真空蒸发蒸发镀膜课件.ppt

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1、关于真空蒸发蒸发镀膜现在学习的是第1页，共77页物理气相沉积（物理气相沉积（Physical Vapor DepositionPhysical Vapor Deposition）真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 真空溅射镀膜真空溅射镀膜 真空离子镀膜真空离子镀膜现在学习的是第2页，共77页真空蒸发镀膜：真空蒸发镀膜：将固体材料置于高真空环境中加热，使之升华或蒸将固体材料置于高真空环境中加热，使之升华或蒸发并沉积在特定衬底上以获得薄膜的工艺方法。发并沉积在特定衬底上以获得薄膜的工艺方法。现在学习的是第3页，共77页第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理现在学习的是第4页，共77页第一节第一节 真空蒸发原

2、理真空蒸发原理蒸发度膜的三个基本过程：蒸发度膜的三个基本过程：加热蒸发过程加热蒸发过程 固相或液相转变为气相固相或液相转变为气相 气相原子或分子的输运过程（源气相原子或分子的输运过程（源-基距）基距）气相粒子在环境气氛中的飞行过程，输运过程中气相粒子与气相粒子在环境气氛中的飞行过程，输运过程中气相粒子与残余气体分子发生碰撞的次数，取决于蒸发原子的残余气体分子发生碰撞的次数，取决于蒸发原子的平均自由程平均自由程，以及蒸发源与基片之间的距离。以及蒸发源与基片之间的距离。蒸发原子或分子在基片表面的淀积过程蒸发原子或分子在基片表面的淀积过程 即即蒸气凝聚蒸气凝聚、成核成核、核生长核生长、形成、形成连续

3、薄膜连续薄膜的过程。由于基板的过程。由于基板温度较低，因此，沉积物分子在基板表面将直接发生从气相到温度较低，因此，沉积物分子在基板表面将直接发生从气相到固相的相转变。固相的相转变。现在学习的是第5页，共77页第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理概念概念 在一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸气与固在一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸气与固体或液体平衡过程中所表现出来的压力体或液体平衡过程中所表现出来的压力处于饱和蒸气压时，蒸发物表面液相、气相处于动态平处于饱和蒸气压时，蒸发物表面液相、气相处于动态平衡；衡；饱和蒸气压随温度的升高而增大；饱和蒸气压随温度的升高而增大；一定温度下，各种物质具有恒定的饱

4、和蒸气压，相反一定温度下，各种物质具有恒定的饱和蒸气压，相反一定的饱和蒸气压对应一定的温度；一定的饱和蒸气压对应一定的温度；不同物质在一定温度下的饱和蒸气压不同；不同物质在一定温度下的饱和蒸气压不同；现在学习的是第6页，共77页第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理克拉伯龙克拉伯龙-克劳修斯克劳修斯（Clapeylon-Clausius）方程）方程 为摩尔汽化热或蒸发热（为摩尔汽化热或蒸发热（J/mol）；）；和和 分别为气分别为气相和固相的摩尔体积（相和固相的摩尔体积（cm3）；）；为绝对温度（为绝对温度（K）。）。vHgVsVTgRTVPgsgVVV 因为因为 ，假设低压气体符合理想气体状

5、态方程，假设低压气体符合理想气体状态方程，则有则有sgVV sgvvVVTHdTdP2RTdTHPdPvvvRHTdPdvv)1()(ln线性关系线性关系或或饱和蒸气压与温度的关系饱和蒸气压与温度的关系现在学习的是第7页，共77页第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理2RTdTHPdPvvv气化热气化热Hv随温度变化很小随温度变化很小RTHCPvvln或或TBAPvlg在在30时，水的饱和蒸气压为时，水的饱和蒸气压为4132.982Pa；在在100时，水的饱和蒸气压增大到时，水的饱和蒸气压增大到101324.72Pa现在学习的是第8页，共77页 饱和蒸气压与温度的关系曲线对于薄膜制作技术有重要

6、意义，它可饱和蒸气压与温度的关系曲线对于薄膜制作技术有重要意义，它可以帮助我们合理选择蒸发材料和确定蒸发条件。以帮助我们合理选择蒸发材料和确定蒸发条件。第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理蒸发温度蒸发温度 规定物质在饱和蒸气压为规定物质在饱和蒸气压为10-2Torr时时的温度的温度现在学习的是第9页，共77页 根据气体分子运动论，在气体压力为根据气体分子运动论，在气体压力为P时，单位时间内碰撞时，单位时间内碰撞单位面积器壁上的分子数量，即单位面积器壁上的分子数量，即碰撞分子流量碰撞分子流量（通量或蒸发速率（通量或蒸发速率）J：142vaPJnmkT冷凝系数冷凝系数2cPJmkT1 设蒸发材料

