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1、真空蒸镀基础知识介绍,目 录,一.真空蒸镀原理 二.真空蒸镀方式 三.真空蒸镀设备 四.真空蒸镀工艺,一真空蒸镀原理 1料在真空状态下的蒸发特性 2蒸气粒子的空间分布 3凝结生长过程,1 料在真空狀態下的蒸發特性 真空蒸镀是将工件放入真空室并用一定的方法加热使镀膜材料(简称膜料)蒸发或升华飞至工件表面凝聚成膜。 膜料的蒸发温度最终要根据膜料的熔点和饱和蒸气压等参数定。表1-1和表1-2分别列出了部分元素和化合物的熔点以及饱和蒸气压为1.33Pa 时相应的蒸发温度。,更多文章,表7-3 部分元素的蒸發特性(飽和蒸氣壓為1.33Pa),表1-1 部分元素的蒸發特性(飽和蒸氣壓為1.33Pa),表1
2、-2 部分化合物的蒸發特性(飽和蒸氣壓為1.33Pa),2蒸氣粒子的空間分布 蒸氣粒子的空間分布顯著地影響了蒸發粒子在基體上的沉積速率以及基體上的膜厚分布。這與蒸發源的形狀和尺寸有關。最簡單的理想蒸發源有點和小平面兩種類型。在點源的情況下以源為中心的球面上膜厚均相同所以工件放在球面上就可得到膜厚相同的鍍膜。如果是小平面蒸發源則發射具有方向性。 實際蒸發源的發射性應按具體情況加以分析。例如用螺旋狀鎢絞絲作蒸發源可以簡化為由一系列小點源構成的一個短圓柱形蒸發源但對于距離相對很大的平板工件(例如平板玻璃)來說這種假設的計算結果几乎完全等效于點源模型。,更多文章,3凝結生長過程 蒸發粒子與基材碰撞后一
3、部分被吸附。吸附原子在基材表面發生表面擴散沉積原子之間產生兩維碰撞形成簇團有的在表面停留一段時間后再蒸發。原子族團與擴散原子相碰撞或吸附單原子或放出單原子這種過程反復進行當原子數超過某一臨界值時就變為穩定核再不斷吸附其他擴散原子而逐步長大最后與鄰近穩定核合并進而變成連續膜。,更多文章,二真空蒸鍍方式 1電阻加熱蒸發方式及蒸發源 2電子束蒸發方式及蒸發源 3高頻加熱方式及蒸發源 4激光加熱方式及蒸發源,更多文章,1電阻加熱蒸發方式及蒸發源 它是用絲狀或片狀的高熔點金屬做成適當形狀的蒸發源將膜料放在其中接通電源電阻加熱膜料而使其蒸發。 對蒸發源材料的基本要求是高熔點低蒸氣壓在蒸發溫度下不會與膜料發
4、生化學反應或互溶具有一定的機械強度。實際上對所有加熱方式的蒸發源都有這樣的要求。另外電阻加熱方式還要求蒸發源材料與膜料容易潤濕以保証蒸發狀態穩定。常用的蒸發源材料有鎢鉬鉭石墨氮化硼等。電阻蒸發源的形狀是根據蒸發要求和特性確定的通常又叫線型舟型(一般稱為船，可盛薄膜之材料)等。,更多文章,(A)線型： 1.呈螺旋狀：如圖(a)所示，可為單股絲多股絲。欲鍍物插掛於螺旋環中，例如：鍍鋁條時用多股螺旋絲，因為在高溫下鋁會與電阻絲(一般為鎢)形成合金而破壞鎢絲若用多股絞合做成則可延長鎢絲之壽命。工業生產機型多用BN-TiB2-AlN之複合導電材料來鍍鋁，其形狀如圖(f5)所示。 2.呈籃狀：如圖(b)所
