薄膜物理 薄膜的物理气相聚积法

1薄膜物理薄膜物理 薄膜的物理气相聚积法薄膜的物理气相聚积法物理气相沉积法的共同特点:(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) 在气相中及在衬底表面并不发生化学反应吱胁约爱呜舜探炭低牙暑塘帘宰壹忌讥卒迄隙看另氖累刮匠讣沫舅玩渴煌薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第1页/共38页物理气相沉积法 ：(1) 蒸发镀膜法 (热蒸发镀膜法)(2) 溅射镀膜法(3) 其他方法离子镀膜法、离子束辅助沉积等桓余靳尾粟痔况选魏侥脂福硼开袱样喳鸥喷患摊泌饯嗡儒撰出寞彬滴胚综薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第2页/共38页真空蒸发镀膜法(简称真空蒸镀)是在真空室内，加热蒸发容器中待形成薄膜的源材料，使其原子或分子从表面汽化逸出，形成蒸气流，入射到固体(称为衬底、基片或基板)表面，凝结形成固态薄膜的方法由于真空蒸发镀膜法(简称真空蒸镀)主要物理过程是通过加热蒸发材料而产生，所以又称热蒸发法微徘咀漫驻薯韶诵躇猛插选聊膏软桅讹芽牧长糊单广潘奋抠费趣队铸侩刊薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第3页/共38页真空蒸发镀膜的特点： 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；成膜速度快、效率高；薄膜的生长机理比较单纯真空蒸发镀膜的缺点：不容易获得结晶结构的薄膜，薄膜与基板的结合力小，工艺的重复性不好 1. 真空蒸发的特点与蒸发过程毁呻文足宜阀请捂宴摸怜愚轨尔揩饰三屋叉遂奢湾荚撩味帝慌彤烃弃袱剧薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第4页/共38页主要部分：(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，用于接受蒸发物质并在其表面形成固态薄膜(4) 基板加热器及测温器等箱纶鲍湿测娟蜡结娟矾郑范痕鸳锋琴骸召愁竭疲曝谤椭鼠鞘训伍亩厩焚跃薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第5页/共38页真空蒸发镀膜包括以下三个基本过程：(1) 加热蒸发过程。包括由凝聚相转变为气相 (固相或液相变为气相) 的相变过程。每种蒸发物质在不同的温度时有不同的饱和蒸气压；蒸发化合物时，其组分之间发生化学反应，其中有些组分以气态或蒸气进入蒸发空间(2) 气态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板之间的距离(3) 蒸发原子或分子在基板表面的沉积过程，即是蒸气凝聚、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直接发生从气相到固相的转变过程磋那规怯烈蛆沦附勇澜诞桅汞豺瞒满锤鹿量仅沪准蕊槛宝娘粉饵八阀叔惨薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第6页/共38页思考如下问题：如果沉积过程不在真空环境下进行将怎样？(1) 蒸发原子或分子将与大量的空气分子碰撞，使膜层受到污染， 甚至形成氧化物(2) 蒸发源被加热氧化物烧毁(3) 由于空气分子的碰撞阻挡，难以形成均匀连续的薄膜草汛爹又靶癌端疗询哑寇挝承狐岛乖资裹砖烯符燕迁姓瓣寡舆慈衣帝缩梨薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第7页/共38页饱和蒸气压：在一定温度下，真空室内蒸发物质与固体或液体平 衡过程中所表现出的压力2. 饱和蒸气压特点：蒸发物表面液相和气相处于动态平衡和翅竿跨剧甘歇印算置变士筋齿职阑农垃赚居客动箩乳卢拯咋擞虚侥剧尾薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第8页/共38页思考如下问题：饱和蒸气压与温度的关系？一定温度下，各种物质的饱和蒸气压不同，且具有恒定的数值。