薄膜物理气相沉积-蒸发法

2.1 物质的热蒸发
2.1 物质的热蒸发
2.1 物质的热蒸发
• 元素的蒸发 根据物质的蒸发特性，物质的蒸发情况可被划分为两种类型： 1. 将物质加热到其熔点以上（固－液－气）。 例如：多数金属 2. 利用由固态物质的升华，实现物质的气相沉积。 例如：Cr、Ti、Mo、Fe、Si等
石墨C例外，没有熔点，而其升华温度又相当高，因而实践 中多是利用石墨电极间的高温放电过程来使碳原子发生升华。
2.1 物质的热蒸发
• 蒸发源的选择： – 固体源：熔点以下的饱和蒸气压可以达到0.1Pa; – 液体源：熔点以下的饱和蒸气压难以达到0.1Pa; – 难熔材料：可以采用激光、电弧蒸发；
2.1 物质的热蒸发
（3）化合物与合金的热蒸发 --- 多组元材料的蒸发：
• 合金的偏析：蒸气成分一般与原始固体或液体成分不同； • 化合物的解离：蒸气中分子的结合和解离发生频率很高；
二、特点（相对于化学气相沉积而言）： （1）需要使用固态的或熔融态物质作为沉积过程的源物质； （2）源物质经过物理过程而进入气相； （3）需要相对较低的气体压力环境； （4）在气相中及沉底表面并不发生化学反应。
引言
三、分类
蒸发法：把装有基片的真空室抽成真空，使气体压强达到10-2Pa 以下，然后加热镀料，使其原子或分子从表面逸出，形成蒸汽流 ，入射到基片表面，凝结形成固态薄膜。
• 蒸发与温度有关，但不完全受熔体表面的受热多少所决定；
• 蒸发速率正比于物质的平衡蒸气压(Pe)与实际蒸气压力(Ph)之
差； --- 蒸发速率（两种表达）：
• 元素的净蒸发速率：在一定的温度下，处于液态或固态的元 素都具有一定的平衡蒸汽压。因此，当环境中的分压降低到了 其平衡蒸汽压之下时，就会发生元素的净蒸发。
第2章 薄膜物理气相沉积 ---蒸发法
主要内容
引言 2.1 物质的热蒸发 2.2 薄膜沉积的厚度均匀性和纯度 2.3 真空蒸发装置
引言
一、定义 物理气相沉积（Physical Vapor Deposition， PVD ）
利用某种物理过程，如物质的热蒸发或受到离子轰击时物 质表面原子的溅射现象，实现物质原子从源物质到薄膜的可控 转移的过程。
2.1 物质的热蒸发
影响蒸发速率的因素： 由于元素的平衡蒸汽压随着温度的上升增加很快，因而对
元素的蒸发速率影响最大的因素是蒸发源所处的温度。
2.1 物质的热蒸发
（2）元素的平衡蒸气压 --- 元素的蒸气压： •Clausius-Clapyeron方程：
•理想气体近似：
---实际材料的蒸气压函数： •金属Al：
PB=XBPB(0) PB(0)为纯元素的蒸气压；
– 实际合金的蒸气压：PB=γBXBPB(0) = aBPB(0) – 合金组元蒸发速率之比：
2.1 物质的热蒸发
蒸发质量定律的应用: • 假设所制备的Al-Cu合金薄膜要求蒸气成分为Al-2wt%Cu ：即：ΦAl/ ΦCu=98MCu/2MAl，蒸发皿温度：T=1350K。求所 配制的Al-Cu合金成分。 • PAl/PCu=1×10-3/2 ×10-4, 假设：γAl= γCu 则：XAl/X Cu=15 (mol比)≈6.4 (质量比) － 计算只适用于初始的蒸发，若蒸发持续进行，成分将平衡 到某一固定的值； － 蒸气成分的稳定性与蒸发工艺有关；
具有较高的沉积速率、相对较高的真空度，以及由此导致的较 高的薄膜纯度等优点。 溅射法：具wenku.baidu.com自己的特点，如在沉积多元合金薄膜时化学成分容 易控制、沉积层对沉底的附着力较好。
2.1 物质的热蒸发
利用物质在高温下的蒸发现 象，可以制备各种薄膜材料。蒸 发法具有较高的背底真空度。在 较高的真空条件下，不仅蒸发出 来的物质原子或分子具有较长的 平均自由程，可以直接沉积在沉 底表面上，而且还可以确保所制 备的薄膜具有较高的纯净程度。
2.1 物质的热蒸发
由气体分子通量的表达式，单位表面上元素的净蒸发速率等于：
NA(pe ph) 2MRT
其中α蒸发系数(0~1)，Pe—元素的平衡蒸汽压，Ph—元素的 实际分压； • 最大蒸发速率(分子/cm2s)： α＝1， Ph= 0
元素的质量蒸发速率：
(pe ph)
M
2RT
为单位表面上元素的质量蒸发速率。
2.1 物质的热蒸发
要实现蒸发法镀膜，需要三个最基本条件：加热，使镀料 蒸发；处于真空环境，以便于气相镀料向基片运输；采用温 度较低的基片，以便于气体镀料凝结成膜。
蒸发材料在真空中被加热时，其原子或分子就会从表面 逸出，这种现象叫热蒸发。
2.1 物质的热蒸发
（1）元素的蒸发速率 --- 蒸发现象：
2.1 物质的热蒸发
2、合金的蒸发 合金蒸发与化合物蒸发与化合物蒸发的区别与联系 联系：也会发生成分的偏差。 区别：合金中原子的结合力小于在化合物中不同原子的结合力 ，因而，合金中元素原子的蒸发过程实际上可以被看成是各自 相互独立的过程，就像它们在纯元素蒸发时的情况一样。
2.1 物质的热蒸发
合金的蒸发： • 合金薄膜生长的特点：合金薄膜不同于化合物，其固相成分 的范围变化很大，其熔点由热力学定律所决定； • 合金元素的蒸气压： – 理想合金的蒸气压与合金比例(XB)的关系（拉乌尔定律）：
2.1 物质的热蒸发
1、化合物的蒸发 化合物蒸发中存在的问题： a）蒸发出来的蒸气可能具有完全不同于其固态或液体的成分； （蒸气组分变化） b）气态状态下，还可能发生化合物个组员间的化合与分解过程 ；后果是沉积后得到的薄膜成分可能偏离化合物的正确的化学组 成。 化合物蒸发过程中可能发生的各种物理化学反应： 无分解反应；固态分解反应；气态分解蒸发
-- 蒸发不发生解离的材料，可以得到成分匹配的薄膜：如 B2O3, GeO, SnO, AlN, CaF2, MgF2,……
-- 蒸发发生分解的材料，沉积物中富金属，沉积物化学成 分发生偏离，需要分别使用独立的蒸发源；如：Ag2S, Ag2Se, IIIV半导体等；
2.1 物质的热蒸发
– 蒸发发生解离的材料；沉积物中富金属，需要分立的蒸发源； 硫族化合物：CdS, CdSe, CdTe,…… 氧化物：SiO2, GeO2, TiO2, SnO2,