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真空蒸镀

浏览:422 发表时间:2020-05-12 08:16:41


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。


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。


工艺流程

真空蒸镀工艺一般包括基片表面清洁、镀膜前的准备、蒸镀、取件、镀后处理、检测、成品等步骤。

(1)基片表面清洁。真空室内壁、基片架等表面的油污、锈迹、残余镀料等在真空中易蒸发,直接影响膜层的纯度和结合力。镀前必须清沽干净。

(2)镀前准备。镀膜室抽真空到合适的真空度,对基片和镀膜材料进行预处理。加热基片,其目的是去除水分和增强膜基结合力。在高真空下加热基片,能够使基片的表面吸附的气体脱附。然后经真空泵抽气排出真空室,有利于提高镀膜室真空度、膜层纯度和膜基结合力。然后达到一定真空度后.先对蒸发源通以较低功率的电,进行膜料的预热或者预熔,为防止蒸发到基板上,用挡板遮盖住蒸发源及源物质,然后输入较大功率的电,将镀膜材料迅速加热到蒸发温度,蒸镀时再移开挡板。

(3)蒸镀。在蒸镀阶段要选择合适的基片温度、镀料蒸发温度外,沉积气压是一个很重要的参数。沉积气压即镀膜室的真空度高低,决定了蒸镀空间气体分子运动的平均自由程和一定蒸发距离下的蒸气与残余气体原子及蒸气原子之间的碰撞次数。

(4)取件。膜层厚度达到要求以后,用挡板盖住蒸发源并停止加热,但不要马上导入空气。


设备

真空蒸镀装置由真空抽气系统和蒸发室组成。

真空抽气系统由(超)高真空泵、低真空泵、排气管道和阀门等组成。此外,还附有冷阱(用以防止油蒸气的返流)和真空测量计等。蒸发室大多用不锈钢制成。在蒸发室内配有真空蒸镀时不可缺少的蒸发源、基片和蒸发空间。此外,还置有控制蒸发原子流的挡板,测量膜厚并用来监控薄膜生长速率的膜厚计,测量蒸发室的真空变化和蒸发时剩余气体压力的(超)高真空计,以及控制薄膜生长形态和结晶性的基片温度调节器等。

蒸发源是用来加热膜料使之气化蒸发的部件。真空蒸发使用的蒸发源主要有电阻加热、电子束加热、高频感应加热、电弧加热和激光加热等五大类。

加热方式

真空蒸镀使用的加热方式主要有:电阻加热、电子束加热。射频感应加热、电弧加热和激光加热等几种。不论哪一种加热方式,都要求作为蒸发源的材料具有以下性能:熔点高;蒸气压低;在蒸发温度下不与大多数蒸发材料发生化学反应或互溶,同时具有一定的机械强度。

(1)电阻加热:电阻加热源是普遍使用的蒸发源,它结构简单、操作方便。典型的导电加热体材料有钨、钽、钼和碳等。导电加热体的电阻加热通常采用低电压(<10 V)、大电流(几百安培)加热方式。可根据蒸发材料的性质以及蒸发源材料的浸润性加以选用。

(2)电子束加热:电子束加热法的基本原理是基于由热阴极发射的电子在电场作用下,获得动能轰击到作为阳极的蒸发材料上,将其动能转化为加热材料的内能而使材料蒸发。由于聚集电子束的能量密度大,可使材料表面局部区域达到3 000℃~4 000℃的高温,适于蒸发高熔点金属、化合物材料和要求高蒸发速率的场合。

(3)射频感应加热:感应加热是将射频电源的能量直接耦合到金属、石墨一类的导体上,其原理是利用高频电磁场在导体材料中感生的热量来直接加热导体本身。

(4)电弧加热:电弧蒸镀利用高真空中两导电材料制成的电极之间形成电弧放电产生的高温,使电极材料蒸发而在基体上凝聚成膜。

(5)激光加热:脉冲激光加热表面可实现材料的瞬时蒸发,脉冲激光作为一种新的加热源,其特点之一是能量在时间和空间上高度集中,与常规的热蒸发有显著区别。带有离子轰击装置的激光蒸发,已用于若干材料的低温沉积,其中包括高质量的高温超导氧化物薄膜。激光蒸发可用于透明材料上薄膜的蒸发,从透明材料的背面照射待蒸发薄膜,把基体面向待蒸发薄膜放置,通过控制蒸发区域,则在基体上可沉积出带花纹的薄膜。



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