薄膜的物理气相沉积蒸发法分析.pptx

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1、主 要 内 容 引 言2.1 物质的热蒸发 2.2 薄膜沉积的厚度均匀性和纯度 2.3 真空蒸发装置 第1页/共84页 一、定义 物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）利用某种物理过程，如物质的热蒸发或受到离子轰击时物质表面原子的溅射现象，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移的过程。二、特点（相对于化学气相沉积而言）：（1）需要使用固态的或熔融态物质作为沉积过程的源物质；（2）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；（4）在气相中及沉底表面并不发生化学反应。上述物理气相沉积方法的几个特点也带来了另外一些特点：在低压环境中，其他气体分子

2、对于气相分子的散射作用较小，气相分子的运动路径近似为一条直线；气相分子在衬底上的沉积几率接近100。引 言第2页/共84页蒸发法：把装有基片的真空室抽成真空，使气体压强达到10-2Pa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，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，以及由此导致的较高的薄膜纯度等优点。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控制、沉积层对沉底的附着力较好。引 言三、分类第3页/共84页2.1 物质的热蒸发 利用物质在高温下的蒸发现象，可以制备各种薄膜材料。蒸发法具有较高的背底真空度。在较高的真空条件下，不仅蒸发出

3、来的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面上，而且还可以确保所制备的薄膜具有较高的纯净程度。物理气相沉积过程可概括为三个阶段：从源材料中发射出粒子；粒子运输到基片；粒子在基片上凝结、成核、长大、成膜。第4页/共84页蒸发成膜过程是由蒸发、蒸发材料粒子的迁移和沉积三个过程所组成。真空蒸发镀膜原理及其基本过程被镀材料蒸发过程蒸发材料粒子迁移过程蒸发材料粒子沉积过程蒸发材料蒸发材料粒子 基片(工件)第5页/共84页真空蒸发的原理真空蒸发的原理在真空蒸发技术中，人们只需要产生一个真空环境。在真空环境下，给待蒸发物提供足够的热量以获得蒸发所必需的蒸气压。在适当的温度下，蒸发粒子在基片

4、上凝结，这样即可实现真空蒸发薄膜沉积。大量材料皆可以在真空中蒸发，最终在基片上凝结以形成薄膜。真空蒸发沉积过程由三个步骤组成：（1）加热蒸发过程，包括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同的饱和蒸气压，蒸发化合物时，其组合之间发生反应，其中有些组成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以及从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，即蒸气凝聚、成核、核生长、形成连续薄膜第6页

5、/共84页 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。第7页/共84页 要实现蒸发法镀膜，需要三个最基本条件：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，以便于气体镀料凝结成膜。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，这种现象叫热蒸发。2.1

6、物质的热蒸发第8页/共84页1.真空蒸发沉积薄膜的优点：简单便利、操作容易、成膜速度快、效率高等，是薄膜制备中最为广泛使用的技术。2.真空蒸发技术的缺点：不容易获得结晶结构的薄膜，形成的薄膜与基片结合较差，工艺重复性不好。p基片可以选用各种材料，根据所需的薄膜性质基片可以保持在某一温度下。当蒸发在真空中开始时，蒸发温度会降低很多。真空蒸发的特点真空蒸发的特点第9页/共84页 蒸发过程 镀膜时，加热蒸镀材料，使材料以分子或原子的状态进入气相。在真空的条件下，金属或非金属材料的蒸发与在大气压条件下相比要容易得多。沸腾蒸发温度大幅度下降，熔化蒸发过程大大缩短，蒸发效率提高。以金属铝为例，在一个大气压

7、条件下，铝要加热到2400C才能达到沸腾而大量蒸发，但在1.3mPa压强下，只要加热到847C就可以大量蒸发。一般材料都有这种在真空下易于蒸发的特性。真空蒸发镀膜第10页/共84页饱和蒸气压 饱和蒸气压的概念：某温度下物质汽化（蒸发）和液化达到平衡时气体的压强。饱和蒸汽压越大，表示液体越容易蒸发。蒸发过程中膜材料的蒸发速率及其影响因素与饱和蒸气压密切相关。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。蒸发温度：物质在饱和蒸气压为10-2 Torr时的温度，称为该物质的蒸

