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1、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 在在真真空空环环境境下下，给给待待蒸蒸发发物物质质提提供供足足够够的的热热量量以以获获得得蒸蒸发发所所必必须须的的蒸蒸汽汽压压，在在适适当当的的温温度度下
2、下，蒸蒸发发粒粒子在基片上凝结形成薄膜。子在基片上凝结形成薄膜。真真空空蒸蒸发发就就是是利利用用蒸蒸发发材材料料在在高高温温时时所所具具有有的的饱饱和蒸汽压进行薄膜制备。和蒸汽压进行薄膜制备。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
3、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
4、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、成膜三、汽化热和蒸汽压三、汽化热和蒸汽压 汽化热：汽化热：真真空空蒸蒸发发系系统统中中的的热热源源将将蒸蒸发发源源材材料料加加热热到到足足够够高高的的温温度度，使使其其原原子子或或分分子子获获得得足足够够高高的的能能量量，克克服服固固相相原原子子的的束束缚缚而而蒸蒸发发到到真真空空中中，并并形形成成具具有有一一定定动动能能的的气气相相原原子子或或分分子子，这这个个能量就是汽化热。能量就是汽化热。n物物质质的的饱饱和和蒸蒸气气压压：在在一一定定温温度度下
5、下，真真空空室室内内蒸蒸发发物物质质的的蒸蒸汽汽与与固固态态或或液液态态相相平平衡衡时时所所呈呈现现的压力。的压力。n物物质质的的饱饱和和蒸蒸气气压压随随温温度度的的上上升升而而增增大大，一一定定的的饱饱和和蒸蒸气气压压则则对对应应着着一一定定的的温温度度。规规定定物物质质在在饱饱和和蒸蒸气气压压为为1.3Pa时时的的温温度度，称称为为该该物物质质的的蒸发温度。蒸发温度。三、汽化热和蒸汽压三、汽化热和蒸汽压 在在一一定定温温度度下下，每每种种液液体体或或固固体体物物质质都都具具有有特特定定的的平平衡衡蒸蒸汽汽压压。当当被被蒸蒸发发物物质质的的分分气气压压降降低低到到了了它它的的平平衡衡蒸蒸汽汽
6、压压以以下下，才才可可能能有有物物质质的的净净蒸蒸发发。单单位位源源物物质质表表面面上物质的净蒸发速率为：上物质的净蒸发速率为：四、物质的蒸发速率四、物质的蒸发速率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: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 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 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
7、有的体积的变化，近似等于反应室的体积。应室的体积。lgP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。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 液相蒸发液相蒸发对对大大多多数数金金属属，温温度度达达到到熔熔点点时时，其其平平衡衡气气压压低低于于10-1 Pa,需需将物质加热到熔
8、点以上将物质加热到熔点以上 固相升华固相升华在在熔熔点点附附近近，固固体体的的平平衡衡蒸蒸汽汽压压已已相相对对较较高高，如如 Cr,Ti,Mo,Fe,Si等等，可可以以直直接接利利用用由由固固态态物物质质的的升升华华，实实现现物物质质的的气气相相沉积沉积图图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 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
9、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 3、金属合金的蒸发、金属合金的蒸发 金金属属合合金金的的蒸蒸发发也也会会发发生生成成分分的的偏偏离离，但但合合金金中中原原子子间间的的结结合合力力小小于于化化合合物物中中原原子子间间的的结结合合力力，实实际际蒸蒸发发过过程程可可视视为为各各元元素素独独立立蒸发过程，可由热力学定律来描述：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
10、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。因因此此，即即使使对对于于理理想想合合金金A、B两两组组元元的的蒸蒸气气压压之之比比，或或蒸蒸发发速速度度之比，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 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
11、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。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。五、元素、化合物、合金蒸发的特点
12、五、元素、化合物、合金蒸发的特点 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）单单源源蒸蒸发发法法：先先按按薄薄膜膜组组分分比比例例的的要要求求制制成成合合金金靶靶，然然后后 对对合合金金靶靶进进行行蒸蒸发发、沉沉积积形形成成固固态态薄薄膜膜。基基本本要要求求是是合合金金靶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）多多源源同同时时蒸蒸发发法法：利利用用多多个个坩坩埚埚，在在每每个个坩坩埚埚中中放放入入薄薄膜膜所需的一种材料，在不同温度下同时蒸发。所需的一种材料，在不同温
