第二章 真空蒸发(蒸发镀膜)
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在30℃时，水的饱和蒸气压为4132.982Pa； 在100℃时，水的饱和蒸气压增大到101324.72Pa
第一节 真空蒸发原理
蒸发温度
规定物质在饱和蒸气压为10-2Torr时的温度
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。
第一节 真空蒸发原理
★ 细长平面蒸发源
cos h , r 2 ( x S ) 2 a 2 , a 2 h 2 y 2 r
m dm dS l
z
H
dm dt d
dS
S r θ 0 θ h
a
-l/2
y
视dS为小平面蒸发源，则dσ 上得到的蒸发量为
cos2 d m dm dS 2 2 (h x ) l
x l/2
dσ(x,y)
m cos2 dS m h2 dS dt 2 lr l x S 2 a 2
2
第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
积分后
m h2 t l
x S
l 2 l 2
dS
2
a
Baidu Nhomakorabea2 2
2 2 l 2 l a x 2 4 mh 1 1 la tg 2 4 2 2 l l l 2la 2 2 a 2 2 2 2 2 a x a x a x 4 16 4
（2-9）
单位面积 质量蒸发速率
时的饱和蒸气压有关外，还 m 与材料自身的清洁度有关， G mJ m P 2 kT 特别是蒸发源温度的变化对 M 2 蒸发速率影响极大 5.83 10 P (g/cm -2 s Torr)
T
4.37 103
M -2 P ( 个 /cm s Pa) T
3. 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 J v na 4 2 mkT 冷凝系数
P Jc 2 mkT
1
设蒸发材料表面液相、气体处于动态平衡，到达液相表 面的分子全部粘接而不脱离，与从液相到气相的分子数相等， 则蒸发速率： dN蒸发分子数，αe蒸发系数，A蒸 dN e Pv Ph 发面积，t时间，Pv和Ph分别为饱和 Je Adt 蒸气压和液体静压 2m kT
真空蒸发镀膜法
物理气相沉积（Physical Vapor Deposition）
真空蒸发镀膜 真空溅射镀膜
真空离子镀膜
真空蒸发镀膜：
将固体材料置于高真空环境中加热，使之升华 或蒸发并沉积在特定衬底上以获得薄膜的工艺方法。
第一节 真空蒸发原理
第一节 真空蒸发原理
蒸发度膜的三个基本过程：
主要内容
6-1 真空蒸发原理 6-2 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 6-3 蒸发源的类型 6-4 合金及化合物蒸发 6-5 膜厚和淀积速率的测量与监控
第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 均匀膜层厚度是薄膜技术中的关键问题。取决于如下因素： 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
第一节 真空蒸发原理
B lg Pv A T
蒸发速率随温度变化关系
dG B 1 dT 2.3 G T 2 T
m G m Jm Pv 2kT
dG B 1 dT G T 2 T
B 对金属 2.3 在20 30 之间 T
dG dT 20 30 G T 例：蒸发铝，计算由于1％的温度变化，对铝蒸发薄膜生长速率 的影响。B=3.586×104（K）,在蒸气压为1Torr时的蒸发温度为 1830K。 dG 3.586104 1 2 10 0.1909 G 1830 2
m t0 2 h
在基板平面内薄膜厚度分布：
t 1 2 2 t0 1 ( x h)
第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
点源：
m t0 2 4 h
小平面源：
m t0 h 2
第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
当 dS 2 在点源正上方，即 0 时，膜层厚度 t 0 为：
m t0 2 4 h
在基板平面内薄膜厚度分布：
t 1 32 2 t0 1 ( x h)
第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
★ 小平面蒸发源
这种蒸发源的发射 特性具有方向性，使得 在 角方向蒸发的材料 质量和 cos 成正比。
第一节 真空蒸发原理
不同物质在相同压强下所需的蒸发热是不同的；
蒸发热量 Q 值的80%以上是蒸发热 Lv 而消耗掉的。
第一节 真空蒸发原理
1. 真空蒸发的特点与蒸发过程
特点： 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。
★ 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。
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
★ 高频感应蒸发源
高频感应蒸发源的特点：
蒸发速率大，比电阻蒸发源大 10倍左右；
蒸发源温度均匀稳定，不易产 生飞溅； 蒸发材料是金属时，从内部加
热；
蒸发源一次加料，无需送料机 构，控温容易，热惰性小，操作 缺点：蒸发装置必须屏蔽、 高频发生器昂贵，气压高于 10-2Pa，高频场就会使残余 气体电离，使功耗增大
第一节 真空蒸发原理
饱和蒸气压与温度的关系
dP Hv v dT T Vg Vs
克拉伯龙-克劳修斯
（Clapeylon-Clausius）方程
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
• 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。
电子束蒸发源的结构
环型枪 直型枪 e 型枪
结构简单 功率、效率不高
直型枪
使用方便，能量 密度高，易于调节 控制。
蒸发物质的蒸发量
基本假设：
1.
