薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
第四章_薄膜的物理气相沉积
4.1 蒸发沉积 4.2 溅射沉积 4.3 离子束沉积 4.4 脉冲激光沉积
4.1 蒸发沉积
蒸发沉积薄膜的基本过程：
1） 原材料被加热蒸发而气化 2） 气化的原子或分子从蒸发源向基片表面输运 3）蒸发的原子或分子在基片表面被吸附、成核、 核长大，继而形成连续薄膜
4.1.1 蒸发源
缺点：需要较复杂且昂贵的高频电源
4.1.2 原材料的蒸发与输运
1.
蒸发速率 假设在原材料表面液相和气相分子处于动态平 衡，则蒸发速率
dN r Pr P0 Je Adt 2 mkT
蒸发速率与蒸发源温度的关系
dG B 1 dT 2.3 G T 2 T
4.1.3 蒸发镀膜的膜厚分布
膜厚的分布取决于蒸发源的几何形状 与蒸发特性、基片的几何形状、基片与蒸 发源的相对位置等因素。
膜厚理论计算的简化假设： 1）蒸发凝结成薄膜
4.2 溅射沉积
溅射：荷能粒子轰击固体表面，使固体原子（或 分子）逸出的现象叫溅射。 使用范围：金属、合金、半导体、氧化物、氮化 物、碳化物、超导薄膜等。 溅射率：当粒子轰击靶阴极时，平均每个粒子从 阴极上打出的原子数。 溅射阈值：当入射粒子能量高于溅射阈值时才发 生溅射。
脉冲激光沉积的优点
相比其他制膜技术，PLD具有如下特点：1） 采用紫外脉冲激光器作为等离子体的能源，它 具有高光子能量、无污染且易于控制的特点； 2）可以比较精确的控制化学计量比，实现靶 膜成分接近一致。3） 可以引入反应气体，提 供了另一种改变薄膜组分的办法；4）四个靶 材托板随意更换，可以实现多层膜、异质结的 制备，尤其适合制备量子阱结构薄膜。5）工 艺相对简单，灵活性很大，可以实现诸多不同 种类的薄膜制备；6）可以使用激光器对薄膜 进行后续处理等。
真空蒸镀 热蒸发
真空蒸镀热蒸发
真空蒸镀热蒸发是一种物理气相沉积（PVD）技术，用于在基底表面上沉积薄膜。
它的基本原理如下：
1. 真空环境：在真空蒸镀过程中，将基底和蒸发源置于真空室内。
真空环境可以减少气体分子之间的碰撞，防止气体对沉积过程的干扰，并提高薄膜的质量。
2. 蒸发源：蒸发源是提供蒸发材料的装置。
它可以是金属丝、坩埚或溅射靶材等。
蒸发源被加热到足够高的温度，使蒸发材料转化为气态。
3. 薄膜沉积：当蒸发源中的材料被加热到气态时，气态原子或分子会在真空中向基底表面运动，并在基底上沉积形成薄膜。
沉积的薄膜可以是金属、合金、半导体或其他材料。
4. 控制参数：真空蒸镀过程中的一些关键参数需要被控制，以获得所需的薄膜特性。
这些参数包括蒸发源的温度、沉积时间、真空度和基底温度等。
真空蒸镀热蒸发技术具有以下优点：
1. 高纯度：真空环境可以减少杂质的引入，提高薄膜的纯度。
2. 良好的一致性：该技术可以在大面积基底上实现均匀的薄膜沉积。
3. 可控性：通过控制蒸发源的温度和其他参数，可以调控薄膜的厚度、组成和结构。
4. 多功能性：可用于制备各种功能性薄膜，如金属膜、光学膜、导电膜等。
第二章 薄膜制备技术(1)
（2）优缺点
1）优点：适用于高纯 或难熔物质的蒸发；可适 合沉积多种不同的物质。
2）缺点：热效率较低； 过高的热功率对整个沉积 系统形成较强的热辐射。
3、电弧蒸发装臵 （1）电弧蒸发法：用欲蒸发的材料 制成放电的电极，依靠调节真空 室内电极间距的方法来点燃电弧， 瞬间的高温电弧将使电极端部产 生蒸发从而实现物质的沉积。控 制电弧的点燃次数或时间就可以 沉积出一定厚度的薄膜。 （2）优缺点 1）优点：避免电阻加热材料或坩 埚材料的污染；加热温度高，适 用于溶点高、同时具有一定导电 性的难熔金属、石墨等的蒸发； 简单廉价。 2）缺点：在放电过程中容易产 生微米量级大小的电极颗粒的飞 溅，从而会影响被沉积薄膜的均 匀性。
电弧蒸发装置示意图
4、激光蒸发装臵 （1）激光蒸发法：高功率激光器产生的高能激光束，可在瞬 间将能量直接传递给被蒸发物质，使之发生蒸发镀膜。
（2）优缺点
优点：避免电阻加热材料或坩埚材料的污染；加热温度高； 蒸发速率高；蒸发过程容易控制；特别的优点是：适用于蒸 发那些成分复杂的合金或化合物，这是因为，高能量的激光 束可以在较短的时间将物质的局部加热至极高的温度并产生 物质的蒸发，在此过程中被蒸发出来的物质仍能保持其原来 的元素比例。
2.3 真空蒸发装置
真空蒸发所采用的设备根据使用目的的不同有很大差别。 从简单的电阻加热蒸镀装臵到极其复杂的分子束外延设备， 都属于真空蒸发范畴。在蒸发沉积装臵中，最重要的组成 部分是物质的蒸发源，根据其加热原理可分为以下类型。
1、电阻式蒸发装置 （1）电阻加热蒸发法： 采用钽、钼、钨等高熔点金属，做成适当形状的加 热装臵（也称“蒸发源”，注意与“蒸发材料”区 别），其上装入待蒸发材料，通以电流后，对蒸发 材料进行直接加热蒸发，或者把待蒸发材料放入 Al2O3、BeO等坩埚中进行间接加热蒸发，
薄膜制备方法
薄膜制备方法薄膜制备方法是一种将材料制备成薄膜状的工艺过程。
薄膜是指厚度在纳米至微米级别的材料，具有特殊的物理、化学和电学性质，在许多领域具有重要的应用价值。
薄膜制备方法有多种，包括物理气相沉积法、化学气相沉积法、物理溅射法、溶液法等。