5、示，將欲鍍物置於籃中材料可為昇華之塊狀材料。,3.呈蚊香狀：如圖(d)所示，將欲鍍物放入坩置於其下，一般為昇華材料。若材料會與電阻絲起作用，則可先在材料與電阻絲中放一陶瓷坩鍋，如圖(c)所示 (B)舟型：一般稱為船，可盛薄膜之材料。 1.呈小坑狀：如圖(e)所示，可放小量欲鍍物，如Au、Ag等。 2.呈槽狀：如圖(f1f5)所示，可放大量欲鍍物，如ZnS、MgF2、Ge、鋁條等。若材料加熱後會與熱阻舟起化學反應，則可加陶瓷內襯，如圖(g)所示。其中若材料會因熱而濺跳，則可加上有孔之蓋子，如圖(h1h3)所示,電阻加熱蒸發方式之優缺點： 優點： 1.製程簡單。 2.電源設備價格便宜。 3.蒸發源
6、形狀容易配合需要做成各種形式。 缺點： 1.由於需先加熱電阻片再傳熱給薄膜材料，因此電阻片多少會 與材料起作用，或引生雜質。此點雖可加隔化學性質穩定之陶瓷層，惟耗電量增加。 2.電片能加熱之溫度有限，對於高熔點之氧化物則大部分無法熔融蒸鍍。 3.蒸鍍速率有限。 4.材料若為化合物，則有被熱分解之可能。閃燃法可蒸鍍部分此類材料之薄膜。 5.膜質不硬，密度不高。,2電子束蒸發方式及蒸發源 電阻加熱方式中的膜料與蒸發源材料直接接觸兩者容易互混這對于半導體元件等鍍膜來說是需要避免的。電子束加熱方式能解決這個問題。它的蒸發源是e形電子槍(也有直射式和環形但由電子軌跡磁偏轉270而形成的e型槍應用最廣)由
7、電子發射源(通常是熱的鎢陰極作電子源)電子加速電源坩堝(通常是銅坩堝為陽極)磁場線圈冷卻水套等組成。膜料放入水冷銅坩堝中電子束自源發出用磁場線圈使電子束聚焦和偏轉對膜料進行轟擊和加熱。,電子束蒸發方式之優缺點： 優點： 1.因為電子束直接加熱在薄膜材料上，且一般裝此材料之坩鍋其鎗座都有水冷卻，因此會比電阻加熱法之污染較少，薄膜品質相對較高。 2.由於電子束可加速到很高能量，一些在熱電阻加熱法中不能蒸鍍的氧化膜，可利用此法蒸鍍。 3.可製作多個坩鍋裝放不同薄膜材料排成一圈，欲鍍時就旋轉至電子束撞擊位置，製備多層膜相當方便。 缺點： 1.若電子束及電子流控制不當會引起材料分解或游離，前者會造成吸收
8、，後者會造成基板累積電荷而形成膜面放電損傷。 2.對不同材料所需之電子束的大小及掃瞄方式不同，因此鍍膜過程中使用不同鍍膜材料時則必須重新調整。3.對於昇華材料或稍熔解即蒸發之材料(如SiO2及某些氟化物、化物等)，需加大電子束之大小、掃瞄振幅與頻v，或將材料先壓製成塊，否則其蒸發速v及蒸發分佈不穩定，造成膜厚之不均勻性。,3高頻加熱方式及蒸發源 它是在高頻感應線圈中放入氧化鋁或石墨坩堝對膜材料進行高頻感應加熱。感應線圈通常用水冷銅管制造。此法主要用于鋁的大量蒸發。,高頻加熱方式之優缺點 優點： 1.由于高頻感應電流直接作用在蒸發材料上因此盛裝蒸發的 坩堝材料的溫度比較低坩堝材料不致造成薄膜污染
9、。 2.蒸發源的溫度均勻穩定不易產生蒸發料的飛濺現象。 3.蒸發速率大可比電阻蒸發源大10倍左右。 4.蒸發源一次裝料無需送料機構溫度控制比較容易。 缺點： 1.蒸發裝置必須屏蔽以防止射頻輻射。 2.需要較復雜和昂貴的高頻發生器。 3.如果線圈附近的壓強超過102Pa高頻電場就會產生氣體電 離使功耗增大,4 激光加熱方式及蒸發源 它是用激光照射在膜料表面使其加熱蒸發。由于不同材料吸收激光的波段范圍不同因而需要選用相應的激光器。例如SiO, ZnS, MgF2, TiO2, Al2O3, Si3N4等膜料宜采用二氧化碳連續激光(波長10.6m, 9.6m); Cr, W, Ti, Sb2S3 等
