第四章 真空蒸发镀膜法
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第四章 真空蒸发镀膜法
阴影效应： 阴影效应： 由于蒸发产生的气体分子直线运动， 由于蒸发产生的气体分子直线运动，使薄膜 局部区域无法镀膜或膜厚各处不一的现象
第五节 蒸发源的类型
真空蒸发所采用的设备根据其使用目的不同 可能有很大的差别， 可能有很大的差别，从最简单的电阻加热蒸 镀装置到极为复杂的分子束外延设备， 镀装置到极为复杂的分子束外延设备，都属 于真空蒸发沉积的范畴。 于真空蒸发沉积的范畴。 在蒸发沉积装置中， 在蒸发沉积装置中，最重要的组成部分就是 物质的蒸发源。 物质的蒸发源。
第一节 真空蒸发镀膜原理
定义：真空蒸发镀膜(蒸镀) 一．定义：真空蒸发镀膜(蒸镀)是 在真空条件下， 在真空条件下，加热蒸发物质使 气化并淀积在基片表面形成固 之气化并淀积在基片表面形成固 体薄膜，是一种物理现象。 体薄膜，是一种物理现象。 广泛地应用在机械、电真空、 广泛地应用在机械、电真空、无 线电、光学、原子能、 线电、光学、原子能、空间技术 等领域。 等领域。 加热方式可以多种多样。 加热方式可以多种多样。
24
P (P ) v a
MT 22 P (Torr) ≅ 3.51×10 v 分子/(厘 2 ⋅ 秒 米 ) MT
分 /(厘 2 ⋅ 秒 子 米 )
m M −4 Rm = mRe = P ≅ 4.37×10 P (Pa) 克/(厘米2 ⋅ 秒 ) V V 2π RT T M ≅ 5.84×10 P (Torr) 克/(厘 2 ⋅ 秒 米 ) V T
三个基本过程： 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 ）加热蒸发过程，包括由凝聚相转变为气相（ →气相）的相变过程。每种蒸发物质在不同温度时有不同的 气相）的相变过程。 气相 饱和蒸气压，蒸发化合物时，其组合之间发生反应， 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。 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 ）气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运， 子在环境气氛中的飞行过程 飞行过程。 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， 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 基距。 从蒸发源到基片之间的距离，常称源 基距。 淀积过程， （3）蒸发原子或分子在基片表面上的淀积过程，即蒸气凝聚、 ）蒸发原子或分子在基片表面上的淀积过程 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 成核、核生长、形成连续薄膜。 温度， 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。 的相转变过程。
第五节 蒸发源的类型
真空蒸发所采用的设备根据其使用目的不同 可能有很大的差别， 可能有很大的差别，从最简单的电阻加热蒸 镀装置到极为复杂的分子束外延设备， 镀装置到极为复杂的分子束外延设备，都属 于真空蒸发沉积的范畴。 于真空蒸发沉积的范畴。 在蒸发沉积装置中， 在蒸发沉积装置中，最重要的组成部分就是 物质的蒸发源。 物质的蒸发源。
第一节 真空蒸发镀膜原理
定义：真空蒸发镀膜(蒸镀) 一．定义：真空蒸发镀膜(蒸镀)是 在真空条件下， 在真空条件下，加热蒸发物质使 气化并淀积在基片表面形成固 之气化并淀积在基片表面形成固 体薄膜，是一种物理现象。 体薄膜，是一种物理现象。 广泛地应用在机械、电真空、 广泛地应用在机械、电真空、无 线电、光学、原子能、 线电、光学、原子能、空间技术 等领域。 等领域。 加热方式可以多种多样。 加热方式可以多种多样。
24
