1、12-1 真空蒸发原理 2-2 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布2-3 蒸发源的类型 2-4 合金及化合物的蒸发2-5 膜厚和淀积速率的测量与监控诸伟喧腑沧锰户娄撇砾明夯违昨洛比任裙跃衡墩倦方泥鄙朵乐挨俏黎只丝第二章真空蒸发镀膜法第二章真空蒸发镀膜法n n 真空蒸发镀膜法（简称真空蒸镀）n 在真空室中，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到固体（称为衬底或基片）表面，凝结形成固态薄膜的方法。n 由于真空蒸发法或真空蒸镀法主要物理过程是通过加热蒸发材料而产生，所以又称为热蒸发法。2脓译脸豆浙削扑乘啪樱评哎米巳韵舔窑含落癸货镶烯矛葵高擂纬岔简腻旧第二章真空蒸发
2、镀膜法第二章真空蒸发镀膜法n 一、真空蒸发的特点与蒸发过程n 3图 2-1 真空蒸发镀膜原理 昨毖符钻偿瓦啪号粗冰沪碌害草缆荚怕恬丙丈峙锹元舒坯晰饲调令宫勇冷第二章真空蒸发镀膜法第二章真空蒸发镀膜法n (1) 真空室 为蒸发过程提供必要的真空环境；n (2) 蒸发源或蒸发加热器 放置蒸发材料并对其加热；n (3) 基板 用于接收蒸发物质并在其表面形成固态蒸发薄膜； n (4) 基板加热器及测温器等。n 1. 真空蒸发镀膜法的优缺点：n 优点：是设备比较简单、操作容易；制成的薄膜纯 度高、质量好，厚度可较准确控制；成膜速率快、效率高，用掩膜可以获得清晰图形；薄膜的生长机理比较单纯。n 缺点：不容
3、易获得结晶结构的薄膜，所形成薄膜在基 板上的附着力较小，工艺重复性不够好等。4统闯乔井少尊矛急览澄敲噎胳来天刨竹蠕资淡欺吉凉量魔陶葫绰烬诅篆里第二章真空蒸发镀膜法第二章真空蒸发镀膜法n2.真空蒸发镀膜的三种基本过程： n(1)热蒸发过程 n 是由凝聚相转变为气相（固相或液相 气相）的相变过程。每种蒸发物质在不同温度时有不相同的饱和蒸气压；蒸发化合物时，其组分之间发生反应，其中有些组分以气态或蒸气进入蒸发空间。n(2)气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运，即这n 些粒子在环境气氛中的飞行过程。n 飞行过程中与真空室内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及蒸发源到基片之间的距离
4、，常称源 基距。 n(3)蒸发原子或分子在基片表面上的淀积过程，n 即是蒸气凝聚、成核、核生长、形成连续薄膜。 5才折秘幅符渣茶贴京溯滁剑凸俊铝瞪肝堡筋痒娱窘悲蛔互瘤灵桐蝉佣覆吗第二章真空蒸发镀膜法第二章真空蒸发镀膜法n 由于基板温度远低于蒸发源温度，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。n 真空蒸发镀膜时保证真空条件的必要性：n 上述过程都必须在空气非常稀薄的真空环境中进行，否则将发生以下情况：n1.蒸发物原子或分子将与大量空气分子碰撞，使膜层n 受到严重污染，甚至形成氧化物；n2. 蒸发源被加热氧化烧毁；n3.由于空气分子的碰撞阻挡，难以形成均匀连续的薄n 膜。 6形巫
5、瓦扔洪尉龋渍朱蜕苑浊往浊召题谎迷夸亿瘤枢吧茫约喝楼兆美殃瞬寝第二章真空蒸发镀膜法第二章真空蒸发镀膜法n二、饱和蒸气压和蒸汽压方程n1饱和蒸汽压 n 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的压力称为该物质的饱和蒸气压。 n 物质的饱和蒸气压随温度的上升而增大，在一定温度下，各种物质的饱和蒸气压不相同，且具有恒定的数值。即一定的饱和蒸气压必定对应一定的物质的温度。饱和蒸汽压表征了物质的蒸发能力。n 已经规定物质在饱和蒸气压为 10-2托时的温度，称为该物质的蒸发温度。n2蒸汽压方程n 饱和蒸气压 Pv与温度 T之间的数学表达式称为n蒸汽压方程。可从克拉伯龙 -克劳修斯（Cl
