薄膜沉积的物理方法解析.pptVIP

* 薄膜 沉积 的 ? 物理 方法 注意：其中除了LPE技术外，都可划入广义的PVD技术范畴！ ? 因此本章重点学习 蒸发、溅射、离子镀 三类基本PVD方法！ PVD的概念：在真空度较高的环境下，通过加热或高能粒子轰击的方法使源材料逸出沉积物质 粒子（可以是原子、分子或离子），这些粒子在基片上沉积形成薄膜的技术。 其技术关键在于：如何将源材料转变为气相粒子（而非CVD的化学反应）！ PVD的三个关键过程： PVD的工程分类： ? 基于气相粒子发射方式不同而分！ 3 薄膜沉积的物理方法 一、概念：在真空环境下，以各种加热方式赋予待蒸发源材料以热量，使源材料物质获得所需的蒸汽压而 实现蒸发，所发射的气相蒸发物质在具有适当温度的基片上不断沉积而形成薄膜的沉积技术。 二、两个关键：? 真空度：P ≤ 10-3 Pa（保证蒸发，粒子具分子流特征，以直线运动） ? 基片距离 (相对于蒸发源)：10~50 cm（兼顾沉积均匀性和气相粒子平均自由程） 三、蒸发条件：分压 Pi 平衡蒸汽压 Pei 1、物理机制： ■ 蒸发与凝聚同时发生，动态双向进行； ■ T 一定时，动态平衡时的蒸汽压即平衡蒸汽压 ■ Pi Pei ? 凝聚； Pi Pei ? 蒸发 (净蒸发 0) 2、怎样实现蒸发条件？ ? 升温 ： 课本：P29-30 图2.2 a、b ? ? ?T ? Pei?? ? 真空： 系统总压 P? ? 目标物质分压Pi 也随之? ? 充入其它气体： P = ∑Pi ? 总压不变、目标物质分压 Pi ? 3 薄膜沉积的物理方法 3.1 真空蒸发沉积（蒸镀） 3.1.1 真空蒸发沉积的概念及物理学基础 3、材料分类（基于蒸发特性）： ? 易升华材料 (Cr、Ti、Si等) ： TTm时，Pe 就已很高 ( 0.1 Pa) ? 升华 ? 难升华材料 (石墨)： 无 Tm，升华温度 (Ts) 又很高  ? 往往需借助电弧等高温放电热源才能蒸发！ ? 液态蒸发材料 (大多数金属)： T＝Tm时， Pe 仍较低 (Pe 0.1 Pa)， 但可以继续?T 获得高的Pe ！ ? 需加热到Tm以上一定温度才能实现蒸发！ 四、蒸发速率： 1、Knudsen公式： 式中：? — 单位面积上元素的净蒸发速率；? — 蒸发因子 (0~1)； M — 气体的原子/分子量； 2、Langmuir公式： 可知：? ? =1，Pi = 0 时，蒸发速率最大； ? 由于 ? T?时 Pei?? ? T 是 ? 的主要影响因素！ 3 薄膜沉积的物理方法 3.1 真空蒸发沉积（蒸镀） 3.1.1 真空蒸发沉积的概念及物理学基础 五、沉积厚度及沉积速率： 1、影响沉积速率的因素： ? 蒸发源尺寸；? 源-基片距离；? 凝聚系数。 2、物理学表述 (Knudsen余弦定律)： ? 点源： ? 小平面源： 式中：d0 — 距蒸发源最近位置（中心处）的膜厚； d — 距该中心距离为 l 处的膜厚； ? — 沉积角度；r — 沉积半径。 3、规律： ? 距蒸发源近：则膜厚不均匀程度增加、但沉积速率提高；? 距蒸发源远：则膜厚均匀程度好、但沉积速率降低。 3 薄膜沉积的物理方法 3.1 真空蒸发沉积（蒸镀） 3.1.1 真空蒸发沉积的概念及物理学基础 Knudsen余弦定律 六、残余气体的影响： ? 实际蒸发过程中，真空环境内总是存在一定量的残余气体分子，其影响主要表现在： 1、影响气相物质的输运（碰撞转向）： ? 引入残余气体分子与蒸发粒子的碰撞几率 (?) 表征： 式中：N0 — 蒸发粒子总数； N — 不发生碰撞的蒸发粒子总数； l — 沉积距离 (10~50 cm)； ?r — 残余气体分子的平均自由程 ? 真空度? (P 10-2 Pa) ? ?rl ? ? →0 ? 碰撞无影响、蒸发粒子近直线输运