真空蒸发镀膜

1、真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 物理气相沉积物理气相沉积 (Physical Vapor Deposition，PVD) 利用某种物理过程，如利用某种物理过程，如 物质的热蒸发或在受到粒物质的热蒸发或在受到粒 子轰击时物质表面原子的子轰击时物质表面原子的 溅射等现象，实现物质原溅射等现象，实现物质原 子从源物质到薄膜的可控子从源物质到薄膜的可控 转移的过程。转移的过程。 块状材料 (靶材) 薄膜 物质输运 能量输运 能量 衬底衬底 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 方法的核心点：薄膜材料通过物理方法产生并输运到基体表面的镀膜 方法； 通常是固体或熔融源； 一般来说，在气相或衬底表面没有化学反应； 需要相对较

2、低的气体压力环境： a)其他气体分子对于气相分子的散射作用较小其他气体分子对于气相分子的散射作用较小； b)气相分子的运动路径近似为一条直线；气相分子的运动路径近似为一条直线； c)气相分子在衬底上的沉积几率接近气相分子在衬底上的沉积几率接近100%。 代表性技术：蒸发镀膜、溅射镀膜； 技术特点：真空度高、沉积温度低、设备相对比较简单。薄膜质量可 控度小、表面容易不均匀。 物理气相沉积物理气相沉积 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 要点：要点： 真空蒸发原理真空蒸发原理 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 蒸发源的类型蒸发源的类型 合金及化合物的蒸发合金及化合物的蒸发 真空蒸发镀膜法

3、真空蒸发镀膜法( (简称真空简称真空 蒸镀蒸镀) )是在真空室中，加热蒸发是在真空室中，加热蒸发 容器中待形成薄膜的原材料，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使其原子或分子从表面气化逸 出，形成蒸气流，入射到基片出，形成蒸气流，入射到基片 表面，凝结形成固态薄膜的方表面，凝结形成固态薄膜的方 法。法。 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 加热丝加热丝加热舟加热舟 坩埚坩埚 盒状源（盒状源（Knudsen Cell） 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 一、真空蒸发镀膜法一、真空蒸发镀膜法 (1)优点：优点： 成膜速度快：成膜速度快：0.150m/min， 设备比较简单

4、，操作容易；设备比较简单，操作容易； 制得薄膜纯度高；制得薄膜纯度高； 用掩模可以获得清晰的图形；用掩模可以获得清晰的图形； 薄膜生长机理较单纯。薄膜生长机理较单纯。 (2)缺点：缺点： 薄膜附着力较小；薄膜附着力较小； 结晶不够完善；结晶不够完善； 工艺重复性不够好；工艺重复性不够好； 膜厚不易控制；膜厚不易控制； 薄膜质量不是很好。薄膜质量不是很好。 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 基本过程：基本过程： （1）加热）加热蒸发过程蒸发过程，凝聚相，凝聚相气相气相 该阶段的主要作用因素：饱和蒸气压该阶段的主要作用因素：饱和蒸气压 （2）输运过程输运过程，气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运，气化原

5、子或分子在蒸发源与基片之间的输运 该阶段的主要作用因素：分子的平均自由程（工作气压），源该阶段的主要作用因素：分子的平均自由程（工作气压），源基距基距 （3）基片表面的）基片表面的淀积过程淀积过程，气相，气相固相固相 凝聚凝聚成核成核核生长核生长连续薄膜连续薄膜 蒸发过程蒸发过程 镀膜时，加热蒸镀材料，使材料以分子或原子的状态进 入气相。 在真空的条件下，金属或非金属材料的蒸发与在大气压 条件下相比要容易得多。 沸腾蒸发温度大幅度下降，熔化蒸发过程大大缩短，蒸发效率提 高。以金属铝为例，在一个大气压条件下，铝要加热到2400C才能 达到沸腾而大量蒸发，但在1.3mPa压强下，只要加热到847C

6、就可以 大量蒸发。 一般材料都有这种在真空下易于蒸发的特性。一般材料都有这种在真空下易于蒸发的特性。 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 z单位时间内单位面积上蒸发出的分子数。 px蒸发材料的蒸气压(Pa)。 M材料的摩尔质量(g/mol) T热力学温度(K) 若用单位面积、单位时间内蒸发的质量，则有： ) scm/() 1 (1051. 3 22/122 个分子 TM pz x 蒸镀材料受热蒸发的速率由下式给出： ) sg/cm()(1083. 5 22/12 T M pG xz 所以，影响材料蒸发速度的因素所以，影响材料蒸发速度的因素，包括： 材料的蒸汽压px， 材料的摩尔质量M， 蒸发温度T 另外

7、，还有蒸镀材料表面洁净程度。蒸发料上出现污物，蒸发速度降低。 特别是氧化物，它可以在被蒸镀金属上生成不易渗透的膜皮而影响蒸发。 不过，如果氧化物较蒸镀材料易于蒸发(如SiO2对Si)或氧化物加热时分解， 或蒸发料能穿过氧化物而迅速扩散，则氧化物膜将不会影响蒸发。 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 输运过程输运过程 蒸发材料分子进入气相，就在气相内自由运动，其运动的特点 和真空度有密切关系。常温下空气分子的平均自由程为 )cm( 652. 0 p 在p = 1.310-1Pa时， = 5cm； p = 1.310-4Pa时， 5000cm。 在压力p = 1.310-4Pa时，虽然在每cm3 空间中还有