P (P ) v a
MT 22 P (Torr) ≅ 3.51×10 v 分子/(厘 2 ⋅ 秒 米 ) MT
分 /(厘 2 ⋅ 秒 子 米 )
m M −4 Rm = mRe = P ≅ 4.37×10 P (Pa) 克/(厘米2 ⋅ 秒 ) V V 2π RT T M ≅ 5.84×10 P (Torr) 克/(厘 2 ⋅ 秒 米 ) V T
三个基本过程： 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 ）加热蒸发过程，包括由凝聚相转变为气相（ →气相）的相变过程。每种蒸发物质在不同温度时有不同的 气相）的相变过程。 气相 饱和蒸气压，蒸发化合物时，其组合之间发生反应， 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。 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 ）气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运， 子在环境气氛中的飞行过程 飞行过程。 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， 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 基距。 从蒸发源到基片之间的距离，常称源 基距。 淀积过程， （3）蒸发原子或分子在基片表面上的淀积过程，即蒸气凝聚、 ）蒸发原子或分子在基片表面上的淀积过程 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 成核、核生长、形成连续薄膜。 温度， 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。 的相转变过程。
真空蒸发镀膜的原理
真空蒸发镀膜的原理
真空蒸镀膜是一种常用的表面处理技术，其原理是利用真空环境中的物理性质，在材料的表面形成一层均匀的金属或非金属薄膜。
其基本步骤如下：
1. 准备基底材料：首先选取需要镀膜的基底材料，常用的包括玻璃、金属、陶瓷等。
2. 清洗基底材料：对基底材料进行清洗，去除表面的油脂、氧化物等杂质，以确保镀膜的附着力和均匀性。
3. 装载基底材料：将经过清洗的基底材料放置在真空蒸镀设备的工作架上。
工作架通常可以旋转和倾斜，以便实现均匀的镀膜。
4. 抽真空：启动真空泵，将腔室内的气体抽至低真空状态，以去除氧气和其他气体分子，保持清洁的反应环境。
5. 加热基底材料：在真空腔室内加热基底材料，以提高蒸发源的温度，使金属材料在高温条件下迅速蒸发。
6. 蒸发源物质蒸发：将选定的镀膜材料放置在腔室的蒸发源中，随着蒸发源的加热，其表面开始蒸发，并沉积在基底材料的表面。
7. 形成薄膜：蒸发源中的金属材料蒸发后，通过碰撞和扩散等过程，沉积到基底材料表面形成一层均匀的薄膜。
8. 控制膜厚度：通过控制蒸发源的温度、蒸发时间和基底材料的位置等参数，来控制膜的厚度。
9. 冷却基底材料：在薄膜形成后，冷却基底材料以减少膜的应力和提高其附着力。
10. 放气还原：在薄膜形成后，放气还原真空腔室至大气压力，可以安全地取出镀膜好的基底材料。
通过以上步骤，真空蒸镀膜技术可以实现在不同基底材料上形成具有各种性质的薄膜，从而具有广泛的应用。
真空蒸发镀膜蒸镀
2. 残存气体对制膜的影响
22 （1）残存气体的蒸发速率Ng： N g 3.513 10
g Pg
M gTg
(13)
（2）到达基片的气体分子与蒸气分子之比(面源)：
Ng Nd
Pg P
Pg MT r 2 K M gTg A cos cos P
(14) （ g）
讨论：减小污染的途径
电子束加热蒸发源由： 阴极、加速电极、阳极 （膜料）组成。 还有高频加热蒸发源、 激光蒸发源等。
图8.2.5 电子束加热蒸发源
优点:
（1）可以直接对蒸发材料加热；
（2）装蒸发料的容器可以是冷的或者用水冷却，从而 可避免 材料与容器的反应和容器材料的蒸发；
