薄膜物理气相沉积PPT课件.ppt

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1、关于薄膜的物理气相沉积第一张，PPT共八十九页，创作于2022年6月 一、定义一、定义 物理气相沉积（物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）利用某种物理过程，如利用某种物理过程，如物质的热蒸发物质的热蒸发或受到离子轰击时或受到离子轰击时物质表面物质表面原子的溅射现象原子的溅射现象，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移的过程。，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移的过程。二、特点二、特点（相对于化学气相沉积而言）：（相对于化学气相沉积而言）：（1 1）需要使用固态的或熔融态物质作为沉积过程的源物质；）需要使用固态的或熔融态物质作为沉积过程的源物质；（2 2）源

2、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 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；（4 4）在气相中及沉底表面并不发生化学反应。）在气相中及沉底表面并不发生化学反应。引引 言言第二张，PPT共八十九页，创作于2022年6月1.蒸发法：蒸发法：把装有基片的真空室抽成真空，使气体压强达到把装有基片的真空室抽成真空，使气体压强达到10-2Pa以下，以下，然后加热镀料，使其原子或分子从表面逸出，形成蒸汽流，入射到基片表面，然后加热镀料，使其原子或分子从表面逸出，形成蒸汽流，入射到基片表面，凝结形成固态薄膜。具有较高的沉积速率、相对较高的真空度，以及由此导凝

3、结形成固态薄膜。具有较高的沉积速率、相对较高的真空度，以及由此导致的较高的薄膜纯度等优点。致的较高的薄膜纯度等优点。2.溅射法：溅射法：具有自己的特点，如在沉积多元合金薄膜时化学成分容易具有自己的特点，如在沉积多元合金薄膜时化学成分容易控制、沉积层对沉底的附着力较好。控制、沉积层对沉底的附着力较好。三、分类三、分类引引 言言第三张，PPT共八十九页，创作于2022年6月第一第一节节 物物质质的的热热蒸蒸发发利用物质在高温下的蒸发现象，利用物质在高温下的蒸发现象，可以制备各种薄膜材料。蒸发法可以制备各种薄膜材料。蒸发法具有较高的背底真空度。在较高具有较高的背底真空度。在较高的真空条件下，不仅蒸发

4、出来的的真空条件下，不仅蒸发出来的物质原子或分子具有较长的平均物质原子或分子具有较长的平均自由程，可以直接沉积在沉底表自由程，可以直接沉积在沉底表面上，而且还可以确保所制备的面上，而且还可以确保所制备的薄膜具有较高的纯净程度。薄膜具有较高的纯净程度。第四张，PPT共八十九页，创作于2022年6月 要实现蒸发法镀膜，需要三个最基本条件：要实现蒸发法镀膜，需要三个最基本条件：加热，使镀料蒸发；加热，使镀料蒸发；处于真空环境，以便于气相镀料向基片运输；采用温度较低的基片，以处于真空环境，以便于气相镀料向基片运输；采用温度较低的基片，以便于气体镀料凝结成膜。便于气体镀料凝结成膜。蒸发材料在真空中被加热

5、时，其原子或分子就会从表面逸出，蒸发材料在真空中被加热时，其原子或分子就会从表面逸出，这种现象叫这种现象叫热蒸发热蒸发。第五张，PPT共八十九页，创作于2022年6月（1 1）元素的蒸发速率）元素的蒸发速率 -蒸发现象：蒸发现象：蒸发与温度有关，但不完全受熔体表面的受热多少所决定；蒸发与温度有关，但不完全受熔体表面的受热多少所决定；蒸发速率正比于物质的平衡蒸气压蒸发速率正比于物质的平衡蒸气压(P Pe e)与实际蒸气压力与实际蒸气压力(P Ph h)之差；之差；-蒸发速率（两种表达）：蒸发速率（两种表达）：元素的净蒸发速率元素的净蒸发速率：在一定的温度下，处于液态或固态的元素都：在一定的温度下

6、，处于液态或固态的元素都具有一定的平衡蒸汽压。因此，当环境中的分压降低到了其平衡具有一定的平衡蒸汽压。因此，当环境中的分压降低到了其平衡蒸汽压之下时，就会发生元素的净蒸发。蒸汽压之下时，就会发生元素的净蒸发。第六张，PPT共八十九页，创作于2022年6月其中其中蒸发系数蒸发系数(01)，Pe元素的平衡蒸汽压，元素的平衡蒸汽压，Ph元素的实际分压；元素的实际分压；最大蒸发速率最大蒸发速率(分子分子/cm2s)：1，Ph=0由气体分子通量的表达式，单位表面上元素的净蒸发速率等于：由气体分子通量的表达式，单位表面上元素的净蒸发速率等于：第七张，PPT共八十九页，创作于2022年6月影响蒸发速率的因素

7、：影响蒸发速率的因素：由于元素的平衡蒸汽压随着温度的上升增加很快，因而对元素由于元素的平衡蒸汽压随着温度的上升增加很快，因而对元素的蒸发速率影响最大的因素是的蒸发速率影响最大的因素是蒸发源所处的温度蒸发源所处的温度。单位表面上元素的质量蒸发速率：单位表面上元素的质量蒸发速率：第八张，PPT共八十九页，创作于2022年6月（2）元素的平衡蒸气压）元素的平衡蒸气压 -元素的蒸气压：元素的蒸气压：Clausius-Clapyeron(克劳修斯克劳修斯-克莱普朗）方程克莱普朗）方程H为为蒸蒸发过发过程中每摩程中每摩尔尔元素的元素的热焓变热焓变化，它随温度的不同化，它随温度的不同而而变变化化V为为在相在

