5热蒸发镀膜

因为 Vg Vs ，假设低压气体符合理想气体状态方程， 则有
Vg Vs Vg
PH v PH v dP H v dT TVg TPVg RT 2
Vg
RT P
Hv d (ln P) d (1 T ) R
真空蒸发原理
H ln P C RT B ln P A T
当 dS2 在点源正上方，即 0 时，膜层厚度 t0 为：
m t0 4 h 2
在基板平面内薄膜厚度分布：
t 1 t0 1 ( x h) 2 3 2
蒸发源的蒸发特性及薄厚分布
★ 小平面蒸发源
这种蒸发源的发射 特性具有方向性，使得 在 角方向蒸发的材料 质量和 cos 成正比。
蒸发源的类型
常用电阻加热蒸发源形状
蒸发源的类型
各种蒸发皿结构
蒸发源的类型
蒸镀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”.
湿润良好：蒸发面积大、稳定，可以认为是面蒸发源蒸发。 湿润小：可以认为是点源蒸发，稳定性差。
蒸发源的类型
★ 电子束蒸发源
大面积基板和蒸发源的配置
基板公转加自转 多点源或小平面蒸发源
蒸发源的类型
蒸发源是蒸发装置的关键部件。最常用的有：电阻法、 电子束法、高频法等。 ★ 电阻蒸发源 直接加热法（W、Mo、Ta）
间接加热法（Al2O3、BeO等坩埚）
对蒸发源材料的要求：
1. 2. 3. 4. 5.
高熔点 饱和蒸气压低 化学性能稳定，高温下不与蒸发材料反应 良好的耐热性 原料丰富、经济耐用
全自动精密光学镀膜机
• 镜片悬挂 机构
APS1104真空室内情况
真空蒸发原理
真空腔体内部结构
真空蒸发原理
真空蒸发的特点与蒸发过程
特点： 设备比较简单、操作容易； 薄膜纯度高、质量好，厚度可较准确控制；
成膜速度快、效率高，采用掩模可以获得清晰 的图形；
薄膜生长机理比较单纯。
蒸发源的类型
★ 高频感应蒸发源 高频感应蒸发源的特点： 蒸发速率大，比电阻蒸发源 大10倍左右； 蒸发源温度均匀稳定，不易 产生飞溅； 蒸发材料是金属时，从内部 加热；
蒸发源一次加料，无需送料 机构，控温容易，热惰性小， 操作简单。
热蒸发镀膜技术的优缺点： 优点：设备简单，大多数材料都可以作为膜层材 料蒸发。
真空蒸发原理
由此可见，只有当 l 时，即平均自由程较源-基距大得多 的情况下，才能有效减少蒸发分子在输运过程中的碰撞。
l 0.667 (cm) P
在上述条件下，有
f

f 1.50lP
为保证镀膜质量，在要求 f 0.1 时，源-基距 l 25cm
时，必须 P 3 103 Pa 。
缺点：不容易获得结晶结构的薄膜，薄膜附着力较小，工 艺重复性差。
真空蒸发原理
蒸发度膜的三个基本过程： 加热蒸发过程 气相原子或分子的输运过程（源-基距） 蒸发原子或分子在基片表面的淀积过程
饱和蒸气压
饱和蒸气压的概念：在一定温度下，真空室中蒸 发材料的蒸汽在与固体或液体平衡过程中所表现的压 力称为该温度下的饱和蒸汽压。
蒸发源的蒸发特性及薄厚分布
Evaporation Scheme to achieve Uniform Deposition
蒸发源的蒸发特性及薄厚分布
小面积基板时蒸发源的位置配置
如果被蒸镀的面积比较
小，可以将蒸发源直接配置 于基板的中心线上，源-基距 H取1~1.为10-2 Torr时的温度， 称为该物质的蒸发温度。
真空蒸发原理
克拉伯龙-克劳修斯（Clapeylon-Clausius）方程：
Hv dP dT T (Vg Vs )
H v 为摩尔汽化热或蒸发热（J/mol）； Vg 和 Vs分别为气 相和固相的摩尔体积（cm3）； T 为绝对温度（K）。
量密度。
•被蒸发材料置于水冷坩埚内，避免了容器材料的蒸发， 以及容器材料与蒸发材料的反应，提高了薄膜的纯度。 • 热量直接加到蒸镀材料表面，热效率高，热传导和热辐 射损失小。 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。
电阻加热蒸发源已不能满足蒸镀某些高熔点金属和氧 化物材料的需要，特别是制备高纯薄膜。电子束加热蒸发
法克服了电阻加热蒸发的许多缺点，得到广泛应用。
蒸发源的类型
电子束加热原理
• 可聚焦的电子束，能局部加温元素源，因不加热其它部 分而避免污染 • 高能量电子束能使高熔点元素达到足够高温以产生适量 的蒸气压
真空蒸发原理
蒸发所需能量和离子能量
★ 能量损失的种类
Q1 —— 蒸发材料蒸发时所需的热量
Q2 —— 蒸发源因辐射所损失的能量 Q3 —— 蒸发源因热传导而损失的能量 Q Q1 Q2 Q3
★ 蒸发材料蒸发时所需的热量
W Q1 M