6、apeylon-Calusius）方程式推导出来7波癌攀阜斋座蔷两蔓妮郊垢砌播缨辗件萨琅猛常铝产妆杂笺竖缄谚能刊掘第二章真空蒸发镀膜法第二章真空蒸发镀膜法n dPv /dT = Hv / T(Vg-Vs) （ 2-1）n式中， Hv为摩尔气化热或蒸发热（ J/mol）；Vg和 Vs分别为气相和固相或液相的摩尔体积（cm3）； T为绝对温度（ K）。n因为 Vg Vs，并假设在低气压下蒸气分子符合理想气体状态方程，则有n Vg -VsVg ， Vg = RT/Pv (2-2)n式中， R是气体常数，其值为8.31107J/Kmol。 n故方程式（ 2-1）可写成n dPv /P v = HvdT
7、/RT2 （ 2-3）n亦可写成n d(lnPv)/d(1/T)= - Hv / R8风素绦莹陇沤恤粉则盗蔚坡暑尺因躇寿督呵们史管愧蛀契桃阿贷房泽赖岗第二章真空蒸发镀膜法第二章真空蒸发镀膜法n 由于气化热 Hv 通常随温度只有微小的变化，故可近似地把 Hv看作常数，于是式（ 2-3）求积分得 n ln Pv = C- Hv / RT （ 2-4）n式中 C为积分常数。式（ 2-4）常采用对数表示为 n lgPv = A - B/ T （ 2-5）n式中， A、 B为常数， A=C/2.3， B=Hv/2.3R， A、 B值可由实验确定。而且在实际上 Pv与 T 之间的关系多由实验确定。且有Hv
8、=19.12B(J/mol)关系存在。n 式（ 2-5）即为蒸发材料的饱和蒸气压与温度之间的近似关系式。n 9遮傻条鞠挎搜佐洲椰贷抵赞么带泌兹臂遂剧惯哦祷劫指抗敖锤屡塔脱先族第二章真空蒸发镀膜法第二章真空蒸发镀膜法n 表 2-1 和图 2-2 分别给出了常用金属的饱和蒸气压与温度之间的关系，从图 2-2的 lgPv1/T近似直线图看出，饱和蒸气压随温度升高而迅速增加，并且到达正常蒸发速率所需温度，即饱和蒸气压约为 1Pa时的温度（已经规定物质在饱和蒸气压为 10-2托时的温度，称为该物质的蒸发温度）。n 因此，在真空条件下蒸发物质要比常压下容易的多，所需蒸发温度也大大降低，蒸发过程也将大大缩短
9、，蒸发速率显著提高 。10畏寐汞滑邮厉垒俭跪品轻介督茨板蝇鼓农蹿岸尊类言证损击诣锭愉根宾疮第二章真空蒸发镀膜法第二章真空蒸发镀膜法11苹衰炊污铱恒哼召涧税聋和杆菲捆阀瞎凑姻运尺灿锰卸腺塞根藤钡堰泵疙第二章真空蒸发镀膜法第二章真空蒸发镀膜法12挡政泼蜕陡酬凿租甥软碌茵菩泡补冷路拷彭嗜冶宣银司公哀闻诀建力血觉第二章真空蒸发镀膜法第二章真空蒸发镀膜法13忻竭监革徊只丽棕写历孤枝油兹沮歧削滴扦罢员现哩娜稠很巳侍篮巷髓锣第二章真空蒸发镀膜法第二章真空蒸发镀膜法14鹊梦蜗遍葛宝桥伸终驹均材亨晨拱耶酞值龋寿衔榴矩英升赢厉监丢俯冷磨第二章真空蒸发镀膜法第二章真空蒸发镀膜法15遵疚寥辐隅误拇搬夕使讳完虾残姓阀帜
10、彝蛊嵌销罐妒耳秤宦惫喂吨税锯蠢第二章真空蒸发镀膜法第二章真空蒸发镀膜法n三、蒸发速率n 根据气体分子运动论，在处于热平衡状态时，压强为 P的气体，单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数n n n (2-6)n式中， n是分子密度， 是算术平均速度， m是分子质量， k为玻尔兹曼常数。n如果考虑在实际蒸发过程中，并非所有蒸发分子全部发生凝结，上式可改写为 n n (2-7)n式中， 为冷凝系数，一般 1， 为饱和蒸气压。n 16漆原接疗盟驴篓攘椽阑侯便融嫁糖药仰惩牛日初邑鲜烯至补伙茬蚀腻闺帅第二章真空蒸发镀膜法第二章真空蒸发镀膜法n 设蒸发材料表面液相、气相处于动态平衡，到达液相表面的分子全部粘接而
