物理气相沉积
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薄膜物理气相沉积
薄膜制备技术-蒸发法
一、真空蒸发沉积的物理原理 在真空环境下，给待蒸发物质提供足够的热量以获得蒸
发所必须的蒸汽压，在适当的温度下，蒸发粒子在基片上凝 结形成薄膜。
真空蒸发就是利用蒸发材料在高温时所具有的饱和蒸汽 压进行薄膜制备。
二、真空蒸发的设备
真空蒸发设备示意图如下图所示
二、真空蒸发的设备
随着集成电路制造技术的发展，不但对沉积的薄膜质量 要求越来越高，而且要沉积的薄膜种类也越来越多。目前已 有各种不同类型的真空蒸发设备。根据不同的目的，从简单 的电阻加热蒸发到极为复杂的分子束外延设备。主要有：
电阻式加热蒸发 电子束加热蒸发 激光加热蒸发 电弧加热蒸发 高频感应加热蒸发
六、真空蒸发源
（点表示相应元素的熔点）
五、元素、化合物、合金蒸发的特点
液相蒸发 对大多数金属，温度达到熔点 时，其平衡气压低于10-1 Pa, 需将物质加热到熔点以上
固相升华 在熔点附近，固体的平衡蒸汽 压已相对较高，如 Cr, Ti, Mo, Fe, Si等，可以直接利用 由固态物质的升华，实现物质 的气相沉积
四、物质的蒸发速率
在一定温度下，每种液体或固体物质都具有特定的平衡 蒸汽压。当被蒸发物质的分气压降低到了它的平衡蒸汽压 以下，才可能有物质的净蒸发。单位源物质表面上物质的 净蒸发速率为：
dN （Pe Ph )
Adt 2mkT
由 v 8RT
M mol
PV nRT 推出
四、物质的蒸发速率
单位物质表面的质量蒸发速度:
真空蒸发设备主要由三部分组成： 1. 真空系统：为蒸发过程提供真空环境 2. 蒸发系统：放置蒸发源的装置，以及加热和测温装置 3. 基板及加热系统：该系统是用来放置衬底，对衬底加
热及测温装置
二、真空蒸发的设备
真空蒸发制备薄膜的三个基本过程: 1.加热蒸发过程：对蒸发源加热，使其温度接近或达到蒸发材
料的熔点，蒸发源材料由凝聚相转变成气相 2.气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运过程。在这一过
程中，原子或分子与真空室内的残余气体分子碰撞 3.被蒸发的原子或分子在衬底表面的沉积过程。原子或分子到
达基片后凝结、成核、生长、成膜
三、汽化热和蒸汽压
汽化热： 真空蒸发系统中的热源将蒸发源材料加热到足够
高的温度，使其原子或分子获得足够高的能量，克服 固相原子的束缚而蒸发到真空中，并形成具有一定动 能的气相原子或分子，这个能量就是汽化热。
三、汽化热和蒸汽压
• 物质的饱和蒸气压：在一定温度下，真空室内蒸发物 质的蒸汽与固态或液态相平衡时所呈现的压力。
• 物质的饱和蒸气压随温度的上升而增大，一定的饱和 蒸气压则对应着一定的温度。规定物质在饱和蒸气压 为1.3Pa时的温度，称为该物质的蒸发温度。
1、电阻式加热蒸发 普通电阻加热： 利用一些高熔点、低蒸气压的金属（W，Mo, Ta等）制 成各种形状的加热器；一方面作为加热，同时支撑被 加热的物质。（低压大电流）
六、真空蒸发源
六、真空蒸发源
六、真空蒸发源
• 加热装置的分类和特点： （1）丝状（0.05-0.13cm)，蒸发物润湿电阻丝，通过表面 张
（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。
五、元素、化合物、合金蒸发的特点
六、真空蒸发源
me （Pe Ph )
M
2RT
5.83 10 2 ( pe ph )
M T
pe为平衡蒸汽压，ph为实际分气压。
五、元素、化合物、合金蒸发的特点
1、元素的蒸汽压
克劳修斯-克莱普朗方程： 物质平衡蒸汽压P随温度的变化率为：
dP H PH dT TV RT 2 H为蒸发过程中每摩尔元 素的热焓的变化
图2.1b 半导体元素的平衡蒸汽压随温度的 变化曲线（点标为相应元素的熔点）
五、元素、化合物、合金蒸发的特点
2、化合物的蒸发 化合物蒸发出来的蒸气可能具有完全不同于其固态或
液态的成分，各元素间将发生化合或分解过程：
五、元素、化合物、合金蒸发的特点
3、金属合金的蒸发
金属合金的蒸发也会发生成分的偏离，但合金中原子间的结合 力小于化合物中原子间的结合力，实际蒸发过程可视为各元素独 立蒸发过程，可由热力学定律来描述：
五、元素、化合物、合金蒸发的特点
• 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A、B在合金中的活度系数 • 合金中A、B组元的蒸发速率之比为
A A xA PA (0) M B B B xB PB (0) M A
• 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。 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制 每一组元的蒸发速率。
五、元素、化合物、合金蒸发的特点
• 4、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。
V为在蒸发过程中物质所拥有的体积的变化，近似等于反应室的体积。
பைடு நூலகம்
五、元素、化合物、合金蒸发的特点
利用物质在一定温度时的汽化热He代替H， 得到近似表达式。
lgP与1/T基本满足线性关系
ln P He I RT
He
P Be RT
五、元素、化合物、合金蒸发的特点
图2.1 a 元素的平衡蒸汽压随温度的变化曲线
理想合金AB：A-B间的作用能等于A-A 或B-B的作用能. 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。
