真空蒸发蒸发镀膜.ppt
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1、关于真空蒸发蒸发镀膜现在学习的是第1页,共77页物理气相沉积(物理气相沉积(Physical Vapor DepositionPhysical Vapor Deposition)真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜真空溅射镀膜真空溅射镀膜真空离子镀膜真空离子镀膜现在学习的是第2页,共77页真空蒸发镀膜:真空蒸发镀膜:将固体材料置于高真空环境中加热,使之升华或蒸将固体材料置于高真空环境中加热,使之升华或蒸发并沉积在特定衬底上以获得薄膜的工艺方法。发并沉积在特定衬底上以获得薄膜的工艺方法。现在学习的是第3页,共77页第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理现在学习的是第4页,共77页第一节第一节 真空蒸发原理真
2、空蒸发原理蒸发度膜的三个基本过程:蒸发度膜的三个基本过程:加热蒸发过程加热蒸发过程 固相或液相转变为气相固相或液相转变为气相 气相原子或分子的输运过程(源气相原子或分子的输运过程(源-基距)基距)气相粒子在环境气氛中的飞行过程,输运过程中气相粒子与残余气相粒子在环境气氛中的飞行过程,输运过程中气相粒子与残余气体分子发生碰撞的次数,取决于蒸发原子的气体分子发生碰撞的次数,取决于蒸发原子的平均自由程平均自由程,以及蒸,以及蒸发源与基片之间的距离。发源与基片之间的距离。蒸发原子或分子在基片表面的淀积过程蒸发原子或分子在基片表面的淀积过程 即即蒸气凝聚蒸气凝聚、成核成核、核生长核生长、形成、形成连续薄
3、膜连续薄膜的过程。由于基板温的过程。由于基板温度较低,因此,沉积物分子在基板表面将直接发生从气相到固相的相转度较低,因此,沉积物分子在基板表面将直接发生从气相到固相的相转变。变。现在学习的是第5页,共77页第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理2.2.饱和蒸气压饱和蒸气压概念概念 在一定温度下,真空室内蒸发物质的蒸气与固在一定温度下,真空室内蒸发物质的蒸气与固体或液体平衡过程中所表现出来的压力体或液体平衡过程中所表现出来的压力A.A.处于饱和蒸气压时,蒸发物表面液相、气相处于处于饱和蒸气压时,蒸发物表面液相、气相处于动态平衡;动态平衡;B.B.饱和蒸气压随温度的升高而增大;饱和蒸气压随温度的升
4、高而增大;C.C.一定温度下,各种物质具有恒定的饱和蒸气压,相一定温度下,各种物质具有恒定的饱和蒸气压,相反一定的饱和蒸气压对应一定的温度;反一定的饱和蒸气压对应一定的温度;D.D.不同物质在一定温度下的饱和蒸气压不同;不同物质在一定温度下的饱和蒸气压不同;现在学习的是第6页,共77页第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理克拉伯龙克拉伯龙-克劳修斯克劳修斯(Clapeylon-Clausius)方程)方程 为摩尔汽化热或蒸发热(为摩尔汽化热或蒸发热(J/mol););和和 分别为气分别为气相和固相的摩尔体积(相和固相的摩尔体积(cm3););为绝对温度(为绝对温度(K)。)。因因为为 ,假假设
5、设低低压压气气体体符符合合理理想想气气体体状状态态方方程程,则有则有线性关系线性关系或或饱和蒸气压与温度的关系饱和蒸气压与温度的关系现在学习的是第7页,共77页第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理气化热气化热Hv随温度变化很小随温度变化很小或或在在30时,水的饱和蒸气压为时,水的饱和蒸气压为4132.982Pa;在在100时,水的饱和蒸气压增大到时,水的饱和蒸气压增大到101324.72Pa现在学习的是第8页,共77页 饱和蒸气压与温度的关系曲线对于薄膜制作技术有重要意义,它可饱和蒸气压与温度的关系曲线对于薄膜制作技术有重要意义,它可以帮助我们合理选择蒸发材料和确定蒸发条件。以帮助我们合理选
6、择蒸发材料和确定蒸发条件。第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理蒸发温度蒸发温度 规定物质在饱和蒸气压为规定物质在饱和蒸气压为10-2Torr时时的温度的温度现在学习的是第9页,共77页3.3.蒸发速率蒸发速率 根根据据气气体体分分子子运运动动论论,在在气气体体压压力力为为P时时,单单位位时时间间内内碰碰撞撞单单位位面面积积器器壁壁上上的的分分子子数数量量,即即碰碰撞撞分分子子流流量量(通通量量或或蒸蒸发发速速率)率)J:冷凝系数冷凝系数 设蒸发材料表面液相、气体处于动态平衡,到达液相表面的分设蒸发材料表面液相、气体处于动态平衡,到达液相表面的分子全部粘接而不脱离,与从液相到气相的分子数相等,
