2+薄膜的物理气相沉积ⅰ——热蒸发.ppt

薄膜的物理气相沉积 第二章 薄膜的物理气相沉积（I） —— 蒸发法 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 受到粒子束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 过程。 2.1 物质的热蒸发 2.2 薄膜沉积的厚度均匀性和纯度 2.3 真空蒸发装置 工作原理： 在真空环境下，给待蒸发物质提供足够的热 量以获得蒸发所必需的蒸气压。在适当的温度下， 蒸发粒子在基片上凝结，即可实现真空蒸发沉积。 步骤：①蒸发源材料由凝聚相转变成气相； ②在蒸发源与基片之间蒸发粒子的输运； ③蒸发粒子到达基片后凝结、成核、长大、 成膜。 2.1.1 元素的蒸发速率 2.1.2 元素的平衡蒸气压 化合物的蒸发: ①蒸气可能具有完全不同于蒸发源的化学成分; ②气相分子还可能发生化合与分解过程。 以AB二元合金为例： 理想溶液，即两组元A-B原子间的作用能与A-A或B-B原子间的作用能相等； 拉乌尔定律 pB=xBpB(0) 非理想溶液 pB = αBpB(0)=γBxBpB(0) αB — 活度，“有效浓度”； γB — 活度系数，组元偏离理想溶液的程度。 2.2 薄膜沉积的厚度均匀性和纯度★ 2.2.1 薄膜沉积的方向性和阴影效应 2.2.2 蒸发沉积薄膜的纯度 蒸发沉积薄膜的纯度取决于： 蒸发源的纯度 加热装置、坩埚可能造成的污染 真空系统中的残留气体 2.3 真空蒸发装置 2.3.1 电阻式蒸发装置 2.3.2 电子束蒸发装置★ 2.3.3 电弧蒸发装置 2.3.4 激光蒸发装置★ 2.3.5 空心阴极蒸发装置 本章小结 1. 概念：物理气相沉积，阴影效应 2. 平衡蒸气压（表达式、温度变化曲线） 3. 元素的蒸发速率及合金的蒸发 4. 薄膜沉积的方向性 （质量密度，厚度分布，均匀性改善） 5. 真空蒸发装置 （电阻式蒸发， 电子束蒸发，激光蒸发） 面蒸发源 蒸发源的发射遵从Knudsen余弦定律，即在Φ角方向蒸发的材料质量和cosΦ成正比例。 平面蒸发源法线与接收平面中心和平面源中心连线之间的夹角 衬底沉积物质的质量密度： 被蒸发出来的物质束流具有较强的方向性 Knudsen余弦定律 常用蒸发源： 自由蒸发源 相当于面蒸发源。蒸发速率不仅取决于物质的平衡蒸气压pe，还和蒸发物质的实际分压ph有关。 克努森源 ( Knudsen cell） 相当于面蒸发源。有效蒸发面积小，蒸发速率低，蒸发束流方向性好。温度、蒸发速率可准确控制。 坩埚蒸发源 蒸发速率可控性等介于上面两种蒸发源之间。 Back 点蒸发源： 衬底上任意一点的膜厚 密度 点源的正上方即l=0，θ=0时，最大膜厚 衬底上膜厚分布： 面蒸发源： 厚度均匀性 需要同时沉积的薄膜面积越大，沉积均匀性的问题越突出。 点蒸发源所对应的沉积均匀性稍好于面蒸发源。 厚度均匀性的改善方法： 加大蒸发源到衬底的距离 ——降低沉积速率、增加蒸发材料的损耗 转动衬底 面蒸发源和衬底表面置于同一个圆周上 （同时需要沉积的样品较多、尺寸较小） Back 衬底沉积物质的质量密度 离蒸发源较远的衬底处于较为有利的空间角度，而距离较近的处于不利的角度位置。 Back 阴影效应： 蒸发来的物质被障碍物阻挡而不能沉积到衬底上。 使用高纯物质作为蒸发源 改善真空条件 改善实验装置 残余气体对于蒸发沉积薄膜的污染情况： 蒸发物质原子的沉积速率 厚度沉积速率 沉积物中杂质的含量与残余气体的压强p成正比；与薄膜的沉积速度成反比。 气体杂质在沉积物中的浓度 制备高纯度的薄膜材料： 改善真空条件；提高物质蒸发及沉积速度。 根据蒸发源的加热原理，可分： 电阻式蒸发 电子束蒸发 电弧蒸发 激光蒸发 空心阴极蒸发 电阻材料的要求： 熔点高； 饱和蒸气压低； 化学性能稳定； 具有良好的耐热性； 原料丰富，经济耐用。 常用：难熔金属和氧化物，例钨（熔点3410℃）、 钽（熔点2996℃）。 粉末 块状 丝 缺点： 坩埚、加热元件及各种支撑部件的可能污染； 加热功率和温度有限。 （不适用于高纯或难熔物质的蒸发） 电子枪和坩埚 优点： 磁场偏转法可避免灯丝蒸发的污染； 避免坩埚材料的污染。 缺点： 热效率低； 热