真空镀膜技术

Filament and Foil Source
4.Low Tension Power Supply
• 通常電熱絲的直徑約為0.5、0.75或1mm，有時甚至約為1.5mm， 此時電阻相當小，因為，R很小，所以I必須很大，如表四-4.1。
圖五(d)用於蒸發低導熱材料，及低紅外光吸收材料， 如SiO2。
表四-3.1
由表四-3.1可知，SiO2的evaporation temperature約為1700℃，並不高， SiO2為低紅外光吸收材料，幾乎不吸收輻射熱，所以在鍍的時候就會有 感覺覺得溫度加的再高也鍍不上去，所以不論是使用鉬舟或鎢舟都無法 鍍製SiO2 。 • 又由表四-3.1可知，SiO除了evaporation temperature約為2300℃之外，它 是很好鍍的，所以鍍SiO時，我們常常是用鉬舟放SiO，蓋上只打了一 個小洞的蓋子再去鍍，這時候的鍍膜速率就會很慢。接著，保持真空腔 在1× 10 -4 torr，也就是裡面有很多的氧氣，那我們鍍的時候就是SiO上去 氧就補上去，然後再用某一種方法來做蒸鍍速率的控制（例：數位式的 膜厚控制計），只要持續控在某一個速率以下，就可以得到很好的 SiO2 。因為要控制的很準確，再加上要有足夠的時間補氧，所以一定 要鍍的很慢，所以通常使用電子槍。
• 真空腔常常會有很多水氣，因此許多金屬在蒸發時表面會 有一層氧化膜，這些氧化膜是不會蒸發的，則金屬被包在 氧化層中間，不容易蒸發。 • 有些活性較強的金屬會在蒸發源上流動或潤濕，如此則表 面之氧化膜破裂，而得以蒸發。 • 鍍膜時需要一個蒸發源，蒸發源如圖五(a)稱為鎢舟，鎢舟 兩邊加上電壓產生電流，產生電流後即產生熱量，持續加 熱到剛才所說的溫度就會蒸發上去，圖五上還有各種形狀 的鎢舟或鉬舟。
真空鍍膜技術
蒸發源（Vapor Source）
凌國基老師
蒸發率
1913年，Langmuir提出，蒸發率為 5.85 × 10-5
M 7 1 × aPu （g.cm .sec ） T
• • • • •
Pu：10-3 torr蒸氣壓 M：a Mol of the substance being evaporated T：Temperature in ° K a：condensation，大約為1 所以蒸發率與蒸氣壓最有關。
• 1) 2) 3)
表四-2.1 各種金屬之蒸鍍條件
左圖三中， （a）可當成點蒸發源， 熔化的金屬在「fused evaporate」的位置上， 溫度最高，此處金屬較會 蒸發； （b）必須是能與filament 相濕的材料才行； （c）的多股線可使表面 積增加，容易鍍，減少形 成合金的機會，加熱器之 體積要比蒸發物大，才不 會完全被溶解；另外，可 以先將多股線表面碳化， 以防止合金現象，不過炭 化後材質較脆： （d）是將鎢絲及被鍍金 屬線繞在rod上。
• 再來我們要把鉬片剪成適當大小的矩形，如圖二 。 長=兩邊把手長+兩倍舟的深度+舟底的長度 寬=舟的寬度+兩倍舟的深度
鉬舟DIY
• 步驟一：把一塊金屬塊放在鉬片的中間把兩邊向上摺，用另兩塊夾住並 且用螺絲鎖緊，如圖三。 • 步驟二：把鉬片的兩邊向上摺，並且貼緊兩邊的金屬塊如圖四。 • 步驟三：把鉬片的兩邊向內摺，如圖五。
在鍍鈦的時候...
如Байду номын сангаас真空腔內有氮、氧，因鈦是很活性的，那它也會跟氮、氧起反應：
1. 2. 3. 4. 5. 6.
