薄膜物理气相沉积-蒸发法
第四章_薄膜的物理气相沉积
4.1 蒸发沉积 4.2 溅射沉积 4.3 离子束沉积 4.4 脉冲激光沉积
4.1 蒸发沉积
蒸发沉积薄膜的基本过程：
1） 原材料被加热蒸发而气化 2） 气化的原子或分子从蒸发源向基片表面输运 3）蒸发的原子或分子在基片表面被吸附、成核、 核长大，继而形成连续薄膜
4.1.1 蒸发源
缺点：需要较复杂且昂贵的高频电源
4.1.2 原材料的蒸发与输运
1.
蒸发速率 假设在原材料表面液相和气相分子处于动态平 衡，则蒸发速率
dN r Pr P0 Je Adt 2 mkT
蒸发速率与蒸发源温度的关系
dG B 1 dT 2.3 G T 2 T
4.1.3 蒸发镀膜的膜厚分布
膜厚的分布取决于蒸发源的几何形状 与蒸发特性、基片的几何形状、基片与蒸 发源的相对位置等因素。
膜厚理论计算的简化假设： 1）蒸发凝结成薄膜
4.2 溅射沉积
溅射：荷能粒子轰击固体表面，使固体原子（或 分子）逸出的现象叫溅射。 使用范围：金属、合金、半导体、氧化物、氮化 物、碳化物、超导薄膜等。 溅射率：当粒子轰击靶阴极时，平均每个粒子从 阴极上打出的原子数。 溅射阈值：当入射粒子能量高于溅射阈值时才发 生溅射。
脉冲激光沉积的优点
相比其他制膜技术，PLD具有如下特点：1） 采用紫外脉冲激光器作为等离子体的能源，它 具有高光子能量、无污染且易于控制的特点； 2）可以比较精确的控制化学计量比，实现靶 膜成分接近一致。3） 可以引入反应气体，提 供了另一种改变薄膜组分的办法；4）四个靶 材托板随意更换，可以实现多层膜、异质结的 制备，尤其适合制备量子阱结构薄膜。5）工 艺相对简单，灵活性很大，可以实现诸多不同 种类的薄膜制备；6）可以使用激光器对薄膜 进行后续处理等。
薄膜物理气相沉积-蒸发法
引言
三、分类
蒸发法：把装有基片的真空室抽成真空，使气体压强达到10-2Pa 以下，然后加热镀料，使其原子或分子从表面逸出，形成蒸汽流 ，入射到基片表面，凝结形成固态薄膜。
2.2 薄膜沉积厚度均匀性与纯度
（1）薄膜沉积的方向性和阴影效应 蒸发源几何类型: •点源：蒸发源的几何尺寸远小于基片的尺寸； – 蒸发量：
– 沉积量：
– 基片某点的沉积量与该点和蒸发源连线与基片法向的夹角有 关；
2.2 薄膜沉积厚度均匀性与纯度
• 面源：蒸发源的几何尺寸与基片的尺寸相当； – 沉积量：
2.1 物质的热蒸发
2.1 物质的热蒸发
2.1 物质的热蒸发
• 元素的蒸发 根据物质的蒸发特性，物质的蒸发情况可被划分为两种类型： 1. 将物质加热到其熔点以上（固－液－气）。 例如：多数金属 2. 利用由固态物质的升华，实现物质的气相沉积。 例如：Cr、Ti、Mo、Fe、Si等
石墨C例外，没有熔点，而其升华温度又相当高，因而实践 中多是利用石墨电极间的高温放电过程来使碳原子发生升华。
电阻器可以依被镀物工件形状,摆放方式,位置,腔体大小,旋转 方式,而作成不同的形状。镀膜主要的考虑因素,是让靶材的蒸发 分布均匀,能让工件上面的沉积薄膜厚度均匀,镀膜成品才能得到 一致的光学功能。细丝状的金属靶材(Al, Ag, Au, Cr...)是最早被热 蒸镀使用的靶材形式,后来则依不同需要,发展出舟状,篮状等各种 形状的电阻器。
– 基片某点的沉积量与蒸发源法向方向和基片法向方向夹 角有关；与该点和蒸发源连线与基片法向的夹角有关；
真空蒸镀 热蒸发
真空蒸镀热蒸发
真空蒸镀热蒸发是一种物理气相沉积（PVD）技术，用于在基底表面上沉积薄膜。
它的基本原理如下：
1. 真空环境：在真空蒸镀过程中，将基底和蒸发源置于真空室内。
真空环境可以减少气体分子之间的碰撞，防止气体对沉积过程的干扰，并提高薄膜的质量。
2. 蒸发源：蒸发源是提供蒸发材料的装置。
它可以是金属丝、坩埚或溅射靶材等。
蒸发源被加热到足够高的温度，使蒸发材料转化为气态。
3. 薄膜沉积：当蒸发源中的材料被加热到气态时，气态原子或分子会在真空中向基底表面运动，并在基底上沉积形成薄膜。
沉积的薄膜可以是金属、合金、半导体或其他材料。
4. 控制参数：真空蒸镀过程中的一些关键参数需要被控制，以获得所需的薄膜特性。
