Chapter-2(熱蒸發(fā))

1、2021/3/10講解：XX1 第一部分：薄膜的獲得 第二章 真空蒸發(fā)鍍膜法 概述 2-1 真空蒸發(fā)原理 2-2 蒸發(fā)源的蒸發(fā)特性及膜厚分布 2-3 蒸發(fā)源的類型 2-4 合金及化合物的蒸發(fā) 實(shí)踐環(huán)節(jié) 2021/3/10講解：XX2 概述 物理過程： 真空蒸發(fā)鍍膜法(簡稱真空 蒸鍍)是在真空室中，加熱蒸發(fā)容器中 待形成薄膜的原材料，使其原子或分子 從表面氣化逸出，形成蒸氣流，入射到 較冷的固體(稱為襯底或基片)表面，凝 結(jié)形成固態(tài)薄膜的方法。由于真空蒸發(fā) 法或真空蒸鍍法主要物理過程是通過加 熱蒸發(fā)材料而產(chǎn)生，故又稱熱蒸發(fā)法。 2021/3/10講解：XX3 真空蒸鍍法的改進(jìn) 采用這種方法制造薄

2、膜，已有幾十年的歷史， 用途十分廣泛。近年來，該法的改進(jìn)主要是在蒸發(fā) 源上。 （1）為了抑制或避免薄膜原材料與蒸發(fā)加熱 器發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改用耐熱陶瓷坩堝。 （2）為了蒸發(fā)低蒸氣壓物質(zhì)，采用電子束加 熱源或激光加熱源。 （3）為了制造成分復(fù)雜或多層復(fù)合薄膜，發(fā) 展了多源共蒸發(fā)或順序蒸發(fā)法。 （4）為了制備化合物薄膜或抑制薄膜成分對 原材料的偏離，出現(xiàn)了反應(yīng)蒸發(fā)法等。 本章主要介紹蒸發(fā)原理、蒸發(fā)源的發(fā)射 特性及蒸發(fā)的工藝技術(shù)。 2021/3/10講解：XX4 2-1 真空蒸發(fā)原理 一、真空蒸發(fā)的特點(diǎn)與蒸發(fā)過程 一般說來，真空蒸發(fā)(除電子束蒸發(fā)外) 與化學(xué)氣相沉積、濺射鍍膜等成膜方法相比 較，有如下

3、特點(diǎn)： 設(shè)備比較簡單、操作容易；制成的薄膜 純度高、質(zhì)量好，厚度可較準(zhǔn)確控制；成膜 速率快、效率高，用掩模可以獲得清晰圖形； 薄膜的生長機(jī)理比較單純。 主要缺點(diǎn)：不容易獲得結(jié)晶結(jié)構(gòu)的薄膜， 所形成薄膜在基板上的附著力較小，工藝重 復(fù)性不夠好等。 2021/3/10講解：XX5 圖2-1 真空蒸鍍原理示意圖 主要部分有 (1)真空室 (2)蒸發(fā)源或蒸發(fā) 加熱器 (3)基板 (4)基板加熱器及 測溫器等 2021/3/10講解：XX6 真空蒸發(fā)鍍膜的三個(gè)基本過程 在真空環(huán)境中進(jìn)行的真空蒸發(fā)鍍膜包括 以下三個(gè)基本過程： (1)加熱蒸發(fā)過程。 加熱蒸發(fā)過程，包括由凝聚相轉(zhuǎn)變?yōu)闅?相(固相或液相氣相)的

4、相變過程。每種蒸發(fā) 物質(zhì)在不同溫度時(shí)有不相同的飽和蒸氣壓； 蒸發(fā)化合物時(shí)，其組分之間發(fā)生反應(yīng)，其中 有些組分以氣態(tài)或蒸氣進(jìn)入蒸發(fā)空間。 2021/3/10講解：XX7 (2)氣化原子或分子在蒸發(fā)源與基片之間 的輸運(yùn)，即這些粒子在環(huán)境氣氛中的 飛行過程。 飛行過程中與真空室內(nèi)殘余氣體 分子發(fā)生碰撞的次數(shù)取決于: 蒸發(fā)原子的平均自由程; 源-基距:從蒸發(fā)源到基片之間的距離。 2021/3/10講解：XX8 （3）蒸發(fā)原子或分子在基片表面上的淀積過程， 即是蒸氣凝聚、成核、核生長、形成連續(xù)薄 膜的過程。 由于基板溫度遠(yuǎn)低于蒸發(fā)源溫度，因此， 沉積物分子在基板表面將直接發(fā)生從氣相到 固相的相轉(zhuǎn)變過程。

5、 注意： 真空蒸發(fā)鍍膜必須在空氣非常稀薄的真 空環(huán)境中進(jìn)行。否則，蒸發(fā)物原子或分子將 與大量空氣分子碰撞，使膜層受到嚴(yán)重污染， 甚至形成氧化物；或者蒸發(fā)源被加熱氧化燒 毀；或者由于空氣分子的碰撞阻擋，難以形 成均勻連續(xù)的薄膜。 2021/3/10講解：XX9 二、飽和蒸氣壓 飽和蒸氣壓：在一定溫度下，真空室內(nèi) 蒸發(fā)物質(zhì)的蒸氣與固體或液體平衡過程中所 表現(xiàn)出的壓力，稱為該物質(zhì)的飽和蒸氣壓。 此時(shí)蒸發(fā)物表面液相、氣相處于動態(tài)平衡， 即到達(dá)液相表面的分子全部粘接而不離開， 并與從液相到氣相的分子數(shù)相等。 物質(zhì)的飽和蒸氣壓隨溫度的上升而增大， 在一定溫度下，各種物質(zhì)的飽和蒸氣壓不相 同，且具有恒定的數(shù)

