薄膜技术 03蒸发镀膜
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• 化合物薄膜的组分不同蒸发材料组分
In 2O3 In , In 2O , O2 In 2O3 x 0 x 1
D L 蒸发物分子发生碰撞的 百分数 1 e
D—蒸发源到称底直线距离 L---气体分子平均自由程
• 真空度10-2 ~ 10-4 Pa
蒸发系统
• 真空罩、蒸发源、基片架、挡板、膜厚监控装置
１．蒸发基本概念
1.１蒸发速度
• 蒸发速度定义
– 单位时间，蒸发源单位面积蒸发的分子数
4.1.1 闪蒸蒸镀法
被蒸合金→细小颗粒 依次进入高温坩埚
每个颗粒瞬间蒸发
类似方法：脉冲激光沉积（PLD）
4.1.2 多蒸发源蒸镀法
• 各元素分别构成蒸发源 • 控制各蒸发源温度
• 蒸发原子比例与薄膜成分对应
• 特例：分子束外延（MBE）
4.2 化合物薄膜的蒸镀
• 直接蒸发
• 反应蒸镀
d H 1 dT RT 2 T
大多数材料
H 1 RT
金属
H 20 ~ 30 RT
蒸发温度的微小变化将引起蒸发速率的很大变化 精确控制蒸发温度十分重要!
如何比较不同材料蒸发难易程度?
1.3 蒸发温度
H ln pe I RT
蒸发温度: 饱和蒸汽压1 Pa时的加热温度 蒸发温度是材料蒸发难易的指标
微平面源的等膜厚面
2.4.2如何获得均匀的膜厚?
h↑ l↓
2.4.3如何获得均匀的膜厚?
行星盘
3. 如何控制薄膜的纯度？
薄膜污染有哪些来源?
3. 蒸发沉积薄膜的纯度
薄膜纯度的影响因素
1. 蒸发源物质的纯度– 高纯物质作蒸发源 2. 加热装置、坩埚等可能造成的污染—改善政 法装置设计 3. 真空系统中残留的气体—改善设备真空条件
2.1.2面蒸发源
理想rate cos
n
实际rate cos
沉积速度随衬底法线与蒸发面法线方向间夹角φ 的变化
2.2蒸发膜厚的分布
离源中心h处放置的平板上的膜厚为d , 板中心的膜厚为d0 , 板上某点与板中心距离l
2.3环状蒸发源厚度分布
环状源
环状连续点源(环状源)的相对沉积厚度
如何获得均匀的膜厚?
2.4.1如何获得均匀的膜厚?
• 点蒸发源
– 基片放置在蒸发源同心球体面 的切线位置
dM M e cos 2 dA 4r
2.4.2如何获得均匀的膜厚?
• 小平面蒸发源？
– 基片与小平面蒸发源安排 在同一球体表面切线位置
dM M e cos cos 2 dA r
4.2.1 直接蒸发
• 大部分化合物高温蒸发分解
• 在被镀工件表面重新组合形成化合物
4.2.1直接蒸发
• 膜化学成分的影响因素
– 蒸汽分子和残余气体分子相互碰撞反应情况 – 到达工件表面的速率和组成比例 – 蒸汽分子在工件表面上平均滞留时间和表面迁移率 – 蒸汽分子之间在工件表面上的反应速度
4.2.1 直接蒸发
薄膜技术—3
蒸发镀膜技术
主要内容
• 蒸发理论
– 基本概念 – 如何控制膜厚 – 如何控制薄膜成分 – 如何控制薄膜纯度
• 蒸发种类
– 蒸发源
蒸发沉积
• 原理
– 利用物质在高温下的蒸发现象
• 初始应用
– 防止光学透镜反射而在武器用光学透镜表面沉 积氟化镁
为什么真空蒸发?
为什么真空蒸发?
• 减少杂质气体分子与蒸发气体/薄膜表面的碰撞， 减少薄膜的污染
N A pe 2MRT
１.2 饱和蒸汽压
• Clapeyron方程
dpe H dT TV
气固转变
• Claussius-Clapeyron方程
dpe pH 2 dT RT
H ln pe I RT
dN m ax Ae dt
Nቤተ መጻሕፍቲ ባይዱA pe 2MRT
H ln pe I RT
3.1 残余气体对蒸发沉积膜的影响
现象： • 高真空度下蒸发铝可以得到漂亮的蒸发膜 • 低真空下蒸发则发暗
• 加快蒸发速度，即使在低真空下也不发暗
为什么?