Tm
T0
Cs dT Lm CL dT Lv
2.64 1024
真空蒸发原理
一般薄膜的淀积速率为每秒一个原子层，当残余气体 压强为10-5Torr时，气体分子和蒸发物质原子几乎按1：1的 比例到达基板表面。
真空蒸发原理
碰撞几率： 未受到残余气体碰撞的数目：
N x N0 exp( ) x

受到残余气体碰撞的几率： f 1
Nx x 1 exp( ) N0
蒸发分子的平均自由程与碰撞几率
蒸发分子平均自由程：

1 kT 2n d 2 2 Pd 2 2.3311020 T P(托)d 2 3.107 1018 T P(帕)d 2
对基片的碰撞率：
N g 3.5110
22
P TM P TM
(个/cm-2 s Torr) (个/cm-2 s Pa)
离子辅助沉积：离子辅助沉积是一个高能过程，是在真空热 蒸发的基础上发展起来的一种辅助沉积方法。 当膜料从热蒸发源中蒸发时，淀积粒 子到达基片表面的同时会受到来自荷 能离子的轰击，通过动量转移，使淀 积粒子获得较大的动能，提高了它们 的表面迁移力，膜层的成长发生了较 大的变化，与此同时，基片表面吸附 较弱的淀积粒子会被反射，膜内的空 隙通过离子轰击塌陷而被填充，由于 离子辅助沉积的这些机理的存在，使 得膜层的微观结构不再是“柱状+空 穴”，而是接近于大块材料的连续、 致密的结构，膜层的性能得到了改善， 这个过程可以形象地理解为盖房子打 地基时，用夯不断夯实填土的过程。
蒸发源的蒸发特性及薄厚分布
小平面源与基板相对位置
当小平面源为球形工作架 的一部分时，在内球体表面上 的膜厚分布是均匀的。
当 时，
r 2R cos
m cos cos m t 2 r 4 R 2
厚度与 角无关，对于一定半 径 R的球形工作架，其内表面膜厚 取决于材料性质、 R 的大小及蒸发 量。
缺点：膜层不能重复再现块状材料的性能。
改进措施：改中性粒子沉积为带电离子在电场辅助作 用下的电沉积。
改进蒸发工艺、改善膜层的微观结构
基本的思路：附加一定的能量到被镀的表面上去，利用这 些能量移开弱束缚的粒子，使达到基板的材料粒子有高的 迁移率。由于附加了能量，膜料粒子可以穿透比较远的距 离，去找到一个有比较强束缚的位置。从而使膜层的结构 得到改善。 具体实施办法：在膜层沉积的同时，利用电子、光子、离 子将能量附加到基底上去，这不仅有利于清洁被镀表面， 也增加了膜层的致密度。
Q3
F (T1 T2 )
S
蒸发源的蒸发特性及薄厚分布
均匀膜层厚度是薄膜技术中的关键问题。取决于如下因素： 蒸发源的蒸发特性
基板与蒸发源的几何形状 基板与蒸发源的相对位置 蒸发物质的蒸发量 基本假设：
1. 蒸发原子或分子与残余气体分子之间不发生碰撞； 2. 蒸发源附近的原子或分子之间不发生碰撞； 3. 淀积到基片上的原子不发生再蒸发现象。
近十几年的趋势是利用荷能的离子完成基片清 洁和改善膜层结构的任务
高能工艺：
光学薄膜的微观结构与大块材料不同，是“柱状+空穴”形 式的，从而引起光学薄膜的种种缺陷及不稳定。并证明光学 薄膜的结构特征是由于蒸汽分子的能量不够，使得蒸汽分子 在基片表面的迁移力不够所引起的。制备性能优良的光学薄 膜必须消除薄膜的柱状结构，这就涉及到高能工艺，高能工 艺涉及远比热蒸发大得多的能量，这里大致可以分为两种情 况，一种是离子辅助沉积，另一种是沉积粒子本身具有较大 的能量，比如溅射沉积等等。
§ 4.1.2 淀积技术 热蒸发镀膜技术
☀热蒸发原理 ☀ 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 ☀ 蒸发源的类型
光学真空镀膜机大多数是热蒸发真空镀膜设 备，主要由三大部分组成：真空系统、热蒸发系 统、膜厚厚度监控系统。 真空热蒸发镀膜是在真空室中，加热蒸发器 中待形成薄膜的源，使其原子或分子从表面气化 逸出，形成蒸气流，入射到衬底或基片表面，凝 固形成固态薄膜的方法。 几十年的历史。
dm m

cos d
m cos cos dS2 r2
m cos cos mh2 t 2 r (h2 x 2 )2
蒸发源的蒸发特性及薄厚分布
当 dS2 在点源正上方，即 0 时，膜层厚度 t0 为：
m h 2
t0
在基板平面内薄膜厚度分布：
电子的动能和电功率：
m 9.11028 g
1 m 2 e U 2
e 1.6 1019 C
5.93 105 U (m/s)
电子束功率： W neU IU 产生的热量： Q 0.24Wt