8、3.21010个分 子，但分子在两次碰撞之间，有约50m长的自由途径。 在通常的蒸发压强下，平均自由程较蒸发源到基片 的距离大得多，大部分蒸发材料分子将不与真空室内剩余气 体分子相碰撞，而径直飞到基片上去，只有少数粒子在迁移途中 发生碰撞而改变运动方向。 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 若设蒸发出的分子数为z0，在迁移途中发生碰撞的分子数为z1， 蒸发源到基片的距离为 l，则发生碰撞的分子数占总蒸发分子数的 比率可又下式求出： )exp(1 0 1 l z z 即迁移途中发生碰撞的分子数 )exp(1 01 l zz 碰撞分子数与蒸发源到基片距离的关系碰撞分子数与蒸发源到基片距离的关系 由上式可以算

9、出： 当蒸发源到基片的距离l = ， 则z1 = 63%z0 当蒸发源到基片的距离l = 10 ，则z1 = 9 %z0 即蒸发源到基片的距离愈大，发生碰撞的分子数愈少。即蒸发源到基片的距离愈大，发生碰撞的分子数愈少。 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 迁移途中发生碰撞的分子百分数与迁移途中发生碰撞的分子百分数与 实际路程对平均自由程之比的关系实际路程对平均自由程之比的关系 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 80 70 60 50 40 30 20 10 0 实际行程/平均自由程（l / ） 碰撞分子百分数( z1/z0 100) 平均自由程必须较蒸发源到基片的距离大得多，才

10、能在平均自由程必须较蒸发源到基片的距离大得多，才能在 迁移过程中避免发生碰撞现象。迁移过程中避免发生碰撞现象。 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 真空室内的残余气体真空室内的残余气体 对于一个具有密闭的、洁净的、设计良好的真空系统的镀膜机来说，当 气压为1.310-4Pa时，除了蒸发源在蒸发时释气外(如果蒸镀材料较纯，这 种释气是不多的)，真空室内壁解吸的吸附气体分子是主要的气体来源。 残余气体的影响：残余气体的影响： 在计算镀膜机真空系统抽气能力时，除根据真空室容积选择真空泵外， 还要考虑解吸气体的影响。 污染作用。残余气体分子以一定速度在真空室内作无规则的运动，并以 一定的几率与工件表面相碰撞。即

11、使在高真空的条件下，单位时间内与基 片碰撞的气体分子数也是十分可观的。残余气体分子到达基片后，一部分 留在基片上，一部分飞走。 在大多数系统中，水汽是残余气体的主要组成部分。如真空度为 1.310-4Pa时，残余气体中90%是水。 水汽可与金属膜反应，生成氧化物而释放出氢；或与水汽可与金属膜反应，生成氧化物而释放出氢；或与 热源热源(如钨丝如钨丝)作用，生成氢和一种氧化物。作用，生成氢和一种氧化物。 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 (1) 烘烤烘烤。使钟罩内壁、内部夹具、基片等器件上吸附的气 体解吸出来，由真空泵排除。这对镀制要求较高的膜层是极为 重要的。 (3) 提高真空度。提高真空度。把真空度提

12、高到1.310-4Pa以上，使蒸镀 材料分子到达基片的速率高于残余气体分子到达率。 (2) 对蒸发材料加热除气。对蒸发材料加热除气。即在镀膜开始前让蒸镀材料 先自由蒸发一段时间(此时用挡板挡住基片，防止镀在基片上)， 然后打开挡板开始蒸镀。由于室内活性气体减少，提高了膜层 质量。 减少残余气体及水汽的影响、提高膜层的纯度的方法减少残余气体及水汽的影响、提高膜层的纯度的方法 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 Z是蒸发速率是蒸发速率，即单位时间内、单位面积上蒸发的分子数， 称为凝结系数称为凝结系数，是指到达基片并被凝结的部分占入射原子数的 比率。 与基片的洁净程度有关。洁净的基片与基片的洁净程度有关。洁净

13、的基片 = 1。所以在。所以在 蒸发镀膜之前，基片的清洁是十分重要的。蒸发镀膜之前，基片的清洁是十分重要的。 在通常的蒸发压强下，原子或分子从蒸发源迁移到基片的途程 中并不发生碰撞，因此迁移中无能量损耗。当它们入射到接近于 基片的若干原子直径范围时，便进入工件表面力的作用区域，并 在工件表面沉积，形成薄膜。 蒸发材料蒸气分子到达基片的数量可用下式表示： ) scm/() 1 (105 . 3 22/122 个分子 TM pzz xm 淀积过程淀积过程 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 气体与蒸气气体与蒸气 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 对于每一种气体都有一个特定的温度，高于此温度

14、时，气体不能通对于每一种气体都有一个特定的温度，高于此温度时，气体不能通 过过等温压缩等温压缩而液化，这个温度称为该气体的临界温度。而液化，这个温度称为该气体的临界温度。 温度高于临界温度的气态物质称为气体，低于临界温度的气态物质温度高于临界温度的气态物质称为气体，低于临界温度的气态物质 称为蒸气。称为蒸气。 注意：注意：蒸气不是理想气体！只有在很低气压下，近似符合理想气体蒸气不是理想气体！只有在很低气压下，近似符合理想气体 方程。方程。 气体与蒸气气体与蒸气 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 临界温度临界温度 不是沸点！不是沸点！ 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 在一定温度下，气、固或气、液两相平衡时，蒸

15、气的压力称为在一定温度下，气、固或气、液两相平衡时，蒸气的压力称为 该物质的饱和蒸气压。该物质的饱和蒸气压。 饱和蒸气压饱和蒸气压(Saturation vapor pressure )： 注意：取决于液体注意：取决于液体(或固体或固体)本性和温度，与液体本性和温度，与液体(或固体或固体)存在的量无关。存在的量无关。 饱和蒸气压饱和蒸气压一定温度下，蒸发一定温度下，蒸发(或升华或升华)出来的蒸气分子的量出来的蒸气分子的量 标志着物质的蒸发标志着物质的蒸发(或升华或升华)能力能力 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 饱和蒸气压：饱和蒸气压： 克拉伯龙克拉伯龙克劳修斯方程：克劳修斯方程： Pv：饱和蒸气压；

