最新Chapter2热蒸发教学讲义PPT.ppt

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1、Chapter2热蒸发概述物理过程：真空蒸发镀膜法(简称真空蒸镀)是在真空室中，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，入射到较冷的固体(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，故又称热蒸发法。真空蒸镀法的改进采用这种方法制造薄膜，已有几十年的历史，用途十分广泛。近年来，该法的改进主要是在蒸发源上。（1）为了抑制或避免薄膜原材料与蒸发加热器发生化学反应，改用耐热陶瓷坩埚。（2）为了蒸发低蒸气压物

2、质，采用电子束加热源或激光加热源。（3）为了制造成分复杂或多层复合薄膜，发展了多源共蒸发或顺序蒸发法。（4）为了制备化合物薄膜或抑制薄膜成分对原材料的偏离，出现了反应蒸发法等。本章主要介绍蒸发原理、蒸发源的发射特性及蒸发的工艺技术。(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;源-基距:从蒸发源到基片之间的距离。（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

3、连续薄膜的过程。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过程。注意：真空蒸发镀膜必须在空气非常稀薄的真空环境中进行。否则，蒸发物原子或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。二、饱和蒸气压饱和蒸气压：在一定温度下，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出的压力，称为该物质的饱和蒸气压。此时蒸发物表面液相、气相处于动态平衡，即到达液相表面的分子全

4、部粘接而不离开，并与从液相到气相的分子数相等。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。相反，一定的饱和蒸气压必定对应一定的物质的温度。规定：物质在饱和蒸气压为10-2托(1.3Pa)时的温度，称为该物质的蒸发温度。材料的蒸气压与温度的关系蒸发材料的饱和蒸气压Pν与温度T之间的数学表达式（近似关系）……(式1)式中A、B为常数，可由实验确定。而且在实际上Pν与T之间的关系多由实验确定。对于大多数材料而言，在蒸气压小于1托(133Pa)的、和比较窄

5、的温度范围内，上式才是一个精确的表示式。常用金属的饱和蒸气压与温度之间的关系（例）（图2-2）上图给出了常用金属的饱和蒸气压与温度之间的关系。从图可以看出，饱和蒸气压随温度升高而迅速增加，并且到达正常蒸发速率所需温度，即饱和蒸气压约为1.3Pa(10-2托)时的温度。因此，在真空条件下物质的蒸发要比常压下容易得多，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。一些常用材料的蒸气压与温度的关系列表发给同学（表2-1）。实际意义饱和蒸气压与温度的关系对于薄膜制作技术有重要的实际意义，它

6、可以帮助我们合理地选择蒸发材料、蒸发源材料及确定蒸发条件。三、蒸发速率根据气体分子运动论，计算出单位面积(蒸发表面积)的质量蒸发速率……(式2)（kg/m2·s,Pa）式中，M为蒸发物质的摩尔质量。此式是描述蒸发速率的重要表达式。它确定了蒸发速率G与蒸气压Pν和温度T之间的关系。必须指出，蒸发速率除与蒸发物质的分子量、绝对温度T和蒸发物质在温度T时的饱和蒸气压P有关外，还与(1)材料自身的表面清洁度有关；(2)特别是蒸发源温度的变化对蒸发速率影响极大。蒸发源温度变化对蒸发速率的影响：如果将饱和蒸气

7、压与温度的关系式(式1)代入(式2)，并对其进行微分，即可得出质量蒸发速率随温度变化的关系式，即dG/G=(2.3B/T-1/2)dT/T……(式3)对于金属,2.3B/T通常在20～30之间，即有:dG/G=(20～30)dT/T……(式4)由此可见，在蒸发温度以上进行蒸发时，蒸发源温度的微小变化即可引起蒸发速率发生很大变化。经验提示：1）在蒸发温度以上进行蒸发时，蒸发源温度的微小变化即可引起蒸发速率发生很大变化。因此，在制膜过程中，要想控制蒸发速率，必须精确控制蒸发源的温度，加热时应尽量避免产生

8、过大的温度梯度（平稳调整）。2）蒸发速率正比于材料的饱和蒸气压；温度变化10％左右，饱和蒸气压就要变化一个数量级左右。例：由计算可知，蒸发源有1％的温度变化，会引起铝蒸发薄膜生长速率有19%的改变。（同学们镀铝膜实践一下）四、蒸发分子的平均自由程与碰撞几率1、蒸发分子的平均自由程：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。