可得基板上任意一点的膜厚 t=m/4cos/r2 （2-25）22第22页，共89页，编辑于2022年，星期二 t=m/4cos/r2 （2-25）经整理后得 t=mh/4r3 =mh/4（h2+x2）3/2 (2-26)当当dS2在点源的正上方在点源的正上方，即，即=0时，时，cos=1，用用t0 表示原点处的膜厚，即有表示原点处的膜厚，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第23页，共89页，编辑于2022年，星期二立体角的定义立体角的定义 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，定义间中，定义“立体角立体角”为：球面面积与半径平方的比值。即：为：球面面积与半径平方的比值。即：=A/r 2第24页，共89页，编辑于2022年，星期二二小平面蒸发源二小平面蒸发源 25第25页，共89页，编辑于2022年，星期二 如如图图2-5所示，用小型平面蒸发源代替点源。由于这种所示，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蒸发源的发射特性具有方向性，使在，使在角方向蒸发的材料质角方向蒸发的材料质量和量和cos成正比例，即遵从所谓余弦角度分布规律成正比例，即遵从所谓余弦角度分布规律(1-23式式)。余弦散射律余弦散射律 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向无关，并按与表面法线方向所成角度的余弦进行分布。的余弦进行分布。则一个分子在离开其表面时，处于立体角则一个分子在离开其表面时，处于立体角d（与表面法（与表面法线成线成角）中的几率为角）中的几率为 dp=dcos/（1-23）式中式中1/是由于归一化条件，即位于是由于归一化条件，即位于2立体角中的几率为立体角中的几率为1而出现的。而出现的。26第26页，共89页，编辑于2022年，星期二是平面蒸发源法线与接收平面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中心和平面源中心连线之间的夹角。则膜材从小型平面间的夹角。则膜材从小型平面dS上以每秒上以每秒m克的速率进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行蒸发时，膜材在单位时间内通过与该小平面的法线成成角度方向的立体角角度方向的立体角d的蒸发量的蒸发量dm为为 （2-29）式中，式中，1/是因为小平面源的蒸发范围局限在半球形空间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。如果蒸发材料到达与蒸发方向成角的小平面角的小平面dS2几何几何面积已知，则淀积在该小平面薄膜的蒸发速率即可求出面积已知，则淀积在该小平面薄膜的蒸发速率即可求出第27页，共89页，编辑于2022年，星期二前已有前已有 dS1=dS2cos()，dS1=r2d （2-22）则有则有 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，基板上任意一代入上式后，则可得到小型蒸发源时，基板上任意一点的膜厚点的膜厚t为为 t=m/()coscos/r2 =mh2/(h2+x2)2 (2-31)当当dS2在小平面源正上方时（在小平面源正上方时（=0，=0），），用用t0 表示该点的膜厚为表示该点的膜厚为 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，即的膜厚分布，即t与与t0之比为之比为 t/t0=1/1+(x/h)22 （2-33）28第28页，共89页，编辑于2022年，星期二29第29页，共89页，编辑于2022年，星期二 图图2-6比较了点蒸发源与小平面蒸发源两者的相对膜厚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，比较分布曲线。