薄膜的蒸发沉积原理与技术

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1、真空中的薄膜热蒸发沉积---原理、技术、厚度控制刘定权编写2010年12月18日上海主要内容1.关于薄膜的一些基本概念2.材料在真空中的热蒸发薄膜在真空中的沉积生长膜层厚度控制与均匀性热蒸发薄膜的一些应用SITP-CASDINGQUANLIU1关于薄膜的一些基本概念不同的用途有不同的概念:(1)光学的人讲,能够产生干涉的薄层;(2)电子学认为,厚度不能超过1μm;(3)物理学认为,是2维结构的材料;(4)生物学认为,细胞等组织的保护层;(5)农业生产中,甚至厚度到100μm以上的塑料纸也称薄膜;------1.1什么是薄膜?SITP-CASDING

2、QUANLIU1关于薄膜的一些基本概念(1)空气态的薄膜,入牛顿环;(2)液体态的薄膜;(3)固体态的薄膜,是2维结构的材料;------我们经常使用和概念中的薄膜,就是固体态的薄膜,而且指由无机材料组成、厚度在微米量级以下的两维结构，薄膜应该具有连续的形态。1.2薄膜的一些基本形态SITP-CASDINGQUANLIU1关于薄膜的一些基本概念(1)薄膜以非晶态结构居多;(2)有的薄膜以多晶态形式出现，含有非晶成分;(3)单晶体的薄膜难以得到，通常需要很高的沉积温度、好的真空度、严格的材料选择;如果单从薄膜的使用强度考虑，非晶态薄膜可能更好。1.3

3、薄膜的晶体结构SITP-CASDINGQUANLIU1关于薄膜的一些基本概念(1)薄膜的聚集密度：指膜层中材料体积占有总体积的比值，常以小于1的两位小数表示。越接近于1，膜层越致密，质量越好；有的膜层甚至低于0.50。(2)薄膜的MDT模型图：1.4薄膜的聚集情况SITP-CASDINGQUANLIU1关于薄膜的一些基本概念(3)真空度的影响：残余气体分子与沉积粒子(原子、分子、团粒等)碰撞，影响沉积动能和方向，易形成松散结构。真空度对蒸发镀金属膜层微结构的影响：1.4薄膜的聚集情况SITP-CASDINGQUANLIU1关于薄膜的一些基本概念(1

4、)薄膜中的压应力：膜层中聚集密度较大时，膜层中“柱状结构”相互排斥，它们受到挤压的作用。(2)薄膜中的张应力：膜层中聚集密度较小时，膜层中“柱状结构”相互吸引，它们受到拉伸的作用。1.5薄膜的应力SITP-CASDINGQUANLIU1关于薄膜的一些基本概念(1)牢固度用附着力来表述：基片与膜层之间存在相互作用的附着能，附着能对两者之间的距离微分，微分最大值就是附着力。(2)薄膜牢固度的增加：洁净的基片；膜层与基片良好的接触；较高的沉积温度增加扩散；高真空让沉积粒子直接到达；适当的应力控制，等等。1.6薄膜的牢固度SITP-CASDINGQUANL

5、IU2材料在真空中的热蒸发(1)材料在真空中出气；(2)某些镀膜材料在高真空中有微量的质量损失。这些对镀膜工艺和薄膜质量有影响。2.1材料在高真空中的表现DINGQUANLIUSITP-CAS2材料在真空中的热蒸发(1)加热蒸发固体—液体—气体(2)受热升华固体—----—气体因材料而异。2.2材料在真空中的转变DINGQUANLIUSITP-CAS2材料在真空中的热蒸发(1)电阻加热方式适合低熔点材料。能量相对较小。(2)电子枪加热方式能量更大，更集中，适合高熔点材料，非升华材料。2.3材料在真空中的热蒸发DINGQUANLIUSITP-CAS2

6、材料在真空中的热蒸发(1)材料的熔点材料开始转化为液体的温度。蒸汽压较小，还不能实现有效的薄膜沉积。(2)蒸发温度能够实现有效蒸发的温度。通常认为是对应材料产生1.33Pa蒸汽压（材料表面）的温度。2.4材料的熔点与蒸发温度DINGQUANLIUSITP-CAS2材料在真空中的热蒸发(1)点源尺寸很小，向各个方向放射蒸发，仅考虑立体视场角。(2)面源本身尺寸需要考虑，仅向半球面视场内蒸发。(3)一般以自由面源形式出现2.5电阻热蒸发沉积的点源与面源DINGQUANLIUSITP-CAS2材料在真空中的热蒸发(1)克努增源准分子流，沉积慢。(2)自由

7、面源无定向，沉积快。(3)定向坩埚有定向，沉积更快。2.6面源的三种形式DINGQUANLIUSITP-CAS2材料在真空中的热蒸发2.7自由面源蒸发的膜厚分布DINGQUANLIUSITP-CAS膜厚分布的参考曲线平面夹具与球面夹具有差异，数学推导和实际状况有差异，但趋势是一致的。仅供参考。2材料在真空中的热蒸发(1)选用高熔点低蒸汽压的蒸发源避免来自蒸发源的污染。(2)蒸发时产生大量的热，难以带走(3)一般以自由面源形式出现(4)膜层比较疏松。2.8电阻热蒸发沉积的一些特点DINGQUANLIUSITP-CAS3薄膜在真空中的沉积生长(1)表面

8、的凝结几率（系数）有的原子可能重新进入真空，失去凝结生长的可能。(2)凝结几率与基片温度和材料种类有很大关系。(3)体积超