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蒸镀
饱和蒸汽压相关知识
➢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的压力 称为该物质的饱和蒸气压 。 ➢物质的饱和蒸气压随温度的上升而增大，在一定的温度下，各种物质的蒸气压不相 同，且具有恒定的数值 ➢也即一定的饱和蒸气压必定对应一定的物质的温度。规定物质在饱和蒸气压为10-2 Torr时的温度为该物质蒸发温度。 ➢饱和蒸气压与温度的关系可从克拉伯龙-克劳休斯方程推导出来
11
蒸发所需热量和蒸发离子的能量
蒸镀
电阻式蒸发源所需热量，除将蒸发材料加热所需热量外，还必须考虑蒸发源在加热过 程中产生的热辐射和热传导所损失的热量。即蒸发源 生的热辐射和热传导所损失的热 量。即蒸发源 所需热量的总量 Q（即为蒸发源所需要的总功 ）为：
Q1为蒸发材料蒸发时所需的热量 Q2为蒸发源因热辐射而损失的热量 Q3为蒸发源因热传导而损失的热量 蒸发热量 Q 值的80％以上是作为蒸发热而消耗 。此外，还有辐射和传导损失的热量。
PVD知识整理
1
蒸镀 溅镀 离子镀
2
PVD
物理气相沉积（PVD）是指在真空条件下，用物理的方法将材料汽化成原子、分子或 电离成离子，并通过气相过程在衬底上沉积一层具有特殊性能的薄膜技术。
（1）PVD沉积基本过程： • 从原材料中发射粒子（通过蒸发、升华、溅射和分解等过程）； • 粒子输运到基片（粒子间发生碰撞，产生离化、复合、反应，能量的交换和 运动方向的变化）； • 粒子在基片上凝结、成核、长大和成膜 (2)PVD的方法 •真空蒸发 •脉冲激光沉积 •溅射 •离子镀 •外延膜生长技术
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薄膜沉积的厚度均匀性和纯度
蒸镀
被蒸发的原子运动具有明显的方向性，在各方向的蒸发速率通常不同。厚度分布取决于 蒸发源的发射特性、蒸发源与基片的距离及几何形状。
点蒸发源：能够从各个方向蒸发等量的微小球状蒸发源。
基片
基板平面内薄膜厚度分布：
h：蒸发源与基本垂直距离 δ：蒸发源与基本水平距离 t0：电蒸发源正上方基板处薄膜的厚度
式中，Hs为摩尔气化热或蒸发热（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） ➢得蒸发材料的饱和蒸气压与温度之间的近似关系式，对于蒸气压小于1Torr （133Pa），才精确
6
蒸镀
饱和蒸汽压与温度的关系对薄膜制备技术很重要，可合理选择蒸发材料即确定蒸发条件
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蒸发速率
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热蒸镀
蒸镀
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热蒸镀
蒸镀
电阻加热蒸发特点： ➢ 结构简单、成本低廉、操作方便； ➢ 支撑坩埚及材料与蒸发物反应； ➢ 难以获得足够高温蒸发介电材料（Al2O3、TiO2）； ➢ 蒸发率低； ➢ 加热导致合金或化合物分解。 ➢ 可制备单质、氧化物、介电和半导体化合物薄膜。
4
蒸镀
真空蒸发镀膜过程 • 加热蒸发过程 ➢包括从凝聚相 转变为气相（固相或液相 气相）的相变过程。每种物质在不同温度有 不同的饱和蒸汽压；蒸发化合物时，其组分之间发生反应，其中有些以气态或蒸汽进入蒸 发空间 •气化原子或分子在蒸发源与基片见的运输 ➢ 这些粒子在空间的飞行过程中与真空室内残余气体分子发生碰撞的次数，取决于蒸发原 子的 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 ，以及源- -基距。 •蒸发原子或分子在基片上沉积的过程 ➢即蒸气凝聚、成核、核生长、形成连续薄膜。由于基板温度远低于蒸发源温度，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变过程。 •真空环境的作用 ➢蒸发物原子或分子将与大量空气分子碰撞，使膜层受到污染；甚至形成氧化物 ➢或者蒸发源被加热氧化烧毁 ➢或者由于空气分子的碰撞阻拦，难以形成均 匀连续薄膜。
M为蒸发物质的摩尔上式确定了蒸发速率、蒸气压和温度之间的关系 ➢蒸发速率除了与物质的分子量 、绝对温度和蒸发物质在T温度时有关外，还与材料 本身的表面清洁度有关。尤其是蒸发源的温度影响最大
8
蒸发速率
蒸镀
➢在蒸发温度以上进行蒸发时，蒸发源温度的微小变化即可引起蒸发速 率发生很多的变化，对金属：
➢控制蒸发源的温度来控制速率 ➢ 加热时避免出现过大的温度梯度 ➢ 蒸发速率正比于材料的饱和蒸汽压，温度变化10%，饱和蒸汽压变化 一个数量级
3
蒸镀
真空蒸发的原理 真空蒸发的特点
•设备简单、操作容易 • 薄膜纯度高，质量好，厚度可控 • 速率快、效率高、可用掩膜获得清晰图形 • 薄膜生长机理比较单纯 真空蒸发的缺点 • 不易获得结晶结构的薄膜 • 薄膜与基片附着力小 •工艺重复性不够好 真空蒸发的主要部分 •真空室，为蒸发提供必要的真空 •蒸发源和蒸发加热器，放置蒸发材料并对其进行加热 •基板，用于接收蒸发物质并在其表面形成固体蒸发薄膜 •基板加热器 •测温器