8、相应应蒸蒸发过发过程中物程中物质质所所拥拥有的体有的体积积的的变变化，化，对对于气相于气相物物质质的体的体积远远积远远大于液相和固相，因而近似的等于气相元素大于液相和固相，因而近似的等于气相元素所占体所占体积积第九张，PPT共八十九页，创作于2022年6月元素蒸气压的近似表达式：元素蒸气压的近似表达式：I是积分常数，是积分常数，B是一个系数是一个系数HHe在一定的温度区间内严格成立在一定的温度区间内严格成立金属金属Al：理想气体近似：理想气体近似：第十张，PPT共八十九页，创作于2022年6月第十一张，PPT共八十九页，创作于2022年6月根据物质的蒸发特性，物质的蒸发情况可被划分为两种类型：

9、根据物质的蒸发特性，物质的蒸发情况可被划分为两种类型：1.将物质加热到其熔点以上（固液气）。将物质加热到其熔点以上（固液气）。例如：多数金属例如：多数金属2.利用由固态物质的升华，实现物质的气相沉积。利用由固态物质的升华，实现物质的气相沉积。例如：例如：Cr、Ti、Mo、Fe、Si等等 石墨石墨C例外，没有熔点，例外，没有熔点，而其升华温度又相当高，因而实践中多是而其升华温度又相当高，因而实践中多是利用石墨电极间的高温放电过程来使碳原子发生升华。利用石墨电极间的高温放电过程来使碳原子发生升华。第十二张，PPT共八十九页，创作于2022年6月 蒸发源的选择：蒸发源的选择：固体源：熔点以下的饱和蒸

10、气压可以达到固体源：熔点以下的饱和蒸气压可以达到0.1Pa;液体源：熔点以下的饱和蒸气压难以达到液体源：熔点以下的饱和蒸气压难以达到0.1Pa;难熔材料：可以采用激光、电弧蒸发；难熔材料：可以采用激光、电弧蒸发；第十三张，PPT共八十九页，创作于2022年6月（3）化合物与合金的热蒸发）化合物与合金的热蒸发 多组元材料的蒸发：多组元材料的蒸发：合金的偏析合金的偏析：蒸气成分一般与原始固体或液体成分不同；：蒸气成分一般与原始固体或液体成分不同；化合物的解离化合物的解离：蒸气中分子的结合和解离发生频率很高；：蒸气中分子的结合和解离发生频率很高；蒸发蒸发不发生解离不发生解离的材料，可以得到成分匹配的

11、薄膜：如的材料，可以得到成分匹配的薄膜：如 B2O3,GeO,SnO,AlN,CaF2,MgF2,第十四张，PPT共八十九页，创作于2022年6月 蒸发发生解离的材料；沉积物中富金属，需要分立的蒸发源；蒸发发生解离的材料；沉积物中富金属，需要分立的蒸发源；硫族化合物：硫族化合物：CdS,CdSe,CdTe,氧化物：氧化物：SiO2,GeO2,TiO2,SnO2,蒸发蒸发发生分解发生分解的材料，沉积物中富金属，沉积物化学成分发生的材料，沉积物中富金属，沉积物化学成分发生偏离，需要分别使用独立的蒸发源；如：偏离，需要分别使用独立的蒸发源；如：Ag2S,Ag2Se,III-V半导半导体等；体等；第十

12、五张，PPT共八十九页，创作于2022年6月1、化合物的蒸发、化合物的蒸发化合物蒸发中存在的问题：化合物蒸发中存在的问题：a）蒸发出来的蒸气可能具有完全不同于其固态或液体的成分；）蒸发出来的蒸气可能具有完全不同于其固态或液体的成分；（蒸气组分变化）（蒸气组分变化）b）气态状态下，还可能发生化合物个组员间的化合与分解过程；后）气态状态下，还可能发生化合物个组员间的化合与分解过程；后果是沉积后得到的薄膜成分可能偏离化合物的正确的化学组成。果是沉积后得到的薄膜成分可能偏离化合物的正确的化学组成。化合物蒸发过程中可能发生的各种物理化学反应：化合物蒸发过程中可能发生的各种物理化学反应：无分解反应；固态分

13、解反应；气态分解蒸发无分解反应；固态分解反应；气态分解蒸发第十六张，PPT共八十九页，创作于2022年6月2 2、合金的蒸发、合金的蒸发合金蒸发与化合物蒸发与化合物蒸发的区别与联系合金蒸发与化合物蒸发与化合物蒸发的区别与联系:联系：联系：也会发生也会发生成分的偏差成分的偏差。区别：区别：合金中原子的结合力小于在化合物中不同原子的结合力，因而，合金中原子的结合力小于在化合物中不同原子的结合力，因而，合金中元素原子的蒸发过程实际上可以被看成是各自相互独立的过程，合金中元素原子的蒸发过程实际上可以被看成是各自相互独立的过程，就像它们在纯元素蒸发时的情况一样。就像它们在纯元素蒸发时的情况一样。第十七张

