薄膜的蒸發(fā)沉積原理與技術(shù)

薄膜的蒸發(fā)沉積原理與技術(shù)第一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五主要內(nèi)容1.關(guān)于薄膜的一些基本概念2.材料在真空中的熱蒸發(fā)薄膜在真空中的沉積生長膜層厚度控制與均勻性熱蒸發(fā)薄膜的一些應(yīng)用SITP-CASDINGQUANLIU第二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五1關(guān)于薄膜的一些基本概念

不同的用途有不同的概念:

(1)

光學的人講,能夠產(chǎn)生干涉的薄層;

(2)

電子學認為,厚度不能超過1μm;(3)

物理學認為,是2維結(jié)構(gòu)的材料;

(4)

生物學認為,細胞等組織的保護層;

(5)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,甚至厚度到100μm以上的塑料紙也稱薄膜;------1.1什么是薄膜?SITP-CASDINGQUANLIU第三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五1關(guān)于薄膜的一些基本概念

(1)

空氣態(tài)的薄膜,入牛頓環(huán);

(2)

液體態(tài)的薄膜;(3)

固體態(tài)的薄膜,是2維結(jié)構(gòu)的材料;------

我們經(jīng)常使用和概念中的薄膜,就是固體態(tài)的薄膜,而且指由無機材料組成、厚度在微米量級以下的兩維結(jié)構(gòu)，薄膜應(yīng)該具有連續(xù)的形態(tài)。

1.2薄膜的一些基本形態(tài)SITP-CASDINGQUANLIU第四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五1關(guān)于薄膜的一些基本概念

(1)

薄膜以非晶態(tài)結(jié)構(gòu)居多;

(2)

有的薄膜以多晶態(tài)形式出現(xiàn)，含有非晶成分;(3)

單晶體的薄膜難以得到，通常需要很高的沉積溫度、好的真空度、嚴格的材料選擇;

如果單從薄膜的使用強度考慮，非晶態(tài)薄膜可能更好。

1.3薄膜的晶體結(jié)構(gòu)SITP-CASDINGQUANLIU第五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五1關(guān)于薄膜的一些基本概念

(1)

薄膜的聚集密度：

指膜層中材料體積占有總體積的比值，常以小于1的兩位小數(shù)表示。越接近于1，膜層越致密，質(zhì)量越好；有的膜層甚至低于0.50。

(2)

薄膜的MDT模型圖：

1.4薄膜的聚集情況SITP-CASDINGQUANLIU第六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五1關(guān)于薄膜的一些基本概念

(3)

真空度的影響：

殘余氣體分子與沉積粒子(原子、分子、團粒等)碰撞，影響沉積動能和方向，易形成松散結(jié)構(gòu)。

真空度對蒸發(fā)鍍金屬膜層微結(jié)構(gòu)的影響：

1.4薄膜的聚集情況SITP-CASDINGQUANLIU第七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五1關(guān)于薄膜的一些基本概念

(1)

薄膜中的壓應(yīng)力：

膜層中聚集密度較大時，膜層中“柱狀結(jié)構(gòu)”相互排斥，它們受到擠壓的作用。

(2)

薄膜中的張應(yīng)力：膜層中聚集密度較小時，膜層中“柱狀結(jié)構(gòu)”相互吸引，它們受到拉伸的作用。

1.5薄膜的應(yīng)力SITP-CASDINGQUANLIU第八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五1關(guān)于薄膜的一些基本概念

(1)

牢固度用附著力來表述：

基片與膜層之間存在相互作用的附著能，附著能對兩者之間的距離微分，微分最大值就是附著力。

(2)

薄膜牢固度的增加：

潔凈的基片；膜層與基片良好的接觸；較高的沉積溫度增加擴散；高真空讓沉積粒子直接到達；適當?shù)膽?yīng)力控制，等等。

1.6薄膜的牢固度SITP-CASDINGQUANLIU第九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五2材料在真空中的熱蒸發(fā)(1)

材料在真空中出氣；(2)

某些鍍膜材料在高真空中有微量的質(zhì)量損失。

這些對鍍膜工藝和薄膜質(zhì)量有影響。2.1材料在高真空中的表現(xiàn)DINGQUANLIUSITP-CAS第十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五2材料在真空中的熱蒸發(fā)(1)

加熱蒸發(fā)

固體—液體—氣體(2)

受熱升華

固體—----—氣體

因材料而異。

2.2材料在真空中的轉(zhuǎn)變DINGQUANLIUSITP-CAS第十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五2材料在真空中的熱蒸發(fā)(1)

