真空蒸发镀膜法专题培训课件
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成的薄膜在基板上的附着力较小；工艺重复性不够好等。
第二节 蒸发热力学
一. 饱和蒸汽压P与温度的关系 Clapeyron-Clausius方程：
dP H dT TV
ΔH：单位摩尔物质的热焓变化 ΔV：单位摩尔物质体积的变化
理想气体的物态方程：
P RT Va
则有
dP dT
PH RT2
（3）蒸发原子或分子在基片表面上的沉积过程，即蒸气凝聚、 成核、核生长、形成连续薄膜。由于基板温度远低于蒸发源 温度，因此沉积物分子在基板表面将发生直接从气相到固相 的相转变过程。
五.真空热蒸发镀膜法的特点
特点： 设备比较简单、操作容易； 制成的薄膜纯度高、质量好，厚度可较准确控制； 成膜速率快，效率高，用掩模可以获得清晰图形； 薄膜的生长机理比较简单； 这种方法的主要缺点是：不容易获得结晶结构的薄膜；所形
一. 点蒸发源
已知Rm(单位时间单位面积点蒸发源蒸发的分子的质量)
则时间t1内，蒸发总质量：
t1
Me RmdAdtRmt14r2 0 Ae
在dAs 基片上的蒸发物质的质量d M s ，由于dAs在球表面
的投影面积为dAc, dAc=dAscosθ, 所以有比例关系
发或升华，成为具有一定能量的气态粒子(原子， 分子，原子团，0.1 0.3 eV)； 2.气态粒子通过基本上无碰撞的直线运动方式传输到 基体； 3.粒子沉积在基体表面上并凝聚成薄膜； 4.组成薄膜的原子重新排列或化学键合发生变化。
影响真空镀膜质量和厚度的因素主要有蒸发源的温 度、蒸发源的形状、基片的位置、真空度等。
P gM a Rd M gT
避免环境中的残存气体对薄膜的污染: (1)使用高真空技术，提高沉积系统的真空度; (2)提高薄膜生长速率; (3)预蒸发活性金属薄膜。
第四节 蒸发源的发射特性------厚度分布
蒸发过程的假设： 1) 忽略蒸发原子与剩余气体和蒸发原子之间 的碰撞。 2) 蒸发源的发射特性不随时间而变化。 3) 入射到基片上的原子全部凝结成薄膜。
Re A dN dt e
PVPh
2mRT
dN：蒸发粒子数 A：蒸发表面积 Ph：蒸发物分子对蒸发表面造成的静压强 e：蒸发系数（0~1）
蒸发速率公式
P h ~ 0 , 0 e 1 ,可 设 e 1 则
Re
Pv 2.641024Pv(Pa)
2mRT
MT
分 子 /(厘 米2秒 )
P
设N0个气体分子飞行d距离，被碰撞的气体 分子数N
NN01exp(d)
被碰撞的粒子百分数
f N 1exp(d)
N0
0.667(cm)
P
为保证薄膜的沉积质量，要求f≤0.1，若源-基片距离 25cm, 则P≤3X10-3Pa
关系曲线
薄膜的纯度 Ci
Ci 定义：在1cm2表面上每秒钟剩余气体分子碰撞的数目与蒸 发淀积粒子数目之比。
二. 真空蒸发镀膜原理
图2.1为真空蒸发镀膜原理示意图。 主要部分有： 真空室，为蒸发过程提供必要的真空环境； 蒸发源或蒸发加热器，放置蒸发材料并对其
进行加热； 基板（基片），用于接收蒸发物质并在其表
面形成固态蒸发薄膜； 基板加热器及测温器等。
三．真空蒸发的物理过程： 1.采用各种形式的热能转换方式，使镀膜材料粒子蒸
每秒钟蒸发淀积在1cm2基片表面的粒子对应的膜厚增加，成
为淀积速率Rd。
为 薄 膜 分 子 的 密 度
R沉积
NARd Ma
M a 为 薄 膜 分 子 的 摩 尔 质 量
R碰 撞
Pg
2mkT
Pg
2Mg
RT
NAPg
2MgRT
NA NA
则C i R R 碰 沉 撞 积 =5.83102
说明:
1) 平衡蒸汽压为1 Pa时的温度即蒸发所需的 温度;
2) 温度变化10%，平衡蒸汽压变化大约一个 数量级，对温度很敏感；
3) 蒸发温度高于熔点，液体 ~ 蒸汽 蒸发温度低于熔点，固体 ~ 蒸汽，升华
二. 蒸发速率
Z1nv n：分子密度；
Ph
4