2. 3.
蒸发原子或分子与残余气体分子之间不发生碰撞；
蒸发源附近的原子或分子之间不发生碰撞； 淀积到基片上的原子不发生再蒸发现象。
第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
★ 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 d 4 m cos 2 dS 2 4 r
第一节 真空蒸发原理
2. 饱和蒸气压
概念
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来的压力
A. 处于饱和蒸气压时，蒸发物表面液相、气相处 于动态平衡； B. 饱和蒸气压随温度的升高而增大； C. 一定温度下，各种物质具有恒定的饱和蒸气压， 相反一定的饱和蒸气压对应一定的温度； D. 不同物质在一定温度下的饱和蒸气压不同；
蒸发源温度微小变 化就可以引起蒸发 速率的很大变化。
第一节 真空蒸发原理
对基片的碰撞率：
热平衡条件下，单位时间通过单位面积的气体分子数为：
N g 3.5131022
一般薄膜的淀积速率为每秒 P (个 / cm2 s) 一个原子层，当残余气体压 TM 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。
体积大、成本高， 蒸镀材料会污染枪 体结构，存在从灯 丝逸出的Na离子污 染
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
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
dS1 dS2 cos dS1 r 2 d d dS2 cos dS2 cos 2 2 r h x2
dm t dS2
第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
m cos mh mh t 2 3 2 2 32 4 r 4 r 4 (h x )
简单。
第一节 真空蒸发原理
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
★ 蒸发材料蒸发时所需的热量
W Q1 M
Tm
T0
Cs dT Lm CL dT Lv
Tm
Tv
加热蒸发过程
固相或液相转变为气相
气相原子或分子的输运过程（源-基距） 气相粒子在环境气氛中的飞行过程，输运过程中气相粒 子与残余气体分子发生碰撞的次数，取决于蒸发原子的平均 自由程，以及蒸发源与基片之间的距离。 蒸发原子或分子在基片表面的淀积过程 即蒸气凝聚、成核、核生长、形成连续薄膜的过程。由 于基板温度较低，因此，沉积物分子在基板表面将直接发生 从气相到固相的相转变。
第一节 真空蒸发原理 由此可见，只有当 l（l为源-基距）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。 所以，真空度足够高，平均自由程足够大，且 l 时：
0.667 f P
f 1.50lP
l
为保证镀膜质量，在要求 f 0.1 时，源-基距 l 25cm
第一节 真空蒸发原理
最大蒸发速率： e 1, Ph 0
P J m 3.5110 (个/cm-2 s Torr) TM 除了与蒸发物质的分子量、 P 24 -2 2.64 10 ( 个 /cm s Pa) T温度 绝对温度和蒸发物质在 TM
22
Pv dN Jm Adt 2m kT
电子的动能和电功率：
m 9.11028 g
1 m 2 e U 2
e 1.6 1019 C
5.93105 U (m/s)
Q 0.24Wt
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。
dm
m
m cos cos dS 2 r2
cos d
m cos cos mh2 t 2 2 2 2 r (h x )
第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 当 dS 2 在点源正上方，即 0, 0 时，膜层厚度 t 0 为：
Vg Vs Vg
dP H v dT v 或 2 Pv RT
Vg
RT P
d (ln Pv ) H v R d(1 ) T
线性关系
第一节 真空蒸发原理
dP H v dT v Pv RT 2
气化热Hv随温度变化很小
Hv ln Pv C RT
或
B lg Pv A T
时，必须 P 3 103 Pa 。
第三节 蒸发源的类型 常用电阻加热蒸发源形状 蒸铝 丝状蒸发源 线径0.5－1mm
用于蒸发块状 或丝状的升华 材料和不易浸 润材料
箔状蒸发源 厚度0.05－0.15mm
第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
各种蒸发皿结构
第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
第一节 真空蒸发原理
蒸发温度
规定物质在饱和蒸气压为10-2Torr时的温度
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。
第一节 真空蒸发原理
★ 细长平面蒸发源
cos h , r 2 ( x S ) 2 a 2 , a 2 h 2 y 2 r
m dm dS l
z
H
dm dt d
dS
S r θ 0 θ h
a
-l/2
y
