第三章 真空蒸发镀膜

第三章 真空蒸发镀膜 Vacuum evaporative coating


定义： 真空蒸发镀膜，是将膜材加热汽化，实现镀膜的一种 方法，是真空镀膜技术中发明最早、应用最广的。 历史： 电阻加热式蒸发镀膜已有百年历史 教学重点：镀膜原理、条件； 蒸发源； 源的蒸发特性和膜厚分布计算； 典型镀膜机。


箔：金属箔。
发热性好，所需功率少；支撑量多些，不脱
落； 一次性装料，有膜材放气问题，舟升温问题。


舟：石墨、氮化硼（多用于镀铝） 坩埚
水冷铜电极：作用，结构


④热计算：发热量 Q=I2Rt， 低电压（几伏~十几伏），大电流 有用热：固相升温热+熔化热+液相升温热+汽化潜热 热损失：传导（水冷铜电极）、辐射
对蒸发源的要求： 达到蒸发温度；提供足够热量；具有良好的发射特性。
1) 电阻加热式蒸发源


①原理：电阻加热器，焦耳热 ②材料：高熔点金属或金属氧化物，钨、钼、胆、氮化硼、 石墨

③结构：丝、箔、舟、埚


丝：单股、多股；
V形、螺旋形； 要求与膜材相浸润 发热性好，所需功率少； 发射性好，点源特性。 缺点：支撑量少；易脱落（防脱落：预热闪蒸技术）； 随膜材蒸发，热丝温度上升，蒸发速率变化。


② 所需真空度的计算：(按输运条件计算) 膜材粒子在残余气体中的平均自由程：mean free path of film particles in residual gas
严格计算，按粒子在残余气体中的平均自由程公式 kT 1 m1 1 2 1 ( ) p m 2 简化计算，按常温空气分子的平均自由程公式
dm m h t dA 4 r 3 m h t 4 x 2 y 2 h 2


3
2
m 1 垂足处膜最厚： t 0 2 4 h
各点的相对膜厚：
x y b
2 2
2

各点的相对膜厚：
t t r x, y , h t0 3 h 3 2 2 2 (x y h ) 2
1 b 2 1 ( h )
3 2


④常用计算——以 点源正对固定圆基片的蒸发为例 膜厚最大绝对偏差：t 0 t min 相对偏差：1— t r 1 平均膜厚：
t
R
2
tdA
A

膜百度文库利用率：

R 2 t
m

膜厚分布均方差： D 1 R 2
t t dA
2 A
2 1 1 2 t dA 2 2 t tdA t 2 R A R A 2 1 2 t dA t 2 R A

⑤典型计算 点源正对固定圆基片的蒸发； 点源斜对旋转圆基片的蒸发； 发；
点源斜对固定圆基片的蒸发； 点源斜对固定矩形基片的蒸
θ=φ
dm m h2 t dA r 4

x 2 y 2 h 2 2 m 1 垂足处膜最厚： t0 2 h
dm

m
如接受膜材的小平面dA2与蒸发方向成θ角度，则到达dA2上的 膜材质量dm2为

cos d
m cos cos dm2 dA2 2 r

假定膜材密度为ρ ，则单位时间内沉积在dA2平面上的膜材平 均厚度为：
m cos cos t 2 r


③小平面源对平行平面基片蒸发的膜厚分布 点P（x，y，h）处的膜厚




图1 点蒸发源的发射示意 图 ①点源的定义：一个能够 向各个方向等量发射膜材 的微小球状蒸发源称为点 蒸发源（简称点源）。 点源的发射模式：中心 球面
图1 点蒸发源的发射示意图


②点源的蒸发特性：点源dA1以每秒m克的蒸发速 率均等的向各个方向蒸发，则单位时间内在任 何方向上通过立体角dω 的蒸发材料质量为：


0.665 p

p—Pa
λ —cm

无碰撞几率P（L）=N/N0=exp（— L/λ ） 粒子散失几率P1（L）= N1/N0 = 1—exp（— L/λ ） 数据： 飞行距离L =λ - 0.5λ - 0.1λ - 0.05λ - 0.01λ 散失率 P1=0.63 0.393 0.095 0.049 0.01



