真空镀膜技术和真空镀膜机

d ln Pv vap H m dT RT 2
Pv：饱和蒸气压； ΔvapHm：温度T时纯液体的 摩尔气化热；
2、A、B由实验确定 3、合理地选择蒸发材 料及确定蒸发条件。
假定ΔvapHm与温度无关，或因温度范围较小，
ΔvapHm可以近似作为常数，积分上式，得：
vap H m 1 B ln Pv C lg Pv A R T T
热分解法
第一节
2.1.1 引言
薄膜的物理气相沉积
氧化法
高温氧化、低温氧化、阳极氧化
离子注入法
扩散法 非气相沉积
气相扩散、固相扩散 电解电镀、非电解电镀
电化学法
涂覆法 液相生长法
溶液输运法、溶液温度减少法
Sol-gel 法
第一节
2.1.2 PVD法
物理气相沉积
薄膜的物理气相沉积
衬底 薄膜
(Physical Vapor Deposition，PVD)
第一节
2.1.2 PVD法
一、真空蒸发镀膜法 本底真空度的选择
薄膜的物理气相沉积
2、从碰撞几率的角度： 考虑蒸发分子与残留气体分子之间的碰撞问题： N0个蒸发分子在飞行x距离后，未受到残留气体分子碰撞的数目：
N x N0e
则被碰撞的分子的百分数：
x
Nx f 1 1 e x N0
膜厚的影响因素 A、 蒸发源的特性；
B、基板与蒸发源的几何形状，相对位置；
C、蒸发物质的蒸发量。
第一节
2.1.2 PVD法
一、真空蒸发镀膜法
薄膜的物理气相沉积
蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 为了对膜厚进行理论计算，找到其分布的规律，作如下假设：
1）在蒸发源附近的蒸发原子间或分子之间不发生碰撞； 2）蒸发原子或分子与残余气体分子之间不发生碰撞；
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。 能量
物质输运 能量输运
块状材料 (靶材)
第一节
2.1.2 PVD法
薄膜的物理气相沉积
方法的核心点：薄膜材料通过物理方法产生并输运到基体表面的镀膜 方法；
通常是固体或熔融源； 一般来说，在气相或衬底表面没有化学反应； 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； b)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100%。 代表性技术：蒸发镀膜、溅射镀膜； 技术特点：真空度高、沉积温度低、设备相对比较简单。薄膜质量可 控度小、表面容易不均匀。
质量最大蒸发速率：
m M 4 G m J max Pv 4.7310 Pv 2kT T
kg / cm 2 s, Pa
第一节
2.1.2 PVD法
一、真空蒸发镀膜法 蒸发速率
薄膜的物理气相沉积
在实际蒸发过程中，影响蒸发速度的因素
饱和蒸气压
温度 蒸发物质的分子量
表面清洁度
蒸发源的形状等
注意：蒸气不是理想气体！只有在很低气压下，近似符合理想气体
方程。
第一节
2.1.2 PVD法
一、真空蒸发镀膜法
薄膜的物理气相沉积
临界温度 不是沸点！
第一节
2.1.2 PVD法
一、真空蒸发镀膜法
薄膜的物理气相沉积
饱和蒸气压(Saturation vapor pressure )： 在一定温度下，气、固或气、液两相平衡时，蒸气的压力称为
（3）基片表面的淀积过程，气相→固相 凝聚→成核→核生长→连续薄膜
第一节
2.1.2 PVD法
一、真空蒸发镀膜法 气体与蒸气
薄膜的物理气相沉积
第一节
2.1.2 PVD法
一、真空蒸发镀膜法 气体与蒸气
薄膜的物理气相沉积
对于每一种气体都有一个特定的温度，高于此温度时，气体不能通 过等温压缩而液化，这个温度称为该气体的临界温度。 温度高于临界温度的气态物质称为气体，低于临界温度的气态物质 称为蒸气。
mh mh 4 r 3 4 (h2 x 2 ) 3
2
最大厚度：θ=0时：
m t0 4h2
其它情况下：
t 1 t 0 [1 x h2 ]3 2
第一节
2.1.2 PVD法
薄膜的物理气相沉积
蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 二、小平面蒸发源
