2 薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发

第二章 薄膜的物理气相沉积(I) —— 蒸发法物理气相沉积(Physical Vapor Deposition, PVD) 利用某种物理过程，如物质的热蒸发或在 受到粒子束轰击时物质表面原子的溅射等现 象，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移 过程。

薄膜的物理气相沉积

特点：

(1)需要使用固态的或者熔化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；① 气相分子的运动路径近似为一条直线；

② 气相分子在衬底上的沉积几率接近100%。

(4)在气相中及衬底表面并不发生化学反应。

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基本PVD方法： 蒸发法(<10-3 Pa) (真空度较高，沉积速度较高，薄膜纯度较高， 薄膜与基片结合较差) 溅射法(10-2 ~ 10Pa) (多元合金薄膜化学成分容易控制，沉积层对衬 底的附着力较好) 离子镀、反应蒸发沉积、离子束辅助沉积等

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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

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2.1 物质的热蒸发工作原理： 在真空环境下，给待蒸发物质提供足够的热 量以获得蒸发所必需的蒸气压。在适当的温度下， 蒸发粒子在基片上凝结，即可实现真空蒸发沉积。 步骤：①蒸发源材料由凝聚相转变成气相； ②在蒸发源与基片之间蒸发粒子的输运； ③蒸发粒子到达基片后凝结、成核、长大、 成膜。薄膜的物理气相沉积 5

组成部分： 真空室； 蒸发源及蒸发加热装置； 衬底放置及加热装置。

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真空蒸发镀膜机

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2.1.1 元素的蒸发速率平衡蒸气压：一定温度下，蒸发气体与凝聚相平 衡过程中所呈现的压力。 当环境中元素分压降低到平衡蒸气压之下时， 就发生元素的净蒸发。

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薄膜沉积速率正比于气体分子的通量。 单位表面上元素的净蒸发速率α N(p p) Φ 2π MRTA e h

n m M NA

α — 系数，介于0~1之间； pe、ph — 平衡蒸气压和实际情况下的分压。 单位表面上元素的质量蒸发速率

M Γ α ( p p ) 2π RTe h

对元素蒸发速率影响最大的因素： 蒸发源所处的温度。薄膜的物理气相沉积 9

2.1.2 元素的平衡蒸气压 克劳修斯-克莱普朗( Clausius-Claperon) 方程：

dp △H dT T△Ve

pV=RT

dp p△H dT RTe 2

ΔH — 蒸发过程中每摩尔元素的热焓变化，随温 度不同而不同, ΔH (T); ΔV — 相应蒸发过程中物质体积的变化，ΔV≈V 。

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ΔH≈气化热ΔHe,则

△H ln p I RTe e

I — 积分常数B — 系数

p Bee

△H e RT

在一定的温度区间内严格成

立

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更准确地描述元素平衡蒸气压随温度的变化， 需要代入实际的ΔH(T)函数形式。 例如，液态Al,平衡蒸气压满足的关系式:

15993 lg p ( Pa) 14.533 0.999 lg T 3.52 10 T T 6 e

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热蒸发用的坩埚 石墨电极间高温放电2薄膜的物理气相沉积 13

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2

物质的蒸发模式：

1. 即使是当温度达到熔点时，其平衡蒸气压也低于 10-1 Pa。(大多数金属) 加热到熔点以上 2. 低于熔点时，平衡蒸气压已经相对较高。 (Cr、 Ti、Mo、Fe、Si) 固态物质的升华

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2.1.3 化合物与合金的热蒸发 化合物的蒸发:

薄膜成分偏离 蒸发源成分

①蒸气可能具有完全不同于蒸发源的化学成分;

②气相分子还可能发生化合与分解过程。

薄膜成分可能偏离蒸发源的化学组成

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