一、物理气相沉积法物理气相沉积法是一种利用高温或高能粒子束使材料原子或分子在基底表面沉积形成薄膜的方法。
常见的物理气相沉积方法有热蒸发法、电子束蒸发法和磁控溅射法等。
其中，热蒸发法是通过加热材料使其蒸发，并在基底上沉积形成薄膜；电子束蒸发法则是利用电子束的热能使材料蒸发并沉积在基底上；磁控溅射法是通过在真空室中加入惰性气体，并利用高能电子束轰击靶材使其溅射出原子或离子，从而沉积在基底上形成薄膜。
二、化学气相沉积法化学气相沉积法是一种利用气相反应在基底表面沉积材料的方法。
常见的化学气相沉积方法有化学气相沉积法、低压化学气相沉积法和气相扩散法等。
其中，化学气相沉积法是通过将反应气体在基底表面分解或氧化生成薄膜的方法；低压化学气相沉积法则是在较低的气压下进行反应，以控制薄膜的成分和结构；气相扩散法是通过将反应气体在基底表面进行扩散反应，使材料沉积在基底上。
三、物理溅射法物理溅射法是一种利用高能粒子轰击靶材使其原子或分子从靶表面溅射出来，并沉积在基底上形成薄膜的方法。
物理溅射法包括直流溅射法、射频溅射法和磁控溅射法等。
其中，直流溅射法是利用直流电源加电使靶材离子化并溅射出来；射频溅射法则是利用射频电源产生高频电场使靶材离子化并溅射出来；磁控溅射法则是在溅射区域加入磁场，利用磁控电子束使靶材离子化并溅射出来。
四、溶液法溶液法是一种利用溶液中的材料分子或离子在基底表面沉积形成薄膜的方法。
常见的溶液法包括浸渍法、旋涂法和喷雾法等。
其中，浸渍法是将基底放置在溶液中，使其吸附溶剂中的材料分子或离子，然后通过蒸发或热处理使其形成薄膜；旋涂法是将溶液倒在旋转的基底上，通过离心作用使溶液均匀涂布在基底上，然后通过蒸发或热处理使其形成薄膜；喷雾法则是将溶液喷雾到基底上，通过蒸发或热处理使其形成薄膜。
第2章+薄膜的物理气相沉积I
例：残余气体对蒸发薄膜的污染
在沉积过程中，残余气体的分子和蒸发物质的原子 将分别射向衬底，并同时沉积在衬底上。蒸发物质 原子的沉积速率为
G N As （2-15） MA
其量纲为原子数/cm2·s。其中ρ为沉积物质的密度， s为厚度沉积速度。
可求出气体杂质在沉积物中的浓度为
c
pMA
（2-16）
sNA 2MgRT
假设被蒸发物质是由面积为Ae的小球上均 匀地发射出来，如图所示。这时，蒸发出来的 物质总量Me为
dM e ΓdedAt
M e dAedtAet
（2-11）
其中，Г——蒸发物质的质量蒸发速度， dAe——蒸发源的表面积元， t——时间。
由于蒸发源为一点源，因而衬底面积元dAs上沉积 的物质量取决于其对应的空间角大小，即衬底上 沉积的原子质量密度为
(C 1 ) 4
dM
s
M
e
dA s cos 4 r 2
dM dA
s s
M e cos 4 r 2
2、面蒸发源
在蒸发方法中经常使用的克努森源是在一个 高温坩埚的上部开一个小口，它所形成的蒸发 源相当于一个面蒸发源。
面蒸发源空间角示意图
对于面蒸发源
dMs θ O’ x
h rx
φ
dAs x dAe
He RT
I
He
pe Be RT
(2 5a) (2 5b)
其中，I——积分常数， B——相应的系数。
说明： 1. 由于使用了近似条件ΔHe=ΔH ，即热焓变化=汽化
热，故蒸气压表达式只在某一温度区间才严格成立。 2. 要准确地描述Pe-T的关系，应该将△H写成△H（T ）
的函数形式。
材料科学中的薄膜制备技术研究综述
材料科学中的薄膜制备技术研究综述薄膜作为一种重要的材料形态，在材料科学领域中具有广泛的应用。
薄膜制备技术的研究和发展，不仅能够扩展材料的功能性，并提高材料的性能，还可以为各个领域提供更多的应用可能性。
本文将综述材料科学中薄膜制备技术的研究进展，并重点探讨了几种常见的薄膜制备技术。
1. 物理气相沉积（PVD）物理气相沉积是一种常见的薄膜制备技术，它通过蒸发或溅射等方法将材料转化为蒸汽或离子，经过气相传输沉积在基底上形成薄膜。
物理气相沉积技术包括热蒸发、电子束蒸发、分子束外延和磁控溅射等方法。
这些方法在薄膜制备中具有高温、高真空和高能量等特点，能够制备出具有优异性能的薄膜。
然而，物理气相沉积技术在薄膜厚度的控制上存在一定的局限，且对于一些化学反应活性较高的材料来说，难以实现。
2. 化学气相沉积（CVD）化学气相沉积是一种将反应气体在表面上发生化学反应生成薄膜的方法。
CVD 技术根据反应条件的不同可以分为低压CVD、大气压CVD和等离子CVD等。
这些技术在实现复杂薄膜结构和化学组成控制上相较于PVD技术更具优势。
化学气相沉积技术可用于金属、氧化物、氮化物以及半导体材料等薄膜的制备。
然而，该技术所需的气体和化学物质成分较复杂，容易引起环境污染，并且对设备的要求较高。
3. 溶液法制备薄膜溶液法是一种常用的低成本、高效率的薄膜制备技术。
常见的溶液法包括旋涂法、浸渍法、喷涂法和柔性印刷法等。
这些方法通过将溶液中的溶质沉积在基底上，形成薄膜。
溶液法制备薄膜的优势在于简单易行、成本低、适用于大面积薄膜制备。
然而，溶液法制备出的薄膜常常具有较低的晶化程度和机械强度，且在高温和湿润环境下易失去稳定性。
4. 磁控溅射技术磁控溅射技术是一种通过离子轰击固体靶材的方法制备薄膜。
在磁控溅射过程中，离子轰击靶材，使靶材表面的原子转化为蒸汽，然后通过惰性气体的加速将蒸汽沉积在基底上。
