第3-1章 薄膜的物理氣相沉積(Ⅰ)-蒸發(fā)法

1、第第3-1章章 薄膜的物理氣相沉積薄膜的物理氣相沉積 蒸發(fā)法蒸發(fā)法3.1.1 引言引言v 薄膜生長(zhǎng)方法是獲得薄膜的關(guān)鍵。薄膜材料的質(zhì)量和性能不薄膜生長(zhǎng)方法是獲得薄膜的關(guān)鍵。薄膜材料的質(zhì)量和性能不僅依賴(lài)于薄膜材料的化學(xué)組成，而且與薄膜材料的制備技術(shù)僅依賴(lài)于薄膜材料的化學(xué)組成，而且與薄膜材料的制備技術(shù)有強(qiáng)烈的依賴(lài)關(guān)系。有強(qiáng)烈的依賴(lài)關(guān)系。v 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和各學(xué)科之間的相互交叉隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和各學(xué)科之間的相互交叉, 相繼出現(xiàn)了相繼出現(xiàn)了一些新的薄膜制備技術(shù)。這些薄膜制備方法的出現(xiàn)一些新的薄膜制備技術(shù)。這些薄膜制備方法的出現(xiàn), 不僅使不僅使薄膜的質(zhì)量在很大程度上得以改善薄膜的質(zhì)量在很大程度上得

2、以改善, 而且為發(fā)展一些新型的而且為發(fā)展一些新型的薄膜材料提供了必要的制備技術(shù)。薄膜材料提供了必要的制備技術(shù)。桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 3. 1.1 引言引言桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 3. 1.2 真空鍍膜技術(shù)發(fā)展的三個(gè)臺(tái)階真空鍍膜技術(shù)發(fā)展的三個(gè)臺(tái)階 真空鍍膜法是一類(lèi)重要的優(yōu)秀制膜方法，它在微電子、電子材真空鍍膜法是一類(lèi)重要的優(yōu)秀制膜方法，它在微電子、電子材料與元器件等電子工業(yè)，鐘表工業(yè)，照相機(jī)等光學(xué)工業(yè)，窗玻料與元器件等電子工業(yè)，鐘表工業(yè)，照相機(jī)等光學(xué)工業(yè)，窗玻璃等建材工業(yè)中已經(jīng)成為一項(xiàng)不可缺少的重要技術(shù)。此外，在璃等建材工業(yè)中已經(jīng)成為一項(xiàng)不可缺少的重要技術(shù)。此外，在

3、以電子信息產(chǎn)業(yè)為代表的高新技術(shù)中，真空鍍膜技術(shù)起著舉足以電子信息產(chǎn)業(yè)為代表的高新技術(shù)中，真空鍍膜技術(shù)起著舉足輕重的作用輕重的作用。桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 3. 1.3 薄膜制備方法的分類(lèi)薄膜制備方法的分類(lèi) 薄膜的制備方法可分為：薄膜的制備方法可分為： 1、從基板上堆積的方法；、從基板上堆積的方法； 2、從基板表面向內(nèi)部加入其他材料，形成不同于基板的薄層。、從基板表面向內(nèi)部加入其他材料，形成不同于基板的薄層。 也可分為：也可分為： 1、氣相法、氣相法 PVD：Physical Vapor Deposition，不伴隨化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，不伴隨化學(xué)反應(yīng)發(fā)生 CVD：Chemical Vap

4、or Deposition，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 2、非氣相法（主要是液相）、非氣相法（主要是液相）桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 3. 1.3 物理氣相沉積分類(lèi)物理氣相沉積分類(lèi)PVD第一類(lèi)第二類(lèi)蒸發(fā)(Evaporation)濺射(Sputtering)離子鍍(Ion plating)脈沖激光沉積(Pulsed laser deposition)桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 3. 1.4 物理氣相沉積物理氣相沉積桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 利用某種物理過(guò)利用某種物理過(guò)程，如物質(zhì)的熱蒸程，如物質(zhì)的熱蒸發(fā)或在受到粒子轟發(fā)或在受到粒子轟擊時(shí)物質(zhì)表面原子擊時(shí)物質(zhì)表面原子的

5、濺射等現(xiàn)象，實(shí)的濺射等現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)原子從源物現(xiàn)物質(zhì)原子從源物質(zhì)到薄膜的可控轉(zhuǎn)質(zhì)到薄膜的可控轉(zhuǎn)移的過(guò)程。移的過(guò)程。塊狀材料 (靶材)薄膜物質(zhì)輸運(yùn)能量輸運(yùn)能量襯襯 底底3. 1.5 真空蒸發(fā)鍍膜的原理真空蒸發(fā)鍍膜的原理桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 基板基板原材料原材料在真空中加熱在真空中加熱 真空真空真空蒸發(fā)為什么需要真空：真空蒸發(fā)為什么需要真空： a、增大，增大， 源基距，源基距，淀積淀積 粒子直線運(yùn)動(dòng)粒子直線運(yùn)動(dòng) b、防止氧化等化學(xué)反應(yīng)。、防止氧化等化學(xué)反應(yīng)。 c、提高膜層質(zhì)量、提高膜層質(zhì)量 d、降低蒸發(fā)溫度、降低蒸發(fā)溫度3. 1.5 真空蒸發(fā)鍍膜的原理真空蒸發(fā)鍍膜的原理桂林電子科技

