第三章-真空蒸镀

重要的实际意义，可以查到。
Table and Figure
一些常用材料的蒸气压与温度的关系
周期表I族元素的蒸气压
周期表II族元素的蒸气压
周期表III族元素的蒸气压
此外，材料的蒸汽压与温度之间有一近似关系，为：
B lg p A T
T 绝对温度（K） p 蒸汽压，单位：微米汞 柱（mHg）
电的缺点。
缺点:
1) 长时间工作，激光进入钟罩窗口处的透镜会受到
影响; 2) 激光蒸发器较昂贵，且并非对所有材料都显示其 优越性； 3) 由于蒸发材料温度太高，蒸发粒子（原子、分子、
簇团等）多易离子化，从而会对膜结构和特性产
生一定影响。
4、高频感应蒸发源
工作原理
优点
缺点
高频感应加热源的工作原理
真空蒸发镀膜法
本章的基本要求

理解饱和蒸汽压、蒸发温度等基本概念； 掌握真空蒸发的原理、设备要求、不同类型蒸发源的蒸发特
点、各种蒸发材料的特点、基本的蒸发镀膜操作过程；

理解并掌握真空蒸发镀膜时真空室内起始压强的确定方法； 了解真空蒸发镀膜法的应用情况。
第三章 真空蒸发镀膜法

4、蒸发速率
1) 纯金属（或单质材料）的蒸发速率 2) 合金的蒸发速率
（1）纯金属（或单质材料）的蒸发速率
已知根据气体分子运动论，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为：
p J 2mkT pv Jc 2mkT
m——分子质量； T——绝对温度； k——玻耳兹曼常数
优点:
1) 它是面蒸发，蒸发速率大，可以比电阻蒸发源 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) 蒸发源一次装料，无需送料机构，温度控制较 容易，操作比较简单。
缺点:
1) 因为接触易造成污染； 2) 只能蒸发导电的膜料； 3) 设备必须屏蔽，且需要复杂和昂贵的高频 发生器。
e为蒸发系数 ；
t为时间（秒） ； pv和ph分别为饱和蒸汽压和液相静压（Pa）。
当e＝1且 ph ＝0时，得最大蒸发速率为：
pv Jm 2mkT
(个 cm -2 s -1 )
pv 由 Jm 2mkT
(个 cm -2 s -1 )
得到单位面积的质量蒸发速率为：
m G mJ m pv 2kT

蒸发温度高，蒸发速率就高，膜的致密度差； 蒸发温度低，蒸发速率就低，膜容易被氧化。
一般规定物质在饱和蒸汽压为10-2Torr
时的温度为该物质的蒸发温度。
饱和蒸汽压
在一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸汽与固体
或液体平衡过程中所表现出的压力称为该物质的
饱和蒸汽压。
饱和蒸汽压与温度的关系曲线对薄膜制作技术有
式中： nr 指残余气体分子的密度； r’ 指残余气体分子的半径； r 指蒸发的膜料分子（或原子） 半径。
所以，
kT 2 Pr (r r ' )
现已知从蒸发源到基片间的距离为Lcm，为使蒸发源出来 的膜料分子（或原子）大部分不与残余气体分子发生碰撞
直接到达基片表面，通常要使得：
λ>>L
§3.1 概念 §3.2 真空蒸发镀膜的原理 §3.3 常用的蒸发源及蒸发材料 §3.4 影响薄膜生长和性能的几个因素及真空蒸发 镀膜技术的应用

