薄膜的物理气相沉积(Ⅰ)蒸法课件

1、薄膜的物理气相沉积()蒸发法第三章第三章 薄膜制备技术薄膜制备技术-蒸发法蒸发法一、真空蒸发法制备薄膜的基本原理（一、真空蒸发法制备薄膜的基本原理（重点重点）二、真空蒸发的设备二、真空蒸发的设备三、汽化热和蒸汽压三、汽化热和蒸汽压 四、蒸发的速率四、蒸发的速率五、元素、化合物、合金蒸发的特点五、元素、化合物、合金蒸发的特点 （重点重点）六、真空蒸发源六、真空蒸发源七、薄膜均匀性和纯度七、薄膜均匀性和纯度薄膜的物理气相沉积()蒸发法真空蒸发真空蒸发一、真空蒸发沉积的物理原理一、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

2、的蒸汽压，在适当的温度下，蒸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。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。饱和蒸汽压进行薄膜制备。薄膜的物理气相沉积()蒸发法二、真空蒸发的设备二、真空蒸发的设备真空蒸发设备示意图如下图所示真空蒸发设备示意图如下图所示薄膜的物理气相沉积()蒸发法二、真空蒸发的设备二、真空蒸发的设备真空蒸发设备主要由三部分组成：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

3、装置，以及加热和测蒸发系统：放置蒸发源的装置，以及加热和测 温装置温装置3. 基板及加热系统：该系统是用来放置硅片或其基板及加热系统：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它衬底，对衬底加热及测温装置薄膜的物理气相沉积()蒸发法二、真空蒸发的设备二、真空蒸发的设备 真空蒸发制备薄膜的三个基本过程真空蒸发制备薄膜的三个基本过程: :1.1.加热蒸发过程：对蒸发源加热，使其温度接近或达到蒸加热蒸发过程：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发材料的熔点，蒸发源材料由凝聚相转变成气相2.2.气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运过程。在这气化原子

4、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一过程中，原子或分子与真空室内的残余气体分子碰撞3.3.被蒸发的原子或分子在衬底表面的沉积过程。原子或分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、成膜子到达基片后凝结、成核、生长、成膜薄膜的物理气相沉积()蒸发法三、汽化热和蒸汽压三、汽化热和蒸汽压 汽化热：汽化热： 真空蒸发系统中的热源将蒸发源材料加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，的能量，克服固

5、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。能量就是汽化热。薄膜的物理气相沉积()蒸发法n物质的饱和蒸气压物质的饱和蒸气压：在一定温度下，真空室内：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蒸发物质的蒸汽与固态或液态相平衡时所呈现的压力。的压力。n物质的饱和蒸气压随温度的上升而增大，一定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在饱和蒸气压为1.3Pa时的温度，称为该物质时的温度，称为该物质的蒸发温度。的

6、蒸发温度。三、汽化热和蒸汽压三、汽化热和蒸汽压薄膜的物理气相沉积()蒸发法 在一定温度下，每种液体或固体物质都具有特定的在一定温度下，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：表面上物质的净蒸发速率为： mkTPPAdtdNhe2)（四、物质的蒸发速率四、物质的蒸发速率推出由nRTPVMRTvmol8薄膜的物理气相沉积()蒸发法单位物质表面的质量蒸发速度单位物质表面的质量蒸发速度:TMppRTMPP

7、mhehee)(1083. 52)2（pe为平衡蒸汽压，为平衡蒸汽压，ph为实际分气压为实际分气压。四、物质的蒸发速率四、物质的蒸发速率薄膜的物理气相沉积()蒸发法 1、元素的蒸汽压、元素的蒸汽压 克劳修斯克劳修斯-克莱普朗方程：克莱普朗方程： 物质平衡蒸汽压物质平衡蒸汽压P随温度的变化率为：随温度的变化率为： 五、元素、化合物、合金蒸发的特点五、元素、化合物、合金蒸发的特点 素的热焓的变化为蒸发过程中每摩尔元HRTHPVTHdTdP2 V为在蒸发过程中物质所拥有的体积的变化，近似等于反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。应室的体积。薄膜的物理气相沉积()蒸发法RTHe

8、eBePIRTHPlnlgP与与1/T基本满足线性关系基本满足线性关系五、元素、化合物、合金蒸发的特点五、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利用物质在一定温度时的汽化热 He代替代替 H，得到近似表达式。得到近似表达式。薄膜的物理气相沉积()蒸发法图图2.1 a 元素的平衡蒸汽压随温度的变化曲线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）（点表示相应元素的熔点）五、元素、化合物、合金蒸发的特点五、元素、化合物、合金蒸发的特点 薄膜的物理气相沉积()蒸发法 液相蒸发液相蒸发对大多数金属，温度达到熔点对大多数金属，温度达到熔点时，其平衡气压低于时，其平衡气压低于

