真空蒸发镀膜法.ppt

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1、第一节真空蒸发镀膜原理一．定义：真空蒸发镀膜(蒸镀)是在真空条件下，加热蒸发物质使之气化并淀积在基片表面形成固体薄膜，是一种物理现象。广泛地应用在机械、电真空、无线电、光学、原子能、空间技术等领域。加热方式可以多种多样。二.真空蒸发镀膜原理图2.1为真空蒸发镀膜原理示意图。主要部分有：真空室，为蒸发过程提供必要的真空环境；蒸发源或蒸发加热器，放置蒸发材料并对其进行加热；基板（基片），用于接收蒸发物质并在其表面形成固态蒸发薄膜；基板加热器及测温器等。三．真空蒸发的物理过程：1.采用各种形式的热能转换方式，使镀膜材料粒子蒸发或升华，成为具有一定能量的气态粒子(

2、原子，分子，原子团，0.10.3eV)；2.气态粒子通过基本上无碰撞的直线运动方式传输到基体；3.粒子沉积在基体表面上并凝聚成薄膜；4.组成薄膜的原子重新排列或化学键合发生变化。影响真空镀膜质量和厚度的因素主要有蒸发源的温度、蒸发源的形状、基片的位置、真空度等。四.三个基本过程：（1）加热蒸发过程，包括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同的饱和蒸气压，蒸发化合物时，其组合之间发生反应，其中有些组成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

3、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以及从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沉积过程，即蒸气凝聚、成核、核生长、形成连续薄膜。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发生直接从气相到固相的相转变过程。特点：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，用掩模可以获得清晰图形；薄膜的生长机理比较简单；这种方法的主要缺点是：不容易获得结晶结构的薄膜；所形成的薄膜在基板上的附着力较小；工艺重复性不够好等。五.真空热蒸发镀膜法的特点一.饱和蒸

4、汽压P与温度的关系Clapeyron-Clausius方程：ΔH：单位摩尔物质的热焓变化ΔV：单位摩尔物质体积的变化第二节蒸发热力学理想气体的物态方程：则有ΔH≈物质在某温度的汽化热ΔHe或蒸发热只在一定温度范围内成立，实际上I与温度相关说明:1)平衡蒸汽压为1Pa时的温度即蒸发所需的温度;2)温度变化10%，平衡蒸汽压变化大约一个数量级，对温度很敏感；3)蒸发温度高于熔点，液体~蒸汽蒸发温度低于熔点，固体~蒸汽，升华二.蒸发速率dN：蒸发粒子数A：蒸发表面积Ph：蒸发物分子对蒸发表面造成的静压强ae：蒸发系数（0~1）PVPh蒸发速率公式朗谬尔(Lang

5、muir)蒸发公式一．蒸发物质的平均自由程与碰撞几率真空室内存在着两种粒子，一种是蒸发物质的原子或分子，另一种是残余气体分子。真空蒸发实际上都是在具有一定压强的残余气体中进行的。显然，这些残余气体分子会对薄膜的形成过程乃至薄膜的性质产生影响。第三节蒸发动力学粒子在两次碰撞之间所飞行的平均距离称为蒸发分子的平均自由程。式中，P是残余气体压强，d是分子直径，n为残余气体分子密度。例如，在一个大气压下，蒸发分子的平均自由程约为50cm，这与普通真空镀膜室的尺寸不相上下。因此，可以说在高真空条件下大部分的蒸发分子几乎不发生碰撞而直接到达基板表面。二．蒸发物质的碰撞

6、几率和纯度在室温下，空气被碰撞的粒子百分数设N0个气体分子飞行d距离，被碰撞的气体分子数N为保证薄膜的沉积质量，要求f≤0.1，若源-基片距离25cm,则P≤3X10-3Pa关系曲线薄膜的纯度CiCi定义：在1cm2表面上每秒钟剩余气体分子碰撞的数目与蒸发淀积粒子数目之比。每秒钟蒸发淀积在1cm2基片表面的粒子对应的膜厚增加，成为淀积速率Rd。避免环境中的残存气体对薄膜的污染:(1)使用高真空技术，提高沉积系统的真空度;(2)提高薄膜生长速率;(3)预蒸发活性金属薄膜。第四节蒸发源的发射特性------厚度分布蒸发过程的假设：1)忽略蒸发原子与剩余气体和蒸

7、发原子之间的碰撞。2)蒸发源的发射特性不随时间而变化。3)入射到基片上的原子全部凝结成薄膜。则时间t1内，蒸发总质量：在dAs基片上的蒸发物质的质量，由于dAs在球表面的投影面积为dAc,dAc=dAscosθ,所以有比例关系一.点蒸发源已知Rm(单位时间单位面积点蒸发源蒸发的分子的质量)薄膜厚度：在点源正上方的单位时间的膜厚增加t0（l=0）：hl二．面蒸发源其蒸气发射特性具有方向性，发射限为半球。蒸发源的发射按所研究的方向与表面法线间夹角呈余弦分布，即遵守克努曾定律当θ=φ时根据面蒸发源示意图有：所以三.点源和面源的比较：面源：点源：1)两种源的相对膜

8、厚分布的均匀性都不理想；2)点源的膜厚分布稍均匀些；3)在相同条件