13、度下同时蒸发。（3）多多源源顺顺序序蒸蒸发发法法：把把薄薄膜膜所所需需材材料料放放在在不不同同坩坩埚埚中中，但但不不是是同同时时蒸蒸发发，而而是是按按顺顺序序蒸蒸发发，并并根根据据薄薄膜膜组组分分控控制制相相应应的的层厚，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、化合物、合金蒸发的特点五、元素、化合物、合金蒸发的特点 五、元素、化合物、合金蒸发的特点五、元素、化合物、合金蒸发的特点 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
14、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：利利用用一一些些高高熔熔点点、低低蒸蒸气气压压的的金金属属（W，Mo,Ta等等）制制成成各各种种形形状状的的加加热热器器；
15、一一方方面面作作为为加加热，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六六 真空蒸发源真空蒸发源n加热装置的分类和特点：加热装置的分类和特点：（1）丝丝状状（0.05-0.13cm)，蒸蒸发发物物润润湿湿电电阻阻丝丝，通通过过表表面面 张张力力得得到到支支撑撑。只只能能蒸蒸发发金金属属或或合合金金；有有限限的的蒸蒸发发材材料料被被蒸蒸发发；蒸蒸发发材材料料必必须须润润湿湿加加热热丝丝；加加热热丝容易变脆。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
16、 真空蒸发源真空蒸发源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）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2、电子束加热装置及特点、电子束加热装置及特点n电电子子束束通通过过5-10KV 的的电电场场后后被被加加速速，然然后后聚聚焦焦到到被被蒸蒸发发的的材材料料表表面面，把把能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无无污污染染：与与坩坩埚埚接接触触的的待待蒸蒸发发材材料料保
17、保持持固固态态不不变变，蒸蒸发发材材料料与与坩坩埚埚发发生生反反应的可能性很小。（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。
18、如如Mo、Ta、Nb、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激激光光蒸蒸发发属属于于在在高高真真空空条条件件下下制制备备薄薄膜膜的的技技术术。激激光光源源放放在在真真空空室室外外边边，激激光光束束通通过过真真空空室室窗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源六六 真
19、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、激光加热蒸发六六 真空蒸发源真空蒸发源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4、电弧加热蒸发、电弧加热蒸发n利用电弧放电加热利用电弧放电加热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，难熔导电物质薄膜薄膜n缺点：产生微米级的电极颗粒缺点：产生微米级的电
20、极颗粒n原原理理：用用欲欲蒸蒸发发的的材材料料做做电电极极，通通过过调调节节真真空空室室内内电电极极间间的的距距离离来来点点燃燃电电弧弧，而而瞬瞬间间的的高高温温电电弧弧将将使使电电极极端端部部产产生生蒸蒸发发从从而而实实现现薄薄膜膜的的沉沉积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n 在较低的反应气体压强下，经电弧蒸发可得到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，对金属一些陶瓷薄膜。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
21、源真空蒸发源4、电弧加热蒸发、电弧加热蒸发5、高频感应加热：、高频感应加热：在在高高频频初初级级感感应应线线圈圈的的作作用用下下，通通过过坩坩埚埚或或被被加加热热物物质质本本身身的的感感生生电电流流加加热热实实现现对对源源物物质质的的加加热。（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：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
22、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。设想
23、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。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，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
24、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-蒸发源与衬底间距离。蒸发源与衬底间距离。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
25、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
26、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/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