另外，比较（2-25）和和（2-31），可以看出，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情况下，平面蒸发源的最大厚度可为点蒸发源的4倍倍左右。左右。这一点也可从式这一点也可从式（2-27）与与（2-32）的比较中得出。的比较中得出。三、实际蒸发源的特性三、实际蒸发源的特性 1.发针形发针形蒸发源或电子蒸发源中的熔融材料为球形，蒸发源或电子蒸发源中的熔融材料为球形，与与点蒸发源近似点蒸发源近似。2.舟式蒸发源舟式蒸发源中，若蒸发料熔融时与舟中，若蒸发料熔融时与舟不浸润不浸润，从，从30第30页，共89页，编辑于2022年，星期二舟中蒸发时也呈球形，但位于舟源表面处的蒸发料，使原来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，故向下蒸发的粒子重新向上蒸发，故与小平面蒸发源近似。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蒸发料润湿的螺旋丝状蒸发源是理想的柱形蒸发源柱形蒸发源。4.锥形锥形篮式蒸发源在各圈间隔很小时，其发射特性与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。平面蒸发源近似。5.坩埚蒸发源可看成坩埚蒸发源可看成表面蒸发源或高度定向的蒸发源表面蒸发源或高度定向的蒸发源。6.磁磁控靶源可看成控靶源可看成大面积大面积(平面或圆柱面平面或圆柱面)蒸发源。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。还必须注意源和基板的配置，或使基板公转加自转等。31第31页，共89页，编辑于2022年，星期二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。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性的限制，造成有的部位没有物质沉积。同时，也蒸发源方向性的限制，造成有的部位没有物质沉积。同时，也可以在蒸发沉积时有目的地使用一些特定形状的掩膜，从而实可以在蒸发沉积时有目的地使用一些特定形状的掩膜，从而实现薄膜地选择性沉积。现薄膜地选择性沉积。第32页，共89页，编辑于2022年，星期二 蒸发源是蒸发装置的关键部件，大多金属材料都要求在10002000的高温下蒸发。因此，必须将蒸发材料加热到很高的蒸发温度。最常用的加热方式有：电阻法、电阻法、电子束法、高频法电子束法、高频法等。一、电阻蒸发源一、电阻蒸发源 采用钽、钼、钨等高熔点金属，做成适当形状的蒸发源，其上装入待蒸发材料，让电流通过，对蒸发材料进行直接加热蒸发，或者把待蒸发材料放入Al2O3、BeO 等坩埚中进行间接加热蒸发。优点：优点：蒸发源结构简单、廉价易作 缺点：缺点：需考虑蒸发源的材料和形状 33第33页，共89页，编辑于2022年，星期二1.蒸发源材料蒸发源材料通常对蒸发源材料的要求要求是：(1)熔点要高。熔点要高。(2)饱和蒸气压低。饱和蒸气压低。防止或减少在高温下蒸发源材料会 随蒸发材料蒸发而成为杂质进入蒸镀膜层中。(3)化学性能稳定，在高温下不应与蒸发材料发生化学化学性能稳定，在高温下不应与蒸发材料发生化学 反应。反应。各种物质蒸发时采用蒸发源见表2-5所示。(4)具有良好的耐热性。热源变化时，功率密度变化具有良好的耐热性。热源变化时，功率密度变化 较小；较小；(5)原料丰富，经济耐用。原料丰富，经济耐用。在制膜工艺中，常用的蒸发源材料有W、Mo、Ta等，或耐高温的金属氧化物，陶瓷或石墨坩埚。表2-6列出了W、Mo、Ta的主要物理参数。34第34页，共89页，编辑于2022年，星期二35第35页，共89页，编辑于2022年，星期二36第36页，共89页，编辑于2022年，星期二2.