14、，PPT共八十九页，创作于2022年6月合金的蒸发：合金的蒸发：合金薄膜生长的特点：合金薄膜不同于化合物，其固相成分的范围变化合金薄膜生长的特点：合金薄膜不同于化合物，其固相成分的范围变化很大，其熔点由热力学定律所决定；很大，其熔点由热力学定律所决定；合金元素的蒸气压：合金元素的蒸气压：理想合金的蒸气压与合金比例理想合金的蒸气压与合金比例(XB)的关系的关系（拉乌尔定律）：（拉乌尔定律）：PB=XBPB(0);PB(0)为纯元素的蒸气压；为纯元素的蒸气压；实际合金的蒸气压：实际合金的蒸气压：PB=BXBPB(0)=aBPB(0)合金组元蒸发速率之比合金组元蒸发速率之比：估算所需使用的合金蒸发源

15、的成分估算所需使用的合金蒸发源的成分第十八张，PPT共八十九页，创作于2022年6月定律的应用定律的应用:假设所制备的假设所制备的Al-Cu合金薄膜要求蒸气成分为合金薄膜要求蒸气成分为Al-2wt%Cu：即：即：Al/Cu=98MCu/2MAl，蒸发皿温度：，蒸发皿温度：T=1350K。求所配制的。求所配制的Al-Cu合金成分。合金成分。PAl/PCu=110-3/2 10-4,假设：假设：Al=Cu则：则：XAl/X Cu=15(mol比比)6.4(质量比质量比)注意注意：计算只适用于初始的蒸发计算只适用于初始的蒸发蒸气成分的稳定性与蒸发工艺有关蒸气成分的稳定性与蒸发工艺有关；第十九张，PP

16、T共八十九页，创作于2022年6月蒸气成分稳定性的控制蒸气成分稳定性的控制:1.增加熔池内蒸发物质总量增加熔池内蒸发物质总量(V0)2.减小组分变化减小组分变化(vr)；3.减少蒸发物质总量，短时间完成蒸发，多次添加；减少蒸发物质总量，短时间完成蒸发，多次添加；分立纯金属源独立蒸发控制：存在薄膜成分不均匀的可能；分立纯金属源独立蒸发控制：存在薄膜成分不均匀的可能；1.蒸发方法的缺点蒸发方法的缺点：2.不适合组元蒸气压差别比较大的合金薄膜；不适合组元蒸气压差别比较大的合金薄膜；3.多元合金的成分控制比较困难：多元合金的成分控制比较困难：第二十张，PPT共八十九页，创作于2022年6月2.2 薄膜

17、沉积厚度均匀性与纯度薄膜沉积厚度均匀性与纯度 蒸蒸发发源几何源几何类类型型:点源点源：蒸：蒸发发源的几何尺寸源的几何尺寸远远小于基片的尺寸；小于基片的尺寸；蒸蒸发发量量：Ae点源的表面积，点源的表面积，dAe为蒸发源的表面积元，为蒸发源的表面积元，为蒸发速度为蒸发速度 沉沉积积量：量：为衬为衬底表面法底表面法线线与空与空间间角方向角方向间间的偏离角度，的偏离角度，r为为源与源与衬衬底的距离底的距离（1）薄膜沉积的方向性和阴影效应）薄膜沉积的方向性和阴影效应第二十一张，PPT共八十九页，创作于2022年6月 面源：面源：蒸蒸发发源的几何尺寸与基片的尺寸相当；源的几何尺寸与基片的尺寸相当；沉沉积积

18、量：量：为为基片某点的沉基片某点的沉积积量与蒸量与蒸发发源法向方向和基片法向方源法向方向和基片法向方向向夹夹角有关；角有关；为为与与该该点和蒸点和蒸发发源源连线连线与基片法向的与基片法向的夹夹角有关；角有关；第二十二张，PPT共八十九页，创作于2022年6月第二十三张，PPT共八十九页，创作于2022年6月第二十四张，PPT共八十九页，创作于2022年6月面源的高阶效应面源的高阶效应:实际的面源沉积量与蒸发源法向方向和基片法向方向夹角的余实际的面源沉积量与蒸发源法向方向和基片法向方向夹角的余弦函数的高阶幂有关；弦函数的高阶幂有关；n的大小取决于熔池的面积、深度的大小取决于熔池的面积、深度;面积

19、小、熔池深将导致面积小、熔池深将导致n的增加；但针对挥发性强的物质，则有利于的增加；但针对挥发性强的物质，则有利于对真空室壁污染的保护；对真空室壁污染的保护；第二十五张，PPT共八十九页，创作于2022年6月第二十六张，PPT共八十九页，创作于2022年6月薄膜厚度与位置的关系薄膜厚度与位置的关系:单蒸发源情况单蒸发源情况点源：点源：面源：面源：（2）薄膜的均匀性）薄膜的均匀性第二十七张，PPT共八十九页，创作于2022年6月第二十八张，PPT共八十九页，创作于2022年6月改善薄膜均匀性的方法：改善薄膜均匀性的方法：改变几何配置改变几何配置 添加静态或旋转挡板；添加静态或旋转挡板；第二十九张