9、10-1 Pa,需需将物质加热到熔点以上将物质加热到熔点以上 固相升华固相升华在熔点附近，固体的平衡蒸汽在熔点附近，固体的平衡蒸汽压已相对较高，如压已相对较高，如 Cr, Ti, Mo, Fe, Si等，可以直接利用由固等，可以直接利用由固态物质的升华，实现物质的气态物质的升华，实现物质的气相沉积相沉积图图2.1b 半导体元素的平衡蒸汽压随温度的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）变化曲线（点标为相应元素的熔点）五、元素、化合物、合金蒸发的特点五、元素、化合物、合金蒸发的特点 薄膜的物理气相沉积()蒸发法2、化合物的蒸发、化合物的蒸发 化合物蒸发出来的蒸气可能具有完

10、全不同于其固态或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：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、合金蒸发的特点五、元素、化合物、合金蒸发的特点 薄膜的物理气相沉积()蒸发法 3、金属合金的蒸发、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：立蒸发过程，可由热力学定律来描述：n理想合金理想合金AB：A-B间的

11、作用能等于间的作用能等于A-A 或或B-B的作用能的作用能.n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)分别为纯组元分别为纯组元A、B的平衡蒸气压，的平衡蒸气压， A、 B分别为分别为 A、B 组元在合金中的摩尔分数。组元在合金中的摩尔分数。 因此，即使对于理想合金因此，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。之比，不等于合金中的元素摩尔分数之比，出现成

12、分分离。 五、元素、化合物、合金蒸发的特点五、元素、化合物、合金蒸发的特点 薄膜的物理气相沉积()蒸发法n实际合金的蒸气压之比更加偏离合金中的原始组分之比。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 分别为元素分别为元素A、B在合金中的活度系数在合金中的活度系数n合金中合金中A、B组元的蒸发速率之比为组元的蒸发速率之比为 n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。组元的不断贫发，造成该组元的蒸发速率下降

13、。 实际采取的措施：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。每一组元的蒸发速率。ABBBBAAABAMMPxPx)0()0(五、元素、化合物、合金蒸发的特点五、元素、化合物、合金蒸发的特点 薄膜的物理气相沉积()蒸发法n4、多组分薄膜的蒸发方法、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：）单源蒸发法：先按薄膜组分比例的要求制成合金靶，然后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。基本要求是合金靶对合金

14、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。中各组分材料的蒸汽压比较接近。（2）多源同时蒸发法：）多源同时蒸发法：利用多个坩埚，在每个坩埚中放入薄膜利用多个坩埚，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。所需的一种材料，在不同温度下同时蒸发。 （3）多源顺序蒸发法：）多源顺序蒸发法：把薄膜所需材料放在不同坩埚中，但不把薄膜所需材料放在不同坩埚中，但不是同时蒸发，而是按顺序蒸发，并根据薄膜组分控制相应的是同时蒸发，而是按顺序蒸发，并根据薄膜组分控制相应的层厚，然后通过高温退火形成需要的多组分薄膜。层厚，然后通过高温退火形成需要的多组分薄膜。五、元素

15、、化合物、合金蒸发的特点五、元素、化合物、合金蒸发的特点 薄膜的物理气相沉积()蒸发法五、元素、化合物、合金蒸发的特点五、元素、化合物、合金蒸发的特点 薄膜的物理气相沉积()蒸发法六六 真空蒸发源真空蒸发源 随着集成电路制造技术的发展，不但对沉积的薄膜质量要求随着集成电路制造技术的发展，不但对沉积的薄膜质量要求越来越高，而且要沉积的薄膜种类也越来越多。目前已有各越来越高，而且要沉积的薄膜种类也越来越多。目前已有各种不同类型的真空蒸发设备。根据不同的目的，从简单的电种不同类型的真空蒸发设备。根据不同的目的，从简单的电阻加热蒸发到极为复杂的分子束外延设备。主要有：阻加热蒸发到极为复杂的分子束外延设

