薄膜的蒸发沉积原理与技术PPT推荐.ppt

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,1.2薄膜的一些基本形态,SITP-CAS,DINGQUANLIU,1关于薄膜的一些基本概念,

（1）薄膜以非晶态结构居多;

（2）有的薄膜以多晶态形式出现，含有非晶成分;

（3）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、严格的材料选择;

如果单从薄膜的使用强度考虑，非晶态薄膜可能更好。

1.3薄膜的晶体结构,SITP-CAS,DINGQUANLIU,1关于薄膜的一些基本概念,

（1）薄膜的聚集密度：

指膜层中材料体积占有总体积的比值，常以小于1的两位小数表示。

越接近于1，膜层越致密，质量越好；

有的膜层甚至低于0.50。

（2）薄膜的MDT模型图：

1.4薄膜的聚集情况,SITP-CAS,DINGQUANLIU,1关于薄膜的一些基本概念,（3）真空度的影响：

残余气体分子与沉积粒子（原子、分子、团粒等）碰撞，影响沉积动能和方向，易形成松散结构。

真空度对蒸发镀金属膜层微结构的影响：

1.4薄膜的聚集情况,SITP-CAS,DINGQUANLIU,1关于薄膜的一些基本概念,

（1）薄膜中的压应力：

膜层中聚集密度较大时，膜层中“柱状结构”相互排斥，它们受到挤压的作用。

（2）薄膜中的张应力：

膜层中聚集密度较小时，膜层中“柱状结构”相互吸引，它们受到拉伸的作用。

1.5薄膜的应力,SITP-CAS,DINGQUANLIU,1关于薄膜的一些基本概念,

（1）牢固度用附着力来表述：

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分，微分最大值就是附着力。

（2）薄膜牢固度的增加：

洁净的基片；

膜层与基片良好的接触；

较高的沉积温度增加扩散；

高真空让沉积粒子直接到达；

适当的应力控制，等等。

1.6薄膜的牢固度,SITP-CAS,DINGQUANLIU,2材料在真空中的热蒸发,

（1）材料在真空中出气；

（2）某些镀膜材料在高真空中有微量的质量损失。

这些对镀膜工艺和薄膜质量有影响。

2.1材料在高真空中的表现,DINGQUANLIU,SITP-CAS,2材料在真空中的热蒸发,

（1）加热蒸发固体液体气体

（2）受热升华固体-气体因材料而异。

2.2材料在真空中的转变,DINGQUANLIU,SITP-CAS,2材料在真空中的热蒸发,

（1）电阻加热方式适合低熔点材料。

能量相对较小。

（2）电子枪加热方式能量更大，更集中，适合高熔点材料，非升华材料。

2.3材料在真空中的热蒸发,DINGQUANLIU,SITP-CAS,2材料在真空中的热蒸发,

（1）材料的熔点材料开始转化为液体的温度。

蒸汽压较小，还不能实现有效的薄膜沉积。

（2）蒸发温度能够实现有效蒸发的温度。

通常认为是对应材料产生1.33Pa蒸汽压（材料表面）的温度。

2.4材料的熔点与蒸发温度,DINGQUANLIU,SITP-CAS,2材料在真空中的热蒸发,

（1）点源尺寸很小，向各个方向放射蒸发，仅考虑立体视场角。

（2）面源本身尺寸需要考虑，仅向半球面视场内蒸发。

（3）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,DINGQUANLIU,SITP-CAS,2材料在真空中的热蒸发,

（1）克努增源准分子流，沉积慢。

（2）自由面源无定向，沉积快。

（3）定向坩埚有定向，沉积更快。

2.6面源的三种形式,DINGQUANLIU,SITP-CAS,2材料在真空中的热蒸发,2.7自由面源蒸发的膜厚分布,DINGQUANLIU,SITP-CAS,膜厚分布的参考曲线,平面夹具与球面夹具有差异，数学推导和实际状况有差异，但趋势是一致的。

仅供参考。

2材料在真空中的热蒸发,

（1）选用高熔点低蒸汽压的蒸发源避免来自蒸发源的污染。

（2）蒸发时产生大量的热，难以带走（3）一般以自由面源形式出现（4）膜层比较疏松。

2.8电阻热蒸发沉积的一些特点,DINGQUANLIU,SITP-CAS,3薄膜在真空中的沉积生长,

（1）表面的凝结几率（系数）有的原子可能重新进入真空，失去凝结生长的可能。

（2）凝结几率与基片温度和材料种类有很大关系。

（3）体积超出临界晶核的颗粒才能张大，否则会消失。

3.1蒸发粒子的凝聚与张大,DINGQUANLIU,SITP-CAS,3薄膜在真空中的沉积生长,

（1）岛状生长；

（2）层状生长；

（3）岛状+层状生长。

3.2薄膜生长的三种类型,DINGQUANLIU,SITP-CAS,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,

（1）基片表面的处理；

（2）制备参数；

（3）蒸汽的入射角度；

还有老化处理等。

3.3薄膜沉积生长过程中的工艺因素,DINGQUANLIU,SITP-CAS,3薄膜在真空中的沉积生长,AFM等手段，可以观察到部分薄膜的生长过程。

3.4薄膜沉积生长过程的观察,DINGQUANLIU,SITP-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,SEM等手段，可以观察到Ag薄膜的生长过程。

