薄膜制备的物理方法.ppt

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1、第二章薄膜制备的物理方法物理气相沉积薄膜沉积的物理方法主要是物理气相沉积法，物理气相沉积（PhysicalVaporDeposition,简称PVD）是应用广泛的一系列薄膜制备方法的总称，包括真空蒸发法，溅射法，分子束外延法等。物理气相沉积过程可概括为三个阶段：(1)从源材料中发射出粒子；(2)粒子输运到基片；(3)粒子在基片上凝结、成核、长大、成膜。由于粒子发射可以采用不同的方式，因而物理气相沉积技术呈现出多种不同形式。第二章薄膜制备的物理方法真空蒸发法溅射法离子镀分子束外延真空蒸发镀膜法（简称真空蒸镀）是在真

2、空环境下，加热蒸发源材料，使其原子或分子从表面汽化逸出，形成蒸汽流，入射到衬底（基片）表面，凝结形成固态薄膜的方法。由于真空蒸发法主要物理过程是通过加热蒸发材料而产生，所以又称热蒸发法。采用这种方法制备薄膜已有几十年的历史，用途十分广泛。近年来，该方法的主要改进是蒸发源上。真空蒸发原理真空蒸发镀膜法是应用最广泛的薄膜制备技术，其简单便利、操作容易、成膜速度快、效率高；但制备的薄膜与基片结合较差，工艺重复性不好，不容易获得结晶结构的薄膜。真空蒸发原理上述过程都必须在空气非常稀薄的真空环境中进行。否则：蒸发物质原子或

3、分子将与大量空气分子碰撞，使膜层受到严重污染，甚至形成氧化物；或者蒸发源被加热氧化烧毁；或者由于空气分子的碰撞阻挡，难以形成均匀连续的薄膜。真空蒸发原理沉积速率和膜厚分布在真空蒸发镀膜过程中，能否在基片上获得厚度均匀分布的薄膜，是制膜的关键。因此，薄膜在基片上的沉积速率以及其膜厚分布是我们十分关心的问题。基片上不同蒸发位置的膜厚，取决于蒸发源的蒸发特性、基片与蒸发源的几何形状、相对位置以及蒸发物质的蒸发量。沉积速率和膜厚分布为了对沉积速率和膜厚进行理论计算，找出其分布规律，首先对蒸发过程作如下假设：（1）蒸发原子

4、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或分子之间也不发生碰撞；（3）蒸发沉积到基片上的蒸发原子不再发生再蒸发现象，即第一次碰撞就凝结在基片表面上。实质就是设每一个蒸发原子或分子，在入射到基片表面上的过程中，均不发生任何碰撞，而且到达基片后又全部凝结。沉积速率和膜厚分布质量蒸发速率：大多数蒸发材料是液相蒸发，也有一些是直接固相蒸发。在单位时间dt内，从表面A蒸发的最大粒子数dN为：其中，P是平衡压强；m为粒子质量；k为波尔兹曼常数；T为绝对温度。乘以原子或分子质量，便得到了单位面积上的质量

5、蒸发速率：沉积速率和膜厚分布沉积速率和膜厚分布考虑理想的点蒸发源，设每个蒸发粒子入射到基片上时不发生任何碰撞，而且到达基片后又全部凝结，则基片上dS面积的沉积速率dm满足余玄定律：假设蒸发膜的密度为，则基片上任意一点的膜厚：沉积速率和膜厚分布基片上的各处膜厚分布状况由下式给出：其中d0是在点源正上方h处的沉积膜厚度。如果蒸发源为一平行于基片的小平面蒸发源，则膜厚分布为：沉积速率和膜厚分布沉积速率和膜厚分布实际蒸发过程中，蒸发粒子都要受到真空室中残余气体分子的碰撞，碰撞次数取决于分子的平均自由程。设有N0个蒸发分子

6、，飞行距离l后，未受到残余气体分子碰撞的数目N为：如果真空度足够高，平均自由程足够大，满足条件，则被碰撞的分子比率：对于25℃的空气，，则由此可以看出，为保证镀膜质量，在要求时，若蒸发源与基片距离l=25cm，真空压强P必须小于3×10-3Pa。真空蒸发装置主要部分有：（1）真空室：为蒸发过程提供必要的真空环境；（2）蒸发源：放置蒸发材料并对其进行加热；（3）基片：用于接收蒸发物质并在其表面形成固态蒸发薄膜。外围还要有真空系统和机械、电路系统。真空蒸发技术蒸发源是蒸发装置的关键部件由于大多数金属材料都要求在100

7、0-2000℃的高温下蒸发。因此，必须将蒸发材料加热到很高的蒸发温度。为了避免污染薄膜材料，蒸发源中所用的支撑材料在工作温度下必须具有可忽略的蒸汽压，以避免支撑材料原子混入蒸发气体中。通常所用的支撑材料为难熔的金属和氧化物。同时，选择某一特殊支撑材料时，一定要考虑蒸发物与支撑材料之间可能发生的合金化和化学反应、相互润湿程度等问题。支撑材料的形状则主要取决于蒸发物。真空蒸发技术电阻加热蒸发法闪烁蒸发法电子束蒸发法激光蒸发法反应蒸发法射频蒸发法电弧蒸发法热壁法（一）电阻加热蒸发法采用钽、钼、钨等高熔点金属，做成适当形

8、状的蒸发容器，让电流通过，对蒸发材料进行直接加热蒸发，或者把蒸发材料放入坩埚中进行间接加热蒸发。蒸发容器材料必须满足：（1）熔点高；（2）饱和蒸汽压低；（3）化学性能稳定；（4）与被蒸发材料浸润，Ag在钨丝上容易脱落。（5）原料丰富，经济耐用。根据这些要求，在制膜工艺中，常用的蒸发源材料有W、Mo、Ta等，或耐高温的金属氧化物、陶瓷或石墨坩埚。电阻加热蒸发法的主要缺点：（