8、发温度。真空蒸发过程第11页/共84页2.1 物质的热蒸发一、元素的蒸发速率 -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；蒸发速率正比于物质的平衡蒸气压(Pe)与实际蒸气压力(Ph)之差；-蒸发速率（两种表达）：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。第12页/共84页元素的质量蒸发速率：其中蒸发系数(01)，Pe元素的平衡蒸汽压，Ph元素的实际分压；最大蒸发速率(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：2.1 物质的热蒸

9、发为单位表面上元素的质量蒸发速率。第13页/共84页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，因而对元素的蒸发速率影响最大的因素是蒸发源所处的温度。2.1 物质的热蒸发第14页/共84页二、元素的平衡蒸气压 2.1 物质的热蒸发 克劳修斯-克莱普朗方程指出，物质的平衡蒸气压Pe随温度T的变化率可以定量地表达为：H：蒸发过程中单位摩尔物质的热焓变化，随着温度不同而不同。V：相应过程中物质体积的变化。因为 VgVs，假设低压气体符合理想气体状态方程，则有第15页/共84页 作为近似，可以利用物质在某一温度时的气化热He代替H，从而得到物质蒸气压的两种近似表达方式：其中，I积分

10、常数，B相应的系数。第16页/共84页说明：1.由于使用了近似条件He=H，即热焓变化=汽化热，故蒸气压表达式只在某一温度区间才严格成立。2.要准确地描述Pe-T的关系，应该将H写成H（T）的函数形式。例如：液态下的Al贡献较小第17页/共84页2.1 物质的热蒸发P-T关系：两者之间基本上保持为线性关系第18页/共84页2.1 物质的热蒸发第19页/共84页2.1 物质的热蒸发 元素的蒸发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）。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。例如：Cr、Ti、Mo、Fe、Si等 石墨C例外，没有

11、熔点，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。第20页/共84页 蒸发源的选择：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0.1Pa;难熔材料：可以采用激光、电弧蒸发；2.1 物质的热蒸发第21页/共84页三、化合物与合金的热蒸发 -多组元材料的蒸发：合金的偏析：蒸气成分一般与原始固体或液体成分不同；化合物的解离：蒸气中分子的结合和解离发生频率很高；-蒸发不发生解离的材料，可以得到成分匹配的薄膜：如 AlN,CaF2,MgF2,-蒸发发生分解的材料，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

12、发源；如：Ag2S,Ag2Se,III-V半导体等；2.1 物质的热蒸发第22页/共84页 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：CdS,CdSe,CdTe,氧化物：SiO2,GeO2,TiO2,SnO2,2.1 物质的热蒸发第23页/共84页2.1 物质的热蒸发1、化合物的蒸发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：无分解反应；固态分解反应；气态分解蒸

13、发第24页/共84页2.1 物质的热蒸发2、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联系：也会发生成分的偏差。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。第25页/共84页合金的蒸发：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很大，其熔点由热力学定律所决定；合金元素的蒸气压：理想合金的蒸气压与合金比例(XB)的关系（拉乌尔定律）：PB=XBPB(0)PB(0)为纯元素的蒸气压；实际合金的蒸气压：PB=BXBPB(0)=aBPB(0)合金组元蒸发速率

14、之比：2.1 物质的热蒸发第26页/共84页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；n理想合金AB：A-B间的作用能等于A-A 或B-B的作用能.n拉乌尔定律：平衡蒸汽压正比于纯组元蒸汽压，系数为摩尔分数 PA=APA(0)；PB=BPB(0)；PA(0)、PB(0)分别为纯组元A、B的平衡蒸气压，A、B分别为 A、B 组元在合金中的摩尔分数。因此，即使对于理想合金A、B两组元的蒸气压之比，或蒸发速度之比，不等于合金中的元素摩尔分数之比，出现成分分离。合金的蒸发：2.1 物质的热蒸发第27页/共84页实际合金的蒸气压之比更加偏离合金中的原始

15、组分之比。实际合金的蒸气压之比更加偏离合金中的原始组分之比。PA=A APA(0)；PB=B BPB(0)；A，B 分别为元素分别为元素A、B在合金中的活度系数在合金中的活度系数合金中合金中A、B组元的蒸发速率之比为组元的蒸发速率之比为 对于初始成分确定的蒸发源，易于蒸发的组元优先蒸发，造对于初始成分确定的蒸发源，易于蒸发的组元优先蒸发，造成该组元的不断贫发，造成该组元的蒸发速率下降。成该组元的不断贫发，造成该组元的蒸发速率下降。实际采取的措施：实际采取的措施：采用双源或多源，分别加热至不同温度来控采用双源或多源，分别加热至不同温度来控制每一组元的蒸发速率。制每一组元的蒸发速率。2.1 物质的