③结构：直形枪——（皮尔斯枪）功率大，结构大，占空间 大，多用于电子束炉，有被污染问题 e形枪——结构紧凑，功率小（但够用）。结构包括： 电子发射部分； 电子加速部分；电子偏转部分；水冷旋转坩埚；二次粒子屏 蔽
3) 空心阴极枪电子束蒸发源




①空心阴极等离子体放电 原理： Hollow-Cathode Discharge 空心阴极结构 Construction of hollowcathode
2) 电子束加热式蒸发源




①原理：电场势能——电子动能——膜材热能 发热量 Q=IUt ②特点：能流密度大104~109 W/cm2 ； 温度高，用于难熔金属的蒸发； 直接作用于材料，热损失少，热效率高； 只用于导电膜材。 膜纯度好，不象电阻加热式有加热器材料蒸发问题。 缺点：电子枪结构复杂，造价高； 电压高，危险； U＞2万伏时有X射线辐射； 不适于化合物镀膜，成分易发生分解，因为温度高，并 有电子破坏价键
3）蒸发镀膜的真空条件
Vacuum condition



① 在真空条件下镀膜的目的、优点： 真空条件下易于蒸发（需要熔化的金属，熔、沸点降低； (melting point boiling point)需要汽化的金属，易于脱离表 面形成蒸汽）； 真 空 条 件 下 易 于 空 间 输 运 （ 膜 材 粒 子 散 失 少 particle scattering ）； 真空条件下易于膜的生长（残余气体影响小 residual gas）
3）小平面蒸发源的蒸发特性与膜厚分布



①小平面源的定义： 只能向半空间一侧发射膜 材的微小平面状蒸发源称 为小平面蒸发源（简称小 平面源）。 小平面源的发射模式： 上切球面； 遵守余弦定律
图1小平面蒸发源的发射示意图
图1 小平面蒸发源的发射示意图


②小平面源的蒸发特性： 小平面蒸发源dA1以每秒m克的蒸发速率从小平面源的一面蒸 发膜材时，在单位时间内通过与该小平面源的法线成Ф角度 方向的立体角为dω的膜材质量为dm，由余弦定律可知有：

③ 残余气体对基片的入射速率：

对比： 20℃空气
1 nc 4
p 2mkT
22
s-1m-2

个/s m2 10-2Pa 下，到达基片的膜材分子与残余气体分子几乎一样多。 提高真空度十分重要。
N g 2.863 10 pg
3.2蒸发源 Evaporative Sources
3.1 真空蒸发镀膜原理 Principle of Vacuum Evaporative Coating
1)

原理、结构与特点
principle, structure, characteristics





真空蒸发镀膜原理图 真空室 Coating chamber 蒸发源 Evaporation Sources 加 热 器 heater 蒸 发 舟 boat ( filament ) 膜材 film materials挡 板 shutter (shelter) 膜材蒸汽 基片 substrate 基片架substrate holder (substrate carrier) 基片 加热器 heater 膜厚测量系统
5) 激光加热式蒸发源



①原理：CO2激光器，10.6μm波长，功率密度达106W/m2； 束斑小，要扫描。 ②特点：功率密度大，蒸发源温度高，可用于化合物的蒸 发； 镀膜室结构简单，只有一个光窗，靶台。
3.3蒸发源的蒸发特性与膜厚分布 Evaporative Characteristics and Distribution of film thickness for Evaporative Sources

B Pv A T

③ 蒸发速率： 按余弦定律

1 1 Pv 8kT Ne nc 4 4 kT m
蒸发质量速率：qm=m.Ne
个/（s.m2） kg/（s.m2）
考虑表面清洁程度的影响，引入蒸发系数α ＜1。
5) 残余气体的影响
residual gas