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”蒸镀材料与蒸发源材料的湿润性蒸镀材料与蒸发源材料的湿润性”与蒸发材料的表面能大小有关。高温熔化的蒸镀材料在蒸发源上有扩展倾向时，可以认为是容易湿润的；如果在蒸发源上有凝聚而接近于形成球形的倾向时，就可以认为是难于湿润的。在湿润的情况下，材料的蒸发是从大的表面上发生的且比较稳定，可以认为是面蒸发源的蒸发；在湿润小的时候，一般可认为是点蒸发源的蒸发。如果容易发生湿润，蒸发材料与蒸发源十分亲和，蒸发状态稳定；如果是难以湿润的，在采用丝状蒸发源时，蒸发材料就容易从蒸发源上掉下来。37第37页，共89页，编辑于2022年，星期二38第38页，共89页，编辑于2022年，星期二 关于蒸发源的形状可根据蒸发材料的性质，结合考虑与蒸发源材料 的湿润性，制作成不同的形式和选用不同的蒸发源物质。39第39页，共89页，编辑于2022年，星期二常用的几种加热器形状 丝状舟状坩埚第40页，共89页，编辑于2022年，星期二二电子束蒸发源二电子束蒸发源 将蒸发材料放入水冷铜坩埚中，直接利用电子束加热，使蒸将蒸发材料放入水冷铜坩埚中，直接利用电子束加热，使蒸发材料气化蒸发后凝结在基板表面成膜，是真空蒸发镀膜技术发材料气化蒸发后凝结在基板表面成膜，是真空蒸发镀膜技术中的一种重要的加热方法和发展方向。中的一种重要的加热方法和发展方向。电子束蒸发克服了一电子束蒸发克服了一般电阻加热蒸发的许多缺点，特别适合制作高熔点薄膜般电阻加热蒸发的许多缺点，特别适合制作高熔点薄膜材料和高纯薄膜材料。材料和高纯薄膜材料。1.1.电子束加热原理与特点电子束加热原理与特点原理原理 :基于电子在电场作用下，获得动能轰击到处于基于电子在电场作用下，获得动能轰击到处于 阳极的蒸发材料上，使蒸发材料加热气化，而阳极的蒸发材料上，使蒸发材料加热气化，而 实现蒸发镀膜。实现蒸发镀膜。若不考虑发射电子的初速度，则电子动能1/2m2，与它所具有的电功率相等，即 41第41页，共89页，编辑于2022年，星期二 （2-55）式中，U是电子所具有的电位（V）；m是电子质量（9.110-28g），e是电荷（1.610-19C）。得出电子运动速度 （2-562-56）假如U=10kV，则电子速度可达6104km/s。高速运动的电子流在一定的电磁场作用下，使之汇聚成电子束并轰击到蒸发材料表面，使动能变成热能。若电子束的能量 (2-57)42第42页，共89页，编辑于2022年，星期二式中，n为电子密度；I 为电子束的束流（A）；t是束流的作用时间（s）。其产生的热量Q为 (2-58)优点优点:(1)(1)电电子子束束轰轰击击热热源源的的束束流流密密度度高高，能能获获得得远远比比 电电阻阻加加热源更大的能流密度。热源更大的能流密度。(2)(2)由由于于被被蒸蒸发发材材料料是是置置于于水水冷冷坩坩埚埚内内，因因而而可可避避免免容容器器材材料料的的蒸蒸发发，以以及及容容器器材材料料与与蒸蒸镀镀材材料料之之间间的的反反应应，这这对对提高镀膜的纯度极为重要。提高镀膜的纯度极为重要。(3)(3)热量可直接加到蒸镀材料的表面，因而热效率高，热热量可直接加到蒸镀材料的表面，因而热效率高，热传导和热辐射的损失少。传导和热辐射的损失少。43第43页，共89页，编辑于2022年，星期二2.2.电子束蒸发源的结构型式电子束蒸发源的结构型式44第44页，共89页，编辑于2022年，星期二45第45页，共89页，编辑于2022年，星期二三高频感应蒸发源三高频感应蒸发源 将装有蒸发材料的坩埚放在高频螺旋线圈的中央，使蒸将装有蒸发材料的坩埚放在高频螺旋线圈的中央，使蒸发材料在高频电磁场的感应下产生强大的涡流损失和磁滞发材料在高频电磁场的感应下产生强大的涡流损失和磁滞损失（对铁磁体），致使蒸发材料升温，直至气化蒸发。损失（对铁磁体），致使蒸发材料升温，直至气化蒸发。