磁控溅射技术可用于金属、氧化物、氮化物等薄膜的制备，并可实现厚度和成分的精确控制。
第三讲_薄膜的物理气相沉积-蒸发沉积
提高薄膜的沉积速率和真空度，均有助于提高薄膜纯度
蒸发沉积技术的种类
电阻热蒸发 电子束热蒸发 电弧热蒸发 激光束热蒸发 空心阴极热蒸发
电阻式热蒸发装置
特点： 装置简单，应用广泛 需要针对不同的被蒸发材料选择加热材料和方法 加热温度不能过高，易产生电阻丝等加热材料的污染
A A xA pA (0) M B B B x B pB (0) M A
都将不同于合金中的组元之比
合金中各元素的热蒸发
合金组元的蒸气压之比一般都要偏离合金的原 始成分。当组元A与其他组元的吸引作用力较小时 ，它将拥有较高的蒸气压；反之，其蒸气压将相对 较低。 当需要制备的薄膜成分已知时，由上式可以确 定所需要使用的合金蒸发源的成分。比如，已知在 1350K的温度下，Al的蒸气压高于Cu，因而为了获 得Al-2%Cu成分的薄膜，需要使用的蒸发源的大致 成分应该是Al-13.6%Cu。但当组元差别很大时，这 一方法就失去了可行性。
合金中各元素的热蒸发
对于初始成分确定的蒸发源来说，由上式确定的 组元蒸发速率之比将随着时间而发生变化: 易于蒸发 的组元的优先蒸发将造成该组元的不断贫化，进而造 成该组元蒸发速率的不断下降。
解决这一问题的办法
使用较多的物质作为蒸发源，即尽量减小组元成分的相 对变化 采用向蒸发容器中不断地、但每次仅加入少量被蒸发物质 的方法，即使得少量蒸发物质的不同组元能够实现瞬间的 同步蒸发 利用加热至不同温度的双蒸发源或多蒸发源的方法，分别 控制和调节每个组元的蒸发速率(所谓三温度法)
第三讲
薄膜材料的蒸发沉积
Preparation of thin films by vacuum evaporation
纳米薄膜应用综述
纳米薄膜应用综述引言纳米技术作为21世纪的一个新兴领域，正日益受到人们的关注和重视。
纳米材料具有尺寸效应、表面效应和量子效应等特性，展现出许多与传统材料不同的奇特性能，被广泛应用于材料、生物、医学、环境、电子信息等领域。
纳米薄膜作为纳米材料的一种重要形式，具有极大的表面积和高度的界面能，被广泛应用于涂层、传感器、光伏、生物医学等领域。
一、纳米薄膜的制备方法1. 物理气相沉积法物理气相沉积法包括热蒸发法、溅射法、分子束外析等，通过在真空环境下使材料直接蒸发或溅射，然后在基底表面沉积形成纳米薄膜。
该方法制备的纳米薄膜均匀度高，结晶度好，但设备成本高，生产效率低。
2. 化学气相沉积法化学气相沉积法包括液相沉积法、气相沉积法等，通过在气相反应体系中使一种化学气体在基底表面发生化学反应，生成纳米薄膜。
该方法成本低，易于实现大面积生产，但纳米薄膜的结晶质量相对较差。
3. 溶液法溶液法包括溶液浸渍法、溶液旋涂法等，通过在溶液中将纳米材料溶解或悬浮，然后在基底表面沉积成薄膜。
该方法简单易行，设备成本低，但纳米薄膜的结晶度较低。
以上是一些常见的纳米薄膜制备方法，不同方法适用于不同的应用场景，制备出来的纳米薄膜性能也各有差异。
二、纳米薄膜在涂层领域的应用1. 自清洁涂层自清洁涂层是一种能够在接触光线、风力、水汽等环境下自动清洁的功能涂层，可以减少人工清洁成本，保持表面光亮。
纳米薄膜可以使涂层具有一定的光催化和亲水性能，使涂层在受光照射下具有氧化有机污染物的分解能力，保持表面清洁。
2. 防护涂层防护涂层是一种用于防止金属、塑料等基底受到外部侵蚀、氧化等危害的功能涂层，可以提高材料的使用寿命。
纳米薄膜可以提高涂层的硬度和耐磨性，防止基底受到腐蚀和氧化，延长材料的使用寿命。
3. 共价键涂层共价键涂层是一种将纳米材料与涂层基底形成共价键结构的功能涂层，可以提高涂层的附着力和稳定性。
纳米薄膜可以在涂层基底表面形成稳定的共价键结构，增强涂层的附着力，提高涂层的稳定性。
薄膜材料与技术
薄膜材料与技术引言薄膜材料是一种在厚度范围内具有特定性能和结构的材料，它在多个领域中发挥着重要作用。
薄膜技术是制备、改进和应用薄膜材料的一套方法和工艺。
本文将介绍薄膜材料的定义、制备方法、常见应用以及未来的发展趋势。
薄膜材料的定义薄膜材料是在纳米尺度至微米尺度范围内的一种特殊材料，其厚度通常在0.1nm到100μm之间。
相比于传统材料，薄膜材料具有较高的比表面积和特殊的物理、化学性质，使得其在光电、能源、生物医学等领域具有广泛的应用前景。
薄膜材料的制备方法薄膜材料的制备方法多种多样，常见的制备方法包括：1.物理气相沉积（PVD）：通过热蒸发、电子束蒸发、激光蒸发等方法将材料蒸发在基底上，形成薄膜。
2.化学气相沉积（CVD）：将气相前体分子引入反应室中，经过热分解或化学反应，在基底表面生成薄膜。
3.溶液法：将溶解了材料的溶液涂覆在基底上，通过溶剂蒸发或化学反应，将材料转变为薄膜。
常见的溶液法包括旋涂法、浸渍法等。
4.声波法：利用声波的能量使材料溶解或悬浮在溶剂中，然后将溶液通过超声波定向沉积在基底上。
5.离子束辅助沉积（IBAD）：通过将离子束轰击基底表面，促使薄膜材料原子结晶或沉积在基底上。
薄膜材料的应用领域薄膜材料在多个领域中发挥着重要作用，以下是几个常见的应用领域：1.光学领域：薄膜材料在光学镀膜中广泛应用，用于改善光学元件的透射和反射特性。
