薄膜的蒸发沉积原理与技术

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1、 真空中的薄膜热蒸发沉积真空中的薄膜热蒸发沉积-原理、技术、厚度控制原理、技术、厚度控制刘定权刘定权 编写编写2010年年12月月18日日 上海上海 主要内容主要内容1.关于薄膜的一些基本关于薄膜的一些基本概念概念2.材料在真空中的热蒸材料在真空中的热蒸发发 薄膜在真空中的沉积生薄膜在真空中的沉积生长长 膜层厚度控制与均匀性膜层厚度控制与均匀性3.热蒸发薄膜的一些应用热蒸发薄膜的一些应用SITP-CASDINGQUAN LIU1 关于薄膜的一些基本概念关于薄膜的一些基本概念 不同的用途有不同的概念不同的用途有不同的概念:(1)光学的人讲光学的人讲,能够产生干涉的薄层能够产生干涉的薄层;(2)电

2、子学认为电子学认为,厚度不能超过厚度不能超过1m;(3)物理学认为物理学认为,是是2维结构的材料维结构的材料;(4)生物学认为生物学认为,细胞等组织的保护层细胞等组织的保护层;(5)农业生产中农业生产中,甚至厚度到甚至厚度到100 m以以 上的塑料纸也称薄膜上的塑料纸也称薄膜;-1.1 什么是薄膜什么是薄膜?SITP-CASDINGQUAN LIU1 关于薄膜的一些基本概念关于薄膜的一些基本概念 (1)空气态的薄膜空气态的薄膜,入牛顿环入牛顿环;(2)液体态的薄膜液体态的薄膜;(3)固体态的薄膜固体态的薄膜,是是2维结构的材料维结构的材料;-我们经常使用和概念中的薄膜我们经常使用和概念中的薄膜

3、,就是就是固体态的薄膜固体态的薄膜,而且指由无机材料组成、而且指由无机材料组成、厚度在微米量级以下的两维结构，薄厚度在微米量级以下的两维结构，薄膜应该具有连续的形态。膜应该具有连续的形态。1.2 薄膜的一些基本形态薄膜的一些基本形态SITP-CASDINGQUAN LIU1 关于薄膜的一些基本概念关于薄膜的一些基本概念 (1)薄膜以非晶态结构居多薄膜以非晶态结构居多;(2)有的薄膜以多晶态形式出现，含有有的薄膜以多晶态形式出现，含有 非晶成分非晶成分;(3)单晶体的薄膜难以得到，通常需要单晶体的薄膜难以得到，通常需要 很高的沉积温度、好的真空度、严格很高的沉积温度、好的真空度、严格 的材料选择

4、的材料选择;如果单从薄膜的使用强度考虑，非如果单从薄膜的使用强度考虑，非晶态薄膜可能更好。晶态薄膜可能更好。1.3 薄膜的晶体结构薄膜的晶体结构SITP-CASDINGQUAN LIU1 关于薄膜的一些基本概念关于薄膜的一些基本概念 (1)薄膜的聚集密度：薄膜的聚集密度：指膜层中材料体积占有总体积的指膜层中材料体积占有总体积的比值，常以小于比值，常以小于1的两位小数表示。的两位小数表示。越接近于越接近于1，膜层越致密，质量越好；，膜层越致密，质量越好；有的膜层甚至低于。有的膜层甚至低于。(2)薄膜的薄膜的MDT模型图：模型图：1.4 薄膜的聚集情况薄膜的聚集情况SITP-CASDINGQUAN

5、 LIU1 关于薄膜的一些基本概念关于薄膜的一些基本概念 (3)真空度的影响：真空度的影响：残余气体分子与沉积粒残余气体分子与沉积粒子子(原子、分子、团粒等原子、分子、团粒等)碰碰撞，影响沉积动能和方向，撞，影响沉积动能和方向，易形成松散结构。易形成松散结构。真空度对蒸发镀金属膜真空度对蒸发镀金属膜层微结构的影响：层微结构的影响：1.4 薄膜的聚集情况薄膜的聚集情况SITP-CASDINGQUAN LIU1 关于薄膜的一些基本概念关于薄膜的一些基本概念 (1)薄膜中的压应力：薄膜中的压应力：膜层中聚集密度较大时，膜膜层中聚集密度较大时，膜 层中层中“柱状结构柱状结构”相互排斥，它相互排斥，它们