6、大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 真空蒸發(fā)鍍膜法真空蒸發(fā)鍍膜法( (簡(jiǎn)稱(chēng)真空簡(jiǎn)稱(chēng)真空蒸鍍蒸鍍) )是在真空室中，加熱蒸是在真空室中，加熱蒸發(fā)容器中待形成薄膜的原材發(fā)容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子從表面料，使其原子或分子從表面氣化逸出，形成蒸氣流，入氣化逸出，形成蒸氣流，入射到基片表面，凝結(jié)形成固射到基片表面，凝結(jié)形成固態(tài)薄膜的方法。態(tài)薄膜的方法。 方法的核心點(diǎn)：方法的核心點(diǎn)：鍍膜材料通鍍膜材料通過(guò)物理方法輸運(yùn)到基體的表過(guò)物理方法輸運(yùn)到基體的表面面, ,形成薄膜；形成薄膜；3. 1.5 真空蒸發(fā)鍍膜的原理真空蒸發(fā)鍍膜的原理桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 真空蒸發(fā)鍍膜的真空蒸發(fā)鍍膜的基本過(guò)

7、程：基本過(guò)程：（1）加熱）加熱蒸發(fā)過(guò)程蒸發(fā)過(guò)程，凝聚相，凝聚相氣相氣相 該階段的主要作用因素：飽和蒸氣壓該階段的主要作用因素：飽和蒸氣壓（2）輸運(yùn)過(guò)程輸運(yùn)過(guò)程，氣化原子或分子在蒸發(fā)源與基片之間的輸運(yùn)，氣化原子或分子在蒸發(fā)源與基片之間的輸運(yùn) 該階段的主要作用因素：分子的平均自由程，源該階段的主要作用因素：分子的平均自由程，源基距基距（3）基片表面的）基片表面的淀積過(guò)程淀積過(guò)程，氣相，氣相固相固相 凝聚凝聚成核成核核生長(zhǎng)核生長(zhǎng)連續(xù)薄膜連續(xù)薄膜熱蒸發(fā)熱蒸發(fā)裝置裝置加熱絲、舟或坩堝加熱絲、舟或坩堝襯底架襯底架玻璃鐘罩玻璃鐘罩真空泵真空泵厚度監(jiān)控儀厚度監(jiān)控儀充氣管道充氣管道襯底襯底Plume桂林電子科技

8、大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 3. 1.5 真空蒸發(fā)鍍膜的原理真空蒸發(fā)鍍膜的原理加熱絲加熱舟坩堝盒狀源（Knudsen Cell）蒸發(fā)設(shè)備蒸發(fā)設(shè)備常用蒸發(fā)源常用蒸發(fā)源桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 3. 1.5 真空蒸發(fā)鍍膜的原理真空蒸發(fā)鍍膜的原理桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 常用蒸發(fā)材料形態(tài)常用蒸發(fā)材料形態(tài)3. 1.5 真空蒸發(fā)鍍膜的原理真空蒸發(fā)鍍膜的原理桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：成膜速度快：成膜速度快： 0.150m/min，設(shè)備較簡(jiǎn)單，操作容易；設(shè)備較簡(jiǎn)單，操作容易； 制得薄膜純度高；制得薄膜純度高；用掩?？色@得清晰圖形；用掩?？色@得清晰圖形； 薄膜生長(zhǎng)

9、機(jī)理較單純。薄膜生長(zhǎng)機(jī)理較單純。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 薄膜附著力較小薄膜附著力較小(入射粒子的動(dòng)能較小) 結(jié)晶不夠完善；結(jié)晶不夠完善； 工藝重復(fù)性不夠好工藝重復(fù)性不夠好(大電流、低電壓的情況下加熱，大電流不易控制；蒸發(fā)溫度對(duì)蒸發(fā)速率影響較大,成膜速率不易控制） ； 膜厚不易控制；膜厚不易控制； 薄膜質(zhì)量不是很好薄膜質(zhì)量不是很好(存在蒸發(fā)器的污染（W、Mo、Ta容易與低熔點(diǎn)的金屬生成金屬間化合物或低熔點(diǎn)合金） 不能淀積高熔點(diǎn)的金屬和化合物不能淀積高熔點(diǎn)的金屬和化合物3. 1.5 真空蒸發(fā)鍍膜的原理真空蒸發(fā)鍍膜的原理3. 1.6 物質(zhì)的熱蒸發(fā)物質(zhì)的熱蒸發(fā)桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 對(duì)于每一種氣體

10、都有一個(gè)特定的溫度，高于此溫度時(shí)，氣體對(duì)于每一種氣體都有一個(gè)特定的溫度，高于此溫度時(shí)，氣體不能通過(guò)等溫壓縮而液化，這個(gè)溫度稱(chēng)為該氣體的臨界溫度。不能通過(guò)等溫壓縮而液化，這個(gè)溫度稱(chēng)為該氣體的臨界溫度。 溫度高于臨界溫度的氣態(tài)物質(zhì)稱(chēng)為氣體，低于臨界溫度溫度高于臨界溫度的氣態(tài)物質(zhì)稱(chēng)為氣體，低于臨界溫度的氣態(tài)物質(zhì)稱(chēng)為蒸氣。的氣態(tài)物質(zhì)稱(chēng)為蒸氣。 注意：注意：蒸氣不是理想氣體！只有在很低氣壓下，近似符蒸氣不是理想氣體！只有在很低氣壓下，近似符合理想氣體方程。合理想氣體方程。（1）氣體與蒸氣）氣體與蒸氣3. 1.6 物質(zhì)的熱蒸發(fā)物質(zhì)的熱蒸發(fā)桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 臨界溫度臨界溫度不是沸點(diǎn)！不是