例如，透明导电薄膜可用于制造触摸屏、光伏电池和显示器件。
2.电子领域：薄膜材料可用于制造半导体器件，如晶体管、薄膜电阻器和电容器。
此外，薄膜材料还可用于制造柔性电子产品和纳米电子元件。
3.能源领域：薄膜太阳能电池是一种高效能源转换设备，薄膜材料在其制备过程中起到关键作用。
此外，薄膜材料还可用于燃料电池、锂离子电池等能源存储和转换装置中。
4.生物医学领域：薄膜材料在生物医学传感器、生物芯片、医用导管等方面有广泛应用。
例如，聚合物薄膜可用于修复组织缺损，金属薄膜可用于制造仿生传感器。
薄膜的物理气相沉积PPT课件
真空蒸镀（Vacuum Evaporation）
蒸发条件（分压 Pi < 平衡蒸汽压 Pe）
物理机制 蒸发与凝聚同时发生，动态双向进行； T 一定时，动态平衡时的蒸汽压即平衡蒸汽压 Pi > Pe 凝聚； Pi < Pe 蒸发 (净蒸发 > 0)
怎样实现蒸发条件？ He 升温 ： PeaeRT T 也随之↓ 充入其它气体： P = ∑Pi 总压不变、目标物质分压 Pi ↓
湖南大学电子封装材料与薄膜技术研究所 Institute of Electronic Packaging Materials and Thin Films Technology
薄膜技术与应用
薄膜的物理气相沉积技术（Ⅰ）
湖南大学电子封装材料与薄膜技术研究所
Institute of Electronic Packaging Materials and Thin Films Technology
膜层在高真空环境下形成，蒸汽中的膜层粒子基本上是原子态，在工 件表面形成细小的核心，生长成细密的组织；
一般只在工件面向蒸发源的一面可以沉积膜层，工件的背面几乎不沉 积。
2020/12/3
7
湖南大学电子封装材料与薄膜技术研究所
Institute of Electronic Packaging Materials and Thin Films Technology
分类
电阻加热、电子束蒸发、电弧放电、激光加热、分子束外延
2020/12/3
6
湖南大学电子封装材料与薄膜技术研究所
Institute of Electronic Packaging Materials and Thin Films Technology
薄膜的物理气相沉积Ⅰ蒸发法
新材料应用到物理气相沉积中，以获得性能更优异的薄膜。
02
新工艺的开发
除了新材料外，新工艺的开发也是非常重要的。需要研究如何开发新的
工艺，以更有效地沉积出高质量的薄膜。
03
跨学科合作
新材料和新工艺的研究与开发往往需要跨学科的合作，如化学、物理、
材料科学等。需要积极开展跨学科的合作，以推动薄膜沉积技术的发展。
蒸发物质的性质
蒸发物质的性质也会影响薄膜的 附着力。需要研究如何选择和优 化蒸发物质的性质，以提高薄膜 的附着力。
工艺参数优化
工艺参数如温度、压力、气体流 量等也会影响薄膜的附着力。需 要研究如何优化这些工艺参数， 以提高薄膜的附着力。
新材料、新工艺的研究与开发
01
新材料的研究
随着科技的发展，不断有新的材料被发现和研究。需要研究如何将这些
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THANKS
总结词
激光诱导蒸发源是利用高能激光束照射材料表面，使其达到熔融状态并产生蒸气的过程。
详细描述
激光诱导蒸发源通过高能激光束照射材料表面，使其迅速达到高温熔融状态并蒸发。该蒸发源具有高能量密度、 快速加热和精确控温等优点，适用于高熔点材料和薄膜的制备。同时，激光诱导蒸发源还可以实现薄膜的图案化 制备和原位掺杂等特殊应用。
单晶结构
通过特定工艺可制备单晶 结构的薄膜，具有更好的 物理性能。
非晶结构
通过控制蒸发条件可获得 非晶结构的薄膜，具有优 异的稳定性和光学性能。
薄膜的物理性质
导电性
01
蒸发法制备的薄膜导电性良好，可应用于电子器件和集成电路。
光学性能
02
蒸发法制备的薄膜具有优异的光学性能，如高反射、高透过等
特性。
薄膜的物理气相沉积-蒸发法资料
2.2 薄膜沉积厚度均匀性与纯度
（1）薄膜沉积的方向性和阴影效应 蒸发源几何类型: •点源：蒸发源的几何尺寸远小于基片的尺寸； – 蒸发量：
– 沉积量：
– 基片某点的沉积量与该点和蒸发源连线与基片法向的夹角有 关；
2.2 薄膜沉积厚度均匀性与纯度
• 面源：蒸发源的几何尺寸与基片的尺寸相当； – 沉积量：
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）：
2.3 真空蒸发装置
优点: 1.电阻式蒸镀机设备价格便宜,构造简单容易维护。 2.靶材可以依需要,做成各种的形状。 缺点: 1. 因为热量及温度是由电阻器产生,并传导至靶材,电阻器本身的材料难免会在 过程中参加反应,因此会有些微的污染,造成蒸发膜层纯度稍差,伤害膜层的质 量。 2. 热阻式蒸镀比较适合金属材料的靶材,光学镀膜常用的介电质(dielectric)材 料,因为氧化物所需熔点温度更高,大部分都无法使用电阻式加温来蒸发。 3. 蒸镀的速率比较慢,且不易控制。 4. 化合物的靶材,可能会因为高温而被分解,只有小部分化合物靶材可以被闪燃 式蒸镀使用。 5. 电阻式蒸镀的膜层硬度比较差,密度比较低。
