电子科大薄膜物理(赵晓辉)第二章 蒸发

1、第二章 Evaporation/蒸发,主要内容,真空蒸发原理 薄膜膜厚分布及纯度 蒸发装置,2,PVD的特点,利用物理过程，实现物质从源到薄膜的转移。,特点： 固态或熔融态作源物质 经过物理过程转移 较高真空度 没有化学反应,3,4,Evaporation,电子束 蒸发系统,*,5,2-1 Principle of Evaporation,（1） 特点：成膜速度快0.150mm/min，设备比较简单，容易操作；制得薄膜纯度高；薄膜生长机理较简单 （2）缺点：薄膜附着力较小，结晶不够完善，工艺重复性不够好 （3）结构主要有：真空室；蒸发源；基板；基板加热器及温度计,一：真空蒸发的特点,6,二、过

2、程概述,1. 加热Atoms to gas state 加热原料 Pvapor 10-4 torr 有的原料是固态升华，有的是液态蒸发 化合物可能分解 可能导致薄膜成分变化 SiO2 - SiO2-x 合金蒸发时薄膜成分会变化 不同组分的蒸发速率不一样 可改变原料成分进行调整 但合金成分会随时间变化,7,2. 输运Transport to substrate 直线沉积 避免气体分子的碰撞 较长的平均自由程 良好的真空 let h = source to substrate distance （靶基距） for h of 10 - 100 cm, want P lower P 残余气体无法避免!

3、,8,3. 沉积Deposition onto substrate Gas Atoms to Solid 吸附 凝结 成核 生长 形成薄膜 首先考虑薄膜的厚度和纯度！然后考虑结构和性能。,9,三、饱和蒸汽压Pvap,定义：在一定温度下，汽、固或汽、液两相 平衡时，气体的压力称为该物质的饱 和蒸汽压。 显然是温度的函数： PvapF(T) 蒸发温度：饱和蒸汽压为10-2 Torr时的温度。,10,水蒸汽压力随温度的变化,11,饱和蒸气压的理论推导,克拉伯龙-克劳修斯方程： Pvap：饱和蒸气压；Hvap：蒸发热或摩尔气化热。 Vg、Vs/l：气相和固相、液相的摩尔体积 显然：VgVs，并且低气压

4、下蒸气分子符合理想气体状态方程,Comes from phase equivalent, dG1=dG2, dG=-SdT+VdP, dP/dT=DS/DV, DS=DH/T,12,Hv：视为常数，积分得,（2-4）,（2-5）,13,得到： lnPv与1/T近似为直线！ PvT的近似关系式，应用范围：蒸气压小于1Torr。 由此可以合理地选择蒸发材料及确定蒸发条件。,14,15,四、蒸发速率 Evaporation rate,相平衡时，气液与液气分子数相等 但并非所有气相分子入射到液面时凝结 ae：蒸发系数,16,动力学理论描述蒸发速率 where Pvap = vapor pressure

5、 (Torr) M = molecular weight cm2 = area of source,Molecules/cm2 sec,17,可以转化为质量流量（mass flux） at Pvap = 10-2 torr, mass flux = 10-4 grams/cm2 sec,g/cm2 sec,18,由于lnPv与1/T的近似正比关系，所以当T有微小变动时，蒸发速率会有剧烈的变化！,对于金属，温度变化1%，蒸发速率变化可达20%,必须精确控制蒸发温度！,19,五、蒸发分子的平均自由程与碰撞频率,1）Collision Probability 碰撞频率 在低真空蒸镀时，气体分子入射到

6、基片上，单位时间、单位面积入射的气体分子数。 则在25时，一般残余气体的Ng大约为1015个/cm2S（10-5 Torr），薄膜的沉积速率一般为几个埃/秒.,20,残余气体与蒸发物分子按比例1：1到达基板表面。所以要求蒸镀的真空度为10-6Torr 2）Mean free path 则残余气体压强为10-2帕时，=50cm。 与真空室尺寸一致，蒸发分子在输送过程中几乎不发生碰撞,21,大气的残余物（O2、N2、CO2、H2O），扩散泵油蒸气，真空室吸气，当P10-4Pa时，主要为真空室吸气。 水汽易与金属膜反应，或与W，Mo等加热器材料反应。 在设计优良的系统中 ，扩散油蒸气不明显。,六、残

7、余气体的组成及其影响,22,残余气体,蒸发源,薄膜纯度,薄膜杂质浓度,23,一般情况下蒸发比溅射获得的薄膜纯度更高：,近来磁控溅射得到了极大的改善，溅射和蒸发铝时已经可以获得相似的结果。,24,蒸发粒子,粒子具有和蒸发温度相近似的能量 1000oC is about 0.2 eV 蒸发物质的分布取决于源的形状,25,影响膜厚分布的因素： 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。 假设： 1）蒸发原子或分子与残余气体分子之间不发生碰撞； 2）在蒸发源附近的蒸发原子间也不发生碰撞； 3）蒸发原子到达基板上后不发生再蒸发现象。,2-2 Evaporation