46第46页，共89页，编辑于2022年，星期二特点：特点：(1)(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1010倍左右；倍左右；(2)(2)蒸发源的温度稳定，不易产生飞溅现象；蒸发源的温度稳定，不易产生飞溅现象；(3)(3)蒸发材料是金属时，蒸发材料可产生热量。因蒸发材料是金属时，蒸发材料可产生热量。因 此，坩埚可选用和蒸发材料反应最小的材料；此，坩埚可选用和蒸发材料反应最小的材料；(4)(4)蒸发源一次装料，无需送料机，温度控制比较蒸发源一次装料，无需送料机，温度控制比较 容易，操作比较简单。容易，操作比较简单。缺点缺点：蒸发装置必须屏蔽，并需要较复杂和昂贵的高频发生器；蒸发装置必须屏蔽，并需要较复杂和昂贵的高频发生器；另外，如果线圈附近的压强超过另外，如果线圈附近的压强超过1010-2-2PaPa,高频场就会使残余气体电离，使功耗增大。高频场就会使残余气体电离，使功耗增大。47第47页，共89页，编辑于2022年，星期二一合金的蒸发一合金的蒸发 1.1.分馏现象分馏现象 当蒸发当蒸发二元以上的合金及化合物二元以上的合金及化合物时，蒸发材料在气化过时，蒸发材料在气化过程中，由于各成分的程中，由于各成分的饱和蒸气压不同饱和蒸气压不同，使得其，使得其蒸发速率也蒸发速率也不同不同，得不到希望的合金或化合物的比例成分，这种现，得不到希望的合金或化合物的比例成分，这种现象称为象称为分馏现象分馏现象。2.2.引入两个定律（引入两个定律（理想溶体定律理想溶体定律）理想溶体理想溶体：各组元在量上可以任何比例互溶，溶解时没：各组元在量上可以任何比例互溶，溶解时没有热效应发生，体积具有加和性有热效应发生，体积具有加和性()。48第48页，共89页，编辑于2022年，星期二(a)分压定律 液体的总蒸气压 等于各组元蒸气分压 之和，即(b)拉乌尔定律 在溶液中，溶剂的饱和蒸气压与溶剂的摩尔分数成正比，其比例常数就是同温度下溶剂单独存在时的饱和蒸气压。即 式中49第49页，共89页，编辑于2022年，星期二 -溶液中溶剂 的饱和蒸气分压；-溶剂 单独存在时的饱和蒸气压；-元在溶体中所占比例(摩尔数比或称摩尔分数)；、-，在溶体中摩尔数；物理意义：因为 ，所以 只有 (即单组元)时 ，纯溶剂在一定T下，有一定饱和蒸气压，即单位时间从单位表面积上蒸发的分子数是一定的。若在其中加入少量溶质，单位体积中溶剂分子数量减少，因此溶剂在溶液中饱和蒸气压小了。50第50页，共89页，编辑于2022年，星期二3.3.拉乌尔定律在合金蒸发中的应用拉乌尔定律在合金蒸发中的应用 合金属固溶体的一种，因此：合金合金固溶体固溶体理想溶体理想溶体 所以合金的蒸发可近似地按拉乌尔定律来处理。如当合金含有二元组分时，合金各成分的蒸发速率 (2-59)(2-60)注：注：（2-10）51第51页，共89页，编辑于2022年，星期二 式中，PA 和PB分别为A、B成分在温度T时的饱和蒸气分压，GA、GB分别为两种成分的蒸发速率；MA、MB分别为两种成分元素的摩尔质量。A、B两种成分的蒸发速率之比为 (2-61)(2-61)要保证薄膜的成分与蒸发料成分完全一致，则必须使 52第52页，共89页，编辑于2022年，星期二 如果认为合金中各成分的饱和蒸气压也服从拉拉乌乌尔尔定定律律，则PA、PB的估计值为 ,(2-62)(2-62),(2-63)(2-63)(2-64)(2-64)假设mA、mB分别为组元金属A、B在合金中的质量,WA、WB为在合金中的浓度，即有 53第53页，共89页，编辑于2022年，星期二 ,(2-65)合金中组元金属A、B的蒸发速率之比可改写为 (2-66)54第54页，共89页，编辑于2022年，星期二 此式说明，二元合金中两个组元金属蒸发速率之比，在该组元浓度或百分含量一定情况下，与该组元的 值成正比。拉乌尔定律对合金往往不完全适用，故引入活度系数S进行修正，经修正后相应的蒸发速率公式可表示为 （2-67）采用真空蒸发法制作预定组成的合金薄膜，经常采用瞬时蒸发法、双蒸发源法及合金升华法等瞬时蒸发法、双蒸发源法及合金升华法等。