第二章 真空蒸发镀膜法

蒸发源的类型
¾ 电子束蒸发源的结构 环型枪 直型枪 e 型枪
蒸发源的类型
蒸发源的类型
蒸发源的类型
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
1-发射体，2-阳极，3-电磁线圈，4-水冷坩埚，5-收集极，6-吸收 极，7-电子轨迹，8-正离子轨迹，9-散射电子轨迹，10-等离子体
Q = 0.24Wt
蒸发源的类型
电子束蒸发源的优点： • 电子束的束流密度高，能获得远比电阻加热源更大的能 量密度。 • 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。 • 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： • 可使蒸发气体和残余气体电离，有时会影响膜层质量； • 电子束蒸镀装置结构复杂，价格昂贵； • 产生的软X射线对人体有一定的伤害。
真空蒸发原理
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
★ 蒸发材料蒸发时所需的热量
W Q1 = M
(∫
Tm
T0
Cs dT + Lm + ∫ CL dT + Lv
第二章 真空蒸发镀膜技术
河北工业大学材料学院
真空蒸发镀膜是在真空室中，加热蒸发器中 待形成薄膜的源，使其原子或分子从表面气化逸 出，形成蒸气流，入射到衬底或基片表面，凝固 形成固态薄膜的方法。 几十年的历史。
本章主要内容
☀ 真空蒸发原理 ☀ 蒸发源的蒸发特性及薄厚分布 ☀ 蒸发源的类型 ☀ 合金及化合物的蒸发 ☀ 膜厚和淀积速率的测量与监控
蒸发源的类型
¾ 常用电阻加热蒸发源形状
蒸发源的类型
各种蒸发皿结构
蒸发源的类型
¾ 蒸镀材料对蒸发源材料的“湿润性” 选择蒸发源材料时，必须考虑蒸镀材料与蒸发材料 的“湿润性”问题。
蒸发源的类型
¾ 湿润良好：蒸发面积大、稳定，可以认为是面蒸发源蒸 发。 ¾ 湿润小：可以认为是点源蒸发，稳定性差。 ★ 电子束蒸发源 电阻加热蒸发源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。
RT Vg = P ν
H d (ln P ) =− v d (1 T ) R
真空蒸发原理
Hν ln P ν =C− RT B ln P ν = 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。
真空蒸发原理
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 ν J v = nυa = 4 2π mkT 冷凝系数 α 最大蒸发速 率：
真空蒸发原理
一般薄膜的淀积速率为每秒一个原子层，当残余气体 压强为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。
真空蒸发原理
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几率：
N x = N 0 exp(− ) x
λ
Nx x f = 1− = 1 − exp(− ) N0 λ
合金及化合物的蒸发
拉乌尔定律（Raoult’s Law） 1887年，法国化学家Raoult从实验中归纳出一个经验 定律：在定温下，在稀溶液中，溶剂的蒸气压等于纯 * p 溶剂蒸气压 A乘以溶液中溶剂的物质的量分数 xA ，用 公式表示为： *
pA = pA xA
如果溶液中只有A，B两个组分，则 xA + xB = 1 * p A − pA * = xB p A = p A (1 − xB ) * pA 拉乌尔定律也可表示为：溶剂蒸气压的降低值与纯 溶剂蒸气压之比等于溶质的摩尔分数。
M -2 ⋅P ⋅ s ⋅ Torr) (g/cm ν T M -2 ⋅P 个 ⋅ s ⋅ Pa) ( /cm ν T
= 4.37 ×10−3
蒸发速率随温度 的变化率：
Hν 1 dT dG =( − ) G RT 2 T
dG dT = (20 : 30) G T
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。
αP ν Jc = 2π mkT
J m = 3.51× 1022 = 2.64 ×1024 P ν TM P ν TM (个/cm -2 ⋅ s ⋅ Torr) (个/cm -2 ⋅ s ⋅ Pa)
真空蒸发原理
质量蒸发速 率：
m ⋅P G = mJ m = ν 2π kT = 5.83 × 10
−2
真空蒸发原理
由此可见，只有当 l ? λ 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。 在上述条件下，有
f ≈ l
λ
λ≈
0.667 P
f ≈ 1.50lP
为保证镀膜质量，在要求 f ≤ 0.1 时，源-基距 l = 25cm 时，必须 P ≤ 3 ×10−3 Pa 。
真空蒸发原理
蒸发分子的平均自由程与碰撞几率
蒸发分子平均自由 程：
1 kT λ= = 2 2nπ d 2π Pd 2 2.331×10−20 T = P(托)d 2 3.107 ×10−18 T = P(帕)d 2
对基片的碰撞 率：
N g = 3.51×1022 = 2.64 × 1024
P ν (个/cm -2 ⋅ s ⋅ Torr) TM P ν (个/cm -2 ⋅ s ⋅ Pa) TM
Q3 =
ζ F (T1 − T2 )
S
蒸发源的蒸发特性及薄厚分布
均匀膜层厚度是薄膜技术中的关键问题。取决于如下因 素： ¾ 蒸发源的蒸发特性 ¾ 基板与蒸发源的几何形状 ¾ 基板与蒸发源的相对位置 ¾ 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。
蒸发源的类型
