薄膜材料与纳米技术
Thin Film Materials & Nanotechnology
北京科技大学材料科学学院 唐伟忠
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E-mail,wztang@mater.ustb.edu.cn
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下 载 密 码,123456
第二讲薄膜材料制备的真空蒸发法
Preparation of thin films
by vacuum evaporation
提 要
元素的热蒸发
化合物与合金的热蒸发
蒸发沉积薄膜的均匀性
制备薄膜材料的各种蒸发方法物理气相沉积物理气相沉积 （ physical vapor
deposition,PVD） 是利用某种物理过程
物质的热蒸发或在粒子轰击下物质表面原子的溅射，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。
化学气相沉积化学气相沉积 （ chemical vapor
deposition,CVD） 是经由 气态的先驱物，
通过气相原子、分子间的化学反应，生成薄膜（及其他材料）的技术手段。
物理气相沉积方法的特点
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；
气相分子在衬底上的沉积几率接近 100%
蒸发法的显著特点之一是其较高的背底真空度。在较高的真空度下：
不仅蒸发出来的物质原子或分子具有较长的平均自由程，可以直接沉积到衬底表面上 ;
且还可以确保所制备的薄膜具有较高的纯净度。
真空蒸发法的特点薄膜蒸发沉积装置的示意图
装置的主要组成：真空环境、蒸发源、衬底 ……
原则上，真空度应越高越好（?10-5Pa）
元素的平衡蒸气压随温度的变化曲线上的点标明的是相应元素的熔点
元素的平衡蒸气压随温度的变化
VT
H
Td
pd e
I
RT
H
pln ee
T
1 5 9 9 3lgpe(Pa)= +14.533-0.999lgT-3.52?10
-6T
由克劳修斯 -克莱普朗 (Clausius-Clapeyron)方程有如，液态 Al的平衡蒸气压就满足关系式元素的平衡蒸气压随温度的变化曲线上的点标明的是相应元素的熔点
——————
元素的蒸发速率 (物质通量 )
为一个介于 0?1 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
M R T2
)pp(N heA
当元素的分压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
（原子 /cm2?s）
元素的质量蒸发速率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温度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
RT2
M
)pp( h
e （ g/cm
2?s）
元素的蒸发根据物质的特性,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 (如 Cr,Ti、
Mo,Fe,Si等 )。 此时,直接利用由固态物质的升华 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 过程来使碳元素发生热蒸发元素蒸发时的形态 一般认为,纯元素多是以单个原子,但有时也可能是以原子团的形式蒸发进入气相的 。 比如：
Cu,As2
化合物的热蒸发 GaAs的情况化合物也多是以单个原子、但也有可能以分子的状态蒸发进入气相。这取决于原子间结合力的强弱化合物的热蒸发
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=0?2。
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偏离化合物原来化合物的化学组成 !
化合物热蒸发的微观过程
过程类型 化学反应 实例 注释
无分解蒸发 MX(s或 l)?MX(g) SiO2,B2O3,薄膜成分与原
AlN,CaF2 始成分 相同固态或液态分解蒸发 MX(s)?M(s)+(1/2)X2(g) Ag2S,Ag2Se 沉积物化学成
MX(s)?M(l)+(1/n)Xn(g) III-V化合物 分发生 偏离需使用独立的蒸发源气态分解蒸发
硫属化合物 MX(s)?M(g)+(1/2)X2(g) CdS,CdSe 同上