这些参数包括蒸发源的温度、沉积时间、真空度和基底温度等。
真空蒸镀热蒸发技术具有以下优点：
1. 高纯度：真空环境可以减少杂质的引入，提高薄膜的纯度。
2. 良好的一致性：该技术可以在大面积基底上实现均匀的薄膜沉积。
3. 可控性：通过控制蒸发源的温度和其他参数，可以调控薄膜的厚度、组成和结构。
4. 多功能性：可用于制备各种功能性薄膜，如金属膜、光学膜、导电膜等。
氧化物薄膜材料的制备及其应用前景
氧化物薄膜材料的制备及其应用前景随着科技进步和工业的发展，氧化物薄膜材料的使用越来越广泛。
氧化物薄膜材料是一种具有特殊结构的材料，其表面通常是非常平滑且质量较好的。
在许多领域中，氧化物薄膜材料都得到了广泛的应用。
本文将探讨氧化物薄膜材料的制备方法以及在不同领域中的应用前景。
一、氧化物薄膜材料的制备方法1、物理气相沉积法物理气相沉积法是一种常用的氧化物薄膜制备方法。
该方法通过蒸发源的加热、物质蒸发并再次凝结在基板表面生成氧化物薄膜。
物理气相沉积法的制备过程需要在真空环境下进行，通过调节沉积过程参数，如沉积物的温度、沉积时间、侵蚀速率等来控制氧化物薄膜的厚度、质量和结构。
该方法的优点是制备过程简单，制备的氧化物薄膜表面质量较好，但是缺点是制备周期长且不能在大规模工业应用中进行。
2、化学气相沉积法化学气相沉积法是利用气体中的化学反应来实现物质沉积的一种方法。
该方法的制备过程需要在一定的温度和气压下进行，由于化学反应时间比物理沉积时间长，所以制备周期需要相对较长。
化学气相沉积法制备的氧化物薄膜可以具有非常好的化学性质和光学性质，用于制备一些电子元件、光电器件等。
但是，该方法也存在着一些缺点，如化学反应条件比较苛刻，较高的成本和复杂的工艺。
3、溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是一种利用氧化物溶胶热凝胶化和后续的煅烧法制备氧化物薄膜的方法。
该方法通常具有较长的制备周期，但制备的氧化物薄膜具有较好的化学稳定性、物理性质和光学性质。
溶胶-凝胶法制备的氧化物薄膜，可以应用于激光器，太阳能电池，以及LED等领域。
由于该方法具有优越性能，因此在工业应用中受到了广泛关注。
二、氧化物薄膜材料在不同领域中的应用前景1、光电领域氧化物薄膜材料在光电领域具有较好的应用前景。
例如，氧化锌（ZnO）薄膜在太阳能电池中具有良好的光电特性。
氧化锌有非常好的光吸收性，可以将太阳光转换成电能，所以它成为太阳能电池制备的一种重要材料。
此外，氧化铝（Al2O3）薄膜也广泛应用于光电领域。
第二章 薄膜制备技术(1)
（2）优缺点
1）优点：适用于高纯 或难熔物质的蒸发；可适 合沉积多种不同的物质。
2）缺点：热效率较低； 过高的热功率对整个沉积 系统形成较强的热辐射。
3、电弧蒸发装臵 （1）电弧蒸发法：用欲蒸发的材料 制成放电的电极，依靠调节真空 室内电极间距的方法来点燃电弧， 瞬间的高温电弧将使电极端部产 生蒸发从而实现物质的沉积。控 制电弧的点燃次数或时间就可以 沉积出一定厚度的薄膜。 （2）优缺点 1）优点：避免电阻加热材料或坩 埚材料的污染；加热温度高，适 用于溶点高、同时具有一定导电 性的难熔金属、石墨等的蒸发； 简单廉价。 2）缺点：在放电过程中容易产 生微米量级大小的电极颗粒的飞 溅，从而会影响被沉积薄膜的均 匀性。
电弧蒸发装置示意图
4、激光蒸发装臵 （1）激光蒸发法：高功率激光器产生的高能激光束，可在瞬 间将能量直接传递给被蒸发物质，使之发生蒸发镀膜。
（2）优缺点
优点：避免电阻加热材料或坩埚材料的污染；加热温度高； 蒸发速率高；蒸发过程容易控制；特别的优点是：适用于蒸 发那些成分复杂的合金或化合物，这是因为，高能量的激光 束可以在较短的时间将物质的局部加热至极高的温度并产生 物质的蒸发，在此过程中被蒸发出来的物质仍能保持其原来 的元素比例。
2.3 真空蒸发装置
真空蒸发所采用的设备根据使用目的的不同有很大差别。 从简单的电阻加热蒸镀装臵到极其复杂的分子束外延设备， 都属于真空蒸发范畴。在蒸发沉积装臵中，最重要的组成 部分是物质的蒸发源，根据其加热原理可分为以下类型。