（ 3 ） 可 蒸 发 高 熔 点 材 料 ， 例 如 ： 钨 （ Tm=3380℃ ） 、 钼 (Tm=2610℃)和钽（Tm=3000℃）等耐热金属材料。
图8.2.10 辉光放电
3. 溅射机理——两种假说 （1）Hippel理论（1926提出） 离子轰击靶产生的局部高温使靶材料（阴 极材料）的局部蒸发，在阳极上沉积制膜。
（2）动能转移机理 （Stark,1909，Langmuir, Henschk）
(I) 溅射出的原子能量比热蒸发原子能量高一个数量级； (II)轰击离子存在一个临界能量，低于这个能量，不能产生溅 射； (Ⅲ)溅射系数=溅射原子数/轰击离子数,既与轰击离子的能量 1 mv 2 有关，也与轰击离子的质量有关 ( ,动能转移 )； 2 (Ⅳ)离子能量过高，溅射系数反而下降,可能是因为离子深入 到靶材内部，能量没有交给表面附近原子的缘故； (Ⅴ)溅射原子出射的角分布，对于单晶靶材，粒子主要沿几个 方向出射。 最强的出射方向对应于晶格中原子最密集排列的方向，这 种现象可用“聚焦碰撞”解释。
蒸发法真空镀膜
蒸发法真空镀膜实验⽬的初步了解真空镀膜的原理和操作以及薄膜厚度的测量。
实验原理真空镀膜是将固体材料置于真空室内，在真空条件下，将固体材料加热蒸发，蒸发出来的原⼦或分⼦能⾃由地弥布到容器的器壁上。
当把⼀些加⼯好的基板材料放在其中时，蒸发出来的原⼦或分⼦就会吸附在基板上逐渐形成⼀层薄膜。
真空镀膜有两种⽅法,⼀是蒸发,⼀是溅射。
本次实验采⽤蒸发⽅法。
在真空中把制作薄膜的材料加热蒸发，使其淀积在适当的表⾯上。
●真空系统(DM—300镀膜机)●蒸发源蒸发源的形状如下图，⼤致有螺旋式(a)、篮式(b)、发叉式(c)和浅⾈式(d)等●蒸发源选取原则1 有良好的热稳定性，化学性质不活泼，达到蒸发温度时加热器本⾝的蒸汽压要⾜够底。
2 蒸发源的熔点要⾼于被蒸发物的蒸发温度。
加热器要有⾜够⼤的热容量。
3 蒸发物质和蒸发源材料的互熔性必须很底，不易形成合⾦。
4 要求线圈状蒸发源所⽤材料能与蒸发材料有良好的浸润，有较⼤的表⾯张⼒。
5 对于不易制成丝状、或蒸发材料与丝状蒸发源的表⾯张⼒较⼩时，可采⽤⾈状蒸发源。
●薄膜厚度分布设蒸发源为点蒸发源，单位时间内通过任何⽅向⼀⽴体⾓dω的质量为：蒸发物质到达任⼀⽅向⾯积元ds质量为：设蒸发物的密度为ρ，单位时间淀积在ds上的膜厚为t，则⽐较以上两式可得：对于平⾏平⾯ds，φ=θ，则上式为：由：可得在点源的正上⽅区域(δ=0)时：薄膜的厚度测量–⼲涉显微镜法⼲涉条纹间距Δ0 ，条纹移动Δ，台阶⾼为：测出Δ0 和Δ，即可测得膜厚t其中λ为单⾊光波长，如⽤⽩光，λ取实验步骤1.绕制钨篮，清洗钨篮和载玻⽚,铝丝，祛除表⾯氧化物。
2制作基⽚，.⽤⼀窄薄铝⽚遮盖在载玻⽚上，以便镀膜完成后在基⽚上形成台阶。
3. 将钨篮和钼⾈固定在钟罩内的电极上，并放⼊铝丝。
,4抽⾄真空度达10-6torr以上,开始蒸发镀膜。
5.镀膜完成后,处理真空机组的后续⼯作。
6.⽤称重法测薄膜的厚度。
7.⽤⼲涉法测薄膜的厚度。
真空蒸发镀膜PPT课件
子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
转移的过程。
能量
第2页/共84页
块状材料 (靶材)
真空蒸发镀膜
物理气相沉积
➢ 方法的核心点：薄膜材料通过物理方法产生并输运到基体表面的镀膜
方法；
➢ 通常是固体或熔融源；
➢ 一般来说，在气相或衬底表面没有化学反应；
➢ 需要相对较低的气体压力环境：
该物质的饱和蒸气压。
饱和蒸气压
一定温度下，蒸发(或升华)出来的蒸气分子的量
标志着物质的蒸发(或升华)能力
注意：取决于液体(或固体)本性和温度，与液体(或固体)存在的量无关。
第20页/共84页
真空蒸发镀膜
饱和蒸气压：
克拉伯龙——克劳修斯方程：
d ln Pv vap H m
dT
RT 2
1、应用范围：
先自由蒸发一段时间(此时用挡板挡住基片，防止镀在基片上)，
然后打开挡板开始蒸镀。由于室内活性气体减少，提高了膜层
质量。
(3) 提高真空度。把真空度提高到1.310-4Pa以上，使蒸镀