3.4薄膜沉积生长过程的观察,DINGQUANLIU,SITP-CAS,岛状,网状,准连续,3薄膜在真空中的沉积生长,3.5沉积温度对膜层生长速率的影响,DINGQUANLIU,SITP-CAS,对于特定的沉积粒子流，存在临界沉积温度Tc，当基片温度TsTc时，发生沉积；

当基片温度TsTc时，不能发生沉积。

如ZnS膜层的Tc在2300C左右，而在1500C时，凝结系数还接近1。

4膜层厚度控制与均匀性,4.1影响膜层厚度的主要因素,DINGQUANLIU,SITP-CAS,

（1）基片的相对位置

（2）基片温度的影响；

（3）蒸发源的定向发射。

平面夹具-中心蒸发,升华膜料中特别容易出现定向蒸发。

4膜层厚度控制与均匀性,4.2膜层厚度的在线测量,DINGQUANLIU,SITP-CAS,

（1）晶体振荡法石英片由一个固有的谐振频率，淀积在它表面的物质质量改变时，谐振频率发生变化，推算淀积层的厚度。

要保持石英晶体探头的温度稳定，避免强的电磁干扰。

4膜层厚度控制与均匀性,4.2膜层厚度的在线测量,DINGQUANLIU,SITP-CAS,

（2）光学监控法镀层薄膜的透射率和反射率随着膜的厚度d的增加变化，膜层每增加四分之一波长光学厚度时，出现透射和反射光强的一次极值，通过这一变数计算膜厚。

4膜层厚度控制与均匀性,4.3改善膜层厚度的均匀性,DINGQUANLIU,SITP-CAS,

（1）合理布置蒸发源和产品位置,行星结构可以使镀层厚度分布更加均匀。

合理的布局可以最大限度地利用均匀区。

4膜层厚度控制与均匀性,4.3改善膜层厚度的均匀性,DINGQUANLIU,SITP-CAS,

（2）修正板的使用,可以有效改善膜层厚度分布的均匀性。

修正根据实验数据不断逼近期值，让挡板有意挡掉“多余”的沉积粒子。

4膜层厚度控制与均匀性,4.3改善膜层厚度的均匀性,DINGQUANLIU,SITP-CAS,（4）控制好温度,温度影响凝结系数，影响沉积速率和分布，影响膜厚分布。

必要时可以用导热好的铜夹具。

避免将沉积温度选在材料凝结系数巨变的区域。

4膜层厚度控制与均匀性,4.3改善膜层厚度的均匀性,DINGQUANLIU,SITP-CAS,（4）避免定向蒸发,温升华的块状料，与蒸发舟接触的部分出现升华，蒸发气流沿空隙射出，分布不均匀。

应尽量使膜料块体不要太大，均匀分布。

4膜层厚度控制与均匀性,4.3改善膜层厚度的均匀性,DINGQUANLIU,SITP-CAS,（5）采取综合措施,多管其下后，膜层厚度的分布应该能够得到极大的改善。

光学薄膜（特别是滤光片）对厚度控制非常严格。

修正后，能够取得很好的效果。

5热蒸发薄膜的一些应用,5.1光学薄膜,DINGQUANLIU,SITP-CAS,

（1）光学增透,眼镜、镜头等表面都需要增透膜，减少反射。

在光学成像系统中可以避免出现“鬼像”。

5热蒸发薄膜的一些应用,5.1光学薄膜,DINGQUANLIU,SITP-CAS,

（2）滤光片,对光谱进行选择，以识别真正的目标。

如光通信、光谱成像仪器中广泛使用。

通常需要几十、甚至100多层膜，厚度控制要十分精确。

5热蒸发薄膜的一些应用,5.1光学薄膜,DINGQUANLIU,SITP-CAS,（3）反射膜,反射膜在生活中十分常用，可以把光和热发射出去。

在装饰方面也不可缺少。

5热蒸发薄膜的一些应用,5.2节能薄膜,DINGQUANLIU,SITP-CAS,

（1）建筑玻璃上的节能薄膜,可以保持住冬天室内的温暖。

可以拒绝夏日外面的炎热。

5热蒸发薄膜的一些应用,5.3安全、医学领域,DINGQUANLIU,SITP-CAS,长波红外探测人体温度。

可用于安全防护、医学等方面。

5热蒸发薄膜的一些应用,5.4环保与气体分析,DINGQUANLIU,SITP-CAS,利用薄膜获取特定气体的光谱，可判定气体浓度和污染情况。

可用于天气预报。

5热蒸发薄膜的一些应用,5.5光伏产业,DINGQUANLIU,SITP-CAS,利用薄膜实现太阳能发电。

在半导体照明方面也应用广泛。

5热蒸发薄膜的一些应用,5.6空间应用,DINGQUANLIU,SITP-CAS,天气预报。

空间遥感。

6结束语,DINGQUANLIU,SITP-CAS,热蒸发技术今后仍然是薄膜制备的主流技术之一。

要取得膜层厚度均匀的分布，主要采取合理布局、修正板调节、温度均匀控制、减少定向蒸发、选择合适沉积温度等措施。

文献引用与致谢,DINGQUANLIU,SITP-CAS,1田民波刘德令，“薄膜科学与技术手册”。

2唐晋发顾培夫刘旭李海峰，“现代光学薄膜技术”。

3吕立冬李新南真空，“LAMOST子镜真空镀铝系统中的多点蒸发源建模分析”。

4林坚林永钟廖群峰，光子学报，“光学薄膜厚度修正档板的设计”。

还引用了部分不明作者的图，在此一并感谢！

谢谢！

上海技术物理研究所光学薄膜与材料研究室,