– – –
鈦：暗銀白色。 TiN：金黃色。(鈦跟氮一樣多) 。 Ti2O3：藍色，TiO2：膜層時為透明，粉末狀為白色，即工業用鈦白粉。 TiOx：可以是黑咖啡色。 TiNx：可以是鹹菜色。 Ti的活性非常強
• 最麻煩的狀況就是氧化物在高溫的時候不會分解，如氧化 鉻。 • 舉例說明：金屬通常都是由表面發揮，除非加熱速度很快， 被鍍物溫度分佈不均、或是金屬表面有一層不透、不揮發 的氧化膜時，此時金屬會在氧化膜內部形成泡泡而濺出質 點，當我們拿出基板上面會出現在如水滴乾掉的水漬痕跡 (原本應該是鍍出一個完整的帄面)。 • 另外，如果熔化物會吸收氣體，造成迅速膨脹，也會有質 點或粉末跳出。 • 以上所說的例子，都是用來說明為什麼需要這麼多種不同 的蒸發源（見圖五）。
圖五、各式鎢舟 （在後面會有詳細的說明）
• 將鉻勾放在螺旋狀鎢絲上加熱蒸發，因為吸附力＞內聚力， 則鉻會附在鎢絲上。
• 此時會有少量金屬在加熱器（鎢絲）上流動，因為 R ＝電阻率， ＝長度，A＝截面積）， A （R 為電阻， 鎢絲變粗，電阻下降，又 W I 2 R（W 為功率，I 為電流， R 為電阻），電阻下降，功率下降，所以鎢絲溫度會迅速 下降，蒸發率上升（參蒸發率公式）。鎢絲暫時冷卻，阻 止進一步熔化，如此周而反覆的進行。
現在以鋁為例子，來說明用鎢絲鍍膜的過程。
在鍍鋁時，使用的是裡的多U型鎢絲，一 開始我們把一小段一小段的鋁絲以馬蹄 形掛在鎢絲上，如圖四(a)。
當加熱溶化後，金屬的內聚力很大，會 自己聚在一起；接著鋁在高溫下會與鎢 形成合金，此時鋁與鎢的吸附力很強， 鋁會在鎢絲上延展開來，形成像圖四(b) 的鋁滴。 截面積較大的地方電阻較小，加熱較慢 溫度較低，因此鋁球處熱度不是最高的， 熱度最高處在裸絲之處；又因為附著力 的關係，鎢絲上方的鋁液比下方少，所 以上方就不斷的把鋁蒸發出去。而高溫 的鋁會與鎢形成合金，所以在液化的鋁 往上面移動時，也把部份的鎢帶了上去， 就會形成如圖四(c)上方較粗下方較細的 狀況。
•
以鉻來看，用圖五(f)應該是最好的方法。
• 在鎢上鍍一層鉻，再用來把鉻鍍在其他東西上， • 市面上也可以買到已經鍍完鉻的鎢絲，那每鍍一根就可以知道膜有多厚， 例如：鍍兩根、鍍三根或是一次鍍很多根，就可以控制整個膜的厚度。 • 另外如果有氧化層，它也可以像之前說的，從兩側流出蒸發上去。 • 而這個方法的成本比較貴，因為他上面的鉻鍍完之後，這一根就沒有用 了，不過這是除了電子槍之外，鍍鉻最好的方式。
Filament and Foil Source
1.耐熱金屬（Refractory Metals）
1) 2) 高溫耐熔金屬依次為鎢、鉭、鉬、鈳、鉑(白金)等，最常用的 為鎢、鉭、鉬。 鎢可以是再結晶態或非結晶態二種。通常買到的鎢舟會稍微軟軟的，
那是因為它很接近非結晶態（晶粒比較小），延展性較佳；若加熱到1000℃ 後，則鎢會再結晶、變脆。
• 在各種薄膜材料的特性資料上，除了Melting point 之外還有vapor pressure，以及在10-2 torr或10-1～10-2 mbar時之溫度。 （如表二-1.1和表二-1.2）
表二-1.1 早期的資料
表二-1.1 早期的資料
表二-1.2
表二-1.2
