第3章薄膜制备的物理方法

真空蒸发系统示意图
2.蒸发镀膜的三个基本过程：
➢ 加热蒸发 ➢ 气相原子或分子的输运（源-基距） ➢ 蒸发原子或分子在基片表面的淀积
3. 饱和蒸气压 ➢ 饱和蒸气压的概念 ：某温度下物质汽化（蒸发） 和液化达到平衡时气体的压强。饱和蒸汽压越大， 表示液体越容易蒸发。
➢ 蒸发温度：物质在饱和蒸气压为10-2 Torr时的温 度，称为该物质的蒸发温度。
Tm T0
CsdT
Lm
Tv Tm
CLdT
Lv
Lm为融化热，Lv为蒸发热
6. 均匀膜层厚度是薄膜技术中的关键问题。
取决于如下因素：
➢ 蒸发源的蒸发特性 ➢ 基板与蒸发源的几何形状 ➢ 基板与蒸发源的相对位置 ➢ 蒸发物质的蒸发量 基本假设： (1) 蒸发原子或分子与残余气体分子之间不发生 碰撞； (2) 蒸发源附近的原子或分子之间不发生碰撞； (3) 淀积到基片上的原子不发生再蒸发现象。
➢ 湿润小： 可以认为是点源蒸发， 稳定性差。
8.2 电子束蒸发
电阻加热蒸发已不能满足蒸镀某些高熔点金 属和氧化物材料的需要，特别是制备高纯薄膜。 电子束加热蒸发法克服了电阻加热蒸发的许多缺 点，得到广泛应用。
➢ 电子束加热原理
• 可聚焦的电子束，能局部加温元素源，因不加 热其它部分而避免污染
• 高能量电子束能使高熔点元素达到足够高温以 产生适量的蒸气压
间接加热法（Al2O3、BeO等坩埚） 对加热材 1. 高熔点 料的要求 2. 饱和蒸气压低
3. 化学性能稳定，高温下不与蒸发材料
反应
4. 良好的耐热性
5. 原料丰富、经济耐用
蒸镀材料对加热材料的“湿润性”
选择蒸发加热材料时，必须考虑蒸镀材料与蒸 发材料的“湿润性”问题。
➢ 湿润良好：蒸发面积大、稳定， 可以认为是面蒸发源蒸发。
Pv
(g
/
cm2sPa)
在蒸发温度以上进行蒸发时，蒸发源温度的
微小变化可以引起蒸发速率发生很大变化。
5.蒸发所需能量和离子能量
能量损失的种类 Q1 —— 蒸发材料蒸发时所需的热量 Q2 —— 蒸发源因辐射所损失的能量 Q3 —— 蒸发源因热传导而损失的能量
Q Q1 Q2 Q3
W
Q1 M
电子束蒸发装置的结构 分 环型枪、直型枪 和 e 型枪三种
环型枪
直型枪
e 型枪
吸收电 子束与 蒸发的 中性离 子碰撞 产生的 正离子
吸收反 射电子、 背散射 电子、 二次电 子
7.2小平面源与基板相对位置
当小平面源为球形工作架 的一部分时，在内球体表面上 的膜厚分布是均匀的。
当 ，r 2R cos 时，
t
m
cos cos
r2
m
4 R2
厚度与 角无关，对于一
定半径 R 的球形工作架，其内
表 面 膜 厚 取 决 于 材 料 性 质 、R
的大小及蒸发量。
7.3小面积基板时蒸发源的位置配置
1.真空蒸发的特点 优点： ➢ 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。
系统组成
➢ 真空系统 ➢ 蒸发系统 ➢ 基片撑架 ➢ 挡板 ➢ 监控系统等构成
物理气相沉积对沉积材料和基片没有限制，沉 积过程可以分成三个阶段：
从源材料发射粒子、粒子输运到基片、粒子在 基片上凝结、成核、长大、成膜。
第1节 真空蒸发
真空蒸发沉积将待成膜的物质置于真空中进行 蒸发或升华，使之在工件或基片表面析出的过 程。
真空蒸发沉积过程: （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。
4. 蒸发速率
Jv
1 4
na
P
2 mkT
最大蒸发速率： Jm 3.51 1022
Pv ( 个 /cm2 sTorr) TM
2.64 1024 Pv ( 个 /cm2 sPa) TM
质量蒸发速率： G mJ
m
2kT Pv
5.83102
M T
Pv
(g
/
cm2sTorr)
4.37104
M T
电子束蒸发源的优点：
1.束流密度高，能获得远比电阻加热源更大的能量密度。 2.被蒸发材料置于水冷坩埚内，避免了容器材料的蒸发，
以及容器材料与蒸发材料的反应，提高了薄膜的纯度。 3.热量直接加到蒸镀材料表面，热效率高，热传导和热辐
射损失小。
电子束蒸发源的缺点：
1. 可使蒸发气体和残余气体电离，有时会影响膜层质量； 2. 电子束蒸镀装置结构复杂，价格昂贵； 3. 产生的软X射线对人体有一定的伤害。
6.1点蒸发源
能够从各个方向蒸
发等量材料的微小球状
蒸发源称为点蒸发源
（点源）。
dm m d 4
m
4பைடு நூலகம்
cos
r2
dS2
dm t dS2 t为厚度
m cos mh
mh
t
4
r2
4r3 4 (h2 x2 )3 2
6.2小平面蒸发源
这种蒸发源的发
射特性具有方向性，
使得在 角方向蒸发
的材料质量和 cos成
如果被蒸镀的面积 比较小，可以将蒸发源 直接配置于基板的中心 线上，源-基距H取 1~1.5D。
7.4大面积基板和蒸发源的配置
❖ 基板公转加自转 ❖ 多点源或小平面蒸发源
8、蒸发装置的类型
蒸发装置是实现蒸发的关键部件。最常用的
有：电阻法、电子束法、高频法等。 8.1 电阻加热蒸发 直接加热法（W、Mo、Ta）
华北电力大学研究生课程
薄膜技术与薄膜材料
谭占鳌 可再生能源学院
第3章 薄膜制备的物理方法
真空 蒸发
电阻加热 感应加热 电子束加热 激光加热
物理气相沉积 （PVD）
溅射 沉积
直流溅射 射频溅射 磁控溅射 离子束溅射
离子镀
直流二极型离子镀 射频放电离子镀 等离子体离子镀
PVD与CVD的区别
化学气相沉积对于反应物和生成物的选择，且 基片需要处在较高温度下，薄膜制备有一定的 局限性。
正比。
dm
m
cos
d
m cos cos dS2
r2
t m cos cos mh2
r2
(h2 x2 )2
6.3实际蒸发源的发射特性
实际蒸发源的发射特性可 根据熔融后的形态，选取不同 的膜厚蒸发公式进行理论分析 和近似计算。
7.蒸发源与基板的相对位置配置 7.1点源与基板相对位置
为获得均匀的膜厚，蒸发 源必须配置在基板围成的 球面中心。