真空蒸发镀膜法
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2.真空蒸发镀膜的三种基本过程： (1)热蒸发过程
是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相同的饱和 蒸气压；蒸发化合物时，其组分之间发生反应，其中 有些组分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。
薄膜； (4) 基板加热器及测温器等。 1. 真空蒸发镀膜法的优缺点：
优点：是设备比较简单、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，用掩膜可以获得清晰图形；薄膜的生长 机理比较单纯。
缺点：不容易获得结晶结构的薄膜，所形成薄膜在 基 板上的附着力较小，工艺重复性不够好等。
真空蒸发镀膜时保证真空条件的必要性： 上述过程都必须在空气非常稀薄的真空环境中进行， 否则将发生以下情况： 1.蒸发物原子或分子将与大量空气分子碰撞，使膜层 受到严重污染，甚至形成氧化物； 2. 蒸发源被加热氧化烧毁； 3.由于空气分子的碰撞阻挡，难以形成均匀连续的薄 膜。
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二、饱和蒸气压和蒸汽压方程
实验确定。且有Hv=19.12B(J/mol)关系存在。
式（2-5）即为蒸发材料的饱和蒸气压与温度之间
的近似关系式。
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表2-1 和图 2-2 分别给出了常用金属的饱和蒸气压
与温度之间的关系，从图2-2的lgPv～1/T近似直线图
看出，饱和蒸气压随温度升高而迅速增加，并且到达 正常蒸发速率所需温度，即饱和蒸气压约为1Pa时的 温度（已经规定物质在饱和蒸气压为10-2托时的温度， 称为该物质的蒸发温度）。
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由于气化热 Hv 通常随温度只有微小的变化，故可
近似地把Hv看作常数，于是式（2-3）求积分得
ln Pv = C- Hv / RT
（2-4）
式中C为积分常数。式（2-4）常采用对数表示为
lgPv = A - B/ T
（2-5）
式中，A、B为常数，A=C/2.3，B=Hv/2.3R，A、B值 可由实验确定。而且在实际上Pv与 T 之间的关系多由
因此，在真空条件下蒸发物质要比常压下容易的 多，所需蒸发温度也大大降低，蒸发过程也将大大缩 短，蒸发速率显著提高 。
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三、蒸发速率
根据气体分子运动论，在处于热平衡状态时，压强为P的气体， 单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数
J 1/ 4nva P /
2 mkT (2-6)
因为Vg》Vs，并假设在低气压下蒸气分子符合理想气
体状态方程，则有
Βιβλιοθήκη Baidu
Vg -Vs≈Vg ，Vg = RT/Pv
(2-2)
式中，R是气体常数，其值为8.31×107J/K·mol。
故方程式（2-1）可写成
dPv /P v = Hv·dT/RT2
（2-3）
亦可写成
d(lnPv)/d(1/T)= - Hv / R
5.83102 M / T • Pv (g / cm2 • s,Torr) 4.37 103 M / T • Pv (kg / m2 • s, Pa)
v 式中，n是分子密度，
尔兹曼常数。
a是算术平均速度，m是分子质量，k为玻
如果考虑在实际蒸发过程中，并非所有蒸发分子全部发生凝结， 上式可改写为
J Pv / 2 mkT (2-7)
式中， 为冷凝系数，一般 ≤1， P为v 饱和蒸气压。
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设蒸发材料表面液相、气相处于动态平衡，到达液 相表面的分子全部粘接而不脱离，与从液相到气相的 分子数相等，则蒸发速率可表示为
2．蒸汽压方程 饱和蒸气压Pv与温度T之间的数学表达式称为
蒸汽压方程。可从克拉伯龙-克劳修斯（ClapeylonCalusius）方程式推导出来
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dPv /dT = Hv / T(Vg-Vs) （2-1）
式中，Hv为摩尔气化热或蒸发热（J/mol）；Vg和Vs分
别为气相和固相或液相的摩尔体积（cm3）；T为绝对 温度（K）。
§2-1 真空蒸发原理 §2-2 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
§2-3 蒸发源的类型 § 2-4 合金及化合物的蒸发 §2-5 膜厚和淀积速率的测量与监控
