表面工程技术3物理气相沉积

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1、西北工业大学材料学院表面工程技术§3物理气相沉积§3.1概述气相沉积过程：1、供给气相膜料2、膜料的输运3、薄膜的形成膜料输运到基片（衬底、基底、基体）上后沉积下来形成薄膜。气相沉积分类：1、物理气相沉积（PVD，PhysicalVaporDeposition）2、化学气相沉积（CVD，ChemicalVaporDeposition）PVD：沉积过程中沉积粒子通过蒸发、溅射等物理过程获得。1、真空蒸镀2、溅射镀膜3、离子镀CVD：气态物质在衬底表面发生化学反应，从而在衬底表面上生成所要的膜层。沉积过程中沉积粒子来源于化合物的气相分解反应。§3

2、.2真空蒸镀真空蒸镀是在真空度大于10-3Pa的真空条件下，采用各种形式的热能转换方式使镀膜材料蒸发，产生具有一定能量的气态粒子（原子、分子或原子团），蒸发的气态粒子通过基本上无碰撞的直线运动方式输运到基底，然后在基底上凝聚成薄膜。一、真空蒸镀原理1、镀膜材料的蒸发在真空室中，把镀膜材料加热，当达到适当的温度后便有大量原子或分子离开膜料表面37西北工业大学材料学院表面工程技术、被蒸发进入气相（成为蒸发原子或蒸发粒子）。2、蒸发原子/分子的输运真空室内气压低，蒸发原子或分子几乎不经碰撞地径直飞散，一部分输运到衬底表面，一部分沉积到真空室壁上。3

3、、薄膜的形成蒸发原子/分子到达温度相对较低的衬底表面时，凝结形成薄膜。二、蒸发温度1、由于物质的饱和蒸汽压只与温度有关，所以规定：物质的饱和蒸汽压为1Pa时的温度为该物质的蒸发温度（人为规定）。2、饱和蒸汽压随温度升高而迅速增大。37西北工业大学材料学院表面工程技术常用金属的饱和蒸汽压和温度的关系曲线3、饱和蒸汽压与温度的关系曲线多由实验确定，它可以帮助我们合理选择蒸镀材料及蒸发条件，对于蒸发镀膜有重要的实际意义。4、在真空条件下，物质的蒸发要比常压下容易得多，所需温度也大大降低。三、沉积速率及蒸发速率1、定义（1）蒸发速率以蒸汽形式在单位时

4、间内（秒）从单位膜材表面（平方厘米）上所蒸发出来的分子数（J）。设蒸发材料表面液相与气相处于动态平衡，则蒸发速率为：Ph为液体静压（？）。dN为蒸发原子（分子）数，A为蒸发表面积，t为时间，αe为蒸发系数。37西北工业大学材料学院表面工程技术当α=1、Ph＝0时，得最大蒸发速率：M为蒸发物质的摩尔质量。蒸发速率与蒸发物质的摩尔质量、温度及饱和蒸汽压有关，还与材料表面的洁净度有关。蒸发温度的变化对蒸发速率的影响最大。在蒸发镀膜过程中，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过大的温度梯度。四、蒸镀前的处理基底表面吸附着的

5、灰尘或油脂会降低薄膜的附着力，形成气团，故在蒸镀前需要进行清洗。1、玻璃、塑料水洗→中性洗剂刷洗（如用尼龙纤维或机械除污）→纯水洗净→酒精洗掉水分→用酒精、聚四氟乙烯蒸汽清洗→干燥。2、金属水洗→酸、碱洗水洗→超声波清洗。五、蒸发源大多数金属材料都要求在1000~2000℃的温度下蒸发。因此必须将镀膜材料加热到如此高的温度。常用加热方式有：电阻法，电子束法，高频法等。1、电阻蒸发源（1）电阻蒸发源的特点把高熔点金属，如钽（Ta）、钼（Mo）、钨（W）、石墨、氮化硼和硼化钛的混合物等，做成适当形状的蒸发源，装上待蒸发材料，接通蒸发源电源，加热蒸

6、镀材料使其蒸发。因此又称为热蒸发。这种方法简单、便宜、普及、使用可靠。适用于膜层质量要求不太高的大批量生产。（2）电阻蒸发源材料的选用熔点高；37西北工业大学材料学院表面工程技术饱和蒸汽压低。镀膜材料的蒸发温度要低于蒸发源饱和蒸汽压为10-8Torr时的温度。化学稳定性好；耐热性好，功率密度变化小；原料丰富、经济耐用。电阻蒸发源的熔点及饱和蒸汽压的温度蒸发源材料熔点饱和蒸汽压的温度（K）10-8Torr10-5Torr10-2TorrW3683239028403500Ta3296223026803330Mo2890186522302800Nb

7、2741203524002930Pt2045156518852180Fe1808116514001750Ni1726120014301800（3）蒸镀材料对蒸发源材料的润湿性高温熔化的蒸镀材料在蒸发源上有扩展的倾向，就认为是容易润湿的（浸润的）。如果在蒸发源上有凝聚而接近于形成球形的倾向就认为是难以润湿的（不浸润）。浸润情况下，镀膜材料的蒸发是从大的表面上发生的，是面蒸发源的蒸发不浸润情况下，为点蒸发源。（两种蒸发源有不同的蒸发速率）容易润湿，膜材与蒸发源十分亲合，结合牢固，因而蒸发状态稳定。难以润湿，采用丝状蒸发源时蒸发材料易从蒸发源上掉下

8、来。37西北工业大学材料学院表面工程技术（4）电阻蒸发源的形状蒸发源的形状可根据蒸发材料的性质，结合蒸发源与蒸发材料的润湿性，制作成不同形状。丝状蒸发源一般线径为0