PV
v：气体分子的算术平均速率
v
8 RT m
ΔH≈物质在某温度的汽化热ΔHe或蒸发热
lnPHe I RT
I：积分常l数 n P A B T
只在一定温度范围内成立，实际上I与温度相关
A l:ln P 1 5 9 9 3 1 4 .5 3 3 0 .9 9 9 lg T 3 .5 2 1 0 6 T T
ln P A B T
式中，P是残余气体压强，d是分子直径，n为残余气体分 子密度。例如，在一个大气压下，蒸发分子的平均自由程 约为50cm，这与普通真空镀膜室的尺寸不相上下。因此， 可以说在高真空条件下大部分的蒸发分子几乎不发生碰撞 而直接到达基板表面。
21nd2
KT
2Pd 2
在室温下，空气
0.667(cm)
真空室内存在着两种粒子，一种是蒸发物质 的原子或分子，另一种是残余气体分子。
真空蒸发实际上都是在具有一定压强的残余 气体中进行的。显然，这些残余气体分子会 对薄膜的形成过程乃至薄膜的性质产生影响。
二．蒸发物质的碰撞几率和纯度
粒子在两次碰撞之间所飞行的平均距离称为蒸发分子的平 均自由程。
四. 三个基本过程：
（1）加热蒸发过程，包括由凝聚相转变为气相（固相或液相 →气相）的相变过程。每种蒸发物质在不同温度时有不同的 饱和蒸气压，蒸发化合物时，其组合之间发生反应，其中有 些组成以气态或蒸气进入蒸发空间。
（2）气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运，即这些粒 子在环境气氛中的飞行过程。飞行过程中与真空室内残余气 体分子发生碰撞的次数，取决于蒸发原子的平均自由程以及 从蒸发源到基片之间的距离，常称源-基距。
3.511022Pv(Torr)分 子/(厘 米2秒 ) MT
Baidu Nhomakorabea
RmmRePV
2m RT4.37104PV(Pa)
M克 /(厘 米 2秒 ) T
5.84102PV(Torr)
M克 /(厘 米 2秒 ) T
朗谬尔(Langmuir)蒸发公式
第三节 蒸发动力学
一．蒸发物质的平均自由程与碰撞几率
第二节 蒸发热力学
一. 饱和蒸汽压P与温度的关系 Clapeyron-Clausius方程：
dP H dT TV
ΔH：单位摩尔物质的热焓变化 ΔV：单位摩尔物质体积的变化
理想气体的物态方程：
P RT Va
则有
dP dT
PH RT2
（3）蒸发原子或分子在基片表面上的沉积过程，即蒸气凝聚、 成核、核生长、形成连续薄膜。由于基板温度远低于蒸发源 温度，因此沉积物分子在基板表面将发生直接从气相到固相 的相转变过程。
五.真空热蒸发镀膜法的特点
特点： 设备比较简单、操作容易； 制成的薄膜纯度高、质量好，厚度可较准确控制； 成膜速率快，效率高，用掩模可以获得清晰图形； 薄膜的生长机理比较简单； 这种方法的主要缺点是：不容易获得结晶结构的薄膜；所形
一. 点蒸发源
已知Rm(单位时间单位面积点蒸发源蒸发的分子的质量)
则时间t1内，蒸发总质量：
t1
Me RmdAdtRmt14r2 0 Ae
在dAs 基片上的蒸发物质的质量d M s ，由于dAs在球表面
的投影面积为dAc, dAc=dAscosθ, 所以有比例关系
发或升华，成为具有一定能量的气态粒子(原子， 分子，原子团，0.1 0.3 eV)； 2.气态粒子通过基本上无碰撞的直线运动方式传输到 基体； 3.粒子沉积在基体表面上并凝聚成薄膜； 4.组成薄膜的原子重新排列或化学键合发生变化。
影响真空镀膜质量和厚度的因素主要有蒸发源的温 度、蒸发源的形状、基片的位置、真空度等。
P gM a Rd M gT
避免环境中的残存气体对薄膜的污染: (1)使用高真空技术，提高沉积系统的真空度; (2)提高薄膜生长速率; (3)预蒸发活性金属薄膜。
第四节 蒸发源的发射特性------厚度分布
蒸发过程的假设： 1) 忽略蒸发原子与剩余气体和蒸发原子之间 的碰撞。 2) 蒸发源的发射特性不随时间而变化。 3) 入射到基片上的原子全部凝结成薄膜。