★ 高频感应蒸发源 高频感应蒸发源的特点： 9 蒸发速率大，比电阻蒸发源 大10倍左右； 9 蒸发源温度均匀稳定，不易 产生飞溅； 9 蒸发材料是金属时，从内部 加热； 9 蒸发源一次加料，无需送料 机构，控温容易，热惰性小， 操作简单。
合金及化合物的蒸发
对于两种以上元素组成的合金和化合物薄膜，在蒸发时如 何控制组分，以获得与蒸发材料化学比不变的膜层，是薄膜技 术中的一个重要问题。 ★ 合金的蒸发 二元以上合金或化合物，由于各成分饱和蒸气压不同，蒸 发速率不同，引起薄膜成分偏离。 ¾ 合金蒸发的组分偏离问题 合金的蒸发可以近似地用拉乌尔定律来处理。
真空蒸发原理
真空蒸发原理
真空蒸发的特点与蒸发过程
特点： ¾ 设备比较简单、操作容易； ¾ 薄膜纯度高、质量好，厚度可较准确控制； ¾ 成膜速度快、效率高，采用掩模可以获得清晰 的图形； ¾ 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。
真空蒸发原理
蒸发源的蒸发特性及薄厚分布
¾ 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θ = β r = 2 R cos θ 时， m cos θ cos β m t= ⋅ = 2 4πρ R 2 r πρ 厚度与θ 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。
dm = m
m cos θ cos β dS 2 = π r2
m cos θ cos β mh 2 t= ⋅ = 2 πρ r πρ (h 2 + x 2 ) 2
π
⋅ cos θ ⋅ d ω
蒸发源的蒸发特性及薄厚分布
当 dS 2 在点源正上方，即 θ = 0 时，膜层厚度
m t0 = πρ h 2
合金及化合物的蒸发
PA′ = PA ⋅ X A PB′ = PB ⋅ X B
nA XA = n A + nB nB XB = n A + nB
′ nA PA PA = ⋅ PB′ nB PB
设 mA 、 mB 分别围A、B的质量， WA 、WB 为合金中的浓 度，则 WA =
蒸发源的类型
¾ 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 电子的动能和电功率：
m = 9.1× 10−28 g
1 mυ 2 = e ⋅ U 2
e = 1.6 × 10−19 C
υ = 5.93 × 105 U (m/s)
蒸发度膜的三个基本过程： ¾ 加热蒸发过程 ¾ 气相原子或分子的输运过程（源-基距） ¾ 蒸发原子或分子在基片表面的淀积过程
饱和蒸气压
¾ 饱和蒸气压的概念 ¾ 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。
真空蒸发原理
克拉伯龙-克劳修斯（Clapeylon-Clausius）方程：
当 dS 2 在点源正上方，即 θ = 0 时，膜层厚度
m t0 = 4πρ h 2
t0 为：
在基板平面内薄膜厚度分布：
t 1 = t0 1 + ( x h) 2 3 2
蒸发源的蒸发特性及薄厚分布
★ 小平面蒸发源 这种蒸发源的发射 特性具有方向性，使得 在 θ 角方向蒸发的材料 质量和 cos θ 成正比。
t0 为：
在基板平面内薄膜厚度分布：
t 1 = t0 1 + ( x h) 2 2
蒸发源的蒸发特性及薄厚分布
点 源：
m t0 = 4πρ h 2
小平面 源：
m t0 = πρ h 2
蒸发源的蒸发特性及薄厚分布
蒸发源的蒸发特性及薄厚分布
蒸发源的蒸发特性及薄厚分布
★ 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。（p33） ★ 蒸发源与基板的相对位置配置 ¾ 点源与基板相对位置 为获得均匀的膜厚，电源 必须配置在基板围成的球面中 心。
蒸发源的蒸发特性及薄厚分布
Evaporation Scheme to achieve Uniform Deposition
蒸发源的蒸发特性及薄厚分布
¾ 小面积基板时蒸发源的位置配置
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。
蒸发源的蒸发特性及薄厚分布
Hv dP = dT T (Vg − Vs )
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）。 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
PH v PH v dP H v = = = dT TVg TPVg RT 2
蒸发源的蒸发特性及薄厚分布
★ 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）。
m dm = dω 4π m cos θ = ⋅ 2 ⋅ dS 2 4π r
dm = ρ ⋅ t ⋅ dS 2
蒸发源的蒸发特性及薄厚分布
m cos θ mh mh ⋅ 2 = = t= 3 4πρ r 4πρ r 4πρ (h 2 + x 2 )3 2
¾ 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
蒸发源的类型
蒸发源是蒸发装置的关键部件。最常用的有：电阻 法、电子束法、高频法等。 ★ 电阻蒸发源 直接加热法（W、Mo、Ta） 间接加热法（Al2O3、BeO等坩埚） ¾ 对蒸发源材料的要求（p36表2-5） 1. 2. 3. 4. 5. 高熔点 饱和蒸气压低 化学性能稳定，高温下不与蒸发材料反应 良好的耐热性 原料丰富、经济耐用
Tm
Tv
)
真空蒸发原理
¾ 不同物质在相同压强下所需的蒸发热是不同的； ¾ 蒸发热量 Q 值的80%以上是蒸发热 Lv 而消耗掉的。
真空蒸发原理
★ 热辐射损失的热量估计 热辐射损失与蒸发源形状、结构和材料有关。
Q2 = σ ⋅ α s ⋅ T 4
Baidu Nhomakorabea
式中， σ 斯迪芬-玻尔兹曼常数， α s 为热辐系数， T 为 蒸发温度。 ★ 热传导损失的热量