材料分子到达基片的速率高于残余气体分子到达率。
第15页/共84页
真空蒸发镀膜
• 淀积过程
在通常的蒸发压强下，原子或分子从蒸发源迁移到基片的途程
中并不发生碰撞，因此迁移中无能量损耗。当它们入射到接近于
基片的若干原子直径范围时，便进入工件表面力的作用区域，并
在工件表面沉积，形成薄膜。
蒸发材料蒸气分子到达基片的数量可用下式表示：
z m z 3.5 10 22 p x (
1 1/ 2
) (个分子 / cm 2 s)
TM
溅射等现象，实现物质原
子从源物质到薄膜的可控
转移的过程。
能量
第2页/共84页
块状材料 (靶材)
真空蒸发镀膜
物理气相沉积
➢ 方法的核心点：薄膜材料通过物理方法产生并输运到基体表面的镀膜
方法；
➢ 通常是固体或熔融源；
➢ 一般来说，在气相或衬底表面没有化学反应；
➢ 需要相对较低的气体压力环境：
该物质的饱和蒸气压。
饱和蒸气压
一定温度下，蒸发(或升华)出来的蒸气分子的量
标志着物质的蒸发(或升华)能力
注意：取决于液体(或固体)本性和温度，与液体(或固体)存在的量无关。
第20页/共84页
真空蒸发镀膜
饱和蒸气压：
克拉伯龙——克劳修斯方程：
d ln Pv vap H m
dT
RT 2
1、应用范围：
先自由蒸发一段时间(此时用挡板挡住基片，防止镀在基片上)，
然后打开挡板开始蒸镀。由于室内活性气体减少，提高了膜层
质量。
(3) 提高真空度。把真空度提高到1.310-4Pa以上，使蒸镀
材料分子到达基片的速率高于残余气体分子到达率。
第15页/共84页
真空蒸发镀膜
• 淀积过程
在通常的蒸发压强下，原子或分子从蒸发源迁移到基片的途程
中并不发生碰撞，因此迁移中无能量损耗。当它们入射到接近于
基片的若干原子直径范围时，便进入工件表面力的作用区域，并
在工件表面沉积，形成薄膜。
蒸发材料蒸气分子到达基片的数量可用下式表示：
z m z 3.5 10 22 p x (
1 1/ 2
) (个分子 / cm 2 s)
TM
真空蒸发镀膜法介绍、特点和应用
Байду номын сангаас入汽相。 表 2-1
在 Pv=10-2 托时，物质的蒸发温度。
材料
蒸发温度
与熔点的比较 熔点
Au
1405K
>
1336K
Al
1245K
>
932K
Zn
520K
<
693K
Cd
450K
<
594K
Si
1610K
<
1685K
Ta
2860K
<
3270K
W
3030K
<
3650K
4. 蒸发速率
单位时间蒸发到基板上的蒸发物质的量(分 子数或质量)。
汽压。最大蒸J m 发速率Jm，
dN
Pv
(c m 2 .s 1 )
A dt 2 m kT
2 .6 4 1 0 24 Pv (
1) TM
3 .5 1 1 0 22 Pv (
1) TM
M—蒸发物质的摩尔质量。
单位面积的质G 量m J m蒸发速率G，
m 2 k T .Pv
5.83 10 2
1. 真空蒸发结构
真空室：为蒸发过程提供必要的真空环境; 蒸发源: 放置蒸发材料并对其加热； 基板：用于接收蒸发物质并在其表面形成固体物
质； 基板加热器及测量器等。
2. 真空蒸发的基本过程
真空蒸发镀膜包括以下三个基本过 程：
加热蒸发过程: 由于每种物质在不同 温度下有不同的蒸汽压，蒸汽压与 温度成正比。加热待蒸发的材料， 使由凝聚相转变为气相，即固相 液相气相，或固相气相。
BaTiO3, SrTiO3, ZnS 等复杂组成的化合物材料。
真空蒸发镀膜蒸镀
文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。
2. 残余气体对制膜旳影响
（1）残余气体旳蒸发速率Ng： N g 3.5131022
g Pg
M gTg
(13)
（2）到达基片旳气体分子与蒸气分子之比(面源)：
N g Pg Nd P
MT
r 2
Pg K
M gTg Acos cos P
(14) （ g）
文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。
（2）电子束加热蒸发源 电子束集中轰击膜料旳一部分而进行加热旳措施。
