,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,第二章 薄膜制備技術(shù),蒸發(fā)法,物理氣相沉積,（,physical vapor deposition,PVD,）是指在一定的真空條件下，利用熱蒸發(fā)或輝光放電或弧光放電等物理過程使材料沉積在襯底上的薄膜制備技術(shù)。,真空蒸發(fā)鍍膜,三種基本方法 真空濺射鍍膜,真空離子鍍膜,2.1,真空蒸發(fā)簡介,一、真空蒸發(fā)沉積的物理原理,將固體材料置于高真空環(huán)境中加熱，使之升華或蒸發(fā)并沉積在特定襯底上以獲得薄膜的工藝方法，稱為真空蒸發(fā)鍍膜法（簡稱蒸鍍）。,真空蒸發(fā)沉積薄膜具有簡單便利、操作容易、成膜速度快、效率高等特點，是薄膜制備中最為廣泛使用的技術(shù)，這一技術(shù)的缺點是形成的薄膜與基片結(jié)合較差，工藝重復(fù)性不好，臺階覆蓋能力差。,真空蒸發(fā)就是利用蒸發(fā)材料在高溫時所具有的飽和蒸汽壓進(jìn)行薄膜制備。,真空蒸發(fā)設(shè)備示意圖如下圖所示,2.1,真空蒸發(fā)簡介,真空蒸發(fā)設(shè)備主要由三部分組成：,1.,真空系統(tǒng)：為蒸發(fā)過程提供真空環(huán)境,2.,蒸發(fā)系統(tǒng)：放置蒸發(fā)源的裝置，以及加熱和測,溫裝置,3.,基板及加熱系統(tǒng)：該系統(tǒng)是用來放置硅片或其,它襯底，對襯底加熱及測溫裝置,2.1,真空蒸發(fā)簡介,二、真空蒸發(fā)制備薄膜的三個基本過程,1.,加熱蒸發(fā)過程：對蒸發(fā)源加熱，使其溫度接近或達(dá)到蒸發(fā)材料的熔點，蒸發(fā)源材料由凝聚相轉(zhuǎn)變成氣相,2.,氣化原子或分子在蒸發(fā)源與基片之間的輸運過程。在這一過程中，原子或分子與真空室內(nèi)的殘余氣體分子碰撞,3.,被蒸發(fā)的原子或分子在襯底表面的沉積過程。原子或分子到達(dá)基片后凝結(jié)、成核、生長、成膜,三、真空蒸發(fā)制備薄膜的生長過程,一般都是多晶膜或無定形膜，薄膜以島狀生長為主，歷經(jīng)成核和成膜兩個過程。,射向基板及薄膜表面的原子、分子與表面相碰撞，其中一部分被反射，另一部分在表面上停留。停留于表面的原子、分子，在自身所帶能量及基板溫度所對應(yīng)的能量作用下，發(fā)生表面擴散及表面遷移，一部分再蒸發(fā)，脫離表面，一部分落入勢能谷底，被表面吸附，即發(fā)生凝結(jié)過程。,凝結(jié)伴隨著晶核形成與生長過程，島形成、合并與生長過程，最后形成連續(xù)的膜層。,1,、電阻式加熱蒸發(fā),蒸發(fā)材料在真空中被加熱時，其原子或分子就會從表面逸出，這種現(xiàn)象叫熱蒸發(fā)。,汽化熱：真空蒸發(fā)系統(tǒng)中的熱源將蒸發(fā)源材料加熱到足夠高的溫度，使其原子或分子獲得足夠高的能量，克服固相原子的束縛而蒸發(fā)到真空中，并形成具有一定動能的氣相原子或分子，這個能量就是汽化熱。,2.2,真空蒸發(fā)的種類,物質(zhì)的飽和蒸氣壓,：在一定溫度下，真空室內(nèi)蒸發(fā)物質(zhì)的蒸汽與固態(tài)或液態(tài)相平衡時所呈現(xiàn)的壓力。,物質(zhì)的飽和蒸氣壓隨溫度的上升而增大，一定的飽和蒸氣壓則對應(yīng)著一定的溫度。規(guī)定物質(zhì)在飽和蒸氣壓為,1.3Pa,時的溫度，稱為該物質(zhì)的蒸發(fā)溫度。,1、,電阻式加熱蒸發(fā),克勞修斯,-,克萊普朗方程：,物質(zhì)平衡蒸汽壓,P,隨溫度的變化率為：,V,為在蒸發(fā)過程中物質(zhì)所擁有的體積的變化，近似等于反應(yīng)室的體積。,1、,電阻式加熱蒸發(fā),lgP,與,1/T,基本滿足線性關(guān)系,利用物質(zhì)在一定溫度時的汽化熱,He,代替,H,，,得到近似表達(dá)式。