① 影响方式： a、膜材粒子的有效空间传输率； b、膜层的质量，产生孔洞，埋在膜层内成为杂质； c、溅射掉已沉积的膜材粒子，导致沉积速率下降。 ②残余气体的来源：内表面解吸；蒸发源放气；系统漏 气；返流。 其中内表面解吸为主要来源，成分主要为水蒸汽。 书中P38 表3—1给出表面吸附单分子层内的分子数与空间 气相分子数之比。 压力越低，表面分子比例越大。所以，应重视除气（烘烤、 轰击）。

m—点源的总蒸发速率kg/s； dω—dA平面的立体角（弧度） 假定膜材密度为ρ ，则单位时间内沉积在dA2平面 上的膜材平均厚度为：
m m cos dm d 2 dA 4 4 r
kg/s
m cos t 2 4 r


③点源对平面基片蒸发的膜厚分布 点P（x，y，h）处的膜厚



④应用 Application 空心（热）阴极放电主要用来产生大电子束流，实际上已经 达到热阴极弧光放电程度。 工作中气压较高，能够产生足够多的电子. HCD枪电子束蒸发， 空心阴极离子镀 P60 图3—15
4)感应加热式蒸发源




①原理：高频电源——感应圈高频电流、电场— —高频交变磁场——坩埚、膜材中感应涡流 ——涡流焦耳热——膜材热能 结构： P57图3—13 ②特点：功率大；蒸发速率大；蒸发源温度（蒸 发速率）稳定；一次装料多；适合连续工作 缺点：结构复杂，专用电源，造价高；热损失多， 热效率低； 成分纯度低，有杂质


问题：如何在基片上获得均匀的膜厚分布。 影响因素：蒸发源的蒸发特性， 基片及源的几何形状，相对位置。
1) 基本假设：

①蒸汽分子在空间射线运动，与残余气体分子无碰撞散射 ②蒸汽分子间无碰撞（蒸汽压力低，源表面亦是） ③蒸汽分子在基片各处的凝结系数均为1，与入射方向无 关。
2）点蒸发源的蒸发特性与膜厚分布

特点：设备简单，操作容易；沉积速率大，成膜快；薄膜生 长机理简单，膜的纯度高。
2)蒸发镀膜的三个基本过程及条件 3 basic processes



蒸发过程：由凝聚相变为汽相、进入蒸发空间的相变过程 evaporation process 输运过程：由膜材表面飞行到基片表面transfer process 沉积过程：由汽相变为凝聚相 deposition process
③例题：实际镀膜室尺寸：L< 30 cm 要求λ - 30m > p<0.665/30=2×10—2 Pa P1=0.63 实际取p<1~2×10—2 Pa 以上的真空度，故称 “高真 空镀膜机”
4）蒸发条件
evaporation condition




① 蒸汽压条件：使饱和蒸汽压达到1Pa以上，真空有助于 蒸发 P39，表3-2： 常用材料的熔化温度及蒸汽压达到1 Pa 时 的蒸发温度， 铬等材料先蒸发，后熔化 ② 温度条件：使饱和蒸汽压Pv达到1Pa 的蒸发温度T 材料蒸汽压Pv与温度的关系：克—克方程 P41，（3—3） 式,可以推算温度T 简化为（3—5）式： log






②放电机制 Mechanism of hollow-cathode discharge 阴极负辉区重叠，大量电子积累震荡，空心腔中等离子体电 离密度高。 ③放电特征 Characteristics of discharge a) 内部：阴极位降低，电子密度高；外观：放电电压低， 电流大 b) 阴极温度低，溅射少 阴极发射电子的面积大，单位面积电流密度低，所以阴极温 度低，阴极位降低 阴极位降低离子入射能量小溅射弱；结构又保证溅射后再沉 积，故溅射少。 c) 电子能量范围宽