8、Character & Thickness distribution,26,一、点蒸发源,27,向各个方向等量发射,28,设薄膜密度为r，单位时间在dS2上的淀积厚度为t。 则dms= r dS2 .t 在=0处，膜厚最大,29,点蒸发源沉积薄膜厚度分布,30,二、小平面蒸发源,31,从动力学理论和实验得到,More realistically： cosn evaporation law,n与蒸发舟的形状和熔融物深度和表面积比值有关。 - 当n比较大时，蒸发流具有高度的方向性。,32,蒸发发射物质服从余弦定律,33,对于小平面源，有,34,不同沉积方法的羽辉形状,35,特性： 在角方向蒸发的材

9、料质量与cos成正比（余弦分布定律） 点源与小平面蒸发源相比，厚度的均匀性要好一些 但沉积速率要低得多,36,课堂练习,请估计采用点蒸发源蒸发1g金，在离蒸发源10cm的基片中心金膜的厚度和离基片中心2.5cm处的厚度。 如果采用小平面源呢？,37,如何获得更好的均匀性,缩小样品尺寸 (l) 增加靶基距 (h) 更大的腔体 更高的真空度 更多的浪费 采用多个源 沉积过程中移动衬底,38,实现厚度均匀性的小诀窍- 源与衬底的表面位于球面上,39,三、细长平面蒸发源,相当于热丝，由许多小平面蒸发源构成蒸发源ds上的蒸发物质量为dm s可视为小平面蒸发源，则基板小元面积d上的膜厚为,40,四、环状平

10、面蒸发源,蒸发特性 dm相当于小平面源,41,实际蒸发源的发射特点,1）点源：电子束蒸发源、电弧蒸发源 2）小平面蒸发源：蒸发舟，克努曾槽（2r） 3）柱状蒸发源：螺旋丝状蒸发源坩埚可视为高度定向源 4）磁控靶源：可视为大面积（平面或柱面）蒸发源。,42,蒸发源与基板的相对位置配置,点源与基板相对位置的配置 小平面源与基板的相对位置配置 小面积基板时蒸发源的位置配置 大面积基板和蒸发源的配置,43,阴影效应 导致器件失效的主要原因,44,阴影效应的计算机模拟,45,Evaporation of Material to Deposit MEMS Thin Films,What is the li

11、mitation to evaporation?,46,离子束可以控制蒸镀薄膜的性质,47,2-3 蒸发方法,最常用的加热方式： 电阻法 电子束 高频感应,48,电阻蒸发,蒸发源材料的要求-W, Mo 1）熔点要高； 2）饱和蒸气压低，减少蒸发源材料蒸气的污染； 3）化学性质稳定； 4）耐热性好，热源变化时，功率密度变化较小； 5）经济耐用。,49,镀料与蒸发源的浸润性 镀料熔化后，沿蒸发源上扩展的倾向 浸润面蒸发源，蒸发状态稳定。反之，不浸润点蒸发源，若用丝式蒸发源时镀料易脱落。,50,蒸发源的性质,各种电阻蒸发源的形状 1）丝式 2）蒸发舟 3）坩埚,51,52,53,电阻蒸发的缺点 不能

12、蒸发某些难熔金属； 也不能制备高纯度薄膜。,电子束蒸发,定义：将镀料放入水冷铜坩埚中，利用高能电子束轰击镀料，使其受热蒸发。,54,A）环形枪 环状阴极发射电子，结构简单，功率、效率都不高，多用于实验工作。 B）直枪 轴对称的直线加速电子枪，阴极发射电子，阳极加速，缺点是体积大，成本高，蒸镀材料会污染枪体，灯丝逸出的Na+离子污染膜层。,55,蒸发枪结构,C）e型枪 1）电子束偏转270度，避免了正离子对膜的影响。 2）吸收极使二次电子对基板的轰击减少。 3）防止极间放电，又避免了灯丝污染。 4）可通过调节磁场改变电子束的轰击位置。,56,57,电子束蒸发,58,电子束蒸发,电子束加热熔融坩埚

