真空蒸发镀膜技术原理

                   真空蒸发镀膜技术原理

一、蒸发镀膜简述：

真空蒸发镀膜（简称真空蒸镀）是指在真空室中，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到固体（称为衬底或基片）表面，凝结形成固态薄膜的方法。由于真空蒸发法或真空蒸镀法主要物理过程是通过加热蒸发材料而产生，所以又称热蒸发法或者热蒸镀，所配套的设备称之为热蒸发真空镀膜机。这种方法zui早由M.法拉第于1857年提出，现代已成为常用镀膜技术之一。

尽管后来发展起来的溅射镀和离子镀在许多方面要比蒸镀优越，但真空蒸发技术仍有许多优点，如设备与工艺相对比较简单，即可镀制非常纯净的膜层，又可制备具有特定结构和性质的膜层等，仍然是当今非常重要的镀膜技术。近年来，由于电子轰击蒸发，高频感应蒸发及激光蒸发等技术在蒸发镀膜技术中的广泛应用，使这一技术更趋完善。

近年来，该法的改进主要是在蒸发源上。为了抑制或避免薄膜原材料与蒸发加热器发生化学反应，改用耐热陶瓷坩埚，如 BN坩埚。为了蒸发低蒸气压物质，采用电子束加热源或激光加热源。为了制造成分复杂或多层复合薄膜，发展了多源共蒸发或顺序蒸发法。为了制备化合物薄膜或抑制薄膜成分对原材料的偏离，出现了反应蒸发法等。

二、热蒸镀工作原理：

真空蒸发镀膜包括以下三个基本过程∶

（1）加热蒸发过程。包括由凝聚相转变为气相（固相或液相→气相）的相变过程。每种蒸发物质在不同温度时有不相同的饱和蒸气压;蒸发化合物时，其组分之间发生反应，其中有些组分以气态或蒸气进入蒸发空间。

（2）气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运过程，即这些粒子在环境气氛中的飞行过程。飞行过程中与真空室内残余气体分子发生碰撞的次数，取决于蒸发原子的平均自由程，以及从蒸发源到基片之间的距离，常称源-基距。

（3）蒸发原子或分子在基片表面上的沉积过程，即是蒸气凝聚、成核、核生长、形成连续薄膜。由于基板温度远低于蒸发源温度，因此，沉积物分子在基板表面将直接发生从气相到固相的相转变过程。

将膜材置于真空镀膜室内，通过蒸发源加热使其蒸发，当蒸发分子的平均自由程大于真空镀膜室的线性尺寸时，蒸汽的原子和分子从蒸发源表面逸出后，在飞向基片表面过程中很少受到其他粒子（主要是残余气体分子）的碰撞阻碍，可直接到达被镀的基片表面，由于基片温度较低，便凝结其上而成膜，为了提高蒸发分子与基片的附着力，对基片进行适当的加热是必要的。为使蒸发镀膜顺利进行，应具备蒸发过程中的真空条件和制膜过程中的蒸发条件。

蒸发过程中的真空条件：真空镀膜室内蒸汽分子的平均自由程大于蒸发源与基片的距离（称做蒸距）时，就会获得充分的真空条件。为此，增加残余气体的平均自由程，借以减少蒸汽分子与残余气体分子的碰撞概率，把真空镀膜室抽成高真空是非常必要的。否则，蒸发物原子或分子将与大量空气分子碰撞，使膜层受到严重污染，甚至形成氧化物；或者蒸发源被加热氧化烧毁；或者由于空气分子的碰撞阻挡，难以形成均匀连续的薄膜。

三、真空蒸镀特点:

优点：设备比较简单 、操作容易；制成的薄膜纯度高、质量好，厚度可较准确控制；成膜速率快，效率高；薄膜的生长机理比较简单；

缺点：不容易获得结晶结构的薄膜；所形成的薄膜在基板上的附着力较小；工艺重复性不够好等。

四、蒸发源的类型及选择：

蒸发源是用来加热膜材使之气化蒸发的装置。目前所用的蒸发源主要有电阻加热，电子束加热，感应加热，电弧加热和激光加热等多种形式。

电阻加热蒸发装置结构较简单，成本低，操作简便，应用普遍。电阻加热式蒸发源的发热材料一般选用W、Mo、Ta、Nb等高熔点金属，Ni、Ni-Cr合金。把它们加工成各种合适的形状，在其上盛装待蒸发的膜材。一般采用大电流通过蒸发源使之发热，对膜材直接加热蒸发，或把膜材放入石墨及某些耐高温的金属氧化物（如Al2O3，BeO）等材料制成的坩埚中进行间接加热蒸发。

