物理气相沉积(PVD)
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2） 大，cos 小，污染大；远离中心处的膜片薄，污染大，膜生长速率 低，质量不好；
3）膜质还与蒸发材料和残存气体的性质、膜结构、基片温度以及基片 自身的污染有关；
4）净化处理：对真空系统——烘烤；对基片——加热去污。
3. 蒸镀分馏问题
由于各组分的饱和蒸气压不同，因而蒸发速率不同，造成 沉积膜的成分与母体不同（分馏），薄膜本身成分也随厚 度而变化（分层）。
合金在蒸发时会发生分馏
设：物质含A，B成分，MA、MB，PA、PB， 则由（3）式，得 ：
NA CA PA MB
(14)
NB CB PB MA
改进工艺：
1）选择基片温度，使之有利于凝聚而不是分凝； 2）选用几个蒸发源，不同温度下分别淀积，但控制困难； 3）氧化物，可采用反应蒸镀法，引入活性气体。
一、真空蒸发镀膜（蒸镀）
蒸镀——利用真空泵将淀积室抽成“真空”，然后用高熔
点材料制成的蒸发源将淀积材料加热、蒸发、淀积于基片 上。
特点： （1）操作方便，沉积参数易于控制； （2）制膜纯度高，可用于薄膜性质研究； （3）可在电镜监测下进行镀膜，可对薄
膜生长过程和生长机理进行研究。 （4）膜沉积速率快，还可多块同时ຫໍສະໝຸດ Baidu镀； （5）沉积温度较高，膜与基片的结合强
m
t0 h2
（8） (面源) (10)
(9) 代入(7)，可得 ：
tm 4cr2o s4m h2h r2 2co st0h r3 3
沉积膜相对厚度分布 ：
t [1(x/h)2]3/2 t0
t [1(x/h)2]2 t0
(点源) (11) (面源) (12)
t0可以测量，x↗,t↘
2. 残存气体对制膜的影响
§8.2 物理汽相沉积（PVD）
物理气相沉积
—— Physical Vapor Deposition 缩写为： PVD； 通常用于沉积薄膜和涂层 沉积膜层厚度：10-1nm～mm； 一类应用极为广泛的成膜技术，从装饰涂层到 各种功能薄膜，涉及化工、核工程、微电子以 及它们的相关工业工程。
蒸发沉积（蒸镀）、溅射沉积（溅射） 和等。
dP Lv dT TV
（1）
∵ ∴
积分：
VV汽V固 、液V汽P 1R， T
dP dT
PLV RT 2
lnpALV 1 RT
（2）
图8.2.2 几种材料的蒸气压——温度曲线
（3）蒸发速率和凝结速率
① 蒸发速率Ne：
——热平衡条件下，单位时间内，从蒸发源每单位 面积上射出的平均原子数。
N e1 4n 2P m
4. 蒸发源类型
（1）电阻加热蒸发源
选择原则：在所需蒸发温度下不软化，饱和蒸气压小，不发生反应；
一般采用高熔点金属如钨、钽、钼等材质，常作成螺旋丝状或箔舟状，如图 8.2.4所示。
特点：结构简单，造价低，使用广泛；存在污染，也不能蒸镀高Tm材料。
图8.2. 4 各种电阻加热蒸发源
螺旋丝状加热器要求熔融的蒸发料能 够浸润螺丝或者有足够的表面张力以 防止掉落，它的优点是可以从各个方 向发射蒸气。 箔舟状加热器的优点是可蒸发不浸润 加热器的材料，效率较高（相当于小 型平面蒸发源），缺点是只能向上蒸 发。
度不高。
图8.2.1 蒸镀装置示意图
1.衬底加热器；2.衬底；3. 原料；4.料舟
1. 物理基础 （1）物理阶段：
① (淀积材料的)升华：S→V； ② 输运：蒸发源→基片上； ③ 沉积： V→S ； ④ 重新排列：淀积粒子在基片上重新排列或键合
蒸发淀积——不平衡过程；
恒定条件——高质量膜。
（2）封闭体系内的P—T关系：
（2）电子束加热蒸发源 电子束集中轰击膜料的一部分而进行加热的方法。
图8.2.5 电子束加热蒸发源
电子束加热蒸发源由： 阴极、加速电极、阳极 （膜料）组成。
还有高频加热蒸发源、 激光蒸发源等。
优点:
（1）可以直接对蒸发材料加热； （2）装蒸发料的容器可以是冷的或者用水冷却，从而 可避免
材料与容器的反应和容器材料的蒸发；
会产生分馏，对策——连续加料，调节熔池成分
例如：镀A4B1 膜，已知：PA 0:PB 010:1 0
控制镀料成分：A1B25,