20、，PPT共八十九页，创作于2022年6月第三十张，PPT共八十九页，创作于2022年6月蒸发法沉积薄膜时，真空度较高，被蒸发的原子处于分子流状态，因此沉积过程中遇到障碍物的时候有阴影效应结果导致蒸发的物质被障碍物遮挡而不能沉积到衬底上，破坏薄膜的均匀性衬底表面不平，或有较大的表面浮突，薄膜沉积受到蒸发源方向的限制，造成某些部位不能沉积第三十一张，PPT共八十九页，创作于2022年6月蒸发源纯度的影响蒸发源纯度的影响1.1.加热器、坩埚、支撑材料等的污染加热器、坩埚、支撑材料等的污染2.2.真空系统中残余气体的影响：真空系统中残余气体的影响：蒸气物质原子的沉积速率：蒸气物质原子的沉积速率：薄膜中

21、杂质的浓度：薄膜中杂质的浓度：（2）蒸）蒸发发沉沉积积薄膜的薄膜的纯纯度度：提高薄膜提高薄膜纯纯度的方法：度的方法：1.降低残余气体分降低残余气体分压压；2.提高沉提高沉积积速率；速率；第三十二张，PPT共八十九页，创作于2022年6月假假设设运运动动至至衬衬底底处处的的O2分子分子均被均被沉沉积积在薄膜之中在薄膜之中第三十三张，PPT共八十九页，创作于2022年6月 利用物质在高温下的蒸发现象，可以制备各种薄膜。真空利用物质在高温下的蒸发现象，可以制备各种薄膜。真空蒸发法所采用的设备根据其使用目的，可能有很大差别，从蒸发法所采用的设备根据其使用目的，可能有很大差别，从最简单的最简单的电阻加热

22、蒸镀电阻加热蒸镀装置到极为复杂的装置到极为复杂的分子束外延设备分子束外延设备，都属，都属于真空蒸发沉积装置的范畴。显而易见，在蒸发沉积装置中，于真空蒸发沉积装置的范畴。显而易见，在蒸发沉积装置中，最重要的组成部分就是最重要的组成部分就是物质的蒸发源物质的蒸发源。根据其加热原理，可以分为以下几种。根据其加热原理，可以分为以下几种。2.3 真空蒸真空蒸发发装置装置 第三十四张，PPT共八十九页，创作于2022年6月电电加加热热方法方法:钨丝热钨丝热源源：主要用于主要用于块块状材料的蒸状材料的蒸发发、可以在、可以在 2200K下工作；下工作；有有污污染、染、简单经济简单经济；难难熔金属蒸熔金属蒸发发

23、舟舟：W,Ta,Mo等材料制作；等材料制作；可用于粉末、可用于粉末、块块状材料的蒸状材料的蒸发发 有有污污染、染、简单经济简单经济；（1）电电阻式蒸阻式蒸发发装置装置第三十五张，PPT共八十九页，创作于2022年6月 利用利用大大电电流流通通过过一个一个连连接着靶材材接着靶材材料的料的电电阻器阻器，将将产产生非常高的温度生非常高的温度，利用利用这这个高温来加个高温来加热热靶材材料。靶材材料。通常使用通常使用钨钨W(Tm=3380),钽钽Ta(Tm=2980),钼钼Mo(Tm=2630)，高熔点又能高熔点又能产产生高生高热热的金属的金属，做成做成电电阻阻器。器。第三十六张，PPT共八十九页，创作

24、于2022年6月电阻器可以依被镀物工件形电阻器可以依被镀物工件形状、摆放方式、位置、腔体状、摆放方式、位置、腔体大小、旋转方式而作成不同大小、旋转方式而作成不同的形状。的形状。以便使靶材的蒸发以便使靶材的蒸发分布均匀，沉积的薄膜厚度分布均匀，沉积的薄膜厚度均匀。均匀。细丝状的金属靶材细丝状的金属靶材(Al,Ag,Au,Cr.)是最早被热蒸镀使是最早被热蒸镀使用的靶材形式，后来发展出用的靶材形式，后来发展出舟状，篮状等。舟状，篮状等。第三十七张，PPT共八十九页，创作于2022年6月注意注意：1.避免被蒸发物质与加热材料之间发生化学反应的可能性，可以考虑使避免被蒸发物质与加热材料之间发生化学反应

25、的可能性，可以考虑使用表面涂有一层用表面涂有一层Al2O3的加热体。的加热体。2.防止被加热物质的放气过程可能引起的物质飞溅防止被加热物质的放气过程可能引起的物质飞溅3.加热方式加热方式：对被蒸发的物质可以采取两种方法，即普通的对被蒸发的物质可以采取两种方法，即普通的电阻加热法电阻加热法和和高频感应法高频感应法。前者依靠缠于坩锅外的电阻丝实现加热，而后者依靠感应线圈在前者依靠缠于坩锅外的电阻丝实现加热，而后者依靠感应线圈在被加热的物质中或在坩锅中产生出感应电流来实现对蒸发物质的被加热的物质中或在坩锅中产生出感应电流来实现对蒸发物质的加热。在后者情况下，需要被加热的物质或坩锅本身具有一定的加热。

26、在后者情况下，需要被加热的物质或坩锅本身具有一定的导电性。导电性。第三十八张，PPT共八十九页，创作于2022年6月优点优点:1.电阻式蒸镀机设备价格便宜电阻式蒸镀机设备价格便宜,构造简单容易维护。构造简单容易维护。2.靶材做成各种的形状。靶材做成各种的形状。缺点缺点:1.有些微的污染有些微的污染,造成蒸发膜层纯度稍差，伤害膜层的质量造成蒸发膜层纯度稍差，伤害膜层的质量 2.适合金属材料的靶材，光学镀膜常用的介电质材料大部分适合金属材料的靶材，光学镀膜常用的介电质材料大部分都无法使用电阻式加温来蒸发。都无法使用电阻式加温来蒸发。3.蒸镀的速率比较慢蒸镀的速率比较慢,且不易控制。且不易控制。4.

