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