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：
第三章薄膜的物理气相沉积Ⅰ蒸发法
六 真空蒸发源
3、激光加热蒸发 利用激光作为热源使待蒸发材料蒸发。 激光蒸发属于在高真空条件下制备薄膜的技术。
激光源放在真空室外边，激光束通过真空室窗 口打到待蒸发材料上使其蒸发，沉积在衬底上。 适合制备高纯，难熔物质薄膜
六 真空蒸发源
3、激光加热蒸发
激光蒸发示意图
六 真空蒸发源
六 真空蒸发源
克努森源（见图2.4b）也相当于一个面蒸发源。它是一个高温坩 埚的上部开一个直径很小的小孔。在坩埚内，物质的蒸气压近似 等于其平衡蒸气压；而在坩埚外，仍保持着较高的真空度。与普 通的面蒸发源相比，具有较小有效蒸发面积，因此蒸发速率较低。 但其蒸发束流的方向性较好。克努森盒的温度以及蒸发速率可以 被控制得极为准确。
3.3 薄膜沉积的厚度均匀性和纯度
一、薄膜沉积的方向性和阴影效应
利用蒸发法沉积薄膜时，真空度一般较高。被蒸发物质的原子、 分子一般处于分子流状态。
当蒸发源与衬底之间存在某种障碍物时，沉积的过程将会产生阴 影效应，即蒸发来的物质将障碍物阻挡而不能沉积到衬底上。
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。
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 H e I RT
H e
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
（点表示相应元素的熔点）
薄膜沉积方法
薄膜沉积方法一、引言薄膜沉积方法是一种用于制备薄膜材料的关键技术。
它在电子器件、光学器件、太阳能电池等领域具有广泛的应用。
本文将介绍薄膜沉积方法的原理、分类以及一些常用的技术。
二、薄膜沉积方法的原理薄膜沉积方法是通过将材料原子或分子逐层沉积在基底上，形成具有特定功能和性质的薄膜。
常用的薄膜沉积方法主要有物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）以及溶液法等。
三、薄膜沉积方法的分类1. 物理气相沉积（PVD）物理气相沉积是利用物理手段将材料蒸发、溅射或者离子轰击后沉积在基底上。
常见的物理气相沉积方法有热蒸发、电子束蒸发、磁控溅射等。
这些方法能够得到高纯度、致密度高的薄膜，但是制备过程中需要高真空环境。
2. 化学气相沉积（CVD）化学气相沉积是利用化学反应将材料原子或分子沉积在基底上。
常见的化学气相沉积方法有热CVD、等离子CVD、低压CVD等。
这些方法能够制备多种材料的薄膜，具有较好的均匀性和控制性。
3. 溶液法溶液法是将溶解有所需材料的溶液倾倒在基底上，通过溶剂的挥发或者化学反应使溶质沉积在基底上。
常见的溶液法有旋涂法、浸渍法、喷雾法等。
这些方法制备简单、成本低，适用于大面积薄膜的制备。
四、常用的薄膜沉积技术1. 热蒸发热蒸发是将材料加热至其沸点，使其蒸发并沉积在基底上。
这种方法适用于蒸发温度较低的材料，如金属薄膜。
2. 磁控溅射磁控溅射是利用高能离子轰击靶材，使其溅射出的原子或分子沉积在基底上。
这种方法能够制备各种材料的薄膜，但需要高真空环境。
3. 化学气相沉积化学气相沉积是通过化学反应将材料原子或分子沉积在基底上。
这种方法可以制备复杂的多层薄膜，并具有较好的控制性和均匀性。
4. 旋涂法旋涂法是将溶解有所需材料的溶液倒在基底上，然后通过高速旋转基底使溶液均匀涂布在基底上。
这种方法适用于制备有机薄膜。
五、总结薄膜沉积方法是制备薄膜材料的重要技术，不同的方法适用于不同的材料和应用领域。
物理气相沉积、化学气相沉积和溶液法是常用的薄膜沉积方法。
第3-1章 薄膜的物理气相沉积(Ⅰ)-蒸发法
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一些常用物质的饱和蒸气压与温度的关系
• 在真空条件下物质的蒸发要比常压下容易得多，所需蒸发温度 也大大降低，蒸发过程也将大大缩短，蒸发速率显著提高。 饱 和蒸气压PV与温度T的关系可以帮助我们合理地选择蒸发材料 及确定蒸发条件，因而对于薄膜制作技术有重要的实际意义。
基板
真空
原材料在真空中加热
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3. 1.5 真空蒸发镀膜的原理 真空蒸发镀膜法(简称真空 蒸镀)是在真空室中，加热蒸 发容器中待形成薄膜的原材 料，使其原子或分子从表面
气化逸出，形成蒸气流，入
射到基片表面，凝结形成固 态薄膜的方法。 方法的核心点：镀膜材料通 过物理方法输运到基体的表 面,形成薄膜；
单位时间内通过单位面积的气体的分子数：
Ng
1 P nVa 4 2mkT
25℃时，10-5 Torr时， Ng大约为1015~1016个/cm2· s， 此时蒸发原子与杂质原子几乎
按 1 ：1 到 达基板
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3. 2.1.1 1.8元素蒸发速率 纯元素、合金与化合物的蒸发热 2.1.2
（3）对于初始成分确定的蒸发源来说，组元蒸发速率之比将随