10、膜料選用玻璃脈沖激光(波長1.06m)Ge, GaAs等膜料宜采用紅寶石脈沖激光(波長0.694m 0.692m) 。這種方式經聚焦后功率密度可達106W/cm2 ,可蒸發任何能吸收激光光能的高熔點材料蒸發速率極高制得的膜成分几乎與料成分一樣。,激光加熱方式之優缺點： 優點： 1.真空室內不需任何電器設備，亦無熱源，所以非常乾淨，薄膜品質相對會比較純，也不會有電荷累積而造成薄膜表面損傷。 2. 激光可聚焦在很小之位置且不受電場或磁場之影響，因此可選用可以旋轉之多靶，蒸鍍多層膜，也可以用多束激光蒸發多種元素混合成膜。 3.蒸鍍速度快，材料可擺在很遠處(若材料會被污染之情形下)，因激光光束不易散開
11、。 缺點： 1.設備昂貴。 2.有些材料對激光之吸收不佳。 3.蒸鍍速度太高，不易鍍很薄之薄膜。 4.激光入射窗口需防止污染。,三.真空蒸鍍設備,真空蒸鍍設備系統一般包括前處理設備蒸發鍍膜機和后處理設備三部分。蒸發鍍膜機是主機通常由真空室真空(排氣)系統蒸發系統和電器設備等組成。,真空室內除工件架外有加熱(烘烤)離子轟擊或離子源等裝置。為提高鍍膜厚度均勻性工件架有轉動機構。連續鍍膜機還有卷板和傳動裝置。排氣系統一般由機械泵羅茨泵和擴散泵組成。蒸發系統包括蒸發源及電氣設備。連續鍍膜機還有加料裝置等。電器設備用于測量真空度膜層厚度及控制台等。,在鍍膜過程中特別是光學鍍膜對膜厚的測量和控制是非常重要
12、的有的產品要求鍍多層膜層數甚至多達几十層而每層膜厚僅納米量級所以需要用特殊技朮來測量。目前常用的有光干涉極值法和石英晶體振蕩法兩種。前者基于光線垂直入射到薄膜上其透射率和反射率隨薄膜厚度而變化適用于透明光學薄膜測量儀器主要有調制器單色儀(或濾光片)和光電倍增管。后者是基于石英晶片的振蕩頻率隨沉積薄膜厚度而變化目前已廣泛使用測量儀器主要有石英晶體振蕩片頻率計數器微分電路或數字電路等。,四真空蒸鍍工藝 1一般工藝 2合金蒸鍍工藝 3化合物蒸鍍工藝 4高熔點化合物薄膜 5離子束轉助蒸鍍法 6激光束輔助蒸鍍法 7單晶蒸鍍法 8非晶蒸鍍法,1一般工藝 真空蒸鍍工藝是根據產品要求確定的一般非連續鍍膜的工藝
13、流程是鍍前准備抽真空離子轟擊烘烤預熱蒸發取件鍍后處理檢測成品。 鍍前准備包括工件清洗蒸發源制作和清洗真空室和工件架清洗安裝蒸發源膜料清洗和放置裝工件等。這些工作是重要的它們直接影響了鍍膜質量。對于不同基材或零部件有不同的清洗方法。例如玻璃在除去表面臟物油污后用水揩洗或刷洗再用純水沖洗最后要烘干或用無水酒精擦干金屬經水沖刷后用酸或鹼洗再用水洗和烘干對于較粗糙的表面和有孔的基板宜在水酒精等清洗的同時進行超聲波洗淨。塑料等工件在成型時易帶靜電如不消除會使膜產生針孔和降低膜的結合力因些常需要先除去靜電。有的工件為降低表面粗糙度還涂7m10m的特制底漆。,工件放入真空室后先抽真空到1Pa0.1Pa進行離
14、子轟擊即對真空室內鋁棒加一定的高壓電產生輝光放電使電子獲得很高的速度工件表面迅速帶有負電荷在此吸引下正離子擊工件表面工件吸附層在活性氣體之間發生化學反應使工件表面得到進一步的清洗。離子轟擊一定時間后關掉高壓電再提高真空度同時進行加熱烘烤控制在一定溫度使工件及工件架吸附的氣體迅速逸出。達到一定真空度后先對蒸發源通以較低功率的電進行膜料的預熱或預熔然后再通以規定功率的電流使膜料迅速蒸發。 蒸發結束后停止抽氣再充氣打開真空室取出工件。有的膜層如鍍鋁等質軟和易氧化變色需要施涂面漆加以保護。,2合金蒸鍍工藝 合金中各組分在同一溫度下具有不同的蒸氣壓即具有不同的蒸發速率因此在基材上沉積的合金薄膜與合金膜料
