薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发

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1、第二章薄膜的物理气相沉积（I）——蒸发法物理气相沉积（PhysicalVaporDeposition,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。薄膜的物理气相沉积1特点：(1)需要使用固态的或者熔化态的物质作为沉积过程的源物质；(2)源物质要经过物理过程进入气相；(3)需要相对较低的气体压力环境；气相分子的运动路径近似为一条直线；气相分子在衬底上的沉积几率接近100%。(4)在气相中及衬底表面并不发生化学反应。薄膜的物理气相沉积2基本PVD方法：蒸发法（<10-3Pa）（真空度较高，

2、沉积速度较高，薄膜纯度较高，薄膜与基片结合较差）溅射法（10-2~10Pa）（多元合金薄膜化学成分容易控制，沉积层对衬底的附着力较好）离子镀、反应蒸发沉积、离子束辅助沉积等薄膜的物理气相沉积32.1物质的热蒸发2.2薄膜沉积的厚度均匀性和纯度2.3真空蒸发装置薄膜的物理气相沉积4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物质的热蒸发薄膜的物理气相沉积5组

3、成部分：真空室；蒸发源及蒸发加热装置；衬底放置及加热装置。薄膜的物理气相沉积6真空蒸发镀膜机薄膜的物理气相沉积72.1.1元素的蒸发速率平衡蒸气压：一定温度下，蒸发气体与凝聚相平衡过程中所呈现的压力。当环境中元素分压降低到平衡蒸气压之下时，就发生元素的净蒸发。薄膜的物理气相沉积8α—系数，介于0~1之间；pe、ph—平衡蒸气压和实际情况下的分压。薄膜沉积速率正比于气体分子的通量。单位表面上元素的净蒸发速率对元素蒸发速率影响最大的因素：蒸发源所处的温度。单位表面上元素的质量蒸发速率薄膜的物理气相沉积92.1.2元素的平衡蒸气压克劳修斯-克莱普朗（Clausius-Cla

4、peron）方程：ΔH—蒸发过程中每摩尔元素的热焓变化，随温度不同而不同,ΔH(T)；ΔV—相应蒸发过程中物质体积的变化，ΔV≈V。pV=RT薄膜的物理气相沉积10ΔH≈气化热ΔHe，则I—积分常数B—系数在一定的温度区间内严格成立薄膜的物理气相沉积11更准确地描述元素平衡蒸气压随温度的变化，需要代入实际的ΔH(T)函数形式。例如，液态Al，平衡蒸气压满足的关系式:薄膜的物理气相沉积122石墨电极间高温放电热蒸发用的坩埚薄膜的物理气相沉积132薄膜的物理气相沉积14物质的蒸发模式：1.即使是当温度达到熔点时，其平衡蒸气压也低于10-1Pa。（大多数金属）2.低于熔点时

5、，平衡蒸气压已经相对较高。（Cr、Ti、Mo、Fe、Si）加热到熔点以上固态物质的升华薄膜的物理气相沉积15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。薄膜成分偏离蒸发源成分2.1.3化合物与合金的热蒸发薄膜成分可能偏离蒸发源的化学组成薄膜的物理气相沉积16薄膜的物理气相沉积17合金蒸发：合金中原子间结合力小于化合物中不同原子间结合力，合金中各元素的蒸发过程可以被近似视为各元素相互独立的蒸发过程，就像它们在纯元素蒸发时的情况一样。薄膜的物理气相沉积18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

6、-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。薄膜的物理气相沉积19合金组元蒸发速率之比★蒸发法不宜被用来制备组元平衡蒸气压差别较大的合金的薄膜。组元蒸气压相近时，可估算合金蒸发源的成分。例如，1350K，薄膜成分：Al-2％Cu(质量分数)，需蒸发源成分：A1-13.6％Cu(质量分数)。薄膜的物理气相沉积20对于初始成分确定的蒸发源，组元蒸发速率之比随时间而变化。原因：易于蒸发的组元的优先蒸发使该组元不断贫化，进而使该组元蒸发速率不断下降。薄

7、膜的物理气相沉积21开始蒸发时，Cr的初始蒸发速率为Ni的2.8倍。随着Cr的迅速蒸发，ΦCr/ΦNi会逐渐减小，最终会小于1。求：1527℃，镍铬合金（Ni80%，Cr20%）中两种元素的蒸发速率之比。已知：pCr=10Pa，pNi=1Pa。则：靠近基板的膜富CrNi-Cr合金薄膜具有良好附着性。薄膜的物理气相沉积22解决办法：①蒸发源使用较多，以减小组元成分的相对变化率；②向蒸发容器中不断地、每次加入少量被蒸发物质，以实现瞬间同步蒸发；（能获得成分均匀的薄膜，可以进行掺杂蒸发，但蒸发速率难于控制，且蒸发速率不能太快）③采用不同温度的双蒸发源或多蒸