7、表面液相、气体处于动态平衡，到达液相表面的分设蒸发材料表面液相、气体处于动态平衡，到达液相表面的分子全部粘接而不脱离，与从液相到气相的分子数相等，则蒸发速率子全部粘接而不脱离，与从液相到气相的分子数相等，则蒸发速率：第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理mkTPPAdtdNJhvee2dN蒸发分子数，e蒸发系数，A蒸发面积，t时间，Pv和Ph分别为饱和蒸气压和液体静压现在学习的是第10页，共77页22-224-23.51 10(/cms Torr)2.64 10(/cms Pa)mPJTMPTM 个个最大蒸发速率：最大蒸发速率：0,1hePmkTPAdtdNJvm2（2-9）单位面积单位面积质

8、量蒸发速率质量蒸发速率2-23-225.83 10(g/cms Torr)4.37 10(/cms Pa)mmGmJPkTMPTMPT 个除了与蒸发物质的分子量、绝除了与蒸发物质的分子量、绝对温度和蒸发物质在对温度和蒸发物质在T温度时的温度时的饱和蒸气压有关外，还与材料自饱和蒸气压有关外，还与材料自身的清洁度有关，特别是蒸发源身的清洁度有关，特别是蒸发源温度的变化对蒸发速率影响极大温度的变化对蒸发速率影响极大第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理现在学习的是第11页，共77页现在学习的是第12页，共77页TBAPvlgvmPkTmmJG2TdTTBGdG213.2蒸发速率随温度变化关系蒸发速率

9、随温度变化关系对金属对金属 之间之间30203.2在TBTdTGdG3020 蒸发源温度微小变化蒸发源温度微小变化就可以引起蒸发速率就可以引起蒸发速率的很大变化。的很大变化。例：蒸发铝，计算由于例：蒸发铝，计算由于1的温度变化，对铝蒸发薄膜生长速率的影响的温度变化，对铝蒸发薄膜生长速率的影响。B=3.586104（K）,在蒸气压为在蒸气压为1Torr时的蒸发温度为时的蒸发温度为1830K。1909.01021183010586.324GdG第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理TdTTBGdG21现在学习的是第13页，共77页对基片的碰撞率：对基片的碰撞率：热平衡条件下，单位时间通过单位面积的

10、气体分子数为：热平衡条件下，单位时间通过单位面积的气体分子数为：第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理 一般薄膜的淀积速率为每秒一一般薄膜的淀积速率为每秒一个原子层，当残余气体压强为个原子层，当残余气体压强为10-5Torr时，气体分子和蒸发时，气体分子和蒸发物质原子几乎按物质原子几乎按1：1的比例到的比例到达基板表面。达基板表面。)/(10513.3222scmTMPNg个现在学习的是第14页，共77页所以，真空度足够高，平均自由程足够大，且所以，真空度足够高，平均自由程足够大，且时：时：lf0.667P1.50flP 为保证镀膜质量，在要求为保证镀膜质量，在要求 时，源时，源-基距基距 时

11、，必须时，必须 。0.1f 25lcm33 10PPa 由此可见，只有当由此可见，只有当 （l为源为源-基距）时，即平均基距）时，即平均自由程较源自由程较源-基距大得多的情况下，才能有效减少蒸发分子基距大得多的情况下，才能有效减少蒸发分子在输运过程中的碰撞。在输运过程中的碰撞。l第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理l现在学习的是第15页，共77页第三节第三节 蒸发源的类型蒸发源的类型 常用电阻加热蒸发源形状常用电阻加热蒸发源形状丝状蒸发源丝状蒸发源线径线径0.51mm蒸铝蒸铝用于蒸发块状或用于蒸发块状或丝状的升华材料丝状的升华材料和不易浸润材料和不易浸润材料箔状蒸发源箔状蒸发源厚度厚度0.0

12、50.15mm现在学习的是第16页，共77页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布各种蒸发皿结构各种蒸发皿结构现在学习的是第17页，共77页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 电子束蒸发源电子束蒸发源 电阻加热蒸发源已不能满足蒸镀某些高熔点金电阻加热蒸发源已不能满足蒸镀某些高熔点金属和氧化物材料的需要，特别是制备高纯薄膜。电子属和氧化物材料的需要，特别是制备高纯薄膜。电子束加热蒸发法克服了电阻加热蒸发的许多缺点，得到束加热蒸发法克服了电阻加热蒸发的许多缺点，得到广泛应用。广泛应用。现在学习的是第18页，共77页 电子束加热原理电子束加

13、热原理 可聚焦的电子束，能局部加温元素源，因不加热其它部分而可聚焦的电子束，能局部加温元素源，因不加热其它部分而避免污染避免污染 高能量电子束能使高熔点元素达到足够高温以产生适量的蒸高能量电子束能使高熔点元素达到足够高温以产生适量的蒸气压气压212me U 电子的动能和电功率：电子的动能和电功率：289.1 10mg191.6 10eC55.93 10(m/s)U0.24QWt现在学习的是第19页，共77页电子束蒸发源的优点：电子束蒸发源的优点：电子束的束流密度高，能获得远比电阻加热源更大的能量密度。电子束的束流密度高，能获得远比电阻加热源更大的能量密度。被蒸发材料置于水冷坩埚内，避免了容器材

