第三 真空蒸发镀膜
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(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）
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
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）。
③ 残余气体对基片的入射速率：
1 nc
4
对比： 20℃空气
p
2mkT
s-1m-2
Ng 2.8631022 pg 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。
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
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
1
kT
1 m1 (1
)2 p
m2
简化计算，按常温空气分子的平均自由程公式
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：
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。
3.1 真空蒸发镀膜原理 Principle of Vacuum Evaporative Coating
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。
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
有电子破坏价键
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
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
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
基片 substrate 基片架substrate holder (substrate carrier) 基片 加热器 heater
膜wk.baidu.com测量系统
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
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
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）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；
3.2蒸发源 Evaporative Sources
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
式,可以推算温度T
简化为（3—5）式：log Pv A B T
P41，（3—3）
③ 蒸发速率： 按余弦定律
Ne 1 nc 1 Pv 8kT
4
4 kT m 个/（s.m2）
蒸发质量速率：qm=m.Ne
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
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
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
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
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）。
③ 残余气体对基片的入射速率：
1 nc
4
对比： 20℃空气
p
2mkT
s-1m-2
Ng 2.8631022 pg 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。
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
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
1
kT
1 m1 (1
)2 p
m2
简化计算，按常温空气分子的平均自由程公式
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：
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。
3.1 真空蒸发镀膜原理 Principle of Vacuum Evaporative Coating
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。
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
有电子破坏价键
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
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
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
基片 substrate 基片架substrate holder (substrate carrier) 基片 加热器 heater
膜wk.baidu.com测量系统
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
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
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）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；
3.2蒸发源 Evaporative Sources
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
式,可以推算温度T
简化为（3—5）式：log Pv A B T
P41，（3—3）
③ 蒸发速率： 按余弦定律
Ne 1 nc 1 Pv 8kT
4
4 kT m 个/（s.m2）
蒸发质量速率：qm=m.Ne
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
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
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