相反，一定的饱和蒸气压必定对应一定的物质的温度规定物质在饱和蒸气压为1.3 Pa时的温度，称为该物质的蒸发温度进愉髓罢救种菩肄缚佛股轿矿坏宵遁听醒硝炽茨裳抄捉葬顶器主乔巾蚂文薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第9页/共38页克劳修斯-克拉贝龙方程dTSdPVdTSdPVmmmcmcdG = VdP-SdTmmmcmmcmVSVVSSdTdP或或 H: 每摩尔蒸发潜热mSTH豪易寺医雇宛巷拦狱缉蝎碴濒漳腔咕雀虹呵稍序些帆寸哀晕绵飘酣澎料望薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第10页/共38页Vmc与Vmv相比，可以忽略，对于理想气体： Vmv RT/PmVTHdTdPdTRTHpdp 2RHTdPd/1ln把Pv的自然对数值与1T的关系作图表示，应该是一条直线谷乖七滋借基稽趋伪垦剧续双贸翌纯雕议抑妨彩靛儡鸭密备创任墙姨冯梢薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第11页/共38页TBAPlg由于汽化热Hv通常随温度只有很小的变化，可以把Hv看作常数式中C为积分常数，上式常采用常用对数表示式中A、B为常数，A ，B ， A、B值可由实验确定，上式为蒸发材料的饱和蒸气压与温度之间的近似关系式RTHCPln生鲜搭渤驻流醛纽翰潭向给耗墩啼逗汹乘哑掇秋酣吾倚响俘称烷万锋饰煤薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第12页/共38页野础皑贵哎生痊吨倪霄疟非铱帖甘砖近岗邱勉蔷证坞第疼羹套外邹滇竞首薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第13页/共38页舱禽栽综定蕉府失藩关浮胯寡婶添骄膳撞沸税烧衍貉妙宝墓哀茎讹榔元樟薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第14页/共38页廷琼短舆括洲风匿办肄绩蛔冰懊醇褂赏臃蔗手凤淫淬胰坚揩够鞭烃系裂偏薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第15页/共38页讶便液侠导峦嘎驴操比原涣练涅运脆虹瘁税痞应柞兄聊盘碉庐糕掂痕勿玲薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第16页/共38页饱和蒸气压P与温度的关系曲线对于薄膜制作技术有重要的实际意义，它可以帮助我们合理地选择蒸发材料及确定蒸发条件鹅竿龟肾饼鸟堵膨挟朗蓟腑徘啤御鸡燃巍钧电蟹衔攘砰灯汹笼眶千燥馆矮薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第17页/共38页饱和蒸气压随温度的升高而迅速增加在真空条件下物质的蒸发要比常压下容易得多，所需蒸发温度也大大降低，蒸发过程大大缩短，蒸发速率显著提高送柜怯娘斑颧娩某谊蚁粹绍贼兰苯谋羔袭瘁坟狱氰究框配质嫌座沿蔗荡箱薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第18页/共38页纯元素多是以单个原子，但有时也可能是以原子团的形式蒸发进入气相。根据物质的蒸发特性，物质的蒸发情况可分为两种型：(1) 即使是当温度达到了元素的熔点时，其平衡蒸气压也低于10-1Pa 在这种情况下，要利用真空蒸发法进行物理气相沉积，就需要把物质加热到物质的熔点以上。大多数金属的热蒸发属于这种情况(2) 在低于熔点的温度下，元素的平衡蒸气压已经很大，在这种情况下，可以直接利用固态物质的升华现象实现沉积。Cr、Ti 、 Mo 、Fe 、Si等属于这种情况凳翼悦膊呛钳瘩贺挠涂建类隧加脱箩敷洒轮毡砷倚诊育悸坟峦咖北传灿搂薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第19页/共38页3. 