第四章 真空蒸发镀膜法

λ=

1 = 2 2πnd

KT 2 2πPd

设N0个气体分子飞行d距离，被碰撞的气体 分子数N

d   N = N0 1− exp(− ) λ 
被碰撞的粒子百分数

0.667 λ≅ (cm) P

N d f =1− =1− exp(− ) N0 λ

关系曲线

薄膜的纯度 Ci
Ci 定义：在1cm2表面上每秒钟剩余气体分子 碰撞的数目与蒸发淀积粒子数目之比。 每秒钟蒸发淀积在1cm2基片表面的粒子数 用膜厚淀积速率Rd表示。

1．电阻蒸发源 ．
采用电阻加热要选取适宜的电阻材料， 采用电阻加热要选取适宜的电阻材料，需要满足的 条件包括能够使用到足够高的温度并且在高温下具 有较低的蒸气压，不与被蒸发物质发生化学反应， 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，并具有合适的电阻率。 无放气现象和其他污染，并具有合适的电阻率。 根据上述这些要求， 根据上述这些要求，实际使用的电阻加热材料一般 均是一些难熔金属如W、 、 等等 等等。 均是一些难熔金属如 、Mo、Ta等等。用这些金 属做成形状适当的蒸发源，让电流通过，从而产生 属做成形状适当的蒸发源，让电流通过， 热量直接加热蒸发材料。 热量直接加热蒸发材料。
−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。

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

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；

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。

二. 真空蒸发镀膜原理
为真空蒸发镀膜原理示意图。 图2.1为真空蒸发镀膜原理示意图。 为真空蒸发镀膜原理示意图 主要部分有： 主要部分有： 真空室，为蒸发过程提供必要的真空环境； 真空室，为蒸发过程提供必要的真空环境； 蒸发源或蒸发加热器， 蒸发源或蒸发加热器，放置蒸发材料并对其 进行加热； 进行加热； 基板（基片）， ），用于接收蒸发物质并在其表 基板（基片），用于接收蒸发物质并在其表 面形成固态蒸发薄膜； 面形成固态蒸发薄膜； 基板加热器及测温器等。 基板加热器及测温器等。

B ln P = A − T

说明:
1) 平衡蒸汽压为1 Pa时的温度即蒸发所需的 温度; 2) 温度变化10%，平衡蒸汽压变化大约一个 数量级，对温度很敏感； 3) 蒸发温度高于熔点，液体 ~ 蒸汽 蒸发温度低于熔点，固体 ~ 蒸汽，升华

二. 蒸发速率
1 Z = nv n ：分子密度； 4 v ：气体分子的算术平均速率
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) ]
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
Re =

ρ NARd
Ma
−2

则 Ci = 5.83×10

P Ma g

ρ Rd Mபைடு நூலகம்T

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

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。
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

粒子在两次碰撞之间所飞行的平均距离称为 蒸发分子的平均自由程 平均自由程。 蒸发分子的平均自由程。 式中， 是残余气体压强 是残余气体压强， 是碰撞截面 是碰撞截面， 式中，P是残余气体压强，d是碰撞截面，n 为残余气体分子密度。例如，在的气体压强 为残余气体分子密度。例如， 蒸发分子在残余气体中的大约为50cm， 下，蒸发分子在残余气体中的大约为 ， 这与普通真空镀膜室的尺寸不相上下。因此， 这与普通真空镀膜室的尺寸不相上下。因此， 可以说在高真空条件下大部分的蒸发分子几 乎不发生碰撞而直接到达基板表面。 乎不发生碰撞而直接到达基板表面。
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：
dP P∆H = dT RT 2

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。

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

dM s dAc dAs cosθ = = 2 M e 4πr 4πr 2

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，

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
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。
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

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

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。