16、备。主要有：n电阻式加热蒸发电阻式加热蒸发n电子束加热蒸发电子束加热蒸发n激光加热蒸发激光加热蒸发n电弧加热蒸发电弧加热蒸发n高频感应加热蒸发高频感应加热蒸发薄膜的物理气相沉积()蒸发法1、电阻式加热蒸发、电阻式加热蒸发n普通电阻加热：普通电阻加热： 利用一些高熔点、低蒸气压的金属（利用一些高熔点、低蒸气压的金属（W，Mo, Ta等）制成各种形状的加热器；一方面作为加等）制成各种形状的加热器；一方面作为加热，同时支撑被加热的物质。（低压大电流）热，同时支撑被加热的物质。（低压大电流）六六 真空蒸发源真空蒸发源薄膜的物理气相沉积()蒸发法六六 真空蒸发源真空蒸发源薄膜的物理气相沉积()蒸发法薄膜

17、的物理气相沉积()蒸发法n加热装置的分类和特点：加热装置的分类和特点：（1）丝状（）丝状（0.05-0.13cm)，蒸发物润湿电阻丝，通过，蒸发物润湿电阻丝，通过表面表面 张力得到支撑。只能蒸发金属或合金；有限的张力得到支撑。只能蒸发金属或合金；有限的蒸发材料被蒸发；蒸发材料必须润湿加热丝；加热蒸发材料被蒸发；蒸发材料必须润湿加热丝；加热丝容易变脆。丝容易变脆。（2）凹箔：蒸发源为粉末。）凹箔：蒸发源为粉末。（3）锥形丝筐蒸发小块电介质或金属。）锥形丝筐蒸发小块电介质或金属。六六 真空蒸发源真空蒸发源薄膜的物理气相沉积()蒸发法n缺点缺点（1）加热装置与蒸发物会反应）加热装置与蒸发物会反应（2

18、）难以蒸发电介质材料（）难以蒸发电介质材料（Al2O3,Ta2O5,TiO2等）等）（3）蒸发率低）蒸发率低（4）加热蒸发时合金和化合物会分解。）加热蒸发时合金和化合物会分解。六六 真空蒸发源真空蒸发源薄膜的物理气相沉积()蒸发法2、电子束加热装置及特点、电子束加热装置及特点n电子束通过电子束通过5-10KV 的电场后被加速，的电场后被加速，然后聚焦到被蒸发的材料表面，把能然后聚焦到被蒸发的材料表面，把能量传递给待蒸发的材料使其熔量传递给待蒸发的材料使其熔 化并蒸发。化并蒸发。n无污染：与坩埚接触的待蒸发材料保无污染：与坩埚接触的待蒸发材料保持固态不变，蒸发材料与坩埚发生反持固态不变，蒸发材料

19、与坩埚发生反应的可能性很小。（坩埚水冷）应的可能性很小。（坩埚水冷）六六 真空蒸发源真空蒸发源电子束蒸发装置示意图电子束蒸发装置示意图薄膜的物理气相沉积()蒸发法n难熔物质难熔物质的蒸发：的蒸发：n适合制备适合制备高纯，难熔物质高纯，难熔物质薄膜薄膜n可同时安置多个坩埚，同时或分别蒸发多种不同物质。可同时安置多个坩埚，同时或分别蒸发多种不同物质。n 大部分电子束蒸发系统采用磁聚焦或磁弯曲电子束，蒸发物大部分电子束蒸发系统采用磁聚焦或磁弯曲电子束，蒸发物质放在水冷坩埚内，可以制备光学、电子和光电子领域的薄质放在水冷坩埚内，可以制备光学、电子和光电子领域的薄膜材料。膜材料。 如如Mo、Ta、Nb、

20、MgF2、Ga2Te3、TiO2、Al2O3、SnO2、Si等等。等等。六六 真空蒸发源真空蒸发源2、电子束加热装置及特点、电子束加热装置及特点薄膜的物理气相沉积()蒸发法3、激光加热蒸发、激光加热蒸发n利用激光作为热源使待蒸发材料蒸发。利用激光作为热源使待蒸发材料蒸发。n激光蒸发属于在高真空条件下制备薄膜的技术。激光蒸发属于在高真空条件下制备薄膜的技术。激光源放在真空室外边，激光束通过真空室窗激光源放在真空室外边，激光束通过真空室窗口打到待蒸发材料上使其蒸发，沉积在衬底上。口打到待蒸发材料上使其蒸发，沉积在衬底上。n适合制备高纯，难熔物质薄膜适合制备高纯，难熔物质薄膜六六 真空蒸发源真空蒸发