6、值。 相反，一定的飽和蒸氣壓必定對應(yīng)一定 的物質(zhì)的溫度。 規(guī)定規(guī)定：物質(zhì)在飽和蒸氣壓為10-2托(1.3Pa) 時(shí)的溫度，稱為該物質(zhì)的蒸發(fā)溫度。 2021/3/10講解：XX10 材料的蒸氣壓與溫度的關(guān)系 蒸發(fā)材料的飽和蒸氣壓P與溫度T之間的 數(shù)學(xué)表達(dá)式（近似關(guān)系） (式1) 式中A、B為常數(shù)，可由實(shí)驗(yàn)確定。而且在實(shí) 際上P與T之間的關(guān)系多由實(shí)驗(yàn)確定。 對于大多數(shù)材料而言，在蒸氣壓小于1托 (133Pa)的、和比較窄的溫度范圍內(nèi)，上式才 是一個(gè)精確的表示式。 T B AP lg 2021/3/10講解：XX11 常用金屬的飽和蒸氣壓與溫度之間的關(guān)系（例） （圖2-2） 2021/3/10講解：

7、XX12 上圖給出了常用金屬的飽和蒸氣壓與溫度 之間的關(guān)系。從圖可以看出，飽和蒸氣壓隨溫 度升高而迅速增加，并且到達(dá)正常蒸發(fā)速率所 需溫度，即飽和蒸氣壓約為1.3Pa(10-2托)時(shí)的 溫度。因此，在真空條件下物質(zhì)的蒸發(fā)要比常 壓下容易得多，所需蒸發(fā)溫度也大大降低，蒸 發(fā)過程也將大大縮短，蒸發(fā)速率顯著提高。 一些常用材料的蒸氣壓與溫度的關(guān)系列表發(fā)給同 學(xué)（表2-1）。 2021/3/10講解：XX13 實(shí)際意義 飽和蒸氣壓與溫度的關(guān)系對于 薄膜制作技術(shù)有重要的實(shí)際意義， 它可以幫助我們合理地選擇蒸發(fā)材 料、蒸發(fā)源材料及確定蒸發(fā)條件。 2021/3/10講解：XX14 三、蒸發(fā)速率 根據(jù)氣體分子

8、運(yùn)動論，計(jì)算出單位面積 (蒸發(fā)表面積)的質(zhì)量蒸發(fā)速率 (式2) （kg/m2 s,Pa） 式中，M為蒸發(fā)物質(zhì)的摩爾質(zhì)量。 此式是描述蒸發(fā)速率的重要表達(dá)式。它 確定了蒸發(fā)速率G與蒸氣壓P和溫度T之間的 關(guān)系。 必須指出，蒸發(fā)速率除與蒸發(fā)物質(zhì)的分 子量、絕對溫度T和蒸發(fā)物質(zhì)在溫度T時(shí)的飽 和蒸氣壓P有關(guān)外，還與(1) 材料自身的表面 清潔度有關(guān)；(2)特別是蒸發(fā)源溫度的變化對 蒸發(fā)速率影響極大。 P T M G 3 1037. 4 2021/3/10講解：XX15 蒸發(fā)源溫度變化對蒸發(fā)速率的影響： 如果將飽和蒸氣壓與溫度的關(guān)系式(式1) 代入(式2)，并對其進(jìn)行微分，即可得出質(zhì)量 蒸發(fā)速率隨溫度變

9、化的關(guān)系式，即 dG/G=(2.3B/T - 1/2)dT/T (式3) 對于金屬,2.3B/T通常在20 30之間， 即有: dG/G=(2030)dT/T (式4) 由此可見，在蒸發(fā)溫度以上進(jìn)行蒸發(fā)時(shí)， 蒸發(fā)源溫度的微小變化即可引起蒸發(fā)速率發(fā) 生很大變化。 2021/3/10講解：XX16 經(jīng)驗(yàn)提示： 1）在蒸發(fā)溫度以上進(jìn)行蒸發(fā)時(shí)，蒸發(fā)源溫 度的微小變化即可引起蒸發(fā)速率發(fā)生很大變化。 因此，在制膜過程中，要想控制蒸發(fā)速率，必 須精確控制蒸發(fā)源的溫度，加熱時(shí)應(yīng)盡量避免 產(chǎn)生過大的溫度梯度（平穩(wěn)調(diào)整）。 2）蒸發(fā)速率正比于材料的飽和蒸氣壓；溫 度變化10左右，飽和蒸氣壓就要變化一個(gè)數(shù) 量級左右

10、。 例：由計(jì)算可知，蒸發(fā)源有1的溫度變化， 會引起鋁蒸發(fā)薄膜生長速率有19%的改變。 （同學(xué)們鍍鋁膜實(shí)踐一下） 2021/3/10講解：XX17 四、蒸發(fā)分子的平均自由程與碰撞幾率 1、蒸發(fā)分子的平均自由程： 真空室內(nèi)存在著兩種粒子，一種是蒸發(fā)物 質(zhì)的原子或分子，另一種是殘余氣體分子。真 空蒸發(fā)實(shí)際上都是在具有一定壓強(qiáng)的殘余氣體 中進(jìn)行的。顯然，這些殘余氣體分子會對薄膜 的形成過程乃至薄膜的性質(zhì)產(chǎn)生影響。 由氣體分子運(yùn)動論可求出在熱平衡條件下， 單位時(shí)間通過單位面積的氣體分子數(shù)Ng 為： Ng =3.5131022P/(TM)1/2 (個(gè)/cm2 s) 式中 P是氣體壓強(qiáng)(托)；M是氣體的摩爾

11、質(zhì)量(克)； T是氣體溫度(K)； Ng就是氣體分子對基板的碰撞率。 2021/3/10講解：XX18 表2-1幾種典型氣體分子的碰撞次數(shù) 2021/3/10講解：XX19 由上表可見，在殘余氣體壓強(qiáng)為10-5托 時(shí)，每秒鐘大約有1015個(gè)氣體分子到達(dá)單 位基板表面，而一般的薄膜淀積速率為幾 埃s(大約1個(gè)原子層厚)。很顯然，在殘余氣 體壓強(qiáng)為10-5托時(shí)，氣體分子與蒸發(fā)物質(zhì) 原子幾乎按1：1的比例到達(dá)基板表面。因 此，要獲得高純度的薄膜，就必須要求殘 余氣體的壓強(qiáng)非常低。 (氣體分子對基板表面的粘附系數(shù)，決定于殘 余氣體分子、基板表面的性質(zhì)以及基板溫度等 因素。) 2021/3/10講解：X