電阻加熱方式

適合低熔點材料。能量相對較小。(2)

電子槍加熱方式

能量更大，更集中，適合高熔點材料，非升華材料。

2.3材料在真空中的熱蒸發(fā)DINGQUANLIUSITP-CAS第十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五2材料在真空中的熱蒸發(fā)(1)

材料的熔點

材料開始轉(zhuǎn)化為液體的溫度。蒸汽壓較小，還不能實現(xiàn)有效的薄膜沉積。(2)

蒸發(fā)溫度能夠?qū)崿F(xiàn)有效蒸發(fā)的溫度。通常認為是對應(yīng)材料產(chǎn)生1.33Pa蒸汽壓（材料表面）的溫度。

2.4材料的熔點與蒸發(fā)溫度DINGQUANLIUSITP-CAS第十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五2材料在真空中的熱蒸發(fā)(1)

點源

尺寸很小，向各個方向放射蒸發(fā)，僅考慮立體視場角。(2)

面源本身尺寸需要考慮，僅向半球面視場內(nèi)蒸發(fā)。(3)

一般以自由面源形式出現(xiàn)2.5電阻熱蒸發(fā)沉積的點源與面源DINGQUANLIUSITP-CAS第十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五2材料在真空中的熱蒸發(fā)(1)

克努增源

準分子流，沉積慢。(2)

自由面源無定向，沉積快。(3)

定向坩堝有定向，沉積更快。

2.6面源的三種形式DINGQUANLIUSITP-CAS第十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五2材料在真空中的熱蒸發(fā)2.7自由面源蒸發(fā)的膜厚分布DINGQUANLIUSITP-CAS膜厚分布的參考曲線

平面夾具與球面夾具有差異，數(shù)學推導和實際狀況有差異，但趨勢是一致的。僅供參考。第十六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五2材料在真空中的熱蒸發(fā)(1)

選用高熔點低蒸汽壓的蒸發(fā)源

避免來自蒸發(fā)源的污染。(2)

蒸發(fā)時產(chǎn)生大量的熱，難以帶走(3)

一般以自由面源形式出現(xiàn)(4)

膜層比較疏松。2.8電阻熱蒸發(fā)沉積的一些特點DINGQUANLIUSITP-CAS第十七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五3薄膜在真空中的沉積生長(1)

表面的凝結(jié)幾率（系數(shù)）

有的原子可能重新進入真空，失去凝結(jié)生長的可能。(2)

凝結(jié)幾率與基片溫度和材料種類有很大關(guān)系。(3)

體積超出臨界晶核的顆粒才能張大，否則會消失。3.1蒸發(fā)粒子的凝聚與張大DINGQUANLIUSITP-CAS第十八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五3薄膜在真空中的沉積生長(1)

島狀生長；

(2)

層狀生長；(3)

島狀+層狀生長。3.2薄膜生長的三種類型DINGQUANLIUSITP-CAS生長類型主要與材料種類和沉積溫度相關(guān)第十九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五3薄膜在真空中的沉積生長(1)

基片表面的處理；

(2)

制備參數(shù)；(3)

蒸汽的入射角度；還有老化處理等。3.3薄膜沉積生長過程中的工藝因素DINGQUANLIUSITP-CAS第二十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五3薄膜在真空中的沉積生長

AFM等手段，可以觀察到部分薄膜的生長過程。

3.4薄膜沉積生長過程的觀察DINGQUANLIUSITP-CAS圖為鈦酸鍶基底上的鈦酸鉛薄膜。原子臺階呈階梯狀生長。由于膜厚的差異（左圖：100nm,右圖：10nm），生長的狀態(tài)有所不同。（財）地球環(huán)境產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究機構(gòu)提供）

第二十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五3薄膜在真空中的沉積生長

SEM等手段，可以觀察到Ag薄膜的生長過程。3.4薄膜沉積生長過程的觀察DINGQUANLIUSITP-CAS島狀網(wǎng)狀準連續(xù)第二十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五3薄膜在真空中的沉積生長3.5沉積溫度對膜層生長速率的影響DINGQUANLIUSITP-CAS

對于特定的沉積粒子流，存在臨界沉積溫度Tc，當基片溫度Ts≤Tc時，發(fā)生沉積；當基片溫度Ts≥Tc時，不能發(fā)生沉積。

如ZnS膜層的Tc在2300C左右，而在1500C時，凝結(jié)系數(shù)還接近1。第二十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五4膜層厚度控制與均勻性4.1影響膜層厚度的主要因素DINGQUANLIUSITP-CAS(1)