14、料的蒸发，以及容器材被蒸发材料置于水冷坩埚内，避免了容器材料的蒸发，以及容器材料与蒸发材料的反应，提高了薄膜的纯度。料与蒸发材料的反应，提高了薄膜的纯度。热量直接加到蒸镀材料表面，热效率高，热传导和热辐射损失小。热量直接加到蒸镀材料表面，热效率高，热传导和热辐射损失小。电子束蒸发源的缺点：电子束蒸发源的缺点：可使蒸发气体和残余气体电离，有时会影响膜层质量；可使蒸发气体和残余气体电离，有时会影响膜层质量；电子束蒸镀装置结构复杂，价格昂贵；电子束蒸镀装置结构复杂，价格昂贵；产生的软产生的软X射线对人体有一定的伤害。射线对人体有一定的伤害。现在学习的是第20页，共77页 电子束蒸发源的结构电子束蒸发

15、源的结构 环型枪环型枪 直型枪直型枪 e 型枪型枪结构简单结构简单功率、效率不高功率、效率不高现在学习的是第21页，共77页直型枪直型枪 使用方便，能量使用方便，能量密度高，易于调节控密度高，易于调节控制。制。体积大、成本高，体积大、成本高，蒸镀材料会污染枪体蒸镀材料会污染枪体结构，存在从灯丝逸结构，存在从灯丝逸出的出的NaNa离子污染离子污染现在学习的是第22页，共77页现在学习的是第23页，共77页1-发射体，发射体，2-阳极，阳极，3-电磁线圈，电磁线圈，4-水冷坩埚，水冷坩埚，5-收集极，收集极，6-吸收极，吸收极，7-电子电子轨迹，轨迹，8-正离子轨迹，正离子轨迹，9-散射电子轨迹，

16、散射电子轨迹，10-等离子体等离子体吸收反射电吸收反射电子、背散射子、背散射电子、二次电子、二次电子电子吸收电子束吸收电子束与蒸发的中与蒸发的中性离子碰撞性离子碰撞产生的正离产生的正离子子e 型枪型枪现在学习的是第24页，共77页 高频感应蒸发源高频感应蒸发源高频感应蒸发源的特点：高频感应蒸发源的特点：蒸发速率大，比电阻蒸发源大蒸发速率大，比电阻蒸发源大1010倍倍左右；左右；蒸发源温度均匀稳定，不易产蒸发源温度均匀稳定，不易产生飞溅；生飞溅；蒸发材料是金属时，从内部加热蒸发材料是金属时，从内部加热；蒸发源一次加料，无需送料机构蒸发源一次加料，无需送料机构，控温容易，热惰性小，操作简单，控温容

17、易，热惰性小，操作简单。缺点：缺点：蒸发装置必须屏蔽、高蒸发装置必须屏蔽、高频发生器昂贵，气压高于频发生器昂贵，气压高于1010-2 2PaPa，高频场就会使残余气体，高频场就会使残余气体电离，使功耗增大电离，使功耗增大现在学习的是第25页，共77页 能量损失的种类能量损失的种类 蒸发材料蒸发材料蒸发蒸发时所需的热量时所需的热量 蒸发源因蒸发源因辐射辐射所损失的能量所损失的能量 蒸发源因蒸发源因热传导热传导而损失的能量而损失的能量1Q2Q3Q 蒸发材料蒸发时所需的热量蒸发材料蒸发时所需的热量01mvmTTsmLvTTWQC dTLC dTLM第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理现在学习的是第

18、26页，共77页 不同物质在相同压强下所需的蒸发热是不同的；不同物质在相同压强下所需的蒸发热是不同的；蒸发热量蒸发热量 值的值的80%以上是蒸发热以上是蒸发热 而消耗掉的。而消耗掉的。QvL第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理现在学习的是第27页，共77页第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理 设备比较简单、操作容易；设备比较简单、操作容易；薄膜纯度高、质量好，厚度可较准确控制；薄膜纯度高、质量好，厚度可较准确控制；成膜速度快、效率高，采用掩模可以获得清晰的成膜速度快、效率高，采用掩模可以获得清晰的图形；图形；薄膜生长机理比较单纯。薄膜生长机理比较单纯。缺点：缺点：不容易获得不容易获得结晶结