16、：饱和蒸气压； vapHm：温度：温度T时纯液体的时纯液体的 摩尔气化热；摩尔气化热； ln 2 RT H dT Pd mvap v 假定假定vapHm与温度无关，或因温度范围较小，与温度无关，或因温度范围较小， vapHm可以近似作为常数，积分上式，得：可以近似作为常数，积分上式，得： T B APC TR H P v mvap v lgln 1 1、应用范围：、应用范围： 蒸气压小于蒸气压小于1Torr； 2、A、B由实验确定由实验确定 3、合理地选择蒸发材、合理地选择蒸发材 料及确定蒸发条件。料及确定蒸发条件。 第二节第二节 薄膜物理气相沉积薄膜物理气相沉积 饱和蒸气压：饱和蒸气压： T

17、 B AP v lg 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 饱和蒸气压为饱和蒸气压为10-2Torr时的温度。时的温度。 由此，蒸发材料分为两种：由此，蒸发材料分为两种： 1）蒸发：蒸发温度大于熔点，大多数金属）蒸发：蒸发温度大于熔点，大多数金属 2）升华：蒸发温度小于熔点）升华：蒸发温度小于熔点 Cr、Ti、Mo、Fe等等 蒸发温度蒸发温度 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 蒸发速率蒸发速率 T M PP kT m JmG vv 4 max 1073. 4 2 质量最大蒸发速率：质量最大蒸发速率： Pascmkg,/ 2 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 蒸发速率蒸发

18、速率 在实际蒸发过程中，影响蒸发速度的因素在实际蒸发过程中，影响蒸发速度的因素 饱和蒸气压饱和蒸气压 温度温度 蒸发物质的分子量蒸发物质的分子量 表面清洁度表面清洁度 蒸发源的形状等蒸发源的形状等 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 蒸发速率蒸发速率 影响蒸发速度的因素：温度影响蒸发速度的因素：温度 例如Al：温度变化1%，蒸发速度变化19% T B AP v lg将公式：将公式： 代入代入HKL公式中，并进行微分，可得到：公式中，并进行微分，可得到： T dT T B G dG ) 2 1 ( 1、如需精确控制蒸发速率，就必须精确控制源温。、如需精确控制蒸发速率，就必须精确控制源温。 2、在加热过程中

19、应当注意避免过大的温度梯度。、在加热过程中应当注意避免过大的温度梯度。 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 1、从薄膜纯度考虑：、从薄膜纯度考虑： 单位时间内通过单位面积的气体的分子数：单位时间内通过单位面积的气体的分子数： mkT P nVN ag 24 1 25时，10-5 Torr时， Ng大约为10151016个/cm2s， 此时蒸发原子与杂质原子几乎按此时蒸发原子与杂质原子几乎按1：1到达到达 基板基板 本底真空度的选择本底真空度的选择 1. 残留气体的污染。残留气体的污染。 2. 蒸发源物质的纯度；蒸发源物质的纯度； 3. 加热装置、坩埚的污染；加热装置、坩埚的污染； 真空蒸发镀膜真空蒸发镀

20、膜 大气的残余物（大气的残余物（O2、N2、CO2、H2O），扩散泵油蒸气，真空室吸气），扩散泵油蒸气，真空室吸气 对对真空蒸发镀膜质量有重要影响真空蒸发镀膜质量有重要影响。 在设计优良的系统中，在设计优良的系统中，真空真空泵的回流扩散作用不明显泵的回流扩散作用不明显。 当当P10-4Pa时，时，主要为主要为被解吸的真空室吸气被解吸的真空室吸气。 水汽水汽影响很大，易与金属膜反应影响很大，易与金属膜反应，或与，或与W，Mo等加热器材料反应等加热器材料反应，生生 成氧化物和氢。成氧化物和氢。 残留气体的影响残留气体的影响 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 2、从碰撞几率的角度：、从碰撞几率的角度： 本底

21、真空度的选择本底真空度的选择 考虑蒸发分子与残留气体分子之间的碰撞问题：考虑蒸发分子与残留气体分子之间的碰撞问题： N0个蒸发分子在飞行个蒸发分子在飞行x距离后，未受到残留气体分子碰撞的数目：距离后，未受到残留气体分子碰撞的数目： x x eNN 0 则被碰撞的分子的百分数：则被碰撞的分子的百分数： x x e N N f 11 0 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 Example: 若要求若要求f 0.1, 源基距为源基距为25cm 则则P 310-3Pa x ef 1 要有效减少蒸发分子在渡要有效减少蒸发分子在渡 越中的碰撞现象，应当使越中的碰撞现象，应当使 源基距源基距 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜

22、 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 在真空蒸发镀膜过程中，能否在基板上获得均匀膜厚，是制膜的关键问题。 膜厚的影响因素膜厚的影响因素 A、 蒸发源的特性；蒸发源的特性； B、基板与蒸发源的几何形状，相对位置；、基板与蒸发源的几何形状，相对位置； C、蒸发物质的蒸发量。、蒸发物质的蒸发量。 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 为了对膜厚进行理论计算，找到其分布的规律，作如下假设： 1）在蒸发源附近的蒸发原子间或分子之间不发生碰撞；）在蒸发源附近的蒸发原子间或分子之间不发生碰撞； 2）蒸发原子或分子与残余气体分子之间不发生碰撞；）蒸发

