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真空蒸发镀膜技术

发布日期:2021-08-16 作者:admin 点击:

真空蒸发镀膜技术

镀膜方法可以分为气相生成法,氧化法,离子注入法,扩散法,电镀法,涂布法,液相生长法等。气相生成法又可分为物理气相沉积法,化学气相沉积法和放电聚合法等。

真空蒸发,溅射镀膜和离子镀等通常称为物理气相沉积法,是基本的薄膜制备技术。它们都要求淀积薄膜的空间要有一定的真空度。所以,真空技术是薄膜制作技术的基础,获得并保持所需的真空环境,是镀膜的必要条件。


PVD是英文Physical Vapor Deposition(物理气相沉积)的缩写,是指在真空条件下,采用低电压、大电流的电弧放电技术,利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离,利用电场的加速作用,使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。

PVD基本方法:真空蒸发、溅射 、离子镀(空心阴极离子镀、热阴极离子镀、电弧离子镀、活性反应离子镀、射频离子镀、直流放电离子镀)。



真空蒸镀基本知识(全)


  一.真空蒸镀:

  真空蒸发镀膜,简称蒸镀,是指在真空条件下,采用一定的加热蒸发方式蒸发镀膜材料(或称膜料)并使之气化,粒子飞至基片表面凝聚成膜的工艺方法。蒸镀是使用较早、用途较广泛的气相沉积技术,具有成膜方法简单、薄膜纯度和致密性高、膜结构和性能独特等优点。


  原理:

  蒸镀的物理过程包括:沉积材料蒸发或升华为气态粒子→气态粒子快速从蒸发源向基片表面输送→气态粒子附着在基片表面形核、长大成固体薄膜→薄膜原子重构或产生化学键合。

  将基片放入真空室内,以电阻、电子束、激光等方法加热膜料,使膜料蒸发或升华,气化为具有一定能量(0.1~0.3eV)的粒子(原子、分子或原子团)。气态粒子以基本无碰撞的直线运动飞速传送至基片,到达基片表面  的粒子一部分被反射,另一部分吸附在基片上并发生表面扩散,沉积原子之间产生二维碰撞,形成簇团,有的可能在表面短时停留后又蒸发。粒子簇团不断地与扩散粒子相碰撞,或吸附单粒子,或放出单粒子。此过程反复进  行,当聚集的粒子数超过某一临界值时就变为稳定的核,再继续吸附扩散粒子而逐步长大,最终通过相邻稳定核的接触、合并,形成连续薄膜。


     蒸发源材料的选择

     高熔点材料 (蒸发源材料的熔点>>蒸发温度)

     减少蒸发源的污染 (薄膜材料的蒸发温度<蒸发源材料在蒸汽压10-8Torr时对应的温度)

     蒸发源材料与薄膜材料不反应

     薄膜材料对蒸发源的湿润性

     常用的蒸发源材料有:W、Mo、Ta,耐高温的金属氧化物、陶瓷或石墨坩埚

     主要问题:支撑材料与蒸发物之间可能会发生反应;一般工作温度在1500~1900 ℃,难以实现更高蒸发温度 , 所以可蒸发材料受到限制;蒸发率低;加热速度不高,蒸发时待蒸发材料如为合金或化合物,则有可能分解或蒸 发速率不同,造成薄膜成分偏离蒸发物材料成分。高温时,钽合金形成合金,铝、铁、镍、钴等与钨、钼、钽等形成合金 B2O3与钨、钼、钽有反应,W与水汽或氧反应,形成挥发性的WO、WO2或WO3;Mo也能与水汽或  氧反应生成挥发性的。


       二、电子束蒸发:

       电子书蒸发是一种物理气相沉积 (PVD)技术,它在真空下利用电子束直接加热蒸发材料(通常是颗粒),并将蒸发的材料输送到基板上形成一个薄膜。电子束蒸镀可以镀出高纯度、高精度的薄膜。

      电子束蒸发工作流程:

       电子束蒸发是基于钨丝的蒸发。大约 5 到 10 kV 的电流通过钨丝(位于沉积区域外以避免污染)并将其加热到发生电子热离子发射的点。使用永磁体或电磁体将电子聚焦并导向蒸发材料(放置在坩埚中)。在电子束撞击蒸发 丸表面的过程中,其动能转化为热量,释放出高能量(每平方英寸数百万瓦以上)。因此,容纳蒸发材料的炉床必须水冷以避免熔化。


        电子束蒸发优点和缺点:

        电子束蒸发可以蒸发高熔点材料,比一般电阻加热蒸发效率更高。电子束蒸发可广泛用于高纯薄膜和导电玻璃等光学镀膜。它还具有用于航空航天工业的耐磨和热障涂层、切削和工具工业的硬涂层的潜在工业应用。然而,电子束蒸发不能用于涂覆复杂几何形状的内表面。此外,电子枪中的灯丝退化可能导致蒸发速率不均匀。


        电子束蒸发应用:

        电子束蒸发因其高沉积速率和高材料利用效率而被广泛应用于各种应用中。例如,高性能航空航天和汽车行业,对材料的耐高温和耐磨性有很高的要求;耐用的工具硬涂层;和化学屏障和涂层,以保护腐蚀环境中的表面。电子束蒸发也用于光学薄膜,包括激光光学、太阳能电池板、玻璃和建筑玻璃,以赋予它们所需的导电、反射和透射特性。


       电子束蒸发VS热蒸发:

       电子束蒸发与热蒸发的区别在于:电子束蒸发是用一束电子轰击物体,产生高能量进行蒸发, 热蒸发通过加热完成这一过程。与热蒸发相比,电子束蒸发提供了高能量;但将薄膜的厚度控制在 5nm 量级将是困难的。在这种情况下,带有厚度监控器的良好热蒸发器将更合适。


      与热蒸发相比,电子束蒸发具有许多优点:

      1.电子束蒸发可以将材料加热到比热蒸发更高的温度。这允许高温材料和难熔金属(例如钨、钽或石墨)的非常高的沉积速率和蒸发。

      2.电子束蒸发可以沉积更薄、纯度更高的薄膜。坩埚的水冷将电子束加热严格限制在仅由源材料占据的区域,从而消除了相邻组件的任何不必要的污染。

      3.电子束蒸发源有各种尺寸和配置,包括单腔或多腔。


   

 


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