16、热蒸发第28页/共84页蒸发质量定律的应用:2.1 物质的热蒸发例如：已知在1350K的温度下，Al的蒸气压高于Cu，因而为了获得Al2Cu成分的薄膜，需要使用的蒸发源的大致成分应该是Al13.6Cu。蒸发质量定律的应用:计算只适用于初始的蒸发，若蒸发持续进行，成分将平衡到某一固定的值；蒸气成分的稳定性与蒸发工艺有关；第29页/共84页 蒸气成分稳定性的控制:用较多的蒸发物质作为蒸发源；采用向蒸发容器中每次只加入少量被蒸发物质的方法，使不同的组元能够实现瞬间的同步蒸发；利用加热至不同温度的双源或多源的方法，分别控制和调节每一组元的蒸发速率。蒸发方法的缺点：不适合组元蒸气压差别比较大的合金薄膜；

17、多元合金的成分控制比较困难：2.1 物质的热蒸发第30页/共84页多组分薄膜的蒸发方法 利用蒸发法制备多组分薄膜的方法主要有三种方法（1）单源蒸发法：先按薄膜组分比例的要求制成合金靶，然后 对合金靶进行蒸发、沉积形成固态薄膜。基本要求是合金靶中各组分材料的蒸汽压比较接近。（2）多源同时蒸发法：利用多个坩埚，在每个坩埚中放入薄膜所需的一种材料，在不同温度下同时蒸发。（3）多源顺序蒸发法：把薄膜所需材料放在不同坩埚中，但不是同时蒸发，而是按顺序蒸发，并根据薄膜组分控制相应的层厚，然后通过高温退火形成需要的多组分薄膜。2.1 物质的热蒸发第31页/共84页2.1 物质的热蒸发第32页/共84页2.2

18、 薄膜沉积厚度均匀性与纯度 蒸发源几何类型:点源：蒸发源的几何尺寸远小于基片的尺寸；蒸发量：沉积量：基片某点的沉积量与该点和蒸发源连线与基片法向的夹角有关；（1）薄膜沉积的方向性和阴影效应 在物质的蒸发过程中，蒸发原子的运动具有明显的方向性。并且，由于被蒸发原子的运动具有方向性，因而沉积薄膜本身的均匀性以及其微观组织也将受到影响。第33页/共84页 面源：蒸发源的几何尺寸与基片的尺寸相当；沉积量：基片某点的沉积量与蒸发源法向方向和基片法向方向夹角有关；与该点和蒸发源连线与基片法向的夹角有关；2.2 薄膜沉积厚度均匀性与纯度 第34页/共84页2.2 薄膜沉积厚度均匀性与纯度 第35页/共84页

19、2.2 薄膜沉积厚度均匀性与纯度 1、在蒸发源内物质的蒸气压近似等于其平衡蒸气压；2、蒸发源外仍可保持真空室的高真空度。3、具有较小的有效蒸发面积，因此它的蒸发速率较低。4、蒸发束流的方向性较好，温度以及蒸发速率可以被控制的极为准确。第36页/共84页面源的高阶效应: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弦函数的高阶幂有关；n的大小取决于熔池的面积、深度;面积小、熔池深将导致n的增加；但针对挥发性强的物质，则有利于对真空室壁污染的保护；2.2 薄膜沉积厚度均匀性与纯度 第37页/共84页2.2 薄膜沉积厚度均匀性与纯度 第38页/共84页薄膜厚度与位置的关系:单蒸发源情况点源：