23、原子或分子与残余气体分子之间不发生碰撞； 3）蒸发原子到达基板上后不发生再蒸发现象。）蒸发原子到达基板上后不发生再蒸发现象。 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 一、点蒸发源一、点蒸发源 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 特点：向各个方向等量蒸发特点：向各个方向等量蒸发 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 二、小平面蒸发源二、小平面蒸发源 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 特点：发射特性具有方向性特点：发射特性具有方向性 在在角方向蒸发的材料质量与角方向蒸发的材料质量与cos成正比成正比 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 点源与

24、小平面蒸发源相点源与小平面蒸发源相 比，厚度的均匀性要好比，厚度的均匀性要好 一些一些 但淀积速率要低得多，但淀积速率要低得多， 单位质量的原料所得膜单位质量的原料所得膜 厚厚1/4 23 2 0 1 1 hxt t 2 0 4h m t 2 0 h m t 2 2 0 1 1 hxt t 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 三、克努曾蒸发源三、克努曾蒸发源 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 2r, l，分子流，分子流 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 四、细长平面蒸发源四、细长平面蒸发源 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 相当于热丝，由许多小平面蒸发源构成相当于热丝，由

25、许多小平面蒸发源构成 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 五、环状蒸发源五、环状蒸发源 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 蒸发特性dS1相当于小平面源 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 实际蒸发源的发射特点实际蒸发源的发射特点 1）点源：发针形蒸发源、电子束蒸发源）点源：发针形蒸发源、电子束蒸发源 2）小平面蒸发源：蒸发舟）小平面蒸发源：蒸发舟 3）平面蒸发源：坩埚、锥形蓝式蒸发源）平面蒸发源：坩埚、锥形蓝式蒸发源 4）柱状蒸发源：蒸发料润湿的螺旋丝状蒸发源）柱状蒸发源：蒸发料润湿的螺旋丝状蒸发源 5）可视为大面积（平面或柱面）蒸发源：磁控靶源。）可视为大面积（平面或柱面）蒸发源：磁控靶源。

26、 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 蒸发源与基板的相对位置配置蒸发源与基板的相对位置配置 1. 点源点源 蒸发源放在球心，基板放在球面蒸发源放在球心，基板放在球面 上，可得到均匀薄膜。上，可得到均匀薄膜。 2 cos 4r mh t =0时，时，t为常数：为常数： 蒸发源、基板放在同一球面上，蒸发源、基板放在同一球面上， 可得到均匀薄膜。可得到均匀薄膜。 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 蒸发源与基板的相对位置配置蒸发源与基板的相对位置配置 2.小平面源小平面源 2 coscos r m t cos2Rr 2 4R m t 可将蒸发源直接配置于基板可将蒸发源直接配置于基板 的中心线上：的中心线上： 真空蒸发镀

27、膜真空蒸发镀膜 蒸发源与基板的相对位置配置蒸发源与基板的相对位置配置 3.小面积基板的情况小面积基板的情况 DH).(511 A、基板公转加自转的、基板公转加自转的“行星行星”方式运动方式运动 B、采用多个分离的点源代替单一蒸发源、采用多个分离的点源代替单一蒸发源 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 蒸发源与基板的相对位置配置蒸发源与基板的相对位置配置 4. 大面积基板的情况大面积基板的情况 1个点蒸发源个点蒸发源 等间隔、等蒸发速率等间隔、等蒸发速率 的的4个点蒸发源个点蒸发源 不等间隔、等蒸发速率不等间隔、等蒸发速率 的的4个点蒸发源个点蒸发源 等间隔、不等蒸发速率的等间隔、不等蒸发速率的 4个点蒸

28、发源个点蒸发源 ：膜厚最大相对偏差：膜厚最大相对偏差 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 蒸发源的加热方式蒸发源的加热方式 u电阻加热法 u电子束加热法 u高频感应加热 u激光加热 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 蒸发源的加热方式蒸发源的加热方式 1.电阻蒸发源电阻蒸发源 蒸发源材料的要求蒸发源材料的要求 1）熔点要高，熔点要高于被蒸发物质的蒸发温度（多在）熔点要高，熔点要高于被蒸发物质的蒸发温度（多在10002000）；）； 2）饱和蒸气压低，减少蒸发源材料蒸气的污染。）饱和蒸气压低，减少蒸发源材料蒸气的污染。 要求：蒸发材料的蒸发温度低于蒸发源材料在平衡蒸气压为要求：蒸发材料的蒸发温度低于蒸发源材料在平衡

29、蒸气压为10-8托时的托时的 温度。温度。 3）化学性能稳定，不与蒸发材料发生反应。）化学性能稳定，不与蒸发材料发生反应。 4）耐热性好，热源变化时，功率密度变化较小。）耐热性好，热源变化时，功率密度变化较小。 5）经济耐用。）经济耐用。 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 蒸发源的加热方式蒸发源的加热方式 1.电阻蒸发源电阻蒸发源 加工性能：加工性能：W最差，室温很脆，需最差，室温很脆，需400高温退火，高温退火，Mo好，好，Ta最好最好 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 蒸发源的加热方式蒸发源的加热方式 1.电阻蒸发源电阻蒸发源 金属蒸发源与镀料的反应金属蒸发源与镀料的反应 钽与金；钽与金； 铝、铁、镍、钴