薄膜制备技术-蒸发法
一、真空蒸发沉积的物理原理 在真空环境下，给待蒸发物质提供足够的热量以获得蒸
发所必须的蒸汽压，在适当的温度下，蒸发粒子在基片上凝 结形成薄膜。
真空蒸发就是利用蒸发材料在高温时所具有的饱和蒸汽 压进行薄膜制备。
二、真空蒸发的设备
真空蒸发设备示意图如下图所示
二、真空蒸发的设备
随着集成电路制造技术的发展，不但对沉积的薄膜质量 要求越来越高，而且要沉积的薄膜种类也越来越多。目前已 有各种不同类型的真空蒸发设备。根据不同的目的，从简单 的电阻加热蒸发到极为复杂的分子束外延设备。主要有：
电阻式加热蒸发 电子束加热蒸发 激光加热蒸发 电弧加热蒸发 高频感应加热蒸发
六、真空蒸发源
（点表示相应元素的熔点）
五、元素、化合物、合金蒸发的特点
液相蒸发 对大多数金属，温度达到熔点 时，其平衡气压低于10-1 Pa, 需将物质加热到熔点以上
固相升华 在熔点附近，固体的平衡蒸汽 压已相对较高，如 Cr, Ti, Mo, Fe, Si等，可以直接利用 由固态物质的升华，实现物质 的气相沉积
四、物质的蒸发速率
在一定温度下，每种液体或固体物质都具有特定的平衡 蒸汽压。当被蒸发物质的分气压降低到了它的平衡蒸汽压 以下，才可能有物质的净蒸发。单位源物质表面上物质的 净蒸发速率为：
dN （Pe Ph )
Adt 2mkT
由 v 8RT
M mol
PV nRT 推出
四、物质的蒸发速率
单位物质表面的质量蒸发速度:
真空蒸发设备主要由三部分组成： 1. 真空系统：为蒸发过程提供真空环境 2. 蒸发系统：放置蒸发源的装置，以及加热和测温装置 3. 基板及加热系统：该系统是用来放置衬底，对衬底加
热及测温装置
二、真空蒸发的设备
真空蒸发制备薄膜的三个基本过程: 1.加热蒸发过程：对蒸发源加热，使其温度接近或达到蒸发材
料的熔点，蒸发源材料由凝聚相转变成气相 2.气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运过程。在这一过
程中，原子或分子与真空室内的残余气体分子碰撞 3.被蒸发的原子或分子在衬底表面的沉积过程。原子或分子到
达基片后凝结、成核、生长、成膜
三、汽化热和蒸汽压
汽化热： 真空蒸发系统中的热源将蒸发源材料加热到足够
高的温度，使其原子或分子获得足够高的能量，克服 固相原子的束缚而蒸发到真空中，并形成具有一定动 能的气相原子或分子，这个能量就是汽化热。
三、汽化热和蒸汽压
• 物质的饱和蒸气压：在一定温度下，真空室内蒸发物 质的蒸汽与固态或液态相平衡时所呈现的压力。
• 物质的饱和蒸气压随温度的上升而增大，一定的饱和 蒸气压则对应着一定的温度。规定物质在饱和蒸气压 为1.3Pa时的温度，称为该物质的蒸发温度。
1、电阻式加热蒸发 普通电阻加热： 利用一些高熔点、低蒸气压的金属（W，Mo, Ta等）制 成各种形状的加热器；一方面作为加热，同时支撑被 加热的物质。（低压大电流）
六、真空蒸发源
六、真空蒸发源
六、真空蒸发源
• 加热装置的分类和特点： （1）丝状（0.05-0.13cm)，蒸发物润湿电阻丝，通过表面 张
（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。
五、元素、化合物、合金蒸发的特点
六、真空蒸发源
me （Pe Ph )
M
2RT
5.83 10 2 ( pe ph )
M T
pe为平衡蒸汽压，ph为实际分气压。
五、元素、化合物、合金蒸发的特点
1、元素的蒸汽压
克劳修斯-克莱普朗方程： 物质平衡蒸汽压P随温度的变化率为：
dP H PH dT TV RT 2 H为蒸发过程中每摩尔元 素的热焓的变化
图2.1b 半导体元素的平衡蒸汽压随温度的 变化曲线（点标为相应元素的熔点）
五、元素、化合物、合金蒸发的特点
2、化合物的蒸发 化合物蒸发出来的蒸气可能具有完全不同于其固态或
液态的成分，各元素间将发生化合或分解过程：
五、元素、化合物、合金蒸发的特点
3、金属合金的蒸发
金属合金的蒸发也会发生成分的偏离，但合金中原子间的结合 力小于化合物中原子间的结合力，实际蒸发过程可视为各元素独 立蒸发过程，可由热力学定律来描述：
五、元素、化合物、合金蒸发的特点
• 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A、B在合金中的活度系数 • 合金中A、B组元的蒸发速率之比为
A A xA PA (0) M B B B xB PB (0) M A
• 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。 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制 每一组元的蒸发速率。
五、元素、化合物、合金蒸发的特点
• 4、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。
V为在蒸发过程中物质所拥有的体积的变化，近似等于反应室的体积。
பைடு நூலகம்
五、元素、化合物、合金蒸发的特点
利用物质在一定温度时的汽化热He代替H， 得到近似表达式。
lgP与1/T基本满足线性关系
ln P He I RT
He
P Be RT
五、元素、化合物、合金蒸发的特点
图2.1 a 元素的平衡蒸汽压随温度的变化曲线
理想合金AB：A-B间的作用能等于A-A 或B-B的作用能. 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。