氧化膜（Oxide surface layers）
圖五(b)可防止因加熱後的變形，另外也可以用以下的形式：
左圖的接觸面用一個彈簧， 如此有膨脹空間，增加boat 的壽命。整個電極不可以用 黃銅，因為加熱時，其中的 鋅會蒸發出來。
圖五(c)可用來蒸鍍粉末狀之材料。
• 有時我們在做物理研究的時候，可能發現有什麼化合物是好的鍍材， 可是此時實驗裡的材料可能沒有選擇，只有粉末狀的。 有人可能覺得粉末狀的沒有什麼差，一樣放上去鍍就好了，可是通常 粉末放在大氣中它會自然的吸附水氣； 當我們在加熱時，水氣不會慢慢的釋放，而是像氣泡衝出水面一樣的 衝出來，衝出來的時候，就會把它周圍的粉末像噴槍一樣噴掉。 當我們打開真空腔，鍍半天一看基板上沒有鍍到東西，舟上也沒有材 料了，不過舟的底下有一堆粉未。 因此就有了這種有蓋子的舟產生圖五(c)，避免將粉末噴到外面來， 它上面打了小洞，讓蒸氣還是可以蒸出來。
• 圖五(h)用於水帄蒸鍍。
圖八
• 氮化硼（BN）比較不容易和其他物質起作用， •不像鎢會與鋁、鈦形成合金後，脆化也就不會延展開來，維持 像水銀一樣聚在一起； •更重要的是，它可以做成導體，不過因為它很硬，所以連接時 要以銅線連接（圖八上的黑實線），不可直接壓在電極上。 •另外，也有人用石墨，石墨幾乎一樣，不過它還是會延展開來， 但跟其他金屬比起來慢的多了，所以如果不是要鍍很久很久的 話，還是可以用石墨。
鈦及其化合物的鍍膜性質
• 在鍍膜時，有些材料具有活性，很容易跟其他的氣體起作 用，鈦就是一個很好的例子。 • 活性很好的話，在鍍上基板時會跟基板起化學作用，那它 鍍上去的附著性就非常的好。 • 像洗的很乾淨的玻璃，上方一定會有一些具自由基的氧(沒 有與SiO鍵結的氧)，假設是鍍鈦上去好了，那就會形成TiO 的鍵結，也就是一層化合物上鍵結了另一層的化合物那整 個結構是非常牢固的。 • 所以在鍍活性材料時，它的接著力好很多。
3) 4)
鉭、鉬比鎢容易加工，但也有加熱後再結晶、變脆的情形。 通常買來的鎢(鉭、鉬)表面會有一層氧化物，氧化物比較容易 蒸發會造成汙染。如鍍的東西較不重要就不加理會，如鍍的純度要求很
高可先在真空中加熱(如前述的方法，如加熱完打開真空腔來看，原本看起來 暗暗的鎢舟，會變的有金屬光澤)，或浸在NaOH溶液中將氧化物洗去，用電 解法侵蝕。
三種氧化膜不會阻礙蒸發的情況
1. 氧化物比蒸發物更易揮發。
鍍金屬時我們要鍍的金屬就會被氧化物汙染，舉例說明：氧化鎢比 鎢容易蒸發。這時就要在基板前先以遮板擋住，先加熱把氧化鎢蒸發 掉，再移開遮板鍍鎢。其他還有如GeO、SiO。
2.
氧化物在高溫分解。
3.
金屬能夠擴散通過氧化層。
在900℃時，鉻可以通過氧化層不受影響，但在高溫時則是會受到 影響的。因此通常鍍金屬都是要快速進行，以免受氧化作用。
(a)
(b)
(c)
圖四
Filament and Foil Source
3.Metal Foil Heater
圖五(a)為最常用的鎢舟，但加熱膨脹後會變形。 我們把鎢舟鎖上電極，然後開始加熱， 因為接觸不良造成電阻上升的關係， 加熱最快的地方通常都是電極接觸鎢舟的地方， 但是正常我們希望加熱最快的地方是蒸鍍的地方， 而其他地方加熱要慢一點。