基片的相對位置

(2)

基片溫度的影響；(3)

蒸發(fā)源的定向發(fā)射。

平面夾具-中心蒸發(fā)升華膜料中特別容易出現(xiàn)定向蒸發(fā)。第二十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五4膜層厚度控制與均勻性4.2膜層厚度的在線測量DINGQUANLIUSITP-CAS(1)

晶體振蕩法

石英片由一個固有的諧振頻率，淀積在它表面的物質(zhì)質(zhì)量改變時，諧振頻率發(fā)生變化，推算淀積層的厚度。

要保持石英晶體探頭的溫度穩(wěn)定，避免強的電磁干擾。第二十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五4膜層厚度控制與均勻性4.2膜層厚度的在線測量DINGQUANLIUSITP-CAS(2)

光學監(jiān)控法

鍍層薄膜的透射率和反射率隨著膜的厚度d的增加變化，膜層每增加四分之一波長光學厚度時，出現(xiàn)透射和反射光強的一次極值，通過這一變數(shù)計算膜厚。

第二十六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五4膜層厚度控制與均勻性4.3改善膜層厚度的均勻性DINGQUANLIUSITP-CAS(1)

合理布置蒸發(fā)源和產(chǎn)品位置

行星結(jié)構(gòu)可以使鍍層厚度分布更加均勻。合理的布局可以最大限度地利用均勻區(qū)。第二十七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五4膜層厚度控制與均勻性4.3改善膜層厚度的均勻性DINGQUANLIUSITP-CAS(2)

修正板的使用

可以有效改善膜層厚度分布的均勻性。修正根據(jù)實驗數(shù)據(jù)不斷逼近期值，讓擋板有意擋掉“多余”的沉積粒子。第二十八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五4膜層厚度控制與均勻性4.3改善膜層厚度的均勻性DINGQUANLIUSITP-CAS(4)

控制好溫度

溫度影響凝結(jié)系數(shù)，影響沉積速率和分布，影響膜厚分布。必要時可以用導熱好的銅夾具。避免將沉積溫度選在材料凝結(jié)系數(shù)巨變的區(qū)域。第二十九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五4膜層厚度控制與均勻性4.3改善膜層厚度的均勻性DINGQUANLIUSITP-CAS(4)

避免定向蒸發(fā)

溫升華的塊狀料，與蒸發(fā)舟接觸的部分出現(xiàn)升華，蒸發(fā)氣流沿空隙射出，分布不均勻。應(yīng)盡量使膜料塊體不要太大，均勻分布。第三十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五4膜層厚度控制與均勻性4.3改善膜層厚度的均勻性DINGQUANLIUSITP-CAS(5)

采取綜合措施

多管其下后，膜層厚度的分布應(yīng)該能夠得到極大的改善。光學薄膜（特別是濾光片）對厚度控制非常嚴格。修正后，能夠取得很好的效果。第三十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五5熱蒸發(fā)薄膜的一些應(yīng)用5.1光學薄膜DINGQUANLIUSITP-CAS(1)

光學增透

眼鏡、鏡頭等表面都需要增透膜，減少反射。在光學成像系統(tǒng)中可以避免出現(xiàn)“鬼像”。第三十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五5熱蒸發(fā)薄膜的一些應(yīng)用5.1光學薄膜DINGQUANLIUSITP-CAS(2)

濾光片

對光譜進行選擇，以識別真正的目標。如光通信、光譜成像儀器中廣泛使用。通常需要幾十、甚至100多層膜，厚度控制要十分精確。第三十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五5熱蒸發(fā)薄膜的一些應(yīng)用5.1光學薄膜DINGQUANLIUSITP-CAS(3)

反射膜

反射膜在生活中十分常用，可以把光和熱發(fā)射出去。在裝飾方面也不可缺少。第三十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五5熱蒸發(fā)薄膜的一些應(yīng)用5.2節(jié)能薄膜DINGQUANLIUSITP-CAS(1)

建筑玻璃上的節(jié)能薄膜

可以保持住冬天室內(nèi)的溫暖?？梢跃芙^夏日外面的炎熱。第三十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五5熱蒸發(fā)薄膜的一些應(yīng)用5.3安全、醫(yī)學領(lǐng)域DINGQUANLIUSITP-CAS長波紅外探測人體溫度?？捎糜诎踩雷o、醫(yī)學等方面。第三十六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五5熱蒸發(fā)薄膜的一些應(yīng)用5.4環(huán)保與氣體分析DINGQUANLIUSITP-CAS利用