12、X20 蒸發(fā)分子的平均自由程 定義： 蒸發(fā)分子在兩次碰撞之間所飛行的 平均距離稱為蒸發(fā)分子的平均自由程。 蒸發(fā)材料分子在殘余氣體中飛行， 這些粒子在不規(guī)則的運(yùn)動狀態(tài)下，相互 碰撞，同時(shí)又與真空室壁相撞，從而會 改變原有的運(yùn)動方向并降低其運(yùn)動速度。 2021/3/10講解：XX21 蒸發(fā)分子的平均自由程計(jì)算公式 其中d2是碰撞截面，約為幾個(gè)平方埃。 據(jù)此式計(jì)算得：在高真空條件下，大部 分的蒸發(fā)分子幾乎不發(fā)生碰撞而直接到達(dá)基 板表面。 例：在10-2 帕的氣體壓強(qiáng)下，蒸發(fā)分子 在殘余氣體中的大約為50cm,這與真空鍍膜 室尺寸接近。 因此，可以說在高真空條件下大部分的 蒸發(fā)分子幾乎不發(fā)生碰撞而直接

13、到達(dá)基板表 面。 )( )( 10107.3 2 18 cm dP T 帕 2021/3/10講解：XX22 顯然，平均自由程及蒸發(fā)分子與殘余氣 體分子的碰撞都具有統(tǒng)計(jì)規(guī)律。 據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，蒸發(fā)分子飛行距離x后，被 殘余氣體分子碰撞的分子的百分?jǐn)?shù)： 據(jù)此公式進(jìn)行計(jì)算可知：當(dāng)平均自由程 等于源-基距時(shí)，大約有63的蒸發(fā)分子受到 碰撞；如果平均自由程增加10倍，則碰撞幾 率將減小到9左右。 由此可見，只有在平均自由程較源-基距大得 多的情況下，才能有效減少蒸發(fā)分子在渡越 過程中的碰撞現(xiàn)象。 x ef 1 2、碰撞幾率 2021/3/10講解：XX23 實(shí)用公式 如果真空度足夠高(P 值足夠小) ，平

14、均自 由程 足夠大，且滿足條件 遠(yuǎn)大于H（源 基距），則被殘余氣體分子碰撞的分子的百 分?jǐn)?shù)：f H/ , 又已知在25的空氣情況下 p 0.667 （cm Pa） 則得f 1.5 H P 由此則得出，為了保證鍍膜質(zhì)量，在要 求 f 0.1時(shí)，若源-基距 H=25cm 時(shí)，必須滿 足：P 310-3Pa。 2021/3/10講解：XX24 應(yīng)注意殘余氣體的組成 殘余氣體分子的存在，除對平均自由程有影響外， 還會對膜層造成污染，故應(yīng)注意殘余氣體的組成。 一般說來，真空室內(nèi)的殘余氣體主要由氧、氮、 水汽、擴(kuò)散泵油蒸氣、真空室內(nèi)支架和夾具以及蒸發(fā) 源材料所含的污染氣體等組成。這些殘余氣體分子存 在于真

15、空室密閉系統(tǒng)中，主要是由于真空系統(tǒng)表面的 解吸作用、蒸發(fā)源的釋氣和真空泵的回流擴(kuò)散現(xiàn)象所 形成的。 對于設(shè)計(jì)優(yōu)良的真空泵及其系統(tǒng)，泵的回流擴(kuò)散 作用并不嚴(yán)重。 除了蒸發(fā)源在實(shí)際蒸發(fā)時(shí)所釋放的氣體以外，當(dāng) 氣體壓強(qiáng)低于10-4 Pa時(shí)，殘余氣體主要來源于：被解 吸的吸附于真空室內(nèi)各種表面的吸附分子。 2021/3/10講解：XX25 實(shí)際情況 實(shí)際淀積薄膜時(shí)，由于殘余氣體和蒸發(fā) 薄膜及蒸發(fā)源之間的相互反應(yīng)，情況比較復(fù) 雜,定量而可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少。但是，對于 大多數(shù)真空系統(tǒng)來說，水汽是殘余氣體的主 要組份。 水汽可與新生態(tài)的金屬膜發(fā)生反應(yīng)，生 成氧化物而釋放出氫氣；或者與W、Mo等加 熱器材料作

16、用，生成氧化物和氫。 2021/3/10講解：XX26 五、蒸發(fā)所需熱量和蒸發(fā)粒子的能量 電阻式蒸發(fā)源所需熱量，除將蒸發(fā)材料 加熱蒸發(fā)所需熱量外，還必須考慮蒸發(fā)源在 加熱過程中產(chǎn)生的熱輻射和熱傳導(dǎo)所損失的 熱量。即蒸發(fā)源所需的總熱量Q為 Q=Q1+Q2+Q3 式中，Q1：蒸發(fā)材料蒸發(fā)時(shí)所需的熱量； Q2：蒸發(fā)源因熱輻射所損失的熱量； Q3：蒸發(fā)源因熱傳導(dǎo)而損失的熱量。 2021/3/10講解：XX27 1蒸發(fā)材料蒸發(fā)時(shí)所需熱量 如果將分子量為M、重量為W克的物質(zhì)， 從室溫T0加熱到蒸發(fā)溫度T所需的熱量為Q1， 則 式中cs是固體比熱(cal mol)； cL是液體比熱(cal mol)； Lm

17、是固體的熔解熱(calmol)； L是分子蒸發(fā)熱或氣化熱(calmol)； Tm是固體的熔點(diǎn)(K)。 當(dāng)蒸發(fā)過程有生成或分解時(shí)，還須將這部 分熱量考慮進(jìn)去。另外，對直接升華的物質(zhì)， Lm和L的值可不考慮。 2021/3/10講解：XX28 常用金屬材料所需蒸發(fā)熱如表所示 2021/3/10講解：XX29 從表中可以看出，不同物質(zhì)在相同 壓強(qiáng)下所需的蒸發(fā)熱是不相同的。 應(yīng)當(dāng)指出，蒸發(fā)熱量Q值的80以 上是作為蒸發(fā)熱L(分子蒸發(fā)熱或氣化熱)而消耗 掉的。此外，還有輻射和傳導(dǎo)損失的熱 量。 2021/3/10講解：XX30 2熱輻射損失的熱量估計(jì) 這部分損失的熱量與蒸發(fā)源的形狀、結(jié) 構(gòu)和蒸發(fā)源材料有

