真空蒸发镀膜法课件.ppt

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1、第二章真空蒸发镀膜法§2-1真空蒸发原理§2-2蒸发源的蒸发特性及膜厚分布§2-3蒸发源的类型§2-4合金及化合物的蒸发§2-5膜厚和淀积速率的测量与监控1真空蒸发镀膜法（简称真空蒸镀）在真空室中，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到固体（称为衬底或基片）表面，凝结形成固态薄膜的方法。由于真空蒸发法或真空蒸镀法主要物理过程是通过加热蒸发材料而产生，所以又称为热蒸发法。2§2-1真空蒸发原理一、真空蒸发的特点与蒸发过程图2-1真空蒸发镀膜原理3(1)真空室为蒸发过程提供必要的真空环境；(2)蒸发源或蒸发加

2、热器放置蒸发材料并对其加热；(3)基板用于接收蒸发物质并在其表面形成固态蒸发薄膜；(4)基板加热器及测温器等。1.真空蒸发镀膜法的优缺点：优点：是设备比较简单、操作容易；制成的薄膜纯度高、质量好，厚度可较准确控制；成膜速率快、效率高，用掩膜可以获得清晰图形；薄膜的生长机理比较单纯。缺点：不容易获得结晶结构的薄膜，所形成薄膜在基板上的附着力较小，工艺重复性不够好等。42.真空蒸发镀膜的三种基本过程：(1)热蒸发过程是由凝聚相转变为气相（固相或液相→气相）的相变过程。每种蒸发物质在不同温度时有不相同的饱和蒸气压；蒸发化合物时，其组分之间发生反应，其中有

3、些组分以气态或蒸气进入蒸发空间。(2)气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运，即这些粒子在环境气氛中的飞行过程。飞行过程中与真空室内残余气体分子发生碰撞的次数，取决于蒸发原子的平均自由程及蒸发源到基片之间的距离，常称源—基距。(3)蒸发原子或分子在基片表面上的淀积过程，即是蒸气凝聚、成核、核生长、形成连续薄膜。5由于基板温度远低于蒸发源温度，因此，沉积物分子在基板表面将直接发生从气相到固相的相转变。真空蒸发镀膜时保证真空条件的必要性：上述过程都必须在空气非常稀薄的真空环境中进行，否则将发生以下情况：1.蒸发物原子或分子将与大量空气分子碰撞，使膜层受

4、到严重污染，甚至形成氧化物；2.蒸发源被加热氧化烧毁；3.由于空气分子的碰撞阻挡，难以形成均匀连续的薄膜。6二、饱和蒸气压和蒸汽压方程1．饱和蒸汽压一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸气与固体或液体平衡过程中所表现的压力称为该物质的饱和蒸气压。物质的饱和蒸气压随温度的上升而增大，在一定温度下，各种物质的饱和蒸气压不相同，且具有恒定的数值。即一定的饱和蒸气压必定对应一定的物质的温度。饱和蒸汽压表征了物质的蒸发能力。已经规定物质在饱和蒸气压为10-2托时的温度，称为该物质的蒸发温度。2．蒸汽压方程饱和蒸气压Pv与温度T之间的数学表达式称为蒸汽压方程。可从克

5、拉伯龙-克劳修斯（Clapeylon-Calusius）方程式推导出来7dPv/dT=Hv/T(Vg-Vs)（2-1）式中，Hv为摩尔气化热或蒸发热（J/mol）；Vg和Vs分别为气相和固相或液相的摩尔体积（cm3）；T为绝对温度（K）。因为Vg》Vs，并假设在低气压下蒸气分子符合理想气体状态方程，则有Vg-Vs≈Vg，Vg=RT/Pv(2-2)式中，R是气体常数，其值为8.31×107J/K·mol。故方程式（2-1）可写成dPv/Pv=Hv·dT/RT2（2-3）亦可写成d(lnPv)/d(1/T)=-Hv/R8由于气化热Hv通常随温度只有微小

6、的变化，故可近似地把Hv看作常数，于是式（2-3）求积分得lnPv=C-Hv/RT（2-4）式中C为积分常数。式（2-4）常采用对数表示为lgPv=A-B/T（2-5）式中，A、B为常数，A=C/2.3，B=Hv/2.3R，A、B值可由实验确定。而且在实际上Pv与T之间的关系多由实验确定。且有Hv=19.12B(J/mol)关系存在。式（2-5）即为蒸发材料的饱和蒸气压与温度之间的近似关系式。9表2-1和图2-2分别给出了常用金属的饱和蒸气压与温度之间的关系，从图2-2的lgPv～1/T近似直线图看出，饱和蒸气压随温度升高而迅速增加，并且到达正常蒸

7、发速率所需温度，即饱和蒸气压约为1Pa时的温度（已经规定物质在饱和蒸气压为10-2托时的温度，称为该物质的蒸发温度）。因此，在真空条件下蒸发物质要比常压下容易的多，所需蒸发温度也大大降低，蒸发过程也将大大缩短，蒸发速率显著提高。10表2-1一些常用材料的蒸气压与温度关系1112图2-2各种元素的蒸气压与温度关系131415三、蒸发速率根据气体分子运动论，在处于热平衡状态时，压强为P的气体，单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数(2-6)式中，n是分子密度，是算术平均速度，m是分子质量，k为玻尔兹曼常数。如果考虑在实际蒸发过程中，并非所有蒸发分子全部发生

8、凝结，上式可改写为(2-7)式中，为冷凝系数，一般≤1，为饱和蒸气压。16设蒸发材料表面液相、气相处于动态平衡，到达液相表