视dS为小平面蒸发源，则dσ 上得到的蒸发量为
cos2 d m dm dS 2 2 (h x ) l
x l/2
dσ(x,y)
m cos2 dS m h2 dS dt 2 lr l x S 2 a 2
2
第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
积分后
m h2 t l
x S
l 2 l 2
dS
2
a
Baidu Nhomakorabea2 2
2 2 l 2 l a x 2 4 mh 1 1 la tg 2 4 2 2 l l l 2la 2 2 a 2 2 2 2 2 a x a x a x 4 16 4
（2-9）
单位面积 质量蒸发速率
时的饱和蒸气压有关外，还 m 与材料自身的清洁度有关， G mJ m P 2 kT 特别是蒸发源温度的变化对 M 2 蒸发速率影响极大 5.83 10 P (g/cm -2 s Torr)
T
4.37 103
M -2 P ( 个 /cm s Pa) T
3. 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 J v na 4 2 mkT 冷凝系数
P Jc 2 mkT
1
设蒸发材料表面液相、气体处于动态平衡，到达液相表 面的分子全部粘接而不脱离，与从液相到气相的分子数相等， 则蒸发速率： dN蒸发分子数，αe蒸发系数，A蒸 dN e Pv Ph 发面积，t时间，Pv和Ph分别为饱和 Je Adt 蒸气压和液体静压 2m kT
真空蒸发镀膜法
物理气相沉积（Physical Vapor Deposition）
真空蒸发镀膜 真空溅射镀膜
真空离子镀膜
真空蒸发镀膜：
将固体材料置于高真空环境中加热，使之升华 或蒸发并沉积在特定衬底上以获得薄膜的工艺方法。
第一节 真空蒸发原理
第一节 真空蒸发原理
蒸发度膜的三个基本过程：
主要内容
6-1 真空蒸发原理 6-2 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 6-3 蒸发源的类型 6-4 合金及化合物蒸发 6-5 膜厚和淀积速率的测量与监控
第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 均匀膜层厚度是薄膜技术中的关键问题。取决于如下因素： 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
第一节 真空蒸发原理
B lg Pv A T
蒸发速率随温度变化关系
dG B 1 dT 2.3 G T 2 T
m G m Jm Pv 2kT
dG B 1 dT G T 2 T
B 对金属 2.3 在20 30 之间 T
dG dT 20 30 G T 例：蒸发铝，计算由于1％的温度变化，对铝蒸发薄膜生长速率 的影响。B=3.586×104（K）,在蒸气压为1Torr时的蒸发温度为 1830K。 dG 3.586104 1 2 10 0.1909 G 1830 2
m t0 2 h
在基板平面内薄膜厚度分布：
t 1 2 2 t0 1 ( x h)
第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
点源：
m t0 2 4 h
小平面源：
m t0 h 2
第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
当 dS 2 在点源正上方，即 0 时，膜层厚度 t 0 为：
m t0 2 4 h
在基板平面内薄膜厚度分布：
t 1 32 2 t0 1 ( x h)
第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
★ 小平面蒸发源
这种蒸发源的发射 特性具有方向性，使得 在 角方向蒸发的材料 质量和 cos 成正比。
第一节 真空蒸发原理
不同物质在相同压强下所需的蒸发热是不同的；
蒸发热量 Q 值的80%以上是蒸发热 Lv 而消耗掉的。
第一节 真空蒸发原理
1. 真空蒸发的特点与蒸发过程
特点： 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。
★ 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。
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
★ 高频感应蒸发源
高频感应蒸发源的特点：
蒸发速率大，比电阻蒸发源大 10倍左右；
蒸发源温度均匀稳定，不易产 生飞溅； 蒸发材料是金属时，从内部加
热；
蒸发源一次加料，无需送料机 构，控温容易，热惰性小，操作 缺点：蒸发装置必须屏蔽、 高频发生器昂贵，气压高于 10-2Pa，高频场就会使残余 气体电离，使功耗增大
第一节 真空蒸发原理
饱和蒸气压与温度的关系
dP Hv v dT T Vg Vs
克拉伯龙-克劳修斯
（Clapeylon-Clausius）方程
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
• 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。
电子束蒸发源的结构
环型枪 直型枪 e 型枪
结构简单 功率、效率不高
直型枪
使用方便，能量 密度高，易于调节 控制。
蒸发物质的蒸发量
基本假设：
1.