18、關(guān)，可由下式估計(jì) Q2= ST4 式中 是斯特范-玻爾茲曼(Stefan-Boltzmann)常數(shù) 5.66810-12 Wcm24 或 1.3510-12Calcm2s 4； S為輻射系數(shù)，可從物理手冊中查知； T為蒸發(fā)溫度。 2021/3/10講解：XX31 3熱傳導(dǎo)損失的熱量估計(jì) 如果按單層屏蔽熱傳導(dǎo)計(jì)算，則 Q3F(T1-T2)/S 式中 是電極材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)； F為導(dǎo)熱面積； S是導(dǎo)熱壁的厚度； T1是高溫面溫度； T2是低溫面溫度。 蒸發(fā)源所需的總熱量Q即為蒸發(fā)源所需 的總功率。 2021/3/10講解：XX32 2-2 蒸發(fā)源的蒸發(fā)特性及膜厚分布 在真空蒸發(fā)鍍膜過程中，能否在基

19、 板上獲得均勻膜厚，是制膜的關(guān)鍵問題。 基板上不同位置的膜厚取決于： 蒸發(fā)源的蒸發(fā)(或發(fā)射)特性； 基板與蒸發(fā)源的幾何形狀、相對位置； 蒸發(fā)物質(zhì)的蒸發(fā)量。 人們十分關(guān)心的一個(gè)問題，就是鍍 膜過程中膜厚是如何分布的。 2021/3/10講解：XX33 為了對膜厚進(jìn)行理論計(jì)算，找出其分布規(guī)律， 首先對蒸發(fā)過程作如下幾點(diǎn)假設(shè)： (1)蒸發(fā)原子或分子與殘余氣體分子間不發(fā)生碰撞； (2)在蒸發(fā)源附近的蒸發(fā)原子或分子之間也不發(fā)生 碰撞； (3)蒸發(fā)淀積到基板上的原子不發(fā)生再蒸發(fā)現(xiàn)象， 即第一次碰撞就凝結(jié)于基板表面上。 上述假設(shè)的實(shí)質(zhì)就是設(shè)每一個(gè)蒸發(fā)原子或分 子，在入射到基板表面上的過程中均不發(fā)生任 何碰撞

20、，而且到達(dá)基板后又全部凝結(jié)。顯然， 這必然與實(shí)際的蒸發(fā)過程有所出入。 但是，這些假設(shè)對于在10-3Pa或更低壓強(qiáng) 下所進(jìn)行的蒸發(fā)過程來說，與實(shí)際情形是非常 接近的。因此，可以說目前通常的蒸發(fā)裝置一 般都能滿足上述條件。 2021/3/10講解：XX34 常用的蒸發(fā)源 蒸發(fā)源的種類繁多，如點(diǎn)蒸發(fā)源、小平 面蒸發(fā)源、條狀蒸發(fā)源、環(huán)狀蒸發(fā)源等。下 面介紹兩種最常用的蒸發(fā)源。 1)點(diǎn)蒸發(fā)源 通常指能夠從各個(gè)方向蒸發(fā)等量材料的微 小球狀蒸發(fā)源。簡稱點(diǎn)源。 2)小平面蒸發(fā)源 對于一個(gè)小平面蒸發(fā)源，其蒸發(fā)發(fā)射特 性具有方向性。即在與平面蒸發(fā)源的法線成 角方向上的蒸發(fā)量與cos成正比（ 亦為平面蒸發(fā) 源的法線

21、與蒸發(fā)源和dS之間的連線所構(gòu)成的角度）。 2021/3/10講解：XX35 1.點(diǎn)蒸發(fā)源的蒸發(fā)(或發(fā)射)特性 點(diǎn)蒸發(fā)源：一個(gè)很 小的球(點(diǎn)源)，向各個(gè) 方向的蒸發(fā)量相等。 點(diǎn)蒸發(fā)源時(shí)，接收平 面dS2與蒸發(fā)源的相對 位置如圖所示，圖中 r：接收平面dS2到蒸發(fā) 源的距離； ：dS2的法線與蒸發(fā) 源和dS2之間的連線所 構(gòu)成的角度。 一、理論分布 圖2-3 2021/3/10講解：XX36 假設(shè)一個(gè)點(diǎn)蒸發(fā)源,以每秒m克的相同蒸 發(fā)速率向各個(gè)方向蒸發(fā)，則在單位時(shí)間內(nèi)， 蒸發(fā)到一小的接收平面(面積為ds2)上的膜材 量dm為： dm=C1mcos dS/r2 (式3) 式中r：接收平面dS到蒸發(fā)源的

22、距離； ：dS的法線與蒸發(fā)源和dS之間的連線所構(gòu)成的 角度； C1：比例常數(shù)，它可以通過在整個(gè)接收面上的積分 求出，其值為1/4（整個(gè)球面的空間立體角為4 ）。 于是， dm=mcos dS/(4r2) (式4) 2021/3/10講解：XX37 2.小平面蒸發(fā)源的蒸發(fā)(或發(fā)射)特性 對于一個(gè)小平面蒸發(fā)源， 其蒸發(fā)發(fā)射特性具有方向性。 小平面蒸發(fā)源時(shí)，接收平 面dS2與蒸發(fā)源的相對位置如 圖所示，圖中 ：平面蒸發(fā)源的法線與蒸發(fā)源 和dS之間的連線所構(gòu)成的角 度。 r：接收平面dS上被觀察膜厚點(diǎn) 到蒸發(fā)源的距離； ：dS的法線與蒸發(fā)源和dS之間 的連線所構(gòu)成的角度。 圖2-4 2021/3/10