保证：P A :P B 10 :20 5 4 :1
A4B1膜料成分
若：一次性加料，A消耗快；
∴ 连续加料，保证熔池料为 A1B25, 从而膜料成分为A4B1；
在蒸镀过程中，还应注意使熔池温度和体积保持恒定。
（4）蒸发制膜的厚度
∵τ时间内，蒸发材料的总量：m =ANe，密度：
∴ 膜厚：
点蒸发源： tN a4 A Nre2 cosm 4cro2 s
（7）
小型平面蒸发源： mcos cos t r2
令：c oc s o s h /rh / h 2x 2，
在x=0处：cos=cos=1
m
∴ t0 4 h2 (点源) (9)
（ 3 ） 可 蒸 发 高 熔 点 材 料 ， 例 如 ： 钨 （ Tm=3380℃ ） 、 钼 (Tm=2610℃)和钽（Tm=3000℃）等耐热金属材料。
缺点：
（1）装置复杂； （2）只适合于蒸发单元元素； （3）残余气体分子和蒸发材料的蒸气会部分被电子束电离。
5. 真空蒸镀工艺
（1）蒸镀合金膜
3.51 13202 P （1/cm2·s）
kT
MT
(3)
成立条件：S<几个cm2，且P<1Pa 质量蒸发速率G：
——单位时间内，从单位面积上蒸发的质量。
G C m N eC N M 0N e5 .8 3 3 1 0 (g 2 /cP m2·M s) /T
(4)
② 凝结速Na：
——蒸发源对基片单位面积的沉积速率。
（1）残存气体的蒸发速率Ng：
Ng 3.5131022
gPg
MgTg
(13)
（2）到达基片的气体分子与蒸气分子之比(面源)：
NgPg Nd P
M M gTgT Acor2 csosP P gK (14)
（ g）
讨论：减小污染的途径
1）Pg越小，Ng/Nd小，污染小； Nd较大， Ng/Nd小，污染小；
Na与系统的几何形状、源与基片的相对位置、蒸发速率有关
设：a. 忽略碰撞，直线运动； b. Ar
点源,球面发射： Na A4Nerc2os (1/cm2·s)
(5)
小型圆平面源： Nd AN ecro2scos (1/cm2·s)
(6)
β、θ为蒸气入射方向分别与蒸发 表面和接收表面法向的夹角 。
图8.2.3 、角的意义
3）膜质还与蒸发材料和残存气体的性质、膜结构、基片温度以及基片 自身的污染有关；
4）净化处理：对真空系统——烘烤；对基片——加热去污。
3. 蒸镀分馏问题
由于各组分的饱和蒸气压不同，因而蒸发速率不同，造成 沉积膜的成分与母体不同（分馏），薄膜本身成分也随厚 度而变化（分层）。
合金在蒸发时会发生分馏
设：物质含A，B成分，MA、MB，PA、PB， 则由（3）式，得 ：
NA CA PA MB
(14)
NB CB PB MA
改进工艺：
1）选择基片温度，使之有利于凝聚而不是分凝； 2）选用几个蒸发源，不同温度下分别淀积，但控制困难； 3）氧化物，可采用反应蒸镀法，引入活性气体。
一、真空蒸发镀膜（蒸镀）
蒸镀——利用真空泵将淀积室抽成“真空”，然后用高熔
点材料制成的蒸发源将淀积材料加热、蒸发、淀积于基片 上。
特点： （1）操作方便，沉积参数易于控制； （2）制膜纯度高，可用于薄膜性质研究； （3）可在电镜监测下进行镀膜，可对薄
膜生长过程和生长机理进行研究。 （4）膜沉积速率快，还可多块同时ຫໍສະໝຸດ Baidu镀； （5）沉积温度较高，膜与基片的结合强
m
t0 h2
（8） (面源) (10)
(9) 代入(7)，可得 ：
tm 4cr2o s4m h2h r2 2co st0h r3 3
沉积膜相对厚度分布 ：
t [1(x/h)2]3/2 t0
t [1(x/h)2]2 t0
(点源) (11) (面源) (12)
t0可以测量，x↗,t↘
2. 残存气体对制膜的影响
§8.2 物理汽相沉积（PVD）
物理气相沉积
—— Physical Vapor Deposition 缩写为： PVD； 通常用于沉积薄膜和涂层 沉积膜层厚度：10-1nm～mm； 一类应用极为广泛的成膜技术，从装饰涂层到 各种功能薄膜，涉及化工、核工程、微电子以 及它们的相关工业工程。
蒸发沉积（蒸镀）、溅射沉积（溅射） 和等。
