第三讲_薄膜的物理气相沉积-蒸发沉积

支撑加热材料 (蒸发舟)
电阻加热蒸发沉积装置
3 薄膜沉积的物理方法
3.1 真空蒸发沉积（蒸镀）
3.1.2 蒸发沉积装置
三、闪烁蒸发：
待蒸发材料以粉末形式被送入送粉机构，通过机械式或 电磁式振动机构的触发，被周期性少量输送到温度极高的蒸 发盘上，待蒸发材料瞬间蒸发形成粒子流，随后输运到基片 完成薄膜的沉积。 1、蒸发温度： 与电阻加热蒸发基本相同 (1500~1900 ℃)。 2、主要改进： 解决了薄膜成分偏离源材料组分的问题！ 3、应用场合： 制备蒸发温度较低的半导体、金属陶瓷和氧化物薄膜。 4、主要问题： 蒸发温度依然有限； 待蒸发材料是粉末态，易于吸附气体且除气难度较大； 蒸发过程中释放大量气体，易导致“飞溅”，影响成膜质量。
2、主要优点：
与电子束蒸发类似，可避免加热体/坩锅材料蒸发污染薄膜； 加热温度高，可沉积难熔金属和石墨 (蒸发源即电极，须导电)； 设备远比电子束蒸发简单，成本较低。
3、主要问题：
电弧放电会产生 m大小的颗粒飞溅，影响薄膜的均匀性和质量。
电弧加热蒸发装置示意图
4、主要应用：沉积高熔点难熔金属及其化合物薄膜、碳材料薄膜 (如DLC薄膜)。
薄膜材料
3 薄膜沉积的物理方法
薄膜 沉积 的 物理 方法
蒸发（Evaporatio n） 物理气相沉积技术 (PVD) Physical Vapor Deposition 溅射（Sputtering ） 离化PVD （离子镀、IBAD 、IBD 等） 分子束外延 ( MBE ，Molecular Beam Epitaxy ) 外延技术 液相外延 (LPE ，Liquid Phase Epitaxy ) Epitaxy 热壁外延 (HWE ，Hot Wall Epitaxy )

薄膜的物理气相沉积(PLD)
4.1 蒸发沉积 4.2 溅射沉积 4.3 离子束沉积 4.4 脉冲激光沉积
4.1 蒸发沉积

蒸发沉积薄膜的基本过程：
1） 原材料被加热蒸发而气化 2） 气化的原子或分子从蒸发源向基片表面输运 3）蒸发的原子或分子在基片表面被吸附、成核、 核长大，继而形成连续薄膜
4.1.1 蒸发源
缺点：需要较复杂且昂贵的高频电源
4.1.2 原材料的蒸发与输运
1.
蒸发速率 假设在原材料表面液相和气相分子处于动态平 衡，则蒸发速率
dN r Pr P0 Je Adt 2 mkT
蒸发速率与蒸发源温度的关系
dG B 1 dT 2.3 G T 2 T
4.1.3 蒸发镀膜的膜厚分布
膜厚的分布取决于蒸发源的几何形状 与蒸发特性、基片的几何形状、基片与蒸 发源的相对位置等因素。
膜厚理论计算的简化假设： 1）蒸发凝结成薄膜
4.2 溅射沉积
溅射：荷能粒子轰击固体表面，使固体原子（或 分子）逸出的现象叫溅射。 使用范围：金属、合金、半导体、氧化物、氮化 物、碳化物、超导薄膜等。 溅射率：当粒子轰击靶阴极时，平均每个粒子从 阴极上打出的原子数。 溅射阈值：当入射粒子能量高于溅射阈值时才发 生溅射。
脉冲激光沉积的优点

相比其他制膜技术，PLD具有如下特点：1） 采用紫外脉冲激光器作为等离子体的能源，它 具有高光子能量、无污染且易于控制的特点； 2）可以比较精确的控制化学计量比，实现靶 膜成分接近一致。3） 可以引入反应气体，提 供了另一种改变薄膜组分的办法；4）四个靶 材托板随意更换，可以实现多层膜、异质结的 制备，尤其适合制备量子阱结构薄膜。5）工 艺相对简单，灵活性很大，可以实现诸多不同 种类的薄膜制备；6）可以使用激光器对薄膜 进行后续处理等。

真空蒸发的基本原理
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Å/s(大
约一个分子层厚) 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 要获得纯度高的薄膜，必须要求残余气体的压强非常低
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
真空蒸发的基本原理
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
Vmc与Vmv相比，可以忽略，对于理想气体： Vmv ＝ RT/P
dp p


H RT 2
dT
d ln P d 1/ T


H R
把Pv的自然对数值与1／T的关系作图表示，应该是一条直 线
真空蒸发的基本原理
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
dG G

2.3
B T

1 2

dT T
dG G


3.586 104 1830

1 2

102

0.1909
蒸发源1%的温度变化会引起生长速率有19％的改变
真空蒸发的基本原理
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
蒸发源的类型
电子束蒸发是将蒸发材料放入水冷铜坩埚中，直接利用电子束 加热，使蒸发材料气化蒸发后凝结在基板表面成膜，是真空蒸

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3.1 气体放电现象与等离子体
直流电场作用下物质的溅射： 对系统抽真空后，充入适当压力
的惰性气体，如Ar。在正负电极间外 加电压的作用下，电极间的气体原子 将被大量电离。电离过程使Ar原子电 离为Ar+和可以独立运动的电子，其 中的电子会加速飞向阳极，而Ar+则 在电场的作用下加速飞向作为阴极的 靶材，并在与靶材的撞击过程中释放 出相应的能量。离子高速撞击靶材的 结果之一是使大量的靶材表面原子获 得相当高的能量，使其可能脱离靶材 的束缚而飞向衬底。
由于气体分子在这种情况下的自然游离数是恒定的， 所以，当正离子和电子一产生，便被电极拉过去。即使再 升高电压，到达电极的电子与离子数目不变。此时的电流 密度很小，一股情况下仅有10-16—10-11安培左右。此区是 导电而不发光，所以称为无光放电区。
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2、汤生放电
随着电压逐渐升高，电离粒子的运动速度也随 之加快，即电流随电压上升而增加。当这部分电离 粒子的速度达到饱和时，电流不再随电压升高而增 加。此时，电流达到了一个饱和值，曲线中第一个 垂直段(AB段)。
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为维持放电进行，下述两个过程必不可少 1）、电子的繁衍，开始由阴极表面发射出一个 电子（初始电子），该电子在电极间电压的作用 下，向阳极运动。当电子能量超过一定值后，使 气体原子发生碰撞电离，后者被电离为一个离子 和一个电子。这样，一个电子就变为两个电子， 重复这一过程，即实现电子的所谓繁衍。 2）、二次电子发射过程：离子在阴极电位降的 作用下，轰击阴极表面，产生二次电子。
维持辉光放电的电压较低，且不变。从D到E 之间区域叫做“正常辉光放电区”。
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在正常辉光放电时．放电自动调整阴极轰击面积； 最初，轰击是不均匀的，轰击集中在靠近阴极边缘处， 或在表面其他不规则处。随着电源功率的增大．轰击区 逐渐扩大，直到阴极面上电流密度几乎均匀为止。