薄膜的物理气相沉积

三.分类
蒸发法： 1、较高的沉积速度；
2、相对较高的真空度，导致较高 的薄膜质量。
最常见的 PVD方法
溅射法： 1、在沉积多元合金薄膜时化学成
分容易控制； 2、沉积层对衬底的附着力较好。
脉冲激光沉积法
第一节 物质的热蒸发 （Thermal Evaporation）
一、元素的蒸发速率 二、元素的蒸气压 三、化合物和合金的
二、元素的平衡蒸气压
一.平衡蒸气压的推导
克劳修斯-克莱普朗方程指出，物质的平衡蒸气压pe随温 度T的变化率可以定量地表达为：
dpe H dT TV
（2-3）
其中，ΔH——蒸发过程中单位摩尔物质的热焓变化， 随着温度不同而不同，
ΔV——相应过程中物质体积的变化。
由于在蒸发时， V气 V固(V液)
故
VV V气 V固(V液) V气 V
nRT
利用理想气体状态方程
P NA
，
1mol气体的体积为： V NA RT VV 代入
nP
克-克方程，则有
dpe dT
pH RT2
（2-4）
作为近似，可以利用物质在某一温度时的气化热 ΔHe代替ΔH，从而得到物质蒸气压的两种近似 表达方式：
lnpe
He RT
其中α为一个系数，它介于0~1之间；
Pe——平衡蒸气压；
ph——实际分压
当α=1速率
( pe ph) M 2 RT
（2-2）
二.影响蒸发速率的因素
由于物质的平衡蒸气压随着温度的上升增 加很快，因而对物质蒸发速度影响最大的因 素是蒸发源的温度。。
C例外
三、化合物和合金的热蒸发
一.化合物的蒸发
1.化合物蒸发中存在的问题： a) 蒸发出来的蒸气可能具有完全不同于其固态或液态的成分；
（蒸气组分变化） b) 在气相状态下，还可能发生化合物各组元间的化合与分解
过程。后果是沉积后的薄膜成分可能偏离化合物正确的化 学组成。 2.化合物蒸发过程中可能发生的各种物理化学变化 无分解蒸发、固态分解蒸发和气态分解蒸发
ln
Pe
15993 T
14.533
0.999 lg T
3.52106T
贡献较小
P-T关系： ln Pe与1 T 两者之间基本上保持为线性关系
二.元素的蒸发
根据物质的蒸发特性，物质的蒸发模式可被划分 为两种类型：
1、将物质加热到其熔点以上（固-液-气） 例如：多数金属
2、利用由固态物质的升华，实现物质的气相沉积。 （固-气） 例如：Cr，Ti，Mo，Fe，Si等
引言
一.定义
物理气相沉积Physical Vapor Deposition（PVD）： 利用某种物理的过程（如热蒸发和溅射），实现物质原子从源 物质到薄膜的可控转移的过程。
二.特点（相对化学气相沉积而言）：
1、需要使用固态的或者熔融态的物质作为沉积过程的 源 物质；
2、源物质要经过物理过程进入气相； 3、需要相对较低的气体压力环境； 4、在气相中及衬底表面并不发生化学反应。
2）热力学描述
当组元B与合金间的吸引作用较小时，它将 拥有较高的蒸气压；反之，其蒸气压将相对较 低。用活度αB代替式2-7中的浓度xB，应有
pB BpB(0) （2-8）
其中 B BxB
（2-9）
γB为元素B在合金中的活度系数
由物质蒸发的速度公式
NA( pe ph ) 2 MRT
得到合金组元A，B的蒸发速率之比为
A AxApA(0) MB B BxBpB(0) MA
（2-10）
结论： 当需要制备的薄膜成分已知时，由上式就可以确 定所需使用的合金蒸发源的成分。
例如：已知在1350K的温度下，Al的蒸气压高于Cu，
因而为了获得Al－2％Cu成分的薄膜，需要使用的蒸发 源的大致成分应该是Al－13.6％Cu 。
蒸发
一、物质的蒸发速度
一.蒸发速率的表达式
1.元素的净蒸发速率
在一定的温度下，每种液体或固体物质都具有特定的平衡 蒸气压。当环境中被蒸发物质的分压降低到了其平衡蒸气压 以下时，就会发生物质的净蒸发。由气体分子通量的表达式， 单位表面上净蒸发速率应为：
NA( pe ph ) 2 MRT
（2-1）
第二节 薄膜沉积的厚度均匀性和纯度
一、薄膜沉积的方向性和阴影效应 二、蒸发沉积薄膜的纯度
一、薄膜沉积的方向性和阴影效应
在物质的蒸发过程中，蒸发原子的运动具有明显的方 向性。并且，由于被蒸发原子的运动具有方向性，因 而沉积薄膜本身的均匀性以及其微观组织也将受到影 响。
二.合金的蒸发
1.合金蒸发与化合物蒸发的区别与联系 联系：也会发生成分偏差。 区别：合金中原子间的结合力小于在化合物中 不 同原子间的结合力，因而合金中各元素原子的蒸 发过程实际上可以被看做是各自相互独立的过程， 就像它们在纯元素蒸发时的情况一样。
2.合金蒸发的热力学定律描述
1）理想溶液的拉乌尔定律
3.组元蒸发速率随时间变化
对于初始成分确定的蒸发源来说，确定的物质 蒸发速率之比将随着时间变化而发生变化。
解决办法： 1、用较多的蒸发物质作为蒸发源；
2、采用向蒸发容器中每次只加入少量被蒸发物 质的方法，使不同的组元能够实现瞬间的同步蒸 发；
3、利用加热至不同温度的双源或多源的方法， 分别控制和调节每一组元的蒸发速率。
I
He
pe Be RT
(2 5a) (2 5b)
其中，I——积分常数， B——相应的系数。
说明： 1. 由于使用了近似条件ΔHe=ΔH ，即热焓变化=汽化
热，故蒸气压表达式只在某一温度区间才严格成立。 2. 要准确地描述Pe-T的关系，应该将△H写成△H（T ）
的函数形式。
例如：液态下的Al
相比小可于以纯忽组略元B不的计蒸，气则压p在B(一0)，定并的与温它度在下合金，中稀的溶摩液尔的分蒸 气压数等xB于成纯正比溶，剂即的蒸气压与其分子分数的乘积。
p x p (0)
B
BB
（2-6）
对于A-B二元理想溶液来讲，A、B两组元的气压之比为 pA = xApA (0) pB xB pB (0)
188当7年AB法二国元合物金理的学两家组拉元乌A-B尔原（子R间a的ou作lt用）能在与溶A液-A蒸或B气-B压
实验原中子总间结的出作用著能名相的等拉时乌，尔合金定即律是。一拉种乌理尔想溶定液律。指由出理：
如果想溶溶质液是的不拉乌挥尔发定性律的，，合即金中它组的元蒸B气的平压衡极蒸小气，压与pB溶将 剂