dP Lv dT TV
（1）
∵ ∴
积分：
VV汽V固 、液V汽P 1R， T
dP dT
PLV RT 2
lnpALV 1 RT
（2）
图8.2.2 几种材料的蒸气压——温度曲线
（3）蒸发速率和凝结速率
① 蒸发速率Ne：
——热平衡条件下，单位时间内，从蒸发源每单位 面积上射出的平均原子数。
N e1 4n 2P m
4. 蒸发源类型
（1）电阻加热蒸发源
选择原则：在所需蒸发温度下不软化，饱和蒸气压小，不发生反应；
一般采用高熔点金属如钨、钽、钼等材质，常作成螺旋丝状或箔舟状，如图 8.2.4所示。
特点：结构简单，造价低，使用广泛；存在污染，也不能蒸镀高Tm材料。
图8.2. 4 各种电阻加热蒸发源
螺旋丝状加热器要求熔融的蒸发料能 够浸润螺丝或者有足够的表面张力以 防止掉落，它的优点是可以从各个方 向发射蒸气。 箔舟状加热器的优点是可蒸发不浸润 加热器的材料，效率较高（相当于小 型平面蒸发源），缺点是只能向上蒸 发。
度不高。
图8.2.1 蒸镀装置示意图
1.衬底加热器；2.衬底；3. 原料；4.料舟
1. 物理基础 （1）物理阶段：
① (淀积材料的)升华：S→V； ② 输运：蒸发源→基片上； ③ 沉积： V→S ； ④ 重新排列：淀积粒子在基片上重新排列或键合
蒸发淀积——不平衡过程；
恒定条件——高质量膜。
（2）封闭体系内的P—T关系：
（2）电子束加热蒸发源 电子束集中轰击膜料的一部分而进行加热的方法。
图8.2.5 电子束加热蒸发源
电子束加热蒸发源由： 阴极、加速电极、阳极 （膜料）组成。
还有高频加热蒸发源、 激光蒸发源等。
优点:
（1）可以直接对蒸发材料加热； （2）装蒸发料的容器可以是冷的或者用水冷却，从而 可避免
材料与容器的反应和容器材料的蒸发；
会产生分馏，对策——连续加料，调节熔池成分
例如：镀A4B1 膜，已知：PA 0:PB 010:1 0
控制镀料成分：A1B25,
保证：P A :P B 10 :20 5 4 :1
A4B1膜料成分
若：一次性加料，A消耗快；
∴ 连续加料，保证熔池料为 A1B25, 从而膜料成分为A4B1；
在蒸镀过程中，还应注意使熔池温度和体积保持恒定。
（4）蒸发制膜的厚度
∵τ时间内，蒸发材料的总量：m =ANe，密度：
∴ 膜厚：
点蒸发源： tN a4 A Nre2 cosm 4cro2 s
（7）
小型平面蒸发源： mcos cos t r2
令：c oc s o s h /rh / h 2x 2，
在x=0处：cos=cos=1
m
∴ t0 4 h2 (点源) (9)
（ 3 ） 可 蒸 发 高 熔 点 材 料 ， 例 如 ： 钨 （ Tm=3380℃ ） 、 钼 (Tm=2610℃)和钽（Tm=3000℃）等耐热金属材料。
缺点：
（1）装置复杂； （2）只适合于蒸发单元元素； （3）残余气体分子和蒸发材料的蒸气会部分被电子束电离。
5. 真空蒸镀工艺
（1）蒸镀合金膜
3.51 13202 P （1/cm2·s）
kT
MT
(3)
成立条件：S<几个cm2，且P<1Pa 质量蒸发速率G：
——单位时间内，从单位面积上蒸发的质量。
G C m N eC N M 0N e5 .8 3 3 1 0 (g 2 /cP m2·M s) /T
(4)
② 凝结速Na：
——蒸发源对基片单位面积的沉积速率。
（1）残存气体的蒸发速率Ng：
Ng 3.5131022
gPg
MgTg
(13)
（2）到达基片的气体分子与蒸气分子之比(面源)：
NgPg Nd P
M M gTgT Acor2 csosP P gK (14)
（ g）
讨论：减小污染的途径
1）Pg越小，Ng/Nd小，污染小； Nd较大， Ng/Nd小，污染小；
Na与系统的几何形状、源与基片的相对位置、蒸发速率有关
设：a. 忽略碰撞，直线运动； b. Ar
点源,球面发射： Na A4Nerc2os (1/cm2·s)
(5)
小型圆平面源： Nd AN ecro2scos (1/cm2·s)
(6)
β、θ为蒸气入射方向分别与蒸发 表面和接收表面法向的夹角 。
图8.2.3 、角的意义