,1、,電阻式加熱蒸發(fā),圖,2.1,元素的平衡蒸汽壓隨溫度的變化曲線,液相蒸發(fā),對大多數(shù)金屬，溫度達(dá)到熔點時，其平衡氣壓低于,10,-1,Pa,需將物質(zhì)加熱到熔點以上,固相升華,在熔點附近，固體的平衡蒸汽壓已相對較高，如,Cr,Ti,Mo,Fe,Si,等，可以直接利用由固態(tài)物質(zhì)的升華，實現(xiàn)物質(zhì)的氣相沉積,1、,電阻式加熱蒸發(fā),根據(jù)這些曲線可知：（,1,）達(dá)到正常鍍膜蒸發(fā)速率所需的溫度，即飽和蒸氣壓為,1Pa,時的溫度；（,2,）蒸發(fā)速率隨溫度變化的敏感性；（,3,）蒸發(fā)形式，若蒸發(fā)溫度高于熔點，則蒸發(fā)狀態(tài)是熔融的，否則是升華的。,1、,電阻式加熱蒸發(fā),在一定溫度下，每種液體或固體物質(zhì)都具有特定的平衡蒸汽壓。當(dāng)被蒸發(fā)物質(zhì)的分氣壓降低到了它的平衡蒸汽壓以下，才可能有物質(zhì)的凈蒸發(fā)。單位源物質(zhì)表面上物質(zhì)的凈蒸發(fā)速率為：,1、,電阻式加熱蒸發(fā),單位物質(zhì)表面的質(zhì)量蒸發(fā)速度由Langmuir表達(dá)式給出：,蒸發(fā)速率與很多因素有關(guān)，如溫度、蒸發(fā)面積、表面的清潔程度、加熱方式等，由于物質(zhì)的平衡蒸氣壓隨著溫度的上升增加很快，因此對物質(zhì)蒸發(fā)速率影響最大的因素是蒸發(fā)源的溫度。蒸發(fā)源,1,的溫度變化會引起蒸發(fā)速率有,19,的改變。,1、,電阻式加熱蒸發(fā),1、,電阻式加熱蒸發(fā),1、,電阻式加熱蒸發(fā),優(yōu)點,鍍膜機構(gòu)造簡單、造價便宜、使用可靠，可用于熔點不太高的材料的蒸發(fā)鍍膜，尤其適用于對膜層質(zhì)量要求不太高的大批量的生產(chǎn)中。,缺點,（,1,）蒸發(fā)面積小，蒸發(fā)不均勻；,（,2,）加熱所能達(dá)到的最高溫度有限（難蒸發(fā)電介質(zhì)材料,Al,2,O,3,，,Ta,2,O,5,，,TiO,2,等）；,（,3,）蒸發(fā)率低；,（,4,）加熱蒸發(fā)時合金和化合物會分解；,（,5,）加熱過程中易飛濺；,（,6,）來自電阻材料、坩堝和各種支撐部件的可能污染。,1、,電阻式加熱蒸發(fā),電子束加熱裝置及特點,將蒸發(fā)材料放入水冷的坩鍋中，直接利用電子束加熱，使蒸發(fā)材料氣化蒸發(fā)并凝結(jié)在襯底表面上形成薄膜。特別適合制作高熔點的薄膜材料和高純薄膜。,基于電子在電場作用下，獲得動能轟擊處于陽極的蒸發(fā)材料，使蒸發(fā)材料加熱氣化,2,、,電子束加熱,電子束蒸發(fā)裝置示意圖,優(yōu)點,（,1,）可以直接對蒸發(fā)材料加熱，減少了熱損耗，熱效率較高；,（,2,）電子束產(chǎn)生的能量密度大，可蒸發(fā)高熔點的材料，蒸發(fā)率高；,（,3,）裝蒸發(fā)材料的坩堝是冷的或用水冷卻的，可避免蒸發(fā)材料與坩堝發(fā),生反應(yīng)和容器材料的蒸發(fā)，薄膜純度高。,缺點,（,1,）結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴；,（,2,）真空室內(nèi)的殘余氣體分子和部分蒸發(fā)材料的蒸氣會被電子束電離，,對薄膜的結(jié)構(gòu)和物理性能產(chǎn)生影響。,2,、電子束加熱裝置及特點,2,、,電子束加熱,高頻感應(yīng)蒸發(fā)源是通過高頻感應(yīng)對裝有蒸發(fā)材料的坩鍋進(jìn)行加熱，使蒸發(fā)材料在高頻電磁場的感應(yīng)下產(chǎn)生強大的渦流損失和磁滯損失（對鐵磁體），致使蒸發(fā)材料升溫，直至汽化蒸發(fā)。