氧化物 MO2(s)?MO(g)+(1/2)O2 SiO2,TiO2 沉积物 缺氧 ；
可在氧气氛中沉积
合金中各元素的热蒸发
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。
因而，合金中各元素的蒸发过程可以被近似视为是各元素相互独立的蒸发过程，就像它们在纯元素蒸发时的情况一样。
即使如此，合金在蒸发和沉积过程中也会产生成分的偏差。
合金中各元素的热蒸发例如，当 AB二元合金组成理想溶液时,由拉乌尔
(Raoult)定律，合金中组元 B的平衡蒸气压 pB将正比于纯组元 B的平衡蒸气压 pB(0)和该组元的摩尔分数 xB
pB=xB pB(0)
因而,A,B两组元的蒸气压之比
pA/pB=xApA(0)/xBpB(0)
或,两组元蒸发速度之比
A
B
A A A
B B B
B
A
x p
x p
M
M
( )
( )
0
0
都 将不同于合金中的组元之比合金中各元素的热蒸发合金组元的蒸气压之比一般都要偏离合金的原始成分 。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 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，这一方法就失去了可行性。
合金中各元素的热蒸发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
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
利用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 )
薄膜沉积的方向性和均匀性在物质蒸发的过程中,被蒸发原子的运动具有明显的方向性 。并且，蒸发原子运动的方向性对被沉积的薄膜的均匀性会产生重要的影响。
物质的蒸发源可以有不同的形态。距衬底较远、
尺寸较小的蒸发源可以被认为是 点蒸发源 。此时，可设想被蒸发出的物质是由表面积为 Ae的小球面上均匀地发射出来的，蒸发出来的物质总量 Me等于
Me= =? Ae t
其中? 是物质的质量蒸发速度,dAe为蒸发源的表面积元,t 为蒸发时间。
d deA t
点蒸发源的示意图
dAc为衬底的面元,? 为沉积面元的夹角薄膜沉积的方向性和均匀性其中,? 是衬底表面法线与空间角方向间的偏离角度，
r 是蒸发源与衬底之间的距离。
在上述的蒸发总量中，只有那些运动方向处于衬底所在空间角内的蒸发原子才会落在衬底上。由于已经假设蒸发源为一点源，因而衬底面积元 dAe上沉积的物质量取决于其对应的空间角大小，即 衬底上沉积的物质的质量密度为
d
d
s
s
eM
A
M
r
co s?
4 2
薄膜沉积的均匀性显然，薄膜的沉积速率将与距离 r 的平方成反比，并与衬底和蒸发源之间的方向夹角
有关。 当?=0,r 较小时，沉积速率较大面蒸发源的示意图物质蒸发源的另一种极端情况是面蒸发源面蒸发源时薄膜沉积的均匀性面蒸发源时，衬底面积元
dAe上沉积的物质量为其中,Me是面源的物质蒸发总量。影响薄膜沉积速度的参数中又增加了一个与蒸发源平面法线间的夹角?，
即假设了面源蒸发的方向性遵从余弦关系。
d
d
s
s
eM
A
M
r
c o s c o s
2
实际面源情况下薄膜沉积速率随角度? 的变化呈 cosn?函数型,n>1，表明蒸发源发出的物质具有明显的方向性薄膜沉积的克努森盒 在蒸发沉积方法中常使用的克努森盒 (Knudsen
cell)，相当于一个面蒸发源。它是在一个 高温坩埚的上部开一个直径很小的小孔 。在坩埚内，物质的蒸气压近似等于其平衡蒸气压；而在坩埚外，仍保持着较高的真空度。与普通的面蒸发源相比，它具有较小的有效蒸发面积，因此它的蒸发速率较低。但其蒸发束流的方向性较好。最为重要的是,克努森盒的温度以及蒸发速率可以被控制得极为准确 。
蒸发源的几种不同形式以坩埚作为蒸发容器的蒸发源的一般情况如图所示。坩埚蒸发源的蒸发速率、蒸发束流的方向性等介于克努森盒与自由蒸发源之间。
点源与面源情况下薄膜相对沉积速率与衬底距离与尺寸的关系在同时需要蒸发沉积的样品较多、而每个样品的尺寸相对较小的时候，可改变衬底的放置方式来改善样品间薄膜厚度的均匀性。
此时,可将面蒸发源和衬底表面同处在一个圆周上。使与蒸发源较远的衬底处于较有利的空间角度，而较近的衬底处于不利的角度位置，因而使得所沉积的薄膜的厚度与角度?
或? 无关。
提高蒸发沉积薄膜的厚度均匀性可采取的衬底放置方法提高蒸发沉积薄膜的厚度均匀性可采取的衬底放置方法同时变动 r、
和?