19、构结晶结构的薄膜，的薄膜，薄膜附着力薄膜附着力较小，工艺重复较小，工艺重复性差性差。特点：特点：现在学习的是第28页，共77页主要内容主要内容6-1 真空蒸发原理真空蒸发原理6-2 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布6-3 蒸发源的类型蒸发源的类型6-4 合金及化合物蒸发合金及化合物蒸发6-5 膜厚和淀积速率的测量与监控膜厚和淀积速率的测量与监控现在学习的是第29页，共77页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布均匀膜层厚度是薄膜技术中的关键问题。取决于如下因素：均匀膜层厚度是薄膜技术中的关键问题。取决于如下因素：蒸发源的蒸发特性蒸发源的蒸发特性

20、基板与蒸发源的几何形状基板与蒸发源的几何形状 基板与蒸发源的相对位置基板与蒸发源的相对位置 蒸发物质的蒸发量蒸发物质的蒸发量基本假设：基本假设：1.1.蒸发原子或分子与残余气体分子之间不发生碰撞；蒸发原子或分子与残余气体分子之间不发生碰撞；2.2.蒸发源附近的原子或分子之间不发生碰撞；蒸发源附近的原子或分子之间不发生碰撞；3.3.淀积到基片上的原子不发生再蒸发现象。淀积到基片上的原子不发生再蒸发现象。现在学习的是第30页，共77页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 点蒸发源点蒸发源224cos4mdmdmdSr2dmt dS 能够从各个方向蒸能够从各个方向蒸发等

21、量材料的微小球状发等量材料的微小球状蒸发源称为点蒸发源（蒸发源称为点蒸发源（点源）。点源）。222222121coscoscosxhdSrdSddrdSdSdS现在学习的是第31页，共77页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布23223 2cos444()mmhmhtrrhx024mth在基板平面内薄膜厚度分布：在基板平面内薄膜厚度分布：3 22011()ttx h当当 在点源正上方，即在点源正上方，即 时，膜层厚度时，膜层厚度 为：为：2dS00t现在学习的是第32页，共77页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 小平面蒸发源小平面

22、蒸发源22coscoscosmdmdmdSr22222coscos()mmhtrhx 这种蒸发源的发射这种蒸发源的发射特性具有方向性，使得特性具有方向性，使得在在 角方向蒸发的材料角方向蒸发的材料质量和质量和 成正比。成正比。cos现在学习的是第33页，共77页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布当当 在点源正上方，即在点源正上方，即 时，膜层厚度时，膜层厚度 为：为：2dS0t02mth在基板平面内薄膜厚度分布：在基板平面内薄膜厚度分布：22011()ttx h0,0现在学习的是第34页，共77页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布

23、02mth024mth点源：点源：小平面源：小平面源：现在学习的是第35页，共77页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布现在学习的是第36页，共77页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布现在学习的是第37页，共77页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 细长平面蒸发源细长平面蒸发源dSSHhrzxy0-l/2ad(x,y)l/2222222,)(,cosyhaaSxrrh 视视dS为小平面蒸发源，则为小平面蒸发源，则d上上得到的蒸发量为得到的蒸发量为dSlmdm dSlmxhddm)(cos222ddtd

24、m222222cosaSxdSlmhlrdSmdt现在学习的是第38页，共77页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布积分后积分后41164422221422222222222222222lxalatgallxaxalxallamhaSxdSlmhtll在原点处，在原点处，则膜厚为，则膜厚为hax,0414222122220lhlhtghlhllamht现在学习的是第39页，共77页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 环状蒸发源环状蒸发源dRAN0 xydS2dS1h 232223222222)()()()(22RAhRAhRARAh

25、mht22220)(1Rhmht 232223222222220)()()()(RAhRAhRAhRhtt现在学习的是第40页，共77页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 实际蒸发源的发射特性实际蒸发源的发射特性 实际蒸发源的发射特性可根据熔融后的形态，选取不同实际蒸发源的发射特性可根据熔融后的形态，选取不同的膜厚蒸发公式进行理论分析和近似计算。（的膜厚蒸发公式进行理论分析和近似计算。（p33）蒸发源与基板的相对位置蒸发源与基板的相对位置配置配置点源与基板相对位置点源与基板相对位置 为获得均匀的膜厚，电源必须配为获得均匀的膜厚，电源必须配置在基板围成的球面中心。

26、置在基板围成的球面中心。214rmt现在学习的是第41页，共77页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 小平面源与基板相对位置小平面源与基板相对位置 当小平面源为球形工作架的一当小平面源为球形工作架的一部分时，在内球体表面上的膜厚分部分时，在内球体表面上的膜厚分布是均匀的。布是均匀的。当当 时，时，2cosrR22coscos4mmtrR 厚度与厚度与 角无关，对于一定半角无关，对于一定半径径 的球形工作架，其内表面膜厚的球形工作架，其内表面膜厚取决于材料性质、取决于材料性质、的大小及蒸发的大小及蒸发量。量。RR现在学习的是第42页，共77页第二节第二节 蒸发源的

