镀膜技术介绍参考幻灯片

薄膜制备方法
真空蒸发镀膜
真空蒸发镀膜法是在 真空室中，加热蒸发 容器中待形成薄膜的 原材料，使其原子或 分子从表面气化逸出， 形成蒸气流，入射到 基片表面，凝结形成 固态薄膜的方法。
电阻式蒸发镀膜
蒸发源
• 蒸发源是真空蒸发镀膜机的关键部件，根据蒸发源 的不同可将真空蒸发镀膜分为以下几种：
蒸发源 优点
IAD可以在镀膜前对基片进行清洗，清除表面污渍。 也可以在电子束蒸镀的同时，使用离子源辅助沉积。 这可以清除结合力较弱的粒子，增加密度、降低内应 力，改善薄膜生长。
真空离子镀
1.当真空室抽至10-4Pa 的高真空后，通入 惰性气体(如氩)，使真空度达到1-10-1 Pa 。 2.接通高压电源，则在蒸发源与基片之间 建立起一个低压气体放电的等离子区。 3.加热膜材，蒸汽离子受到等离子体中电 子和正离子的碰撞，一部分被电离成正离 子，在电场作用下吸附到基片上成膜。 4.成膜过程始终伴随着正离子（气体或膜 材）对基片的溅射，因此，只有当沉积作 用大于溅射剥离时才能制备薄膜。
真空镀膜调研
真空镀膜
• 真空镀膜：在真空中把金属、合金或化合物进行 蒸发（或溅射），使其沉积在被涂覆的物体（称 基片、基板或基体）上的方法。
• 真空镀膜亦称干式镀膜，与传统的湿法镀膜相比 具有如下特点：
– 真空制备、环境清洁，膜层不易受污染，致密性好、 纯度高、膜厚均匀。
– 膜与基体附着力好，膜层牢固。 – 不产生废液，避免环境污染。
离子体。
4.多孔栅极产生加速电场。 5.离子被加速电场引出约束， 增加离化率。
7.中和钨丝产生电子。 8.中和电子对引出离子中和形
成等离子体。
霍尔离子源
1.阴极钨丝发射热电子向阳极迁移。 2.电子与气体原子碰撞使其离化。 3.磁场中电子形成霍耳电流产生电场。 4.离子被霍耳电场加速引出、加速。 5.阴极热电子对引出离子中和形成等离子体。
真空离子镀特点
优点
(1)膜层附着力强。 (2)膜层组织致密，耐蚀性好。 (3)具有绕镀性能，能够在形状复杂的零件表面镀膜。 (4) 成膜速率高，可与蒸发镀膜的速率相当；且可镀厚膜 （达30m）。
少。
电子枪造价较 高.
所镀膜材熔点 不高，膜层质 量不高，电阻 丝寿命有限。
蒸发装置必须 屏蔽，需要高 频发射器。
打功率激光器价格昂 贵。
电阻式蒸发镀膜
电阻式蒸发镀膜
采用钽、钼、钨等高熔
点金属，做成适当形状
的蒸发源，其上装入待
蒸发材料，让电流通过，
对蒸发材料进行直接加
热蒸发，或者把待蒸发 材料放入Al2O3、BeO 等坩埚中进行间接加热 蒸发 。
2nm/s，而溅射速率为0.01～0.04nm/s；
王英剑, 李庆国, 范正修. 电子束, 离子辅助和离子束溅射三种工艺对光学薄膜性能的影响[J]. 强激光与粒子束, 2003, 15(9): 841-844.
考夫曼离子源
1.阴极灯丝加热发射热电子。 2.电子与气体原子或分子碰撞。 3.气体电离，在放电室形成等
缺点
电子束加 热式
电子枪
电阻加热 感应加热
式
热
加热电阻 高频螺旋线圈
激光加热式
大功率激光器
可蒸镀高熔点 膜材，蒸发速 率快，膜材不 受容器污染， 可蒸镀高纯度
薄膜。
结构简单、造 价便宜、适合 大批量生产。
蒸发速率大（ 电阻式10倍） ，温度均匀。
可蒸发高熔点面膜材 ，激光器只能装在真 空室外，对薄膜污染
膜厚理论
通常将能够从各个方向蒸 发等量材料的微小球状蒸 发源称为点蒸发源（简称 点源）。 假设膜材以每秒m克的蒸 发速率想各个方向蒸发， 在单位时间内凝结到面 dS2上的膜厚t：
t m cos 4 r 2
：蒸发材料的密度
t：单位时间膜厚
点蒸发源
膜厚理论
面蒸发源
如果蒸发源是小平面， 按照余弦定律，膜材 在单位时间膜厚t为：
真空溅射镀膜
所谓“溅射”就是用荷能离子（通常是气体正离 子）轰击物体，从而引起物体表面原子从母体中 逸出的现象。射出的粒子大多呈原子状态，常称 为溅射原子。 用于轰击靶的荷能粒子可以是电子、离子或中性 粒子，由于离子在电场下易于加速并获得所需动 能，因此大多采用离子作为轰击粒子。
真空溅射镀膜
与真空蒸发镀膜相比，溅射镀膜有如下的优点： （1）溅射膜与基板之间的附着性好(10~100ev)。 （2）溅射镀膜膜层致密，针孔少，且膜层的纯度较高。 （3）相比于电子束蒸镀，溅射镀膜层更加光滑。 缺点： （1）溅射设备复杂、需要高压装置； （2）溅射淀积的成膜速度低，真空蒸镀淀积速率为1～
t m cos cos r2
但是，在实际过程中蒸发源 并不是理想的点源或面源，
用cosn [1]来描述实际的蒸
发源更加准确。
t
m
cosn cos
r2
[1]温才, 令勇洲, 李文俊, 等. 真空蒸镀氟化镁增透膜的厚度与均匀性控制[J]. 材料导报, 2013, 26(22): 5-9.
真空蒸发镀膜
电子束蒸发镀膜
1.电子枪灯丝是损耗零件， 需定期更换。 2. e型电子枪工作需要一定 的真空条件，工作真空度 ≤6×10-2~2×10-2。 3. e型电子枪真个枪头均放 置在散热较差的真空室中， 特别是电子枪常常用来加热 一些高熔点的金属，因此电 子枪的散热问题尤为重要。 电子枪水冷主要是冷却坩埚、 散射电子吸收极及磁极等部 分。
真空蒸发镀膜最大的特点是成膜速度快、蒸镀面 积大。但是，由于热蒸发的粒子能量低（0.1~1ev ），膜层附着力差、容易脱膜，薄膜堆栈密度不 高、致密性差，膜层表面粗糙，折射率降低[1]。
[1]王英剑, 李庆国, 范正修. 电子束, 离子辅助和离子束溅射三种工艺对光学薄膜性能的影响[J]. 强激光与粒子束, 2003, 15(9): 841-844.
离子源对比
离子源
考夫曼离子 源
电子束
聚焦
能量
200~3000
优点
缺点
高能小束流 辐射区较小 能量调节宽 均匀性差
霍尔离子源 发散
20~200
低能大束流 能量低 辐射区大 能量范围小 均匀性较好
离子束辅助沉积（IAD）
由于直接用离子源进行镀膜，成膜速度太慢。目前， 对于离子源的使用，多将其作为辅源用于离子束辅助 沉积（IAD），配合电子束进行快速蒸镀。