真空蒸发的原理简介

例如：在10-2Pa（n≈3×1012/cm3）的压强下，蒸发分子的 平均自由程为50cm，蒸发分子几乎不发生碰撞。
真空蒸发原理
对基片的碰撞率：
热平衡条件下，单位时间通过单位面积的气体分子数为：
N g 3.5131022
一般薄膜的淀积速率为每秒 P (个 / cm2 s) 一个原子层，当残余气体压 TM 强为 10-5Torr 时，气体分子 和蒸发物质原子几乎按 1：1 的比例到达基板表面。
蒸发度膜的三个基本过程：
加热蒸发过程
固相或液相转变为气相
气相原子或分子的输运过程（源-基距） 气相粒子在环境气氛中的飞行过程，输运过程中气相粒 子与残余气体分子发生碰撞的次数，取决于蒸发原子的平均 自由程，以及蒸发源与基片之间的距离。 蒸发原子或分子在基片表面的淀积过程 即蒸气凝聚、成核、核生长、形成连续薄膜的过程。由 于基板温度较低，因此，沉积物分子在基板表面将直接发生 从气相到固相的相转变。

P Jc 2 mkT
1
设蒸发材料表面液相、气体处于动态平衡，到达液相表 面的分子全部粘接而不脱离，与从液相到气相的分子数相等， 则蒸发速率： dN蒸发分子数，αe蒸发系数，A蒸 dN e Pv Ph 发面积，t时间，Pv和Ph分别为饱和 Je Adt 蒸气压和液体静压 2m kT
蒸发温度
规定物质在饱和蒸气压为10-2Torr时的温度
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饱和蒸气压与温度的关系
dP Hv v dT T Vg Vs
克拉伯龙-克劳修斯
（Clapeylon-Clausius）方程
H v 为摩尔汽化热或蒸发热（J/mol）； Vg 和 Vs分别为气 相和固相的摩尔体积（cm3）； T 为绝对温度（K）。
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2. 饱和蒸气压
概念
在一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸气与 固体或液体平衡过程中所表现出来的压力
A. 处于饱和蒸气压时，蒸发物表面液相、气相处 于动态平衡； B. 饱和蒸气压与随温度的升高而增大； C. 一定温度下，各种物质具有恒定的饱和蒸气压， 相反一定的饱和蒸气压对应一定的温度； D. 不同物质在一定温度下的饱和蒸气压不同；
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碰撞几率：
未受到残余气体碰撞的数目： 受到残余气体碰撞的百分数：
N x N 0 exp( ) x

Nx x f 1 1 exp( ) N0
真空蒸发原理 由此可见，只有当 l （l为源-基距）时，即平均 自由程较源-基距大得多的情况下，才能有效减少蒸发分子 在输运过程中的碰撞。 所以，真空度足够高，平均自由程足够大，且 l 时：
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B lg Pv A T
蒸发速率随温度变化关系
dG B 1 dT 2.3 G T 2 T
m G m Jm Pv 2kT
dG B 1 dT G T 2 T
B 对金属 2.3 在20 30 之间 T
dG dT 20 30 G T 例：蒸发铝，计算由于1％的温度变化，对铝蒸发薄膜生长速率 的影响。B=3.586×104（K）,在蒸气压为1Torr时的蒸发温度为 1830K。 dG 3.586104 1 2 10 0.1909 G 1830 2
0.667 f P
f 1.50lP
l
为保证镀膜质量，在要求 f 0.1 时，源-基距 l 25cm
时，必须 P 3 103 Pa 。
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5. 蒸发所需能量和离子能量
因为 Vg Vs ，假设低压气体符合理想气体状态方程， 则有
Vg Vs Vg
dP H v dT v 或 2 Pv RT
Vg
RT P
d (ln Pv ) H v R d(1 ) T
线性关系
真空蒸发原理
dP H v dT v Pv RT 2
气化热Hv随温度变化很小
Hv ln Pv C RT
或
B lg Pv A T
真空蒸发原理
饱和蒸气压与温度的关系曲线对于薄膜制作技术有重要 意义，它可以帮助我们合理选择蒸发材料和确定蒸发条件。
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3. 蒸发速率
根据气体分子运动论，在气体压力为 P时，单位时间 内碰撞单位面积器壁上的分子数量，即碰撞分子流量（通 量或蒸发速率）J： P 1 J v na 4 2 mkT 冷凝系数
真空蒸发原理
1. 真空蒸发的特点与蒸发过程
特点： 设备比较简单、操作容易； 薄膜纯度高、质量好，厚度可较准确控制； 成膜速度快、效率高，采用掩模可以获得清晰 的图形； 薄膜生长机理比较单纯。 缺点：不容易获得结晶结构的薄膜，薄膜附着力较小，工 艺重复性差。
第一节 真空蒸发原理
真空蒸发原理
蒸发源温度微小变 化就可发分子的平均自由程与碰撞几率
蒸发分子平均自由程：
蒸发分子在两次碰撞之间所飞行的平均距离

1 kT 2n d 2 2 Pd 2 2.331 10 20 T P (托) d 2 3.107 10 18 T P (帕) d 2
真空蒸发原理
最大蒸发速率： e 1, Ph 0
P J m 3.5110 (个/cm-2 s Torr) TM 除了与蒸发物质的分子量、 P 24 -2 2.64 10 ( 个 /cm s Pa) T温度 绝对温度和蒸发物质在 TM
22
Pv dN Jm Adt 2m kT
（2-9）
单位面积 质量蒸发速率
时的饱和蒸气压有关外，还 m 与材料自身的清洁度有关， G mJ m P 2 kT 特别是蒸发源温度的变化对 M 2 蒸发速率影响极大 5.83 10 P (g/cm -2 s Torr)
T

4.37 103
M -2 P ( 个 /cm s Pa) T