23、講解：XX38 對于一個(gè)小平面蒸發(fā)源，其蒸發(fā)發(fā)射特性 具有方向性。 當(dāng)平面蒸發(fā)源的法線與蒸發(fā)源和dS之間 的連線所構(gòu)成的角度為 時(shí)，在角方向上蒸 發(fā)的量與cos成正比。即遵從所謂余弦角度 分布規(guī)律。 因此， (式3)應(yīng)改為： dm=C2mcos cos dS/r2 (式5) 對平面蒸發(fā)源，蒸發(fā)僅限于蒸發(fā)源平面正 面的半球面內(nèi)。積分 (式5) ，即可得C2=1， 于是有： dm=mcos cos dS/ (r2) (式6) 2021/3/10講解：XX39 3.點(diǎn)蒸發(fā)源和小平面蒸發(fā)源時(shí)的膜厚分布 假設(shè)沉積薄膜的密度為，則膜厚t的表示 式為： 點(diǎn)蒸發(fā)源： t=mcos/ (4r2) (式7) 小平

24、面蒸發(fā)源： t= mcos cos/ (r2) (式8) 假設(shè)t0表示蒸發(fā)源法線方向上的膜厚 (即=0， cos=1) ，顯然t0是基板平面內(nèi)所得到的最大蒸發(fā)膜 厚： 點(diǎn)蒸發(fā)源： t0=m/ (4r2) (式9) 小平面蒸發(fā)源(當(dāng)dS在小平面源正上方時(shí)=0,=0)： t0= m/ (r2) (式10) 2021/3/10講解：XX40 假設(shè)t0表示蒸發(fā)源法線方向上的膜厚，則 垂直于法線的平面上膜厚分布t/ t0如圖2-5所 示。 4.淀積膜厚在平面上的分布（圖2-5） 注意：1. t0是剛好在蒸發(fā)源下面的厚度 2. 接收表面是一個(gè)平面 2021/3/10講解：XX41 上圖中比較了點(diǎn)蒸發(fā)源與小

25、平面蒸發(fā)源 兩者的相對厚度分布曲線。 另外，比較式(式9)和 (式10)可以看出， 兩種源在基片上所淀積的膜層厚度，雖然 很近似，但是由于蒸發(fā)源不同，在給定蒸 發(fā)材料、蒸發(fā)源和源-基距的情況下，平面 蒸發(fā)源的最大厚度可為點(diǎn)蒸發(fā)源的四倍左 右。 2021/3/10講解：XX42 二、獲得均勻膜厚的方法 1、蒸發(fā)源與基板的相對位置配置 （1）點(diǎn)源與基板相對位置的配置 為了在被鍍工件表面得到厚度 均勻的薄膜，當(dāng)蒸發(fā)源能視作為點(diǎn) 蒸發(fā)源時(shí)，被鍍膜的面必須安排在 和蒸發(fā)源同心的球體面上。 如圖2-6。 2021/3/10講解：XX43 圖2-6 點(diǎn)蒸發(fā)源的等膜厚面 1基片 2球面工件架 3點(diǎn)蒸發(fā)源 此時(shí)

26、，膜厚 t=m/(4r2) 2021/3/10講解：XX44 此時(shí)，膜厚 t=m/(4r2) 在這種情況下，膜厚僅與蒸 發(fā)材料的性質(zhì)（材料密度）、球 體半徑 r 值的大小以及蒸發(fā)源所蒸 發(fā)出來的質(zhì)量（m 為材料蒸發(fā)速 率：g/s）有關(guān)。這種球面布置在 理論上保證了膜厚的均勻性。 2021/3/10講解：XX45 (2)小平面源與基板相對位置的配置 當(dāng)小平面蒸發(fā)源為球形工件架的 一部分時(shí)，該小平面蒸發(fā)源蒸發(fā)時(shí)， 在內(nèi)球體表面上的膜厚分布是均勻 的。如圖2-7。 由式8： t= mcos cos/ (r2) 當(dāng) = 時(shí)，從圖2-7可知r=2Rcos， 將其代入式8，則得t=m/(4R2) 2021

27、/3/10講解：XX46 圖2-7 小平面蒸發(fā)源的等膜厚面 1基片 2球面工件架 3小平面蒸發(fā)源 t= mcos cos/ (r2) 當(dāng) = 時(shí)，r=2Rcos t=m/(4R2) 2021/3/10講解：XX47 此時(shí)，膜厚t=m/(4R2) 在這種情況下，膜厚t的分布與 角無關(guān)。 所以對應(yīng)于一定半徑R的球形 工件架(此時(shí)源基距為r=2Rcos)來 說，其內(nèi)表面的膜厚只取決于蒸發(fā) 材料的性質(zhì) 、R值的大小及蒸發(fā)源 所蒸發(fā)出來的材料的質(zhì)量m的多少。 2021/3/10講解：XX48 （3）小面積基板時(shí)蒸發(fā)源的位量配置 如果被蒸鍍的面 積比較小，這時(shí)可 將蒸發(fā)源直接配置 于基板的中心線上， 基板

28、距蒸發(fā)源高度 H可取為H(1 1.5)D，如右圖所示。 D為基板直徑尺寸。 圖2-8 小面積蒸鍍時(shí)蒸發(fā)源的配置 2021/3/10講解：XX49 （4）大面積基板和蒸發(fā)源的配置 為了在較大平板形基板上獲得均勻的膜 厚，除可采用使基板公轉(zhuǎn)加自轉(zhuǎn)的“行星 方式外，采用多個(gè)分離的點(diǎn)源來代替單一點(diǎn) 源或小平面蒸發(fā)源是一種最簡便的方法。這 時(shí)蒸發(fā)膜厚的分布表達(dá)式如下： =(tmax-tmin)/t0 式中 ， 為x 1/2 范圍內(nèi)的膜厚最大 相對偏差，x是基板尺寸； tmax和 tmin分別為x 1/2 范圍內(nèi)的最 大和最小膜厚； t0為x=0（原點(diǎn)）處的膜厚。 2021/3/10講解：XX50 1、使