20、面源：（2）薄膜的均匀性2.2 薄膜沉积厚度均匀性与纯度 第39页/共84页2.2 薄膜沉积厚度均匀性与纯度 第40页/共84页 方法一：在同时需要蒸发沉积的样品数较多、而每个样品的尺寸相对较小的时候，经常可以改善实验装置来提高样品的均匀性，如转动衬底。原理：将面蒸发源和衬底表面放在一个圆周上，有cos=cos=(1/2)r/ro,其中ro为相应圆周的半径。这时，衬底上沉积的物质量使得薄膜的沉积厚度变得与角度或无关。改善样品均匀性方法2.2 薄膜沉积厚度均匀性与纯度 第41页/共84页方法二：加大蒸发源到衬底表面的距离也可以改善薄膜的厚度均匀性。缺点：降低薄膜沉积速率，增加被蒸发物质损耗。第4

21、2页/共84页定义：在利用蒸发法沉积薄膜时，其真空度一般较高，这使得被蒸发物质的原子、分子是处于分子流状态下。当蒸发源与衬底之间存在某种障碍物的时候，物质的沉积将会产生阴影效应，即蒸发出来的物质将被障碍物阻挡而不能沉积在衬底上。缺点：1.阴影效应可能破坏薄膜沉积的均匀性；2.薄膜的沉积将会受到蒸发源方向性的限制，造成有些部位没有物质沉积。（2）薄膜的阴影效应第43页/共84页2.2 薄膜沉积厚度均匀性与纯度 优点：可以在蒸发沉积的时候，有目的地使用一些特定形状的掩膜(Mask)，从而实现薄膜的选择性沉积。第44页/共84页 蒸发源纯度的影响：加热器、坩埚、支撑材料等的污染：真空系统中残余气体的

22、影响：蒸气物质原子的沉积速率：薄膜中杂质的浓度：2.2 薄膜沉积厚度均匀性与纯度（3）蒸发沉积薄膜的纯度：提高薄膜纯度的方法：降低残余气体分压；提高沉积速率；（使用高纯物质作为蒸发源）（改善实验装置）（改善真空条件）其量纲为原子数/cm2s。其中为沉积物质的密度，s为厚度沉积速度。第45页/共84页假设运动至衬底处的O2分子均被沉积在薄膜之中2.2 薄膜沉积厚度均匀性与纯度 例如：在溅射法制备薄膜时，薄膜的沉积速度比蒸发法低一个数量级，而真空度要高5个数量级以上，故溅射法制备的薄膜纯度较蒸发法制备的纯度要低。第46页/共84页 制备高纯的薄膜材料要求：1）改善沉积的真空条件 2）提高物质的蒸发

23、以及薄膜的沉积速度2.2 薄膜沉积厚度均匀性与纯度 第47页/共84页蒸发镀膜过程中，从膜材料表面蒸发的粒子以一定的速度在空间沿直线运动，直到与其他粒子碰撞为止。在真空室中，当气相中的粒子浓度和残余气体的压力足够低时，这些粒子从蒸发源到基片之间可以保持直线运动，否则，就会产生碰撞而改变运动方向。为此，增加残余气体的平均自由程，借以减少其与蒸气分子的碰撞几率，把真空室抽成高真空是必要的。当真空容器内蒸气分子的平均自由程大于蒸发源与基片的距离时，就会获得充分的真空条件。蒸发过程的真空条件第48页/共84页蒸发分子的平均自由程与碰撞几率蒸发分子平均自由程：碰撞几率：未受到残余气体碰撞的数目：受到残余

24、气体碰撞的几率：当蒸发粒子在蒸发源到基片的输运过程中可能与气体分子发生碰撞，碰撞次数取决于分子的平均自由程，总数为N0、通过距离l。ll第49页/共84页n通常薄膜沉积是在10-5Torr或更高的真空下进行，蒸发粒子与残余气体分子的碰撞数可以忽略不计，因而蒸气粒子会沿直线行进。n平均自由程必须远远大于蒸发源到基片的距离才能避免蒸气分子向基片迁移过程中与残余气体分子发生碰撞，从而有效地减少蒸气粒子的散射现象。第50页/共84页只有当 l 时，即平均自由程较源-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。?在上述条件下，有 为保证镀膜质量，在要求 时，源-基距 时，必须 。第51页