15、相比通常存在較大的組分偏離為消除這種偏離可采用下列工藝 (1) 多源同時蒸鍍法。將各元素分別裝在各自的蒸發源中然后獨立控制各蒸發源的蒸發溫度設法使到達基材上的各種原子與所需鍍膜組成相對應。 (2) 瞬源同時蒸鍍法(閃蒸法)。把合金做成粉末或細顆粒放入能保持高溫的加熱器和坩堝之類的蒸發源中。為保証一個個顆粒蒸發完后就有下次蒸發顆粒的供給蒸發速率不能太快。顆粒原料通常是從加料斗的孔一點一點出來再通過滑槽落到蒸發源上。除一部分合金(如NiCr等)外金屬間化合物如GaAs, InSb, PbTe, AlSb等在高溫時會發生分解而兩組分的蒸氣壓又相差很大故也常用閃蒸法制薄膜。,3化合物蒸鍍工藝 化合物在
16、真空加熱蒸發時一般都會發生分解。可根據分解難易程度采用兩類不同方法 (1) 對于難分解或沉積后又能重新結合成原膜料組分配比的化合物(前者如SiO, B2O3,MgF2, NaCl, AgCl等后者如ZnS, PbS, CdTe, CdSe等)可采用一般的蒸鍍法。 (2) 對于極易分解的化合物如In2O3, MgO3, MgO, Al2O3等必須采用恰當蒸發源材料加熱方式氣氛并且在較低蒸發溫度下進行。例如蒸鍍Al2O3 得到缺氧的Al2O3 X膜為避免這種情況可在蒸鍍時充入適當的氧氣。,4高熔點化合物薄膜 氧化物碳化物氮化物等材料的熔點通常很高而且制取高純度的這類化合物也很昂貴因此常采用 “反應
17、蒸鍍法”來制備此類材料的薄膜。具體做法是在膜料蒸發的同時充入相應氣體使兩者反應化合沉積成膜如Al2O3 ,Cr2O3, SiO2, Ta2O5, AlN, ZrN, TiN, SiC, TiC等。如果在蒸發源和基板之間形成等離子體則可提高反應氣體分子的能量離化率和相互間的化學反應程度這稱為 “活性反應蒸鍍”。,5離子束轉助蒸鍍法 蒸發原子或分子到達基材表面時能量很低加上已沉積粒子對后來飛達的粒子造成陰影效果使膜層呈含有較多孔隙的柱狀顆粒狀聚集體結構結合為差又易吸潮和吸附其他氣體分子而造成性質不穩定。為改善這種狀況可用離子源進行轟擊鍍膜前先用數百電子伏的離子束對基材轟擊清洗和增強表面活性然后蒸鍍
18、中用低能離子束轟擊。離子源常用氬氣。也可以進行摻雜例如用錳離子束輔助蒸鍍ZnS得到電致發光薄膜ZnSMn。另外還可用這種方法制備化合物薄膜等。,6激光束輔助蒸鍍法 例如在電子束蒸發膜料的同時用10W60W的寬束CO2激光輻照基板制得性能優良的HfO2和Y2O3等介質薄膜。,塵埃粒子,7單晶蒸鍍法 基材通常為一定取向的單晶材料選擇較高的基板溫度和較低的沉積速率以及控制薄膜厚度蒸發粒子入射角殘余氣體種類與壓力以及電場等參數可以制備單晶薄膜。,8非晶蒸鍍法 采用快速蒸鍍有利于非晶薄膜的形成。Si, Ge等共價鍵元素和某些氧化物碳化物鈦酸鹽鈮酸鹽錫酸鹽等在室溫或其以上溫度下可得到非晶薄膜而純金屬等需在液氦溫度附近的基板上才能形成非晶薄膜。采用金屬或非金屬元素或兩種在高濃度下互不相溶的金屬元素共同蒸鍍比純金屬容易形成非晶薄膜。另外也可通過加入降低表面遷移率的某些氣體或離子來獲得非晶薄膜。非晶薄膜往往有一些獨特的性能和功能具有生要用途。,The End!,Thanks,