着时间而发生变化。易于蒸发的组元优先蒸发造成该组元不 断贫化，进而造成该组元蒸发速率的不断下降。
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3. 1.8 纯元素、化合物（或合金）蒸发热 解决办法真空蒸镀薄膜成份偏析的办法： （1）使用足量的物质作为蒸发源，即尽量减小组元成分的相 对变化率； （2）向蒸发容器内不断地、每次加入少量被蒸发物质，实现 同步蒸发； （3）加热双蒸发源或多蒸发源，分别控制和调节每个组元的 蒸发速率。
氧化镍薄膜及其制备方法,功能材料,薄膜结构的制作方法及电致发光器件
氧化镍薄膜是一种具有特殊功能的材料，广泛应用于能源、电子器件、催化剂等领域。
下面将介绍氧化镍薄膜的制备方法以及功能材料中的应用。
1. 氧化镍薄膜的制备方法：-物理气相沉积（Physical Vapor Deposition, PVD）：通过热蒸发或溅射等方法，在基底上沉积氧化镍薄膜。
-化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）：通过在反应室中加热具有氧化镍前体的化合物，使其分解并在基底上形成氧化镍薄膜。
-溶液法：通过将氧化镍前体溶解于适当的溶剂中，然后在基底上进行旋涂、喷涂等方法进行沉积。
-磁控溅射（Magnetron Sputtering）：利用高能粒子轰击靶材，在基底上形成氧化镍薄膜。
2. 功能材料中的氧化镍薄膜应用：-电子器件：氧化镍薄膜可以用作场发射显示器中的阳极材料，具有优异的电子导电性能和稳定性。
-电化学储能：氧化镍薄膜可用于超级电容器和锂离子电池的正极材料，用于储存和释放电能。
-催化剂：氧化镍薄膜可以用作水分解反应中的催化剂，促进水的分解生成氢气。
薄膜结构的制作方法及电致发光器件：3. 薄膜结构的制作方法：-激光沉积：利用激光束照射基底上的材料，使其熔化并形成薄膜结构。
-热蒸发法：通过加热蒸发源，使材料蒸发并在基底上形成薄膜结构。
-光刻技术：利用光刻胶、掩模等工艺，对薄膜进行局部曝光和刻蚀，形成特定的结构。
-离子束刻蚀：利用离子束轰击材料表面，实现对薄膜结构的精确加工和刻蚀。
4. 电致发光器件：-电致发光器件（Electroluminescent Device）利用电场激发材料中的电子和空穴复合释放能量，产生可见光。
薄膜结构在电致发光器件中起到关键作用。
-通过在薄膜结构中引入适当的荧光材料、导电材料和介质层，可以实现电致发光器件的复杂结构和特定发光效果。
需要注意的是，具体的制备方法和应用可能因研究领域、设备和工艺要求而有所不同。
以上提及的方法和应用仅作为参考，具体操作应根据实际需求和实验条件进行选择和优化。
物理气相沉积技术在薄膜制备中的应用研究
物理气相沉积技术在薄膜制备中的应用研究一、引言物理气相沉积技术是一种重要的薄膜制备技术，广泛应用于微电子、光电子、材料科学和工程等领域。
近年来，随着薄膜制备在各个领域中的广泛应用，物理气相沉积技术的发展也越来越受到关注。
本文将对物理气相沉积技术在薄膜制备中的应用展开深入研究。
二、物理气相沉积技术介绍1. 物理气相沉积技术的基本原理物理气相沉积技术又称为物理气相沉积法，是指将气体束注入真空腔中，在基板表面产生反应生成薄膜的一种方法。
常见的物理气相沉积技术包括热蒸发法、离子束辅助蒸发法、磁控溅射法、激光剥蚀法等。
2. 物理气相沉积技术的特点物理气相沉积技术具有以下特点：（1）制备过程中的反应物和中间体不需要直接接触基板表面，避免掺杂和氧化等问题。
（2）基板表面受到的热和化学影响较小，适用于对材料表面特性有要求的应用。
（3）制备的薄膜具有厚度均匀、晶体质量高、精确控制等特点，适用于微电子、光电子等应用。
三、物理气相沉积技术在薄膜制备中的应用1. 磁控溅射法制备金属薄膜磁控溅射法是物理气相沉积技术中应用最广泛的一种方法。
它基于磁控效应和靶材的原子表面扩散，利用高能粒子撞击靶材表面，将靶材原子蒸发到真空室内，最终在基板表面形成薄膜。
该技术制备的金属薄膜厚度均匀、结晶度高，广泛应用于微电子、太阳能电池、传感器等领域。
2. 离子束辅助蒸发法制备光学薄膜离子束辅助蒸发法是一种高纯度光学薄膜制备方法。
它利用电子轰击源将靶材产生蒸气，离子束通过高能粒子的撞击，使薄膜形成过程中的缺陷得到修复，从而制备出晶粒细小、透光率高、表面平整的光学薄膜。
3. 热蒸发法制备有机薄膜热蒸发法是将有机蒸发物蒸发到真空室中，通过它被表面吸附、扩散等作用，最终在基板表面形成薄膜的方法。
热蒸发法能够有效地制备出高纯度、高质量的有机薄膜，广泛应用于薄膜电容器、固态电池等领域。
四、总结与展望物理气相沉积技术作为一种有效的薄膜制备方法，已经在各个领域中得到了广泛应用。
薄膜物理总结
一．薄膜制备的真空技术基础：薄膜制备方法物理方法：热蒸发法 溅射法 离子镀方法化学方法：电镀方法 化学气相生长法1,气体分子的平均自由程：气体分子在两次碰撞的间隔时间里走过的平均距离。
21d n πλ= d — 气体分子的有效截面直 2,单位面积上气体分子的通量：气体分子对于单位面积表面的碰撞频率。
3,流导：真空管路中气体的通过能力。
分子流气体：流导C 与压力无关，受管路形状影响，且与气体种类、温度有关。