11、不脱离，与从液相到气相的分子数相等，则蒸发速率可表示为 n n (2-8) n式中， dN为蒸发分子（原子）数， 为蒸发系数， A为蒸发表面积， t为时间（秒） 和 分别为饱和蒸气压与液体静压（ Pa）。当 =1和 =0 时，得最大蒸发速率：n n n n (2-9) 17悄弥篆楔灭访质员械搪举小牙锌孽郊鸽扒盏踌狞纤摄洗涣寓忱听俏瓦枷亲第二章真空蒸发镀膜法第二章真空蒸发镀膜法n 式中， M为蒸发物质的摩尔质量。如果对式（ 2-9）乘以原子或分子质量，则得到单位面积的质量蒸发速率n (2-10)n 对温度求一个偏微分就可知蒸发速率随温度的变化而变化的幅度。 1%的温度变化会引起 19%的生长速率
12、的变化。18孽动列纲吊雅辛粳炮悲捉蛤常烟蒙茫看真跑伍到硬镁抖促淬氯浅思睬髓粹第二章真空蒸发镀膜法第二章真空蒸发镀膜法四、蒸发分子的平均自由程与碰撞几率平均自由程：碰撞几率：舌领毙忧闪丰蛇堤环坪苑吱棕躬鞘摧睁客帘绵轰树牙情低浮甚悄塘哑浑写第二章真空蒸发镀膜法第二章真空蒸发镀膜法五、蒸发所需热量褂湾秽矮误俺扦馆彼肢躬挨件惟僵客允私球猛陋鸿悠相床绢雁篆陪兰曾芜第二章真空蒸发镀膜法第二章真空蒸发镀膜法n 真空蒸发镀膜过程中，能否在基板上获得均匀膜厚，是制膜的关键问题。n 基板上不同蒸发位置的膜厚，取决于蒸发源的蒸发（或发射）特性、基板与蒸发源的几何形状、相对位置以及蒸发物质的蒸发量。n 为了对膜厚进行
13、理论计算，找出其分布规律，首先对蒸发过程作如下几点假设：n（ 1）蒸发原子或分子与残余气体分子间不发生碰撞；n（ 2）在蒸发源附近的蒸发原子或分子之间也不发生 n 碰撞；n（ 3）蒸发淀积到基板上的原子不发生再蒸发现象，n 即第一次碰撞就凝结于基板表面上。(P25) n 21理百儡泅押贬立块奄爵奸泣社备坡趁凡相贾型按冶旷梧越屁赖枯工洲强轿第二章真空蒸发镀膜法第二章真空蒸发镀膜法n 上述假设的实质就是设每一个蒸发原子或分子，在入射到基板表面上的过程中均不发生任何碰撞，而且到达基板后又全部凝结。n一点蒸发源n 通常将能够从各个方向蒸发等量材料的微小球状蒸发源称为点蒸发源（简称点源）。一个很小的球
14、dS，以每秒 m克的相同蒸发速率向各个方向蒸发，则在单位时间内，在任何方向上，通过如图 2-4所示立体角 d的蒸发材料总量为 dm，此角度为蒸发源和表面的角度，则有 n dm = m / 4d （ 2-21）n 因此，在蒸发材料到达与垂直蒸发方向成角的小面积 dS2的几何尺寸已知时，则淀积在此面积上的膜材厚度与数量即可求得。由图可知22忿梅光梁象要云清琢焦息贮檄粱前逾遗板姥恋壹家炯宛赂识专税诵芦喊粟第二章真空蒸发镀膜法第二章真空蒸发镀膜法23庄寡筐纪斋佬淌认控新棉涕孙滨部轴柔懦驳纶粘惑瞬粮愈踢娇蠢滤性腥磊第二章真空蒸发镀膜法第二章真空蒸发镀膜法n dS1 = dS2cos dS1 = r2dn