25、/共84页在真空蒸发过程中，基片不仅受到蒸发粒子轰击，而且也受到真空中残余气体的轰击，残余气体对薄膜生长和薄膜性质皆有重要影响。薄膜会被真空系统中残余的气体严重污染，这一污染起源于沉积过程中残余气体分子对基片表面的撞击。残余气体分子的撞击率由气体的运动学给出：一般薄膜的沉积速率为每秒一个原子层，当残余气体压强为10-5Torr时，气体分子和蒸发物质原子几乎按1：1的比例到达基板表面。对基片的碰撞率：第52页/共84页n真空室中残余气体分子的来源主要是真空镀膜室表面上的解吸放气、蒸发源释放的气体、抽气系统的返流以及设备的漏气等。n在常用的真空系统中，其内表面所吸附的单层分子数远远超过气相中的分子

26、数，因此，除了蒸发源在蒸镀过程中所释放的气体外，在密封和抽气系统均良好和清洁的真空系统中，若气压处于10-4Pa时，从真空室壁表面上解吸出来的气体分子就是真空系统内的主要气体来源。n此外，在10-4Pa时的真空室内残余气体的主要组分为水蒸气（约90%以上），水蒸气与金属膜层或蒸发源均会发生化学反应，生成氧化物而释放出氢气。因此，为了减少残余气体中的水分，可以提高真空室内的温度，使水分解。第53页/共84页 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，从最简单的电阻加热蒸镀装置到极为复杂的分子束外延设备，都属于真空蒸发沉积装置的范畴。显而易

27、见，在蒸发沉积装置中，最重要的组成部分就是物质的蒸发源，根据其加热原理，可以分为以下几种。2.3 真空蒸发装置 第54页/共84页p在真空中为了蒸发待沉积的材料，需要容器来支撑或盛装蒸发物，同时需要提供蒸发热使蒸发物达到足够高的温度以产生所需的蒸气压。p为避免污染薄膜材料，蒸发源中所用的支撑材料在工作温度下必须具有可忽略的蒸气压。通常所用的支撑材料为难熔金属和氧化物。当选择某一特殊支撑材料时，一定要考虑蒸发物和支撑材料之间可能发生的合金化和化学反应等问题。支撑材料的形状则主要取决于蒸发物。p重要的蒸发方法有电阻加热蒸发、闪烁蒸发、电子束蒸发、激光熔融蒸发、弧光蒸发、射频加热蒸发等。2.3 真空

28、蒸发装置 第55页/共84页2.3 真空蒸发装置（1）电阻式蒸发装置电阻式蒸发装置目前使用最广泛的加热装置电阻式加热装置对电阻材料的要求能够在高温下使用且在高温下具有较低的蒸气压不与被蒸发物质发生化学反应无放气现象和其他污染具有合适的电阻率第56页/共84页 1、将钨丝绕制成各种等直径或不等直径的螺旋状，即可作为加热源。2、对于不能用钨丝装置加热的物质，采用难熔金属板制成的舟状加热装置。3、高熔点氧化物、高温裂解BN、石墨、难熔金属等制成的坩埚也可以作为蒸发容器。常用的电阻材料及作用电阻材料：电阻材料：一般均是难熔金属，如一般均是难熔金属，如WW（钨）、（钨）、Mo(Mo(钼钼)、TaTa（钽

29、（钽）等。等。作用：做加热器或者支撑被加热物质电阻式加热方式2.3 真空蒸发装置 避免被蒸发物质与加热材料之间发生化学反应的可能性，可以考虑使用表面涂有一层Al2O3的加热体。另外，还要防止被加热物质的放气过程可能引起的物质飞溅。第57页/共84页 选择蒸发加热材料时，必须考虑蒸镀材料与蒸发源材料的“湿润性”问题。镀料熔化后，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。镀料与蒸发源的浸润性第58页/共84页第59页/共84页丝状舟状坩埚常用的几种加热器形状 第60页/共84页各各种种形形状状的的电

30、阻蒸阻蒸发源源1）丝式 a)、b)要求浸润性，镀料为丝状。但浸润好意味着有轻微合金化，只能用1次。c)不要求浸润性，镀料可丝状、块状蒸发加热丝的直径：0.5-1mm，特殊1.5mm,多股第61页/共84页2）蒸）蒸发舟舟 用金属箔制成，箔厚0.05-0.15mm，可蒸发块状、丝状、粉状镀料注意避免局部过热，发生飞溅第62页/共84页3）外）外热坩坩埚第63页/共84页优点:1.电阻式蒸镀机设备价格便宜,构造简单容易维护。2.靶材可以依需要,做成各种的形状。缺点:1.因为热量及温度是由电阻器产生,并传导至靶材,电阻器本身的材料难免会在过程中参加反应,因此会有些微的污染,造成蒸发膜层纯度稍差,伤害