7、则蒸发速率:子全部粘接而不脱离,与从液相到气相的分子数相等,则蒸发速率:第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理dN蒸发分子数,e蒸发系数,A蒸发面积,t时间,Pv和Ph分别为饱和蒸气压和液体静压现在学习的是第10页,共77页最大蒸发速率:最大蒸发速率:(2-9)单位面积单位面积质量蒸发速率质量蒸发速率除了与蒸发物质的分子量、绝对除了与蒸发物质的分子量、绝对温度和蒸发物质在温度和蒸发物质在T温度时的饱和温度时的饱和蒸气压有关外,还与材料自身的清蒸气压有关外,还与材料自身的清洁度有关,特别是蒸发源温度的变洁度有关,特别是蒸发源温度的变化对蒸发速率影响极大化对蒸发速率影响极大第一节第一节 真空蒸发原
8、理真空蒸发原理现在学习的是第11页,共77页现在学习的是第12页,共77页蒸发速率随温度变化关系蒸发速率随温度变化关系对金属对金属 之间之间蒸发源温度微小变化就蒸发源温度微小变化就可以引起蒸发速率的很可以引起蒸发速率的很大变化。大变化。例:蒸发铝,计算由于例:蒸发铝,计算由于1的温度变化,对铝蒸发薄膜生长速率的影响。的温度变化,对铝蒸发薄膜生长速率的影响。B=3.586104(K),在蒸气压为在蒸气压为1Torr时的蒸发温度为时的蒸发温度为1830K。第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理现在学习的是第13页,共77页对基片的碰撞率:对基片的碰撞率:热平衡条件下,单位时间通过单位面积的气体分子
9、数为:热平衡条件下,单位时间通过单位面积的气体分子数为:第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理 一一般般薄薄膜膜的的淀淀积积速速率率为为每每秒秒一一个个原原子子层层,当当残残余余气气体体压压强强为为10-5Torr时时,气气体体分分子子和和蒸蒸发发物物质质原原子子几几乎乎按按1:1的的比比例例到到达达基板表面。基板表面。现在学习的是第14页,共77页所以,真空度足够高,平均自由程足够大,且所以,真空度足够高,平均自由程足够大,且时:时:为保证镀膜质量,在要求为保证镀膜质量,在要求 时,源时,源-基距基距 时,必须时,必须 。由此可见,只有当由此可见,只有当 (l为源为源-基距)时,即平均自基距
10、)时,即平均自由程较源由程较源-基距大得多的情况下,才能有效减少蒸发分子在基距大得多的情况下,才能有效减少蒸发分子在输运过程中的碰撞。输运过程中的碰撞。第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理现在学习的是第15页,共77页第三节第三节 蒸发源的类型蒸发源的类型 常用电阻加热蒸发源形状常用电阻加热蒸发源形状丝状蒸发源丝状蒸发源线径线径0.51mm蒸铝蒸铝用于蒸发块状或用于蒸发块状或丝状的升华材料丝状的升华材料和不易浸润材料和不易浸润材料箔状蒸发源箔状蒸发源厚度厚度0.050.15mm现在学习的是第16页,共77页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布各种蒸发皿结构各种蒸
11、发皿结构现在学习的是第17页,共77页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 电子束蒸发源电子束蒸发源 电电阻阻加加热热蒸蒸发发源源已已不不能能满满足足蒸蒸镀镀某某些些高高熔熔点点金金属属和和氧氧化化物物材材料料的的需需要要,特特别别是是制制备备高高纯纯薄薄膜膜。电电子子束束加加热热蒸蒸发发法法克克服服了了电电阻阻加加热热蒸蒸发发的的许许多多缺缺点点,得到广泛应用。得到广泛应用。现在学习的是第18页,共77页 电子束加热原理电子束加热原理 可可聚聚焦焦的的电电子子束束,能能局局部部加加温温元元素素源源,因因不不加加热热其其它它部部分分而避免污染而避免污染 高高能能量
12、量电电子子束束能能使使高高熔熔点点元元素素达达到到足足够够高高温温以以产产生生适适量量的的蒸气压蒸气压电子的动能和电功率:电子的动能和电功率:现在学习的是第19页,共77页电子束蒸发源的优点:电子束蒸发源的优点:电子束的束流密度高,能获得远比电阻加热源更大的能量密度。电子束的束流密度高,能获得远比电阻加热源更大的能量密度。被被蒸蒸发发材材料料置置于于水水冷冷坩坩埚埚内内,避避免免了了容容器器材材料料的的蒸蒸发发,以以及及容容器器材材料与蒸发材料的反应,提高了薄膜的纯度。料与蒸发材料的反应,提高了薄膜的纯度。热热量量直直接接加加到到蒸蒸镀镀材材料料表表面面,热热效效率率高高,热热传传导导和和热热