11、沸點(diǎn)！ 熱蒸發(fā)：熱蒸發(fā)：蒸發(fā)材料在真空室中被加熱到足夠溫度時(shí)，其原子蒸發(fā)材料在真空室中被加熱到足夠溫度時(shí)，其原子或分子就會(huì)從表面逸出，或分子就會(huì)從表面逸出， 這種現(xiàn)象叫做熱蒸發(fā)。這種現(xiàn)象叫做熱蒸發(fā)。 飽和蒸汽壓：飽和蒸汽壓：在一定溫度下，真空室中蒸發(fā)材料的蒸汽在與在一定溫度下，真空室中蒸發(fā)材料的蒸汽在與固體或液體平衡過(guò)程固體或液體平衡過(guò)程*中中 所表現(xiàn)出的壓力，稱(chēng)為該溫度下的所表現(xiàn)出的壓力，稱(chēng)為該溫度下的飽和蒸汽壓。（它隨溫度升高而增大）飽和蒸汽壓。（它隨溫度升高而增大） *實(shí)際上在真空蒸發(fā)制薄時(shí)，因?yàn)檎婵帐覂?nèi)其它部位的溫度都實(shí)際上在真空蒸發(fā)制薄時(shí)，因?yàn)檎婵帐覂?nèi)其它部位的溫度都比蒸發(fā)源低得多，

12、蒸發(fā)原子或分子被凝結(jié)。因而不存在這種比蒸發(fā)源低得多，蒸發(fā)原子或分子被凝結(jié)。因而不存在這種平衡過(guò)程。平衡過(guò)程。3. 1.6 物質(zhì)的熱蒸發(fā)物質(zhì)的熱蒸發(fā)桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 3. 1.6 物質(zhì)的熱蒸發(fā)物質(zhì)的熱蒸發(fā)桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 飽和蒸氣壓：在一定溫度下，氣、固或氣、液兩相平衡時(shí)，飽和蒸氣壓：在一定溫度下，氣、固或氣、液兩相平衡時(shí)，蒸氣的壓力稱(chēng)為該物質(zhì)的飽和蒸氣壓。蒸氣的壓力稱(chēng)為該物質(zhì)的飽和蒸氣壓。飽和蒸氣壓與溫度無(wú)關(guān)，同一物質(zhì)在不同溫度下具有不同的飽和蒸氣壓飽和蒸氣壓與溫度無(wú)關(guān)，同一物質(zhì)在不同溫度下具有不同的飽和蒸氣壓。 飽和蒸氣壓飽和蒸氣壓一定溫度下，蒸發(fā)出來(lái)

13、的蒸氣分子的量一定溫度下，蒸發(fā)出來(lái)的蒸氣分子的量標(biāo)志著物質(zhì)的蒸發(fā)能力標(biāo)志著物質(zhì)的蒸發(fā)能力規(guī)定：物質(zhì)在飽和蒸氣壓為規(guī)定：物質(zhì)在飽和蒸氣壓為102Torr時(shí)的溫度時(shí)的溫度T，稱(chēng)為該物質(zhì)的蒸發(fā)溫度，稱(chēng)為該物質(zhì)的蒸發(fā)溫度飽和蒸氣壓表示物質(zhì)在某一個(gè)溫度下可能蒸發(fā)出來(lái)的蒸汽分子的量，是飽和蒸氣壓表示物質(zhì)在某一個(gè)溫度下可能蒸發(fā)出來(lái)的蒸汽分子的量，是蒸發(fā)的最大限度。物質(zhì)的飽和蒸氣壓越高。蒸發(fā)出來(lái)的量就越多。因此，蒸發(fā)的最大限度。物質(zhì)的飽和蒸氣壓越高。蒸發(fā)出來(lái)的量就越多。因此，飽和蒸氣壓標(biāo)志著物質(zhì)的蒸發(fā)能力。飽和蒸氣壓標(biāo)志著物質(zhì)的蒸發(fā)能力。 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)溫度在真空條件下物質(zhì)

14、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(guò)程也將大大縮短，蒸發(fā)速率顯著提高。也大大降低，蒸發(fā)過(guò)程也將大大縮短，蒸發(fā)速率顯著提高。 飽飽和蒸氣壓和蒸氣壓PV與溫度與溫度T的關(guān)系可以幫助我們合理地選擇蒸發(fā)材料的關(guān)系可以幫助我們合理地選擇蒸發(fā)材料及確定蒸發(fā)條件，因而對(duì)于薄膜制作技術(shù)有重要的實(shí)際意義。及確定蒸發(fā)條件，因而對(duì)于薄膜制作技術(shù)有重要的實(shí)際意義。一些常用物質(zhì)的飽和蒸氣壓與溫度的關(guān)系一些常用物質(zhì)的飽和蒸氣壓與溫度的關(guān)系桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 由圖中曲線知由圖中曲線知:a. 達(dá)到正常薄膜蒸發(fā)速率所達(dá)到正常薄膜蒸發(fā)速率所需溫度，即需溫度，即PV=1Pa時(shí)溫度；時(shí)溫度；b.