加大蒸发源到衬底表面的距离（牺牲沉积速率和纯度）
利用转动衬底的方法提高蒸发沉积薄膜的厚度均匀性的其他措施薄膜沉积的阴影效应和选择性沉积在蒸发法中,一般真空度均较高,被蒸发物质的原子、分子一般是处于分子流的状态。因此,当蒸发源与衬底之间存在某种障碍物的时候,沉积的过程将会产生 阴影效应,即蒸发来的物质将被障碍物阻挡而不能沉积到衬底上。
蒸发沉积过程的阴影效应可能会破坏薄膜沉积的均匀性,甚至造成有些部位没有物质的沉积。另一方面,我们也可以在蒸发沉积的时候,有目的地使用一些特定形状的掩膜,从而实现薄膜的 选择性沉积 。
薄膜沉积的阴影效应 (a)以及利用掩膜进行薄膜的选择性沉积 (b)
在蒸发沉积的情况下，薄膜的纯度取决于：
蒸发源物质的纯度
加热装置、坩埚等可能造成的污染
真空系统中残留的杂质气体前面两个因素的影响可以依靠使用高纯物质作为蒸发源、改善蒸发装置的设计而得以避免，而后一个因素则需要从改善设备的真空条件入手来加以解决。
薄膜纯度的影响因素假设在沉积的过程中，残余气体的分子和蒸发物质的原子将分别射向衬底，并可能同时沉积在衬底上。因此，蒸发物质原子的沉积速率正比于蒸发源的蒸发速率，污染源的沉积速率正比于污染气体的压力真空度对蒸发法制备的薄膜纯度的影响真空中的氧分压 （ Pa）
薄膜的沉积速率 （ nm/s）
0.1 1 10 100
10-7
10-5
10-3
10-1
10-3
10-1
10
1000
10-4
10-2
1
100
10-5
10-3
10-1
10
10-6
10-4
10-2
1
提高薄膜的沉积速率和真空度，均有助于提高薄膜纯度蒸发沉积技术的种类
电阻热蒸发
电子束热蒸发
电弧热蒸发
激光束热蒸发
空心阴极热蒸发电阻式热蒸发装置特点：
装置简单，应用广泛
需要针对不同的被蒸发材料选择加热材料和方法
加热温度不能过高，易产生电阻丝等加热材料的污染电子束蒸发装置的示意图特点：
蒸发温度高
污染小，适用于高纯、难熔物质的蒸发
热效率较低
导致产生一定的辐射电弧蒸发装置的示意图特点：
设备简单
加热温度高，适用于难熔金属、石墨的蒸发
可避免电阻、坩埚材料的污染
可控制性较差
在放电过程中易产生电极颗粒的飞溅，影响薄膜的均匀性激光蒸发装置的示意图特点：
污染小
加热温度高
过程容易控制
特别适于蒸发复杂成分的合金或化合物
光子瞬间内将能量传递给被蒸发物质,粒子能量高于普通蒸发方法
需要特殊的窗口材料
易产生物质颗粒的飞溅
设备较为复杂，难于大规模使用空心阴极蒸发装置的示意图特点,
大电流、高速率
被蒸发出来的物质原子被大量离化
要维持 1?10-2Pa的气体压力
易产生阴极损耗和蒸发物质的飞溅蒸发法的优点
方法和设备可以相对简单
较高的沉积速度（数十?m/小时）
相对较高的真空度和薄膜纯度蒸发法的缺点
蒸发粒子的能量相对较低蒸发薄膜沉积法的优点与缺点蒸发粒子的能量与物质键合能的比较能量项 能量数值 （ eV）
蒸发粒子动能
300K时
2200K时物质的键合能
Si-Si固体键合能
N-N气体分子键合能
0.038
0.28
3.29
9.83
两者相比，可看到蒸发法时，沉积粒子的能量偏低例一,分子束外延方法制备
-FeSi2/Si薄膜二极管 1.5?m发光器件器件的层状结构 (a) 器件 A,(b) 器件 B
Y,Ugajin,T,Sunohara,T,Suemasu,
Investigation of current
injection in β?FeSi2/Si double-
heterostructures light-emitting diodes by
molecular beam
epitaxy,Thin Solid Films (2007)
p
|
n
结分子束外延?-FeSi2/Si薄膜二极管发光器件的制备
使用离子泵支持的 MBE系统，在 n-Si (111)衬底上制备 p-Si/p-?-FeSi2/p-Si/n-Si结构的层状结构
使用电子束加热的 Si,Fe 蒸发源
Si(111)衬底高真空清洁处理,850?C?30分钟
450?C生长 200-nm p-Si,热处理 1000?C?10分钟
（ 样品 A不进行此项处理 ）
750?C生长 90-nm [110]/[101] 取向的 p-?-FeSi2
500?C生长 500-nm p-Si
700?C生长 200-nm B搀杂的 p+-Si
N2中 800?C?14 小时器件热处理
-FeSi2/Si薄膜器件 的 X-射线衍射曲线
Highly [110]/[101]-oriented?-FeSi2 was formed in
both samples,
77K 温度下?-FeSi2/Si薄膜器件的光发射谱
EL of?-FeSi2 is dominant in sample A,and Si-
related EL is intense in sample B,
FeSi2
不同温度下?-FeSi2/Si薄膜器件的 I-V 曲线
High-quality Si p-n junction in sample B improves the
electron injection into?-FeSi2 (higher turn-on voltage),
and thus significant EL enhancement will be obtained.