1、电阻式蒸发装置 （1）电阻加热蒸发法： 采用钽、钼、钨等高熔点金属，做成适当形状的加 热装臵（也称“蒸发源”，注意与“蒸发材料”区 别），其上装入待蒸发材料，通以电流后，对蒸发 材料进行直接加热蒸发，或者把待蒸发材料放入 Al2O3、BeO等坩埚中进行间接加热蒸发，
薄膜制备方法
薄膜制备方法薄膜制备方法是一种将材料制备成薄膜状的工艺过程。
薄膜是指厚度在纳米至微米级别的材料，具有特殊的物理、化学和电学性质，在许多领域具有重要的应用价值。
薄膜制备方法有多种，包括物理气相沉积法、化学气相沉积法、物理溅射法、溶液法等。
一、物理气相沉积法物理气相沉积法是一种利用高温或高能粒子束使材料原子或分子在基底表面沉积形成薄膜的方法。
常见的物理气相沉积方法有热蒸发法、电子束蒸发法和磁控溅射法等。
其中，热蒸发法是通过加热材料使其蒸发，并在基底上沉积形成薄膜；电子束蒸发法则是利用电子束的热能使材料蒸发并沉积在基底上；磁控溅射法是通过在真空室中加入惰性气体，并利用高能电子束轰击靶材使其溅射出原子或离子，从而沉积在基底上形成薄膜。
二、化学气相沉积法化学气相沉积法是一种利用气相反应在基底表面沉积材料的方法。
常见的化学气相沉积方法有化学气相沉积法、低压化学气相沉积法和气相扩散法等。
其中，化学气相沉积法是通过将反应气体在基底表面分解或氧化生成薄膜的方法；低压化学气相沉积法则是在较低的气压下进行反应，以控制薄膜的成分和结构；气相扩散法是通过将反应气体在基底表面进行扩散反应，使材料沉积在基底上。
三、物理溅射法物理溅射法是一种利用高能粒子轰击靶材使其原子或分子从靶表面溅射出来，并沉积在基底上形成薄膜的方法。
物理溅射法包括直流溅射法、射频溅射法和磁控溅射法等。
其中，直流溅射法是利用直流电源加电使靶材离子化并溅射出来；射频溅射法则是利用射频电源产生高频电场使靶材离子化并溅射出来；磁控溅射法则是在溅射区域加入磁场，利用磁控电子束使靶材离子化并溅射出来。
四、溶液法溶液法是一种利用溶液中的材料分子或离子在基底表面沉积形成薄膜的方法。
常见的溶液法包括浸渍法、旋涂法和喷雾法等。
其中，浸渍法是将基底放置在溶液中，使其吸附溶剂中的材料分子或离子，然后通过蒸发或热处理使其形成薄膜；旋涂法是将溶液倒在旋转的基底上，通过离心作用使溶液均匀涂布在基底上，然后通过蒸发或热处理使其形成薄膜；喷雾法则是将溶液喷雾到基底上，通过蒸发或热处理使其形成薄膜。
制作氧化锡薄膜的方法
制作氧化锡薄膜的方法
制作氧化锡薄膜的常见方法有物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）两种方法。
1. 物理气相沉积（PVD）：
- 蒸发沉积：将金属锡加热至其蒸汽压达到一定值，让其蒸发在基底表面上形成氧化锡薄膜。
- 磁控溅射：使用带有金属锡靶的溅射装置，施加高频电场使锡离子释放，然后沿着惰性气体（如氩气）形成的轨道击中基底表面。
2. 化学气相沉积（CVD）：
- 热CVD：通过在高温（通常在200-1000°C）下将有机锡化合物（如四氯化锡）与氧气反应，使其降解沉积在基底表面形成氧化锡薄膜。
- 气相沉积：以液体有机锡化合物为前体，在低温下（通常在50-150°C）通过气相喷雾使其与氧气反应，形成氧化锡薄膜。
无论是PVD还是CVD方法，制备氧化锡薄膜的具体条件（如温度、气氛、前体物质等）都会对薄膜的性质产生影响，并且需要确保在制备过程中薄膜与空气中的氧气反应以形成氧化锡。
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
薄膜的物理气相沉积
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
8
薄膜沉积速率正比于气体分子的通量。
单位表面上元素的净蒸发速率
ΦαN2（ AπpMe Rph） T
α — 系数，介于0~1之间；
m n M N
A
pe、ph — 平衡蒸气压和实际情况下的分压。 单位表面上元素的质量蒸发速率