55第55页，共89页，编辑于2022年，星期二1瞬时蒸发法瞬时蒸发法 56第56页，共89页，编辑于2022年，星期二 又称“闪烁闪烁”法法。它是将细小的颗粒，逐次送到非常炽热的蒸发器或坩埚中，使一个一个的颗粒实现瞬间完全蒸发。如果颗粒尺寸很小，几乎能对任何成分进行同时蒸发，故瞬时蒸发法常用于合金中元素的蒸发速率相差很大的场瞬时蒸发法常用于合金中元素的蒸发速率相差很大的场合。合。优点优点：能获得成分均匀的薄膜，可以进行掺杂蒸发 等。缺点：缺点：是蒸发速率难于控制，且蒸发速率不能太快。57第57页，共89页，编辑于2022年，星期二2多源蒸发法多源蒸发法 58第58页，共89页，编辑于2022年，星期二 将要形成合金的每一个成分，将要形成合金的每一个成分，分别分别装入装入各自的蒸发源中，各自的蒸发源中，然后独立地控制各个蒸发源的蒸发速率，使到达基板的各然后独立地控制各个蒸发源的蒸发速率，使到达基板的各种原子与所需合金薄膜的组成相对应种原子与所需合金薄膜的组成相对应。为使薄膜厚度分。为使薄膜厚度分布均匀，基板常需要进行转动。布均匀，基板常需要进行转动。二化合物的蒸发二化合物的蒸发 化合物的蒸发法有三种：（1）电阻加热法；（）电阻加热法；（2）反应）反应蒸发法；（蒸发法；（3）双源或多源蒸发法）双源或多源蒸发法三温度法和分子束外三温度法和分子束外延法。延法。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、氮化硅和硅化物等。而三温度法三温度法和分子外延分子外延法主要用于制作单晶半导体化合物薄膜，特别是III-V族化合物半导体薄膜、超晶格薄膜以及各种单晶外延薄膜等。59第59页，共89页，编辑于2022年，星期二 1反应蒸发法反应蒸发法 将活性气体导入真空室，使活性气体的原子、分子和从蒸发将活性气体导入真空室，使活性气体的原子、分子和从蒸发源逸出的蒸发金属原子、低价化合物分子在基板表面淀积过程源逸出的蒸发金属原子、低价化合物分子在基板表面淀积过程中发生反应，从而形成所需高价化合物薄膜的方法。中发生反应，从而形成所需高价化合物薄膜的方法。不仅用于热分解严重，而且用于因饱和蒸气压较低而难以采不仅用于热分解严重，而且用于因饱和蒸气压较低而难以采用电阻加热蒸发的材料。经常被用来制作高熔点的化合物薄膜，用电阻加热蒸发的材料。经常被用来制作高熔点的化合物薄膜，特别是适合制作过渡金属与易分解吸收的特别是适合制作过渡金属与易分解吸收的O O2 2、N N2 2等反应气体所等反应气体所组成的化合物薄膜。组成的化合物薄膜。在反应蒸发中，蒸发原子或低价化合物分子与活性气在反应蒸发中，蒸发原子或低价化合物分子与活性气体发生反应的地方有三种可能，即蒸发源表面、蒸发源体发生反应的地方有三种可能，即蒸发源表面、蒸发源到基板的空间和基板表面。到基板的空间和基板表面。60第60页，共89页，编辑于2022年，星期二61第61页，共89页，编辑于2022年，星期二62第62页，共89页，编辑于2022年，星期二2三温度法三温度法 从原理上讲，就是双蒸发源蒸发法。从原理上讲，就是双蒸发源蒸发法。把III-V族化合物半导体材料置于坩埚内加热蒸发时，温度在沸点以上，半导体材料就会发生热分解，分溜出组分元素，淀积在基板上的膜层会偏离化合物的化学计量比。这种方法是分别控制低蒸气压元素（这种方法是分别控制低蒸气压元素（IIIIII）的蒸发源）的蒸发源温度温度T TM M 、高蒸气压元素（、高蒸气压元素（V V）的蒸发源温度）的蒸发源温度T TV V和基板温度和基板温度T TS S，一共三个温度，这就是所谓的三温度法名称的由来。，一共三个温度，这就是所谓的三温度法名称的由来。3 3分子束外延镀膜法（分子束外延镀膜法（MBEMBE）外延是一种制备单晶薄膜的新技术，它是在适当的衬底与合适条件下，沿衬底材料晶轴方向生长一层结晶结构完整的新单晶薄膜的方法.