15、 蒸發(fā)速率隨溫度變化的敏蒸發(fā)速率隨溫度變化的敏感性；感性；c. 蒸發(fā)形式：蒸發(fā)溫度高于蒸發(fā)形式：蒸發(fā)溫度高于熔點(diǎn)，蒸發(fā)狀態(tài)是熔化的，熔點(diǎn)，蒸發(fā)狀態(tài)是熔化的，否則是升華。否則是升華。半導(dǎo)體元素的平衡蒸氣壓隨溫度的變化曲線半導(dǎo)體元素的平衡蒸氣壓隨溫度的變化曲線桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 在實(shí)際蒸發(fā)過(guò)程中，影響蒸發(fā)速度的因素有：在實(shí)際蒸發(fā)過(guò)程中，影響蒸發(fā)速度的因素有： 飽和蒸氣壓飽和蒸氣壓 溫度溫度 蒸發(fā)物質(zhì)的分子量蒸發(fā)物質(zhì)的分子量 表面清潔度表面清潔度 蒸發(fā)源的形狀等蒸發(fā)源的形狀等3. 1.7 元素蒸發(fā)速率元素蒸發(fā)速率桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 溫度溫度 例如例如Al：溫度變化

16、：溫度變化1%，蒸發(fā)速度變化，蒸發(fā)速度變化19% 蒸發(fā)物質(zhì)的分子量蒸發(fā)物質(zhì)的分子量 =5.83x10-2p(M/T)1/2 (g/cm2/sec) p(Torr) Al 蒸蒸發(fā)發(fā)：M=27g, =2.7g/cc , p=10-2Torr(T=1355K) 真空蒸真空蒸發(fā)發(fā)速度速度 R= 8.1x10-5 g/cm2 sec =3x10-5cm/sec (3000/sec) 3. 1.7 元素蒸發(fā)速率元素蒸發(fā)速率桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 1、如需精確控制蒸發(fā)速率，就必須精確控制源溫。、如需精確控制蒸發(fā)速率，就必須精確控制源溫。2、在加熱過(guò)程中應(yīng)當(dāng)注意避免過(guò)大的溫度梯度。、在加熱過(guò)程中

17、應(yīng)當(dāng)注意避免過(guò)大的溫度梯度。 本底真空度（表面清潔度）本底真空度（表面清潔度） 直接影響薄膜的純度直接影響薄膜的純度3. 1.7 元素蒸發(fā)速率元素蒸發(fā)速率桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 1. 殘留氣體的污染。殘留氣體的污染。2. 蒸發(fā)源物質(zhì)的純度；蒸發(fā)源物質(zhì)的純度；3. 加熱裝置、坩堝的污染；加熱裝置、坩堝的污染；單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的氣體的分子數(shù)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的氣體的分子數(shù)：mkTPnVNag24125時(shí)，時(shí)，10-5 Torr時(shí)時(shí)，Ng大約為大約為10151016個(gè)個(gè)/cm2s，此時(shí)蒸發(fā)原子與雜質(zhì)原子幾乎此時(shí)蒸發(fā)原子與雜質(zhì)原子幾乎 按按 1 ：1 到到 達(dá)基板達(dá)基板2.1

18、.2（1） 純?cè)?、合金的蒸發(fā)形式純?cè)?、合金的蒸發(fā)形式 1）以單個(gè)原子的形式蒸發(fā)進(jìn)入氣相：）以單個(gè)原子的形式蒸發(fā)進(jìn)入氣相： 將物質(zhì)加熱到物質(zhì)的熔點(diǎn)以上即可。大多數(shù)金屬的熱蒸發(fā)屬于將物質(zhì)加熱到物質(zhì)的熔點(diǎn)以上即可。大多數(shù)金屬的熱蒸發(fā)屬于這種情況。這種情況。 2）以原子團(tuán)的形式蒸發(fā)進(jìn)入氣相：）以原子團(tuán)的形式蒸發(fā)進(jìn)入氣相： 如如Cr、Ti、Mo、Fe、Si等物質(zhì)，在低于熔點(diǎn)的溫度下，等物質(zhì)，在低于熔點(diǎn)的溫度下，元素的平衡蒸氣壓已經(jīng)相對(duì)較高。這種情況下，可以直接利用元素的平衡蒸氣壓已經(jīng)相對(duì)較高。這種情況下，可以直接利用由固態(tài)物質(zhì)的升華現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)元素的氣相沉積。由固態(tài)物質(zhì)的升華現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)元素的氣相沉積。