组元蒸气压相近时，可估算合金蒸发源的成分。 例如，1350K，薄膜成分：Al-2％Cu (质量分数)，
需蒸发源成分：A1-13.6％Cu (质量分数)。
薄膜的物理气相沉积
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
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对于初始成分确定的蒸发源，组元蒸发速率 之比随时间而变化。 原因：易于蒸发的组元的优先蒸发使该组元不 断贫化，进而使该组元蒸发速率不断下降。
薄膜的物理气相沉积
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
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组成部分： 真空室； 蒸发源及蒸发加热装置； 衬底放置及加热装置。
薄膜的物理气相沉积
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
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真空蒸发镀膜机
薄膜的物理气相沉积
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
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2.1.1 元素的蒸发速率
平衡蒸气压：一定温度下，蒸发气体与凝聚相平 衡过程中所呈现的压力。
第二章 薄膜的物理气相沉积（I） —— 蒸发法
物理气相沉积（Physical Vapor Deposition, PVD） 物理过程，如物质的热蒸发或在 受到粒子束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 过程。
薄膜的物理气相沉积薄膜的物理气相沉积ⅠFra bibliotek—热蒸发1
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主要内容
引言 2.1 物质的热蒸发 2.2 薄膜沉积的厚度均匀性和纯度 2.3 真空蒸发装置
引言
一、定义 物理气相沉积（Physical Vapor Deposition， PVD ）
利用某种物理过程，如物质的热蒸发或受到离子轰击时物 质表面原子的溅射现象，实现物质原子从源物质到薄膜的可控 转移的过程。
2.1 物质的热蒸发
由气体分子通量的表达式，单位表面上元素的净蒸发速率等于：
NA(pe ph) 2MRT
其中α蒸发系数(0~1)，Pe—元素的平衡蒸汽压，Ph—元素的 实际分压； • 最大蒸发速率(分子/cm2s)： α＝1， Ph= 0
元素的质量蒸发速率：
(pe ph)
M
2ห้องสมุดไป่ตู้T
为单位表面上元素的质量蒸发速率。
2.1 物质的热蒸发
2、合金的蒸发 合金蒸发与化合物蒸发与化合物蒸发的区别与联系 联系：也会发生成分的偏差。 区别：合金中原子的结合力小于在化合物中不同原子的结合力 ，因而，合金中元素原子的蒸发过程实际上可以被看成是各自 相互独立的过程，就像它们在纯元素蒸发时的情况一样。
2.1 物质的热蒸发
合金的蒸发： • 合金薄膜生长的特点：合金薄膜不同于化合物，其固相成分 的范围变化很大，其熔点由热力学定律所决定； • 合金元素的蒸气压： – 理想合金的蒸气压与合金比例(XB)的关系（拉乌尔定律）：
二、特点（相对于化学气相沉积而言）： （1）需要使用固态的或熔融态物质作为沉积过程的源物质； （2）源物质经过物理过程而进入气相； （3）需要相对较低的气体压力环境； （4）在气相中及沉底表面并不发生化学反应。
引言
三、分类
蒸发法：把装有基片的真空室抽成真空，使气体压强达到10-2Pa 以下，然后加热镀料，使其原子或分子从表面逸出，形成蒸汽流 ，入射到基片表面，凝结形成固态薄膜。
2.1 物质的热蒸发