13、辐辐射射损失小。损失小。电子束蒸发源的缺点:电子束蒸发源的缺点:可使蒸发气体和残余气体电离,有时会影响膜层质量;可使蒸发气体和残余气体电离,有时会影响膜层质量;电子束蒸镀装置结构复杂,价格昂贵;电子束蒸镀装置结构复杂,价格昂贵;产生的软产生的软X射线对人体有一定的伤害。射线对人体有一定的伤害。现在学习的是第20页,共77页 电子束蒸发源的结构电子束蒸发源的结构 环型枪环型枪 直型枪直型枪 e 型枪型枪结构简单结构简单功率、效率不高功率、效率不高现在学习的是第21页,共77页直型枪直型枪 使用方便,能量密使用方便,能量密度高,易于调节控制。度高,易于调节控制。体积大、成本高,体积大、成本高,蒸镀
14、材料会污染枪体蒸镀材料会污染枪体结构,存在从灯丝逸结构,存在从灯丝逸出的出的NaNa离子污染离子污染现在学习的是第22页,共77页现在学习的是第23页,共77页1-发射体,发射体,2-阳极,阳极,3-电磁线圈,电磁线圈,4-水冷坩埚,水冷坩埚,5-收集极,收集极,6-吸收极,吸收极,7-电子电子轨迹,轨迹,8-正离子轨迹,正离子轨迹,9-散射电子轨迹,散射电子轨迹,10-等离子体等离子体吸吸收收反反射射电电子子、背背散散射射电电子子、二二次次电子电子吸吸收收电电子子束束与与蒸蒸发发的的中中性性离离子子碰碰撞撞产产生生的的正正离离子子e 型枪型枪现在学习的是第24页,共77页 高频感应蒸发源高频
15、感应蒸发源高频感应蒸发源的特点:高频感应蒸发源的特点:蒸发速率大,比电阻蒸发源大蒸发速率大,比电阻蒸发源大1010倍左右;倍左右;蒸发源温度均匀稳定,不易产生蒸发源温度均匀稳定,不易产生飞溅;飞溅;蒸发材料是金属时,从内部加热;蒸发材料是金属时,从内部加热;蒸发源一次加料,无需送料机构,控蒸发源一次加料,无需送料机构,控温容易,热惰性小,操作简单。温容易,热惰性小,操作简单。缺点:缺点:蒸发装置必须屏蔽、高蒸发装置必须屏蔽、高频发生器昂贵,气压高于频发生器昂贵,气压高于1010-2-2PaPa,高频场就会使残余气体电离,高频场就会使残余气体电离,使功耗增大使功耗增大现在学习的是第25页,共77
16、页5.5.蒸发所需能量和离子能量蒸发所需能量和离子能量 能量损失的种类能量损失的种类 蒸发材料蒸发材料蒸发蒸发时所需的热量时所需的热量 蒸发源因蒸发源因辐射辐射所损失的能量所损失的能量 蒸发源因蒸发源因热传导热传导而损失的能量而损失的能量 蒸发材料蒸发时所需的热量蒸发材料蒸发时所需的热量第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理现在学习的是第26页,共77页 不同物质在相同压强下所需的蒸发热是不同的;不同物质在相同压强下所需的蒸发热是不同的;蒸发热量蒸发热量 值的值的80%以上是蒸发热以上是蒸发热 而消耗掉的。而消耗掉的。第一节第一节 真空蒸发原理真空蒸发原理现在学习的是第27页,共77页第一节第
17、一节 真空蒸发原理真空蒸发原理1.1.真空蒸发的特点与蒸发过程真空蒸发的特点与蒸发过程 设备比较简单、操作容易;设备比较简单、操作容易;薄膜纯度高、质量好,厚度可较准确控制;薄膜纯度高、质量好,厚度可较准确控制;成膜速度快、效率高,采用掩模可以获得清晰的图形;成膜速度快、效率高,采用掩模可以获得清晰的图形;薄膜生长机理比较单纯。薄膜生长机理比较单纯。缺点:缺点:不容易获得不容易获得结晶结构结晶结构的薄膜,的薄膜,薄膜附着力薄膜附着力较小,工艺重复较小,工艺重复性差性差。特点:特点:现在学习的是第28页,共77页主要内容主要内容6-1 真空蒸发原理真空蒸发原理6-2 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸
18、发源的蒸发特性及膜厚分布6-3 蒸发源的类型蒸发源的类型6-4 合金及化合物蒸发合金及化合物蒸发6-5 膜厚和淀积速率的测量与监控膜厚和淀积速率的测量与监控现在学习的是第29页,共77页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布均匀膜层厚度是薄膜技术中的关键问题。取决于如下因素:均匀膜层厚度是薄膜技术中的关键问题。取决于如下因素:蒸发源的蒸发特性蒸发源的蒸发特性 基板与蒸发源的几何形状基板与蒸发源的几何形状 基板与蒸发源的相对位置基板与蒸发源的相对位置 蒸发物质的蒸发量蒸发物质的蒸发量基本假设:基本假设:1.1.蒸发原子或分子与残余气体分子之间不发生碰撞;蒸发原子或分子