Re A dN dt e
PVPh
2mRT
dN：蒸发粒子数 A：蒸发表面积 Ph：蒸发物分子对蒸发表面造成的静压强 e：蒸发系数（0~1）
蒸发速率公式
P h ~ 0 , 0 e 1 ,可 设 e 1 则
Re
Pv 2.641024Pv(Pa)
2mRT
MT
分 子 /(厘 米2秒 )
P
设N0个气体分子飞行d距离，被碰撞的气体 分子数N
NN01exp(d)
被碰撞的粒子百分数
f N 1exp(d)
N0
0.667(cm)
P
为保证薄膜的沉积质量，要求f≤0.1，若源-基片距离 25cm, 则P≤3X10-3Pa
关系曲线
薄膜的纯度 Ci
Ci 定义：在1cm2表面上每秒钟剩余气体分子碰撞的数目与蒸 发淀积粒子数目之比。
二. 真空蒸发镀膜原理
图2.1为真空蒸发镀膜原理示意图。 主要部分有： 真空室，为蒸发过程提供必要的真空环境； 蒸发源或蒸发加热器，放置蒸发材料并对其
进行加热； 基板（基片），用于接收蒸发物质并在其表
面形成固态蒸发薄膜； 基板加热器及测温器等。
三．真空蒸发的物理过程： 1.采用各种形式的热能转换方式，使镀膜材料粒子蒸
每秒钟蒸发淀积在1cm2基片表面的粒子对应的膜厚增加，成
为淀积速率Rd。
为 薄 膜 分 子 的 密 度
R沉积
NARd Ma
M a 为 薄 膜 分 子 的 摩 尔 质 量
R碰 撞
Pg
2mkT
Pg
2Mg
RT
NAPg
2MgRT
NA NA
则C i R R 碰 沉 撞 积 =5.83102
说明:
1) 平衡蒸汽压为1 Pa时的温度即蒸发所需的 温度;
2) 温度变化10%，平衡蒸汽压变化大约一个 数量级，对温度很敏感；
3) 蒸发温度高于熔点，液体 ~ 蒸汽 蒸发温度低于熔点，固体 ~ 蒸汽，升华
二. 蒸发速率
Z1nv n：分子密度；
Ph
4
PV
v：气体分子的算术平均速率
v
8 RT m
ΔH≈物质在某温度的汽化热ΔHe或蒸发热
lnPHe I RT
I：积分常l数 n P A B T
只在一定温度范围内成立，实际上I与温度相关
A l:ln P 1 5 9 9 3 1 4 .5 3 3 0 .9 9 9 lg T 3 .5 2 1 0 6 T T
ln P A B T
式中，P是残余气体压强，d是分子直径，n为残余气体分 子密度。例如，在一个大气压下，蒸发分子的平均自由程 约为50cm，这与普通真空镀膜室的尺寸不相上下。因此， 可以说在高真空条件下大部分的蒸发分子几乎不发生碰撞 而直接到达基板表面。
21nd2
KT
2Pd 2
在室温下，空气
0.667(cm)
真空室内存在着两种粒子，一种是蒸发物质 的原子或分子，另一种是残余气体分子。
真空蒸发实际上都是在具有一定压强的残余 气体中进行的。显然，这些残余气体分子会 对薄膜的形成过程乃至薄膜的性质产生影响。
二．蒸发物质的碰撞几率和纯度
粒子在两次碰撞之间所飞行的平均距离称为蒸发分子的平 均自由程。
四. 三个基本过程：
（1）加热蒸发过程，包括由凝聚相转变为气相（固相或液相 →气相）的相变过程。每种蒸发物质在不同温度时有不同的 饱和蒸气压，蒸发化合物时，其组合之间发生反应，其中有 些组成以气态或蒸气进入蒸发空间。
（2）气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运，即这些粒 子在环境气氛中的飞行过程。飞行过程中与真空室内残余气 体分子发生碰撞的次数，取决于蒸发原子的平均自由程以及 从蒸发源到基片之间的距离，常称源-基距。
3.511022Pv(Torr)分 子/(厘 米2秒 ) MT
Baidu Nhomakorabea
RmmRePV
2m RT4.37104PV(Pa)
M克 /(厘 米 2秒 ) T
5.84102PV(Torr)
M克 /(厘 米 2秒 ) T
朗谬尔(Langmuir)蒸发公式
第三节 蒸发动力学
一．蒸发物质的平均自由程与碰撞几率