29、用4個(gè)蒸發(fā)源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：分別改變 4個(gè)源之間的間隔和蒸發(fā)速率，發(fā)現(xiàn) 在基片上x方向膜厚的均勻性有明顯 變化?？梢?，蒸發(fā)源的位置和蒸發(fā)速 率對膜厚均勻性有較明顯的影響。 2、 實(shí)踐中，上述安排有時(shí)會有困難， 因此更多地是采用旋轉(zhuǎn)被鍍工件的方 法。 舉例如下圖所示。 2021/3/10講解：XX51 圖2-9 旋轉(zhuǎn)載盤裝置示意圖圖2-10 旋轉(zhuǎn)載盤給出的 膜厚分布曲線 Z：轉(zhuǎn)軸， h：蒸發(fā)源與轉(zhuǎn)盤之間的距離， R：蒸發(fā)源與轉(zhuǎn)軸之間的距離， 2021/3/10講解：XX52 圖2-11 行星式載盤裝置示意圖 圖2-11為光學(xué)薄膜鍍 膜設(shè)備中的行星式載盤裝 置示意圖。 圖中 O：載盤公轉(zhuǎn)軸 ； O1，O

30、2，O3：載盤自轉(zhuǎn)軸。 2021/3/10講解：XX53 圖2-12 行星式工件架示意圖 圖2-12為大型真空 鍍膜設(shè)備中的行星式工 件架示意圖。 圖中 1：被鍍工件； 2：工件夾； 3：工件夾支撐桿； 4：蒸發(fā)源。 2021/3/10講解：XX54 在圖2-11所示的光學(xué)薄膜鍍膜設(shè)備 中的行星式載盤裝置，以及如圖2-12所 示的大型真空鍍膜設(shè)備中的行星式工 件架中，由于被鍍工件相對于蒸發(fā)源 有公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)，使被鍍表面的各個(gè)部 份都有可能進(jìn)入小入射角區(qū)域，減輕 了陰影效應(yīng)，因此膜厚分布更均勻。 2021/3/10講解：XX55 2-3 蒸發(fā)源的類型 蒸發(fā)源是蒸發(fā)裝置的關(guān)鍵部件。 大多數(shù)金屬材料都

31、要求在1000 -2000的高溫下蒸發(fā)。因此，必須將 蒸發(fā)材料加熱到很高的蒸發(fā)溫度。 最常用的加熱方式有：電阻法，電 子束法、高頻法等。另外還有閃爍蒸發(fā)、 激光熔融蒸發(fā)、弧光蒸發(fā)等方法。 相應(yīng)地有多種蒸發(fā)源。 2021/3/10講解：XX56 一、電阻蒸發(fā)源 電阻加熱蒸發(fā)法：采用鉭、鉬、鎢等高 熔點(diǎn)金屬，做成適當(dāng)形狀的蒸發(fā)源，其上裝 入待蒸發(fā)材料，讓電流通過，對蒸發(fā)材料進(jìn) 行直接加熱蒸發(fā)，或者把待蒸發(fā)材料放入 Al2O3等坩堝中進(jìn)行間接加熱蒸發(fā)。 由于電阻加熱蒸發(fā)源結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)廉易 作，故應(yīng)用普遍。 采用電阻加熱法時(shí)應(yīng)考慮蒸發(fā)源的材料 和形狀。 2021/3/10講解：XX57 1蒸發(fā)源材料

32、通常對蒸發(fā)源材料的要求是： (1)熔點(diǎn)要高：蒸發(fā)源材料的熔點(diǎn)須高于 待蒸發(fā)材料的蒸發(fā)溫度（飽和蒸氣壓為 10-2托時(shí)的溫度）。 (2)飽和蒸氣壓低：待蒸發(fā)材料的蒸發(fā)溫 度低于蒸發(fā)源材料在平衡蒸氣壓為10-8 托時(shí)的溫度(在雜質(zhì)較多的情況下，可 采用與10-5托所對應(yīng)的溫度)。 2021/3/10講解：XX58 (3)化學(xué)性能穩(wěn)定：在高溫下不應(yīng) 與蒸發(fā)材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或擴(kuò)散而 形成低共熔點(diǎn)合金。 (4)具有良好的耐熱性，熱源變化 時(shí)，功率密度變化較小。 (5)原料豐富，經(jīng)濟(jì)耐用。 2021/3/10講解：XX59 2蒸鍍材料對蒸發(fā)源材料的 “濕潤性” 在選擇蒸發(fā)源材料時(shí)，還必須考慮 蒸鍍材料與蒸

33、發(fā)源材料的“濕潤性”問 題。 高溫熔化的蒸鍍材料在蒸發(fā)源上有 擴(kuò)展傾向時(shí)，可以說是容易濕潤的；反 之，如果在蒸發(fā)源上有凝聚而接近于形 成球形的傾向時(shí)，就可以認(rèn)為是難于濕 潤的。 2021/3/10講解：XX60 在濕潤的情況下，由于材料的蒸 發(fā)是從大的表面上發(fā)生的且比較穩(wěn)定， 所以可認(rèn)為是面蒸發(fā)源的蒸發(fā)；在濕 潤小的時(shí)候，一般可認(rèn)為是點(diǎn)蒸發(fā)源 的蒸發(fā)。 另外，如果容易發(fā)生濕潤，蒸發(fā) 材料與蒸發(fā)源十分親合，因而蒸發(fā)狀 態(tài)穩(wěn)定；如果是難以濕潤的，在采用 絲狀蒸發(fā)源時(shí)，蒸發(fā)材料就容易從蒸 發(fā)源上掉下來。（例如Ag在鎢絲上熔化后 就會脫落，而Al則不會。） 2021/3/10講解：XX61 二、電子束