30、等与钨、钼、钽铝、铁、镍、钴等与钨、钼、钽 改进方法：陶瓷坩埚改进方法：陶瓷坩埚 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 蒸发源的加热方式蒸发源的加热方式 1.电阻蒸发源电阻蒸发源 镀料与蒸发源的浸润性镀料与蒸发源的浸润性 浸润时，为面蒸发源浸润时，为面蒸发源 不浸润时，为点蒸发源，不浸润时，为点蒸发源， 若用丝式蒸发源时镀料应浸润，若不浸润易脱落。若用丝式蒸发源时镀料应浸润，若不浸润易脱落。 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 蒸发源的加热方式蒸发源的加热方式 1.电阻蒸发源电阻蒸发源 各种形状的电阻蒸发源各种形状的电阻蒸发源 1）丝式）丝式 ua)、b)要求浸润性，镀料为丝状。但浸要求浸润性，镀料为丝状。但浸 润

31、好意味着有轻微合金化，只能用一次。润好意味着有轻微合金化，只能用一次。 uc)不要求浸润性，镀料可丝状、块状不要求浸润性，镀料可丝状、块状 易升华材料易升华材料(Cr)、不润湿材料、不润湿材料(Ag、Cu) u蒸发加热丝的直径：蒸发加热丝的直径：0.5-1mm，特殊，特殊 1.5mm,多股多股 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 蒸发源的加热方式蒸发源的加热方式 1.电阻蒸发源电阻蒸发源 各种形状的电阻蒸发源各种形状的电阻蒸发源 2）蒸发舟）蒸发舟 u用金属箔制成，箔厚用金属箔制成，箔厚0.05-0.15mm， 可蒸发块状、丝状、粉状镀料可蒸发块状、丝状、粉状镀料 u注意避免局部过热，发生飞溅注意避免局

32、部过热，发生飞溅 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 3.1 PVD法 蒸发源的加热方式蒸发源的加热方式 1.电阻蒸发源电阻蒸发源 各种形状的电阻蒸发源各种形状的电阻蒸发源 3）外热坩埚外热坩埚 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 蒸发源的加热方式蒸发源的加热方式 2.电子束蒸发源电子束蒸发源 电阻蒸发源的缺点：电阻蒸发源的缺点： 1）不能蒸发某些难熔金）不能蒸发某些难熔金 属和氧化物属和氧化物 2）不能制备高纯度薄膜）不能制备高纯度薄膜 将镀料放入水冷铜坩埚中，将镀料放入水冷铜坩埚中， 利用高能电子束轰击镀料，使利用高能电子束轰击镀料，使 其受热蒸发。其受热蒸发。 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 蒸发源的加热方式蒸发

33、源的加热方式 2.电子束蒸发源电子束蒸发源 1）采用聚焦电子束，功率密度高，可蒸发高熔点镀料（）采用聚焦电子束，功率密度高，可蒸发高熔点镀料（3000以上）如以上）如W， Mo，Ge，SiO2，Al2O3等。等。 2）采用水冷坩埚，可避免坩埚材料的蒸发，及坩埚与镀料的反应，制得高纯度）采用水冷坩埚，可避免坩埚材料的蒸发，及坩埚与镀料的反应，制得高纯度 薄膜。薄膜。 3）热量直接加在镀料上，热效率高，传导，辐射的热损失少。）热量直接加在镀料上，热效率高，传导，辐射的热损失少。 优点：优点： 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 蒸发源的加热方式蒸发源的加热方式 2.电子束蒸发源电子束蒸发源 缺点：缺点： 1

34、）电子枪发出的一次电子和蒸发材料发出的二次电子会使蒸发原子和残留）电子枪发出的一次电子和蒸发材料发出的二次电子会使蒸发原子和残留 气体电离，影响膜层质量。气体电离，影响膜层质量。 解决办法：设计和选用不同结构的电子枪解决办法：设计和选用不同结构的电子枪 2）多数化合物在受到电子轰击时会部分分解。）多数化合物在受到电子轰击时会部分分解。 3）设备结构复杂，昂贵。）设备结构复杂，昂贵。 4）当加速电压过高时产生软）当加速电压过高时产生软X射线会对人体有伤害。射线会对人体有伤害。 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 蒸发源的加热方式蒸发源的加热方式 2.电子束蒸发源电子束蒸发源 电子束蒸发源的结构：电子束蒸发

35、源的结构： A、环形枪：环状阴极发射电子，结构简单、环形枪：环状阴极发射电子，结构简单 缺点：缺点： 1、阴极与坩埚近、阴极与坩埚近 导致：阴极材料的蒸发污染；导致：阴极材料的蒸发污染； 阴极与坩埚加有高压，阴极与坩埚加有高压，闪火、闪火、 辉光放电，并随蒸气压力和电压增加而增辉光放电，并随蒸气压力和电压增加而增 加，功率、效率上不去。加，功率、效率上不去。 2、功率和效率都不高、功率和效率都不高 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 蒸发源的加热方式蒸发源的加热方式 2.电子束蒸发源电子束蒸发源 电子束蒸发源的结构：电子束蒸发源的结构： 缺点：缺点： 是体积大，成本高，蒸镀材料会污染枪是体积大，成本高，

36、蒸镀材料会污染枪 体，灯丝逸出的体，灯丝逸出的Na+离子污染膜层。离子污染膜层。 轴对称的直线加速电子轴对称的直线加速电子 枪，阴极发射电子，阳极加速枪，阴极发射电子，阳极加速 B、直枪、直枪 (皮尔斯枪皮尔斯枪) 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 蒸发源的加热方式蒸发源的加热方式 2.电子束蒸发源电子束蒸发源 电子束蒸发源的结构：电子束蒸发源的结构： C、e型枪型枪 偏转偏转270 偏转偏转180 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 蒸发源的加热方式蒸发源的加热方式 2.电子束蒸发源电子束蒸发源 e型枪的优点：型枪的优点： 1）电子束偏转）电子束偏转180 以上，多为以上，多为270 ，避免了镀膜材料对枪体，