第二讲 小结
薄膜材料可使用在高真空环境下进行的热蒸发、
电子束蒸发等多种不同的蒸发法制备，其最主要的优点是可以保持薄膜的高纯度和高的沉积速率
蒸发法在沉积化合物以及合金薄膜时会遇到成分不易控制的问题
薄膜沉积的均匀性是蒸发法必须考虑的一个问题
在利用蒸发法制备薄膜时，其粒子的能量相对较低基本概念复习
掌握物理气相沉积、化学气相沉积技术各自的特点。
列举真空蒸发法装置的组成。
熟悉元素、化合物、合金等不同物质粒子蒸发时的行为特点；列举使蒸发法不宜被用于合金或化合物薄膜制备的主要原因。
熟悉影响蒸发法薄膜沉积时影响薄膜沉积均匀性的因素。
各种真空蒸发方法薄膜沉积的设备和各方法的优点与缺点。
估算 1200K时 Al原子的动能。
思 考 题
1,求出 Al在 800?C时的蒸气压，并代入典型数值估计其薄膜的沉积速率
2,评价 W,Fe,Zn三种常用金属元素在使用蒸发法制备薄膜时的难易程度
3,讨论从 GaAs化合物，使用真空蒸发法获得其化合物薄膜的可能性
4,讨论改善薄膜沉积均匀性可能采取的措施，并证明使用图 2-7所示 的方法可改善薄膜沉积的均匀性思 考 题
5,推导环境真空度与蒸发沉积法获得的薄膜的纯度之间的相关关系。假设 Al薄膜的沉积速率为 1?m/min，估计沉积环境的真空度
6,讨论为什么蒸发沉积时粒子的能量较低，以及粒子能量低可能对薄膜造成的影响
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第二讲薄膜材料制备的真空蒸发法
Preparation of thin films
by vacuum evaporation
提 要
元素的热蒸发
化合物与合金的热蒸发
蒸发沉积薄膜的均匀性
制备薄膜材料的各种蒸发方法物理气相沉积物理气相沉积 （ physical vapor
deposition,PVD） 是利用某种物理过程
物质的热蒸发或在粒子轰击下物质表面原子的溅射，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。
化学气相沉积化学气相沉积 （ chemical vapor
deposition,CVD） 是经由 气态的先驱物，
通过气相原子、分子间的化学反应，生成薄膜（及其他材料）的技术手段。
物理气相沉积方法的特点
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；
气相分子在衬底上的沉积几率接近 100%
蒸发法的显著特点之一是其较高的背底真空度。在较高的真空度下：
不仅蒸发出来的物质原子或分子具有较长的平均自由程，可以直接沉积到衬底表面上 ;
且还可以确保所制备的薄膜具有较高的纯净度。
真空蒸发法的特点薄膜蒸发沉积装置的示意图
装置的主要组成：真空环境、蒸发源、衬底 ……
原则上，真空度应越高越好（?10-5Pa）
元素的平衡蒸气压随温度的变化曲线上的点标明的是相应元素的熔点
元素的平衡蒸气压随温度的变化
VT
H
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I
RT
H
pln ee
T
1 5 9 9 3lgpe(Pa)= +14.533-0.999lgT-3.52?10
-6T
由克劳修斯 -克莱普朗 (Clausius-Clapeyron)方程有如，液态 Al的平衡蒸气压就满足关系式元素的平衡蒸气压随温度的变化曲线上的点标明的是相应元素的熔点
——————
元素的蒸发速率 (物质通量 )
为一个介于 0?1 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
M R T2
)pp(N heA
当元素的分压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
（原子 /cm2?s）
元素的质量蒸发速率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温度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
RT2
M
)pp( h
e （ g/cm
2?s）
元素的蒸发根据物质的特性,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 (如 Cr,Ti、
Mo,Fe,Si等 )。 此时,直接利用由固态物质的升华 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 过程来使碳元素发生热蒸发元素蒸发时的形态 一般认为,纯元素多是以单个原子,但有时也可能是以原子团的形式蒸发进入气相的 。 比如：
Cu,As2
化合物的热蒸发 GaAs的情况化合物也多是以单个原子、但也有可能以分子的状态蒸发进入气相。这取决于原子间结合力的强弱化合物的热蒸发
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=0?2。
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偏离化合物原来化合物的化学组成 !