27、蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布Evaporation Scheme to achieve Uniform Deposition现在学习的是第43页，共77页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 小面积基板时蒸发源的位置配置小面积基板时蒸发源的位置配置 如果被蒸镀的面积比较小如果被蒸镀的面积比较小，可以将蒸发源直接配置于基，可以将蒸发源直接配置于基板的中心线上，源板的中心线上，源-基距基距H取取11.5D。现在学习的是第44页，共77页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 大面积基板和蒸发源的配置大面积基板和蒸发源的配置

28、基板公转加自转基板公转加自转 多点源或小平面蒸发源多点源或小平面蒸发源现在学习的是第45页，共77页现在学习的是第46页，共77页第三节第三节 蒸发源的类型蒸发源的类型 蒸发源是蒸发装置的关键部件。最常用的有：电阻法、电子束蒸发源是蒸发装置的关键部件。最常用的有：电阻法、电子束法、高频法等。法、高频法等。电阻蒸发源电阻蒸发源直接加热法（直接加热法（W、Mo、Ta）间接加热法（间接加热法（Al2O3、BeO等坩埚）等坩埚）对蒸发源材料的要求（对蒸发源材料的要求（p36表表2-5）高熔点高熔点饱和蒸气压低饱和蒸气压低化学性能稳定，高温下不与蒸发材料反应化学性能稳定，高温下不与蒸发材料反应良好的耐热

29、性良好的耐热性原料丰富、经济耐用原料丰富、经济耐用 高温时，钽和金形成合金，高温时，钽和金形成合金，铝、铁、镍、钴等与钨、钼、铝、铁、镍、钴等与钨、钼、钽等形成合金钽等形成合金 B2O3与钨、钼、钽有反应，与钨、钼、钽有反应，W与水汽或氧反应，形成挥发性与水汽或氧反应，形成挥发性的的WO、WO2或或WO3；Mo也能也能与水汽或氧反应生成挥发性的与水汽或氧反应生成挥发性的MoO3现在学习的是第47页，共77页第三节第三节 蒸发源的类型蒸发源的类型 改进的办法，是采用氮化硼导电陶瓷坩埚、氧化锆、氧化钍改进的办法，是采用氮化硼导电陶瓷坩埚、氧化锆、氧化钍、氧化铍、氧化镁、氧化铝坩埚及石磨坩埚，或采用

30、蒸发材料自、氧化铍、氧化镁、氧化铝坩埚及石磨坩埚，或采用蒸发材料自热蒸发源。热蒸发源。常用的蒸发源材料有：常用的蒸发源材料有：W、Mo、Ta，耐高温的金属氧化物、，耐高温的金属氧化物、陶瓷或石墨坩埚陶瓷或石墨坩埚 蒸镀材料对蒸发源材料的蒸镀材料对蒸发源材料的“湿润性湿润性”湿润情况面蒸发源湿润情况面蒸发源湿润小点蒸发源湿润小点蒸发源现在学习的是第48页，共77页2.4 合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发 对于两种以上元素组成的合金和化合物薄膜，在蒸发时如何控对于两种以上元素组成的合金和化合物薄膜，在蒸发时如何控制组分，以获得与蒸发材料化学比不变的膜层，是薄膜技术中的一制组分，以获得与蒸发材料

31、化学比不变的膜层，是薄膜技术中的一个重要问题。个重要问题。二元以上合金或化合物，由于各成分饱和蒸气压不同，蒸发速二元以上合金或化合物，由于各成分饱和蒸气压不同，蒸发速率不同，引起薄膜成分偏离。率不同，引起薄膜成分偏离。合金的蒸发可以近似地用拉乌尔定律来处理。合金的蒸发可以近似地用拉乌尔定律来处理。合金蒸发的组分偏离问题合金蒸发的组分偏离问题现在学习的是第49页，共77页合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发拉乌尔定律（Raoults Law）1887年，法国化学家Raoult从实验中归纳出一个经验定律：在定温下，在稀溶液中，溶剂的蒸气压等于纯溶剂蒸气压 乘以溶液中溶剂的物质的量分数 ，用公式表示

32、为：Ax*Ap*AAApp x)1(B*AAxpp*AB*AAppxp1BA xx如果溶液中只有A，B两个组分，则拉乌尔定律也可表示为：溶剂蒸气压的降低值与纯溶剂蒸气压之比等于溶质的摩尔分数。现在学习的是第50页，共77页合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发AAAPPXBBBPPXAAABnXnnBBABnXnnAAABBBPnPnPP 设设 、分别围分别围A、B的质量，的质量，、为合金中的浓度为合金中的浓度，则，则AmBmAWBWAAABmWmmBBABmWmmAAAABBBBWmn MWmn MABBABABAMMPPWWPP现在学习的是第51页，共77页合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸

33、发合金各组分的蒸发速率：合金各组分的蒸发速率：2-25.83 10(g/cms Torr)AAAMGPT 2-25.83 10(g/cms Torr)BBBMGPT AAABBBGPMGMP 若要保证薄膜组分和蒸发料一致，则必须若要保证薄膜组分和蒸发料一致，则必须 ，实际，实际上难于做到。上难于做到。1ABGGABBABABAMMPPWWPPAAABBBBAGPWMGPWM现在学习的是第52页，共77页合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发例题：例题：处于处于1527 下的镍铬合金（下的镍铬合金（Ni80%，Cr20%），），在在 ，时，蒸发速率比为：时，蒸发速率比为：10PaCrP1PaNiP

34、 10 2058.72.818052.0CrCrCrNiNiNiNiCrGPWMGPWM 铬的初始蒸发速率是镍的铬的初始蒸发速率是镍的2.8倍；倍；随蒸发过程，随蒸发过程，会逐渐减小，最终会小于会逐渐减小，最终会小于1。CrNiGG镍镍-铬合金薄膜实验结果证实了上述结果。铬合金薄膜实验结果证实了上述结果。在真空蒸发法制作合金薄膜时，为保证薄膜组成，经常采用瞬时蒸发法在真空蒸发法制作合金薄膜时，为保证薄膜组成，经常采用瞬时蒸发法、双蒸发源法等。、双蒸发源法等。现在学习的是第53页，共77页合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发 瞬时蒸发法瞬时蒸发法瞬时蒸发法又称瞬时蒸发法又称“闪烁闪烁”蒸发法蒸发

35、法。可以获得成分均匀的薄膜可以获得成分均匀的薄膜，方便进行掺杂。，方便进行掺杂。蒸发速率难于控制，蒸发蒸发速率难于控制，蒸发速率不能太快。速率不能太快。多用于多用于-族及族及-半导体化半导体化合薄膜的制作。合薄膜的制作。现在学习的是第54页，共77页合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发 双源或多源蒸发法双源或多源蒸发法 将要形成合金的每一成分将要形成合金的每一成分，分别装入各自的蒸发源中，分别装入各自的蒸发源中，然后独立地控制其蒸发速率，然后独立地控制其蒸发速率，使达到基板的各种原子符合组使达到基板的各种原子符合组成要求。成要求。现在学习的是第55页，共77页合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸

36、发 电阻蒸发法、电阻蒸发法、反应蒸发法反应蒸发法、双源或多源蒸发法、双源或多源蒸发法、三温度法和三温度法和分子束外延法分子束外延法等。等。反应蒸发法：反应蒸发法：主要用于制备高熔点的绝缘介质薄膜，如氧化物、氮化物、硅化物等。三温度法和分子束外延：三温度法和分子束外延：主要用于制备单晶半导体化合物薄膜，特别是-族化合物半导体薄膜。现在学习的是第56页，共77页反应蒸发法反应蒸发法 将活性气体导入真空室，并将活性气体导入真空室，并与蒸发源逸出的金属原子、低价与蒸发源逸出的金属原子、低价化合物分子在基板表面淀积过程化合物分子在基板表面淀积过程中发生化学反应，从而形成所需中发生化学反应，从而形成所需高

37、价化合物薄膜。高价化合物薄膜。现在学习的是第57页，共77页合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发现在学习的是第58页，共77页合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发 在反应蒸发中，蒸发原子或低价化合物分子与活性气体发生在反应蒸发中，蒸发原子或低价化合物分子与活性气体发生反应有三个可能的部位。反应有三个可能的部位。蒸发源表面（尽可能避免）蒸发源表面（尽可能避免）蒸发源到基板的空间（反应几率很小）蒸发源到基板的空间（反应几率很小）基板表面（主要反应部位）基板表面（主要反应部位）现在学习的是第59页，共77页合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发 三温度法三温度法 分别控制低蒸气压元素（分别控制低蒸气压

38、元素（）的蒸发温度）的蒸发温度T、高蒸气压、高蒸气压元素（元素（）的蒸发温度）的蒸发温度T和基和基板温度板温度TS，一共三个温度，即三，一共三个温度，即三温度法。温度法。由于相当与在高蒸气压元素由于相当与在高蒸气压元素气氛中蒸发低低蒸气压元素，所气氛中蒸发低低蒸气压元素，所以，类似于反应蒸发法。以，类似于反应蒸发法。现在学习的是第60页，共77页合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发MBE 分子束外延是分子束外延是5050年代用真空蒸发技术制备半导体薄膜材料发展而来年代用真空蒸发技术制备半导体薄膜材料发展而来的。随着超高真空技术的发展而日趋完善，的。随着超高真空技术的发展而日趋完善，近十几年来近