,3,、高頻感應(yīng)加熱,優(yōu)點：,（,1,）蒸發(fā)速率大，因為可以采用較大的坩鍋，增加蒸發(fā)表面；,（,2,）蒸發(fā)源的溫度均勻、穩(wěn)定，不易產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象；,（,3,）溫度控制精度高，操作比較簡單；,（,4,）高頻感應(yīng)電流直接作用于蒸發(fā)材料，坩堝的溫度較低，對薄膜的污染很少。,缺點：,（,1,）不能對坩堝預(yù)除氣；,（,2,）不易對輸入功率進(jìn)行微調(diào)；,（,3,）加熱用的大功率高頻電源，價格昂貴，同時對高頻電磁場需要進(jìn)行屏蔽。,（,4,）線圈附近的壓強超過,10,-2,Pa,，高頻場就會使殘余氣體電離，功耗增大。,3,、高頻感應(yīng)加熱,利用激光作為熱源使待蒸發(fā)材料蒸發(fā)。,激光蒸發(fā)屬于在高真空條件下制備薄膜的技術(shù)。激光源放在真空室外邊，激光束通過真空室窗口打到待蒸發(fā)材料上使其蒸發(fā)，沉積在襯底上。,適合制備高純，難熔物質(zhì)薄膜,通過采用外部反射鏡導(dǎo)引激光光束，很容易實現(xiàn)同時或順序多源蒸發(fā)。,4,、,激光束蒸發(fā),激光蒸發(fā)示意圖,3,、激光加熱蒸發(fā),4,、,激光束蒸發(fā),4,、,激光束蒸發(fā),優(yōu)點：,（,1,）功率密度大，可蒸發(fā)高熔點材料；,（,2,）熱源在真空室外，簡化了真空室的結(jié)構(gòu)；,（,3,）非接觸加熱，對薄膜無污染，適宜于超高真空下制取純潔薄膜；,（,4,）較高蒸發(fā)速率；,缺點：,（,1,）費用高；,（,2,）對某些高反射薄膜的制備不具有優(yōu)越性；,4,、,激光束蒸發(fā),是指在蒸發(fā)沉積的同時，將一定比例的反應(yīng)性氣體（如氧、氮等）通入真空室內(nèi)，蒸發(fā)材料的原子在沉積過程中與反應(yīng)氣體結(jié)合而形成化合物薄膜。,制備高熔點金屬氧化物和氮化物薄膜常采用此方法。,5、,反應(yīng)蒸發(fā),反應(yīng)蒸發(fā)過程中，可能發(fā)生反應(yīng)的地方有：,1,）蒸發(fā)源表面；,2,）蒸發(fā)源到襯底的空間；,3,）襯底表面。,在蒸發(fā)源與襯底之間發(fā)生反應(yīng)的概率很小。蒸發(fā)源表面的反應(yīng)會降低蒸發(fā)速率，應(yīng)盡可能避免。反應(yīng)主要發(fā)生在襯底表面，反應(yīng)氣體分子或原子碰撞襯底，被襯底表面吸附并擴散結(jié)合到薄膜的晶格當(dāng)中。,5、,反應(yīng)蒸發(fā),以金屬氧化物膜的生長為例，襯底表面金屬氧化物的生成經(jīng)歷以下三過程：,1,）金屬原子和氧分子入射到襯底表面。,2,）入射到襯底上的金屬原子或氧分子一部分被吸附，另 一部分可能被反射或短暫停留后解吸，吸附能越小，或襯底溫度越高，解吸越快。,3,）吸附的金屬原子或氧分子產(chǎn)生表面遷移，通過氧的離解、化學(xué)吸附發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成氧化物。,5、,反應(yīng)蒸發(fā),在較低的反應(yīng)氣體壓強下，經(jīng)電弧蒸發(fā)可得到一些陶瓷薄膜。如在氮氣氛下，對金屬,Ti,和,Zr,（,鋯）起弧制的,TiN,和,ZrN,薄膜，在氧氣氛下，,Al,起弧制得氧化鋁薄膜。,6,、,電弧加熱蒸發(fā),利用電弧放電加熱,無污染,適合制備高純，難熔導(dǎo)電物質(zhì)薄膜,缺點：產(chǎn)生微米級的電極顆粒,原理：用欲蒸發(fā)的材料做電極，通過調(diào)節(jié)真空室內(nèi)電極間的距離來點燃電弧，而瞬間的高溫電弧將使電極端部產(chǎn)生蒸發(fā)從而實現(xiàn)薄膜的沉積,真空室,電極,襯底,6,、,電弧加熱蒸發(fā),作業(yè),2,、,描述幾種常用的熱蒸發(fā)的裝置和方法,