2. 3.
蒸发原子或分子与残余气体分子之间不发生碰撞；
蒸发源附近的原子或分子之间不发生碰撞； 淀积到基片上的原子不发生再蒸发现象。
第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
★ 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 d 4 m cos 2 dS 2 4 r
第一节 真空蒸发原理
2. 饱和蒸气压
概念
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来的压力
A. 处于饱和蒸气压时，蒸发物表面液相、气相处 于动态平衡； B. 饱和蒸气压随温度的升高而增大； C. 一定温度下，各种物质具有恒定的饱和蒸气压， 相反一定的饱和蒸气压对应一定的温度； D. 不同物质在一定温度下的饱和蒸气压不同；
蒸发源温度微小变 化就可以引起蒸发 速率的很大变化。
第一节 真空蒸发原理
对基片的碰撞率：
热平衡条件下，单位时间通过单位面积的气体分子数为：
N g 3.5131022
一般薄膜的淀积速率为每秒 P (个 / cm2 s) 一个原子层，当残余气体压 TM 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。
体积大、成本高， 蒸镀材料会污染枪 体结构，存在从灯 丝逸出的Na离子污 染
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
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
dS1 dS2 cos dS1 r 2 d d dS2 cos dS2 cos 2 2 r h x2
dm t dS2
第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
m cos mh mh t 2 3 2 2 32 4 r 4 r 4 (h x )
简单。
第一节 真空蒸发原理
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
★ 蒸发材料蒸发时所需的热量
W Q1 M
Tm
T0
Cs dT Lm CL dT Lv
Tm
Tv
加热蒸发过程
固相或液相转变为气相
气相原子或分子的输运过程（源-基距） 气相粒子在环境气氛中的飞行过程，输运过程中气相粒 子与残余气体分子发生碰撞的次数，取决于蒸发原子的平均 自由程，以及蒸发源与基片之间的距离。 蒸发原子或分子在基片表面的淀积过程 即蒸气凝聚、成核、核生长、形成连续薄膜的过程。由 于基板温度较低，因此，沉积物分子在基板表面将直接发生 从气相到固相的相转变。
第一节 真空蒸发原理 由此可见，只有当 l（l为源-基距）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。 所以，真空度足够高，平均自由程足够大，且 l 时：
0.667 f P
f 1.50lP
l
为保证镀膜质量，在要求 f 0.1 时，源-基距 l 25cm
第一节 真空蒸发原理
最大蒸发速率： e 1, Ph 0
P J m 3.5110 (个/cm-2 s Torr) TM 除了与蒸发物质的分子量、 P 24 -2 2.64 10 ( 个 /cm s Pa) T温度 绝对温度和蒸发物质在 TM
22
Pv dN Jm Adt 2m kT
电子的动能和电功率：
m 9.11028 g
1 m 2 e U 2
e 1.6 1019 C
5.93105 U (m/s)
Q 0.24Wt
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。
dm
m
m cos cos dS 2 r2
cos d
m cos cos mh2 t 2 2 2 2 r (h x )
第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 当 dS 2 在点源正上方，即 0, 0 时，膜层厚度 t 0 为：
Vg Vs Vg
dP H v dT v 或 2 Pv RT
Vg
RT P
d (ln Pv ) H v R d(1 ) T
线性关系
第一节 真空蒸发原理
dP H v dT v Pv RT 2
气化热Hv随温度变化很小
Hv ln Pv C RT
或
B lg Pv A T
时，必须 P 3 103 Pa 。
第三节 蒸发源的类型 常用电阻加热蒸发源形状 蒸铝 丝状蒸发源 线径0.5－1mm
用于蒸发块状 或丝状的升华 材料和不易浸 润材料
箔状蒸发源 厚度0.05－0.15mm
第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
各种蒸发皿结构
第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布