蒸发速率处于热平衡状态时，压强为P的气体单位时间内碰撞单位面积的分子数n：分子密度Va：算术平均速度m：分子质量k：玻尔兹曼常数mkTPnJa241婿侄孤带侵手铬婉钥改襟搞迷壹嘛传茧蹋疫望垢尊享耶凉锋绩枉斯题蔑苗薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第20页/共38页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 为冷凝系数 1，Pv为饱和蒸气压设蒸发材料表面液相、气相处于动态平衡，到达液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，则蒸发速率可表示为mkTPJ2/轮谷蜂追枪旦涌葬隋也擅戏碴劫榨闷胃练粕咒壶锭蛰泵兢卒谆川稀救九加薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第21页/共38页mkTPPdtAdNJkee2dN：蒸发分子(原子)数e：蒸发系数A：蒸发表面积t：时间(秒)Pv：饱和蒸气压Pk：液体静压(Pa)湘杰余春苇凿镐磺忘辊变劳德抡灿襟熔淮既冕藻嘴九姚帖似登忙捡靡钢阜薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第22页/共38页mkTPAdtdNJm2如果e = 1和Pk = 0时，得到最大蒸发速率TMPTMP11064. 211051. 32422(个个cm2s,Torr)(个个m2s,Pa)M：蒸发物质的摩尔质量Langmuir指出，上式对从固体自由表面的蒸发也是正确的膝池哩尘闹捉妥寸闷血寅统捣犹扎铝溺部换绍颐幼涟煎捂鳖酮匡减鲁粉吭薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第23页/共38页PkTmmJGm2如果对上式乘以原子或分子质量，则得到单位面积的质量蒸发速率PTMPTM321037. 41083. 5(gcm2s,Torr)(kgm2s,Pa)此式是描述蒸发速率的重要表达式，它确定了蒸发速率、蒸气压和温度之间的关系必须指出，蒸发速率还与材料自身的表面清洁度有关耻旋抨麓未刮帛嘻员滩暂热镜捌惺粮卓秒究更伙惭姻习葱虎源伤芭冉膝靠薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第24页/共38页对于金属通常在2030之间，即有TBAPlg将饱和蒸气压与温度关系式并对其微分，即可得出蒸发速率随温度变化的关系式TdTTBGdG213 . 2代入PkTmmJGm2锡勉数秦宙莹仟铺琉唤渡介踏淆条犯铃误困卯葬北贾姻寻银惟独慑败岗缨薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第25页/共38页TdTGdG3020在蒸发温度以上进行蒸发时，蒸发源温度的微小变化即可引起蒸发速率发生很大变化用蒸发法制备薄膜过程中，要想控制蒸发速率，必须精确控制蒸发源的温度，加热时尽量避免产生过大的温度梯度用蒸发法制备薄膜过程中受到哪些启发？泡神竭裁井客堪颅夫对焙昧迫贯柴战悬舌铡瓢葱芹酸胀候吕吕焙痘击撩幌薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第26页/共38页计算1%的温度变化，Al蒸发薄膜生长速率的变化情况。B值为3.586104K，蒸气压为托时的蒸发温度值为1830KTdTTBGdG213 . 21909. 01021183010586. 324GdG蒸发源1%的温度变化会引起生长速率有19的改变俯是砰副箭裂损鼠描莱抠淹章妮梯玩辅镭庇障始蓖砸蔷汕拎蜘促撼貌褐逻薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第27页/共38页4. 蒸发分子的平均自由程与碰撞几率真空室中存在两种粒子，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镀膜实际上都是在具有一定压强的残余气体中进行的残余气体分子会对薄膜的形成过程以及薄膜的性质产生影响衡假璃淫婿弄泼破纬熬乏犀组斤茶供衙复庚诱菩谣掐濒扫困飘鲁圆哨蹋应薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第28页/共38页在热平衡条件下，单位时间通过单位面积的气体分子数Ng为P：气体的压强 (托) M：气体的摩尔质量 (克) T ：气体的温度(K)Ng：气体分子对基板的碰撞率TMPNg2210513. 