27、化合物的靶材化合物的靶材,可能会因为高温而被分解可能会因为高温而被分解5.电阻式蒸镀的膜层硬度比较差电阻式蒸镀的膜层硬度比较差,密度比较低。密度比较低。第三十九张，PPT共八十九页，创作于2022年6月电电子束蒸子束蒸发发装置克服了装置克服了电电阻加阻加热热法的不足，在法的不足，在电电子束加子束加热热装置中，装置中，被加被加热热的物的物质质被放置于水冷的坩被放置于水冷的坩埚埚中，中，电电子束只子束只轰击轰击到其中很少到其中很少的一部分物的一部分物质质，其余大部分物，其余大部分物质质在坩在坩埚埚的冷却作用下一直的冷却作用下一直处处于于很低的温度。因此，很低的温度。因此，电电子束蒸子束蒸发发沉沉积

28、积装置中可以安置多个坩装置中可以安置多个坩埚埚，这这使得人使得人们们可以同可以同时时分分别别蒸蒸发发和沉和沉积积多种不同的物多种不同的物质质。（2 2）电子束蒸发装置）电子束蒸发装置第四十张，PPT共八十九页，创作于2022年6月结构结构 电电子束加子束加热枪热枪：灯：灯丝丝+加速加速电电极极+偏偏转转磁磁场组场组成成 蒸蒸发发坩坩埚埚：陶瓷坩：陶瓷坩埚埚或水冷或水冷铜铜坩坩埚埚；特点特点1.工作真空度比工作真空度比较较高，可与离子源高，可与离子源联联合使用；合使用；2.可用于粉末、可用于粉末、块块状材料的蒸状材料的蒸发发；3.可以蒸可以蒸发发金属和化合物；金属和化合物；4.可以比可以比较较精

29、确地控制蒸精确地控制蒸发发速率；速率；5.电电离率比离率比较较低。低。第四十一张，PPT共八十九页，创作于2022年6月 电电子束蒸子束蒸发设备发设备的核心是的核心是偏偏转电转电子子枪枪，偏偏转电转电子子枪枪是利用具有一定速度的是利用具有一定速度的带带点粒子在均匀磁点粒子在均匀磁场场中受力做中受力做圆圆周周运运动这动这一原理一原理设计设计而成的。其而成的。其结结构构由两部分由两部分组组成：成：一是一是电电子子枪枪用来射高用来射高速运速运动动的的电电子；二是使子；二是使电电子做子做圆圆周运周运动动的均匀磁的均匀磁场场。第四十二张，PPT共八十九页，创作于2022年6月缺点：缺点：电子束的绝大部分

30、能量要被坩埚的水冷系统带走，因而其电子束的绝大部分能量要被坩埚的水冷系统带走，因而其热效率较低热效率较低。另外，过高的加热功率也会对整个薄膜沉。另外，过高的加热功率也会对整个薄膜沉积系统形成积系统形成较强的热辐射较强的热辐射。第四十三张，PPT共八十九页，创作于2022年6月 电子束蒸发对源材料的要求电子束蒸发对源材料的要求、熔点要高、熔点要高。蒸发材料的蒸发温度多数在。蒸发材料的蒸发温度多数在10002000之间，之间，所以加热源材料的熔点必须高于此温度。所以加热源材料的熔点必须高于此温度。、饱和蒸汽压要低、饱和蒸汽压要低。为了防止或减少在高温下加热材料，随。为了防止或减少在高温下加热材料，

31、随蒸发材料一起蒸发而成为杂质进入淀积膜，只有当加热材料的蒸发材料一起蒸发而成为杂质进入淀积膜，只有当加热材料的饱和蒸发气压足够低，才能保证在蒸发过程中具有最小的自蒸饱和蒸发气压足够低，才能保证在蒸发过程中具有最小的自蒸量，而不致于影响真空度，不产生对薄摸污染的蒸发。量，而不致于影响真空度，不产生对薄摸污染的蒸发。、化学性能稳定、化学性能稳定。加热材料在高温下不应与蒸发材料发生化学。加热材料在高温下不应与蒸发材料发生化学反应，如果加热材料和蒸发形成工熔点合金，则会降低加热材料反应，如果加热材料和蒸发形成工熔点合金，则会降低加热材料的寿命。的寿命。第四十四张，PPT共八十九页，创作于2022年6月