采用电阻加热法时应考虑的问题是蒸发源的材料及其形状，主要是蒸发源材料的熔点和蒸气压，蒸发源材料与薄膜材料的反应以及与薄膜材料之间的湿润性。

因为薄膜材料的蒸发温度（平衡蒸气压为1. 33 Pa时的温度）多数在1 000 ~2 000 K之间，所以蒸发源材料的熔点需高于这一温度。而且．在选择蒸发源材料时必须考虑蒸发源材料大约有多少随蒸发而成为杂质进入薄膜的问题。因此，必须了解有关蒸发源常用材料的蒸气压。为了使蒸发源材料蒸发的分子数非常少，蒸发温度应低于蒸发源材料平衡蒸发压为1. 33×10-6Pa时的温度。在杂质较多时，薄膜的性能不受什么影响的情况下，也可采用与1. 33×10-2Pa对应的温度。

综上所述，蒸发源材料的要求：

1、高熔点：必须高于待蒸发膜材的熔点（常用膜材熔点1000～2000℃）

2、饱和蒸气压低：保证足够低的自蒸发量，不至于影响系统真空度和污染膜层

3、化学性能稳定：在高温下不应与膜材发生反应，生成化合物或合金化

4、良好的耐热性

5、原料丰富、经济耐用

蒸发材料对蒸发源材料的“湿润性”：选择蒸发源材料时，必须考虑蒸镀材料与蒸发材料的“湿润性”问题。

蒸镀材料与蒸发源材料的湿润性”与蒸发材料的表面能大小有关。高温熔化的蒸镀材料在蒸发源上有扩展倾向时，可以认为是容易湿润的;如果在蒸发源上有凝聚而接近于形成球形的倾向时，就可以认为是难干湿润的

在湿润的情况下，材料的蒸发是从大的表面上发生的且比较稳定，可以认为是面蒸发源的蒸发;在湿润小的时候，一般可认为是点蒸发源的蒸发。如果容易发生湿润，蒸发材料与蒸发源十分亲和，蒸发状态稳定;如果是难以湿润的，在采用丝状蒸发源时，蒸发材料就容易从蒸发源上掉下来。

五、合金与化合物的蒸发：

1、合金的蒸发：采用真空蒸发法制作预定组分的合金薄膜，经常采用瞬时蒸发法、双蒸发源法。

分馏现象：当蒸发二元以上的合金及化合物时，蒸发材料在气化过程中，由于各成分的饱和蒸气压不同，使得其蒸发速率也不同，得不到希望的合金或化合物的比例成分，这种现象称为分馏现象。

（1）瞬时蒸发法：瞬时蒸发法又称“闪烁”蒸发法。将细小的合金颗粒，逐次送到非常炽热的蒸发器中，使一个一个的颗粒实现瞬间完全蒸发。关键以均匀的速率将蒸镀材料供给蒸发源粉末粒度、蒸发温度和粉末比率。如果颗粒尺寸很小，几乎能对任何成分进行同时蒸发，故瞬时蒸发法常用于合金中元素的蒸发速率相差很大的场合。

优点：能获得成分均匀的薄膜，可以进行掺杂蒸发等。

缺点：蒸发速率难以控制，且蒸发速率不能太快。

（2）双源蒸发法：将要形成合金的每一成分，分别装入各自的蒸发源中，然后独立地控制各个蒸发源的蒸发速率，使达到基板的各种原子与所需合金薄膜的组成相对应。为使薄膜厚度分布均匀，基板常需要进行转动。

2、化合物的蒸发：

化合物的蒸发方法：（1）电阻加热法（2）反应蒸发法（3）双源或多源蒸发法（4）三温度法（5）分子束外延法

反应蒸发法主要用于制备高熔点的绝缘介质薄膜，如氧化物、氮化物和硅化物等。而三温度法和分子外延法主要用于制作单晶半导体化合物薄膜，特别是III-V族化合物半导体薄膜、超晶格薄膜以及各种单晶外延薄膜等。