化合物热蒸发的微观过程
过程类型 化学反应 实例 注释
无分解蒸发 MX(s或 l)?MX(g) SiO2,B2O3,薄膜成分与原
AlN,CaF2 始成分 相同固态或液态分解蒸发 MX(s)?M(s)+(1/2)X2(g) Ag2S,Ag2Se 沉积物化学成
MX(s)?M(l)+(1/n)Xn(g) III-V化合物 分发生 偏离需使用独立的蒸发源气态分解蒸发
硫属化合物 MX(s)?M(g)+(1/2)X2(g) CdS,CdSe 同上
氧化物 MO2(s)?MO(g)+(1/2)O2 SiO2,TiO2 沉积物 缺氧 ；
可在氧气氛中沉积
合金中各元素的热蒸发
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。
因而，合金中各元素的蒸发过程可以被近似视为是各元素相互独立的蒸发过程，就像它们在纯元素蒸发时的情况一样。
即使如此，合金在蒸发和沉积过程中也会产生成分的偏差。
合金中各元素的热蒸发例如，当 AB二元合金组成理想溶液时,由拉乌尔
(Raoult)定律，合金中组元 B的平衡蒸气压 pB将正比于纯组元 B的平衡蒸气压 pB(0)和该组元的摩尔分数 xB
pB=xB pB(0)
因而,A,B两组元的蒸气压之比
pA/pB=xApA(0)/xBpB(0)
或,两组元蒸发速度之比
A
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A A A
B B B
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都 将不同于合金中的组元之比合金中各元素的热蒸发合金组元的蒸气压之比一般都要偏离合金的原始成分 。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 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，这一方法就失去了可行性。
合金中各元素的热蒸发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
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
利用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 )
薄膜沉积的方向性和均匀性在物质蒸发的过程中,被蒸发原子的运动具有明显的方向性 。并且，蒸发原子运动的方向性对被沉积的薄膜的均匀性会产生重要的影响。
物质的蒸发源可以有不同的形态。距衬底较远、
尺寸较小的蒸发源可以被认为是 点蒸发源 。此时，可设想被蒸发出的物质是由表面积为 Ae的小球面上均匀地发射出来的，蒸发出来的物质总量 Me等于
Me= =? Ae t
其中? 是物质的质量蒸发速度,dAe为蒸发源的表面积元,t 为蒸发时间。
d deA t
点蒸发源的示意图
dAc为衬底的面元,? 为沉积面元的夹角薄膜沉积的方向性和均匀性其中,? 是衬底表面法线与空间角方向间的偏离角度，
r 是蒸发源与衬底之间的距离。
在上述的蒸发总量中，只有那些运动方向处于衬底所在空间角内的蒸发原子才会落在衬底上。由于已经假设蒸发源为一点源，因而衬底面积元 dAe上沉积的物质量取决于其对应的空间角大小，即 衬底上沉积的物质的质量密度为
d
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4 2
薄膜沉积的均匀性显然，薄膜的沉积速率将与距离 r 的平方成反比，并与衬底和蒸发源之间的方向夹角
有关。 当?=0,r 较小时，沉积速率较大面蒸发源的示意图物质蒸发源的另一种极端情况是面蒸发源面蒸发源时薄膜沉积的均匀性面蒸发源时，衬底面积元
dAe上沉积的物质量为其中,Me是面源的物质蒸发总量。影响薄膜沉积速度的参数中又增加了一个与蒸发源平面法线间的夹角?，
即假设了面源蒸发的方向性遵从余弦关系。
d
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2
实际面源情况下薄膜沉积速率随角度? 的变化呈 cosn?函数型,n>1，表明蒸发源发出的物质具有明显的方向性薄膜沉积的克努森盒 在蒸发沉积方法中常使用的克努森盒 (Knudsen
cell)，相当于一个面蒸发源。它是在一个 高温坩埚的上部开一个直径很小的小孔 。在坩埚内，物质的蒸气压近似等于其平衡蒸气压；而在坩埚外，仍保持着较高的真空度。与普通的面蒸发源相比，它具有较小的有效蒸发面积，因此它的蒸发速率较低。但其蒸发束流的方向性较好。最为重要的是,克努森盒的温度以及蒸发速率可以被控制得极为准确 。
蒸发源的几种不同形式以坩埚作为蒸发容器的蒸发源的一般情况如图所示。坩埚蒸发源的蒸发速率、蒸发束流的方向性等介于克努森盒与自由蒸发源之间。
点源与面源情况下薄膜相对沉积速率与衬底距离与尺寸的关系在同时需要蒸发沉积的样品较多、而每个样品的尺寸相对较小的时候，可改变衬底的放置方式来改善样品间薄膜厚度的均匀性。
此时,可将面蒸发源和衬底表面同处在一个圆周上。使与蒸发源较远的衬底处于较有利的空间角度，而较近的衬底处于不利的角度位置，因而使得所沉积的薄膜的厚度与角度?