31、膜层的质量。2.热阻式蒸镀比较适合金属材料的靶材,光学镀膜常用的介电质(dielectric)材料,因为氧化物所需熔点温度更高,大部分都无法使用电阻式加温来蒸发。3.蒸镀的速率比较慢,且不易控制。4.化合物的靶材,可能会因为高温而被分解,只有小部分化合物靶材可以被闪燃式蒸镀使用。5.电阻式蒸镀的膜层硬度比较差,密度比较低。2.3 真空蒸发装置 第64页/共84页2.3 真空蒸发装置 电阻加热装置的缺点之一是来自坩埚、加热元件以及各种支撑部件的可能的污染。另外，电阻加热法的加热功率或加热温度也有一定的限制。因此其不适用于高纯或难熔物质的蒸发。电子束蒸发装置正好克服了电阻加热法的上述两个不足。在电

32、子束加热装置中，被加热的物质被放置于水冷的坩埚中，电子束只轰击到其中很少的一部分物质，而其余的大部分物质在坩埚的冷却作用下一直处于很低的温度，即后者实际上变成了被蒸发物质的坩埚。因此，电子束蒸发沉积装置中可以安置多个坩埚，这使得人们可以同时分别蒸发和沉积多种不同的物质。（2）电子束蒸发装置第65页/共84页 电子束加热枪：灯丝+加速电极+偏转磁场组成 蒸发坩埚：陶瓷坩埚或水冷铜坩埚；电子束蒸发的特点：工作真空度比较高，可与离子源联合使用；可用于粉末、块状材料的蒸发；可以蒸发金属和化合物；可以比较精确地控制蒸发速率；电离率比较低。2.3 真空蒸发装置 第66页/共84页发射电子束加速（数千伏）偏

33、转（横向磁场）轰击坩埚薄膜沉积?第67页/共84页 电子束蒸发设备的核心是偏转电子枪，偏转电子枪是利用具有一定速度的带电粒子在均匀磁场中受力做圆周运动这一原理设计而成的。其结构由两部分组成：一是电子枪用来射高速运动的电子；二是使电子做圆周运动的均匀磁场。第68页/共84页 磁场偏转法的使用可以避免灯丝材料的蒸发对于沉积过程可能造成的污染。第69页/共84页 电子束蒸发法的缺点是，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。另外，过高的加热功率也会对整个薄膜沉积系统形成较强的热辐射。2.3 真空蒸发装置 电子束蒸发源的优点：(1)电子束轰击热源的束流密度高，能获得远比电阻加热源

34、更大的能流密度。可蒸发高熔点镀料（3000以上）如W，Mo，Ge，SiO2，Al2O3等。(2)由于被蒸发材料是置于水冷坩埚内，因而可避免容器材料的蒸发，以及容器材料与蒸镀材料之间的反应，这对提高镀膜的纯度极为重要。(3)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。第70页/共84页 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，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。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装置。原理：把将要蒸发的材料制成放电电极（阳

35、极，位于蒸发靶靶头位置），薄膜沉积前，调节电极（被蒸发材料）和引弧针头（阴极，常用直径约1mm的短铜条）之间的距离，至一合适范围（通常不超过0.8mm）。薄膜沉积时，施加于放电电极和引弧针头之上的工作电压将两者之间的空气击穿，产生电弧，而瞬间的高温电弧使得电极端部（被蒸发材料）受热产生蒸发，从而实现物质的沉积。控制电弧点燃的次数或时间，即可以沉积出一定厚度的薄膜。2.3 真空蒸发装置（3）电弧蒸发装置第71页/共84页电弧离子镀设备:电弧离子镀膜技术是以金属等离子体弧光放电为基础的一种高效镀膜技术；电弧源：靶(导电材料)+约束磁场+弧电极+触发电极 等离子体的电离率高达70%；可蒸发高熔点导电

36、材料，如C、Ta等；有部分金属液滴；可在活性气氛下工作；2.3 真空蒸发装置 第72页/共84页电弧蒸发镀膜的特点:沉积速率高,高达0.1/min；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；当偏压比较大时，高能离子的溅射作用大于沉积而实现对表面的清洗；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；有大颗粒、粗糙度大；不利于精细薄膜制备、影响光洁度；2.3 真空蒸发装置 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性。第73页/共84页2.3 真空

