第5讲--蒸发法.ppt

第5讲 薄膜的物理气相沉积 ——蒸发法,5.1 物质的热蒸发 5.2 薄膜沉积的厚度和均匀性 5.3 真空蒸发装置,何谓物理气相沉积？,何谓物理气相沉积（physical vapor deposition, PVD)：利用某种物理过程，如物质的热蒸发或在受到粒子轰击时物质表面原子的溅射等现象，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移的过程 物理气相沉积法制备薄膜的特点： 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、源物质经过物理过程而进入环境； 3、需要相对较低的气体压力环境； 4、在气相中及在衬底表面并不发生化学反应 物理气相沉积的三个阶段： 1、从源材料中发射出粒子； 2、粒子输运到基片； 3、粒子在基片上凝结、成核、长大、成膜了解两个概念 热蒸发：蒸发材料在真空室中被加热到足够温度时，其原子或分子就会从表面逸出， 这种现象叫做热蒸发 饱和蒸汽压：在一定温度下，真空室中蒸发材料的蒸汽在与固体或液体平衡过程*中所表现出的压力，称为该温度下的饱和蒸汽压它随温度升高而增大） *实际上在真空蒸发制薄时，因为真空室内其它部位的温度都比蒸发源低得多，蒸发原子或分子被凝结．因而不存在这种平衡过程。

5.1 物质的热蒸发,,实物图,1、影响薄膜厚度均匀性的因素 （1）薄膜沉积的方向性对薄膜厚度均匀性的影响 物质的蒸发源可分为：点蒸发源和面蒸发源，如下图所示： 可以求出两种情况下，衬底上沉积的物质的质量密度分别为： 点蒸发源： （2-12） 面蒸发源 （2-13） 式中，Ms为衬底面积As上沉积的物质的质量；Me为蒸发出来的物质总量；θ 是衬底表面法线与空间角方向间的偏离角度；r是蒸发源与衬底之间的距离；Φ是面蒸发源平面法线与空间角方向间的偏离角度 显然，薄膜沉积速率将与距离r的平方成反比，并与θ、 Φ有关5.2 薄膜沉积的厚度均匀性和纯度,薄膜沉积的厚度均匀性是一个经常需要考虑的问题需要同时沉积的薄膜的面积 越大，则沉积均匀性的问题越突出 图2.4画出了对于点蒸发源和面蒸源计算得出的薄膜相对沉积厚度随衬底尺寸、衬底距离的变化规律可知，点蒸发源所对应的沉积均匀性稍好于面蒸源的情况 改善薄膜厚度均匀性的方法： 1）加大蒸发源到衬底表面的距离，但此法会降低沉积速率及增加蒸发材料损耗； 2）转动衬底；,2、影响薄膜纯度的因素 （1）蒸发源物质的纯度； （2）加热装置、坩埚等可能造成的污染； （3）真空系统中残留的气体，前面讲过杂质气体分子与蒸发物质的原子分别射向衬底，并可能同时沉积在衬底上。

改善方法： 1）依靠使用高纯物质作为蒸发源以及改善蒸发装置的设计； 2）改善设备的真空条件 3）提高物质蒸发及沉积速率5.3 真空蒸发装置,真空蒸发所采用的设备根据其使用目的的不同可能有很大的差别，从最简单的电阻加热蒸镀装置到极为复杂的分子束外延设备，都属于真空蒸发沉积的范畴在蒸发沉积装置中，最重要的组成部分就是物质的蒸发源，根据其加热原理可以分为以下各种类型 1、电阻式蒸发装置 （1）电阻加热蒸发法：采用钽、钼、钨等高熔点金属，做成适当形状的加热装 置（也称“蒸发源”，注意与“蒸发材料”区别），其上装入待蒸发材料，通以电流后， 对蒸发材料进行直接加热蒸发，或者把待蒸发材料放入Al2O3、BeO等坩埚中进行间 接加热蒸发，,蒸发源的形状如下图，大致有螺旋式(a)、篮式(b)、发叉式(c)和浅舟式(d)等,（2）加热装置所用电阻材料要求： 1）使用温度高，即熔点要高，必须高于蒸发材料的蒸发温度； 2）高温下蒸气压低这主要是为防止或减少高温下蒸发源材料会成为杂质进入蒸镀膜层中只有蒸发源材料的饱和蒸气压足够低才能保证蒸发时具有最小的自蒸发量，而不致于产生影响真空度和污染膜层质量的蒸气； 3）在化学性能稳定，高温下不应与蒸发材料发生化学反应； 4）无放气现象或其它污染，并具有合适的电阻率； 5）在选择加热装置所用电阻材料时，还必须考虑蒸发材料与电阻材料的“湿润性”问题。

在湿润的情况下，由于材料的蒸发是从大的表面上发生的且比较稳定．所以可认为是面蒸发源的蒸发；在湿润小的时候，一般可认为是点蒸发源的蒸发另外，如果容易发生湿润，蒸发材料与电阻材料十分亲合因而蒸发状态稳定；如果是艰以湿润的，在采用丝状挥发源时，蒸发材料就容易从电阻材料上掉下来3）电阻式蒸发装置优缺点 1）优点：由于电阻加热蒸发源结构简单、价廉易作，所以是一种应用很普通的蒸发源 2）缺点：来自坩埚、加热元件及各种支撑部件的可能的污染；加热功率和加热温度有一定的限制；难以满足某些难熔金属和氧化物材料的需要等 2、电子束蒸发装置 （1）电子束蒸发法：将蒸发材料放入水冷铜 坩锅中，直接利用电子束加热，使蒸发材料气化 蒸发后凝结在基板表面成膜电子束加热原理是 由加热的灯丝发射出电子束受到数千伏的偏置电 压的加速，获得动能后下横向布置的磁场作用下， 偏转270度角后轰击到处于阳极的蒸发材料上，使 蒸发材料加热气化，而实现蒸发镀膜 （2）优缺点 1）优点：适用于高纯或难熔物质的蒸发；可 时沉积多种不同的物质 2）缺点：热效率较低；过高的热功率对整个 沉积系统形成较强的热辐射3、电弧蒸发装置 （1）电弧蒸发法：用欲蒸发的材料制成放电的电极，依靠调节真空室内电极间距的方法来点燃电弧，瞬间的高温电弧将使电极端部产生蒸发从而实现物质的沉积。

控制电弧的点燃次数或时间就可以沉积出一定厚度的薄膜 （2）优缺点 1）优点：避免电阻加热材料或坩埚材料的污染；加热温度高，适用于溶点高、同时具有一定导电性的难熔金属、石墨等的蒸发；简单廉价 2）缺点：在放电过程中容易产生微米量级大小的电极颗粒的飞溅，从而会影响被沉积薄膜的均匀性4、激光蒸发装置 （1）激光蒸发法：高功率激光器产生的高能激光束，可在瞬间将能量直接传递给被蒸发物质，使之发生蒸发镀薄 （2）优缺点 1）优点：避免电阻加热材料或坩埚材料的污染；加热温度高；蒸发速率高；蒸发过程容易控制；特别的优点是：适用于蒸发那些成分复杂的合金或化合物，这是因为，高能量的激光束可以在较短的时间将物质的局部加热至极高的温度并产生物质的蒸发，在此过程中被蒸发出来的物质仍能保持其原来的元素比例 2）缺点：也容易产生微小颗粒的飞溅，影响薄膜的均匀性。