19、 3）石墨）石墨C：沒(méi)有熔點(diǎn)，其升華所需的溫度又相當(dāng)高，在實(shí)踐中：沒(méi)有熔點(diǎn)，其升華所需的溫度又相當(dāng)高，在實(shí)踐中多利用石墨電極間的高溫放電過(guò)程來(lái)使碳元素發(fā)生蒸發(fā)。多利用石墨電極間的高溫放電過(guò)程來(lái)使碳元素發(fā)生蒸發(fā)。 由于原子間的結(jié)合力小于化合物中原子間的結(jié)合力，因此，合由于原子間的結(jié)合力小于化合物中原子間的結(jié)合力，因此，合金中各元素的蒸發(fā)過(guò)程可近似視為各元素相互獨(dú)立的蒸發(fā)過(guò)程，金中各元素的蒸發(fā)過(guò)程可近似視為各元素相互獨(dú)立的蒸發(fā)過(guò)程，就像純?cè)卣舭l(fā)過(guò)程一樣。但存在薄膜沉積成份偏析的問(wèn)題。就像純?cè)卣舭l(fā)過(guò)程一樣。但存在薄膜沉積成份偏析的問(wèn)題。2.1.1 元素蒸發(fā)速率元素蒸發(fā)速率3. 1.8 純?cè)?、?/p>

20、金與化合物的蒸發(fā)熱純?cè)?、合金與化合物的蒸發(fā)熱桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 2.1.2（2）化合物的熱蒸發(fā)）化合物的熱蒸發(fā) 問(wèn)題：?jiǎn)栴}： “在利用蒸發(fā)法制備化合物或合金薄膜時(shí)，為何常需在利用蒸發(fā)法制備化合物或合金薄膜時(shí)，為何常需要考慮薄膜成分偏離蒸發(fā)源成分要考慮薄膜成分偏離蒸發(fā)源成分” 薄膜成分偏離源物質(zhì)的原因：薄膜成分偏離源物質(zhì)的原因：（1）蒸發(fā)出來(lái)的物質(zhì)蒸氣可能不同；蒸發(fā)出來(lái)的物質(zhì)蒸氣可能不同；（2）氣相分子還可能發(fā)生一系列的化合與分解反應(yīng)。）氣相分子還可能發(fā)生一系列的化合與分解反應(yīng)。（3）對(duì)于初始成分確定的蒸發(fā)源來(lái)說(shuō)，組元蒸發(fā)速率之比將隨）對(duì)于初始成分確定的蒸發(fā)源來(lái)說(shuō)，組元蒸發(fā)速

21、率之比將隨著時(shí)間而發(fā)生變化。易于蒸發(fā)的組元優(yōu)先蒸發(fā)造成該組元不著時(shí)間而發(fā)生變化。易于蒸發(fā)的組元優(yōu)先蒸發(fā)造成該組元不斷貧化，進(jìn)而造成該組元蒸發(fā)速率的不斷下降。斷貧化，進(jìn)而造成該組元蒸發(fā)速率的不斷下降。2.1.1 元素蒸發(fā)速率元素蒸發(fā)速率3. 1.8 純?cè)?、化合物（或合金）蒸發(fā)熱純?cè)?、化合物（或合金）蒸發(fā)熱桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 解決辦法真空蒸鍍薄膜成份偏析的辦法：解決辦法真空蒸鍍薄膜成份偏析的辦法： （1）使用足量的物質(zhì)作為蒸發(fā)源，即盡量減小組元成分的相）使用足量的物質(zhì)作為蒸發(fā)源，即盡量減小組元成分的相對(duì)變化率；對(duì)變化率； （2）向蒸發(fā)容器內(nèi)不斷地、每次加入少量被蒸發(fā)物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)

22、）向蒸發(fā)容器內(nèi)不斷地、每次加入少量被蒸發(fā)物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)同步蒸發(fā)；同步蒸發(fā)； （3）加熱雙蒸發(fā)源或多蒸發(fā)源，分別控制和調(diào)節(jié)每個(gè)組元的）加熱雙蒸發(fā)源或多蒸發(fā)源，分別控制和調(diào)節(jié)每個(gè)組元的蒸發(fā)速率。蒸發(fā)速率。 如在利用蒸發(fā)法沉積如在利用蒸發(fā)法沉積-V化合物薄膜的情況下，可以使用所化合物薄膜的情況下，可以使用所謂的三溫度法，即分別設(shè)置低蒸氣壓的謂的三溫度法，即分別設(shè)置低蒸氣壓的族元素和蒸氣壓較族元素和蒸氣壓較高的高的V族元素的各自的蒸發(fā)溫度，同時(shí)調(diào)節(jié)薄膜沉積時(shí)的襯族元素的各自的蒸發(fā)溫度，同時(shí)調(diào)節(jié)薄膜沉積時(shí)的襯底溫度，以獲得所需的薄膜成分與薄膜組織。底溫度，以獲得所需的薄膜成分與薄膜組織。桂林電子科技大學(xué) 材

23、料科學(xué)與工程學(xué)院 3. 1.8 純?cè)?、化合物（或合金）蒸發(fā)熱純?cè)?、化合物（或合金）蒸發(fā)熱 1、影響薄膜厚度均勻性的因素：、影響薄膜厚度均勻性的因素： （1）薄膜沉積的方向性和陰影效應(yīng)）薄膜沉積的方向性和陰影效應(yīng) 物質(zhì)的蒸發(fā)源可分為：點(diǎn)蒸發(fā)源和面蒸發(fā)源，如下圖所示：物質(zhì)的蒸發(fā)源可分為：點(diǎn)蒸發(fā)源和面蒸發(fā)源，如下圖所示：3. 1.9 薄膜沉積的厚度均勻性和純度薄膜沉積的厚度均勻性和純度桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 直觀看來(lái)，在以點(diǎn)源為直觀看來(lái)，在以點(diǎn)源為中心的球面上，均可獲中心的球面上，均可獲得均勻膜厚，球面上可得均勻膜厚，球面上可放置許多基板。但實(shí)際放置許多基板。但實(shí)際上，作為點(diǎn)源，只

