第四章 真空蒸发镀膜法

阴影效应： 阴影效应： 由于蒸发产生的气体分子直线运动， 由于蒸发产生的气体分子直线运动，使薄膜 局部区域无法镀膜或膜厚各处不一的现象
第五节 蒸发源的类型
真空蒸发所采用的设备根据其使用目的不同 可能有很大的差别， 可能有很大的差别，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， 镀装置到极为复杂的分子束外延设备，都属 于真空蒸发沉积的范畴。 于真空蒸发沉积的范畴。 在蒸发沉积装置中， 在蒸发沉积装置中，最重要的组成部分就是 物质的蒸发源。 物质的蒸发源。
第一节 真空蒸发镀膜原理
定义：真空蒸发镀膜(蒸镀) 一．定义：真空蒸发镀膜(蒸镀)是 在真空条件下， 在真空条件下，加热蒸发物质使 气化并淀积在基片表面形成固 之气化并淀积在基片表面形成固 体薄膜，是一种物理现象。 体薄膜，是一种物理现象。 广泛地应用在机械、电真空、 广泛地应用在机械、电真空、无 线电、光学、原子能、 线电、光学、原子能、空间技术 等领域。 等领域。 加热方式可以多种多样。 加热方式可以多种多样。
24
P (P ) v a
MT 22 P (Torr) ≅ 3.51×10 v 分子/(厘 2 ⋅ 秒 米 ) MT
分 /(厘 2 ⋅ 秒 子 米 )
m M −4 Rm = mRe = P ≅ 4.37×10 P (Pa) 克/(厘米2 ⋅ 秒 ) V V 2π RT T M ≅ 5.84×10 P (Torr) 克/(厘 2 ⋅ 秒 米 ) V T
三个基本过程： 四. 三个基本过程：
（1）加热蒸发过程，包括由凝聚相转变为气相（固相或液相 ）加热蒸发过程，包括由凝聚相转变为气相（ →气相）的相变过程。每种蒸发物质在不同温度时有不同的 气相）的相变过程。 气相 饱和蒸气压，蒸发化合物时，其组合之间发生反应， 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。 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 ）气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运， 子在环境气氛中的飞行过程 飞行过程。 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， 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 基距。 从蒸发源到基片之间的距离，常称源 基距。 淀积过程， （3）蒸发原子或分子在基片表面上的淀积过程，即蒸气凝聚、 ）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。由于基板温度远低于蒸发源 成核、核生长、形成连续薄膜。 温度， 温度，因此沉积物分子在基板表面将发生直接从气相到固相 的相转变过程。 的相转变过程。
Ph PV
v=
8RT 8RT πm
P −P dN Re = = αe V h Adt 2π mRT
dN：蒸发粒子数 A：蒸发表面积 Ph：蒸发物分子对蒸发表面造成的静压强 αe：蒸发系数（0~1） （ ）
蒸发速率公式
P ~ 0, 0 < αe ≤1, 可 αe =1 则 设 h
Re = P v 2π mRT ≅ 2.64×10
dM s dAc M e cosθ = = 2 dAs 4πr 4πr 2
薄膜厚度：
dM s d= ρdAs
l h
cosθM e hM e d= = 2 2 2 3/ 2 4πr ρ 4πρ (h + l ) d hm t= = 2 2 3/ 2 t时间 4πρ (h + l ) Me 在中心点的膜厚： t0 = 2 4πh ρ
2
h cosθ = cosφ = r
cosθ cos φM e h Me d= = 2 2 2 2 πr ρ πρ (h + l )
h2m t= = 2 2 2 t时间 πρ (h + l ) m t0 = 2 πρh d
三. 点源和面源的比较：
面源： 点源：
t 1 = 2 2 t0 [1 + (l / h) ]
点蒸发源单位时间膜厚增加分布： t =
t0
1 2 3/ 2 [1 + (l / h) ]
二．面蒸发源 面蒸发源
其蒸气发射特性具有方向性，发射限为半球。蒸 发源的发射按所研究的方向与表面法线间夹角呈 余弦分布，即遵守克努曾定律
dM s M e cosθ cos φ = 2 dAs πr
当 θ=φ时 根据面蒸发源示意图有： 所以
−2
朗谬尔(Langmuir)蒸发公式
第三节 蒸发动力学
一．蒸发物质的平均自由程与碰撞几率
真空室内存在着两种粒子， 真空室内存在着两种粒子，一种是蒸发物质 的原子或分子，另一种是残余气体分子。 的原子或分子，另一种是残余气体分子。 真空蒸发实际上都是在具有一定压强的残余 气体中进行的。显然， 气体中进行的。显然，这些残余气体分子会 对薄膜的形成过程乃至薄膜的性质产生影响。 对薄膜的形成过程乃至薄膜的性质产生影响。
2)改变基片放置方式以提高厚度均匀 ： a) 球面放置基片（只对n=1适用）； b) 基片平面旋转； c) 行星旋转基片架；
dMs Me = 2 dAs 4π r0
旋转方式: (a) 基片在圆顶上，绕轴旋转; (b) 基片在鼓面上，源位于中轴线， 鼓面绕中轴线旋转； (c)行星式旋转 .