3.1残余气体对蒸发沉积膜的影响
• 蒸发物质原子的沉积速率为
G
N A s
MA
ρ 沉积物质的密度 S 厚度沉积速率
• 残余气体分子的沉积速率
Al熔点温度 660 ℃,Al蒸发温度 1150 ℃ Ag熔点温度 960 ℃,Ag蒸发温度 1050 ℃，
1.4 蒸发温度vs.熔点温度
• 蒸发温度 > 熔点温度
– Al
• 蒸发温度 < 熔点温度
– Cr 、 Ti 、 Mo 、 Fe、Si
2. 蒸发膜的厚度及分布
• 影响因素
– 蒸发源特性、几何形状 – 工件 – 两者之间相对位置 – 蒸发量
NA p 2MRT
P 残余气体分压
3.1残余气体对蒸发沉积膜的影响
• 气体杂质在沉积物中的浓度为
pM A c G G sN A 2M g RT
P 残余气体分压 S 厚度沉积速率
– 沉积物中杂质的含量与残余气体的压强成正比，与薄膜 的沉积速率成反比。
（残余气体压强p/蒸发速度f)的比是薄膜光洁度的关 键
2.1蒸发膜的厚度理论分布
• 蒸发源特性、几何形状
– 点蒸发： – 小平面蒸发：
2.1.1 点蒸发
各个方向蒸发量相等
dM M e cos 2 dA 4r
Me - 蒸发出物质总量
2.1.2 面蒸发源
在φ 角方向蒸发的量与cos φ 成正比
dM M e cos cos 2 dA r
4.如何控制合金/化合物薄膜成分均 匀性？
4.1 合金薄膜的蒸镀
• 成分变化
– 合金中各组分在同一温度下具有不同蒸汽压， 因此合金蒸发导致膜组分与蒸发合金组分不一 致 例：蒸发源：Cr-Ni 20:80 Pv(Cr)» Pv(Ni) 膜：Cr-Ni 1:1
4.1合金薄膜的蒸镀
合金薄膜成分均匀控制的方法 ① 闪蒸蒸镀法：如 PLD ② 多蒸发源蒸镀法：如 MBE
dN (分子数 / cm 2 s ) Ae dt
蒸发的关键控制因素是什么?
1.１蒸发速度？
• Herz-Knudsen公式 dN N A pe ph
Ae dt 2MRT
α—介于0~1之间系数
Pe—平衡气压 ph—实际分压
1, ph 0
dN m ax Ae dt
In 2O3 In , In 2O , O2 In 2O3 x 0 x 1
D L 蒸发物分子发生碰撞的 百分数 1 e
D—蒸发源到称底直线距离 L---气体分子平均自由程
• 真空度10-2 ~ 10-4 Pa
蒸发系统
• 真空罩、蒸发源、基片架、挡板、膜厚监控装置
１．蒸发基本概念
1.１蒸发速度
• 蒸发速度定义
– 单位时间，蒸发源单位面积蒸发的分子数
4.1.1 闪蒸蒸镀法
被蒸合金→细小颗粒 依次进入高温坩埚
每个颗粒瞬间蒸发
类似方法：脉冲激光沉积（PLD）
4.1.2 多蒸发源蒸镀法
• 各元素分别构成蒸发源 • 控制各蒸发源温度
• 蒸发原子比例与薄膜成分对应
• 特例：分子束外延（MBE）
4.2 化合物薄膜的蒸镀
• 直接蒸发
• 反应蒸镀
d H 1 dT RT 2 T
大多数材料
H 1 RT
金属
H 20 ~ 30 RT
蒸发温度的微小变化将引起蒸发速率的很大变化 精确控制蒸发温度十分重要!
如何比较不同材料蒸发难易程度?
1.3 蒸发温度
H ln pe I RT
蒸发温度: 饱和蒸汽压1 Pa时的加热温度 蒸发温度是材料蒸发难易的指标
微平面源的等膜厚面
2.4.2如何获得均匀的膜厚?
h↑ l↓
2.4.3如何获得均匀的膜厚?
行星盘
3. 如何控制薄膜的纯度？
薄膜污染有哪些来源?
3. 蒸发沉积薄膜的纯度
薄膜纯度的影响因素
1. 蒸发源物质的纯度– 高纯物质作蒸发源 2. 加热装置、坩埚等可能造成的污染—改善政 法装置设计 3. 真空系统中残留的气体—改善设备真空条件
2.1.2面蒸发源
理想rate cos
n
实际rate cos
沉积速度随衬底法线与蒸发面法线方向间夹角φ 的变化
2.2蒸发膜厚的分布
离源中心h处放置的平板上的膜厚为d , 板中心的膜厚为d0 , 板上某点与板中心距离l
2.3环状蒸发源厚度分布
环状源
环状连续点源(环状源)的相对沉积厚度
如何获得均匀的膜厚?