4,真空泵的抽速: p — 真空泵入口处气体压力Q — 单位时间内通过真空泵入口处气体流量5,真空环境划分：低真空> 102 Pa中真空102 ~ 10-1 Pa高真空10-1 ~ 10-5 Pa超高真空< 10-5 Pa低压化学气相沉积：中、低真空（10~ 100Pa ）;溅射沉积： 中、高真空（10-2 ~ 10Pa ）;真空蒸发沉积： 高真空和超高真空（<10-3 Pa ）;电子显微分析： 高真空;材料表面分析： 超高真空。
6,气体的流动状态:分子流状态：在高真空环境下，气体的分子除了与容器壁外,几乎不发生气体分子间的相互碰撞。
特点：气体分子平均自由程大于气体容器的尺寸或与其相当。
（高真空薄膜蒸发沉积系统、各种材料表面分析仪器）粘滞流状态：当气压较高时，气体分子的平均自由程很短，气体分子间的相互碰撞较为频繁。
粘滞流状态的气体流动模式：层流状态：低流速黏滞流所处的气流状态，即气体宏观运动方向与一组相互平行的流线相一致。
紊流状态：高流速黏滞流所处的气流状态，气体不再能够维持相互平行的层状流动模式，而呈现出一种旋涡式的流动模式。
克努森（Knudsen）准数:分子流状态Kn＜1过渡状态Kn＝1~100粘滞流状态Kn ＞ 1007,旋片式机械真空泵工作原理：玻意耳-马略特定律（PV=C）即：温度一定的情况下，容器的体积和气体压强成反比。
性能参数：理论抽速Sp：单位时间内所排出的气体的体积。
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薄膜的物理气相沉积
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
8
薄膜沉积速率正比于气体分子的通量。
单位表面上元素的净蒸发速率
ΦαN2（ AπpMe Rph） T
α — 系数，介于0~1之间；
m n M N
A
pe、ph — 平衡蒸气压和实际情况下的分压。 单位表面上元素的质量蒸发速率
组元蒸气压相近时，可估算合金蒸发源的成分。 例如，1350K，薄膜成分：Al-2％Cu (质量分数)，
需蒸发源成分：A1-13.6％Cu (质量分数)。
薄膜的物理气相沉积
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
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对于初始成分确定的蒸发源，组元蒸发速率 之比随时间而变化。 原因：易于蒸发的组元的优先蒸发使该组元不 断贫化，进而使该组元蒸发速率不断下降。
薄膜的物理气相沉积
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
5
组成部分： 真空室； 蒸发源及蒸发加热装置； 衬底放置及加热装置。
薄膜的物理气相沉积
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
6
真空蒸发镀膜机
薄膜的物理气相沉积
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
7
2.1.1 元素的蒸发速率
平衡蒸气压：一定温度下，蒸发气体与凝聚相平 衡过程中所呈现的压力。
第二章 薄膜的物理气相沉积（I） —— 蒸发法
物理气相沉积（Physical Vapor Deposition, PVD） 物理过程，如物质的热蒸发或在 受到粒子束轰击时物质表面原子的溅射等现 象，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移 过程。
薄膜的物理气相沉积薄膜的物理气相沉积ⅠFra bibliotek—热蒸发1
特点： (1)需要使用固态的或者熔化态的物质作为沉
间结合力，合金中各元素的蒸发过程可以被近 似视为各元素相互独立的蒸发过程，就像它们 在纯元素蒸发时的情况一样。
薄膜的物理气相沉积
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
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以AB二元合金为例：
理想溶液，即两组元A-B原子间的作用能与A-A 或B-B原子间的作用能相等；
拉乌尔定律 pB=xBpB(0) 非理想溶液
15
2.1.3 化合物与合金的热蒸发 薄膜成分偏离 蒸发源成分
化合物的蒸发: ①蒸气可能具有完全不同于蒸发源的化学成分; ②气相分子还可能发生化合与分解过程。
薄膜成分可能偏离蒸发源的化学组成
薄膜的物理气相沉积
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
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薄膜的物理气相沉积
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
17
合金蒸发： 合金中原子间结合力小于化合物中不同原子
（真空度较高，沉积速度较高，薄膜纯度较高，薄 膜与基片结合较差）
溅射法（10-2 ~ 10Pa） （多元合金薄膜化学成分容易控制，沉积层对衬底 的附着力较好）
