真空蒸发镀膜蒸镀.ppt

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1、§8.2物理汽相沉积（PVD）物理气相沉积——PhysicalVaporDeposition缩写为：PVD；通常用于沉积薄膜和涂层沉积膜层厚度：10-1nm～mm；一类应用极为广泛的成膜技术，从装饰涂层到各种功能薄膜，涉及化工、核工程、微电子以及它们的相关工业工程。包括蒸发沉积（蒸镀）、溅射沉积（溅射）和离子镀等。一、真空蒸发镀膜（蒸镀）蒸镀——利用真空泵将淀积室抽成“真空”，然后用高熔点材料制成的蒸发源将淀积材料加热、蒸发、淀积于基片上。图8.2.1蒸镀装置示意图1.衬底加热器；2.衬底；3.原料；4.料舟特点：（1）

2、操作方便，沉积参数易于控制；（2）制膜纯度高，可用于薄膜性质研究；（3）可在电镜监测下进行镀膜，可对薄膜生长过程和生长机理进行研究。（4）膜沉积速率快，还可多块同时蒸镀；（5）沉积温度较高，膜与基片的结合强度不高。1.物理基础（1）物理阶段：①(淀积材料的)升华：S→V；②输运：蒸发源→基片上；③沉积：V→S；④重新排列：淀积粒子在基片上重新排列或键合蒸发淀积——不平衡过程；恒定条件——高质量膜。（2）封闭体系内的P—T关系：∵∴积分：（1）（2）图8.2.2几种材料的蒸气压——温度曲线（3）蒸发速率和凝结速率①蒸发速率

3、Ne：——热平衡条件下，单位时间内，从蒸发源每单位面积上射出的平均原子数。（1/cm2·s）成立条件：S<几个cm2，且P<1Pa质量蒸发速率G：——单位时间内，从单位面积上蒸发的质量。(3)(g/cm2·s)(4)②凝结速Na：——蒸发源对基片单位面积的沉积速率。Na与系统的几何形状、源与基片的相对位置、蒸发速率有关设：a.忽略碰撞，直线运动；b.点源,球面发射：(1/cm2·s)(5)小型圆平面源：(1/cm2·s)(6)β、θ为蒸气入射方向分别与蒸发表面和接收表面法向的夹角。图8.2.3、角的意义（4）蒸发制

4、膜的厚度∵τ时间内，蒸发材料的总量：m=ANe，密度：∴膜厚：点蒸发源：小型平面蒸发源：令：，在x=0处：cos=cos=1∴（7）（8）(点源)(9)(面源)(10)(9)代入(7)，可得：沉积膜相对厚度分布：(点源)(11)(面源)(12)t0可以测量，x↗,t↘2.残存气体对制膜的影响（1）残存气体的蒸发速率Ng：（2）到达基片的气体分子与蒸气分子之比(面源)：讨论：减小污染的途径1）Pg越小，Ng/Nd小，污染小；Nd较大，Ng/Nd小，污染小；2）大，cos小，污染大；远离中心处的膜片薄，污染大，膜

5、生长速率低，质量不好；3）膜质还与蒸发材料和残存气体的性质、膜结构、基片温度以及基片自身的污染有关；4）净化处理：对真空系统——烘烤；对基片——加热去污。(13)(14)（g）3.蒸镀分馏问题由于各组分的饱和蒸气压不同，因而蒸发速率不同，造成沉积膜的成分与母体不同（分馏），薄膜本身成分也随厚度而变化（分层）。合金在蒸发时会发生分馏设：物质含A，B成分，MA、MB，PA、PB，则由（3）式，得：(14)改进工艺：1）选择基片温度，使之有利于凝聚而不是分凝；2）选用几个蒸发源，不同温度下分别淀积，但控制困难；3）氧化物

6、，可采用反应蒸镀法，引入活性气体。4.蒸发源类型（1）电阻加热蒸发源选择原则：在所需蒸发温度下不软化，饱和蒸气压小，不发生反应；一般采用高熔点金属如钨、钽、钼等材质，常作成螺旋丝状或箔舟状，如图8.2.4所示。特点：结构简单，造价低，使用广泛；存在污染，也不能蒸镀高Tm材料。图8.2.4各种电阻加热蒸发源螺旋丝状加热器要求熔融的蒸发料能够浸润螺丝或者有足够的表面张力以防止掉落，它的优点是可以从各个方向发射蒸气。箔舟状加热器的优点是可蒸发不浸润加热器的材料，效率较高（相当于小型平面蒸发源），缺点是只能向上蒸发。（2）电子束

7、加热蒸发源电子束集中轰击膜料的一部分而进行加热的方法。图8.2.5电子束加热蒸发源电子束加热蒸发源由：阴极、加速电极、阳极（膜料）组成。还有高频加热蒸发源、激光蒸发源等。优点:（1）可以直接对蒸发材料加热；（2）装蒸发料的容器可以是冷的或者用水冷却，从而可避免材料与容器的反应和容器材料的蒸发；（3）可蒸发高熔点材料，例如：钨（Tm=3380℃）、钼(Tm=2610℃)和钽（Tm=3000℃）等耐热金属材料。缺点：（1）装置复杂；（2）只适合于蒸发单元元素；（3）残余气体分子和蒸发材料的蒸气会部分被电子束电离。5.真空蒸镀

8、工艺（1）蒸镀合金膜会产生分馏，对策——连续加料，调节熔池成分例如：镀A4B1膜，已知：控制镀料成分：A1B25,保证：A4B1膜料成分若：一次性加料，A消耗快；∴连续加料，保证熔池料为A1B25,从而膜料成分为A4B1；在蒸镀过程中，还应注意使熔池温度和体积保持恒定。（2）蒸镀难熔化合物膜——多数会分解例如：A12