2.4.1如何获得均匀的膜厚?
• 点蒸发源
– 基片放置在蒸发源同心球体面 的切线位置
dM M e cos 2 dA 4r
2.4.2如何获得均匀的膜厚?
• 小平面蒸发源？
– 基片与小平面蒸发源安排 在同一球体表面切线位置
dM M e cos cos 2 dA r
4.2.1 直接蒸发
• 大部分化合物高温蒸发分解
• 在被镀工件表面重新组合形成化合物
4.2.1直接蒸发
• 膜化学成分的影响因素
– 蒸汽分子和残余气体分子相互碰撞反应情况 – 到达工件表面的速率和组成比例 – 蒸汽分子在工件表面上平均滞留时间和表面迁移率 – 蒸汽分子之间在工件表面上的反应速度
4.2.1 直接蒸发
薄膜技术—3
蒸发镀膜技术
主要内容
• 蒸发理论
– 基本概念 – 如何控制膜厚 – 如何控制薄膜成分 – 如何控制薄膜纯度
• 蒸发种类
– 蒸发源
蒸发沉积
• 原理
– 利用物质在高温下的蒸发现象
• 初始应用
– 防止光学透镜反射而在武器用光学透镜表面沉 积氟化镁
为什么真空蒸发?
为什么真空蒸发?
• 减少杂质气体分子与蒸发气体/薄膜表面的碰撞， 减少薄膜的污染
N A pe 2MRT
１.2 饱和蒸汽压
• Clapeyron方程
dpe H dT TV
气固转变
• Claussius-Clapeyron方程
dpe pH 2 dT RT
H ln pe I RT
dN m ax Ae dt
Nቤተ መጻሕፍቲ ባይዱA pe 2MRT
H ln pe I RT
3.1 残余气体对蒸发沉积膜的影响
现象： • 高真空度下蒸发铝可以得到漂亮的蒸发膜 • 低真空下蒸发则发暗
• 加快蒸发速度，即使在低真空下也不发暗
为什么?
3.1残余气体对蒸发沉积膜的影响
• 蒸发物质原子的沉积速率为
G
N A s
MA
ρ 沉积物质的密度 S 厚度沉积速率
• 残余气体分子的沉积速率
Al熔点温度 660 ℃,Al蒸发温度 1150 ℃ Ag熔点温度 960 ℃,Ag蒸发温度 1050 ℃，
1.4 蒸发温度vs.熔点温度
• 蒸发温度 > 熔点温度
– Al
• 蒸发温度 < 熔点温度
– Cr 、 Ti 、 Mo 、 Fe、Si
2. 蒸发膜的厚度及分布
• 影响因素
– 蒸发源特性、几何形状 – 工件 – 两者之间相对位置 – 蒸发量
NA p 2MRT
P 残余气体分压
3.1残余气体对蒸发沉积膜的影响
• 气体杂质在沉积物中的浓度为
pM A c G G sN A 2M g RT
P 残余气体分压 S 厚度沉积速率
– 沉积物中杂质的含量与残余气体的压强成正比，与薄膜 的沉积速率成反比。
（残余气体压强p/蒸发速度f)的比是薄膜光洁度的关 键
2.1蒸发膜的厚度理论分布
• 蒸发源特性、几何形状
– 点蒸发： – 小平面蒸发：
2.1.1 点蒸发
各个方向蒸发量相等
dM M e cos 2 dA 4r
Me - 蒸发出物质总量
2.1.2 面蒸发源
在φ 角方向蒸发的量与cos φ 成正比
dM M e cos cos 2 dA r
4.如何控制合金/化合物薄膜成分均 匀性？
4.1 合金薄膜的蒸镀
• 成分变化
– 合金中各组分在同一温度下具有不同蒸汽压， 因此合金蒸发导致膜组分与蒸发合金组分不一 致 例：蒸发源：Cr-Ni 20:80 Pv(Cr)» Pv(Ni) 膜：Cr-Ni 1:1
4.1合金薄膜的蒸镀
合金薄膜成分均匀控制的方法 ① 闪蒸蒸镀法：如 PLD ② 多蒸发源蒸镀法：如 MBE
dN (分子数 / cm 2 s ) Ae dt
蒸发的关键控制因素是什么?
1.１蒸发速度？
• Herz-Knudsen公式 dN N A pe ph
Ae dt 2MRT
α—介于0~1之间系数
Pe—平衡气压 ph—实际分压
1, ph 0
dN m ax Ae dt