第四章 真空蒸发镀膜法分解

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。 影响真空镀膜质量和厚度的因素主要有蒸发源的温
(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。
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：
dP PH dT RT 2
RT P Va
则有
H e ln P I RT
ΔH≈物质在某温度的汽化热ΔHe或蒸发热
Pg
为薄膜分子的密度
Ma

M a为薄膜分子的摩尔质量
Pg Mg R 2 T NA NA
2 mkT

N A Pg 2 M g RT
则
Pg M a R碰撞 2 Ci =5.83 10 R沉积 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;
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。 （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。
I：积分常数
B ln P A T
只在一定温度范围内成立，实际上I与温度相关
15993 Al : ln P 14.533 0.999 lg T 3.52 106 T T
B ln P A T
说明:
1) 平衡蒸汽压为1 Pa时的温度即蒸发所需的 温度;
2) 温度变化10%，平衡蒸汽压变化大约一个 数量级，对温度很敏感； 3) 蒸发温度高于熔点，液体 ~ 蒸汽
蒸发速率公式
Ph ~ 0, 0 e 1, 可设 e 1 则
Pv 24 P v (P a) Re 2.64 10 分子/(厘米2 秒) 2 mRT MT 22 P v (Torr ) 3.5110 分子 /(厘米2 秒) MT
Rm mRe P V m M 4 2 4.37 10 P ( Pa ) 克 /( 厘米 秒) V 2 RT T M 2 5.84 10 P ( Torr ) 克 /( 厘米 秒) V T
蒸发温度低于熔点，固体 ~ 蒸汽，升华
二. 蒸发速率
1 Z nv n：分子密度； 4 v ：气体分子的算术平均速率
Ph
PV
P V P h 2 mRT
v
8 RT m
dN Re e Adt
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）
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. Leabharlann Baidu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 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。


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。
五.真空热蒸发镀膜法的特点
特点：

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，用掩模可以获得清晰图形； 薄膜的生长机理比较简单； 这种方法的主要缺点是：不容易获得结晶结构的薄膜；所形 成的薄膜在基板上的附着力较小；工艺重复性不够好等。

1 2 2nd
KT 2 2Pd
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
d N N 0 1 exp( )
被碰撞的粒子百分数
f N d 1 exp( ) N0
0.667 (cm) P
2
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。

二．蒸发物质的碰撞几率和纯度
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
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。
R沉积
R碰撞
N A Rd