第二章真空蒸发镀膜

1、第二章真空蒸发镀膜法要点：真空蒸发原理蒸发源的蒸发特性蒸发源的类型合金及化合物的蒸发 膜厚和淀积速率的测定 2-1 Principle of Vacuum Evaperation:真空蒸发的特点（1）特点：成膜速度快0.1 -50um/min,设 备比较简单，操作容易；制得薄膜纯度高；薄 膜生长机理较简单。（2）缺点：薄膜附着力较小，结晶不够完 善，工艺重复性不够好。（3）结构主要有：真空室；蒸发源；基板; 基板加热器及测温计。1、过程1蒸发材料加热 2蒸发粒子的输运 3蒸发粒子在基片的成膜饱和蒸气压的理论推导克拉伯龙克劳修斯方程:vapdPvapdT T(Vg-Vs/l)Pvap：饱和蒸气压

2、；Hp：蒸发热或摩尔气化热。Vg、Vs/| :气相和固相、液相的摩尔体积显然：VgVs，并且低气压下蒸气分子符合理想气 体状态方程理想气体状态方程：=Pv所以dP_Hv-dT _d(nPv)_-Hv pv RT2 d(%) R Hv：视为常数，积分得InP =C-v RT a B nig代= 4_得到：InPv与1/T近似为直线！PvT的近似关系式，应用范围：蒸气压 小于仃OIT。由此可以合理地选择蒸发材料及确定蒸 发条程。由于InPv与1/T的近似正比关系，所以当T有 微小变动时，蒸发速率会有剧烈的变化！=必须精确控制蒸发温度!思考：如何精确地控制蒸发温度?四、蒸发速率一Evaperatio

3、n rate相平衡时，气一液与液一气分子数相等J = nVa =4P兀mkT但并非所有气相分子入射到液面时凝结aePvy17imkTdNAdTae：蒸发系数最大蒸发速率= 3.5130 磊质量蒸发速率=5.834.“02molecule s/cm see% g/cm2 sec五、蒸发分子的碰撞几率与平均自由程1)碰撞几率在低真空蒸镀时，气体分子入射到基片 上，单位时间、单位面积入射的气体分 子数。Ng 二/ 卩二3.51 xlO22P-=27rmkTyjTM则在25C时，一般残余气体的Ng大约为1015个/crrPS (10_5Torr),薄膜的淀 积速率一般为几个埃/秒.残余气体与蒸发物分子

4、按比例仁1到达基 板表面。所以要求蒸镀的真空度为106Torr 2）平均自由程142n7rd2kT427rPd23.107x107P（帕）沪则残余气体压强为10-2帕时，入=50cmo 与真空室尺寸一致，蒸发分子在输送过程 中几乎不发生碰撞。六、残余气体的组成及其影响。大气的残余物（。2、C02 h20）,扩散泵油蒸气，真空室吸气， 当PWWPa时，主要为真空室吸气。水汽易与金属膜反应，或与W, Mo等加 热器材料反应。在设计优良的系统中，扩散油蒸气不明 显。Vaporized Particle蒸发粒子 蒸发粒子的能量与蒸发温度成正比 1000C is about 0.2 eV蒸发薄膜的特性蒸

5、发源的几何形状 2-2蒸发源的蒸发特性和膜厚分布影响膜厚分布的因素：A）蒸发源的特性；B）基板与蒸发源的几何形状，相对位置C）蒸发物质的蒸发量。假设：1）蒸发原子或分子与残余气体分子之间不发生2）在諾发源附近的蒸发原子间也不发生碰撞;3）蒸发原子到达基板上后不发生再蒸发现象。、点蒸发源点蒸发源设薄膜密度为p,单位时间在dS?上的淀积厚 度为f。贝!jdm= p dS2 .tmhm cos rr0-7o2%?.sW.9 .8 .7 .6 .5 心.3 45 .6 ,8 肿o0123456n粒子发射的余弦定律特性：在。角方向蒸发的材料质量与cos 0成正比 （余弦分布定律）点源与小平面蒸发源相比，