6、们 受到挤压的作用。受到挤压的作用。(2)薄膜中的张应力：薄膜中的张应力：膜层中聚集密度较小时，膜膜层中聚集密度较小时，膜 层中层中“柱状结构柱状结构”相互吸引，它相互吸引，它们们 受到拉伸的作用。受到拉伸的作用。1.5 薄膜的应力薄膜的应力SITP-CASDINGQUAN LIU1 关于薄膜的一些基本概念关于薄膜的一些基本概念 (1)牢固度用附着力来表述：牢固度用附着力来表述：基片与膜层之间存在相互作用的基片与膜层之间存在相互作用的 附着能，附着能对两者之间的距离微附着能，附着能对两者之间的距离微 分，微分最大值就是附着力。分，微分最大值就是附着力。(2)薄膜牢固度的增加：薄膜牢固度的增加：

7、洁净的基片；洁净的基片；膜层与基片良好的接触；膜层与基片良好的接触；较高的沉积温度增加扩散；较高的沉积温度增加扩散；高真空让沉积粒子直接到达；高真空让沉积粒子直接到达；适当的应力控制，等等。适当的应力控制，等等。1.6 薄膜的牢固度薄膜的牢固度SITP-CASDINGQUAN LIU2 材料在真空中的热蒸发材料在真空中的热蒸发(1)材料在真空中出气；材料在真空中出气；(2)某些镀膜材料在高真空中某些镀膜材料在高真空中 有微量的质量损失。有微量的质量损失。这些对镀膜工艺和薄膜这些对镀膜工艺和薄膜质量有影响。质量有影响。2.1 材料在高真空中的表现材料在高真空中的表现DINGQUAN LIUSIT

8、P-CAS2 材料在真空中的热蒸发材料在真空中的热蒸发(1)加热蒸发加热蒸发 固体固体液体液体气体气体(2)受热升华受热升华 固体固体-气体气体 因材料而异。因材料而异。2.2 材料在真空中的转变材料在真空中的转变DINGQUAN LIUSITP-CAS2 材料在真空中的热蒸发材料在真空中的热蒸发(1)电阻加热方式电阻加热方式 适合低熔点材料。能量适合低熔点材料。能量相对较小。相对较小。(2)电子枪加热方式电子枪加热方式 能量更大，更集中，适能量更大，更集中，适合高熔点材料，非升华材合高熔点材料，非升华材料。料。2.3 材料在真空中的热蒸发材料在真空中的热蒸发DINGQUAN LIUSITP-

9、CAS2 材料在真空中的热蒸发材料在真空中的热蒸发(1)材料的熔点材料的熔点 材料开始转化为液体的温度。材料开始转化为液体的温度。蒸汽压较小，还不能实现有效的蒸汽压较小，还不能实现有效的薄膜沉积。薄膜沉积。(2)蒸发温度蒸发温度 能够实现有效蒸发的温度。通能够实现有效蒸发的温度。通常认为是对应材料产生蒸汽压常认为是对应材料产生蒸汽压（材料表面）的温度。（材料表面）的温度。2.4 材料的熔点与蒸发温度材料的熔点与蒸发温度DINGQUAN LIUSITP-CAS2 材料在真空中的热蒸发材料在真空中的热蒸发(1)点源点源 尺寸很小，向各个方向放射尺寸很小，向各个方向放射蒸发，仅考虑立体视场角。蒸发，

10、仅考虑立体视场角。(2)面源面源 本身尺寸需要考虑，仅向半本身尺寸需要考虑，仅向半球面视场内蒸发。球面视场内蒸发。(3)一般以自由面源形式出现一般以自由面源形式出现 2.5 电阻热蒸发沉积的点源与面源电阻热蒸发沉积的点源与面源DINGQUAN LIUSITP-CAS2 材料在真空中的热蒸发材料在真空中的热蒸发(1)克努增源克努增源 准分子流，沉积慢。准分子流，沉积慢。(2)自由面源自由面源 无定向，沉积快。无定向，沉积快。(3)定向坩埚定向坩埚 有定向，沉积更快。有定向，沉积更快。2.6 面源的三种形式面源的三种形式DINGQUAN LIUSITP-CAS2 材料在真空中的热蒸发材料在真空中的