39、十几年来由于分子束外延由于分子束外延技术的发展技术的发展,开拓了一系列崭新的超晶格器件，扩展了半导体科学的新领开拓了一系列崭新的超晶格器件，扩展了半导体科学的新领域，进一步说明了半导体材料的发展对半导体物理和半导体器件的影响。域，进一步说明了半导体材料的发展对半导体物理和半导体器件的影响。分子束外延的优点就是能够制备超薄层的半导体材料；外延材料表面形貌分子束外延的优点就是能够制备超薄层的半导体材料；外延材料表面形貌好，而且面积较大均匀性较好；可以制成不同掺杂剂或不同成份的多层结好，而且面积较大均匀性较好；可以制成不同掺杂剂或不同成份的多层结构；外延生长的温度较低，有利于提高外延层的纯度和完整性

40、；利用各种构；外延生长的温度较低，有利于提高外延层的纯度和完整性；利用各种元素的粘附系数的差别，可制成化学配比较好的化合物半导体薄膜。元素的粘附系数的差别，可制成化学配比较好的化合物半导体薄膜。现在学习的是第61页，共77页 分子束外延（分子束外延（Molecular beam epitaxy,MBE）是在）是在1969年由贝年由贝尔（尔（Bell）实验室的）实验室的J.R.Arthur命名的。它是在适当的衬底和合命名的。它是在适当的衬底和合适的条件下，沿衬底材料晶轴方向生长一层结晶结构完整的新单适的条件下，沿衬底材料晶轴方向生长一层结晶结构完整的新单晶层薄膜的方法，故称该工艺为外延。新生的单

41、晶层叫外延层。晶层薄膜的方法，故称该工艺为外延。新生的单晶层叫外延层。气相外延气相外延（VPE）：）：CVD外延、外延、PVD外延外延液相外延（液相外延（LPE）：）：分子束外延（分子束外延（MBE）：）：广泛应用于固态微波器件、光电器件、超大规模集成电路广泛应用于固态微波器件、光电器件、超大规模集成电路、光通讯和制备超晶格材料等领域。、光通讯和制备超晶格材料等领域。现在学习的是第62页，共77页合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发 交流电弧蒸发法交流电弧蒸发法借鉴了碳素膜借鉴了碳素膜制备方法，不需要特别的设备。蒸制备方法，不需要特别的设备。蒸发材料作为电极棒安装在与蒸镀室发材料作为电极棒安装

42、在与蒸镀室绝缘的两根电极支持棒上，蒸镀室绝缘的两根电极支持棒上，蒸镀室的真空度达的真空度达10-6-10-7 Torr后，在电极后，在电极间加交流电压间加交流电压10-50V，移动一个电极，移动一个电极，使其与另一电极接触随后立即拉开，使其与另一电极接触随后立即拉开。这样，在电极间产生电弧放电，电极。这样，在电极间产生电弧放电，电极材料蒸发，在与蒸发源相距适当距离的材料蒸发，在与蒸发源相距适当距离的基片上形成薄膜。基片上形成薄膜。现在学习的是第63页，共77页合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发 适当控制蒸镀室的真空度，适当控制蒸镀室的真空度，直流电弧放电直流电弧放电可持续较长时间。这种方可持

43、续较长时间。这种方法可用于金属膜的蒸镀，也可用于铁氧体等氧化膜的蒸镀。法可用于金属膜的蒸镀，也可用于铁氧体等氧化膜的蒸镀。把烧结的铁氧体块体放入真空度为把烧结的铁氧体块体放入真空度为10-5Torr的蒸镀室内，使块体表的蒸镀室内，使块体表面朝上，面朝上，Mo电极棒与块体表面接触，加直流电压电极棒与块体表面接触，加直流电压110V。当接触部位熔。当接触部位熔化时，将化时，将Mo电极稍微拉离表面就会引起电弧放电，使铁氧体蒸发。电极稍微拉离表面就会引起电弧放电，使铁氧体蒸发。为了维持放电，需要有为了维持放电，需要有10-6-10-7 Torr的真空度和的真空度和5-15A的放电电流的放电电流。构成铁

44、氧体的金属元素有不同的蒸发温度，因此得到的蒸镀膜是不均匀。构成铁氧体的金属元素有不同的蒸发温度，因此得到的蒸镀膜是不均匀的，但将其在空气加热至的，但将其在空气加热至1250一一1350就会形成均质薄膜。就会形成均质薄膜。母材的组成与膜的组成是有差别的，适当选择母材组成就可母材的组成与膜的组成是有差别的，适当选择母材组成就可以得到符合组成要求的铁氧体薄膜。以得到符合组成要求的铁氧体薄膜。现在学习的是第64页，共77页合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发 热壁法热壁法 为获得良好的外延生长膜，人们研究了热壁外延生长法。为获得良好的外延生长膜，人们研究了热壁外延生长法。热壁法是利用加热的石英管间接加