图8.2.5 电子束加热蒸发源
电子束加热蒸发源由： 阴极、加速电极、阳极 （膜料）构成。
还有高频加热蒸发源、 激光蒸发源等。
文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。
优点:
（1）能够直接对蒸发材料加热； （2）装蒸发料旳容器能够是冷旳或者用水冷却，从而 可防止
点e
4 r
cos 2
m cos 4 r 2
（7）
小型平面蒸发源： m cos cos t r 2
令： cos cos h / r h /
h2 x2 ，
在x=0处：cos=cos=1
m
∴ t0 4 h2 (点源) (9)
m
t0 h2
（8） (面源) (10)
(1/cm2·s)
(5)
小型圆平面源：
Nd
AN e
cos r 2
cos
(1/cm2·s)
(6)
β、θ为蒸气入射方向分别与蒸刊 登面和接受表面法向旳夹角 。
图8.2.3 、角旳意义
文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。
（4）蒸发制膜旳厚度
∵τ时间内，蒸发材料旳总量：m =ANe，密度：
真空蒸发镀膜资料
a)其他气体分子对于气相分子的散射作用较小； b)气相分子的运动路径近似为一条直线； c)气相分子在衬底上的沉积几率接近100%。 代表性技术：蒸发镀膜、溅射镀膜； 技术特点：真空度高、沉积温度低、设备相对比较简单。薄膜质量可 控度小、表面容易不均匀。
真空蒸发镀膜
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，形成蒸气流，入射到基片 表面，凝结形成固态薄膜的方 法。
λ ＞＞ 源基距
Example: 若要求f ≤0.1, 源基距为25cm 则P ≤3×10-3Pa
真空蒸发镀膜
蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 在真空蒸发镀膜过程中，能否在基板上获得均匀膜厚，是制膜的关键问题。
膜厚的影响因素 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。
1. 残留气体的污染。 2. 蒸发源物质的纯度； 3. 加热装置、坩埚的污染；
单位时间内通过单位面积的气体的分子数：
Ng
1 4
nVa
P
2mkT
25℃时，10-5 Torr时， Ng大约为1015~1016个/cm2·s， 此时蒸发原子与杂质原子几乎按1：1到达 基板
真空蒸发镀膜
残留气体的影响 大气的残余物（O2、N2、CO2、H2O），扩散泵油蒸气，真空室吸气 对真空蒸发镀膜质量有重要影响。 在设计优良的系统中，真空泵的回流扩散作用不明显。 当P≤10-4Pa时，主要为被解吸的真空室吸气。 水汽影响很大，易与金属膜反应，或与W，Mo等加热器材料反应，生 成氧化物和氢。
真空蒸发镀膜
蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 二、小平面蒸发源
特点：发射特性具有方向性 在θ角方向蒸发的材料质量与cosθ成正比
真空蒸发镀膜
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，形成蒸气流，入射到基片 表面，凝结形成固态薄膜的方 法。
λ ＞＞ 源基距
Example: 若要求f ≤0.1, 源基距为25cm 则P ≤3×10-3Pa
真空蒸发镀膜
蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 在真空蒸发镀膜过程中，能否在基板上获得均匀膜厚，是制膜的关键问题。
膜厚的影响因素 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。
1. 残留气体的污染。 2. 蒸发源物质的纯度； 3. 加热装置、坩埚的污染；
单位时间内通过单位面积的气体的分子数：
Ng
1 4
nVa
P
2mkT
