第二讲第二章-薄膜的物理气相沉积课件.ppt
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- 第二 薄膜 物理 沉积 课件
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1、第二章第二章薄膜材料制备的真空蒸发法薄膜材料制备的真空蒸发法Preparation of thin films by vacuum evaporationu 元素的热蒸发u 化合物与合金的热蒸发u 蒸发沉积薄膜的均匀性u 制备薄膜材料的各种蒸发方法物理气相沉积(physical vapor deposition, PVD)是利用某种物理过程 物质的热蒸热蒸发发或在粒子轰击下物质表面原子的溅射表面原子的溅射,不涉及化学反应过程的,实现原子从源物质到薄膜的可控转移的薄膜(及其他材料)制备方法。 化学气相沉积(chemical vapor deposition, CVD)是经由气态的先驱物,通过气相
2、原子、分子间的化学反应,生成薄膜(及其他材料)的技术手段。使用固态或熔融态的物质作为沉积过程的源物质源物质经过物理过程进入气相在气相中及在衬底表面并不发生化学反应使用相对较低的气体压力环境低压PVD环境下:其他气体分子的散射作用较小,气相分子的运动路径为一直线(较长的平均自由程);气相分子在衬底上的沉积几率接近100%薄膜蒸发沉积装置的示意图薄膜蒸发沉积装置的示意图u装置的主要组成:真空环境、蒸发源、衬底u原则上,真空度应越高越好(10-5Pa)VTHTdpdeIRTHplneeT15993lgpe(Pa)= +14.533-0.999lgT-3.5210-6T 由克劳修斯-克莱普朗(Clau
3、sius-Clapeyron)方程有如,液态Al的平衡蒸气压就满足关系式固态或液态蒸发固态或液态蒸发曲线上的点标明的是相应元素的熔点曲线上的点标明的是相应元素的熔点根据物质的特性,物质的蒸发有两种类型: 在低于熔点时,元素的蒸气压已较高在低于熔点时,元素的蒸气压已较高(如Cr、Ti、Mo、Fe、Si等)。此时,直接利用由固态物质的升升华华现象,即可实现元素的热蒸发 即使是到了元素的熔点以上,其平衡蒸气压也低即使是到了元素的熔点以上,其平衡蒸气压也低于于10-1Pa。此时,需要将物质加热到其熔点以上。大多数金属的热蒸发属于这种情况石墨没有熔点,而其升华温度又很高,因而多利用石墨电极的放电过程来使
4、碳元素发生热蒸发 为一个介于 01 之间的系数;pe 和ph 是元素的平衡蒸气压和实际分压。当 =1,且ph=0 时,蒸发速率 取得最大值 由此,可以计算物质的蒸发、沉积速率MRT2)pp(NheA 当元素的分压 低于低于 其平衡蒸气压时,元素发生净蒸发。反之,元素发生净沉积。蒸发时,单位表面上元素的净蒸发速率(物质通量)等于由于元素的平衡蒸气压随温度的增加很快,因而由于元素的平衡蒸气压随温度的增加很快,因而对元素蒸发速率影响最大的因素是蒸发源所处的对元素蒸发速率影响最大的因素是蒸发源所处的温度温度元素蒸发速率的另一种表达形式为单位表面元素蒸发速率的另一种表达形式为单位表面上元素的质量蒸发速率
5、上元素的质量蒸发速率RT2M)pp(he在化合物的蒸发过程中,蒸发出来的物质蒸气可能具有完全不同于其固态源物质的化学成分,如SiO2 SiOx, x=02。另外,气相分子还可能发生一系列的化合与分解过程。这些现象的直接后果是沉积后的薄膜成分可能沉积后的薄膜成分可能偏离化合物原来化合物的化学组成偏离化合物原来化合物的化学组成! !过程类型过程类型 化学反应化学反应 实例实例 注释注释无分解蒸发无分解蒸发 MX(s或或l)MX(g) SiO2, B2O3, 薄膜成分与原薄膜成分与原 AlN, CaF2 始成分始成分相同相同固态或液态分解蒸发固态或液态分解蒸发 MX(s)M(s)+(1/2)X2(g
6、) Ag2S, Ag2Se 沉积物化学成沉积物化学成 MX(s)M(l)+(1/n)Xn(g) III-V化合物化合物 分发生分发生偏离偏离 需使用独立的需使用独立的 蒸发源蒸发源气态分解蒸发气态分解蒸发 硫属化合物硫属化合物 MX(s)M(g)+(1/2)X2(g) CdS, CdSe 同上同上 氧化物氧化物 MO2(s)MO(g)+(1/2)O2 SiO2, TiO2 沉积物沉积物缺氧缺氧; 可在氧气氛中可在氧气氛中 沉积沉积化合物热蒸发的微观过程化合物热蒸发的微观过程p合金中原子间的结合力小于在化合物合金中原子间的结合力小于在化合物中不同原子间的结合力。中不同原子间的结合力。 例如,当例
7、如,当AB二元合金组成理想溶液时二元合金组成理想溶液时, , 由拉乌尔由拉乌尔(Raoult)定律,合金中定律,合金中组元组元B的平衡蒸气压的平衡蒸气压pB将正比于纯将正比于纯组元组元B的平衡蒸气压的平衡蒸气压pB(0)和该组元的摩尔分数和该组元的摩尔分数xB pB=xB pB(0) 因而,因而,A、B两组元的蒸气压之比两组元的蒸气压之比 pA/pB=xApA(0)/xBpB(0)或或, , 两组元蒸发速度之比两组元蒸发速度之比ABAAABBBBAx px pMM( )( )00都将不同于合金中的组元之比将不同于合金中的组元之比 合金组元的蒸气压之比一般都要偏离合金的原合金组元的蒸气压之比一般
8、都要偏离合金的原始成分。始成分。当组元A与其他组元的吸引作用力较小时,它将拥有较高的蒸气压;反之,其蒸气压将相对较低。 当需要制备的薄膜成分已知时,由上式可以确定所需要使用的合金蒸发源的成分。比如,已知在1350K的温度下,Al的蒸气压高于的蒸气压高于Cu,因而为了获得Al-2%Cu成分的薄膜,需要使用的蒸发源的大致成分应该是Al-13.6%Cu。但当组元差别很大时,这一但当组元差别很大时,这一方法就失去了可行性。方法就失去了可行性。 对于初始成分确定的蒸发源来说,由上式确定的组元蒸发速率组元蒸发速率之比将随着时间而发生变化之比将随着时间而发生变化: : 易于蒸发的组元的优先蒸发将造成该组元的
9、不断贫化,进而造成该组元蒸发速率的不断下降。解决这一问题的办法解决这一问题的办法使用较多的物质作为蒸发源,使用较多的物质作为蒸发源,即尽量减小组元成分的相 对变化采用向蒸发容器中不断地、但每次仅加入少量被蒸发物质的方法,即使得少量蒸发物质的不同组元能够实现瞬间的同步蒸发瞬间的同步蒸发利用加热至不同温度的加热至不同温度的双蒸发源或多蒸发源的方法,分别控制和调节每个组元的蒸发速率(所谓三温度法三温度法) 在物质蒸发的过程中,被蒸发原子的运动具有明显的方向被蒸发原子的运动具有明显的方向性性。并且,蒸发原子运动的方向性对被沉积的薄膜的均匀性均匀性和微观组织会产生重要的影响。 物质的蒸发源可以有不同的形
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