24、能放上，作為點(diǎn)源，只能放置少量鍍料，以其作蒸置少量鍍料，以其作蒸發(fā)源，難以制作厚膜以發(fā)源，難以制作厚膜以及在大量基板上成膜。及在大量基板上成膜。實(shí)用鍍膜技術(shù)多采用蒸實(shí)用鍍膜技術(shù)多采用蒸發(fā)舟或坩堝，其發(fā)射特發(fā)舟或坩堝，其發(fā)射特性可由小平面源來(lái)近似。性可由小平面源來(lái)近似。在真空蒸發(fā)鍍膜過(guò)程中，能否在基板上獲得均勻膜厚，是制膜的關(guān)在真空蒸發(fā)鍍膜過(guò)程中，能否在基板上獲得均勻膜厚，是制膜的關(guān)鍵問(wèn)題。鍵問(wèn)題。 圖圖2.6畫(huà)出了對(duì)于點(diǎn)蒸發(fā)源和面蒸源計(jì)算得出的薄膜相對(duì)沉積畫(huà)出了對(duì)于點(diǎn)蒸發(fā)源和面蒸源計(jì)算得出的薄膜相對(duì)沉積厚度隨襯底尺寸、襯底距離的變化規(guī)律?？芍?，點(diǎn)蒸發(fā)源所對(duì)厚度隨襯底尺寸、襯底距離的變化規(guī)律?？?/p>

25、知，點(diǎn)蒸發(fā)源所對(duì)應(yīng)的沉積均勻性稍好于面蒸源的情況。應(yīng)的沉積均勻性稍好于面蒸源的情況。桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 2.9 薄膜沉積的厚度均勻性和純度薄膜沉積的厚度均勻性和純度 改善薄膜厚度均勻性的方法：改善薄膜厚度均勻性的方法： 1）加大蒸發(fā)源到襯底表面的距離，但此法會(huì)降低沉積速率及）加大蒸發(fā)源到襯底表面的距離，但此法會(huì)降低沉積速率及增加蒸發(fā)材料損耗；增加蒸發(fā)材料損耗； 2）轉(zhuǎn)動(dòng)襯底；）轉(zhuǎn)動(dòng)襯底； 3 3）如果同時(shí)需要沉積多個(gè)樣品、且每個(gè)樣品的尺寸相對(duì)較?。┤绻瑫r(shí)需要沉積多個(gè)樣品、且每個(gè)樣品的尺寸相對(duì)較小時(shí)，可以考慮采取圖時(shí)，可以考慮采取圖2.72.7所示的襯底放置方法來(lái)改善樣品間薄

26、所示的襯底放置方法來(lái)改善樣品間薄膜厚度的差別。膜厚度的差別。此時(shí)，此時(shí)，cos = cos (1/2)r/r0 ，其中，其中r0 是相應(yīng)圓周的半徑，此時(shí)，式是相應(yīng)圓周的半徑，此時(shí)，式2-13簡(jiǎn)化為：簡(jiǎn)化為： （2-14） 此時(shí)，所沉積的薄膜的厚度與角度此時(shí)，所沉積的薄膜的厚度與角度 、 無(wú)關(guān)。無(wú)關(guān)。204 rMdAdMess桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 （2）陰影效應(yīng)對(duì)薄膜厚度均勻性的影響）陰影效應(yīng)對(duì)薄膜厚度均勻性的影響 1 1）當(dāng)蒸發(fā)源與襯底之間存在某種障礙物時(shí)，沉積過(guò)程將會(huì)產(chǎn)）當(dāng)蒸發(fā)源與襯底之間存在某種障礙物時(shí)，沉積過(guò)程將會(huì)產(chǎn)生陰影效應(yīng)，即蒸發(fā)出來(lái)的物質(zhì)將被障礙物阻擋而不能沉積到生

27、陰影效應(yīng)，即蒸發(fā)出來(lái)的物質(zhì)將被障礙物阻擋而不能沉積到襯底上，可能破壞薄膜沉積的均勻性。襯底上，可能破壞薄膜沉積的均勻性。 2）襯底不平或表面有浮突時(shí)，由于蒸發(fā)源方向性限制，造成）襯底不平或表面有浮突時(shí)，由于蒸發(fā)源方向性限制，造成有些部位沒(méi)有物質(zhì)沉積，如圖有些部位沒(méi)有物質(zhì)沉積，如圖2.8(a)。 3）選擇性沉積，在蒸發(fā)沉積時(shí)，有目的地使用一些特定形狀）選擇性沉積，在蒸發(fā)沉積時(shí)，有目的地使用一些特定形狀的掩膜，實(shí)現(xiàn)薄膜的選擇性沉積，如圖的掩膜，實(shí)現(xiàn)薄膜的選擇性沉積，如圖2.8(b) 。桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 影響薄膜純度的因素影響薄膜純度的因素（1）蒸發(fā)源物質(zhì)的純度；）蒸發(fā)源物質(zhì)的純