37、蒸发装置（4）激光蒸发装置 使用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蒸发沉积法。显然，这种方法也具有加热温度高，可避免坩埚污染，材料的蒸发速率高，蒸发过程容易控制等优点。实际应用中，多使用位于紫外波段的脉冲激光器作为蒸发的光源，如波长为248nm、脉冲宽度为20ns的KrF（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子，因而激光蒸发法产生的粒子能量一般显著高于普通的蒸发方法。第74页/共84页脉冲激光沉积(PLD)方法:加热源：脉冲激光(准分子激光器)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PLD的特

38、点：蒸气的成分与靶材料基本相同，没有偏析现象；蒸发量可以由脉冲的数量定量控制；有利于薄膜厚度控制；沉积原子的能量比较高，一般10 20eV;由于激光能量密度的限制，薄膜均匀性比较差；2.3 真空蒸发装置 第75页/共84页激光蒸发装置2.3 真空蒸发装置 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真空室中，并要使用透镜或凹面镜等将激光束聚焦至被蒸发材料上。第76页/共84页 激光加热法特别适用于蒸发那些成分比较复杂的合金或化合物材料，例如近年来研究比较多的高温超导材料YBa2Cu3O7，以及铁电陶瓷、铁氧体薄膜等。这是因为，高能量的激光束可以在较短的时间内将物质的局部加热至极高的温度

39、并产生物质的蒸发，在此过程中被蒸发出来的物质仍能保持其原来的元素比例。激光蒸发法也存在着产生微小的物质颗粒飞溅，影响薄膜均匀性的问题。2.3 真空蒸发装置 第77页/共84页2.3 真空蒸发装置（5）空心阴极蒸发装置 空心阴极蒸发装置的原理与电子束蒸发装置较为相似。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度的电压，并在Ta管内通入少量的Ar气时，可在阴阳两极之间产生放电现象。这时，Ar离子的轰击会使Ta管的温度升高并维持在2000K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Ta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。第78页/共84页2

40、.3 真空蒸发装置 特点：1.空心阴极可以提供数安培至数百安培的高强度电子流，从而提高薄膜的沉积速度；2.大电流蒸发出来的物质原子进一步发生部分的离化，从而生成大量的被蒸发物质的离子。如果在阳极与衬底之间加上一定幅度的偏置电压的话，被蒸发物质的离子救可以轰击衬底，从而影响薄膜的沉积过程，改善薄膜的微观组织。缺点：1.空心阴极在工作时要维持1-10-2Pa的气压条件；2.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第79页/共84页它是将细小的颗粒，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

41、发法常用于合金中元素的蒸发速率相差很大的场合。优点：能获得成分均匀的薄膜，可以进行掺杂蒸发等。缺点：是蒸发速率难于控制，且蒸发速率不能太快。待蒸发粉末的预排气比较困难，沉积前，需24-36h抽真空。蒸发沉积过程中可能会释放大量的气体，膨胀的气体可能发生“飞溅”现象。80(6)闪烁蒸发法（瞬时蒸发法）2.3 真空蒸发装置 第80页/共84页闪烁蒸发法（瞬时蒸发法）多用于-族及-半导体化合薄膜的制作。常用于合金中元素的蒸发速率相差很大的场合。关键是选取粉末料的粒度，蒸发温度和进料的速率。第81页/共84页图中的低碳钢盘M可通过在轴上的螺旋调节。当电磁铁通上电流时，M盘即会被电磁铁E吸引。改变通电电

42、流的周期可以得到所希望的低碳钢盘振动频率。管式玻璃管的作用是将粉料输送到蒸发盘上，整个装置封入到内部为真空的铝罩中。第82页/共84页 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，是其蒸发和参与沉积的物质粒子只具有较低的能量。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，需要采用某些方法提高入射到衬底表面的粒子的能量。方法呢，包括上面已经讨论过的激光蒸发法.没有激光？那就采用下章学习的溅射法，以及其他结合了蒸发、溅射、电离或离子束方法的各种物理气相沉积方法。2.3 真空蒸发装置 第83页/共84页感谢您的观看。第84页/共84页