第二章 薄膜制备的物理方法
第二章 薄膜制备的物理方法
真空蒸发原理
上述过程都必须在空气非常稀薄的真空环境中进行。否则： • 蒸发物质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； • 或者蒸发源被加热氧化烧毁； • 或者由于空气分子的碰撞阻挡，难以形成均匀连续的薄膜。
第二章 薄膜制备的物理方法
沉积速率和膜厚分布
• 在真空蒸发镀膜过程中，能否在基片上获得厚度均匀分布的薄膜， 是制膜的关键。
• 因此，薄膜在基片上的沉积速率以及其膜厚分布是我们十分关心 的问题。
• 基片上不同蒸发位置的膜厚，取决于蒸发源的蒸发特性、基片与 蒸发源的几何形状、相对位置以及蒸发物质的蒸发量。
第二章 薄膜制备的物理方法
• 由于粒子发射可以采用不同的方式，因而物理气相沉积技术呈现 出多种不同形式。
第二章 薄膜制备的物理方法
第二章 薄膜制备的物理方法
• 真空蒸发法 • 溅射法 • 离子镀 • 分子束外延
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真空蒸发原理
• 真空蒸发镀膜法（简称真空蒸镀）是在真空环境 下，加热蒸发源材料，使其原子或分子从表面汽 化逸出，形成蒸汽流，入射到衬底（基片）表面， 凝结形成固态薄膜的方法。
• 假设蒸发膜的密度为 ，dm 则基4m片e 上cro任2s意d一S点的膜厚：
d
me
4
cos
பைடு நூலகம்r2
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沉积速率和膜厚分布
• 基片上的各处膜厚分布状况由下式给出：
d
1
d0 1l/h2 3/2
其中d0是在点源正上方h处的沉积膜厚度。 • 如果蒸发源为一平行于基片的小平面蒸发源，则膜厚分布为：
• 由于真空蒸发法主要物理过程是通过加热蒸发材 料而产生，所以又称热蒸发法。
• 采用这种方法制备薄膜已有几十年的历史，用途 十分广泛。近年来，该方法的主要改进是蒸发源 上。
第二章 薄膜制备的物理方法
第二章 薄膜制备的物理方法
真空蒸发原理
• 真空蒸发镀膜法是应用最广泛的薄膜制备技术，其简单便利、操 作容易、成膜速度快、效率高；但制备的薄膜与基片结合较差， 工艺重复性不好，不容易获得结晶结构的薄膜。
• 如果真空度足够高N ， 平N 均0自e由x程足p l/够(大)，满足条
件，则被碰撞的分子比率 ：
• 对于25℃的空气f，1N/N 0，l则/
• 由此可以看出，为保证0.6镀6 (膜c7 质m )/量P，在f要1求.50lP 时，
若蒸发源与基片距离l=25cm，真空压强P必须f 小0.1于 3×10-3Pa。
蒸发源是蒸发装置的关键部件
• 由于大多数金属材料都要求在1000-2000℃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。
• 为了避免污染薄膜材料，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汽压，以避 免支撑材料原子混入蒸发气体中。
• 通常所用的支撑材料为难熔的金属和氧化物。
d
1
d0 1l /h2 2
第二章 薄膜制备的物理方法
沉积速率和膜厚分布
第二章 薄膜制备的物理方法
第二章 薄膜制备的物理方法
沉积速率和膜厚分布
• 实际蒸发过程中，蒸发粒子都要受到真空室中残 余气体分子的碰撞，碰撞次数取决于分子的平均 自由程。设有N0个蒸发分子，飞行距离l后，未受 到残余气体分子碰撞的数目N为：
• 同时，选择某一特殊支撑材料时，一定要考虑蒸 发物与支撑材料之间可能发生的合金化和化学反 应、相互润湿程度等问题。
• 支撑材料的形状则主要取决于蒸发物。
第二章 薄膜制备的物理方法
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真空蒸发技术
• 电阻加热蒸发法 • 闪烁蒸发法 • 电子束蒸发法 • 激光蒸发法 • 反应蒸发法 • 射频蒸发法 • 电弧蒸发法 • 热壁法
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（一）电阻加热蒸发法
• 采用钽、钼、钨等高熔点金属，做成适当形状的 蒸发容器，让电流通过，对蒸发材料进行直接加 热蒸发，或者把蒸发材料放入坩埚中进行间接加 热蒸发。
• 蒸发容器材料必须满足：（1）熔点高；（2）饱 和蒸汽压低；（3）化学性能稳定；（4）与被蒸 发材料浸润，Ag在钨丝上容易脱落。（5）原料丰 富，经济耐用。
实质就是设每一个蒸发原子或分子，在入射到基片表面 上的过程中，均不发生任何碰撞，而且到达基片后又全部 凝结。
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沉积速率和膜厚分布
质量蒸发速率 ： • 大多数蒸发材料是液相蒸发，也有一些是直接固
相蒸发。在单位时间dt内，从表面A蒸发的最大粒 子数dN为：
dN(2mk)T1/2P • 其中，P是平衡压A强d；t m为粒子质量；k为波尔兹曼
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真空蒸发技术
• 真空蒸发装置主要部分有： （1）真空室：为蒸发过程提供必要的真空环境； （2）蒸发源：放置蒸发材料并对其进行加热； （3）基片：用于接收蒸发物质并在其表面形成固态蒸发薄膜。 外围还要有真空系统和机械、电路系统。
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常数；T为绝对温度。乘以原子或分子质量，便得 到了单位面积上的质量蒸发速率：
me mA dN dt5.83 10 2
MP T
第二章 薄膜制备的物理方法
沉积速率和膜厚分布
第二章 薄膜制备的物理方法
沉积速率和膜厚分布
• 考虑理想的点蒸发源，设每个蒸发粒子入射到基片上时不发生任 何碰撞，而且到达基片后又全部凝结，则基片上dS面积的沉积速 率dm满足余玄定律：
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物理气相沉积
• 薄膜沉积的物理方法主要是物理气相沉积法，物理气相沉积 （Physical Vapor Deposition,简称PVD）是应用广泛的一系列薄膜 制备方法的总称，包括真空蒸发法，溅射法，分子束外延法等。
• 物理气相沉积过程可概括为三个阶段： (1)从源材料中发射出粒子； (2)粒子输运到基片； (3)粒子在基片上凝结、成核、长大、成膜。
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沉积速率和膜厚分布
为了对沉积速率和膜厚进行理论计算，找出其分布规律， 首先对蒸发过程作如下假设：
（1）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或分子之间也不发生碰撞； （3）蒸发沉积到基片上的蒸发原子不再发生再蒸发现象，
即第一次碰撞就凝结在基片表面上。