28、度；（2）加熱裝置、坩堝等可能造成的污染；）加熱裝置、坩堝等可能造成的污染；（3）真空系統(tǒng)中殘留的氣體，前面講過(guò)雜質(zhì)氣體分子與蒸發(fā)）真空系統(tǒng)中殘留的氣體，前面講過(guò)雜質(zhì)氣體分子與蒸發(fā)物質(zhì)的原子分別射向襯底，并可能同時(shí)沉積在襯底上。物質(zhì)的原子分別射向襯底，并可能同時(shí)沉積在襯底上。 改善薄膜純度的方法改善薄膜純度的方法： 1）依靠使用高純物質(zhì)作為蒸發(fā)源以及改善蒸發(fā)裝置的設(shè)計(jì)；）依靠使用高純物質(zhì)作為蒸發(fā)源以及改善蒸發(fā)裝置的設(shè)計(jì)； 2）改善設(shè)備的真空條件）改善設(shè)備的真空條件 3）提高物質(zhì)蒸發(fā)及沉積速率。）提高物質(zhì)蒸發(fā)及沉積速率。桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 真空蒸發(fā)法所采用的設(shè)備根據(jù)其使用目的可

29、能有很真空蒸發(fā)法所采用的設(shè)備根據(jù)其使用目的可能有很大的差別，從最簡(jiǎn)單的電阻加熱蒸鍍裝置到極為復(fù)大的差別，從最簡(jiǎn)單的電阻加熱蒸鍍裝置到極為復(fù)雜的分子柬外延設(shè)備，都屬于真空蒸發(fā)沉積裝置的雜的分子柬外延設(shè)備，都屬于真空蒸發(fā)沉積裝置的范疇。在蒸發(fā)沉積裝置中，最重要的組成部分就是范疇。在蒸發(fā)沉積裝置中，最重要的組成部分就是物質(zhì)的蒸發(fā)源，根據(jù)其加熱原理可以將其分為以下物質(zhì)的蒸發(fā)源，根據(jù)其加熱原理可以將其分為以下各種類(lèi)型：各種類(lèi)型： 1、電阻式蒸發(fā)裝置、電阻式蒸發(fā)裝置 2、電子束蒸發(fā)裝置、電子束蒸發(fā)裝置 3、電弧蒸發(fā)裝置、電弧蒸發(fā)裝置 4、激光蒸發(fā)裝置、激光蒸發(fā)裝置 5、空心陰極蒸發(fā)裝置、空心陰極蒸發(fā)裝置

30、6、分子束外延、分子束外延3. 1.10 真空蒸發(fā)裝置真空蒸發(fā)裝置桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 1、電阻式蒸發(fā)裝置、電阻式蒸發(fā)裝置（1）電阻加熱蒸發(fā)法：）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)采用鉭、鉬、鎢等高熔點(diǎn)金屬，做成適當(dāng)形狀的加熱裝置（也稱(chēng)形狀的加熱裝置（也稱(chēng)“蒸發(fā)源蒸發(fā)源”，注意與，注意與“蒸發(fā)材料蒸發(fā)材料”區(qū)區(qū)別），其上裝入待蒸發(fā)材料，通以電流后，對(duì)蒸發(fā)材料進(jìn)行直別），其上裝入待蒸發(fā)材料，通以電流后，對(duì)蒸發(fā)材料進(jìn)行直接加熱蒸發(fā)，或者把待蒸發(fā)材料放入接加熱蒸發(fā)，或者把待蒸發(fā)材料放入Al2O3、BeO等坩堝中進(jìn)等坩堝中進(jìn)行間接加熱蒸發(fā)，行間接加熱蒸發(fā)，（2）電阻式

31、蒸發(fā)裝置優(yōu)缺點(diǎn)）電阻式蒸發(fā)裝置優(yōu)缺點(diǎn) 1）優(yōu)點(diǎn)：由于電阻加熱蒸發(fā)源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)廉易作，所以是）優(yōu)點(diǎn)：由于電阻加熱蒸發(fā)源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)廉易作，所以是一種應(yīng)用很普通的蒸發(fā)源。一種應(yīng)用很普通的蒸發(fā)源。 2）缺點(diǎn)：來(lái)自坩堝、加熱元件及各種支撐部件的可能的污染；）缺點(diǎn)：來(lái)自坩堝、加熱元件及各種支撐部件的可能的污染；加熱功率和加熱溫度有一定的限制；難以滿(mǎn)足某些難熔金屬和加熱功率和加熱溫度有一定的限制；難以滿(mǎn)足某些難熔金屬和氧化物材料的需要等。氧化物材料的需要等。桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 3. 1.10 真空蒸發(fā)裝置真空蒸發(fā)裝置2、電子束蒸發(fā)裝置、電子束蒸發(fā)裝置 1）電子束蒸發(fā)法：）電子束蒸發(fā)法：

