薄膜材料3.ppt

P为平衡蒸气压（1.3Pa）；M 为气体的分子量。
的距离以及凝聚系
数等因数。 10
理想情况：蒸发源是 一清洁、均匀发射的 点源，基片为一个平 面
沉积率~cos/r2
d
1
d0 1(l / h)2 3/2
d处0为的在沉距积点厚源度正；上d为方偏中离心中h 心l处的厚度。
d
1
d0 1(l / h)2 2
蒸发源为一平行于基 片的小平面蒸发源。11
• 通常薄膜沉积所需压强1.3310-3Pa，蒸发 粒子与残余气体分子的碰撞数可以忽略不 计，蒸气粒子会沿直线行进。
• 由于残余气体分子对基片表面的撞击，薄 膜会被真空系统中残余气体严重污染。
• 残余气体分子的撞击率Ng：
Ng
3.5131022 Pg (MgTg
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电阻加热Fra Baidu bibliotek发法的主要缺点：
支撑坩埚及材料与蒸发物反应。 难以获得足够高的温度使Al2O3、
Ta2O5、TiO2等蒸发。 蒸发率低。 加热时合金或化合物分解。
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(2) 闪烁蒸发法
真空蒸发存在的问题：在制备容易 部分分馏的多组元合金或化合物薄 膜时，得到的薄膜化学组分偏离蒸 发物原有的组分。
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为避免污染薄膜材料，蒸发源中所 用的支撑材料在工作温度下必须具 有可忽略的蒸气压。
通常所用的支撑材料为难熔金属和 氧化物。当选择某一特殊材料时， 一定要考虑蒸发物与支撑材料之间 可能发生的合金化和化学反应等问 题。支撑材料的形状取决于蒸发物。
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• 蒸发方法
电阻加热蒸发 闪烁蒸发 电子束蒸发 激光熔融蒸发 弧光蒸发 射频加热蒸发
加热装置的缺点：
只能用于金属或某些合金的蒸发。 在一定时间内，只有有限量的蒸发
材料被蒸发。 在加热时，蒸发材料必须润湿电阻
丝。 一旦加热，电阻丝会变脆，处理不
当甚至会择断。
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实例:制备高温超导氧化物薄膜
通过对Cu、BaF2和YF3的一层层蒸 发制备Y-Ba-Cu-O薄膜，采用的基 片材料为SrTiO3，对所沉积的薄膜 进行了退火处理。
CuInSe2、LiInSe2、LixCu1-xInSe2外 延膜。
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金属陶瓷薄膜Cr-SiO（50%、60%、 70wt%Cr）。电阻率随着介电质含 量的增加而增加。
薄膜材料3
• 物理气相沉积（Physical vapor deposition，PVD）
把固态或熔融态成膜材料通过某种物理 方式（高温蒸发、溅射、等离子体、离 子束、激光束、电弧等）产生气相原子、 分子、离子（气态、等离子体态），再 经过输运在基体表面沉积，或与其他活 性气体反应形成反应产物在基体上沉积 为固相薄膜。
真空蒸发系统由三个部分组成： 真空室 蒸发源或蒸发加热装置 放置基片及给基片加热装置
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• 蒸发温度
在一定温度下，蒸发气体与凝聚相平 衡过程中所呈现的压力为该物质的蒸 气压。物质的饱和蒸气压随温度的上 升而增大，一定的饱和蒸气压对应一 定的物质温度。
物质在饱和蒸气压为1.3Pa时的温度 为该物质的蒸发温度。
)1/2
P体g为压温强度。Tg下的平衡气
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在通常使用的真空条件和沉积率为 0.1nm/s情况下，气体分子的冲击率相当 大。如果气体的黏附系数不是小到可忽略 的程度，则有大量气体吸附在基片上。
为尽可能减小杂质污染，系统尽量采用超 高真空（< 1.310-7Pa ）。
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§3.1 真空蒸发 • 蒸发技术
闪烁蒸发法可以克服上述问题。
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闪烁蒸发法（瞬间蒸发法）
少量待蒸发材料以粉末形式输送到 足够热的蒸发盘上以保证蒸发瞬间 发生。
蒸发盘的温度应该足够高使不容易 挥发的材料快速蒸发。
当一粒蒸发物蒸发时，具有高蒸气 压的组元先蒸发，随后是低蒸气压 组元蒸发。瞬间蒸发的净效果是蒸 气具有与蒸发物相同的组分。
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支撑加热材料：难 熔金属钨W、铊Tl、 钼Mo，具有高熔 点、低蒸气压的特 点。
支撑加热材料的形 状：丝状或箔片。 直接将其薄端连接 到较重的铜或不锈 钢电极上。
(1) 电阻加热蒸发
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电阻加热蒸发源材料应具备熔点高、 饱和蒸气压低、化学稳定性好，具有 良好的耐热性、原料丰富，经济耐用
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• 物理气相沉积（Physical vapor deposition，PVD）
特点：
需要使用固态或熔融态物质作为沉 积过程的源物质
源物质经过物理过程进入气相 需要相对较低的气体压力环境 在气相中及衬底表面并不发生化学
反应，但反应沉积例外。
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• 物理气相沉积（Physical vapor deposition，PVD）
三个阶段：
从源材料中发射出粒子； 粒子输运到基片； 粒子在基片上凝结、成核、长大、成膜。
基本的两种方法：
蒸发法 溅射法
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真空蒸发沉积过程由三个步骤：
蒸发源材料由凝聚相转变成气相； 在蒸发源与基片之间蒸发离子的输
运； 蒸发粒子到达基片后凝结、成核、
长大、成膜。
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基片可以选用各种材料，根据所需 薄膜性质基片可以保持在某一温度 下。
dN(2mk)T1/2P
Adt
P为平衡压强；m为粒子质量； k为玻尔兹曼常数；T为绝对温 度。
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在真空中单位面积清洁表面上粒子的自 由蒸发率由Langmuir表达式给出：
m e5.8 1 3 20 P (M /T)1/2
g/(cm2s)
蒸发粒子在基片上 的沉积率取决于蒸 发源的几何尺寸、 蒸发源相对于基片
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粉料输送方式： 机械、电磁、振 动、旋转等。
优点：避免分解和掺杂分离现象的出现。 缺陷：待蒸发粉末的预排气困难。沉积前
需24~36h抽真空，才可以完成粉末的排气 工作。蒸发沉积过程中可能会释放大量气 体，发生“飞溅”现象。
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成功制备
Ni-Cr合金薄膜，ⅢⅤ族化合物、 半导体薄膜，硫化铜薄膜，PbS 和 PbS-Ag薄膜，Sb2S3薄膜。
当蒸发在真空中开始时，蒸发温度 会降低很多，正常蒸发所需压强 1.3310-3Pa，能确保大多数发射出 的蒸发粒子具有直线运动轨迹。
基片与蒸发源的距离一般保持在 10~50cm之间。
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大多数蒸发材料的蒸发是液相蒸发， 也有一些属于直接固相蒸发。
根据Knudsen理论，在时间dt内，从表面A 蒸发的最大粒子数dN为：