37、避免了镀膜材料对枪体 的污染，并给镀膜留出了更大的空间。的污染，并给镀膜留出了更大的空间。 2）收集极使正离子对膜的影响减少。）收集极使正离子对膜的影响减少。 3）吸收极使二次电子对基板的轰击减少。）吸收极使二次电子对基板的轰击减少。 4）内藏式阴极结构防止极间放电，又避免了灯丝污染。）内藏式阴极结构防止极间放电，又避免了灯丝污染。 5）可通过调节磁场改变电子束的轰击位置。）可通过调节磁场改变电子束的轰击位置。 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 蒸发源的加热方式蒸发源的加热方式 3. 高频感应蒸发源高频感应蒸发源 原理：将镀料放在坩埚中，坩原理：将镀料放在坩埚中，坩 埚放在高频螺旋线圈的中央，埚放在高

38、频螺旋线圈的中央， 使镀料在高频电磁场的感应下使镀料在高频电磁场的感应下 产生产生涡流损失和磁滞损失涡流损失和磁滞损失（对（对 铁磁体）而升温蒸发。铁磁体）而升温蒸发。 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 蒸发源的加热方式蒸发源的加热方式 3. 高频感应蒸发源高频感应蒸发源 特点：特点： 1）蒸发速率大，可比电阻蒸发源）蒸发速率大，可比电阻蒸发源 大大10倍左右。倍左右。 2）蒸发源的温度均匀稳定，不易）蒸发源的温度均匀稳定，不易 产生飞溅现象。产生飞溅现象。 3）镀料是金属时可自身产生热）镀料是金属时可自身产生热 量。量。 缺点：缺点： 1）蒸发装置必须屏蔽，否则会对广播通）蒸发装置必须屏蔽，否则会对

39、广播通 讯产生影响。讯产生影响。 2）线圈附近压强超过）线圈附近压强超过10-2Pa时，高频电时，高频电 场会使残余气体电离。场会使残余气体电离。 3）高频发生器昂贵。）高频发生器昂贵。 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 蒸发源的加热方式蒸发源的加热方式 4. 激光蒸发源激光蒸发源 利用高能激光作为热源来蒸利用高能激光作为热源来蒸 镀薄膜的方法。镀薄膜的方法。 优点：优点： 1）加热温度高，可蒸发任何吸收激）加热温度高，可蒸发任何吸收激 光光 的材料（如石墨，熔点为的材料（如石墨，熔点为3500）。）。 2）采用非接触式加热，避免了蒸发源的污）采用非接触式加热，避免了蒸发源的污 染，非常适宜于制备高纯

40、薄膜。染，非常适宜于制备高纯薄膜。 3）蒸发速率可极高（如）蒸发速率可极高（如Si可得到可得到106/s）。）。 4）方便于多源顺序蒸发或多源共蒸发。）方便于多源顺序蒸发或多源共蒸发。 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 蒸发源的加热方式蒸发源的加热方式 4. 激光蒸发源激光蒸发源 材料波长脉冲宽度脉冲频率功率 连续激光器 CO210.6m100W 脉冲激光器 红宝石红宝石694330ns0.2Hz104W/cm2 YAG1.06m200ns10002000Hz105106 Nd玻璃玻璃可调可调0.4ms0.1Hz105W/cm2 准分子 激光器 XeF351nm XeCl308nm2030ns120H

41、z0.11J KrF248nm2530ns5Hz650mJ ArF193nm10Hz34J 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 蒸发源的加热方式蒸发源的加热方式 4. 激光蒸发源激光蒸发源 特点：闪烁蒸发，有利于控制特点：闪烁蒸发，有利于控制 化学成分和防止分解；又由于化学成分和防止分解；又由于 材料气化时间短，不足以使周材料气化时间短，不足以使周 围材料达到蒸发温度，所以不围材料达到蒸发温度，所以不 易出现分馏现象。易出现分馏现象。 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 蒸发源的加热方式蒸发源的加热方式 脉冲激光烧蚀脉冲激光烧蚀( Pulsed Laser Ablation, PLA Pulsed Laser D

42、eposition, PLD) 原理：原理： 将准分子激光器所产生的将准分子激光器所产生的 高强度脉冲高强度脉冲激光束聚焦激光束聚焦于靶材于靶材 表面，使之表面，使之产生高温并熔蚀产生高温并熔蚀， 并进一步并进一步产生高温高压等离子产生高温高压等离子 体体，等离子体作定向局域膨胀，等离子体作定向局域膨胀 发射并在衬底上淀积形成薄膜。发射并在衬底上淀积形成薄膜。 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 蒸发源的加热方式蒸发源的加热方式 PLD成膜过程成膜过程 1. 激光表面熔蚀及等离子体产生激光表面熔蚀及等离子体产生 2. 等离子体的定向局域等温绝热膨胀发射等离子体的定向局域等温绝热膨胀发射 3. 在基板上沉

43、积形成薄膜在基板上沉积形成薄膜 激光脉冲期间靶表面的结构示意图激光脉冲期间靶表面的结构示意图 A：固态靶：固态靶 B：熔化的液态层：熔化的液态层 C：气态和等离子层：气态和等离子层 D：膨胀后的等离子体：膨胀后的等离子体 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 蒸发源的加热方式蒸发源的加热方式 PLD 的主要特点的主要特点 1. PLD法可以生长和靶材成份一致的多元化合物薄膜，甚至是含有易挥发元素法可以生长和靶材成份一致的多元化合物薄膜，甚至是含有易挥发元素 的多元化合物薄膜。的多元化合物薄膜。主要原因：主要原因： A、由于采用闪烁蒸发，脉冲作用时间短，表面熔蚀区只有、由于采用闪烁蒸发，脉冲作用时间短，表面