32、將蒸發(fā)材料放將蒸發(fā)材料放入水冷銅坩鍋中，直接利用電子束入水冷銅坩鍋中，直接利用電子束加熱，使蒸發(fā)材料氣化蒸發(fā)后凝結(jié)加熱，使蒸發(fā)材料氣化蒸發(fā)后凝結(jié)在基板表面成膜。在基板表面成膜。 2）優(yōu)缺點(diǎn)）優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：適用于高純或難熔物質(zhì)的蒸優(yōu)點(diǎn)：適用于高純或難熔物質(zhì)的蒸發(fā)；可時(shí)沉積多種不同的物質(zhì)。發(fā)；可時(shí)沉積多種不同的物質(zhì)。 缺點(diǎn)：熱效率較低；過(guò)高的熱功率缺點(diǎn)：熱效率較低；過(guò)高的熱功率對(duì)整個(gè)沉積系統(tǒng)形成較強(qiáng)的熱輻射。對(duì)整個(gè)沉積系統(tǒng)形成較強(qiáng)的熱輻射。 桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 3. 1.10 真空蒸發(fā)裝置真空蒸發(fā)裝置 3、電弧蒸發(fā)裝置、電弧蒸發(fā)裝置 （1）電弧蒸發(fā)法：）電弧蒸發(fā)法：用欲蒸發(fā)的材料

33、制成放電的電極，依靠調(diào)用欲蒸發(fā)的材料制成放電的電極，依靠調(diào)節(jié)真空室內(nèi)電極間距的方法來(lái)點(diǎn)燃電弧，瞬間的高溫電弧將使節(jié)真空室內(nèi)電極間距的方法來(lái)點(diǎn)燃電弧，瞬間的高溫電弧將使電極端部產(chǎn)生蒸發(fā)從而實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的沉積。電極端部產(chǎn)生蒸發(fā)從而實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的沉積。（2）優(yōu)缺點(diǎn)）優(yōu)缺點(diǎn) 1）優(yōu)點(diǎn)：避免電阻加熱材料或）優(yōu)點(diǎn)：避免電阻加熱材料或坩堝材料的污染；加熱溫度高，坩堝材料的污染；加熱溫度高，適用于溶點(diǎn)高、同時(shí)具有一定導(dǎo)適用于溶點(diǎn)高、同時(shí)具有一定導(dǎo)電性的難熔金屬、石墨等的蒸發(fā)；電性的難熔金屬、石墨等的蒸發(fā)；簡(jiǎn)單廉價(jià)。簡(jiǎn)單廉價(jià)。 2）缺點(diǎn)：在放電過(guò)程中容易產(chǎn)）缺點(diǎn)：在放電過(guò)程中容易產(chǎn)生微米量級(jí)大小的電極顆粒的飛生微米量級(jí)

34、大小的電極顆粒的飛濺，從而會(huì)影響被沉積薄膜的均濺，從而會(huì)影響被沉積薄膜的均勻性。勻性。桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 3. 1.10 真空蒸發(fā)裝置真空蒸發(fā)裝置 4、激光蒸發(fā)裝置、激光蒸發(fā)裝置 （1）激光蒸發(fā)法：高功率激光器產(chǎn)生的高能激光束，可在瞬）激光蒸發(fā)法：高功率激光器產(chǎn)生的高能激光束，可在瞬間將能量直接傳遞給被蒸發(fā)物質(zhì)，使之發(fā)生蒸發(fā)鍍薄。間將能量直接傳遞給被蒸發(fā)物質(zhì)，使之發(fā)生蒸發(fā)鍍薄。（2）優(yōu)缺點(diǎn)）優(yōu)缺點(diǎn) 1）優(yōu)點(diǎn)：避免電阻加熱）優(yōu)點(diǎn)：避免電阻加熱材料或坩堝材料的污染；加材料或坩堝材料的污染；加熱溫度高；蒸發(fā)速率高；蒸熱溫度高；蒸發(fā)速率高；蒸發(fā)過(guò)程容易控制；特別的優(yōu)發(fā)過(guò)程容易控制；特

35、別的優(yōu)點(diǎn)是：適用于蒸發(fā)那些成分點(diǎn)是：適用于蒸發(fā)那些成分復(fù)雜的合金或化合物。復(fù)雜的合金或化合物。 2）缺點(diǎn)：也容易產(chǎn)生微）缺點(diǎn)：也容易產(chǎn)生微小顆粒的飛濺，影響薄膜的小顆粒的飛濺，影響薄膜的均勻性。均勻性。桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 3. 1.10 真空蒸發(fā)裝置真空蒸發(fā)裝置 5、空心陰極蒸發(fā)裝置、空心陰極蒸發(fā)裝置 （1 1）空心陰極蒸發(fā)法：在由中空金屬）空心陰極蒸發(fā)法：在由中空金屬TaTa管制成的陰極和由被蒸發(fā)物管制成的陰極和由被蒸發(fā)物質(zhì)制成的陽(yáng)極之間加上一定幅度的電壓，并在質(zhì)制成的陽(yáng)極之間加上一定幅度的電壓，并在TaTa管內(nèi)通入少量的管內(nèi)通入少量的ArAr氣時(shí)，陰陽(yáng)兩極間便發(fā)生放電現(xiàn)象。此時(shí)，氣時(shí)，陰陽(yáng)兩極間便發(fā)生放電現(xiàn)象。此時(shí)，ArAr離子的轟擊會(huì)使離子的轟擊會(huì)使TaTa管管的溫度升高并維持在的溫度升高并維持在2000K2000K以上的高溫下，從而發(fā)射出大量的熱電子。以上的高溫下，從而發(fā)射出大量的熱電子。將熱電子束從將熱電子束從TaTa管引出并轟擊陽(yáng)極，