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真空蒸发镀膜及应用范围
发布时间:2014-12-06 浏览:4900 次

  真空蒸发镀膜是在真空条件下,用蒸发器加热蒸发物质使之汽化,蒸发粒子流直接射向基片并在基片上沉积形成固态薄膜的技术。

  蒸镀是物理气相沉积(PVD)技 术中发展最早、应用较为广泛的镀膜技术,尽管后来发展起来的溅射镀和离子镀在许多方面比蒸镀优越,但真空蒸发镀膜技术仍有许多优点,如设备与工艺相对比较简单,即可沉积非常纯净的膜层,又可制备具有特定结构和性质的膜层等,仍然是当今非常重发的镀膜技术。

  近年来,由于电子轰击蒸发、高频感应蒸发以及激光蒸 发等技术在蒸发镀膜技术中的广泛应用,使这一技术更趋完善。

  真空蒸发镀膜的物理过程

  将膜材置于真空室内的蒸发源中,在高真空条件下,通过蒸发源加热使其蒸发,膜材蒸气的原子和分子从蒸发源表面逸出后,且当蒸气分子的平均自由程大于真空室 的线性尺寸以后,很少受到其他分子或原子的冲击与阴碍,可直接到过被镀的基片表面上,由于基片温度较低,便凝结其上而成膜。

  为了提高蒸发分子与基片的附着 力,对基片进行适当的加热或郭清洗使其活化是必要的。

  真空蒸发镀膜从物料蒸发输运到沉积成膜,经历的物理过程为:

  1)采用各种能源方式转换成热能,加热膜材使之蒸发或升华,成为具有一定能量的气态粒子;

  2)离子膜材表面,具有相当运动速度的气态粒子以基本上无碰撞的直线飞行输运到基片表面;

  3)到达基片表面的气态粒子凝聚形核后生长成固相薄膜;

  4)组成薄膜的原子重组排列或产生化学键合。

  为使蒸发镀膜顺利进行,应具备两个条件:蒸发过程中的真空条件和镀膜过程中的蒸发条件。

  蒸发过程中的真空条件。蒸发镀膜过程 中,从膜材表面蒸发的粒子以一定的速度在空间沿直线运动,直到与其其他粒子碰撞为止。

  在真空室内,当气相中的粒子浓度和残余气体的压力足够低时,这些粒子从蒸发源到基片之间可以保持直线飞行,否则,就会产生磁撞而改变运动方向。

  为此,增加残余气体 的平均自由程,借以减少其与蒸气分子的碰撞几率,把真空室内抽成高真空是必要的。当真空容器内蒸气分子的平均自由程大于蒸发源与基片的距离时,就会获得充 分的真空条件。

  真空条件下物质的蒸发特点。膜材加热到一定温度时就会发生气休现象,即由固相或液相进入到气相,在真空条件下物质的蒸发比在常压下容易得多,所需的蒸发温度也大幅度下降,因此熔化蒸发过程缩短,蒸发效率明显地提高。

  液相或固相的膜材原子或分子要从其表面逃逸出来必须获得足够的热能,有足够大的热运动;当其垂直表面的速度分量的动能足以克服原子或分子间想到吸引的能量 时,才可能逸出表面,完成蒸发或升华。在蒸发过程中,膜材汽化的量与膜材受热有密切关系。

  加热温度越高,分子动能越大,蒸发或升华的粒子量就越多蒸发过程 不断地消耗膜材的内能,要维持蒸发,就要不断地补给膜材热能。蒸发过程中膜材的蒸发速率及其影响因素等与其饱和蒸气压密切相关。

  在一定温度下,真空室中蒸发材料的蒸发在固相或液相分子平衡状态下所呈现在压力为饱和蒸气压。在饱和平衡状态下,分子不断地从冷凝液相或固相表面蒸发,同时有相同数量的分子与冷凝液相或固相表面相碰撞而返回到冷凝液相或固相中。

  蒸发源。蒸发源是用来加热膜材使之汽化蒸发的装置。目前所用的蒸发源主要有电阻加热、电子束加热、感应加热、电弧加热和激光加热等多种形式。

  电阻加热式蒸发源:电阻式蒸发源简单、经济、可靠,可以做成不同的容量、形状并具有不同的电特性。

  电子枪加热蒸发源:有时很多材料不能用电阻加热的形式蒸发,例如常用于可见光和近红外光学器件镀膜的绝缘材料。在这种情况下,必须采用电子束加热方式。

  电子束加热所用的电子枪有多种类型可供选择。多坩埚电子枪可采用一个源对多种材料进行蒸发,这种枪在镀制多层膜且膜层较薄的工艺中应用效果很好。

  当需要每种 镀膜材料用量较大,或每个源都需要占用不同的位置时,可以选用单坩埚电子枪。电子枪所用电源的大小更多地取决于蒸发材料的导热性,而不是其蒸发温度。

  电源 功率一般在4-10KW之间,对于大多数的绝缘材料,4KW就足够了,而如果想达到很高的沉积速率,或在一个很大的真空室内对导热材料进行蒸发时,则需要 10KW以上的更大功率的电源

  电子束加热原理:电子束加热蒸发源是利用热阴极发射电子在电场作用下成为高能量密度的电子束直接轰击至镀料上。电子束的动能转化为热能,使镀料加热汽化,完成蒸发镀膜。

  感应加热式蒸发源:利用高频电磁场感应加热膜材使其汽化蒸发的装置称为感应加热式蒸发源

  感应加热式蒸发源具有如下特点:

  1)蒸发速率大。在卷绕蒸镀膜中,当沉积铝膜厚度为40nm时,卷绕速度可达270m/min,比电阻加热式蒸发源高10倍左右。

  2)蒸发源温度均匀稳定,不易产生液滴飞溅现象。可避免液滴沉积在薄膜上产生针孔缺陷,提高膜层质量。

  3)蒸发源一次装料,无需送丝机构,温度控制比较容易,操作简单。

  4)对膜材纯度要求略宽此,如一般真空感应加热式蒸发源用99.9%纯度的铝即可,而电阻加热式蒸发源要求铝的纯度为99.39%,因此膜材的生产成本也可降低。

  5)坩埚温度较低,坩埚材料对膜导污染较少。

  激光加热式蒸发源:激光束加热蒸发的原理是利用激光源发射的光子束的光能作为加热膜材的热源,使膜材吸热汽化蒸发,激光加热蒸发技术是真空蒸发镀膜工艺中的一项新技术。

  电弧加热蒸发源:电弧加热蒸发源是在高真空下通过两导电材料制成的电极之间产生电弧放电,利用电弧高温使电极材料蒸发。

  电弧源的形式有交流电弧放电、直流电弧放电和电子轰击电弧放电等形式。

  电弧加热蒸发的优点是既可避免电阻加热法中存在的加热丝、坩埚与蒸发物质发生反应和污染问题,还可以蒸发高熔点的难熔材料。

  电弧加热蒸发的缺点是电弧放电会飞溅出微米级的靶电极材料微粒,对膜层不利。

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