真空蒸镀基本知识

一.真空蒸镀

真空蒸镀，简称蒸镀，是指在真空条件下，采用一定的加热蒸发方式蒸发镀膜材料（或称膜料）并使之气化，粒子飞至基片表面凝聚成膜的工艺方法。蒸镀是使用较早、用途较广泛的气相沉积技术，具有成膜方法简单、薄膜纯度和致密性高、膜结构和性能独特等优点。

　　二.原理

蒸镀的物理过程包括：沉积材料蒸发或升华为气态粒子→气态粒子快速从蒸发源向基片表面输送→气态粒子附着在基片表面形核、长大成固体薄膜→薄膜原子重构或产生化学键合。

将基片放入真空室内，以电阻、电子束、激光等方法加热膜料，使膜料蒸发或升华，气化为具有一定能量（0.1～0.3eV）的粒子（原子、分子或原子团）。气态粒子以基本无碰撞的直线运动飞速传送至基片，到达基片表面的粒子一部分被反射，另一部分吸附在基片上并发生表面扩散，沉积原子之间产生二维碰撞，形成簇团，有的可能在表面短时停留后又蒸发。粒子簇团不断地与扩散粒子相碰撞，或吸附单粒子，或放出单粒子。此过程反复进行，当聚集的粒子数超过某一临界值时就变为稳定的核，再继续吸附扩散粒子而逐步长大，最终通过相邻稳定核的接触、合并，形成连续薄膜。

　　三.关键参数

　　饱和蒸气压(PV): 在一定的温度下,真空室中蒸发材料的蒸气在与固体或液体平衡过程中所表现的压力.饱和蒸气压与温度的关系曲线对于薄膜制作技术有重要意义，它可以帮助我们合理选择蒸发材料和确定蒸发条件。

　　真空度：P ≤ 10-3 Pa（保证蒸发，粒子具分子流特征，以直线运动）

　　基片距离 (相对于蒸发源)：10~50 cm（兼顾沉积均匀性和气相粒子平均自由程）蒸发出的原子是自由、无碰撞的， 沉积速度快。容易根据蒸发原料的质量、蒸发时间、衬底与蒸发源的距离、衬底的倾角、材料的密度等计算薄膜的厚度

　　四.蒸发装置

　电阻蒸发

　　蒸发温度1000-2000 ° C的材料可用电阻加热作蒸发源. 加热器电阻通电后产生热量 ，产生热量使蒸发材料的分子或原子获得足够大的动能而蒸发

　　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）锥形丝筐蒸发小块电介质或金属。

　　蒸发源材料的选择

　　高熔点材料 (蒸发源材料的熔点>>蒸发温度

　　减少蒸发源的污染 (薄膜材料的蒸发温度<蒸发源材料在蒸汽压10-8Torr时对应的温度

　　蒸发源材料与薄膜材料不反应

　　薄膜材料对蒸发源的湿润性

　　常用的蒸发源材料有：W、Mo、Ta，耐高温的金属氧化物、陶瓷或石墨坩埚

　　主要问题：支撑材料与蒸发物之间可能会发生反应；一般工作温度在1500~1900 ℃，难以实现更高蒸发温度 ， 所以可蒸发材料受到限制；蒸发率低；加热速度不高，蒸发时待蒸发材料如为合金或化合物，则有可能分解或蒸发速率不同，造成薄膜成分偏离蒸发物材料成分。高温时，钽和金形成合金，铝、铁、镍、钴等与钨、钼、钽等形成合金 B2O3与钨、钼、钽有反应，W与水汽或氧反应，形成挥发性的WO、WO2或WO3；Mo也能与水汽或氧反应生成挥发性的

　　电子束蒸发

　　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）

　　热电子发射(金属在高温状态时, 其内部的一部分电子获得足够的能量而逸出表面); 电子在电场中加速;聚焦电子束; 聚焦电子束轰击被镀材料表面, 使动能变成热能

　　直式枪: 高能电子束轰击材料将发射二次电子,二次电子轰击薄膜会导致膜层结构粗糙, 吸收增加, 均匀性变差

　　形枪: 蒸发材料与阴极分开 (单独处于磁场中),二次电子因受到磁场的作用而再次发生偏转, 大大减少了向基板发射的几率

　　电子束蒸发的特点

　　难熔物质的蒸发；以较大的功率密度实现快速蒸发,防止合金分馏;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子束，蒸发物质放在水冷坩埚内。蒸发发生在材料表面, 有效抑制坩堝与蒸发材料之间的反应，适合制备高纯薄膜，可以制备光学、电子和光电子领域的薄膜材料，如Mo、Ta、Nb、MgF2、Ga2Te3、TiO2、Al2O3、SnO2、Si等；蒸发分子动能较大, 能得到比电阻加热更牢固致密的膜层

　　电子束蒸发源的缺点：可使蒸发气体和残余气体电离，有时会影响膜层质量；电子束蒸镀装置结构复杂，价格昂贵；产生的软X射线对人体有一定的伤害。

　激光蒸发技术

　　原理: 激光作为热源. 高能量的激光束透过真空室窗口, 对蒸发材料进行加热

　　采用非接触式加热, 减少污染, 简化真空室, 适宜于超真空下制备纯洁薄膜

　　热源清洁，无来自加热体的污染；

　　激光蒸发的特点：表面局部加热，无来自支撑物的污染；聚焦可获得高功率，可沉积陶瓷等高熔点材料以及复杂成分材料（瞬间蒸发）；光束集中，激光装置可远距离放置，可安全沉积一些特殊材料薄膜（如高放射性材料）；很高的蒸发速率，薄膜有很高的附着力;膜厚控制困难; 可引起化合物过热分解和喷溅；费用比较高

　　五.合金的热蒸发

　　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，因而合金中各元素原子的蒸 发过程实际上可以被看做是各自相互独立的过程， 就像它们在纯元素蒸发时的情况一样。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，后果是沉积后的薄膜成分偏离其固态的化学组成。为保证薄膜组成，经常采用瞬时蒸发法、双蒸发源法等

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。

双源或多源蒸发法

　　将要形成合金的每一成分，分别装入各自的蒸发源中，然后独立地控制其蒸发速率，使达到基板的各种原子符合组成要求。

化合物的热蒸发

　　化合物蒸发过程中可能发生的各种物理化学变化,无分解蒸发、固态分解蒸发和气态分解蒸发

　　化合物蒸发中存在的问题：

　　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；（蒸气组分变化）在气相状态下，可能发生化合物各组元间的化合与分解过程后果是沉积后的薄膜成分可能偏离化合物正确的化学组成。对于初始成分确定的蒸发源来说，确定的物质蒸发速率之比将随着时间变化而发生变化。化合物在高温蒸发过程中发生分解 (如Al2O3, TiO2 等会失氧) 吸收增加

　　六.反应蒸发

　　反应蒸发: 在一定的反应气氛中蒸发金属或低价化合物,在淀积过程中发生化学反应 ,生成所需的高价化合物薄膜.反应蒸发适用于制备高温时易发生分解的化合物，如Al2O3、TiO2等；饱和蒸气压低的化合物；熔点很高的化合物；特别是适合制备过渡金属与易解吸的O2、N2等反应气体组成的化合物薄膜，例如SiO2、ZrN、AlN、SiC薄膜