真空蒸发镀膜法

§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） 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， 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， 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， 到固体（称为衬底或基片）表面，凝结形成固态薄膜 的方法。 的方法。 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 热蒸发法。 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 薄膜； (4) 基板加热器及测温器等 基板加热器及测温器等。 1. 真空蒸发镀膜法的优缺点 真空蒸发镀膜法的优缺点： 优点：是设备比较简单、操作容易； 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、 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 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。 机理比较单纯 缺点：不容易获得结晶结构的薄膜， 缺点：不容易获得结晶结构的薄膜，所形成薄膜在 板上的附着力较小，工艺重复性不够好等。 基 板上的附着力较小，工艺重复性不够好等。
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2.真空蒸发镀膜的三种基本过程： 真空蒸发镀膜的三种基本过程： 真空蒸发镀膜的三种基本过程 (1)热蒸发过程 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 温度时有不相同的饱和 温度 饱和 蒸气压；蒸发化合物时，其组分之间发生反应，其中 蒸气压 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 气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运， 气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运 些粒子在环境气氛中的飞行过程。 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 平均自由程及蒸发源到基片之 平均自由程 间的距离，常称源—基距。 基距。 源 基距 (3)蒸发原子或分子在基片表面上的淀积过程， 蒸发原子或分子在基片表面上的淀积过程， 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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上述假设的实质就是设每一个蒸发原子或分子， 上述假设的实质就是设每一个蒸发原子或分子，在 入射到基板表面上的过程中均不发生任何碰撞， 入射到基板表面上的过程中均不发生任何碰撞，而且 到达基板后又全部凝结。 到达基板后又全部凝结。 一．点蒸发源 通常将能够从各个方向蒸发等量材料的微小球状蒸 发源称为点蒸发源（简称点源） 一个很小的球 一个很小的球dS， 发源称为点蒸发源（简称点源）。一个很小的球 ， 以每秒m克的相同蒸发速率向各个方向蒸发 克的相同蒸发速率向各个方向蒸发， 以每秒 克的相同蒸发速率向各个方向蒸发，则在单 位时间内，在任何方向上，通过如图 所示立体角 位时间内，在任何方向上，通过如图2-4所示立体角 dω的蒸发材料总量为 ，此角度为蒸发源和表面的 的蒸发材料总量为dm， 的蒸发材料总量为 角度，则有 角度， dm = m / 4π·dω （2-21） 因此，在蒸发材料到达与垂直蒸发方向成θ角的小 因此，在蒸发材料到达与垂直蒸发方向成 角的小 面积dS 的几何尺寸已知时， 面积 2的几何尺寸已知时，则淀积在此面积上的膜材 厚度与数量即可求得。 厚度与数量即可求得。由图可知
(2-9)
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式中， 为蒸发物质的摩尔质量 如果对式（ ） 为蒸发物质的摩尔质量。 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， 乘以原子或分子质量，则得到单位面积的质量蒸发速 率
G = mJ m = m / 2π kT • Pv ≈ 5.83 ×10
−2 −3
M / T • Pv ( g / cm • s, Torr )
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二、饱和蒸气压和蒸汽压方程 1．饱和蒸汽压 ． 一定温度下 一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸气与固体或液 平衡过程中所表现的压力称为该物质的饱和蒸气压。 中所表现的压力称为该物质的饱和蒸气压 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 一定的饱和蒸气压必定对应一定的物质的温 饱和蒸汽压表征了物质的蒸发能力。 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 托时的温度， 已经规定物质在饱和蒸气压为 -2托时的温度，称 为该物质的蒸发温度 蒸发温度。 为该物质的蒸发温度。 2．蒸汽压方程 ． 饱和蒸气压Pv与温度 与温度T之间的数学表达式称为 饱和蒸气压 与温度 之间的数学表达式称为 蒸汽压方程。 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）。 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 Vg -Vs≈Vg ，Vg = RT/Pv (2-2) 式中， 是气体常数 其值为8.31×107J/K·mol。 是气体常数， 式中，R是气体常数，其值为 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