或? 无关。
提高蒸发沉积薄膜的厚度均匀性可采取的衬底放置方法提高蒸发沉积薄膜的厚度均匀性可采取的衬底放置方法同时变动 r、
和?
加大蒸发源到衬底表面的距离（牺牲沉积速率和纯度）
利用转动衬底的方法提高蒸发沉积薄膜的厚度均匀性的其他措施薄膜沉积的阴影效应和选择性沉积在蒸发法中,一般真空度均较高,被蒸发物质的原子、分子一般是处于分子流的状态。因此,当蒸发源与衬底之间存在某种障碍物的时候,沉积的过程将会产生 阴影效应,即蒸发来的物质将被障碍物阻挡而不能沉积到衬底上。
蒸发沉积过程的阴影效应可能会破坏薄膜沉积的均匀性,甚至造成有些部位没有物质的沉积。另一方面,我们也可以在蒸发沉积的时候,有目的地使用一些特定形状的掩膜,从而实现薄膜的 选择性沉积 。
薄膜沉积的阴影效应 (a)以及利用掩膜进行薄膜的选择性沉积 (b)
在蒸发沉积的情况下，薄膜的纯度取决于：
蒸发源物质的纯度
加热装置、坩埚等可能造成的污染
真空系统中残留的杂质气体前面两个因素的影响可以依靠使用高纯物质作为蒸发源、改善蒸发装置的设计而得以避免，而后一个因素则需要从改善设备的真空条件入手来加以解决。
薄膜纯度的影响因素假设在沉积的过程中，残余气体的分子和蒸发物质的原子将分别射向衬底，并可能同时沉积在衬底上。因此，蒸发物质原子的沉积速率正比于蒸发源的蒸发速率，污染源的沉积速率正比于污染气体的压力真空度对蒸发法制备的薄膜纯度的影响真空中的氧分压 （ Pa）
薄膜的沉积速率 （ nm/s）
0.1 1 10 100
10-7
10-5
10-3
10-1
10-3
10-1
10
1000
10-4
10-2
1
100
10-5
10-3
10-1
10
10-6
10-4
10-2
1
提高薄膜的沉积速率和真空度，均有助于提高薄膜纯度蒸发沉积技术的种类
电阻热蒸发
电子束热蒸发
电弧热蒸发
激光束热蒸发
空心阴极热蒸发电阻式热蒸发装置特点：
装置简单，应用广泛
需要针对不同的被蒸发材料选择加热材料和方法
加热温度不能过高，易产生电阻丝等加热材料的污染电子束蒸发装置的示意图特点：
蒸发温度高
污染小，适用于高纯、难熔物质的蒸发
热效率较低
导致产生一定的辐射电弧蒸发装置的示意图特点：
设备简单
加热温度高，适用于难熔金属、石墨的蒸发
可避免电阻、坩埚材料的污染
可控制性较差
在放电过程中易产生电极颗粒的飞溅，影响薄膜的均匀性激光蒸发装置的示意图特点：
污染小
加热温度高
过程容易控制
特别适于蒸发复杂成分的合金或化合物
光子瞬间内将能量传递给被蒸发物质,粒子能量高于普通蒸发方法
需要特殊的窗口材料
易产生物质颗粒的飞溅
设备较为复杂，难于大规模使用空心阴极蒸发装置的示意图特点,
大电流、高速率
被蒸发出来的物质原子被大量离化
要维持 1?10-2Pa的气体压力
易产生阴极损耗和蒸发物质的飞溅蒸发法的优点
方法和设备可以相对简单
较高的沉积速度（数十?m/小时）
相对较高的真空度和薄膜纯度蒸发法的缺点
蒸发粒子的能量相对较低蒸发薄膜沉积法的优点与缺点蒸发粒子的能量与物质键合能的比较能量项 能量数值 （ eV）
蒸发粒子动能
300K时
2200K时物质的键合能
Si-Si固体键合能
N-N气体分子键合能
0.038
0.28
3.29
9.83
两者相比，可看到蒸发法时，沉积粒子的能量偏低例一,分子束外延方法制备
-FeSi2/Si薄膜二极管 1.5?m发光器件器件的层状结构 (a) 器件 A,(b) 器件 B