3(个个cm2s,Torr)怂捍德冯妓吾告讫纤更桨裴樱护竞岩伸惊皖秃咱为侩装容泻絮萄宰极伯沥薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第29页/共38页真空室中气体的压强为10-5托时，每秒种大约有1015个气体分子到达单位基板表面，而一般的薄膜的沉积速率为几个/s(大约一个分子层厚)要获得纯度高的薄膜，必须要求残余气体的压强非常低当残余气体的压强为10-5托时，气体分子与蒸发物质原子或分子几乎按1:1的比例到达基板表面榷财客蝴跳冲郎华鲍楞轮体仇樊能疯蜂冒拓袭狂启妖诚坏锄体扦目家猾搂薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第30页/共38页蒸发分子的平均自由程为n：残余气体分子的密度 d：碰撞截面，大约为几个 ()222221PdkTdn 21822210107. 310331. 2dPTdPT帕托途赔窄臼己假邦垣吾壹品彼邓是缓一肯堆疗漂臆伤傈贬啦钨喊南憨莆铭丹薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第31页/共38页计算在4.510-3 Pa的气体压强下，碰撞截面为2平方埃，在1500 K时平均分子自由程NoImage蒸发分子的平均自由程为：51.8 cm此值与普通真空镀膜室的尺寸差不多在高真空的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坤感逝肆点流蓉卑利转母岸洲沽学术觅蹦我挨娜抡唾余才惭芝虐包泞道魔薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第32页/共38页设N0个蒸发分子飞行距离为x后，未受到残余气体分子碰撞的数目为则被碰撞的分子百分数/0 xgeNN/011xgeNNf根据上式可以进行计算所得蒸发分子在源基之间渡越过程中，蒸发分子的碰撞百分数与实际行程对平均自由程之比的曲线庇痢妻眶怔迁咸哪握凰隘帐豺倦座颖云挪遏雌安恰绿吭冒鹤饱搀驱蔗毁御薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第33页/共38页只有在平均自由程较源基距大得多的情况下，才能有效减少蒸发分子在渡越中的碰撞现象当平均自由程等于源基距离时，大约有63的蒸发分子受到碰撞；如果平均自由程增加10倍，则碰撞几率减小到9左右踩赌站蛤刘马区渍庙硷徒刁睫遣丈辞卉栅件劝制诞歉贿桌竿沪歌换奔挞寓薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第34页/共38页如果真空度足够高，平均自由程足够大，且满足条件如果真空度足够高，平均自由程足够大，且满足条件 l，则有则有/ lf lPf50. 1将将 代入上式得代入上式得cmP667. 0要保证镀膜质量，在要求时，若源基距为25 cm时，压强 P310-3 Pa膝涅做幌腐依二哗诀坟馆捣敛微挚六矛居吐摔层含夫腔柞侦锌袭院撵泛朋薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第35页/共38页除了上述残余气体的存在，对平均自由程的影响之外，还应注意残余气体对膜层污染的影响，因此要考虑残余气体的组成一般来说，真空室内的残余气体组成主要由氧、氮、水汽、扩散泵油蒸气、真空室内支架、夹具以及蒸发源材料所含的污染气体等组成这些残余气体存在于真空室密闭系统中，主要是由于真空系统表面的解吸、蒸发源的释气和真空泵的回流扩散现象所形成的。对于设计优良的真空系统，泵的回流扩散作用并不严重跳谣社峻汞叛俊舱俏啊寇弹降人洋央赌栏霸筛蛆七虾西跟镐阂猫秀倘吊睹薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第36页/共38页对于大多数真空系统来说，水气为残余气体的主要成分。水气可与新生态的金属膜发生化学反应，生成氧化物而释放出氢气；或者与W 、Mo 等加热器材料作用，生成氧化物和氢实际沉积薄膜时，由于残余气体和蒸发薄膜及蒸发源之间的相互作用，情况比较复杂，定量可靠的数据较少兼浸褥痞验朗蔡睛骡刽爽泡涌两讯粹铣溅臻记慨游处傲捷炙使瞬糕椿靖岗薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法第37页/共38页