五. 热蒸发镀膜的阴影效应
t 1 = t0 [1 + (l / h) 2 ]3 / 2
1) 两种源的相对膜厚分布的均匀性都不理想； 2) 点源的膜厚分布稍均匀些； 3) 在相同条件下， 面源的中心膜厚为点源的4倍。
下图表示与蒸发源平行放置于正上方的平面基片
提高膜厚均匀性的措施： 四. 提高膜厚均匀性的措施：
1) 采用若干分离的小面 积蒸发源， 积蒸发源，最佳的数 量, 合理的布局和蒸发 速率； 速率；
PO 2
10-9 10-7 10-5 10-3
避免环境残存气体对薄膜的污染: 使用高真空技术; 提高薄膜生长速率; 预蒸发 活性金属薄膜。
蒸发源的发射特性------厚度分布 第四节 蒸发源的发射特性 厚度分布
蒸发过程的假设： 1) 忽略蒸发原子与剩余气体和蒸发原子之间 的碰撞。 2) 蒸发源的发射特性不随时间而变化。 3) 入射到基片上的原子全部凝结成薄膜。
三．真空蒸发的物理过程： 真空蒸发的物理过程： 1.采用各种形式的热能转换方式 采用各种形式的热能转换方式， 1.采用各种形式的热能转换方式，使镀膜材料粒子蒸 发或升华，成为具有一定能量的气态粒子(原子， 发或升华，成为具有一定能量的气态粒子(原子， 分子，原子团， eV)； 分子，原子团，0 .1 ∼ 0.3 eV)； 2.气态粒子通过基本上无碰撞的直线运动方式传输到 2.气态粒子通过基本上无碰撞的直线运动方式传输到 气态粒子通过基本上无碰撞的直线运动方式 基体； 基体； 3.粒子淀积在基体表面上并凝聚成薄膜； 3.粒子淀积在基体表面上并凝聚成薄膜； 粒子淀积在基体表面上并凝聚成薄膜 4.组成薄膜的原子重新排列或化学键合发生变化 组成薄膜的原子重新排列或化学键合发生变化。 4.组成薄膜的原子重新排列或化学键合发生变化。 影响真空镀膜质量和厚度的因素主要有蒸发源的温 度、蒸发源的形状、基片的位置、真空度等。 蒸发源的形状、基片的位置、真空度等。
目前，真空蒸发使用的蒸发源根据其加热原理可以 根据其加热原理可以 分为：电阻加热、电子加热、高频感应加热、 分为：电阻加热、电子加热、高频感应加热、电弧 加热和激光加热等五大类。电阻加热采用钨、钼、 加热和激光加热 钽等高熔点金属做成适当形状的蒸发源，或采用石英 坩埚等。根据蒸发材料的性质以及蒸发源材料的浸润 性等制作成不同的蒸发源形状，
五.真空热蒸发镀膜法的特点 真空热蒸发镀膜法的特点
特点： 特点： 设备比较简单、操作容易； 设备比较简单、操作容易； 制成的薄膜纯度高、质量好，厚度可较准确控制； 制成的薄膜纯度高、质量好，厚度可较准确控制； 成膜速率快，效率高，用掩模可以获得清晰图形； 成膜速率快，效率高，用掩模可以获得清晰图形； 薄膜的生长机理比较单纯。 薄膜的生长机理比较单纯。 这种方法的主要缺点是：不容易获得结晶结构的薄膜； 这种方法的主要缺点是：不容易获得结晶结构的薄膜；所形 成的薄膜在基板上的附着力较小；工艺重复性不够好等。 成的薄膜在基板上的附着力较小；工艺重复性不够好等。
Re =
ρ NARd
Ma
−2
则 Ci = 5.83×10
P Ma g
ρ Rd MgT
室温下沉积 Sb 膜中的最大氧含量
(Torr) 沉积速率 Rd (Å/s) 1 10-3 10-1 10 103 10 10-4 10-2 1 102 100 10-5 10-3 10-1 10 1000 10-6 10-4 10-2 1
RT P= Va
则有
∆He ln P ≈ − +I RT
∆H≈物质在某温度的汽化热 e或蒸发热 物质在某温度的汽化热∆H 物质在某温度的汽化热
I：积分常数
B ln P = A − T
只在一定温度范围内成立，实际上 与温度相关 只在一定温度范围内成立，实际上I与温度相关
15993 −6 Al: ln P = +14.533− 0.999lgT −3.52×10 T T
第二节 蒸发热力学
饱和蒸汽压P与温度的关系 一. 饱和蒸汽压 与温度的关系 Clapeyron-Clausius方程： 方程： 方程
dP ∆H = dT T∆V
∆H：单位摩尔物质的热焓变化 ： ∆V：单位摩尔物质体积的变化 ：
理想气体的物态方程： 理想气体的物态方程：
dPபைடு நூலகம்P∆H = dT RT 2
一. 点蒸发源
蒸发总质量(时间t内)：
M e = ∫ ∫ Rm dAdt = Rmt 4πr 2
0 Ae
t
其中部分蒸发质量d Ms 落在dAs 基片上，由于dAs 在球表面的投影面积为dAc, dAc=dAscosθ, 所以有 比例关系