第二章薄膜制备的物理方法.ppt

第二章 薄膜制备的物理方法 物理气相沉积 薄膜沉积的物理方法主要是物理气相沉积法，物理气相沉积（Physical Vapor Deposition,简称PVD）是应用广泛的一系列薄膜制备方法的总称，包括真空蒸发法，溅射法，分子束外延法等。 物理气相沉积过程可概括为三个阶段： (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。 由于粒子发射可以采用不同的方式，因而物理气相沉积技术呈现出多种不同形式。 第二章 薄膜制备的物理方法 真空蒸发法 溅射法 离子镀 分子束外延 真空蒸发原理 真空蒸发镀膜法（简称真空蒸镀）是在真空环境下，加热蒸发源材料，使其原子或分子从表面汽化逸出，形成蒸汽流，入射到衬底（基片）表面，凝结形成固态薄膜的方法。 由于真空蒸发法主要物理过程是通过加热蒸发材料而产生，所以又称热蒸发法。 采用这种方法制备薄膜已有几十年的历史，用途十分广泛。近年来，该方法的主要改进是蒸发源上。 真空蒸发原理 真空蒸发镀膜法是应用最广泛的薄膜制备技术，其简单便利、操作容易、成膜速度快、效率高；但制备的薄膜与基片结合较差，工艺重复性不好，不容易获得结晶结构的薄膜。 真空蒸发原理 上述过程都必须在空气非常稀薄的真空环境中进行。否则： 蒸发物质原子或分子将与大量空气分子碰撞，使膜层受到严重污染，甚至形成氧化物； 或者蒸发源被加热氧化烧毁； 或者由于空气分子的碰撞阻挡，难以形成均匀连续的薄膜。 沉积速率和膜厚分布 在真空蒸发镀膜过程中，能否在基片上获得厚度均匀分布的薄膜，是制膜的关键。 因此，薄膜在基片上的沉积速率以及其膜厚分布是我们十分关心的问题。 基片上不同蒸发位置的膜厚，取决于蒸发源的蒸发特性、基片与蒸发源的几何形状、相对位置以及蒸发物质的蒸发量。 沉积速率和膜厚分布 为了对沉积速率和膜厚进行理论计算，找出其分布规律，首先对蒸发过程作如下假设： （1）蒸发原子或分子与残余气体分子之间不发生碰撞； （2）在蒸发源附近的蒸发原子或分子之间也不发生碰撞； （3）蒸发沉积到基片上的蒸发原子不再发生再蒸发现象， 即第一次碰撞就凝结在基片表面上。 实质就是设每一个蒸发原子或分子，在入射到基片表面上的过程中，均不发生任何碰撞，而且到达基片后又全部凝结。 沉积速率和膜厚分布 质量蒸发速率 ： 大多数蒸发材料是液相蒸发，也有一些是直接固相蒸发。在单位时间dt内，从表面A蒸发的最大粒子数dN为： 其中，P是平衡压强；m为粒子质量；k为波尔兹曼常数；T为绝对温度。乘以原子或分子质量，便得到了单位面积上的质量蒸发速率： 沉积速率和膜厚分布 沉积速率和膜厚分布 考虑理想的点蒸发源，设每个蒸发粒子入射到基片上时不发生任何碰撞，而且到达基片后又全部凝结，则基片上dS面积的沉积速率dm满足余玄定律： 假设蒸发膜的密度为 ，则基片上任意一点的膜厚： 沉积速率和膜厚分布 基片上的各处膜厚分布状况由下式给出： 其中d0是在点源正上方h处的沉积膜厚度。 如果蒸发源为一平行于基片的小平面蒸发源，则膜厚分布为： 沉积速率和膜厚分布 沉积速率和膜厚分布 实际蒸发过程中，蒸发粒子都要受到真空室中残余气体分子的碰撞，碰撞次数取决于分子的平均自由程。设有N0个蒸发分子，飞行距离l后，未受到残余气体分子碰撞的数目N为： 如果真空度足够高，平均自由程足够大，满足条件，则被碰撞的分子比率 ： 对于25℃的空气， ，则 由此可以看出，为保证镀膜质量，在要求 时，若蒸发源与基片距离l=25cm，真空压强P必须小于3×10-3Pa。 真空蒸发技术 真空蒸发装置主要部分有： （1）真空室：为蒸发过程提供必要的真空环境； （2）蒸发源：放置蒸发材料并对其进行加热； （3）基片：用于接收蒸发物质并在其表面形成固态蒸发薄膜。 外围还要有真空系统和机械、电路系统。 蒸发源是蒸发装置的关键部件 由于大多数金属材料都要求在1000-2000℃的高温下蒸发。因此，必须将蒸发材料加热到很高的蒸发温度。 为了避免污染薄膜材料，蒸发源中所用的支撑材料在工作温度下必须具有可忽略的蒸汽压，以避免支撑材料原子混入蒸发气体中。 通常所用的支撑材料为难熔的金属和氧化物。 同时，选择某一特殊支撑材料时，一定要考虑蒸发物与支撑材料之间可能发生的合金化和化学反应、相互润湿程度等问题。 支撑材料的形状则主要取决于蒸发物。 真空蒸发技术 电阻加热蒸发法 闪烁蒸发法 电子束蒸发法 激光蒸发法 反应蒸发法 射频蒸发法 电弧蒸发法 热壁法 （一）电阻加热蒸发法 采用钽、钼、钨等高熔点金属，做成适当形状的蒸发容器，让电流通过，对蒸发材料进行直接加热蒸发，或者把蒸