13、中的金属，产生金属蒸汽等离子体； 蒸汽中的离子在低压下反应生成涂层； 施加正偏压时，电子束可以用来加热基板； 加负偏压时，电子束可以使氩气电离，增强对基板的溅射刻蚀；,59,电子束蒸发特点,优点：基板性能得到提高；涂层致密无缺陷；涂层光亮，富有艺术性。 缺点：由于原材料熔融蒸发，因此源的位置只能在系统的底部。,60,电子束蒸发特点,为提高涂层的覆盖和厚度均匀性，设置较为复杂； 由于金属蒸汽的低电离度，需要额外工艺改善附着力； 涂层厚度和沉积时间受坩埚体积限制； 涂层易受熔融材料的飞溅，影响表面特性；,61,高频感应蒸发,原理：将镀料放在坩埚中，坩埚放在高频螺旋线圈的中央，使镀料在高频电磁场的感

14、应下产生涡流损失和磁滞损失（对铁磁体）而升温蒸发。,62,63,特点： 1）蒸发速率大，可比电阻蒸发源大10倍左右。 2）蒸发源的温度均匀稳定，不易产生飞溅现象。 3）镀料是金属时可自身产生热量，坩锅可选用与蒸发材料反应最小的材料。 缺点： 1）蒸发装置必须屏蔽，否则会对广播通讯产生影响。 2）线圈附近压强超过10-2Pa时，高频电场会使残余气体电离。 3）高频发生器昂贵。,64,瞬时蒸发法,又称“闪蒸法”，将细小的合金颗粒，逐次送到非常炽热的蒸发器中，使颗粒在瞬间完全蒸发。常用于合金中元素的蒸发速率相差很大的场合。 关键是选取粉末料的粒度，蒸发温度和进料的速率。钨丝锥形筐是作蒸发源的最好结构

15、，若用蒸发舟或坩埚，未蒸发的粉末会残余下来成为普通蒸发。,65,有些化合物饱和蒸气压低，难于用电阻蒸发法。 原因： A）化合物的熔点较高，电阻加热温度不够。 B）许多化合物在高温下会分解，如Al2O3，TiO2等会失氧。 原理：将活性气体导入真空室，使之与被蒸发的金属原子，低价化合物分子在基板表面反应，形成所需化合物薄膜。 适用：高熔点化合物薄膜，易分解的化合物薄膜，如过渡金属与易解吸的O2，N2组成的化合物。,反应蒸发法,66,双源或多源蒸发法,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率，以控制薄膜的组成。 为了使膜厚均匀，通常需要旋转。,实质上是双源蒸发法，

16、分别控制两个蒸发源的温度及基板温度。,三温度法,67,A）外延：是在适当的单晶基片上，沿基板晶轴的方向生长一层单晶薄膜的方法。 要求晶格匹配，对称性一致。 过去一般认为m7%时，可获得超晶格。但最近发现当薄膜非常薄时，晶格富于弹性，也可获得超晶格m=15%。应变超晶格。 同质外延，异质外延,分子束外延（MBE）,68,B）分子束外延的定义： 在超高真空下（10-910-11Torr），将薄膜诸组分元素的分子束流，直接喷到衬底表面，从而在其上形成外延薄膜。,69,C）分子束外延的特点 1）能够严格控制生长过程和生长速率 2）是超高真空的物理沉积过程，不需考虑输送过程及中间的反应，可用快门对生长和

17、中断进行瞬时控制 3）MBE是个动力学过程，可生长在普通热平衡下难以生长的薄膜 4）MBE衬底温度低，降低了热膨胀引入晶格失配和衬底材料对外延层的自掺杂扩散影响 5）生长速率低，1个原子层/1秒，有利于精确控制膜厚，结构，成分，特别适用于生长超晶格材料 6）装有多种表面分析仪器，有利于科学研究,70,1电弧蒸发法 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，使接触部分达到高温的蒸发 特点：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，又比电子束蒸发便宜。 不足：适用于导电材料，蒸发速率难以控制，放电时飞溅的电极材料微粒会对膜层有影响。,其他蒸发方法,71,2热壁法 1）蒸

18、发在石英管中进行，通常石英管温度比基片高，使蒸发原子、分子通过石英管被导向基板，生成薄膜。 2）是个热平衡过程，可制备外延薄膜，但可控性、重复性差。,72,3激光蒸发法 利用高能激光作为热源来蒸镀薄膜的方法。 激光有：CO2，红宝石，钕玻璃，Ar激光器。 优点： 1）加热温度高，可蒸发任何材料，蒸发速率也极高。 2）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薄膜。 3）可使用脉冲激光器进行闪烁蒸发，有利于控制化学成分和防止分解；气化时间短，不易出现分馏现象。 缺点： 1）激光器昂贵，特别是大功率连续激光器； 2）蒸发温度太高，蒸发粒子易离化，对薄膜性能有影响。 3）膜厚控制难，且容易引起蒸发材料过热分解和喷溅。,73,金属：作为原子（或原子团簇）蒸发 化合物：绝大多数无机化合物以分子形式蒸发 薄膜的化学成分与源材料存在一定的差异,2-4 Evaporation of alloy and compounds,74,合金蒸发