特点：发射特性具有方向性
在θ角方向蒸发的材料质量与cosθ成正比
3）蒸发原子到达基板上后不发生再蒸发现象。
第一节
2.1.2 PVD法
薄膜的物理气相沉积
蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
特点：向各个方向等量蒸发
一、点蒸发源
dm
m d 4
dS1 r 2 d dS2 cos
d
dm
dS 2 cos dS 2 cos 2 2 r h x2
基板
第一节
2.1.2 PVD法
一、真空蒸发镀膜法 残留气体的影响
薄膜的物理气相沉积
大气的残余物（O2、N2、CO2、H2O），扩散泵油蒸气，真空室吸气
对真空蒸发镀膜质量有重要影响。
在设计优良的系统中，真空泵的回流扩散作用不明显。 当P≤10-4Pa时，主要为被解吸的真空室吸气。 水汽影响很大，易与金属膜反应，或与W，Mo等加热器材料反应，生 成氧化物和氢。
dm
m

cos d
m cos cos mh2 t 2 r (h2 x 2 ) 2
最大厚度：正上方：θ=0，φ=0时：
t0
m h2
t 1 t 0 [1 x h2 ]2
第一节
2.1.2 PVD法
薄膜的物理气相沉积
蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
第一节
2.1.2 PVD法
一、真空蒸发镀膜法
薄膜的物理气相沉积
f 1 e x
要有效减少蒸发分子在渡 越中的碰撞现象，应当使 λ ＞＞ 源基距
Example: 若要求f ≤0.1, 源基距为25cm
则P ≤3×10-3Pa
第一节
2.1.2 PVD法
一、真空蒸发镀膜法
薄膜的物理气相沉积
蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 在真空蒸发镀膜过程中，能否在基板上获得均匀膜厚，是制膜的关键问题。
Pv：饱和蒸气压，Pk：液体静压
αv：蒸发系数
Hertz-Knudsen-Langmuir公式
N：蒸发分子（原子数），A：蒸发表面积，t：时间，
αv是否等于αc没有定论，但≤1
第一节
2.1.2 PVD法
一、真空蒸发镀膜法 蒸发速率
薄膜的物理气相沉积
最大蒸发速率：HKL公式中令αv=1，Pk=0
Pv 1 24 J max 2.6410 Pv ( ) 个 / cm 2 s, Pa 2m kT TM
第二节
6.2.2 PVD法
一、真空蒸发镀膜法 饱和蒸气压：
薄膜的物理气相沉积
B lg Pv A T
第一节
2.1.2 PVD法
一、真空蒸发镀膜法
薄膜的物理气相沉积
第一节
2.1.2 PVD法
一、真空蒸发镀膜法来自百度文库
薄膜的物理气相沉积
第一节
2.1.2 PVD法
一、真空蒸发镀膜法 蒸发温度
薄膜的物理气相沉积
第一节
2.1.2 PVD法
一、真空蒸发镀膜法 本底真空度的选择
薄膜的物理气相沉积
1. 残留气体的污染。 2. 蒸发源物质的纯度； 3. 加热装置、坩埚的污染；
1、从薄膜纯度考虑： 单位时间内通过单位面积的气体的分子数：
Ng
1 P nVa 4 2m kT
25℃时，10-5 Torr时，
Ng大约为1015~1016个/cm2· s， 此时蒸发原子与杂质原子几乎按1：1到达
成膜速度快：0.1~50μm/min，
设备比较简单，操作容易； 制得薄膜纯度高； 用掩模可以获得清晰的图形； 薄膜生长机理较单纯。
第一节
2.1.2 PVD法
一、真空蒸发镀膜法 基本过程：
薄膜的物理气相沉积
（1）加热蒸发过程，凝聚相→气相
该阶段的主要作用因素：饱和蒸气压
（2）输运过程，气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运 该阶段的主要作用因素：分子的平均自由程（工作气压），源—基距
第一节
2.1.2 PVD法
一、真空蒸发镀膜法
薄膜的物理气相沉积
第一节
2.1.2 PVD法
薄膜的物理气相沉积
常用蒸发源
加热丝
加热舟
坩埚
盒状源（Knudsen Cell）
第一节
2.1.2 PVD法
一、真空蒸发镀膜法
薄膜的物理气相沉积
(2)缺点： 薄膜附着力较小； (1)优点： 结晶不够完善； 工艺重复性不够好； 膜厚不易控制； 薄膜质量不是很好。