25℃时，10-5 Torr时， Ng大约为1015~1016个/cm2·s， 此时蒸发原子与杂质原子几乎按1：1到达 基板
真空蒸发镀膜
残留气体的影响 大气的残余物（O2、N2、CO2、H2O），扩散泵油蒸气，真空室吸气 对真空蒸发镀膜质量有重要影响。 在设计优良的系统中，真空泵的回流扩散作用不明显。 当P≤10-4Pa时，主要为被解吸的真空室吸气。 水汽影响很大，易与金属膜反应，或与W，Mo等加热器材料反应，生 成氧化物和氢。
真空蒸发镀膜
蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 二、小平面蒸发源
特点：发射特性具有方向性 在θ角方向蒸发的材料质量与cosθ成正比
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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：
RT P
Va
则有
dP PH dT RT 2
ΔH≈物质在某温度的汽化热ΔHe或蒸发热
ln P He I RT
t0
Me
4 h 2
t t0
1 [1 (l / h)2 ]3/2
二．面蒸发源
其蒸气发射特性具有方向性，发射限为半球。蒸 发源的发射按所研究的方向与表面法线间夹角呈 余弦分布，即遵守克努曾定律
dM s dAs
M e cos cos r 2
当 θ=φ时
根据面蒸发源示意图有： 所以
cos cos h
（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）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。
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。
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。
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。
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
N ARd Ma
R碰撞
Pg
2 mkT
M
为薄膜分子的摩尔质量
a
Pg
2 M g R T
NA NA
N APg
2 M g RT
则
Ci
R碰撞 R沉积
=5.83 102
Pg M 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。
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
Ñ Me RmdAdt Rmt14 r2 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
dM s Me
舟状
丝状
坩埚
克努曾槽
自由蒸发源
坩埚蒸发源
蒸发坩锅种类
电阻蒸发源材料：
W，Mo，Ta，BN，C 等熔点高, 平衡蒸汽压 低 ,化学性能稳定。但存在以下缺点：
1）与蒸发材料形成低熔点合金； 2）薄膜纯度不高。
电阻加热法的特点：
(1)构造简单、造价便宜、使用可靠 (2)加热所达最高温度有限、蒸发速率较低、蒸发面积 小 ，不能使高熔点、难蒸发材料蒸发 (3)直接加热时：待蒸发材料与电热材料反应或互溶影 响薄膜纯度。 (4)采用坩埚间接加热时，热效率。 (5)蒸发某些易分解化合物时，薄膜成分与待蒸发材料 不一致。 (6)不适合高纯度薄膜的制备。
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
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。
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。
❖ 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。