将活性气体导入真空室，使活性气体的原子、分子和从蒸发源逸出的蒸发金属原子、低价化合物分子在基板表面淀积过程中发生反应，从而形成所需高价化合物薄膜的方法。

不仅用于热分解严重，而且用于因饱和蒸气压较低而难以采用电阻加热蒸发的材料。经常被用来制作高熔点的化合物薄膜，特别是适合制作过渡金属与易分解吸收的02， N2等反应气体所组成的化合物薄膜（例如SiO2、ZrN、AlN、SiC薄膜）。

在反应蒸发中，蒸发原子或低价化合物分子与活性气体发生反应的地方有三种可能，即蒸发源表面、蒸发源到基板的空间和基板表面。

电子束蒸发镀膜

一、电子束蒸发镀膜简述：

电子束蒸发镀膜（Electron Beam Evaporation）是物理气相沉积的一种，与传统蒸镀方式不同，电子束蒸镀利用电磁场的配合可以精准地实现利用高能电子轰击坩埚内靶材，使之融化进而沉积在基片上，电子束蒸镀可以镀出高纯度高精度的薄膜。

在高真空下，电子枪灯丝加热后发射热电子，被加速阳极加速，获得很大的动能轰击到的蒸发材料上，把动能转化成热使蒸发材料加热气化，而实现电子束蒸发镀膜。电子束蒸发源由发射电子的热阴极、电子加速极和作为阳极的镀膜材料组成。电子束蒸发源的能量可高度集中，使镀膜材料局部达到高温而蒸发。通过调节电子束的功率，可以方便的控制镀膜材料的蒸发速率，特别是有利于高熔点（Pt、W、Mo、Ta）以及高纯金属和化合物材料。

二、蒸镀原理：

电子束蒸镀是利用加速电子轰击镀膜材料，电子的动能转换成热能使镀膜材料加热蒸发，并成膜。电子枪有直射式、环型和E型之分。电子束加热蒸镀的特点是能获得极高的能量密度，最高可达109w/cm2，加热温度可达3000~6000℃，可以蒸发难熔金属或化合物。被蒸发材料置于水冷的坩埚中，可避免坩埚材料的污染,制备高纯薄膜。另外，由于蒸发物加热面积小，因而热辐射损失减少，热效率高；但结构较复杂，且对较多的化合物，由于电子的轰击有可能分解，故不适合多数化合物的蒸镀。

电子束蒸镀常用来制备Al、CO、Ni、Fe的合金或氧化物膜，SiO2、ZrO2膜，抗腐蚀和耐高温氧化膜。

三、电子束蒸发镀膜的特点：

　　电子束蒸发镀膜机是在工业中比较常使用的薄膜制造设备，由于蒸发镀膜机的特点在生产薄膜的时候发挥了巨大的作用，薄膜的产生主要是通过镀膜机中的电子束的加热产生的。

　　1、电子束加热蒸发镀膜的优点

　　（1）镀膜机中的电子束加热的方法与传统的电阻加热的方法相比，电子束加热会产生更高的通量密度，这样的话对于高熔点（熔点3000°C以上）的材料的蒸发比较有利，而且还可以使蒸发的速率得到一定程度上的提高。

　　（2）蒸发镀膜机在工作的时候会将需要被蒸发的原材料放入到水冷铜坩埚内，这样就可以保证材料避免被污染，可以制造纯度比较高的薄膜。

      （3）电子束蒸发的粒子动能比较的大，这样会有利于薄膜的精密性和结合力。

      （4）热量可直接加到蒸镀材料的表面，因而热效率高，热传导和热辐射的损失少。

　　2、电子束加热蒸发镀膜的缺点

　　（1）电子束蒸发镀膜机的整体的构造比较复杂，价格相较于其他的镀膜设备而言比较的偏高。

      （2）镀膜机在工作的时候，如果蒸发源附近的蒸汽的密度比较高的话，就会使得电子束流和蒸汽粒子之间发生一些相互的作用，将会对电子的通量产生影响，使得电子的通量散失或者偏移轨道。同时还可能会引发蒸汽和残余的气体的激发和电离，以此影响到整个薄膜的质量。