11、热蒸发2.7 自由面源蒸发的膜厚分布自由面源蒸发的膜厚分布DINGQUAN LIUSITP-CAS膜厚分布的参考曲线膜厚分布的参考曲线 平面夹具与球面夹具有差异，平面夹具与球面夹具有差异，数学推导和实际状况有差异，但数学推导和实际状况有差异，但趋势是一致的。仅供参考。趋势是一致的。仅供参考。2 材料在真空中的热蒸发材料在真空中的热蒸发(1)选用高熔点低蒸汽压的蒸选用高熔点低蒸汽压的蒸发源发源 避免来自蒸发源的污染。避免来自蒸发源的污染。(2)蒸发时产生大量的热，难蒸发时产生大量的热，难以带走以带走(3)一般以自由面源形式出现一般以自由面源形式出现(4)膜层比较疏松。膜层比较疏松。2.8 电阻热

12、蒸发沉积的一些特点电阻热蒸发沉积的一些特点DINGQUAN LIUSITP-CAS3 薄膜在真空中的沉积生长薄膜在真空中的沉积生长(1)表面的凝结几率（系数）表面的凝结几率（系数）有的原子可能重新进入真有的原子可能重新进入真空，失去凝结生长的可能。空，失去凝结生长的可能。(2)凝结几率与基片温度和材凝结几率与基片温度和材料种类有很大关系。料种类有很大关系。(3)体积超出临界晶核的颗粒体积超出临界晶核的颗粒才能张大，否则会消失。才能张大，否则会消失。3.1 蒸发粒子的凝聚与张大蒸发粒子的凝聚与张大DINGQUAN LIUSITP-CAS3 薄膜在真空中的沉积生长薄膜在真空中的沉积生长(1)岛状生

13、长；岛状生长；(2)层状生长；层状生长；(3)岛状岛状+层状生长。层状生长。3.2 薄膜生长的三种类型薄膜生长的三种类型DINGQUAN LIUSITP-CAS生长类型主要与材料种类和沉积温度相关生长类型主要与材料种类和沉积温度相关3 薄膜在真空中的沉积生长薄膜在真空中的沉积生长(1)基片表面的处理；基片表面的处理；(2)制备参数；制备参数；(3)蒸汽的入射角度；蒸汽的入射角度；还有老化处理等还有老化处理等。3.3 薄膜沉积生长过程中的工艺因素薄膜沉积生长过程中的工艺因素DINGQUAN LIUSITP-CAS3 薄膜在真空中的沉积生长薄膜在真空中的沉积生长 AFM等手等手段，可以观段，可以观

14、察到部分薄察到部分薄膜的生长过膜的生长过程。程。3.4 薄膜沉积生长过程的观察薄膜沉积生长过程的观察DINGQUAN LIUSITP-CAS 图为钛酸锶基底上的钛酸铅薄膜。原子台阶呈阶梯状生长。由于膜厚的差异（左图：100nm,右图：10nm），生长的状态有所不同。（财）地球环境产业技术研究机构 提供）3 薄膜在真空中的沉积生长薄膜在真空中的沉积生长 SEM等手段，可以观察到等手段，可以观察到Ag薄膜的生长过程。薄膜的生长过程。3.4 薄膜沉积生长过程的观察薄膜沉积生长过程的观察DINGQUAN LIUSITP-CAS岛状岛状网状网状准连续准连续3 薄膜在真空中的沉积生长薄膜在真空中的沉积生长

15、3.5 沉积温度对膜层生长速率的影响沉积温度对膜层生长速率的影响DINGQUAN LIUSITP-CAS 对于特定的沉积粒子对于特定的沉积粒子流，存在临界沉积温度流，存在临界沉积温度TcTc，当基片温度当基片温度Ts TcTs Tc时，时，发生沉积；当基片温度发生沉积；当基片温度Ts TcTs Tc时，不能发生沉时，不能发生沉积。积。如如ZnSZnS膜层的膜层的Tc在在2300C左右，而在左右，而在1501500C时，时，凝结系数还接近凝结系数还接近1 1。4 膜层厚度控制与均匀性膜层厚度控制与均匀性4.1 影响膜层厚度的主要因素影响膜层厚度的主要因素DINGQUAN LIUSITP-CAS(