21、源薄膜的物理气相沉积()蒸发法六六 真空蒸发源真空蒸发源激光蒸发示意图激光蒸发示意图3、激光加热蒸发、激光加热蒸发薄膜的物理气相沉积()蒸发法六六 真空蒸发源真空蒸发源薄膜的物理气相沉积()蒸发法n可用来制备光学薄膜可用来制备光学薄膜 Sb2S3, ZnTe, MoO3, PbTe, Ge, Sin制备陶瓷薄膜：制备陶瓷薄膜：Al2O3, Si3N4, n氧化物薄膜：氧化物薄膜：SnO2，ZnOn超导薄膜超导薄膜YBCO 注：注：Sb(锑锑ti) Te(碲）碲）六六 真空蒸发源真空蒸发源3、激光加热蒸发、激光加热蒸发薄膜的物理气相沉积()蒸发法4、电弧加热蒸发、电弧加热蒸发n利用电弧放电加热利

22、用电弧放电加热n无污染无污染n适合制备适合制备高纯，难熔导电物质高纯，难熔导电物质薄薄膜膜n缺点：产生微米级的电极颗粒缺点：产生微米级的电极颗粒n原理：用欲蒸发的材料做电极，原理：用欲蒸发的材料做电极，通过调节真空室内电极间的距离通过调节真空室内电极间的距离来点燃电弧，而瞬间的高温电弧来点燃电弧，而瞬间的高温电弧将使电极端部产生蒸发从而实现将使电极端部产生蒸发从而实现薄膜的沉积薄膜的沉积真空室真空室电极电极衬底衬底六六 真空蒸发源真空蒸发源薄膜的物理气相沉积()蒸发法n 在较低的反应气体压强下，经电弧蒸发可得在较低的反应气体压强下，经电弧蒸发可得到一些陶瓷薄膜。如在氮气氛下，对金属到一些陶瓷薄

23、膜。如在氮气氛下，对金属Ti和和Zr（锆）起弧制的（锆）起弧制的TiN和和ZrN薄膜，在氧气氛薄膜，在氧气氛下，下，Al起弧制得氧化铝薄膜起弧制得氧化铝薄膜。六六 真空蒸发源真空蒸发源4、电弧加热蒸发、电弧加热蒸发薄膜的物理气相沉积()蒸发法5、高频感应加热：、高频感应加热： 在高频初级感应线圈的作用下，通过坩埚或被在高频初级感应线圈的作用下，通过坩埚或被加热物质本身的感生电流加热实现对源物质的加加热物质本身的感生电流加热实现对源物质的加热。（高频高压小电流）热。（高频高压小电流）六六 真空蒸发源真空蒸发源薄膜的物理气相沉积()蒸发法七、真空蒸发法的优缺点七、真空蒸发法的优缺点n优点：优点：

24、设备简单，操作容易，所制备的薄膜纯度比较设备简单，操作容易，所制备的薄膜纯度比较高，厚度控制比较准确，成膜速率快高，厚度控制比较准确，成膜速率快n缺点：缺点： 薄膜与衬底附着力较小，工艺重复性不理想，薄膜与衬底附着力较小，工艺重复性不理想，台阶覆盖能力差。台阶覆盖能力差。5、高频感应加热：、高频感应加热：薄膜的物理气相沉积()蒸发法3.3 薄膜沉积的厚度均匀性和纯度薄膜沉积的厚度均匀性和纯度一、薄膜沉积的方向性和阴影效应一、薄膜沉积的方向性和阴影效应n物质蒸发过程中，被蒸发原子的运动具有明显的方向性。物质蒸发过程中，被蒸发原子的运动具有明显的方向性。n蒸发原子运动的方向性对沉积的薄膜的均匀性以

25、及其微观组蒸发原子运动的方向性对沉积的薄膜的均匀性以及其微观组织都会产生影响。织都会产生影响。n物质的蒸发源有不同形状。衬底较远，尺寸较小的蒸发源可物质的蒸发源有不同形状。衬底较远，尺寸较小的蒸发源可以被认为是点蒸发源。设想被蒸发的物质是由表面积为以被认为是点蒸发源。设想被蒸发的物质是由表面积为AeAe的的小球面上均匀地发射出来的。小球面上均匀地发射出来的。薄膜的物理气相沉积()蒸发法3.3 薄膜沉积的厚度均匀性和纯度薄膜沉积的厚度均匀性和纯度一、薄膜沉积的方向性和阴影效应一、薄膜沉积的方向性和阴影效应n蒸发出来的物质总量蒸发出来的物质总量MeMe应等于应等于nMedAedtAetn其中，其中

