薄膜的物理气相沉积(Ⅰ)-蒸发法.ppt
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1、第三章 薄膜制备技术-蒸发法,一、真空蒸发法制备薄膜的基本原理(重点)二、真空蒸发的设备三、汽化热和蒸汽压 四、蒸发的速率五、元素、化合物、合金蒸发的特点(重点)六、真空蒸发源七、薄膜均匀性和纯度,真空蒸发,一、真空蒸发沉积的物理原理 在真空环境下,给待蒸发物质提供足够的热量以获得蒸发所必须的蒸汽压,在适当的温度下,蒸发粒子在基片上凝结形成薄膜。真空蒸发就是利用蒸发材料在高温时所具有的饱和蒸汽压进行薄膜制备。,二、真空蒸发的设备,真空蒸发设备示意图如下图所示,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
2、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,二、真空蒸发的设备,真空蒸发制备薄膜的三个基本过程: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.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.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,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
3、量就是汽化热。,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,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,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,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
4、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。,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。,图2.1 a 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),五、元素、化合物、合金蒸发的特点,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
5、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,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,3、金属合金的蒸发 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:,理想合金AB:A-B间的作用能等于A-A 或B-B的作用能.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
6、、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,实际合金的蒸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,4、多组分薄膜的蒸发方法
7、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,五、元素、化合物、合金蒸发的特点,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
8、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:电阻式加热蒸发电子束加热蒸发激光加热蒸发电弧加热蒸发高频感应加热蒸发,1、电阻式加热蒸发普通电阻加热: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,六 真空蒸发源,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
9、筐蒸发小块电介质或金属。,六 真空蒸发源,缺点(1)加热装置与蒸发物会反应(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,2、电子束加热装置及特点电子束通过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。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,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
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