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蒸发分子的平均自由程与碰撞几率
蒸镀
wk.baidu.com
➢真空室存在两种粒子：蒸发物质的原子或分 子；残余气体分子。 ➢由气体分子运动论可求出在热平衡下，单位时间通过单位面积的气体分 子数，即为气体分子对基片的碰撞率
➢蒸发分子的平均自由程为 （ d为碰撞截面）
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蒸镀
蒸发分子的平均自由程与碰撞几率 蒸发分子的碰撞百分数与实际行程对平均自由程之比如图。当平均自由程等于源 之比如 图。当平均自由程等于源- -基距时，有63％的蒸发分子受到碰撞，如果自由程增加 10倍， 撞几率减小到9％。因此，只有在平均自由程源- -基距大得多，才有效减少渡越中的碰撞。
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薄膜沉积的厚度均匀性和纯度
蒸镀
小平面蒸发源：蒸发范围局限在半球形空间，蒸发特性具有方向性。
基板平面内薄膜厚度分布：
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薄膜沉积的厚度均匀性和纯度
蒸镀
点蒸发源与面蒸发源镀膜厚度分布比较：
点蒸发源的厚度分布略均匀些
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蒸镀
根据加热原理（或加热方式）分有：电阻加热蒸发、电子束蒸发、 闪烁蒸发、激光熔融蒸发、射频加热蒸发。
蒸镀
➢气体分子运动论，处于热平衡时，压强为P的气体，单位时间内碰撞单位面积器壁 的分子数：
式中n是分子密度，va是算术平均速度，m是分子质量，k 为玻尔兹曼常数 ➢蒸发材料表面液相、气相处于平衡时，蒸发速 率可表示为：
式中dN是蒸发分子数，ae是蒸发系数，A是蒸发表面积，Pk为液相静压 ➢单位面积的质量蒸发速率为：
蒸镀
饱和蒸汽压相关知识
➢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的压力 称为该物质的饱和蒸气压 。 ➢物质的饱和蒸气压随温度的上升而增大，在一定的温度下，各种物质的蒸气压不相 同，且具有恒定的数值 ➢也即一定的饱和蒸气压必定对应一定的物质的温度。规定物质在饱和蒸气压为10-2 Torr时的温度为该物质蒸发温度。 ➢饱和蒸气压与温度的关系可从克拉伯龙-克劳休斯方程推导出来
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蒸发所需热量和蒸发离子的能量
蒸镀
电阻式蒸发源所需热量，除将蒸发材料加热所需热量外，还必须考虑蒸发源在加热过 程中产生的热辐射和热传导所损失的热量。即蒸发源 生的热辐射和热传导所损失的热 量。即蒸发源 所需热量的总量 Q（即为蒸发源所需要的总功 ）为：
Q1为蒸发材料蒸发时所需的热量 Q2为蒸发源因热辐射而损失的热量 Q3为蒸发源因热传导而损失的热量 蒸发热量 Q 值的80％以上是作为蒸发热而消耗 。此外，还有辐射和传导损失的热量。
PVD知识整理
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蒸镀 溅镀 离子镀
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PVD
物理气相沉积（PVD）是指在真空条件下，用物理的方法将材料汽化成原子、分子或 电离成离子，并通过气相过程在衬底上沉积一层具有特殊性能的薄膜技术。
（1）PVD沉积基本过程： • 从原材料中发射粒子（通过蒸发、升华、溅射和分解等过程）； • 粒子输运到基片（粒子间发生碰撞，产生离化、复合、反应，能量的交换和 运动方向的变化）； • 粒子在基片上凝结、成核、长大和成膜 (2)PVD的方法 •真空蒸发 •脉冲激光沉积 •溅射 •离子镀 •外延膜生长技术
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薄膜沉积的厚度均匀性和纯度
蒸镀
被蒸发的原子运动具有明显的方向性，在各方向的蒸发速率通常不同。厚度分布取决于 蒸发源的发射特性、蒸发源与基片的距离及几何形状。
点蒸发源：能够从各个方向蒸发等量的微小球状蒸发源。
基片
基板平面内薄膜厚度分布：
h：蒸发源与基本垂直距离 δ：蒸发源与基本水平距离 t0：电蒸发源正上方基板处薄膜的厚度
式中，Hs为摩尔气化热或蒸发热（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） ➢得蒸发材料的饱和蒸气压与温度之间的近似关系式，对于蒸气压小于1Torr （133Pa），才精确
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蒸镀
