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1、二、真空蒸发的设备真空蒸发设备示意图如下图所示第1页/共45页二、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第2页/共45页二、真空蒸发的设备 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。原子或分子
2、到达基片后凝结、成核、生长、成膜第3页/共45页三、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。第4页/共45页物质的饱和蒸气压：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、汽化热和蒸汽压第5页/共45页 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
3、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、物质的蒸发速率第6页/共45页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、物质的蒸发速率第7页/共45页 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。第8页/共45页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。第9页/共45页图2.1 a 元素的平衡蒸汽压随温度的变化曲线（点
4、表示相应元素的熔点）五、元素、化合物、合金蒸发的特点 第10页/共45页 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 第11页/共45页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 第12页/共45页 3、金属合金的
5、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：n理想合金AB：A-B间的作用能等于A-A 或B-B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 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 第13页/共45页实际合金的蒸气压之比更加偏
6、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 第14页/共45页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
7、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）多源顺序蒸发法：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 第15页/共45页五、元素、化合物、合金蒸发的特点 第16页/共45页六 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n电子束加热蒸发n激光加热蒸发n
8、电弧加热蒸发n高频感应加热蒸发第17页/共45页1、电阻式加热蒸发n普通电阻加热：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；一方面作为加热，同时支撑被加热的物质。（低压大电流）六 真空蒸发源第18页/共45页六 真空蒸发源第19页/共45页第20页/共45页加热装置的分类和特点：（1）丝状（0.05-0.13cm)，蒸发物润湿电阻丝，通过表面 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；加热丝容易变脆。（2）凹箔：蒸发源为粉末。（3）锥形丝筐蒸发小块电介质或金属。六 真空蒸发源第21页/共45页缺点（1）加热装置与蒸发物会反应（
9、2）难以蒸发电介质材料（Al2O3,Ta2O5,TiO2等）（3）蒸发率低（4）加热蒸发时合金和化合物会分解。六 真空蒸发源第22页/共45页2、电子束加热装置及特点n电子束通过5-10KV 的电场后被加速，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 化并蒸发。n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应的可能性很小。（坩埚水冷）六 真空蒸发源电子束蒸发装置示意图第23页/共45页难熔物质的蒸发：适合制备高纯，难熔物质薄膜可同时安置多个坩埚，同时或分别蒸发多种不同物质。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
10、子和光电子领域的薄膜材料。如Mo、Ta、Nb、MgF2、Ga2Te3、TiO2、Al2O3、SnO2、Si等等。六 真空蒸发源2、电子束加热装置及特点第24页/共45页3、激光加热蒸发利用激光作为热源使待蒸发材料蒸发。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口打到待蒸发材料上使其蒸发，沉积在衬底上。适合制备高纯，难熔物质薄膜六 真空蒸发源第25页/共45页六 真空蒸发源激光蒸发示意图3、激光加热蒸发第26页/共45页六 真空蒸发源第27页/共45页可用来制备光学薄膜 Sb2S3,ZnTe,MoO3,PbTe,Ge,Si制备陶瓷薄膜：Al2O3,Si3N
11、4,氧化物薄膜：SnO2，ZnO超导薄膜YBCO 注：Sb(锑ti)Te(碲）六 真空蒸发源3、激光加热蒸发第28页/共45页4、电弧加热蒸发n利用电弧放电加热n无污染n适合制备高纯，难熔导电物质薄膜n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，通过调节真空室内电极间的距离来点燃电弧，而瞬间的高温电弧将使电极端部产生蒸发从而实现薄膜的沉积真空室电极衬底六 真空蒸发源第29页/共45页 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Ti和Zr（锆）起弧制的TiN和ZrN薄膜，在氧气氛下，Al起弧制得氧化铝薄膜。六 真空蒸发源4、电弧加热蒸发第30页/共45
12、页5、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）六 真空蒸发源第31页/共45页七、真空蒸发法的优缺点优点：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，成膜速率快缺点：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。5、高频感应加热：第32页/共45页3.3 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。蒸发原子运动的方向性对沉积的薄膜的均匀性以及其微蒸发原子运动的方向性对沉积的薄膜的
13、均匀性以及其微观组织都会产生影响。观组织都会产生影响。物质的蒸发源有不同形状。衬底较远，尺寸较小的蒸发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积为AeAe的小球面上均匀地发射出来的。的小球面上均匀地发射出来的。第33页/共45页3.3 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MedAedtAet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为时为时
14、间。间。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。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，因而衬底面积元由于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dMs/dAs=Mecos/4r2-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。第34页/共45页3.3 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
15、应物质蒸发过程中，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。蒸发原子运动的方向性对沉积的薄膜的均匀性以及其微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。观组织都会产生影响。物质的蒸发源有不同形状。衬底较远，尺寸较小的蒸发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积为AeAe的小球面上均匀地发射出来的。的小球面上均匀地发射出来的。第35页/共45页3.3 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薄膜的沉积速率将
16、与距离薄膜的沉积速率将与距离r r的平方成反比，并与衬底和蒸的平方成反比，并与衬底和蒸发源之间的方向夹角发源之间的方向夹角有关。当有关。当，r r较小时，沉积较小时，沉积速率较大。速率较大。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上沉积的物质上沉积的物质量为量为dMs/dAs=Mecoscos/4r2影响薄膜沉积速度的参数中增加了一个与蒸发源平面法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线间的夹角。第36页/共45页3.3 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P33图图2.4a表示自由蒸发源即相当于面蒸发源的情况。
17、蒸发源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的蒸发速率不仅取决于物质的平衡蒸气压Pe，还和蒸发物质的，还和蒸发物质的实际分压实际分压Ph有关。有关。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）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，物质的蒸气压近似等于其平衡蒸气压；而在坩埚外，仍保持着较高的真空度。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。与普通的面蒸发源相比，具有较小有效蒸发面积，因此蒸发速与普通的面蒸发源相比，具有较
18、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被控制得极为准确。发速率可以被控制得极为准确。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。率的可控性等介于上面讨论过的两种蒸发源之间。第37页/共45页3.3 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
19、面积积越越大大，则则沉沉积积均均匀匀性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。点蒸发源所对应的沉积均匀性稍好于面蒸发源的情况。点蒸发源所对应的沉积均匀性稍好于面蒸发源的情况。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。利利用用转转动动衬衬底底的的方方法法可可以以改改善善蒸蒸
20、发发沉沉积积薄薄膜膜的的厚度均匀性。厚度均匀性。第38页/共45页3.3 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善样品间薄膜厚度的差别。改善样品间薄膜厚度的差别。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/4r02。由由于于与与蒸
21、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，因因而所沉积的薄膜的厚度与角度而所沉积的薄膜的厚度与角度、无关。无关。第39页/共45页3.3 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。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
22、。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。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，如图积，如图2.8a所示。所示。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膜的选择性沉积，如图薄膜的选择性沉积，如图2.8b所示。所示。第40页/共45页3.
23、3 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：沉积时，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，而后一个因素则需以及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
24、的真空条件入手来加以解决。要从改善设备的真空条件入手来加以解决。第41页/共45页3.3 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子的沉积速率为原子的沉积速率为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 的的 沉沉 积积 速速 率率 可可 以以 借借 助助
25、 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；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。是残余气体的压强。第42页/共45页3.3 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的压强成正比，与薄膜的沉积速度体的压强成正比，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分子均会被沉积在薄膜之中。分子均会被沉积在薄膜之中。第43页/共45页作业1、描述元素、化合物和合金的热蒸发的特点2、描述几种常用的热蒸发的装置和方法第44页/共45页感谢您的观看。第45页/共45页