26、，是物质质量蒸发速度，；是物质质量蒸发速度，；dAdAe e为蒸发源的表面积元；为蒸发源的表面积元；t t为时间。为时间。n只有运动方向处于衬底所在空间角内的蒸发原子才会落在衬底上。由于只有运动方向处于衬底所在空间角内的蒸发原子才会落在衬底上。由于已经假设蒸发源为一点源，因而衬底面积元已经假设蒸发源为一点源，因而衬底面积元dAsdAs上沉积的物质量取决于上沉积的物质量取决于其对应的空间角的大小，即衬底上沉积的物质的质量密度为其对应的空间角的大小，即衬底上沉积的物质的质量密度为ndMs/dAs=Mecos/4r2n-衬底表面法线与空间方向间的偏离角度；衬底表面法线与空间方向间的偏离角度；r-r-

27、蒸发源与衬底间距离。蒸发源与衬底间距离。薄膜的物理气相沉积()蒸发法3.3 薄膜沉积的厚度均匀性和纯度薄膜沉积的厚度均匀性和纯度一、薄膜沉积的方向性和阴影效应一、薄膜沉积的方向性和阴影效应n物质蒸发过程中，被蒸发原子的运动具有明显的方向性。物质蒸发过程中，被蒸发原子的运动具有明显的方向性。n蒸发原子运动的方向性对沉积的薄膜的均匀性以及其微观组蒸发原子运动的方向性对沉积的薄膜的均匀性以及其微观组织都会产生影响。织都会产生影响。n物质的蒸发源有不同形状。衬底较远，尺寸较小的蒸发源可物质的蒸发源有不同形状。衬底较远，尺寸较小的蒸发源可以被认为是点蒸发源。设想被蒸发的物质是由表面积为以被认为是点蒸发源

28、。设想被蒸发的物质是由表面积为AeAe的的小球面上均匀地发射出来的。小球面上均匀地发射出来的。薄膜的物理气相沉积()蒸发法3.3 薄膜沉积的厚度均匀性和纯度薄膜沉积的厚度均匀性和纯度一、薄膜沉积的方向性和阴影效应一、薄膜沉积的方向性和阴影效应n薄膜的沉积速率将与距离薄膜的沉积速率将与距离r r的平方成反比，并与衬底和蒸发的平方成反比，并与衬底和蒸发源之间的方向夹角源之间的方向夹角有关。当有关。当，r r较小时，沉积速率较小时，沉积速率较大。较大。n对于面蒸发源，也可以求出衬底面积元对于面蒸发源，也可以求出衬底面积元dAdAs s上沉积的物质量上沉积的物质量为为ndMs/dAs=Mecoscos

29、/4r2n影响薄膜沉积速度的参数中增加了一个与蒸发源平面法线间影响薄膜沉积速度的参数中增加了一个与蒸发源平面法线间的夹角的夹角。薄膜的物理气相沉积()蒸发法3.3 薄膜沉积的厚度均匀性和纯度薄膜沉积的厚度均匀性和纯度一、薄膜沉积的方向性和阴影效应一、薄膜沉积的方向性和阴影效应nP33图图2.4a表示自由蒸发源即相当于面蒸发源的情况。蒸发源的蒸表示自由蒸发源即相当于面蒸发源的情况。蒸发源的蒸发速率不仅取决于物质的平衡蒸气压发速率不仅取决于物质的平衡蒸气压Pe，还和蒸发物质的实际分，还和蒸发物质的实际分压压Ph有关。有关。n克努森源（见图克努森源（见图2.4b）也相当于一个面蒸发源。它是一个高温坩

30、）也相当于一个面蒸发源。它是一个高温坩埚的上部开一个直径很小的小孔。在坩埚内，物质的蒸气压近似埚的上部开一个直径很小的小孔。在坩埚内，物质的蒸气压近似等于其平衡蒸气压；而在坩埚外，仍保持着较高的真空度。与普等于其平衡蒸气压；而在坩埚外，仍保持着较高的真空度。与普通的面蒸发源相比，具有较小有效蒸发面积，因此蒸发速率较低。通的面蒸发源相比，具有较小有效蒸发面积，因此蒸发速率较低。但其蒸发束流的方向性较好。克努森盒的温度以及蒸发速率可以但其蒸发束流的方向性较好。克努森盒的温度以及蒸发速率可以被控制得极为准确。被控制得极为准确。n图图2.4c是以坩埚作为蒸发容器的蒸发源的一般情况，其蒸发速率是以坩埚作