饱和蒸汽压与温度的关系对薄膜制备技术很重要，可合理选择蒸发材料即确定蒸发条件
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蒸发速率
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热蒸镀
蒸镀
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热蒸镀
蒸镀
电阻加热蒸发特点： ➢ 结构简单、成本低廉、操作方便； ➢ 支撑坩埚及材料与蒸发物反应； ➢ 难以获得足够高温蒸发介电材料（Al2O3、TiO2）； ➢ 蒸发率低； ➢ 加热导致合金或化合物分解。 ➢ 可制备单质、氧化物、介电和半导体化合物薄膜。
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蒸镀
真空蒸发镀膜过程 • 加热蒸发过程 ➢包括从凝聚相 转变为气相（固相或液相 气相）的相变过程。每种物质在不同温度有 不同的饱和蒸汽压；蒸发化合物时，其组分之间发生反应，其中有些以气态或蒸汽进入蒸 发空间 •气化原子或分子在蒸发源与基片见的运输 ➢ 这些粒子在空间的飞行过程中与真空室内残余气体分子发生碰撞的次数，取决于蒸发原 子的 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 ，以及源- -基距。 •蒸发原子或分子在基片上沉积的过程 ➢即蒸气凝聚、成核、核生长、形成连续薄膜。由于基板温度远低于蒸发源温度，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变过程。 •真空环境的作用 ➢蒸发物原子或分子将与大量空气分子碰撞，使膜层受到污染；甚至形成氧化物 ➢或者蒸发源被加热氧化烧毁 ➢或者由于空气分子的碰撞阻拦，难以形成均 匀连续薄膜。
M为蒸发物质的摩尔上式确定了蒸发速率、蒸气压和温度之间的关系 ➢蒸发速率除了与物质的分子量 、绝对温度和蒸发物质在T温度时有关外，还与材料 本身的表面清洁度有关。尤其是蒸发源的温度影响最大
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蒸发速率
蒸镀
➢在蒸发温度以上进行蒸发时，蒸发源温度的微小变化即可引起蒸发速 率发生很多的变化，对金属：
➢控制蒸发源的温度来控制速率 ➢ 加热时避免出现过大的温度梯度 ➢ 蒸发速率正比于材料的饱和蒸汽压，温度变化10%，饱和蒸汽压变化 一个数量级
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蒸镀
真空蒸发的原理 真空蒸发的特点
•设备简单、操作容易 • 薄膜纯度高，质量好，厚度可控 • 速率快、效率高、可用掩膜获得清晰图形 • 薄膜生长机理比较单纯 真空蒸发的缺点 • 不易获得结晶结构的薄膜 • 薄膜与基片附着力小 •工艺重复性不够好 真空蒸发的主要部分 •真空室，为蒸发提供必要的真空 •蒸发源和蒸发加热器，放置蒸发材料并对其进行加热 •基板，用于接收蒸发物质并在其表面形成固体蒸发薄膜 •基板加热器 •测温器
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蒸发分子的平均自由程与碰撞几率
蒸镀
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➢真空室存在两种粒子：蒸发物质的原子或分 子；残余气体分子。 ➢由气体分子运动论可求出在热平衡下，单位时间通过单位面积的气体分 子数，即为气体分子对基片的碰撞率
➢蒸发分子的平均自由程为 （ d为碰撞截面）
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蒸镀
蒸发分子的平均自由程与碰撞几率 蒸发分子的碰撞百分数与实际行程对平均自由程之比如图。当平均自由程等于源 之比如 图。当平均自由程等于源- -基距时，有63％的蒸发分子受到碰撞，如果自由程增加 10倍， 撞几率减小到9％。因此，只有在平均自由程源- -基距大得多，才有效减少渡越中的碰撞。
13
薄膜沉积的厚度均匀性和纯度
蒸镀
小平面蒸发源：蒸发范围局限在半球形空间，蒸发特性具有方向性。
基板平面内薄膜厚度分布：
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薄膜沉积的厚度均匀性和纯度
蒸镀
点蒸发源与面蒸发源镀膜厚度分布比较：
点蒸发源的厚度分布略均匀些
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蒸镀
根据加热原理（或加热方式）分有：电阻加热蒸发、电子束蒸发、 闪烁蒸发、激光熔融蒸发、射频加热蒸发。
蒸镀
➢气体分子运动论，处于热平衡时，压强为P的气体，单位时间内碰撞单位面积器壁 的分子数：
式中n是分子密度，va是算术平均速度，m是分子质量，k 为玻尔兹曼常数 ➢蒸发材料表面液相、气相处于平衡时，蒸发速 率可表示为：
式中dN是蒸发分子数，ae是蒸发系数，A是蒸发表面积，Pk为液相静压 ➢单位面积的质量蒸发速率为：