6、厚度的均匀性 要好一些但淀积速率要低得多1、细长平面蒸发源相当于热丝，由许多小平面蒸发源构成蒸 发源ds上的蒸发物质量为dmdmG = dsP s可视为小平面蒸发源, d5上的膜厚为则基板小元面积丁/mcos2 0at 71/ pmcos2 0兀ply1ds四、环状平面蒸发源蒸发特性dm -m171d(p dm相当于小平面源47lpym1712 p球曲面基板上的膜厚分布 1）球曲面的膜厚分布与蒸发源余弦指数的关系。（见p32）2）除了釆用合适的蒸发源及釆用旋转基板架外，釆用球曲面基板也可改善膜厚分布。实际蒸发源的发射特点 1）点源：电子束蒸发源、电弧蒸发源 2）小平面蒸发源：蒸发舟, （入 2

7、r）克努曾槽 3）柱状蒸发源：螺旋丝状蒸发源堆埸可视 为咼度定向源 4）磁控靶源：可视为大面积（平面或柱 面）蒸发源。蒸发源与基板的相对位置配置点源与基板相对位置的配置小平面源与基板的相对位置配置小面积基板时蒸发源的位置配置 大面积基板和蒸发源的配置 2-3 Evaporation methods最常用的加热方式: 电阻法电子束高频感应电阻蒸发蒸发源材料的要求“w, Mo1）熔点要咼；2）饱和蒸气压低，减少蒸发源材料蒸气的 污染；（表24）3）化学性能稳定； 4）耐热性好，热源变化时，功率密度变化较小；5）经济耐用。蒸发源的性质表26镀料与蒸发源的浸润性镀料熔化后，若有沿蒸发源上扩展的倾 向时

8、，两者是浸润的。反之，是不浸润 的。浸润时，为面蒸发源，蒸发状态稳 定。不侵润时，为点蒸发源，若用丝式 蒸发源时镀料易脱落。（图2-18）电子束蒸发1）电阻蒸发源的缺点：不能蒸发某些难熔金属，也不能制备高纯度薄膜。定义：将镀料放入水冷铜塩埸中，利用高能 电子束轰击镀料，使其受热蒸发。优点：电子能量高；膜纯度高；热效率高。缺点：蒸发原子与残气分子电离。4）电子束蒸发源的结构A）环形枪环状阴极发射电子，结构简单，功率、效率都不 高，多用于实验工作。B）直枪轴对称的直线加速电子枪，阴极发射电子，阳极加速，缺点是体积大，成本高，蒸镀材料会污染枪体，灯丝逸出的Na+离子污染膜层。HV!-高压电源 20k

9、V, 500mAw.HV2-i压电源 5kV,200mAa）皮尔斯枪蒸发源口也它一阴极A阳极S阴极片T-靶子F高压电流导入端子G硼硅酸耐热玻璃H空心阴极（Mt网）S-压基片Q术冷塔堪M蒸镀物质W水袴啊管C） e型枪优点1）电子束偏转270度，避免 了正离子对膜的影响。2）吸收极使二次电子对基 板的轰击减少。3）防止极间放电，又避免 了灯丝污染。4）可通过调节磁场改变电子束的轰击位置。P41图221高频感应蒸发 一）原理：将镀料放在堆竭中，堆埸放在 高频螺旋线圈的中央，使镀料在高频电磁 场的感应下产生涡流损失和磁滞损失（对 铁磁体）而升温蒸发。图2-2-82髙頻加热蒸发凉（热解BN）-顶板H线圈

10、套L高频线屢C-堆竭绝缘材料W水冷铜管（通电）二）特点：1）蒸发速率大，可比电阻蒸发源大10倍左右。2）蒸发源的温度均匀稳定，不易产生飞溅现 象。3）镀料是金属时可自身产生热量，圮锅可选用 与蒸发材料反应最小的材料。三）缺点:1）蒸发装置必须屏蔽，否则会对广播通讯产生 影响。2）线圈附近压强超过102Pa时，高频电场会使 残余气体电离。3）高频发生器昂贵。2-4 Evaporation of alloy and com pounds金属 ：evaporate as atoms and occasionally as clusters of atoms 单金属：原子薄膜化合物 ：most ino