34、蒸發(fā)源 1、電子束加熱原理 電子束加熱原理是基于電子在電 場作用下，獲得動能轟擊到處于陽極 的蒸發(fā)材料上，使蒸發(fā)材料加熱氣化， 而實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)鍍膜。 2021/3/10講解：XX62 2、電子束蒸發(fā)源的優(yōu)點(diǎn)(1/2) (1)能量密度大、蒸發(fā)速率高 電子束轟擊熱源的束流密度高，能獲 得遠(yuǎn)比電阻加熱源更大的能量密度。可 在一個(gè)較大的面積上達(dá)到104-109W/cm2的 功率密度,因此可以使高熔點(diǎn)(可高達(dá) 3000以上)材料蒸發(fā)，并且能有較高的 蒸發(fā)速率。如蒸發(fā)W、Mo、Ge、SiO2、 Al2O3等。 2021/3/10講解：XX63 2、電子束蒸發(fā)源的優(yōu)點(diǎn)(2/2) (2)鍍膜純度高 由于被蒸發(fā)材料

35、是置于水冷坩堝內(nèi)，因而 可避免容器材料的蒸發(fā)，以及容器材料與蒸 鍍材料之間的反應(yīng)，這對提高鍍膜的純度極 為重要。 (3)熱效率高 熱量可直接加到蒸鍍材料的表面，因而 熱效率高，熱傳導(dǎo)和熱輻射的損失少。 2021/3/10講解：XX64 3、電子束蒸發(fā)源的缺點(diǎn) 電子束加熱源的缺點(diǎn)是電子槍 發(fā)出的一次電子和蒸發(fā)材料發(fā)出的 二次電子會使蒸發(fā)原子和殘余氣體 分子電離，這有時(shí)會影響膜層質(zhì)量。 2021/3/10講解：XX65 4、 電子束蒸發(fā)源的結(jié)構(gòu)型式 可通過設(shè)計(jì)和選用不同結(jié)構(gòu)的電子 槍來克服以上缺點(diǎn)。 （1） 直槍： 是一種軸對稱的直線加速電子槍， 電子從陰極燈絲發(fā)射，聚焦成細(xì)束，經(jīng) 陽極加速后轟擊

36、在坩堝中，使蒸發(fā)材料 熔化和蒸發(fā)。其功率從幾百到幾千瓦都 有。 2021/3/10講解：XX66 （2）e槍： e型電子槍即270度偏轉(zhuǎn)的電子槍，它克 服了直槍的缺點(diǎn)，是目前用得較多的電子 束蒸發(fā)源。 所謂e型是由電子運(yùn)動軌跡而得名的。 由于入射電子與蒸發(fā)原子相碰撞而游離出 來的正離子，在偏轉(zhuǎn)磁場作用下，產(chǎn)生與 入射電子相反方向的運(yùn)動，因而避免了直 槍中正離子對蒸鍍膜層的污染。同時(shí)e型槍 也大大減少了二次電子(高能電子轟擊材料 表面所產(chǎn)生的電子)對基板轟擊的幾率。 2021/3/10講解：XX67 5、e型電子槍的工作原理 1發(fā)射體 2一陽極 3一電磁線圈 4一水冷坩堝 5一收集極 6一吸收極

37、 7一電子軌跡 8一正離子軌跡 9一散射電子軌跡 10一等離子體。 圖2-13 2021/3/10講解：XX68 由于e型槍能有效地抑制二次電子， 可方便地通過改變磁場來調(diào)節(jié)電子束的 轟擊位置。再加上在結(jié)構(gòu)上采用內(nèi)藏式 陰極，既防止了極間放電，又避免了燈 絲污染。目前e型槍已逐漸取代了直槍和 環(huán)形槍。 2021/3/10講解：XX69 三、高頻感應(yīng)蒸發(fā)源 高頻感應(yīng)蒸發(fā)源是將裝有蒸發(fā)材 料（金屬的）的坩堝放在高頻螺旋線 圈的中央，使蒸發(fā)材料在高頻電磁場 的感應(yīng)下產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流損失和磁滯 損失(對鐵磁體)，致使蒸發(fā)材料升溫， 直至氣化蒸發(fā)。 2021/3/10講解：XX70 1、高頻感應(yīng)蒸發(fā)源的優(yōu)

38、點(diǎn) (1)蒸發(fā)速率大，可比電阻蒸發(fā)源大10倍左右； (2)蒸發(fā)源的溫度均勻穩(wěn)定，不易產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象； (3)蒸發(fā)材料是金屬時(shí)，蒸發(fā)材料可產(chǎn)生熱量。 因此坩堝可選用和蒸發(fā)材料反應(yīng)最小的材料； (4)蒸發(fā)源一次裝料，無需送料機(jī)構(gòu)，溫度控制 比較容易，操作比較簡單。 2021/3/10講解：XX71 2、高頻感應(yīng)蒸發(fā)源的缺點(diǎn) （1） 蒸發(fā)裝置必須屏蔽，并需要較復(fù)雜 和昂貴的高頻發(fā)生器； （2）如果線圈附近的壓強(qiáng)超過102Pa， 高頻場就會使殘余氣體電離，使功耗增 大。 2021/3/10講解：XX72 2-4 合金及化合物的蒸發(fā) 對于兩種以上元素組成的合金 或化合物，在蒸發(fā)時(shí)如何控制成分， 以獲得與蒸

39、發(fā)材料化學(xué)比一致的膜 層，是十分重要的問題。 2021/3/10講解：XX73 一、合金的蒸發(fā) 蒸發(fā)二元以上的合金及化合物的主 要問題，是蒸發(fā)材料在氣化過程中，由 于各成分的飽和蒸氣壓不同，使得其蒸 發(fā)速率也不同，會發(fā)生分解和分餾，從 而引起薄膜成分的偏離。 為解決此問題， 在用真空蒸發(fā)法制 作預(yù)定組成的合金薄膜時(shí)，經(jīng)常采用瞬 時(shí)蒸發(fā)法、雙蒸發(fā)源法及合金升華法等。 2021/3/10講解：XX74 1瞬時(shí)蒸發(fā)法 瞬時(shí)蒸發(fā)法又稱“閃爍”蒸發(fā)法。它是 將細(xì)小的合金顆粒，逐次送到非常熾熱的蒸 發(fā)器或坩堝中，使一個(gè)一個(gè)的顆粒實(shí)現(xiàn)瞬間 完全蒸發(fā)。如果顆粒尺寸很小，幾乎能對任 何成分進(jìn)行同時(shí)蒸發(fā)，故瞬時(shí)蒸