44、熔蚀区只有110m，而靶的其，而靶的其 他部分（包括夹具、垫板等）处于绝热状态，不受激光加热的影响，从而保他部分（包括夹具、垫板等）处于绝热状态，不受激光加热的影响，从而保 证了蒸发原子与靶材的一致性。证了蒸发原子与靶材的一致性。 B、由于等离子体的瞬间爆炸式发射，以及等离子体沿轴向空间的约束效应，防、由于等离子体的瞬间爆炸式发射，以及等离子体沿轴向空间的约束效应，防 止了在输运过程中可能出现的成份偏析。止了在输运过程中可能出现的成份偏析。 C、成膜的的原子、分子和离子具有极快的运动速度，增强了原子间的结合力，、成膜的的原子、分子和离子具有极快的运动速度，增强了原子间的结合力， 消除了由于不同

45、种类原子与衬底之间粘接系数不同所引起的成份偏离。消除了由于不同种类原子与衬底之间粘接系数不同所引起的成份偏离。 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 蒸发源的加热方式蒸发源的加热方式 PLD的主要特点的主要特点 2. 准分子激光波长短，其辐射频率位于紫外波段，易于被金属、氧化物、陶准分子激光波长短，其辐射频率位于紫外波段，易于被金属、氧化物、陶 瓷、玻璃、高分子材料和塑料等多种材料吸收。用其加热可以达到极高的瓷、玻璃、高分子材料和塑料等多种材料吸收。用其加热可以达到极高的 温度，可蒸发任何高熔点材料，并且可以获得很高的沉积速率温度，可蒸发任何高熔点材料，并且可以获得很高的沉积速率(10 50nm/min)

46、。 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 蒸发源的加热方式蒸发源的加热方式 PLD的主要特点的主要特点 3. 由于采用等离子体成膜，能量高，由于采用等离子体成膜，能量高，入射原子在衬底表面的扩散剧烈入射原子在衬底表面的扩散剧烈。并且由。并且由 于脉冲频率低于脉冲频率低，使得成膜原子的扩散时间也足够长。因此薄膜的附着力好，使得成膜原子的扩散时间也足够长。因此薄膜的附着力好， 易于在低温下实现外延生长，特别适合于制作高温超导、铁电、压电、电光易于在低温下实现外延生长，特别适合于制作高温超导、铁电、压电、电光 等功能薄膜。等功能薄膜。 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 蒸发源的加热方式蒸发源的加热方式 PLD 的主要特

47、点的主要特点 4. 由于等离子体具有极高的前向速度，真空室中残留气体的散射作用相对减由于等离子体具有极高的前向速度，真空室中残留气体的散射作用相对减 弱，因此弱，因此PLD往往不要求在高真空下进行（例如，制备往往不要求在高真空下进行（例如，制备YBa2Cu3O7-高温高温 超导薄膜的本底真空通常为超导薄膜的本底真空通常为10Pa），简化了设备，缩短了生产周期。），简化了设备，缩短了生产周期。 PLD的缺点：的缺点： (1) 薄膜表面存在微米薄膜表面存在微米-亚微米尺度的颗粒物；亚微米尺度的颗粒物； (2) 薄膜面积较小；薄膜面积较小； (3) 某些靶膜成分不一致。某些靶膜成分不一致。 真空蒸发

48、镀膜真空蒸发镀膜 合金的蒸发问题合金的蒸发问题 主要问题：主要问题：蒸发材料在气化过程中，由于各成分的饱和蒸气压不同，使得其蒸发材料在气化过程中，由于各成分的饱和蒸气压不同，使得其 蒸发速率也不同，会发生分解和分馏等问题，从而引起薄膜成分的偏离。蒸发速率也不同，会发生分解和分馏等问题，从而引起薄膜成分的偏离。 )/(058. 0 2 scmg T M PG A A A )/(058. 0 2 scmg T M PG B B B B A B A M M P P G G B A =1？ 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 合金中各成分的饱和蒸气压服从拉乌尔定律：合金中各成分的饱和蒸气压服从拉乌尔定律： A

49、B B A B A B A B A M M W W P P M M P P G G B A 在质量百分含量一定的情况下，在质量百分含量一定的情况下， 蒸发速率与该组元蒸发速率与该组元 成正比。成正比。 MP/ 合金的蒸发问题合金的蒸发问题 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 Example： 1527时蒸发镍铬合金（Ni80%，Cr20%）。Pcr=10-1Torr，PNi=10-2Torr 8 . 2 0 .52 7 .58 80 20 10 10 2 1 Cr Ni Ni Cr Ni Cr Ni Cr M M W W P P G G A、Cr先蒸发完，薄膜组分偏离合金化学计量比；先蒸发完，薄膜组分偏

50、离合金化学计量比； B、靠近基片膜层为富、靠近基片膜层为富Cr层，由于层，由于Cr容易氧化，使薄膜有良好附着力；容易氧化，使薄膜有良好附着力； C、膜层结构：先富、膜层结构：先富Cr，NiCr，表面富，表面富Ni。 合金的蒸发问题合金的蒸发问题 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 对于合金来说，拉乌尔定律不严格成立，通常需要引入活度系数对于合金来说，拉乌尔定律不严格成立，通常需要引入活度系数S进行修正：进行修正： )/(058. 0 2 scmg T M PXSG A AAAA 合金的蒸发问题合金的蒸发问题 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 又称又称“闪蒸法闪蒸法”，将细小的合金颗粒，将细小的合金颗粒， 逐次送