§3.5 分子束外延（MBE）技术
§3.1 概念

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，形成蒸汽 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。
（1）与器壁碰撞的气体只有部分发生凝结，因此：
——冷凝系数 ( ≤1 ）；
pv——饱和蒸汽压；
（2）假设蒸发材料表面液相、气相处于动态平衡中，那么， 单位时间单位面积的蒸发分子数为：
式中，
dN为蒸发分子（原子）数； A为蒸发表面积；
dN e ( pv ph ) Je Adt 2mkT
2、起始蒸发真空度的确定
（1）为什么要确定起始蒸发的真空度？
起始蒸发的真空度高好？还是低好？
（2）如何确定起始蒸发的真空度？
（两种方法）
Answer 1 Answer 2
工
件
L
L是源－基距，属于设备参数
假设残余气体处于同样的温 度，膜料分子在残余气体中 的平均自由程为：
因为: P=nrkT
1 nr (r r ' ) 2
§3.2 真空蒸发镀膜的原理
四个主要内容：
1. 真空蒸发装置 2. 蒸发真空度的确定 3. 蒸发温度 4. 蒸发速率
1、真空蒸发装置
加热源 衬底 真 空 室 挡板
支 架
蒸发源 A
高阀
往机械泵
B
扩 散 泵
加热器
电阻式真空蒸发 设备示意图
1、真空蒸发装置
蒸发镀膜的基本过程：
关闭充气阀和高真空阀等阀门，通 过图中的 A-B右路系统对钟罩进行 预抽气。当压强达到预真空度后， 关闭低真空阀，打开高真空阀，通 过A-C-B左路系统用高真空机组进 行抽气。一旦钟罩内的压强达到所 需要的数值后，便可对蒸发源加热 进行蒸镀。蒸镀完毕后，关闭高真 空阀，通过充气阀向钟罩放气。然 后打开钟罩，取出蒸镀好的基片或 工件，重新装入膜料，更换待镀的 基片或工件，放下钟罩。重复以上 步骤，再次进行蒸镀。
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蒸发材料
2、铜（Cu） m.p. 1083oC pv=10-2Torr时，T＝1257oC
导电性好，可焊性好，常用作导线。 加过渡层改 善附着性
缺点：
（2）易氧化。
（1）铜与玻璃、陶瓷、硅片的附着力不是很好；
上一层保护层以防氧化
蒸发材料
2、铜（Cu） 对铜建议采用钨螺旋丝或者钨、钽舟，并且必须 注意维持蒸发温度恒定。
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蒸发材料
3、金（ Au ） m.p. 1064oC
蒸发源温度的变化对蒸发速率的影响极大！
例如, 对金属有:
dG dT (20 ~ 30) G TGO（2）合金的蒸发速率

制造合金薄膜时，蒸发合金或者化合物的结果
在相同温度下，各元素的蒸气压不相同，其蒸发速率就不
相同，导致制备的合金薄膜与原料的化学计量比不同。

如何蒸镀才能得到符合预计要求的合金薄膜？
瞬时蒸发法（“闪烁”蒸发法）
双（多）源蒸发法
§3.3 常用的蒸发源及蒸发材料
蒸发源
常用的蒸发材料
蒸发源
蒸 接触式蒸发源 发 源 非接触式蒸发源
常用的蒸发源
1. 电阻式蒸发源
2. 电子束加热蒸发源
3. 激光蒸发源 4. 高频感应蒸发源
1、电阻式蒸发源
采用高熔点金属做成适当的形状装上待蒸
发材料，对蒸发材料进行直接加热蒸发。
GO
蒸发材料
常用的蒸发材料介绍
1、铝（Al） m.p. 660oC pv=10-2Torr时，T＝1217oC
铝薄膜可用作导体、电容器电极、反射器及装饰品等。
因铝与玻璃、陶瓷、硅片的附着力好，常用作引线。
蒸发材料
1、铝（Al）
1100℃以上开始迅速蒸发。在蒸发温度时，铝 是一种高度流动的液体，它对难熔材料极易相湿并 在其表面上流动，同时可以深入到难熔材料的微孔 中。熔化的铝在真空中化学活性非常强，因此必须 认真选择蒸发源。目前，多采用钨丝或者钽丝作为 蒸发源。
式中，A，B分别为与材料性质有关的常数，可以直接由实 验确定或由文献查得。 对大多数材料，在蒸汽压小于1Torr的温度范围内，此式是蒸
发材料的饱和蒸汽压与温度之间一个比较精确的表达式。
上式的准确度较差，但方便实用。
一些金属的蒸汽压方程中的计算常数
金属 Li Na K Cs Cu Ag Au Be Mg Ca Mo W U Mn Fe A 10.99 10.72 10.28 9.91 11.96 11.85 11.89 12.01 11.64 11.22 11.64 12.40 11.59 12.14 12.44 B 8.07×103 5.49×103 4.48×103 3.80×103 1.698×104 1.427×104 1.758×104 1.647×104 7.65×103 8.94×103 3.085×104 4.068×104 2.331×104 1.374×104 1.997×104 金属 Sr Ba Zn Cd B Al La Ga In C Co Ni Ru Rh Pd A 10.71 10.70 11.63 11.56 13.07 11.79 11.60 11.41 11.23 15.73 12.70 12.75 13.50 12.94 11.78 B 7.83×103 8.76×103 6.54×103 5.72×103 2.962×104 1.594×104 2.085×104 1.384×104 1.248×104 4×104 2.111×104 2.096×104 3.38×104 2.772×104 1.971×104 金属 Si Ti Zr Th Ge Sn Pb Sb Bi Cr Os Ir Pt V Ta A 12.72 12.50 12.33 12.52 11.71 10.88 10.77 11.15 11.18 12.94 13.59 13.07 12.53 13.07 13.04 B 2.13×104 2.32×104 3.03×104 2.84×104 1.803×104 1.487×104 9.71×103 8.63×103 9.53×103 2.0×104 3.7×104 3.123×104 2.728×104 2.572×104 4.021×104