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真空蒸发镀膜法（简称真空蒸镀） 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 到固体（称为衬底或基片）表面，凝结形成固态薄膜 的方法。
Je dN /(A• dt) e (Pv Ph ) / 2 m(k2-T8)
式中，dN为蒸发分子（原子）数， e 为蒸发系数，A为
蒸与速发液率表体：面 静积 压， （tP为a）时。间当（秒e=）1P和v 和PPhh=分0别时为，饱得和最蒸大气蒸压发
Jm dN /(Adt) Pv / 2 mkT (cm2 • s1)
1．饱和蒸汽压 一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸气与固体或液
体平衡过程中所表现的压力称为该物质的饱和蒸气压。
物质的饱和蒸气压随温度的上升而增大，在一定温 度下，各种物质的饱和蒸气压不相同，且具有恒定的 数值。即一定的饱和蒸气压必定对应一定的物质的温 度。饱和蒸汽压表征了物质的蒸发能力。
已经规定物质在饱和蒸气压为10-2托时的温度，称 为该物质的蒸发温度。
3.511022 Pv / TM (个 / cm2 • s,Torr)
2.641024 Pv / TM (个 / cm2 • s, Pa)
(2-9)
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式中，M为蒸发物质的摩尔质量。如果对式（2-9） 乘以原子或分子质量，则得到单位面积的质量蒸发速 率
G mJm m / 2 kT • Pv
由于真空蒸发法或真空蒸镀法主要物理过程是通过 加热蒸发材料而产生，所以又称为热蒸发法。
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一、真空蒸发的特点与蒸发过程
图2-1 真空蒸发镀膜原理
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(1) 真空室 为蒸发过程提供必要的真空环境； (2) 蒸发源或蒸发加热器 放置蒸发材料并对其加热； (3) 基板 用于接收蒸发物质并在其表面形成固态蒸发
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及蒸发源到基片之 间的距离，常称源—基距。 (3)蒸发原子或分子在基片表面上的淀积过程，
即是蒸气凝聚、成核、核生长、形成连续薄膜。
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由于基板温度远低于蒸发源温度，因此，沉积物分 子在基板表面将直接发生从气相到固相的相转变。
2.真空蒸发镀膜的三种基本过程： (1)热蒸发过程
是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相同的饱和 蒸气压；蒸发化合物时，其组分之间发生反应，其中 有些组分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。
薄膜； (4) 基板加热器及测温器等。 1. 真空蒸发镀膜法的优缺点：
优点：是设备比较简单、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，用掩膜可以获得清晰图形；薄膜的生长 机理比较单纯。
缺点：不容易获得结晶结构的薄膜，所形成薄膜在 基 板上的附着力较小，工艺重复性不够好等。
真空蒸发镀膜时保证真空条件的必要性： 上述过程都必须在空气非常稀薄的真空环境中进行， 否则将发生以下情况： 1.蒸发物原子或分子将与大量空气分子碰撞，使膜层 受到严重污染，甚至形成氧化物； 2. 蒸发源被加热氧化烧毁； 3.由于空气分子的碰撞阻挡，难以形成均匀连续的薄 膜。
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二、饱和蒸气压和蒸汽压方程
实验确定。且有Hv=19.12B(J/mol)关系存在。
式（2-5）即为蒸发材料的饱和蒸气压与温度之间
的近似关系式。
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表2-1 和图 2-2 分别给出了常用金属的饱和蒸气压
与温度之间的关系，从图2-2的lgPv～1/T近似直线图
看出，饱和蒸气压随温度升高而迅速增加，并且到达 正常蒸发速率所需温度，即饱和蒸气压约为1Pa时的 温度（已经规定物质在饱和蒸气压为10-2托时的温度， 称为该物质的蒸发温度）。
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由于气化热 Hv 通常随温度只有微小的变化，故可
近似地把Hv看作常数，于是式（2-3）求积分得
ln Pv = C- Hv / RT
（2-4）
式中C为积分常数。式（2-4）常采用对数表示为
lgPv = A - B/ T
（2-5）
式中，A、B为常数，A=C/2.3，B=Hv/2.3R，A、B值 可由实验确定。而且在实际上Pv与 T 之间的关系多由
因此，在真空条件下蒸发物质要比常压下容易的 多，所需蒸发温度也大大降低，蒸发过程也将大大缩 短，蒸发速率显著提高 。