51、到非常炽热的蒸发器中，使颗粒在逐次送到非常炽热的蒸发器中，使颗粒在 瞬间完全蒸发。瞬间完全蒸发。 常用于合金中元素的蒸发速率相常用于合金中元素的蒸发速率相 差很大的场合。差很大的场合。 关键是选取粉末料的粒度，蒸关键是选取粉末料的粒度，蒸 发温度和进料的速率。发温度和进料的速率。 1. 瞬时蒸发法瞬时蒸发法 合金的蒸发问题合金的蒸发问题 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 将合金的每一成分，分别装入各自的蒸发将合金的每一成分，分别装入各自的蒸发 源中，然后独立地控制各蒸发源的蒸发速源中，然后独立地控制各蒸发源的蒸发速 率，以控制薄膜的组成。率，以控制薄膜的组成。 为了使膜厚均匀，通常需要基片为了使膜厚均

52、匀，通常需要基片 旋转。旋转。 2. 双源或多源蒸发法双源或多源蒸发法 合金的蒸发问题合金的蒸发问题 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 化合物的蒸发问题化合物的蒸发问题 化合物的蒸发方式常见的有三类：化合物的蒸发方式常见的有三类： （1）已讲述过的蒸发方法：电阻加热法、电子束加热等；）已讲述过的蒸发方法：电阻加热法、电子束加热等； （2）反应蒸发法；）反应蒸发法； （3）双源或多源蒸发法）双源或多源蒸发法三温度法和分子束外延。三温度法和分子束外延。 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 化合物的蒸发问题化合物的蒸发问题 电阻加热的缺点：电阻加热的缺点： A) 化合物的熔点较高，电阻加热温度不够。化合物的熔点较高，

53、电阻加热温度不够。 B) 许多化合物在高温下会分解，如许多化合物在高温下会分解，如Al2O3，TiO2等会失氧。等会失氧。 C) 有些化合物饱和蒸气压低，难于用电阻蒸发法。有些化合物饱和蒸气压低，难于用电阻蒸发法。 1、电阻加热法、电阻加热法 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 化合物的蒸发问题化合物的蒸发问题 原理：原理： 将活性气体导入真空将活性气体导入真空 室，使之与被蒸发的金属原室，使之与被蒸发的金属原 子，低价化合物分子在基板子，低价化合物分子在基板 表面反应，形成所需化合物表面反应，形成所需化合物 薄膜。薄膜。 2、反应蒸发法、反应蒸发法 Al（蒸发）（蒸发）+O2（活性气体）（活性气体）A

54、l2O3 Sn（蒸发）（蒸发）+O2（活性气体）（活性气体）SnO2 Si（蒸发）（蒸发）+C2H2（活性气体）（活性气体）SiC 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 化合物的蒸发问题化合物的蒸发问题 2、反应蒸发法、反应蒸发法 反应的位置：反应的位置： A）蒸发源表面，会降低蒸发速率，尽量避免。）蒸发源表面，会降低蒸发速率，尽量避免。 B）源与基片之间，由于气压为）源与基片之间，由于气压为10-2Pa，=50cm，反应的几率很小。，反应的几率很小。 C）基片表面，气体的吸附时间比空间中气体原子与蒸发原子碰撞的驰）基片表面，气体的吸附时间比空间中气体原子与蒸发原子碰撞的驰 豫时间长得多。在安装上将气体直

55、接喷到基片表面。豫时间长得多。在安装上将气体直接喷到基片表面。 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 化合物的蒸发问题化合物的蒸发问题 3、特殊的蒸发法、特殊的蒸发法 在高真空下，将镀料做成两个棒状电在高真空下，将镀料做成两个棒状电 极，通电使其发生电弧放电，使接触部分极，通电使其发生电弧放电，使接触部分 达到高温而蒸发。达到高温而蒸发。 电弧蒸发法电弧蒸发法 优点：优点：可蒸发高熔点材料，克服了可蒸发高熔点材料，克服了 电阻加热可能存在的污染及反应，电阻加热可能存在的污染及反应， 又比电子束蒸发便宜。又比电子束蒸发便宜。 不足：不足：适用于导电材料，蒸发速率适用于导电材料，蒸发速率 难以控制，放电时飞溅

56、的电极材料难以控制，放电时飞溅的电极材料 微粒会对膜层有影响。微粒会对膜层有影响。 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 化合物的蒸发问题化合物的蒸发问题 3、特殊的蒸发法、特殊的蒸发法 热壁法热壁法 1）蒸发在石英管中进行，通常石）蒸发在石英管中进行，通常石 英管温度比基片高，使蒸发原子、英管温度比基片高，使蒸发原子、 分子通过石英管被导向基板，生成分子通过石英管被导向基板，生成 薄膜。薄膜。 2）是个热平衡过程，可制备外延）是个热平衡过程，可制备外延 薄膜，但可控性、重复性差。薄膜，但可控性、重复性差。 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 一、真空蒸发镀膜法一、真空蒸发镀膜法 (1)优点：优点： 成膜速度快：成膜速度快：0.150m/min， 设备比较简单，操作容易；设备比较简单，操作容易； 制得薄膜纯度高；制得薄膜纯度高； 用掩模可以获得清晰的图形；用掩模可以获得清晰的图形； 薄膜生长机理较单纯。薄膜生长机理较单纯。 (2)缺点：缺点： 薄膜附着力较小；薄膜附着力较小； 结晶不够完善；结晶不够完善； 工艺重复性不够好；工艺重复性不够好； 膜厚不易控制；膜厚不易控制； 薄膜质量不是很好。薄膜质量不是很好。 若设蒸发出的分子数为z0，在迁移途中发生碰撞的分子数为z1， 蒸发源到基片的距离为 l，则发生碰撞的分子数