优点：使用方便 功率变化范围广 易于调节
缺点：设备体积大，结构复杂，成本高 易污染待蒸发材料和电子枪
e形枪结构示意图
优点：不易污染灯丝，功率大 可蒸发高熔点材料 成膜质量较好
缺点：要求高真空 设备成本高
电子束蒸发特点： 优点： (1)电子束轰击热源的束流密度高，能获得远比电阻加 热源更大的能流密度。蒸发高熔点材料 (2)由于被蒸发材料是置于水冷坩埚内，因而可避免容 器材料的蒸发，以及容器材料与蒸镀材料之间的反应， 这对提高镀膜的纯度极为重要。 (3)热量可直接加到蒸镀材料的表面，因而热效率高， 热传导和热辐射的损失少。
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
Z 1 nv n：分子密度；
Ph
4
PV
v ：气体分子的算术平均速率
v
8 RT
m
Re
dN Adt
e
PV Ph
2 mRT
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）
dAc
4r 2
dAs cos 4r 2
dM s dAs
M e cos 4 r2
薄膜厚度： d dM s
dAs
l
d
cosM e 4r 2
hM e
4(h2 l 2 )3/2
h
t
d t1
hm
4 (h2 l 2 )3/2
在点源正上方的单 位时间的膜厚增加 t0（l=0）：
1
2nd 2
KT
2Pd 2
在室温下，空气
0.667 (cm)
P
设N0个气体分子飞行d距离，被碰撞的气体 分子数N
N
N0
1
exp(
d
)
被碰撞的粒子百分数
f N 1 exp( 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
缺点：装置复杂 残余气体和部分待蒸发材料的蒸气电离，产生
的电子和正离子轰击基片，对薄膜成分、结构和性能 产生影响
3. 高频感应蒸发源 将装有蒸发材料的坩埚放在高频螺旋线圈的中央，使蒸
发材料在高频电磁场的感应下产生强大的涡流损失和磁滞 损失（对铁磁体），致使蒸发材料升温，直至气化蒸发。
1．电阻蒸发源
通常对蒸发源材料的要求是 ： ❖ (1)熔点要高。 ❖ (2)饱和蒸气压低。防止或减少在高温下蒸发源材料会随蒸
发材料蒸发而成为杂质进入蒸镀膜层中。 ❖ (3)化学性能稳定，在高温下不应与蒸发材料发生化学反应。 ❖ (4) 具有良好的耐热性。热源变化时，功率密度变化较小； ❖ (5)原料丰富，经济耐用。
❖ 在蒸发沉积装置中，最重要的组成部分就是 物质的蒸发源。
目前，真空蒸发使用的蒸发源根据其加热原理可 以分为：电阻加热、电子加热、高频感应加热、电 弧加热和激光加热等五大类。电阻加热采用钨、钼、 钽等高熔点金属做成适当形状的蒸发源，或采用石英 坩埚等。根据蒸发材料的性质以及蒸发源材料的浸润 性等制作成不同的蒸发源形状。
M 克 /(厘米2 秒) T
5.84102 PV (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
❖ 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。
电子枪电偏转）
(3)e形枪（磁偏转）
环形枪结构示意图如右图
环型枪是靠环型阴极来发射电子 束，经聚焦和偏转后打在坩埚中 使坩埚内材料蒸发。 其结构较简单，但是功率和效率 都不高，灯丝易受污染。多用于 实验性研究工作，在生产中应用 较少。
直枪结构示意图
第一节 真空蒸发镀膜原理
一．定义：真空蒸发镀膜(蒸镀)是在 真空条件下，加热蒸发物质使之 气化并淀积在基片表面形成固体 薄膜，是一种物理现象。 广泛地应用在机械、电真空、无 线电、光学、原子能、空间技术 等领域。 加热方式可以多种多样。
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
r
d
cos cosM e r 2
h2M e
(h2 l 2 )2
t
d t1
h2m
(h2 l2 )2
t0
m
h2
三. 点源和面源的比较：
面源：