32、 电弧蒸发装置也具有能够避免电阻加热材料或坩埚材料的污染，加热电弧蒸发装置也具有能够避免电阻加热材料或坩埚材料的污染，加热温度较高的特点，温度较高的特点，特别适用于熔点高，同时具有一定导电性的难熔金特别适用于熔点高，同时具有一定导电性的难熔金属、石墨等的蒸发。属、石墨等的蒸发。同时，这一方法所用的设备比电子束加热装置简单，同时，这一方法所用的设备比电子束加热装置简单，因此是一种较为廉价的蒸发装置，现今很多蒸发镀膜法均采用电弧蒸发因此是一种较为廉价的蒸发装置，现今很多蒸发镀膜法均采用电弧蒸发装置。装置。（3）电电弧蒸弧蒸发发装置装置第四十五张，PPT共八十九页，创作于2022年6月电弧离子镀：电

33、弧离子镀：以以金属等离子体弧光放电金属等离子体弧光放电为基础的一种高效镀膜技术；为基础的一种高效镀膜技术；电弧源：靶电弧源：靶(导电材料导电材料)+约束磁场约束磁场+弧电极弧电极+触发电极触发电极等离子体的电离率高达等离子体的电离率高达70%；可蒸发高熔点导电材料，如可蒸发高熔点导电材料，如C、Ta等；等；有部分金属液滴；有部分金属液滴；可在活性气氛下工作；可在活性气氛下工作；第四十六张，PPT共八十九页，创作于2022年6月原理：原理：把将要蒸把将要蒸发发的材料制成放的材料制成放电电电电极（阳极，位于蒸极（阳极，位于蒸发发靶靶靶靶头头位置），薄膜沉位置），薄膜沉积积前，前，调节电调节电极（被

34、蒸极（被蒸发发材料）和引弧材料）和引弧针针头头（阴极，常用直径（阴极，常用直径约约1mm的短的短铜铜条）之条）之间间的距离，至一的距离，至一合适范合适范围围（通常不超（通常不超过过0.8mm）。）。薄膜沉薄膜沉积时积时，施加于放，施加于放电电电电极和引弧极和引弧针头针头之上的工作之上的工作电压电压将两者之将两者之间间的空气的空气击击穿，穿，产产生生电电弧，而瞬弧，而瞬间间的高温的高温电电弧使弧使得得电电极端部（被蒸极端部（被蒸发发材料）受材料）受热产热产生蒸生蒸发发，从而，从而实现实现物物质质的沉的沉积积。控制。控制电电弧点燃的次数或弧点燃的次数或时间时间，即可以沉，即可以沉积积出一定出一定厚

35、度的薄膜。厚度的薄膜。第四十七张，PPT共八十九页，创作于2022年6月特点：特点：1、沉积速率高沉积速率高,高达高达0.1/min；2、沉积能量可控、具有自清洗功能沉积能量可控、具有自清洗功能；可以通过改变基片的负偏压控制沉积粒子的能量；可以通过改变基片的负偏压控制沉积粒子的能量；偏压比较大时，高能离子的溅射作用大于沉积实现对表面的清洗偏压比较大时，高能离子的溅射作用大于沉积实现对表面的清洗可以通过控制偏压改变薄膜的生长、膜基结合强度和薄膜应力；可以通过控制偏压改变薄膜的生长、膜基结合强度和薄膜应力；3、有大颗粒、粗糙度大有大颗粒、粗糙度大；不利于精细薄膜制备、影响光洁度；不利于精细薄膜制备

36、、影响光洁度；第四十八张，PPT共八十九页，创作于2022年6月缺点缺点 电弧加热方法既可以采用直流加热法，又可以采用交流加热电弧加热方法既可以采用直流加热法，又可以采用交流加热法。这种方法的缺点之一，是在法。这种方法的缺点之一，是在放电过程中容易产生微米放电过程中容易产生微米量级大小的电极颗粒的飞溅，从而影响被沉积薄膜的均匀量级大小的电极颗粒的飞溅，从而影响被沉积薄膜的均匀性性。第四十九张，PPT共八十九页，创作于2022年6月电弧蒸发法的改进电弧蒸发法的改进电弧过滤技术电弧过滤技术:磁镜过滤方法磁镜过滤方法 通过磁场对电子运动的控制实现对等离子体的控制；通过磁场对电子运动的控制实现对等离子

37、体的控制；可以显著降低薄膜中的大颗粒；可以显著降低薄膜中的大颗粒；沉积效率降低明显、束径受磁镜限制；沉积效率降低明显、束径受磁镜限制；磁场约束遮挡过滤磁场约束遮挡过滤 等离子体发射方向与镀膜方向垂直等离子体发射方向与镀膜方向垂直 束径不受限制，但沉积率比较低；束径不受限制，但沉积率比较低；第五十张，PPT共八十九页，创作于2022年6月电弧蒸发法的改进电弧蒸发法的改进 脉冲偏压技术脉冲偏压技术:通过对基片施加脉冲偏压减少等离子体中的颗粒沉积；通过对基片施加脉冲偏压减少等离子体中的颗粒沉积；原理原理：利用等离子体尘埃带负电的特点，通过脉冲偏压的动态等离子：利用等离子体尘埃带负电的特点，通过脉冲偏

38、压的动态等离子体壳层控制尘埃颗粒沉积；体壳层控制尘埃颗粒沉积；特点特点可以实现化合物的低温沉积可以实现化合物的低温沉积(TiN，低于，低于200oC)；可以改善薄膜的力学性能；可以改善薄膜的力学性能；特别大的颗粒过滤效果不理想；特别大的颗粒过滤效果不理想；沉积效率降低比较小；沉积效率降低比较小；第五十一张，PPT共八十九页，创作于2022年6月（4）激光蒸）激光蒸发发装置装置使用使用高功率的激光束高功率的激光束作为能源进行薄膜的蒸发沉积的方法就被称为激光作为能源进行薄膜的蒸发沉积的方法就被称为激光蒸发沉积法。这种方法具有蒸发沉积法。这种方法具有加热温度高，可避免坩埚污染，材料的蒸发加热温度高，