11、rganic compounds evaporate with molecular 化合物：分子薄膜区别-薄膜的化学计量比不同于蒸发源的含量比例PB = Xb Pb(o)(X b mole fraction of B in solution)-合金中组元金属入B的蒸发速率之比軌 yb Xb P (O) Ma例：1527C时蒸发银铭合金(Ni80%, 620%) oPCr=10_1Torr PNi=10_2TorrG吒心陌20 IO1阿G Pn( W IO2 52.0 *在蒸发初期，富豁,薄膜有良好附着 力。Evaporation of Alloys合金的蒸发方式有三种:(1) 瞬时蒸发法-闪蒸

12、;(2) 双蒸发源法；合金升华法。瞬时蒸发法又称“闪蒸法，将细小的合金颗粒，逐次送到 非常炽热的蒸发器中，使颗粒在瞬间完全蒸 发。常用于合金中元素的蒸发速率相差很大 的场合。关键是选取粉末料的粒度，蒸发温度和进料 的速率。磚丝锥形筐是作蒸发源的最好结 构，若用蒸发舟或未蒸发的粉末会残 余下来成为普通蒸发。双源或多源蒸发法将合金的每一成分，分别装入各自的蒸 发源中，然后独立地控制各蒸发源的蒸 发速率，以控制薄膜的组成。为了使膜厚均匀，通常需要旋转。化学物的蒸发化合物的蒸发方式有三种：(1) 电阻加热法；(2) 反应蒸发法；双源或多源蒸发法一分子束外延。反应蒸发法：有些化合物饱和蒸气压低，难于用电

13、阻蒸发法。原因：A）化合物的熔点较高，电阻加热温度不够。B）许多化合物在高温下会分解，如AI2O3, TiO2 等会失氧。原理：将活性气体导入真空室，使之与被蒸发的 金属原子，低价化合物分子在基板表面反应， 形成所需化合物薄膜。适用：高熔点化合物薄膜，易分解的化合物薄 膜，如过渡金属与易解吸的。2, “2组成的化合 物。例：Al （蒸发）+Q2 （活性气体）-AI2O3Sn （蒸发）（活性气体）SnO2Si （蒸发）+C2H2 （活性气体）一SiC反应的位置：A）蒸发源表面，会降低蒸发速率，尽量避免B）源与基片之间，由于气压为10-2Pa , X =50cm反应的几率很小。C）基片表面，气体的

14、吸附时间比空间中气体 原子与蒸发原子碰撞的驰豫时间长得多。在 安装上将气体直接喷到基片表面。三温度法实质上是双源蒸发法，源的温度及基板温度。分别控制两个蒸发 （图 2-26）分子束外延（MBE）A）外延：是在适当的单晶基片上，沿基板晶轴的方向生长一层单晶薄膜的方法。要求晶格匹配，对称性一致。过去一般认为R1W7%时，可获得超晶 格。但最近发现当薄膜非常薄时，晶格 富于弹性，也可获得超晶格m=15%。应 变超晶格。同质外延，异质外延B）分子束外延的定义：在超高真空下（iO-9-1011Torr）,将 薄膜诸组分元素的分子束流，直接喷到衬 底表面，从而在其上形成外延薄膜。P47图227C）分子束外

15、延的特点1）能够严格控制生长过程和生长速率2）是超高真空的物理沉积过程，不需考虑输送过程及 中间的反应，可用快门对生长和中断扯行瞬时控制3）MBE是个动力学过程，可生长在普通热平衡下难以生 长的薄膜4）MBE衬底温度低，降低了热膨胀引入晶格失配和衬底 材料对外延层的自掺杂扩散影响5）生长速率低，1个原子层/I秒，有利于精确控制膜厚，结构，成分，特别适用于生长超晶格材料6）装有多种表面分析仪器，有利于科学研究特殊的蒸发法1电弧蒸发法在高真空下,将镀料做成两个棒状电极,通电使其发生电弧放电，使接触部分达到高温 的蒸发 特点：可蒸发高熔点材料，克服了电阻加热可 能存在的污染及反应，又比电子束蒸发便宜

