《真空蒸发镀膜》ppt课件.ppt

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3.1 真空蒸发镀膜原理,Principle of Vacuum Evaporative Coating,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,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）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）,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 简化计算，按常温空气分子的平均自由程公式 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例题：实际镀膜室尺寸：L 30m p0.665/30=2×10—2 Pa P1=0.63 实际取p1~2×10—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：,,③ 蒸发速率： 按余弦定律 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 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）③ 残余气体对基片的入射速率： s-1m-2 对比： 20℃空气 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,1) 电阻加热式蒸发源,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。

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,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 hollow-cathode,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,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,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,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,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： kg/s 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：,,,③点源对平面基片蒸发的膜厚分布 点P（x，y，h）处的膜厚 垂足处膜最厚： 各点的相对膜厚：,,,,,各点的相对膜厚：,,,,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： 相对偏差：1— 平均膜厚： 膜材利用率： 膜厚分布均方差：,,,,,,⑤典型计算 点源正对固定圆基片的蒸发； 点源斜对固定圆基片的蒸发； 点源斜对旋转圆基片的蒸发； 点源斜对固定矩形基片的蒸发；,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： 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 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：,,,,③小平面源对平行平面基片蒸发的膜厚分布 θ=φ 点P（x，y，h）处的膜厚 垂足处膜最厚：,,,,,各点的相对膜厚： 图示：小平面源分布曲线比点源分布曲线更不均匀些 ④常用计算——以 小平面源正对固定圆基片的蒸发为例 膜厚最大绝对偏差；相对偏差（比点源大）；平均膜厚；膜材利用率（比点源高）；膜厚分布均方差（比点源大）；使用公式与点源公式相同⑤典型计算 小平面源正对固定平行圆基片的蒸发； 小平面源斜对固定非平行圆基片的蒸发； 小平面源斜对旋转平行圆基片的蒸发； 小平面源斜对旋转非平行圆基片的蒸发；,3）组合蒸发源的蒸发特性与膜厚分布,由一系列点源或小平面源组合而成的蒸发源，即组合源上的每一点的发射特性遵守点源或小平面源的发射规律。

①环形线蒸发源——由点源组成的环形无宽度线蒸发源——环形电阻丝蒸发源 ②环形平面蒸发源——由小平面源组成的圆环形有宽度的蒸发源——圆平面磁控溅射靶 ③环形锥面蒸发源——由小平面源组成的圆锥形有宽度的蒸发源——圆锥面磁控溅射靶 S枪 ④环形柱面蒸发源——由小平面源组成的圆环形有宽度的外侧向蒸发源——圆柱磁控溅射靶,⑤矩形平面蒸发源——由小平面源组成的直线形有宽度的蒸发源——矩形平面磁控溅射靶 ⑥大平面蒸发源——由小平面源组成的圆平面形蒸发源——感应坩埚蒸发源,3.4典型高真空蒸发镀膜机,Typical Evaporative Coating Machine,1）DM-450型高真空蒸发镀膜机,书中P73 Fig3-35 为CWD-500型无油超高真空镀膜机示意图 ①结构 钟罩式室体 室体内：底板上布置——抽气口接真空系统 ——多组蒸发舟、水冷铜电极依次串联——铜钥匙导电 —— 一板多用的挡板——手轮驱动，屏蔽工作蒸发舟 ——工件架——支杆式，悬吊工件架，书中为球面行星工件架 ——真空计，,钟罩上布置——观察窗，应带有防污染装置 ——烘烤加热装置， 内衬挡板 ——膜厚测量机构——石英震荡膜厚测量仪，光学。