39、可避免坩埚污染，材料的蒸发速率高，蒸发过程容易控制速率高，蒸发过程容易控制等优点。等优点。使用位于使用位于紫外波段的脉冲激光器紫外波段的脉冲激光器作为蒸发的光源，如波长为作为蒸发的光源，如波长为248nm、脉冲宽度为、脉冲宽度为20ns的的KrF（氟化氪）准分子激光等。由于在蒸（氟化氪）准分子激光等。由于在蒸发过程中，高能激光光子可在瞬间将能量直接传递给被蒸发物质的原发过程中，高能激光光子可在瞬间将能量直接传递给被蒸发物质的原子，因而激光蒸发法产生的子，因而激光蒸发法产生的粒子能量一般显著高于粒子能量一般显著高于普通的蒸发方法。普通的蒸发方法。第五十二张，PPT共八十九页，创作于2022年6月

40、脉冲激光沉积脉冲激光沉积(PLD)方法方法:加热源加热源：脉冲激光：脉冲激光(准分子激光器准分子激光器)波长越短，光子能量越大，效率越高波长越短，光子能量越大，效率越高不要求高真空，但激光器价格昂贵不要求高真空，但激光器价格昂贵特点特点：蒸气的成分与靶材料基本相同，蒸气的成分与靶材料基本相同，没有偏析现象没有偏析现象；蒸发量可以由脉冲的数量蒸发量可以由脉冲的数量定量控制定量控制；有利于薄膜厚度控制；有利于薄膜厚度控制；沉积原子的沉积原子的能量比较高能量比较高，一般，一般10 20eV由于由于激光能量密度的限制激光能量密度的限制，薄膜均匀性比较差；，薄膜均匀性比较差；第五十三张，PPT共八十九页

41、，创作于2022年6月激光蒸发装置激光蒸发装置在激光加热方法中，需要采用在激光加热方法中，需要采用特殊的窗口材料将激光束引入特殊的窗口材料将激光束引入真空室中，并要使用真空室中，并要使用透镜或凹透镜或凹面镜面镜等将激光束聚焦至被蒸等将激光束聚焦至被蒸发材料上。发材料上。第五十四张，PPT共八十九页，创作于2022年6月 激光加激光加热热法特法特别别适用于蒸适用于蒸发发那些成分比那些成分比较较复复杂杂的合金或化合物的合金或化合物材料材料，例如近年来研究比，例如近年来研究比较较多的高温超多的高温超导导材料材料YBa2Cu3O7，以，以及及铁电铁电陶瓷、陶瓷、铁铁氧体薄膜等。氧体薄膜等。这这是因是因

42、为为，高能量的激光束可以在，高能量的激光束可以在较较短短的的时间时间内将物内将物质质的局部加的局部加热热至极高的温度并至极高的温度并产产生物生物质质的蒸的蒸发发，在此，在此过过程中被蒸程中被蒸发发出来的物出来的物质质仍能保持其原来的元素比例。仍能保持其原来的元素比例。激光蒸激光蒸发发法也存在着法也存在着产产生微小的物生微小的物质颗质颗粒粒飞溅飞溅，影响薄膜均，影响薄膜均匀性的匀性的问题问题。第五十五张，PPT共八十九页，创作于2022年6月（5）空心阴极蒸）空心阴极蒸发发装置装置在中空金属在中空金属Ta管制成的阴极和被蒸发物质制成的阳极之间加上一定幅管制成的阴极和被蒸发物质制成的阳极之间加上一

43、定幅度的电压，并在度的电压，并在Ta管内通入少量的管内通入少量的Ar气时，可在阴阳两极之间产生放电气时，可在阴阳两极之间产生放电现象。这时，现象。这时，Ar离子的轰击会使离子的轰击会使Ta管的温度升高并维持在管的温度升高并维持在2000K以上的高以上的高温下，从而能够发射出大量的热电子。将热电子束从温下，从而能够发射出大量的热电子。将热电子束从Ta管内引出并轰管内引出并轰击阳极，即可导致物质的热蒸发，并在衬底上沉积出薄膜。击阳极，即可导致物质的热蒸发，并在衬底上沉积出薄膜。第五十六张，PPT共八十九页，创作于2022年6月特点特点一个是可以提供数安培至数百安培的一个是可以提供数安培至数百安培的

44、高强度电子流高强度电子流，因而可以提高薄膜，因而可以提高薄膜的沉积速度。另一方面，大电流蒸发使蒸发出来的物质原子进一步发生的沉积速度。另一方面，大电流蒸发使蒸发出来的物质原子进一步发生部部分的离化分的离化，从而生成大量的被蒸发物质的离子。这样，若在阳极与衬底之，从而生成大量的被蒸发物质的离子。这样，若在阳极与衬底之间加上一定幅度的偏置电压的话，即可以使被蒸发物质的离子轰击衬底，间加上一定幅度的偏置电压的话，即可以使被蒸发物质的离子轰击衬底，从而影响薄膜的沉积过程，改善薄膜的微观组织。从而影响薄膜的沉积过程，改善薄膜的微观组织。其次，与上述多种蒸发方法不同，空心阴极在工作时需要维持有其次，与上述