点源与小平面蒸发源相 比，厚度的均匀性要好
m t0 4 h2 t0 m h2
t 1 t 0 [1 x h2 ]3 2
一些������
t 1 t 0 [1 x h2 ]2
但淀积速率要低得多， 单位质量的原料所得膜 厚1/4
第一节
2.1.2 PVD法
第一节
2.1.2 PVD法
一、真空蒸发镀膜法
薄膜的物理气相沉积
要点：
●真空蒸发原理
真空蒸发镀膜法(简称真空 蒸镀)是在真空室中，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，入射到基片 表面，凝结形成固态薄膜的方 法。
●蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 ●蒸发源的类型 ●合金及化合物的蒸发
分子束外延 固相外延 电阻加热、弧光放电加 热、感应加热、电子束加 热、激光加热
物理气相沉积 （PVD）
溅射沉积
直流溅射、射频溅射、磁 控溅射、离子束溅射
气相沉积
离子镀
离子外延
直流二极型离子镀、射频 放电离子镀、等离子体离 子镀 氢还原法、卤素输运法 含氢化合物分解法、有机 金属热分解法
化学反应法
化学气相沉积 （CVD）
饱和蒸气压为10-2Torr时的温度。
由此，蒸发材料分为两种： 1）蒸发：蒸发温度大于熔点，大多数金属 2）升华：蒸发温度小于熔点 Cr、Ti、Mo、Fe等
第一节
2.1.2 PVD法
一、真空蒸发镀膜法 蒸发速率 根据分子运动论：
薄膜的物理气相沉积
气相分子的入射频率：
1 P J nVa 4 2m kT
第二章
薄膜制备技术
2.1 薄膜的物理气相沉积
2.2 薄膜的化学气相沉积
2.3 富森钛金设备开发的溶液镀膜技术
2.4 迪通恒业科技开发的外延制膜技术
第一节
薄膜的物理气相沉积
2.1.1 引言
薄膜生长方法是获得薄膜的关键。薄膜材料的质量和性能不仅依赖于 薄膜材料的化学组成，而且与薄膜材料的制备技术具有一定的关系。 随着科学技术的发展和各学科之间的相互交叉, 相继出现了一些新的 薄膜制备技术。这些薄膜制备方法的出现, 不仅使薄膜的质量在很大 程度上得以改善, 而且为发展一些新型的薄膜材料提供了必要的制备 技术。
该物质的饱和蒸气压。
饱和蒸气压 一定温度下，蒸发(或升华)出来的蒸气分子的量
标志着物质的蒸发(或升华)能力 注意：取决于液体(或固体)本性和温度，与液体(或固体)存在的量无关。
第一节
2.1.2 PVD法
一、真空蒸发镀膜法 饱和蒸气压：
薄膜的物理气相沉积
克拉伯龙——克劳修斯方程：
1、应用范围： 蒸气压小于1Torr；
第一节
2.1.2 PVD法
一、真空蒸发镀膜法 蒸发速率
薄膜的物理气相沉积
影响蒸发速度的因素：温度
B 将公式： lg P A v T
代入HKL公式中，并进行微分，可得到：
dG B 1 dT ( ) G T 2 T
例如Al：温度变化1%，蒸发速度变化19%
1、如需精确控制蒸发速率，就必须精确控制源温。 2、在加热过程中应当注意避免过大的温度梯度。
第二节
2.1.1 引言
薄膜的物理气相沉积
薄膜的制备方法可分为：
1、气相法
PVD：Physical Vapor Deposition，不伴随化学反应发生 CVD：Chemical Vapor Deposition，发生化学反应
2、非气相法（主要是液相）
第一节
2.1.1 引言
薄膜的物理气相沉积
真空蒸发
m m cos d 2 dS 2 4 4 r
ρ：蒸发膜的密度 t：蒸发膜的厚度
dm t dS2
t
mh mh 4r 3 4 (h 2 x 2 ) 3 2
第一节
2.1.2 PVD法
薄膜的物理气相沉积
蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 一、点蒸发源
t
但并非所有气相分子入射到液面时凝结
n：分子密度，Va：平均速度 m：分子质量
C P JC 2m KT
αC：冷凝系数
第一节
2.1.2 PVD法
一、真空蒸发镀膜法 蒸发速率
薄膜的物理气相沉积
若蒸发进入动态平衡：气→液 与 液→气
分子数相等
dN （Pv Pk） J v A dt 2m kT