薄膜的物理气相沉积(Ⅰ)-蒸发法.ppt

第三章 薄膜制备技术-蒸发法,一、真空蒸发法制备薄膜的基本原理（重点） 二、真空蒸发的设备 三、汽化热和蒸汽压 四、蒸发的速率 五、元素、化合物、合金蒸发的特点 （重点） 六、真空蒸发源 七、薄膜均匀性和纯度,真空蒸发,一、真空蒸发沉积的物理原理 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须的蒸汽压，在适当的温度下，蒸发粒子在基片上凝结形成薄膜。 真空蒸发就是利用蒸发材料在高温时所具有的饱和蒸汽压进行薄膜制备。,二、真空蒸发的设备,真空蒸发设备示意图如下图所示,二、真空蒸发的设备,真空蒸发设备主要由三部分组成： 1. 真空系统：为蒸发过程提供真空环境 2. 蒸发系统：放置蒸发源的装置，以及加热和测 温装置 3. 基板及加热系统：该系统是用来放置硅片或其 它衬底，对衬底加热及测温装置,二、真空蒸发的设备,真空蒸发制备薄膜的三个基本过程: 1.加热蒸发过程：对蒸发源加热，使其温度接近或达到蒸发材料的熔点，蒸发源材料由凝聚相转变成气相 2.气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运过程。在这一过程中，原子或分子与真空室内的残余气体分子碰撞 3.被蒸发的原子或分子在衬底表面的沉积过程。原子或分子到达基片后凝结、成核、生长、成膜,三、汽化热和蒸汽压,汽化热： 真空蒸发系统中的热源将蒸发源材料加热到足够高的温度，使其原子或分子获得足够高的能量，克服固相原子的束缚而蒸发到真空中，并形成具有一定动能的气相原子或分子，这个能量就是汽化热。,物质的饱和蒸气压：在一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸汽与固态或液态相平衡时所呈现的压力。 物质的饱和蒸气压随温度的上升而增大，一定的饱和蒸气压则对应着一定的温度。规定物质在饱和蒸气压为1.3Pa时的温度，称为该物质的蒸发温度。,三、汽化热和蒸汽压,在一定温度下，每种液体或固体物质都具有特定的平衡蒸汽压。当被蒸发物质的分气压降低到了它的平衡蒸汽压以下，才可能有物质的净蒸发。单位源物质表面上物质的净蒸发速率为：,四、物质的蒸发速率,单位物质表面的质量蒸发速度:,pe为平衡蒸汽压，ph为实际分气压。,四、物质的蒸发速率,1、元素的蒸汽压 克劳修斯-克莱普朗方程： 物质平衡蒸汽压P随温度的变化率为：,五、元素、化合物、合金蒸发的特点,V为在蒸发过程中物质所拥有的体积的变化，近似等于反应室的体积。,lgP与1/T基本满足线性关系,五、元素、化合物、合金蒸发的特点,利用物质在一定温度时的汽化热He代替H， 得到近似表达式。,图2.1 a 元素的平衡蒸汽压随温度的变化曲线 （点表示相应元素的熔点）,五、元素、化合物、合金蒸发的特点, 液相蒸发 对大多数金属，温度达到熔点时，其平衡气压低于10-1 Pa,需将物质加热到熔点以上 固相升华 在熔点附近，固体的平衡蒸汽压已相对较高，如 Cr, Ti, Mo, Fe, Si等，可以直接利用由固态物质的升华，实现物质的气相沉积,图2.1b 半导体元素的平衡蒸汽压随温度的 变化曲线（点标为相应元素的熔点）,五、元素、化合物、合金蒸发的特点,2、化合物的蒸发 化合物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，各元素间将发生化合或分解过程：,五、元素、化合物、合金蒸发的特点,3、金属合金的蒸发 金属合金的蒸发也会发生成分的偏离，但合金中原子间的结合力小于化合物中原子间的结合力，实际蒸发过程可视为各元素独立蒸发过程，可由热力学定律来描述：,理想合金AB：A-B间的作用能等于A-A 或B-B的作用能. 拉乌尔定律：平衡蒸汽压正比于纯组元蒸汽压，系数为摩尔分数 PA = APA(0) ；PB = BPB(0) ； PA(0) 、PB(0)分别为纯组元A、B的平衡蒸气压， A、 B分别为 A、B 组元在合金中的摩尔分数。 因此，即使对于理想合金A、B两组元的蒸气压之比，或蒸发速度之比，不等于合金中的元素摩尔分数之比，出现成分分离。,五、元素、化合物、合金蒸发的特点,实际合金的蒸气压之比更加偏离合金中的原始组分之比。 PA = A APA(0) ；PB = B BPB(0) ； A， B 分别为元素A、B在合金中的活度系数 合金中A、B组元的蒸发速率之比为 对于初始成分确定的蒸发源，易于蒸发的组元优先蒸发，造成该组元的不断贫发，造成该组元的蒸发速率下降。 实际采取的措施：采用双源或多源，分别加热至不同温度来控制每一组元的蒸发速率。,五、元素、化合物、合金蒸发的特点,4、多组分薄膜的蒸发方法 利用蒸发法制备多组分薄膜的方法主要有三种方法 （1）单源蒸发法：先按薄膜组分比例的要求制成合金靶，然后 对合金靶进行蒸发、沉积形成固态薄膜。基本要求是合金靶中各组分材料的蒸汽压比较接近。 （2）多源同时蒸发法：利用多个坩埚，在每个坩埚中放入薄膜所需的一种材料，在不同温度下同时蒸发。 （3）多源顺