电子科大薄膜物理(赵晓辉)第二章 蒸发.ppt

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1、第二章Evaporation/蒸发主要内容真空蒸发原理薄膜膜厚分布及纯度蒸发装置2PVD的特点利用物理过程，实现物质从源到薄膜的转移。特点：固态或熔融态作源物质经过物理过程转移较高真空度没有化学反应34Evaporation电子束蒸发系统*5§2-1PrincipleofEvaporation（1）特点：成膜速度快0.1－50mm/min，设备比较简单，容易操作；制得薄膜纯度高；薄膜生长机理较简单（2）缺点：薄膜附着力较小，结晶不够完善，工艺重复性不够好（3）结构主要有：真空室；蒸发源；基板；基板加热器及温度计一：真空蒸发的特点6二、过程概

2、述1.加热－Atomstogasstate加热原料Pvapor>10-4torr有的原料是固态升华，有的是液态蒸发化合物可能分解可能导致薄膜成分变化SiO2-->SiO2-x合金蒸发时薄膜成分会变化不同组分的蒸发速率不一样可改变原料成分进行调整但合金成分会随时间变化72.输运－Transporttosubstrate直线沉积避免气体分子的碰撞较长的平均自由程良好的真空leth=sourcetosubstratedistance（靶基距）forhof10-100cm,wantP<10-5torrbiggerh=>lowerP残余气体无法避免!

3、83.沉积－DepositionontosubstrateGasAtomstoSolid吸附凝结成核生长形成薄膜首先考虑薄膜的厚度和纯度！然后考虑结构和性能。9三、饱和蒸汽压－Pvap定义：在一定温度下，汽、固或汽、液两相平衡时，气体的压力称为该物质的饱和蒸汽压。显然是温度的函数：Pvap＝F(T)蒸发温度：饱和蒸汽压为10-2Torr时的温度。10水蒸汽压力随温度的变化T(OC)100250-40-78.5-196P(mbar)1013326.40.136.6x10-410-24(BOILING)(FREEZING)(DRYICE)(LI

4、QUIDNITROGEN)11饱和蒸气压的理论推导克拉伯龙-克劳修斯方程：Pvap：饱和蒸气压；Hvap：蒸发热或摩尔气化热。Vg、Vs/l：气相和固相、液相的摩尔体积显然：Vg>>Vs，并且低气压下蒸气分子符合理想气体状态方程Comesfromphaseequivalent,dG1=dG2,dG=-SdT+VdP,dP/dT=DS/DV,DS=DH/T12Hv：视为常数，积分得（2-4）（2-5）13得到：lnPv与1/T近似为直线！Pv－T的近似关系式，应用范围：蒸气压小于1Torr。由此可以合理地选择蒸发材料及确定蒸发条件。1415四

5、、蒸发速率－Evaporationrate相平衡时，气→液与液→气分子数相等但并非所有气相分子入射到液面时凝结ae：蒸发系数16动力学理论描述蒸发速率wherePvap=vaporpressure(Torr)M=molecularweightcm2=>areaofsourceMolecules/cm2sec17可以转化为质量流量（massflux）atPvap=10-2torr,massflux=10-4grams/cm2secg/cm2sec18由于lnPv与1/T的近似正比关系，所以当T有微小变动时，蒸发速率会有剧烈的变化！对于金属，温

6、度变化1%，蒸发速率变化可达20%必须精确控制蒸发温度！19五、蒸发分子的平均自由程与碰撞频率1）CollisionProbability碰撞频率在低真空蒸镀时，气体分子入射到基片上，单位时间、单位面积入射的气体分子数。则在25℃时，一般残余气体的Ng大约为1015个/cm2·S·（10-5Torr），薄膜的沉积速率一般为几个埃/秒.20残余气体与蒸发物分子按比例1：1到达基板表面。所以要求蒸镀的真空度为10-6Torr2）Meanfreepath则残余气体压强为10-2帕时，λ=50cm。与真空室尺寸一致，蒸发分子在输送过程中几乎不发生碰

7、撞21大气的残余物（O2、N2、CO2、H2O），扩散泵油蒸气，真空室吸气，当P≤10-4Pa时，主要为真空室吸气。水汽易与金属膜反应，或与W，Mo等加热器材料反应。在设计优良的系统中，扩散油蒸气不明显。六、残余气体的组成及其影响22残余气体蒸发源薄膜纯度薄膜杂质浓度23一般情况下蒸发比溅射获得的薄膜纯度更高：近来磁控溅射得到了极大的改善，溅射和蒸发铝时已经可以获得相似的结果。24蒸发粒子粒子具有和蒸发温度相近似的能量1000oCisabout0.2eV蒸发物质的分布取决于源的形状25影响膜厚分布的因素：A）蒸发源的特性；B）基板与蒸发源的

8、几何形状，相对位置C）蒸发物质的蒸发量。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间也不发生碰撞；3）蒸发原子到达基板上后不发生再蒸发现象。