19、与残余气体分子之间不发生碰撞;2.2.蒸发源附近的原子或分子之间不发生碰撞;蒸发源附近的原子或分子之间不发生碰撞;3.3.淀积到基片上的原子不发生再蒸发现象。淀积到基片上的原子不发生再蒸发现象。现在学习的是第30页,共77页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 点蒸发源点蒸发源 能能够够从从各各个个方方向向蒸蒸发发等等量量材材料料的的微微小小球球状状蒸蒸发发源源称称为为点点蒸蒸发发源源(点源)。(点源)。现在学习的是第31页,共77页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布在基板平面内薄膜厚度分布:在基板平面内薄膜厚度分布:当当 在点源正
20、上方,即在点源正上方,即 时,膜层厚度时,膜层厚度 为:为:现在学习的是第32页,共77页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 小平面蒸发源小平面蒸发源 这这种种蒸蒸发发源源的的发发射射特特性性具具有有方方向向性性,使使得得在在 角角方方向向蒸蒸发发的的材材料料质量和质量和 成正比。成正比。现在学习的是第33页,共77页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布当当 在点源正上方,即在点源正上方,即 时,膜层厚度时,膜层厚度 为:为:在基板平面内薄膜厚度分布:在基板平面内薄膜厚度分布:现在学习的是第34页,共77页第二节第二节 蒸发源的蒸发
21、特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布点源:点源:小平面源:小平面源:现在学习的是第35页,共77页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布现在学习的是第36页,共77页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布现在学习的是第37页,共77页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 细长平面蒸发源细长平面蒸发源dSSHhrzxy0-l/2ad(x,y)l/2 视视dS为小平面蒸发源,则为小平面蒸发源,则d上上得到的蒸发量为得到的蒸发量为现在学习的是第38页,共77页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发
22、特性及膜厚分布积分后积分后在原点处,在原点处,则膜厚为,则膜厚为现在学习的是第39页,共77页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 环状蒸发源环状蒸发源dRAN0 xydS2dS1h现在学习的是第40页,共77页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 实际蒸发源的发射特性实际蒸发源的发射特性 实际蒸发源的发射特性可根据熔融后的形态,选取不同的膜厚实际蒸发源的发射特性可根据熔融后的形态,选取不同的膜厚蒸发公式进行理论分析和近似计算。(蒸发公式进行理论分析和近似计算。(p33)蒸发源与基板的相对位置蒸发源与基板的相对位置配置配置点源与基板相
23、对位置点源与基板相对位置 为获得均匀的膜厚,电源必须为获得均匀的膜厚,电源必须配置在基板围成的球面中心。配置在基板围成的球面中心。现在学习的是第41页,共77页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布小平面源与基板相对位置小平面源与基板相对位置 当小平面源为球形工作架的一当小平面源为球形工作架的一部分时,在内球体表面上的膜厚分部分时,在内球体表面上的膜厚分布是均匀的。布是均匀的。当当 时,时,厚厚度度与与 角角无无关关,对对于于一一定定半半径径 的的球球形形工工作作架架,其其内内表表面面膜膜厚厚取取决决于于材材料料性性质质、的的大大小小及及蒸蒸发发量。量。现在学习的是
24、第42页,共77页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布Evaporation Scheme to achieve Uniform Deposition现在学习的是第43页,共77页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布小面积基板时蒸发源的位置配置小面积基板时蒸发源的位置配置 如如果果被被蒸蒸镀镀的的面面积积比比较较小小,可可以以将将蒸蒸发发源源直直接接配配置置于于基基板板的的中心线上,源中心线上,源-基距基距H取取11.5D。现在学习的是第44页,共77页第二节第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布蒸发源的蒸发特性及膜厚分布大面积基板和蒸发
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