40、發(fā)法常用于 合金中元素的蒸發(fā)速率相差很大的場合。 優(yōu)點(diǎn)：能獲得成分均勻的薄膜，可以進(jìn) 行摻雜蒸發(fā)等。 缺點(diǎn)：蒸發(fā)速率難于控制，且蒸發(fā)速率 不能太快。 2021/3/10講解：XX75 2雙源或多源蒸發(fā)法 這種蒸發(fā)法是將所要形成合金膜的 每一個(gè)成分，分別裝入各自的蒸發(fā)源中， 然后獨(dú)立地控制各蒸發(fā)源的蒸發(fā)速率， 使到達(dá)基板的各種原子與所需合金薄膜 的組成相對應(yīng)。為使薄膜厚度分布均勻， 基板常需要進(jìn)行轉(zhuǎn)動。 2021/3/10講解：XX76 二、化合物的蒸發(fā) 化合物的蒸發(fā)方法有三種： (1)電阻加熱法； (2)反應(yīng)蒸發(fā)法； (3)雙源或多源蒸發(fā)法三溫度法和分子束外 延法。 反應(yīng)蒸發(fā)法主要用于制備高熔

41、點(diǎn)的絕緣 介質(zhì)薄膜，如氧化物、氮化物和硅化物等。 三溫度法和分子束外延法主要用于制作 單晶半導(dǎo)體化合物薄膜，特別是-族化合 物半導(dǎo)體薄膜、超晶格薄膜以及各種單晶外 延薄膜等。 2021/3/10講解：XX77 1、反應(yīng)蒸發(fā)法 所謂反應(yīng)蒸發(fā)法就是將活性氣體導(dǎo) 入真空室，使活性氣體的原子、分子和 從蒸發(fā)源逸出的蒸發(fā)金屬原子、低價(jià)化 合物分子在基板表面淀積過程中發(fā)生反 應(yīng),從而形成所需高價(jià)化合物薄膜的方 法。例如在空氣或氧氣氛中蒸發(fā) SiO制 得SiO 2 薄膜，在Ar-N2 氣氛中得到AlN 薄膜等。 2021/3/10講解：XX78 2、三溫度法 三溫度法從原理上講，它就是雙蒸發(fā)源 蒸發(fā)法。當(dāng)把

42、族化合物半導(dǎo)體材料置 于坩堝內(nèi)加熱蒸發(fā)時(shí)，溫度在沸點(diǎn)以上，半 導(dǎo)體材料就會發(fā)生熱分解，分餾出組分元素。 因此，淀積在基板上的膜層會偏離化合物的 化學(xué)計(jì)量比。由于族元素的蒸氣壓比族 元素大得多，所以發(fā)展了三溫度蒸發(fā)法。 所謂三溫度法，就是分別控制低蒸氣壓 元素()的蒸發(fā)源溫度T 、高蒸氣壓元素() 的蒸發(fā)源溫度T和基板溫度Ts(一共三個(gè)溫度)。 它實(shí)際上相當(dāng)于在V族元素的氣氛中蒸發(fā)族 元素。因此，從這個(gè)意義講也相似于反應(yīng)蒸 鍍法。 2021/3/10講解：XX79 圖2-14 三溫度法原理圖 2021/3/10講解：XX80 3分子束外延鍍膜法(MBE) 外延是一種制備單晶薄膜的新技術(shù)，它 是在

43、適當(dāng)?shù)囊r底與合適條件下，沿襯底材料 晶軸方向生長一層結(jié)晶結(jié)構(gòu)完整的新單晶層 薄膜的方法，故稱此工藝為外延，新生單晶 層叫做外延層。典型的外延方法有液相外延 法、氣相外延法和分子束外延法。 外延薄膜和襯底屬于同一物質(zhì)的稱“同 質(zhì)外延”，兩者不相同的稱為“異質(zhì)外延”。 2021/3/10講解：XX81 分子束外延 分子束外延(MBE)是新發(fā)展起來的外延 制膜方法。也是一種特殊的真空鍍膜工藝。 它是在超高真空條件下，將薄膜諸組分元素 的分子束流，直接噴到襯底表面，從而在其 上形成外延層的技術(shù)。是種將原子(或分子) 一個(gè)一個(gè)地直接在襯底上進(jìn)行淀積的方法。 其突出的優(yōu)點(diǎn)是能生長極薄的單晶膜層， 且能夠精

44、確控制膜厚、組分和摻雜。適于制 作微波、光電和多層結(jié)構(gòu)器件，從而為集成 光學(xué)和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展提供了有效 手段。 2021/3/10講解：XX82 分子束外延制膜方法的特點(diǎn)（1/3） (1)生長過程可控 MBE雖然也是一個(gè)以氣體分子論為基礎(chǔ) 的蒸發(fā)過程，但它并不以蒸發(fā)溫度為控制參 數(shù)，而是用系統(tǒng)中的四極質(zhì)譜儀、原子吸收 光譜等近代分析儀器，精密地監(jiān)控分子束的 種類和強(qiáng)度，從而嚴(yán)格控制生長過程與生長 速率。 (2)膜的組分和摻雜濃度調(diào)整迅速 MBE是一個(gè)超高真空的物理淀積過程， 既不需要考慮中間化學(xué)反應(yīng)，又不受質(zhì)量傳 輸?shù)挠绊?，并且利用快門可對生長和中斷進(jìn) 行瞬時(shí)控制。因此，膜的組分和摻雜濃度可 隨源的變化作迅速調(diào)整。 2021/3/10講解：XX83 分子束外延制膜方法的特點(diǎn)（ 2/3 ） (3)MBE的襯底溫度低 因此降低了界面上熱膨 脹引入的晶格失配效應(yīng)和襯底雜質(zhì)對外延層 的自摻雜擴(kuò)散影響。 (4)可制按照普通熱平衡生長法難以生長的薄膜 MBE是一個(gè)動力學(xué)過程，即將入射的中 性粒子(原子或分子)一個(gè)一個(gè)地堆積在襯底上 進(jìn)行生長，而不是一個(gè)熱力學(xué)過程，所以它 可生長按照普通熱平衡生