45、多种蒸发方法不同，空心阴极在工作时需要维持有110-2Pa的气压条件。空心阴极在产生高强度电子流的同时，也容易产生阴的气压条件。空心阴极在产生高强度电子流的同时，也容易产生阴极的损耗和蒸发物质的飞溅。极的损耗和蒸发物质的飞溅。第五十七张，PPT共八十九页，创作于2022年6月 除激光法、电压偏置情况下的空心阴极之外，多数蒸发方法的共同特除激光法、电压偏置情况下的空心阴极之外，多数蒸发方法的共同特点之一，是点之一，是其蒸发和参与沉积的物质粒子只具有较低的能量其蒸发和参与沉积的物质粒子只具有较低的能量。下下面列出了蒸发法涉及到的粒子能量的典型值以及其与物质键合能之间面列出了蒸发法涉及到的粒子能量的

46、典型值以及其与物质键合能之间的比较。显然，与物质键合能相比，一般蒸发法获得的粒子能量较低，的比较。显然，与物质键合能相比，一般蒸发法获得的粒子能量较低，在薄膜沉积过程中所起的作用较小。因此在许多情况下，在薄膜沉积过程中所起的作用较小。因此在许多情况下，需要采用某需要采用某些方法提高入射到衬底表面的粒子的能量些方法提高入射到衬底表面的粒子的能量。第五十八张，PPT共八十九页，创作于2022年6月（1）LaB6 薄膜的制备工艺研究薄膜的制备工艺研究 LaB6 材料具有熔点高、导电性好、化学活性低、热稳定性高、材料具有熔点高、导电性好、化学活性低、热稳定性高、对发射环境要求低等特殊的物理、化学性能对

47、发射环境要求低等特殊的物理、化学性能,被公认为是种理想的冷、被公认为是种理想的冷、热阴极电子发射材料。热阴极电子发射材料。由于制备大尺寸的由于制备大尺寸的LaB6 单晶棒在工艺上比较困难单晶棒在工艺上比较困难,在金属上沉积在金属上沉积LaB6 薄膜制作容易、消耗功率低、易于安装薄膜制作容易、消耗功率低、易于安装,因此人们将研究的方因此人们将研究的方向指向六硼化镧薄膜的制备。向指向六硼化镧薄膜的制备。蒸发法制备薄膜举例蒸发法制备薄膜举例第五十九张，PPT共八十九页，创作于2022年6月薄膜的制备薄膜的制备 由于六硼化由于六硼化镧镧材料的清材料的清洁洁度直接影响着制度直接影响着制备备的薄膜的特性的

48、薄膜的特性,因此因此对对于六硼化于六硼化镧镧材料首先要材料首先要进进行清洗。将行清洗。将选选取的多晶取的多晶LaB6 材料材料,按照按照以下步以下步骤进骤进行清洗、行清洗、处处理：理：(1)用用NaOH 的的饱饱和溶液煮沸和溶液煮沸10 min,去除去除线线切割残留的油切割残留的油污污。(2)用稀用稀HCL 清洗清洗,以中和残余的碱液并去除其他金属原子。以中和残余的碱液并去除其他金属原子。(3)用无水乙醇去除水分用无水乙醇去除水分,并烘干。并烘干。(4)将清洗完将清洗完毕毕的材料的材料,在真空条件下在真空条件下进进行中行中频频加加热处热处理。真空度理。真空度为为Pa,温度温度1700。第六十张

49、，PPT共八十九页，创作于2022年6月 基底基底选选用玻璃和用玻璃和钽钽片片,使用的使用的设备为设备为南光南光H44500-3 型超高真空型超高真空镀镀膜膜机。基底固定在一个不机。基底固定在一个不锈钢锈钢底座上底座上，e型型电电子子枪为枪为加工的加工的块块状状LaB6，用来代替原用来代替原设备设备中的中的钨钨阴极阴极,试验试验装置的基本装置的基本结结构如构如图图1 所示。所示。实验过实验过程程中冷阱中持中冷阱中持续续添加液氮添加液氮，真空度控制在真空度控制在810-5310-4Pa 之之间间，电电子束子束加速加速级电压级电压控制在控制在4500V 左右左右,电电流流为为80mA,蒸蒸发时间为

50、发时间为15min。蒸。蒸发过发过程中通程中通过过控制控制电电子束能量子束能量来来实现对实现对多晶材料蒸多晶材料蒸发发速率的控制速率的控制,通通过过蒸蒸发发时间时间来控制蒸来控制蒸发发薄膜的厚度。薄膜的厚度。第六十一张，PPT共八十九页，创作于2022年6月第六十二张，PPT共八十九页，创作于2022年6月薄膜分析薄膜分析SEM 分析分析薄膜表面非常的致密薄膜表面非常的致密,与基底有十分良好的附着力与基底有十分良好的附着力。图图4 为为800退火退火20min 后样品的后样品的SEM 图像图像,可以看出可以看出,退火后的薄膜样退火后的薄膜样品由尺寸分布比较均匀的晶粒组成品由尺寸分布比较均匀的晶