16、。不足：适用于导电材料，蒸发速率难以控制， 放电时飞溅的电极材料微粒会对膜层有影响。2.热壁法1）蒸发在石英管中进行，通常石英管温 度比基片高，使蒸发原子、分子通过石 英管被导向基板，生成薄膜。2 ）是个热平衡过程，可制备外延薄膜, 但可控性、重复性差。3.激光蒸发法利用高能激光作为热源来蒸镀薄膜的方法。激光有：C02,红宝石，钱玻璃，Ar激光器。优点:1）加热温度高，可蒸发任何材料，蒸发速率也极高。2）采用非接触式加热，避免了蒸发源的污染，非常适宜于 制备高纯薄膜。3）可使用脉冲激光器进行闪烁蒸发，有利于控制化学成分 和防止分解；气化时间短，不易出现分馅现象。缺点：1）激光器昂贵，特别是大功

17、率连续激光器；2）蒸发温度太高，蒸发粒子易离化，对薄膜性能有影响。3）膜厚控制难，且容易引起蒸发材料过热分解和喷溅。2-5膜厚和淀积速率的测量与监控薄膜表面（图2-30）、膜厚的分类1.形状膜厚g薄膜表面是凸凹不平的，存在着一个平均表面, 平均表面到衬底的距离，称为形状膜厚。2.质量膜厚dm|=|=通过称重等方法得到薄膜的质量，除以块材的密度 得到的膜厚，由于薄膜中存在气孔、空孔、吸附 气体，晶界等缺陷，密度小于块材。因此质量膜 厚V实际膜厚。 3.物性膜厚dp通过测量一种物理性质（如透射率，电阻率等）在薄膜中的变化，与块材相比,得出的膜厚。通常，dTdMdP二、质量膜厚 1.微量天平法将微量

18、天平置于真空室中，基片吊在天平横梁的一端，则随膜的淀积而产生的天平倾斜，进而得到薄膜质量，求得膜厚优点：原位测量法灵敏度高，则测量质量误差可 达土 2mg,若采用间趣你重法，由于薄膜会立刻 吸附水气，精度要差厂2个数量级。缺点：不能测量膜厚分布，只能得到平均膜厚， 由于薄膜密度小于庆林膜厚偏小。w2中央支点；E基片wl+mk图3-1-4Z Gulbnwn型微量天平的原理图“册5为重力加速度2 石英晶体振荡法原理：利用石英晶体的振荡频率随晶片厚 度变化的关系，在晶片上镀膜，测频率的变化，就可求出质量膜厚。优点：原位测量法，引入时间的微分电路，还可测薄膜的生长速度，灵敏度高，20HZ左右，相应于石

19、英的质量膜厚为12埃。缺点:(1)只能得到平均膜厚；(2)当石英晶片与蒸发源 位置改变时，需校准；(3)在A = 2t溅射法中测膜厚，易受电磁干扰；(4)探头温度不能超过80Co电学方法1.电阻法XR=RS- (Ps/w)Rs；方阻，与正方形尺寸无关（Q/口）W：薄膜电阻体宽度p有误差$5%电容法适用于介质材料，C二字，需制上、下电极，且不能进行实时监测。电离式监控计原理类似于BA型电离真空计。用一只传 感规测出蒸发物蒸气与残余气体离子电 离的离子流的大小与蒸汽的密度成正 比，用另一只补偿规测出残余气体的离 子电流，两者相减，可得蒸发速率。光学方法1.光吸收法1=10 (1 R) 2exp (如)R：反射率理:吸收系数特点：(1)只适用于连速的薄的薄膜； (2)可用于检查膜厚的均匀性；(3)并 非所有材料的吸收都符合上式。2光干涉法单色光从薄膜上、下表面反射，当膜厚为n倍入/2时，会发生干涉，通过测量反射光或透射光的某个参量特性，就可测 量膜的厚度。特点：金属膜吸收太强，不适用。3.等厚干涉条纹法interferometer单色平行光照射到楔形薄膜上，反射后，会在固定的位置产生干涉的最大和最小，所以可观察到明暗相间的平等条纹。若膜厚不均，干涉条纹也就不规则。若膜厚有台阶，干涉条纹出现台阶，显然相邻干 涉条纹间相差入/2。AC 2t