薄膜的物理气相沉积-蒸发法

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1、第2章薄膜物理气相沉积---蒸发法主要内容引言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真空蒸发装置一、定义物理气相沉积（PhysicalVaporDeposition，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。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。引言蒸发法：把装有基片的真空室抽成真空，使气体压强达

2、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。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。引言三、分类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。要实现蒸发法镀膜，需要三个最基本条件：加热

3、，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2.1物质的热蒸发（1）元素的蒸发速率---蒸发现象：•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。元素的质量蒸发速率：

4、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：2.1物质的热蒸发为单位表面上元素的质量蒸发速率。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：2.1物质的热蒸发2.1物质的热蒸发2.1物质的热蒸发2

5、.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。•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

6、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；--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,III-V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,SnO2,2.1物质的热蒸发2.1物质的热蒸发1、化合物的蒸发化合物蒸发

7、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。合金的蒸发：•合金

8、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