16、1)基片的相对位置基片的相对位置 (2)基片温度的影响；基片温度的影响；(3)蒸发源的定向发射。蒸发源的定向发射。平面夹具平面夹具-中心蒸发中心蒸发升华膜料中特别升华膜料中特别容易出现定向蒸容易出现定向蒸发。发。4 膜层厚度控制与均匀性膜层厚度控制与均匀性4.2 膜层厚度的在线测量膜层厚度的在线测量DINGQUAN LIUSITP-CAS(1)晶体振荡法晶体振荡法 要保持石英晶体探头的温度稳定，要保持石英晶体探头的温度稳定，避免强的电磁干扰。避免强的电磁干扰。4 膜层厚度控制与均匀性膜层厚度控制与均匀性4.2 膜层厚度的在线测量膜层厚度的在线测量DINGQUAN LIUSITP-CAS(2)光

17、学监控法光学监控法 4 膜层厚度控制与均匀性膜层厚度控制与均匀性4.3 改善膜层厚度的均匀性改善膜层厚度的均匀性DINGQUAN LIUSITP-CAS(1)合理布置蒸发源和产品位置合理布置蒸发源和产品位置 4 膜层厚度控制与均匀性膜层厚度控制与均匀性4.3 改善膜层厚度的均匀性改善膜层厚度的均匀性DINGQUAN LIUSITP-CAS(2)修正板的使用修正板的使用 4 膜层厚度控制与均匀性膜层厚度控制与均匀性4.3 改善膜层厚度的均匀性改善膜层厚度的均匀性DINGQUAN LIUSITP-CAS(4)控制好温度控制好温度 4 膜层厚度控制与均匀性膜层厚度控制与均匀性4.3 改善膜层厚度的均

18、匀性改善膜层厚度的均匀性DINGQUAN LIUSITP-CAS(4)避免定向蒸发避免定向蒸发 4 膜层厚度控制与均匀性膜层厚度控制与均匀性4.3 改善膜层厚度的均匀性改善膜层厚度的均匀性DINGQUAN LIUSITP-CAS(5)采取综合措施采取综合措施 5 热蒸发薄膜的一些应用热蒸发薄膜的一些应用5.1 光学薄膜光学薄膜DINGQUAN LIUSITP-CAS(1)光学增透光学增透 5 热蒸发薄膜的一些应用热蒸发薄膜的一些应用5.1 光学薄膜光学薄膜DINGQUAN LIUSITP-CAS(2)滤光片滤光片 5 热蒸发薄膜的一些应用热蒸发薄膜的一些应用5.1 光学薄膜光学薄膜DINGQU

19、AN LIUSITP-CAS(3)反射膜反射膜 5 热蒸发薄膜的一些应用热蒸发薄膜的一些应用5.2 节能薄膜节能薄膜DINGQUAN LIUSITP-CAS(1)建筑玻璃上的节能薄膜建筑玻璃上的节能薄膜 5 热蒸发薄膜的一些应用热蒸发薄膜的一些应用5.3 安全、医学领域安全、医学领域DINGQUAN LIUSITP-CAS5 热蒸发薄膜的一些应用热蒸发薄膜的一些应用5.4 环保与气体分析环保与气体分析DINGQUAN LIUSITP-CAS5 热蒸发薄膜的一些应用热蒸发薄膜的一些应用5.5 光伏产业光伏产业DINGQUAN LIUSITP-CAS5 热蒸发薄膜的一些应用热蒸发薄膜的一些应用5.6 空间应用空间应用DINGQUAN LIUSITP-CAS6 结束语结束语DINGQUAN LIUSITP-CAS 文献引用与致谢文献引用与致谢DINGQUAN LIUSITP-CASLAMOST LAMOST 子镜真空镀铝系统中的多子镜真空镀铝系统中的多点点 蒸发源建模分析蒸发源建模分析 上海技术物理研究所上海技术物理研究所 光学薄膜与材料研究室光学薄膜与材料研究室