45、热蒸发材料，使其蒸发，在热壁法是利用加热的石英管间接加热蒸发材料，使其蒸发，在衬底上形成薄膜。衬底上形成薄膜。热壁法的主要结构是在热管热壁法的主要结构是在热管(热壁热壁)的上端安装基片，在热管的上端安装基片，在热管下端安装蒸发源，热管起着输运蒸气和使蒸气温度保持均匀下端安装蒸发源，热管起着输运蒸气和使蒸气温度保持均匀的作用。热管结构是封闭的，因此可以防止蒸气向外部散失的作用。热管结构是封闭的，因此可以防止蒸气向外部散失，并可控制组分的蒸气压。，并可控制组分的蒸气压。现在学习的是第65页，共77页合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发 热壁法的最大特点是在热平衡状热壁法的最大特点是在热平衡状态下成

46、膜。态下成膜。可以形成超晶格结构。可以形成超晶格结构。现在学习的是第66页，共77页合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发激光蒸发法的特点：激光蒸发法的特点：激光加热可以达到极高的温度，可蒸发任何高熔点材料，且获激光加热可以达到极高的温度，可蒸发任何高熔点材料，且获得很高的蒸发速率；得很高的蒸发速率；非接触式加热，完全避免了蒸发源的污染，简化了真空室非接触式加热，完全避免了蒸发源的污染，简化了真空室，非常适合在超高真空下制备高纯薄膜；，非常适合在超高真空下制备高纯薄膜；能对某些化合物或合金进行能对某些化合物或合金进行“闪烁闪烁”蒸发，有利于保证薄膜蒸发，有利于保证薄膜成分的组成和防止分解，是淀积

47、介质薄膜、半导体薄膜和无成分的组成和防止分解，是淀积介质薄膜、半导体薄膜和无机化合物薄膜的好方法。机化合物薄膜的好方法。现在学习的是第67页，共77页现在学习的是第68页，共77页膜厚和淀积速率的测量与监控膜厚和淀积速率的测量与监控 薄膜厚度是薄膜最重要的参数之一，它影响着薄膜的各种性质薄膜厚度是薄膜最重要的参数之一，它影响着薄膜的各种性质及其应用。及其应用。薄膜淀积速率是制膜工艺中的一个重要参数，它直接影响薄薄膜淀积速率是制膜工艺中的一个重要参数，它直接影响薄膜的结构的特性。膜的结构的特性。重点：薄膜厚度的测量和监控。重点：薄膜厚度的测量和监控。现在学习的是第69页，共77页膜厚和淀积速率的

48、测量与监控膜厚和淀积速率的测量与监控厚度：是指两个完全平整的平行平面之间的距离。厚度：是指两个完全平整的平行平面之间的距离。理想薄膜厚度：基片表面到薄膜表面之间的距离。理想薄膜厚度：基片表面到薄膜表面之间的距离。由于薄膜具有显微结构，要严格定义和精确测量薄膜厚度，实由于薄膜具有显微结构，要严格定义和精确测量薄膜厚度，实际上比较困难的。际上比较困难的。薄膜厚度的定义是与测量方法和目的相关的。薄膜厚度的定义是与测量方法和目的相关的。现在学习的是第70页，共77页膜厚和淀积速率的测量与监控膜厚和淀积速率的测量与监控现在学习的是第71页，共77页膜厚和淀积速率的测量与监控膜厚和淀积速率的测量与监控SS

49、衬底的平均表面衬底的平均表面TS薄膜形状表面薄膜形状表面质量等价表面质量等价表面MS物性等价表面物性等价表面PS现在学习的是第72页，共77页膜厚和淀积速率的测量与监控膜厚和淀积速率的测量与监控形状厚度形状厚度dT是接近与直观形式的厚度。是接近与直观形式的厚度。质量厚度质量厚度dM反映了薄膜中质量的多少。反映了薄膜中质量的多少。物性厚度物性厚度dP实际使用较少。实际使用较少。现在学习的是第73页，共77页膜厚和淀积速率的测量与监控膜厚和淀积速率的测量与监控 微量天平法：微量天平法：采用微天平直接测量基片上的薄膜质量，得到质采用微天平直接测量基片上的薄膜质量，得到质量膜厚。量膜厚。使用高灵敏度微

50、天平可检测的膜厚质量为使用高灵敏度微天平可检测的膜厚质量为1 11010-7-7kgkgm m2 2。这一膜。这一膜厚质量相当于单原子层普通薄膜物质的厚质量相当于单原子层普通薄膜物质的l l2020至几分之一。从可以检至几分之一。从可以检测基片上微量附着量的意义上说，微天平是膜厚测量中最敏感的方法。测基片上微量附着量的意义上说，微天平是膜厚测量中最敏感的方法。这种方法是直接测量，其测量值是可靠的。可以在蒸镀过程中进行膜这种方法是直接测量，其测量值是可靠的。可以在蒸镀过程中进行膜厚测量，有效用于膜厚监控。该法可用于薄膜制作初期膜厚测量和石英晶厚测量，有效用于膜厚监控。该法可用于薄膜制作初期膜厚测