新生单晶层叫做外延层。典型的外延方法有液相外延法、气相外延法和分子束外延法。液相外延法、气相外延法和分子束外延法。63第63页，共89页，编辑于2022年，星期二64第64页，共89页，编辑于2022年，星期二 分子束外延（分子束外延（MBE）是新发展起来的外延制膜方法。也是一种特殊的真空镀膜工艺。它是在超高真空条件下，将薄膜诸组元素的分子束流，直接喷到衬底表面，从而在其上形成外延层的技术。优点优点:能生长极薄的单晶膜层，且能够精确控制膜厚、组分和掺杂。适于制作微波、光电和多层结构 器件，从而为集成光电和超大规模集成电路的 发展提供了有效手段。65第65页，共89页，编辑于2022年，星期二 薄膜的性质和结构主要决定于薄膜的成核与生长过程，实际薄膜的性质和结构主要决定于薄膜的成核与生长过程，实际上受到许多淀积参数的影响，如淀积速率、粒子速度与角分布、上受到许多淀积参数的影响，如淀积速率、粒子速度与角分布、粒子性质、衬底温度及真空度等。在气相沉积技术中为了监控粒子性质、衬底温度及真空度等。在气相沉积技术中为了监控薄膜的性能与生长过程，必须对淀积参数进行有效的测量与监薄膜的性能与生长过程，必须对淀积参数进行有效的测量与监控。在所有沉积技术中，控。在所有沉积技术中，淀积速率和膜厚是最重要的薄膜淀淀积速率和膜厚是最重要的薄膜淀积参数积参数。显然，用于淀积速率测量的。显然，用于淀积速率测量的实时方法实时方法，对于时间，对于时间的积分也能用于膜厚的测量，而的积分也能用于膜厚的测量，而非实时方法非实时方法则只能测量膜厚。则只能测量膜厚。从原则上讲，与膜厚相关的任何物理量都能用来确定膜从原则上讲，与膜厚相关的任何物理量都能用来确定膜厚。但是，实际并非如此，因为与膜厚有关的大部分物厚。但是，实际并非如此，因为与膜厚有关的大部分物理性质，强烈地受到微观结构的影响，即受淀积参数的理性质，强烈地受到微观结构的影响，即受淀积参数的影响。影响。66第66页，共89页，编辑于2022年，星期二1 1、膜厚的分类、膜厚的分类 薄膜是指在基板的垂直方向上所堆积的薄膜是指在基板的垂直方向上所堆积的1 110104 4的原子层或的原子层或分子层。在此方向上，薄膜具有微观结构。分子层。在此方向上，薄膜具有微观结构。理想的薄膜厚度是指基片表面和薄膜表面之间的距离。理想的薄膜厚度是指基片表面和薄膜表面之间的距离。由于薄膜仅在厚度方向是微观的，其他的两维方向具有宏由于薄膜仅在厚度方向是微观的，其他的两维方向具有宏观大小。所以，表示薄膜的形状，一定要用宏观方法，即观大小。所以，表示薄膜的形状，一定要用宏观方法，即采用长、宽、厚的方法。因此，采用长、宽、厚的方法。因此，膜厚既是一个宏观概念，膜厚既是一个宏观概念，又是微观上的实体线度。又是微观上的实体线度。由于实际上存在的表面是不平整和连续的，而且薄膜内部还由于实际上存在的表面是不平整和连续的，而且薄膜内部还可能存在着针孔、杂质、晶格缺陷和表面吸附分子等，所以，可能存在着针孔、杂质、晶格缺陷和表面吸附分子等，所以，要严格地定义和精确测量薄膜的厚度实际上是比较困难的。要严格地定义和精确测量薄膜的厚度实际上是比较困难的。膜膜厚的定义应根据测量的方法和目的来决定。厚的定义应根据测量的方法和目的来决定。67第67页，共89页，编辑于2022年，星期二 经典模型认为物质的表面并不是一个抽象的几何概念，经典模型认为物质的表面并不是一个抽象的几何概念，而是由刚性球的原子（分子）紧密排列而成，是实际存而是由刚性球的原子（分子）紧密排列而成，是实际存在的一个物理概念。在的一个物理概念。68第68页，共89页，编辑于2022年，星期二 图图2-30是是实际表面实际表面和和平均表面平均表面的示意图。的示意图。平均表面是指平均表面是指表面原子所有的点到这个面的距离代数和等于零表面原子所有的点到这个面的距离代数和等于零，平均表，平均表面是一个几何概念。通常，将基片一侧的表面分子的集面是一个几何概念。通常，将基片一侧的表面分子