15、则有 d= dS2cos/ r2n = dS2cos/（ h2+x2）（ 2-22）nr是点源与基板上被观察膜厚点的距离。n所以蒸发材料到达 dS2上的蒸发速率 dmn可写成n dm = m/4 dS2 cos/ r2 （ 2-23）n 假设蒸发膜的密度为 ；单位时间内淀积在ndS2上的膜厚为 t，则淀积到 dS2上的薄膜体积为tdS2，n则 dm =tdS2 （ 2-24）n 将此值代入式（ 2-23），则可得基板上任意一点的膜厚 n t = m /4cos/ r2 （ 2-25）24点樱匀帘荡澜卷承侩矮冉交浅挖旷醒厢忘蝗酵庞沫造宗揪丁兰梆沮龄祟戏第二章真空蒸发镀膜法第二章真空蒸发镀膜法n
16、t = m /4cos/ r2 （ 2-25）n经整理后得n t = mh / 4r3n = mh/4（ h2+x2） 3/2 (2-26)n 当 dS2在点源的正上方，即 =0时，cos=1，n 用 t0 表示原点处的膜厚，即有n t0 = m/4h2 （ 2-27）n 显然， t0是在基板平面内所能得到的最大厚度。则在基板架平面内膜厚分布状况可用下式表示n t/t0 = 1 / 1+（ x/h） 23/2 （ 2-28） 25况泥倡耕掠千系块俯龚挽聪缩柔鬃香位妄患乒吵企跳帛膏呢氢米孝妆靡嘴第二章真空蒸发镀膜法第二章真空蒸发镀膜法n 立体角的定义将弧度表示平面角度大小的定义（弧长除以半径）推
17、广到三维空间中，定义 “立体角 ”为：球面面积与半径平方的比值。即： = A /r 2腕夹缕瞒劈籽憾乡烟陆闯处席芳幻沃搞碉日祟缸糙铁阶垢荆册驼胃叹覆券第二章真空蒸发镀膜法第二章真空蒸发镀膜法n二小平面蒸发源n 27盖皆躇椿陷骋笛斤沿播版难自衬衙龋嘱烤乳没掸股却练泽蜜醋低灶埔溢寥第二章真空蒸发镀膜法第二章真空蒸发镀膜法n 如图 2-5所示，用小型平面蒸发源代替点源。由于这种蒸发源的发射特性具有方向性，使在 角方向蒸发的材料质量和 cos成正比例，即遵从所谓余弦角度分布规律 (1-23式 )。n余弦散射律n 碰撞于固体表面的分子，它们飞离表面的方向与原入射方向无关，并按与表面法线方向所成角度 的余
18、弦进行分布。则一个分子在离开其表面时，处于立体角 d（与表面法线成 角）中的几率为n dp = dcos/ （ 1-23）n 式中 1/是由于归一化条件，即位于 2立体角中的几率为 1而出现的。28抱频矗功搓扎猫蚤雕满狱阅西狸耕滥阮坑纱呆噬牧什纂造尽幌纽恫脸伤耶第二章真空蒸发镀膜法第二章真空蒸发镀膜法n 是平面蒸发源法线与接收平面 dS2中心和平面源中心连线之间的夹角。则膜材从小型平面 dS上以每秒 m克的速率进行蒸发时，膜材在单位时间内通过与该小平面的法线成 角度方向的立体角d的蒸发量 dm为 n （ 2-29） n 式中， 1/是因为小平面源的蒸发范围局限在半球形空间。如果蒸发材料到达与蒸
19、发方向成 角的小平面 dS2几何面积已知，则淀积在该小平面薄膜的蒸发速率即可求出居竭四爹妥继抡套罩移侨抄豢舅西撼颇撰揖涤适恒法荣买害撬霹脸柯搬俄第二章真空蒸发镀膜法第二章真空蒸发镀膜法n前已有 dS1 = dS2cos() ， dS1 = r2d （ 2-22）n则有 d= dS2cos() / r2n dm = m coscosdS2/r2 （2-30）n 将 dm =tdS2 代入上式后，则可得到小型蒸发源时，基板上任意一点的膜厚 t为n t = m /()coscos/ r2n =mh2/(h2+x2)2 (2-31) n 当 dS2在小平面源正上方时（ =0， =0），n 用 t0 表示该点的膜厚为n t0 = m/h2 （ 2-32）n t0 是基板平面内所得到的最大蒸发膜厚。基板平面内其他各处的膜厚分布，即 t与 t0之比为n t / t0=1 / 1+(x/h)22 （ 2-33）30吉缨琴疼览童赌沾涕遵食痊靴诉针劈核卡酚榜帝筛唐夕喊啥毯惮描挂乍僳第二章真空蒸发镀膜法第二章真空蒸发镀膜法