要实现蒸发法镀膜，需要三个最基本条件：加热，使镀料 蒸发；处于真空环境，以便于气相镀料向基片运输；采用温 度较低的基片，以便于气体镀料凝结成膜。
蒸发材料在真空中被加热时，其原子或分子就会从表面 逸出，这种现象叫热蒸发。
2.1 物质的热蒸发
（1）元素的蒸发速率 --- 蒸发现象：
2.1 物质的热蒸发
影响蒸发速率的因素： 由于元素的平衡蒸汽压随着温度的上升增加很快，因而对
元素的蒸发速率影响最大的因素是蒸发源所处的温度。
2.1 物质的热蒸发
（2）元素的平衡蒸气压 --- 元素的蒸气压： •Clausius-Clapyeron方程：
•理想气体近似：
---实际材料的蒸气压函数： •金属Al：
• 蒸发与温度有关，但不完全受熔体表面的受热多少所决定；
• 蒸发速率正比于物质的平衡蒸气压(Pe)与实际蒸气压力(Ph)之
差； --- 蒸发速率（两种表达）：
• 元素的净蒸发速率：在一定的温度下，处于液态或固态的元 素都具有一定的平衡蒸汽压。因此，当环境中的分压降低到了 其平衡蒸汽压之下时，就会发生元素的净蒸发。
2.1 物质的热蒸发
2.1 物质的热蒸发
2.1 物质的热蒸发
• 元素的蒸发 根据物质的蒸发特性，物质的蒸发情况可被划分为两种类型： 1. 将物质加热到其熔点以上（固－液－气）。 例如：多数金属 2. 利用由固态物质的升华，实现物质的气相沉积。 例如：Cr、Ti、Mo、Fe、Si等
石墨C例外，没有熔点，而其升华温度又相当高，因而实践 中多是利用石墨电极间的高温放电过程来使碳原子发生升华。
2.1 物质的热蒸发
1、化合物的蒸发 化合物蒸发中存在的问题： a）蒸发出来的蒸气可能具有完全不同于其固态或液体的成分； （蒸气组分变化） b）气态状态下，还可能发生化合物个组员间的化合与分解过程 ；后果是沉积后得到的薄膜成分可能偏离化合物的正确的化学组 成。 化合物蒸发过程中可能发生的各种物理化学反应： 无分解反应；固态分解反应；气态分解蒸发
-- 蒸发不发生解离的材料，可以得到成分匹配的薄膜：如 B2O3, GeO, SnO, AlN, CaF2, MgF2,……
-- 蒸发发生分解的材料，沉积物中富金属，沉积物化学成 分发生偏离，需要分别使用独立的蒸发源；如：Ag2S, Ag2Se, IIIV半导体等；
2.1 物质的热蒸发
– 蒸发发生解离的材料；沉积物中富金属，需要分立的蒸发源； 硫族化合物：CdS, CdSe, CdTe,…… 氧化物：SiO2, GeO2, TiO2, SnO2,
具有较高的沉积速率、相对较高的真空度，以及由此导致的较 高的薄膜纯度等优点。 溅射法：具有自己的特点，如在沉积多元合金薄膜时化学成分容 易控制、沉积层对沉底的附着力较好。
2.1 物质的热蒸发
利用物质在高温下的蒸发现 象，可以制备各种薄膜材料。蒸 发法具有较高的背底真空度。在 较高的真空条件下，不仅蒸发出 来的物质原子或分子具有较长的 平均自由程，可以直接沉积在沉 底表面上，而且还可以确保所制 备的薄膜具有较高的纯净程度。
2.1 物质的热蒸发
• 蒸发源的选择： – 固体源：熔点以下的饱和蒸气压可以达到0.1Pa; – 液体源：熔点以下的饱和蒸气压难以达到0.1Pa; – 难熔材料：可以采用激光、电弧蒸发；
2.1 物质的热蒸发
（3）化合物与合金的热蒸发 --- 多组元材料的蒸发：
• 合金的偏析：蒸气成分一般与原始固体或液体成分不同； • 化合物的解离：蒸气中分子的结合和解离发生频率很高；
PB=XBPB(0) PB(0)为纯元素的蒸气压；
– 实际合金的蒸气压：PB=γBXBPB(0) = aBPB(0) – 合金组元蒸发速率之比：
2.1 物质的热蒸发
蒸发质量定律的应用: • 假设所制备的Al-Cu合金薄膜要求蒸气成分为Al-2wt%Cu ：即：ΦAl/ ΦCu=98MCu/2MAl，蒸发皿温度：T=1350K。求所 配制的Al-Cu合金成分。 • PAl/PCu=1×10-3/2 ×10-4, 假设：γAl= γCu 则：XAl/X Cu=15 (mol比)≈6.4 (质量比) － 计算只适用于初始的蒸发，若蒸发持续进行，成分将平衡 到某一固定的值； － 蒸气成分的稳定性与蒸发工艺有关；