Y,Ugajin,T,Sunohara,T,Suemasu,
Investigation of current
injection in β?FeSi2/Si double-
heterostructures light-emitting diodes by
molecular beam
epitaxy,Thin Solid Films (2007)
p
|
n
结分子束外延?-FeSi2/Si薄膜二极管发光器件的制备
使用离子泵支持的 MBE系统，在 n-Si (111)衬底上制备 p-Si/p-?-FeSi2/p-Si/n-Si结构的层状结构
使用电子束加热的 Si,Fe 蒸发源
Si(111)衬底高真空清洁处理,850?C?30分钟
450?C生长 200-nm p-Si,热处理 1000?C?10分钟
（ 样品 A不进行此项处理 ）
750?C生长 90-nm [110]/[101] 取向的 p-?-FeSi2
500?C生长 500-nm p-Si
700?C生长 200-nm B搀杂的 p+-Si
N2中 800?C?14 小时器件热处理
-FeSi2/Si薄膜器件 的 X-射线衍射曲线
Highly [110]/[101]-oriented?-FeSi2 was formed in
both samples,
77K 温度下?-FeSi2/Si薄膜器件的光发射谱
EL of?-FeSi2 is dominant in sample A,and Si-
related EL is intense in sample B,
FeSi2
不同温度下?-FeSi2/Si薄膜器件的 I-V 曲线
High-quality Si p-n junction in sample B improves the
electron injection into?-FeSi2 (higher turn-on voltage),
and thus significant EL enhancement will be obtained.
第二讲 小结
薄膜材料可使用在高真空环境下进行的热蒸发、
电子束蒸发等多种不同的蒸发法制备，其最主要的优点是可以保持薄膜的高纯度和高的沉积速率
蒸发法在沉积化合物以及合金薄膜时会遇到成分不易控制的问题
薄膜沉积的均匀性是蒸发法必须考虑的一个问题
在利用蒸发法制备薄膜时，其粒子的能量相对较低基本概念复习
掌握物理气相沉积、化学气相沉积技术各自的特点。
列举真空蒸发法装置的组成。
熟悉元素、化合物、合金等不同物质粒子蒸发时的行为特点；列举使蒸发法不宜被用于合金或化合物薄膜制备的主要原因。
熟悉影响蒸发法薄膜沉积时影响薄膜沉积均匀性的因素。
各种真空蒸发方法薄膜沉积的设备和各方法的优点与缺点。
估算 1200K时 Al原子的动能。
思 考 题
1,求出 Al在 800?C时的蒸气压，并代入典型数值估计其薄膜的沉积速率
2,评价 W,Fe,Zn三种常用金属元素在使用蒸发法制备薄膜时的难易程度
3,讨论从 GaAs化合物，使用真空蒸发法获得其化合物薄膜的可能性
4,讨论改善薄膜沉积均匀性可能采取的措施，并证明使用图 2-7所示 的方法可改善薄膜沉积的均匀性思 考 题
5,推导环境真空度与蒸发沉积法获得的薄膜的纯度之间的相关关系。假设 Al薄膜的沉积速率为 1?m/min，估计沉积环境的真空度
6,讨论为什么蒸发沉积时粒子的能量较低，以及粒子能量低可能对薄膜造成的影响