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三、蒸发速率
根据气体分子运动论，在处于热平衡状态时，压强为P的气体， 单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数
J 1/ 4nva P /
2 mkT (2-6)
因为Vg》Vs，并假设在低气压下蒸气分子符合理想气
体状态方程，则有
Βιβλιοθήκη Baidu
Vg -Vs≈Vg ，Vg = RT/Pv
(2-2)
式中，R是气体常数，其值为8.31×107J/K·mol。
故方程式（2-1）可写成
dPv /P v = Hv·dT/RT2
（2-3）
亦可写成
d(lnPv)/d(1/T)= - Hv / R
5.83102 M / T • Pv (g / cm2 • s,Torr) 4.37 103 M / T • Pv (kg / m2 • s, Pa)
v 式中，n是分子密度，
尔兹曼常数。
a是算术平均速度，m是分子质量，k为玻
如果考虑在实际蒸发过程中，并非所有蒸发分子全部发生凝结， 上式可改写为
J Pv / 2 mkT (2-7)
式中， 为冷凝系数，一般 ≤1， P为v 饱和蒸气压。
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设蒸发材料表面液相、气相处于动态平衡，到达液 相表面的分子全部粘接而不脱离，与从液相到气相的 分子数相等，则蒸发速率可表示为
2．蒸汽压方程 饱和蒸气压Pv与温度T之间的数学表达式称为
蒸汽压方程。可从克拉伯龙-克劳修斯（ClapeylonCalusius）方程式推导出来
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dPv /dT = Hv / T(Vg-Vs) （2-1）
式中，Hv为摩尔气化热或蒸发热（J/mol）；Vg和Vs分
别为气相和固相或液相的摩尔体积（cm3）；T为绝对 温度（K）。
§2-1 真空蒸发原理 §2-2 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
§2-3 蒸发源的类型 § 2-4 合金及化合物的蒸发 §2-5 膜厚和淀积速率的测量与监控
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真空蒸发镀膜法（简称真空蒸镀） 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 到固体（称为衬底或基片）表面，凝结形成固态薄膜 的方法。
Je dN /(A• dt) e (Pv Ph ) / 2 m(k2-T8)
式中，dN为蒸发分子（原子）数， e 为蒸发系数，A为
蒸与速发液率表体：面 静积 压， （tP为a）时。间当（秒e=）1P和v 和PPhh=分0别时为，饱得和最蒸大气蒸压发
Jm dN /(Adt) Pv / 2 mkT (cm2 • s1)
1．饱和蒸汽压 一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸气与固体或液
体平衡过程中所表现的压力称为该物质的饱和蒸气压。
物质的饱和蒸气压随温度的上升而增大，在一定温 度下，各种物质的饱和蒸气压不相同，且具有恒定的 数值。即一定的饱和蒸气压必定对应一定的物质的温 度。饱和蒸汽压表征了物质的蒸发能力。
已经规定物质在饱和蒸气压为10-2托时的温度，称 为该物质的蒸发温度。
3.511022 Pv / TM (个 / cm2 • s,Torr)
2.641024 Pv / TM (个 / cm2 • s, Pa)
(2-9)
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式中，M为蒸发物质的摩尔质量。如果对式（2-9） 乘以原子或分子质量，则得到单位面积的质量蒸发速 率
G mJm m / 2 kT • Pv
由于真空蒸发法或真空蒸镀法主要物理过程是通过 加热蒸发材料而产生，所以又称为热蒸发法。
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一、真空蒸发的特点与蒸发过程
图2-1 真空蒸发镀膜原理
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(1) 真空室 为蒸发过程提供必要的真空环境； (2) 蒸发源或蒸发加热器 放置蒸发材料并对其加热； (3) 基板 用于接收蒸发物质并在其表面形成固态蒸发
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及蒸发源到基片之 间的距离，常称源—基距。 (3)蒸发原子或分子在基片表面上的淀积过程，
即是蒸气凝聚、成核、核生长、形成连续薄膜。
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由于基板温度远低于蒸发源温度，因此，沉积物分 子在基板表面将直接发生从气相到固相的相转变。