2019年真空蒸发镀膜.ppt

薄膜制备技术3.4外延制膜技术3.3化学沉积镀膜3.2阴极溅射镀膜3.1真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜薄膜生长方法是获得薄膜的关键。薄膜材料的质量和性能不仅依赖于薄膜材料的化学组成，而且与薄膜材料的制备技术具有一定的关系。真空蒸发镀膜物理气相沉积(PhysicalVaporDeposition，PVD)利用某种物理过程，如物质的热蒸发或在受到粒子轰击时物质表面原子的溅射等现象，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移的过程。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；b)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。物理气相沉积真空蒸发镀膜要点：●真空蒸发原理●蒸发源的蒸发特性及膜厚分布●蒸发源的类型●合金及化合物的蒸发真空蒸发镀膜法(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，入射到基片表面，凝结形成固态薄膜的方法。真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜加热丝加热舟坩埚盒状源（KnudsenCell）常用蒸发源真空蒸发镀膜一、真空蒸发镀膜法(1)优点：成膜速度快：0.1~50μm/min，设备比较简单，操作容易；制得薄膜纯度高；用掩模可以获得清晰的图形；薄膜生长机理较单纯。(2)缺点：薄膜附着力较小；结晶不够完善；工艺重复性不够好；膜厚不易控制；薄膜质量不是很好。真空蒸发镀膜基本过程：（1）加热蒸发过程，凝聚相→气相该阶段的主要作用因素：饱和蒸气压（2）输运过程，气化原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—基距（3）基片表面的淀积过程，气相→固相凝聚→成核→核生长→连续薄膜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2400C才能达到沸腾而大量蒸发，但在1.3mPa压强下，只要加热到847C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。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(1051.322/122个分子TMpzx蒸镀材料受热蒸发的速率由下式给出：)sg/cm()(1083.522/12TMpGxz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，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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(652.0p在p=1.310-1Pa时，=5cm；p=1.310-4Pa时，5000cm。在压力p=1.310-4Pa时，虽然在每cm3空间中还有3.21010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(101lzz即迁移途中发生碰撞的分子数)]exp(1[01lzz碰撞分子数与蒸发源到基片距离的关系由上式可以算出：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。真空蒸发镀膜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00.20.40.60.81.01.21.480706050403020100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，才能在迁移过程中避免发生碰撞现象。真空蒸发镀膜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1.310-4Pa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：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1.310-4Pa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；或与热源(如钨丝)作用，生成氢和一种氧化物。真空蒸发镀膜(1)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。把真空度提高到1.310-4Pa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。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真空蒸发镀膜Z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，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=1。所以在蒸发镀膜之前，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(105.322/122个分子TMpzzxm淀积过程真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜气体与蒸气真空蒸发镀膜对于每一种气体都有一个特定的温度，高于此温度时，气体不能通过等温压缩而液化，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称为蒸气。注意：蒸气不是理想气体！只有在很低气压下，近似符合理想气体方程。气体与蒸气真空蒸发镀膜临界温度不是沸点！真空蒸发镀膜在一定温度下，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。饱和蒸气压(Saturationvaporpressure)：注意：取决于液体(或固体)本性和温度，与液体(或固体)存在的量无关。饱和蒸气压一定温度下，蒸发(或升华)出来的蒸气分子的量标志着物质的蒸发(或升华)能力真空蒸发镀膜饱和蒸气压：克拉伯龙——克劳修斯方程：Pv：饱和蒸气压；ΔvapHm：温度T时纯液体的摩尔气化热；ln2RTHdTPdmvapv假定ΔvapHm与温度无关，或因温度范围较小，ΔvapHm可以近似作为常数，积分上式，得：TBAPCTRHPvmvapvlgln11、应用范围：蒸气压小于1Torr；2、A、B由实验确定3、合理地选择蒸发材料及确定蒸发条件。第二节薄膜物理气相沉积饱和蒸气压：TBAPvlg真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜饱和蒸气压为10-2Torr时的温度。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2）升华：蒸发温度小于熔点Cr、Ti、Mo、Fe等蒸发温度真空蒸发镀膜蒸发速率TMPPkTmJmGvv4max1073.42质量最大蒸发速率：Pascmkg,/2真空蒸发镀膜蒸发速率在实际蒸发过程中，影响蒸发速度的因素饱和蒸气压温度蒸发物质的分子量表面清洁度蒸发源的形状等真空蒸发镀膜蒸发速率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%TBAPvlg将公式：代入HKL公式中，并进行微分，可得到：TdTTBGdG)21(1、如需精确控制蒸发速率，就必须精确控制源温。2、在加热过程中应当注意避免过大的温度梯度。真空蒸发镀膜1、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：mkTPnVNag24125℃时，10-5Torr时，Ng大约为1015~1016个/cm2·s，此时蒸发原子与杂质原子几乎按1：1到达基板本底真空度的选择1.残留气体的污染。2.蒸发源物质的纯度；3.加热装置、坩埚的污染；真空蒸发镀膜大气的残余物（O2、N2、CO2、H2O），扩散泵油蒸气，真空室吸气对真空蒸发镀膜质量有重要影响。在设计优良的系统中，真空泵的回流扩散作用不明显。当P≤10-4Pa时，主要为被解吸的真空室吸气。水汽影响很大，易与金属膜反应，或与W，Mo等加热器材料反应，生成氧化物和氢。残留气体的影响真空蒸发镀膜2、从碰撞几率的角度：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：N0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：xxeNN0则被碰撞的分子的百分数：xxeNNf110真空蒸发镀膜Example:若要求f≤0.1,源基距为25cm则P≤3×10-3Paxef1要有效减少蒸发分子在渡越中的碰撞现象，应当使λ＞＞源基距真空蒸发镀膜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A、蒸发源的特性；B、基板与蒸发源的几何形状，相对位置；C、蒸发物质的蒸发量。真空蒸发镀膜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；2）蒸发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。真空蒸发镀膜一、点蒸发源蒸发源的蒸发特性及膜厚分布特点：向各个方向等量蒸发真空蒸发镀膜二、小平面蒸发源蒸发源的蒸发特性及膜厚分布特点：发射特性具有方向性在θ角方向蒸发的材料质量与cosθ成正比真空蒸发镀膜蒸发源的蒸发特性及膜厚分布点源与小平面蒸发源相比，厚度的均匀性要好一些􀁺但淀积速率要低得多，单位质量的原料所得膜厚1/4232011][hxtt204hmt20hmt22011][hxtt真空蒸发镀膜三、克努曾蒸发源蒸发源的蒸发特性及膜厚分布λ2r,λl，分子流真空蒸发镀膜四、细长平面蒸发源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真空蒸发镀膜五、环状蒸发源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􀁺2）小平面蒸发源：蒸发舟􀁺3）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􀁺5）可视为大面积（平面或柱面）蒸发源：磁控靶源。真空蒸发镀膜蒸发源与基板的相对位置配置1.点源蒸发源放在球心，基板放在球面上，可得到均匀薄膜。2cos4rmhtθ=