27、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）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
28、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薄薄膜膜沉沉积积的的厚厚度度均均匀匀性性是是一一个个经经常常需需要要考考虑虑的的问问题题。需需要要同同时时沉沉积积的的薄薄膜膜的的面面积积越越大大，则则沉沉积积均均匀匀性
29、性的的问问题题越越突突出出。图图2.6画画出出了了对对于于点点蒸蒸发发源源和和面面蒸蒸发发源源计计算算得得出出的的薄薄膜膜相相对对沉沉积积厚厚度度随随衬衬底底尺尺寸寸、衬衬底底距距离离的的变变化化规规律律。点点蒸蒸发发源源所所对对应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加加大大蒸蒸发发源源到到衬衬底底表表面面的的距距离离可可以以改改善善薄薄膜膜厚厚度度的的均均匀匀性性。但但这这种种方方法法会会降降低低薄薄膜膜的的沉沉积积速速率率及及增增加加被被蒸蒸发发材材料料损损耗耗。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
30、厚度均匀性。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同同时时需需要要蒸蒸发发沉沉积积的的样样品品较较多多，而而每每个个样样品品的的尺尺寸寸相相对对较较小小的的时时候候，可可以以考考虑虑采采取取图图2.7所所示示的的衬衬底底防防止止方方法法来来改改善善样样品间薄膜厚度的差别。品间薄膜厚度的差别。n这这种种方方法法将将面面蒸蒸发发源源和和衬衬底底表表面面同同处处在在一一个个圆圆周周上上，此此时时，cos=cosr/2r0，其其 中中 r0是是 相相 应应 圆圆 周周 的的 半半 径径。这这 时时，dMs/dAs=Me/4r0
31、2。由由于于与与蒸蒸发发源源较较远远的的衬衬底底处处于于较较有有利利的的空空间间角角度度，而而较较近近的的衬衬底底处处于于不不利利的的角角度度位位置置，因因而而所所沉沉积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利利用用蒸蒸发发法法沉沉积积薄薄膜膜时时，真真空空度度一一般般较较高高。被被蒸蒸发发物物质质的的原原子子、分子一般处于分子流状态。分子一般处于分子流状态。n当当蒸蒸发发源源与与衬衬底底之之间间存存在在某某种种障障碍碍物物时时，沉沉积积的的过过程程将将会会产产生生阴
32、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蒸蒸发发沉沉积积过过程程的的阴阴影影效效应应可可能能会会破破坏坏薄薄膜膜沉沉积积的的均均匀匀性性。在在需需要要沉沉积积的的衬衬底底不不平平，甚甚至至具具有有一一些些较较大大的的表表面面浮浮凸凸时时，薄薄膜膜的的沉沉积积将将会会受受到到蒸蒸发发源源方方向向性性的的限限制制，造造成成有有些些部部位位没没有有物物质质沉沉积积，如如图图2.8a所示。所示。n在在蒸蒸发发沉沉积积时时，有有目目的的地地使使用用一一些些特特定定形形状状的的掩掩膜膜，从从而而实实现现薄薄膜的选择性沉积，如图膜的选择
33、性沉积，如图2.8b所示。所示。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二、蒸发沉积薄膜的纯度二、蒸发沉积薄膜的纯度 薄膜的纯度是制备薄膜材料时十分关心的问题。在蒸发沉积薄膜的纯度是制备薄膜材料时十分关心的问题。在蒸发沉积时，薄膜的纯度将取决于：时，薄膜的纯度将取决于：（）蒸发源物质的纯度；（）蒸发源物质的纯度；（）加热装置、坩埚等可能造成的污染；（）加热装置、坩埚等可能造成的污染；（）真空系统中残留的气体。（）真空系统中残留的气体。前面两个因素的影响可以依靠使用高纯物质作为蒸发源以及前面两个因素的影响可以依靠使用高纯物质作为蒸发源以及改善蒸发装置的设计得以避免，而后一个因素则需要
34、从改善改善蒸发装置的设计得以避免，而后一个因素则需要从改善设备的真空条件入手来加以解决。设备的真空条件入手来加以解决。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二、蒸发沉积薄膜的纯度二、蒸发沉积薄膜的纯度 u在在沉沉积积的的过过程程中中，残残余余气气体体的的分分子子和和蒸蒸发发物物质质的的原原子子将将分分别别射射向向衬衬底底，并并可可能能同同时时沉沉积积在在衬衬底底上上。蒸蒸发发物物质质的的原原子子的的沉沉积速率为积速率为G=NAS/MAu其其量量纲纲为为原原子子数数/cm2s。为为沉沉积积物物质质的的密密度度；s为为厚厚度度沉沉积积 速速 率率。残残 余余 气气 体体 分分 子子
35、的的 沉沉 积积 速速 率率 可可 以以 借借 助助 式式 求出。求出。u求出气体杂质在沉积物中的浓度为求出气体杂质在沉积物中的浓度为C=P MA/NAS(2MgRT)1/2 MA和和Mg分别为蒸发物质和残余气体的相对原子质量；是分别为蒸发物质和残余气体的相对原子质量；是残余气体的压强。残余气体的压强。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二、蒸发沉积薄膜的纯度二、蒸发沉积薄膜的纯度 由由上上式式可可以以看看出出，沉沉积积物物质质中中杂杂质质的的含含量量与与残残余余气气体体的的压强成正比，与薄膜的沉积速度压强成正比，与薄膜的沉积速度s成反比。成反比。表表.2给给出出了了计计算算得得出出的的氧氧杂杂质质含含量量随随沉沉积积速速度度和和真真空空度度的的变变化化情情况况。在在计计算算时时，假假设设了了运运动动至至衬衬底底处处的的O2分分子子均均会被沉积在薄膜之中。会被沉积在薄膜之中。作业作业n1、描述元素、化合物和合金的热蒸发的特点、描述元素、化合物和合金的热蒸发的特点n2、描述几种常用的热蒸发的装置和方法、描述几种常用的热蒸发的装置和方法