薄膜的物理气相沉积课件.ppt

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1、第二章薄膜的物理气相沉积（Ⅰ）—蒸发法引言第一节物质的热蒸发第二节薄膜沉积的厚度均匀性和纯度第三节真空蒸发装置引言一.定义物理气相沉积PhysicalVaporDeposition（PVD）：利用某种物理的过程（如热蒸发和溅射），实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移的过程。二.特点（相对化学气相沉积而言）：1、需要使用固态的或者熔融态的物质作为沉积过程的源物质；2、源物质要经过物理过程进入气相；3、需要相对较低的气体压力环境；4、在气相中及衬底表面并不发生化学反应。最常见的PVD方法蒸发法：溅射法：1、较高的沉积速度；2、相对较高的真空度，导致较高的薄膜质量。1、在沉积多元合金薄膜

2、时化学成分容易控制；2、沉积层对衬底的附着力较好。三.分类脉冲激光沉积法第一节物质的热蒸发（ThermalEvaporation）一、元素的蒸发速率二、元素的蒸气压三、化合物和合金的蒸发一、物质的蒸发速度1.元素的净蒸发速率在一定的温度下，每种液体或固体物质都具有特定的平衡蒸气压。当环境中被蒸发物质的分压降低到了其平衡蒸气压以下时，就会发生物质的净蒸发。由气体分子通量的表达式，单位表面上净蒸发速率应为：（2-1）其中α为一个系数，它介于0~1之间；Pe——平衡蒸气压；ph——实际分压当α=1，并且ph=0时，Φ取得最大值。一.蒸发速率的表达式由于物质的平衡蒸气压随着温度的上升增加

3、很快，因而对物质蒸发速度影响最大的因素是蒸发源的温度。。（2-2）2.元素的质量蒸发速率二.影响蒸发速率的因素二、元素的平衡蒸气压克劳修斯-克莱普朗方程指出，物质的平衡蒸气压pe随温度T的变化率可以定量地表达为：其中，ΔH——蒸发过程中单位摩尔物质的热焓变化，随着温度不同而不同，ΔV——相应过程中物质体积的变化。（2-3）一.平衡蒸气压的推导由于在蒸发时，故（2-4）利用理想气体状态方程，1mol气体的体积为：代入克-克方程，则有作为近似，可以利用物质在某一温度时的气化热ΔHe代替ΔH，从而得到物质蒸气压的两种近似表达方式：其中，I——积分常数，B——相应的系数。说明：由于使用了近

4、似条件ΔHe=ΔH，即热焓变化=汽化热，故蒸气压表达式只在某一温度区间才严格成立。要准确地描述Pe-T的关系，应该将△H写成△H（T）的函数形式。例如：液态下的Al贡献较小P-T关系：两者之间基本上保持为线性关系根据物质的蒸发特性，物质的蒸发模式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。（固-气）例如：Cr，Ti，Mo，Fe，Si等二.元素的蒸发C例外三、化合物和合金的热蒸发一.化合物的蒸发1.化合物蒸发中存在的问题：蒸发出来的蒸气可能具有完全不同于其固态或液态的成分；（蒸气组分变化）在气相状态下，还可能

5、发生化合物各组元间的化合与分解过程。后果是沉积后的薄膜成分可能偏离化合物正确的化学组成。2.化合物蒸发过程中可能发生的各种物理化学变化无分解蒸发、固态分解蒸发和气态分解蒸发1.合金蒸发与化合物蒸发的区别与联系联系：也会发生成分偏差。区别：合金中原子间的结合力小于在化合物中不同原子间的结合力，因而合金中各元素原子的蒸发过程实际上可以被看做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。二.合金的蒸发2.合金蒸发的热力学定律描述1）理想溶液的拉乌尔定律当AB二元合金的两组元A-B原子间的作用能与A-A或B-B原子间的作用能相等时，合金即是一种理想溶液。由理想溶液的拉乌尔定律，合

6、金中组元B的平衡蒸气压pB将小于纯组元B的蒸气压pB(0)，并与它在合金中的摩尔分数xB成正比，即（2-6）对于A-B二元理想溶液来讲，A、B两组元的气压之比为1887年法国物理学家拉乌尔（Raoult）在溶液蒸气压实验中总结出著名的拉乌尔定律。拉乌尔定律指出：如果溶质是不挥发性的，即它的蒸气压极小，与溶剂相比可以忽略不计，则在一定的温度下，稀溶液的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压与其分子分数的乘积。当组元B与合金间的吸引作用较小时，它将拥有较高的蒸气压；反之，其蒸气压将相对较低。用活度αB代替式2-7中的浓度xB，应有（2-8）（2-9）其中2）热力学描述γB为元素B在合金中的活度系数由

7、物质蒸发的速度公式得到合金组元A，B的蒸发速率之比为结论：当需要制备的薄膜成分已知时，由上式就可以确定所需使用的合金蒸发源的成分。（2-10）例如：已知在1350K的温度下，Al的蒸气压高于Cu，因而为了获得Al－2％Cu成分的薄膜，需要使用的蒸发源的大致成分应该是Al－13.6％Cu。对于初始成分确定的蒸发源来说，确定的物质蒸发速率之比将随着时间变化而发生变化。解决办法：1、用较多的蒸发物质作为蒸发源；2、采用向蒸发容器中每次只加入少量被蒸发物质的方法，使不同的组元