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dS1 = dS2·cosθ dS1 = r2·dω 则有 dω= dS2·cosθ/ r2 = dS2·cosθ/（h2+x2）（2-22） r是点源与基板上被观察膜厚点的距离。 是点源与基板上被观察膜厚点的距离。 是点源与基板上被观察膜厚点的距离 所以蒸发材料到达dS 上的蒸发速率dm 所以蒸发材料到达 2上的蒸发速率 可写成 dm = m/4π· dS2 cosθ/ r2 （2-23） 假设蒸发膜的密度为ρ； 假设蒸发膜的密度为 ；单位时间内淀积在 dS2上的膜厚为 ，则淀积到 2上的薄膜体积为 上的膜厚为t，则淀积到dS 上的薄膜体积为t·dS2， 则 dm =ρ·t·dS2 （2-24） 将此值代入式（2-23），则可得基板上任意一点的膜厚 t = m /4πρ·cosθ/ r2 （2-25）
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≈ 4.37 ×10
M / T • Pv (kg / m • s, Pa )
2
(2-10)
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真空蒸发镀膜过程中，能否在基板上获得均匀膜厚 均匀膜厚， 均匀膜厚 是制膜的关键问题。 关键问题。 关键问题 基板上不同蒸发位置的膜厚，取决于蒸发源的蒸发 取决于蒸发源的蒸发 或发射）特性、基板与蒸发源的几何形状、 （或发射）特性、基板与蒸发源的几何形状、相对位 置以及蒸发物质的蒸发量。 置以及蒸发物质的蒸发量。 为了对膜厚进行理论计算，找出其分布规律，首先 对蒸发过程作如下几点假设： （1）蒸发原子或分子与残余气体分子间不发生碰撞； ）蒸发原子或分子与残余气体分子间不发生碰撞； （2）在蒸发源附近的蒸发原子或分子之间也不发生 ） 碰撞； 碰撞； （3）蒸发淀积到基板上的原子不发生再蒸发现象， ）蒸发淀积到基板上的原子不发生再蒸发现象， 即第一次碰撞就凝结于基板表面上。(P25) 即第一次碰撞就凝结于基板表面上。
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t = m /4πρ·cosθ/ r2 （2-25） 经整理后得 t = mh / 4πρr3 = mh/4πρ（h2+x2）3/2 (2-26) 在点源的正上方， 当dS2在点源的正上方，即θ=0时，cosθ=1， 时 ， 表示原点处的膜厚， 用t0 表示原点处的膜厚，即有 t0 = m/4πρh2 （ 2-27） 显然，t0是在基板平面内所能得到的最大厚度。则 在基板架平面内膜厚分布状况可用下式表示 t/t0 = 1 / [1+（x/h）2]3/2 （2-28）
α 为蒸发系数， 为 式中， 为蒸发分子 原子） 为蒸发分子（ 式中，dN为蒸发分子（原子）数， e 为蒸发系数，A为 蒸发表面积，t为时间（秒）v 和Ph 分别为饱和蒸气压 蒸发表面积， 为时间（ P 为时间 与液体静压（ ）。 ）。当 与液体静压（Pa）。当 α e=1和 P h=0 时，得最大蒸发 和 速率： 速率： −2 −1
式中， 为冷凝系数，一般 ≤1， P 式中， 为冷凝系数， ， 为饱和蒸气压。 为饱和蒸气压。 v
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α
J = α Pv / 2π mkT (2-7)
α
设蒸发材料表面液相、气相处于动态平衡，到达液 设蒸发材料表面液相、气相处于动态平衡， 相表面的分子全部粘接而不脱离， 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， 分子数相等，则蒸发速率可表示为
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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， 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/ 2π mkT (2-6)
式中， 是分子密度 v 是算术平均速度， 是分子质量 是分子密度， 是分子质量， 为玻 式中，n是分子密度， a是算术平均速度，m是分子质量，k为玻 尔兹曼常数。 尔兹曼常数。 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， 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
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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 与温度之间的关系， 的 近似直线图 看出，饱和蒸气压随温度升高而迅速增加， 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 正常蒸发速率所需温度，即饱和蒸气压约为 时的 温度（已经规定物质在饱和蒸气压为 已经规定物质在饱和蒸气压为10 托时的温度， 温度 已经规定物质在饱和蒸气压为 -2托时的温度， 称为该物质的蒸发温度）。 称为该物质的蒸发温度）。 因此， 因此，在真空条件下蒸发物质要比常压下容易的 所需蒸发温度也大大降低， 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 。