离子镀、反应蒸发沉积、离子束辅助沉积等
薄膜的物理气相沉积
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
3
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
例如，液态Al，平衡蒸气压满足的关系式:
lp g ( P ) 1 a5 1 .5 9 4 3 0 9 .93 l 3 9 T g 3 .9 5 1 2 6 T 0
e
T
薄膜的物理气相沉积
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
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热蒸发用的坩埚 石墨电极间高温放电
2
薄膜的物理气相沉积
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
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薄膜的物理气相沉2积
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
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物质的蒸发模式：
1. 即使是当温度达到熔点时，其平衡蒸气压也低于 10-1 Pa。（大多数金属） 加热到熔点以上
2. 低于熔点时，平衡蒸气压已经相对较高。 （Cr、 Ti、Mo、Fe、Si） 固态物质的升华
薄膜的物理气相沉积
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
薄膜的物理气相沉积
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
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求：1527℃，镍铬合金（Ni 80%，Cr 20%）中
两种元素的蒸发速率之比。
已知：pCr=10Pa，pNi=1Pa。
则：
Φ Φ Crx xCrP P Cr
M Ni20 105.7 82.8 M 80 1 5.0 2
Ni
Ni Ni
Cr
开始蒸发时，Cr的初始蒸发速率为Ni的2.8倍。随
Γα(p p)
e
h
M 2πRT
对元素蒸发速率影响最大的因素：
蒸发源所处的温度。
薄膜的物理气相沉积
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
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2.1.2 元素的平衡蒸气压
克劳修斯-克莱普朗（ Clausius-Claperon） 方程：
dp e
dT
△H T△V
pV=RT
dp e
p△H
dT RT2
ΔH — 蒸发过程中每摩尔元素的热焓变化，随温 度不同而不同, ΔH (T)；
ΔV — 相应蒸发过程中物质体积的变化，ΔV≈V 。
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薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
10
ΔH≈气化热ΔHe，则
ln p △H e I
e
RT
p Be △
H
e
RT
e
I — 积分常数 B — 系数
在一定的温度区间内严格成立
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更准确地描述元素平衡蒸气压随温度的变化， 需要代入实际的ΔH(T)函数形式。
薄膜的物理气相沉积
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2.1 物质的热蒸发
工作原理： 在真空环境下，给待蒸发物质提供足够的热
量以获得蒸发所必需的蒸气压。在适当的温度下， 蒸发粒子在基片上凝结，即可实现真空蒸发沉积。
步骤：①蒸发源材料由凝聚相转变成气相； ②在蒸发源与基片之间蒸发粒子的输运； ③蒸发粒子到达基片后凝结、成核、长大、 成膜。
pB = αBpB(0)=γBxBpB(0) αB — 活度，“有效浓度”； γB — 活度系数，组元偏离理想溶液的程度。
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合金组元蒸发速率之比
φ φ A p pA
M MB γ γ AxxAp pA((0 0))
M B
M
B
B
A
BB B
A
★蒸发法不宜被用来制备组元平衡蒸气压差别 较大的合金的薄膜。
积过程的源物质； (2)源物质要经过物理过程进入气相； (3)需要相对较低的气体压力环境；
① 气相分子的运动路径近似为一条直线； ② 气相分子在衬底上的沉积几率接近100%。
(4)在气相中及衬底表面并不发生化学反应。
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基本PVD方法： 蒸发法（<10-3 Pa）