31、为蒸发容器的蒸发源的一般情况，其蒸发速率的可控性等介于上面讨论过的两种蒸发源之间。的可控性等介于上面讨论过的两种蒸发源之间。薄膜的物理气相沉积()蒸发法3.3 薄膜沉积的厚度均匀性和纯度薄膜沉积的厚度均匀性和纯度一、薄膜沉积的方向性和阴影效应一、薄膜沉积的方向性和阴影效应n薄膜沉积的厚度均匀性是一个经常需要考虑的问题。需要同薄膜沉积的厚度均匀性是一个经常需要考虑的问题。需要同时沉积的薄膜的面积越大，则沉积均匀性的问题越突出。图时沉积的薄膜的面积越大，则沉积均匀性的问题越突出。图2.6画出了对于点蒸发源和面蒸发源计算得出的薄膜相对沉画出了对于点蒸发源和面蒸发源计算得出的薄膜相对沉积厚度随衬底尺寸

32、、衬底距离的变化规律。点蒸发源所对应积厚度随衬底尺寸、衬底距离的变化规律。点蒸发源所对应的沉积均匀性稍好于面蒸发源的情况。的沉积均匀性稍好于面蒸发源的情况。n加大蒸发源到衬底表面的距离可以改善薄膜厚度的均匀性。加大蒸发源到衬底表面的距离可以改善薄膜厚度的均匀性。但这种方法会降低薄膜的沉积速率及增加被蒸发材料损耗。但这种方法会降低薄膜的沉积速率及增加被蒸发材料损耗。利用转动衬底的方法可以改善蒸发沉积薄膜的厚度均匀性。利用转动衬底的方法可以改善蒸发沉积薄膜的厚度均匀性。薄膜的物理气相沉积()蒸发法3.3 薄膜沉积的厚度均匀性和纯度薄膜沉积的厚度均匀性和纯度一、薄膜沉积的方向性和阴影效应一、薄膜沉积

33、的方向性和阴影效应n同时需要蒸发沉积的样品较多，而每个样品的尺寸相对较小同时需要蒸发沉积的样品较多，而每个样品的尺寸相对较小的时候，可以考虑采取图的时候，可以考虑采取图2.7所示的衬底防止方法来改善样所示的衬底防止方法来改善样品间薄膜厚度的差别。品间薄膜厚度的差别。n这种方法将面蒸发源和衬底表面同处在一个圆周上，此时，这种方法将面蒸发源和衬底表面同处在一个圆周上，此时，cos=cosr/2r0，其中，其中r0是相应圆周的半径。这时，是相应圆周的半径。这时，dMs/dAs=Me/4r02。由于与蒸发源较远的衬底处于较有利的。由于与蒸发源较远的衬底处于较有利的空间角度，而较近的衬底处于不利的角度位

34、置，因而所沉积空间角度，而较近的衬底处于不利的角度位置，因而所沉积的薄膜的厚度与角度的薄膜的厚度与角度、无关。无关。薄膜的物理气相沉积()蒸发法3.3 薄膜沉积的厚度均匀性和纯度薄膜沉积的厚度均匀性和纯度一、薄膜沉积的方向性和阴影效应一、薄膜沉积的方向性和阴影效应n利用蒸发法沉积薄膜时，真空度一般较高。被蒸发物质的原子、利用蒸发法沉积薄膜时，真空度一般较高。被蒸发物质的原子、分子一般处于分子流状态。分子一般处于分子流状态。n当蒸发源与衬底之间存在某种障碍物时，沉积的过程将会产生阴当蒸发源与衬底之间存在某种障碍物时，沉积的过程将会产生阴影效应，即蒸发来的物质将障碍物阻挡而不能沉积到衬底上。影效应，即蒸发来的物质将障碍物阻挡而不能沉积到衬底上。n蒸发沉积过程的阴影效应可能会破坏薄膜沉积的均匀性。在需要蒸发沉积过程的阴影效应可能会破坏薄膜沉积的均匀性。在需要沉积的衬底不平，甚至具有一些较大的表面浮凸时，薄膜的沉积沉积的衬底不平，甚至具有一些较大的表面浮凸时，薄膜的沉积将会受到蒸发源方向性的限制，造成有些部位没有物质沉积，如将会受到蒸发源方向性的限制，造成有些部位没有物质沉积，如图图2.8a所示。所示。n在蒸发沉积时，有目的地使用一些特定形状的掩膜，从而实现薄在蒸发沉积时，有目的地使用一些特定形状的掩