真空蒸鍍

一.真空蒸鍍

真空蒸鍍，簡(jiǎn)稱蒸鍍，是指在真空條件下，采用一定的加熱蒸發(fā)方式蒸發(fā)鍍膜材料（或稱膜料）并使之氣化，粒子飛至基片表面凝聚成膜的工藝方法。蒸鍍是使用較早、用途較廣的氣相沉積技術(shù)，具有成膜方法簡(jiǎn)單、薄膜純度和致密性高、膜結(jié)構(gòu)和性能獨(dú)特等優(yōu)點(diǎn)。



二.原理

蒸鍍的物理過程包括：沉積材料蒸發(fā)或升華為氣態(tài)粒子→氣態(tài)粒子快速從蒸發(fā)源向基片表面輸送→氣態(tài)粒子附著在基片表面形核、長大成固體薄膜→薄膜原子重構(gòu)或產(chǎn)生化學(xué)鍵合。將基片放入真空室內(nèi)，以電阻、電子束、激光等方法加熱膜料，使膜料蒸發(fā)或升華，氣化為具有一定能量（0.1～0.3eV）的粒子（原子、分子或原子團(tuán)）。氣態(tài)粒子以基本無碰撞的直線運(yùn)動(dòng)飛速傳送至基片，到達(dá)基片表面的粒子一部分被反射，另一部分吸附在基片上并發(fā)生表面擴(kuò)散，沉積原子之間產(chǎn)生二維碰撞，形成簇團(tuán)，有的可能在表面短時(shí)停留后又蒸發(fā)。粒子簇團(tuán)不斷地與擴(kuò)散粒子相碰撞，或吸附單粒子，或放出單粒子。此過程反復(fù)進(jìn)行，當(dāng)聚集的粒子數(shù)超過某一臨界值時(shí)就變?yōu)榉€(wěn)定的核，再繼續(xù)吸附擴(kuò)散粒子而逐步長大，通過相鄰穩(wěn)定核的接觸、合并，形成連續(xù)薄膜。



三.關(guān)鍵參數(shù)

飽和蒸氣壓(PV): 在一定的溫度下,真空室中蒸發(fā)材料的蒸氣在與固體或液體平衡過程中所表現(xiàn)的壓力.飽和蒸氣壓與溫度的關(guān)系曲線對(duì)于薄膜制作技術(shù)有重要意義，它可以幫助我們合理選擇蒸發(fā)材料和確定蒸發(fā)條件。

真空度：P ≤ 10-3 Pa（保證蒸發(fā)，粒子具分子流特征，以直線運(yùn)動(dòng)）

基片距離 (相對(duì)于蒸發(fā)源)：10~50 cm（兼顧沉積均勻性和氣相粒子平均自由程）蒸發(fā)出的原子是自由、無碰撞的， 沉積速度快。容易根據(jù)蒸發(fā)原料的質(zhì)量、蒸發(fā)時(shí)間、襯底與蒸發(fā)源的距離、襯底的傾角、材料的密度等計(jì)算薄膜的厚度



四.蒸發(fā)裝置

電阻蒸發(fā)

蒸發(fā)溫度1000-2000 ° C的材料可用電阻加熱作蒸發(fā)源. 加熱器電阻通電后產(chǎn)生熱量 ，產(chǎn)生熱量使蒸發(fā)材料的分子或原子獲得足夠大的動(dòng)能而蒸發(fā).

加熱裝置的分類和特點(diǎn)：

（1）絲狀（0.05-0.13cm)，蒸發(fā)物潤濕電阻絲，通過表面 張力得到支撐。只能蒸發(fā)金屬或合金；有限的蒸發(fā)材料被蒸發(fā)；蒸發(fā)材料必須潤濕加熱絲；加熱絲容易變脆。

（2）凹箔：蒸發(fā)源為粉末。

（3）錐形絲筐蒸發(fā)小塊電介質(zhì)或金屬。



蒸發(fā)源材料的選擇: 

  1.  高熔點(diǎn)材料 (蒸發(fā)源材料的熔點(diǎn)>>蒸發(fā)溫度)

  2. 減少蒸發(fā)源的污染 (薄膜材料的蒸發(fā)溫度<蒸發(fā)源材料在蒸汽壓10-8Torr時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度)

  3.蒸發(fā)源材料與薄膜材料不反應(yīng)

  4.薄膜材料對(duì)蒸發(fā)源的濕潤性

常用的蒸發(fā)源材料有： W、Mo、Ta，耐高溫的金屬氧化物、陶瓷或石墨坩堝



主要問題：支撐材料與蒸發(fā)物之間可能會(huì)發(fā)生反應(yīng)；一般工作溫度在1500~1900 ℃，難以實(shí)現(xiàn)更高蒸發(fā)溫度 ， 所以可蒸發(fā)材料受到限制； 蒸發(fā)率低； 加熱速度不高，蒸發(fā)時(shí)待蒸發(fā)材料如為合金或化合物，則有可能分解或蒸發(fā)速率不同，造成薄膜成分偏離蒸發(fā)物材料成分。高溫時(shí)，鉭和金形成合金，鋁、鐵、鎳、鈷等與鎢、鉬、鉭等形成合金 B2O3與鎢、鉬、鉭有反應(yīng)，W與水汽或氧反應(yīng)，形成揮發(fā)性的WO、WO2或WO3；Mo也能與水汽或氧反應(yīng)生成揮發(fā)性的MoO3



電子束蒸發(fā)

電子束加熱裝置及特點(diǎn)

電子束通過5-10KV 的電場(chǎng)后被加速，然后聚焦到被蒸發(fā)的材料表面，把能量傳遞給待蒸發(fā)的材料使其熔化并蒸發(fā)。

無污染：與坩堝接觸的待蒸發(fā)材料保持固態(tài)不變，蒸發(fā)材料與坩堝發(fā)生反應(yīng)的可能性很小。（坩堝水冷）



熱電子發(fā)射(金屬在高溫狀態(tài)時(shí), 其內(nèi)部的一部分電子獲得足夠的能量而逸出表面); 電子在電場(chǎng)中加速;聚焦電子束; 聚焦電子束轟擊被鍍材料表面, 使動(dòng)能變成熱能.



直式: 高能電子束轟擊材料將發(fā)射二次電子,二次電子轟擊薄膜會(huì)導(dǎo)致膜層結(jié)構(gòu)粗糙, 吸收增加, 均勻性變差.



e形: 蒸發(fā)材料與陰極分開 (單獨(dú)處于磁場(chǎng)中),二次電子因受到磁場(chǎng)的作用而再次發(fā)生偏轉(zhuǎn), 減少了向基板發(fā)射的幾率.



電子束蒸發(fā)的特點(diǎn)

難熔物質(zhì)的蒸發(fā)；以較大的功率密度實(shí)現(xiàn)快速蒸發(fā),防止合金分餾;同時(shí)安置多個(gè)坩堝，同時(shí)或分別蒸發(fā)多種不同物質(zhì)；大部分電子束蒸發(fā)系統(tǒng)采用磁聚焦或磁彎曲電子束，蒸發(fā)物質(zhì)放在水冷坩堝內(nèi)。蒸發(fā)發(fā)生在材料表面, 有效抑制坩堝與蒸發(fā)材料之間的反應(yīng)，適合制備高純薄膜，可以制備光學(xué)、電子和光電子領(lǐng)域的薄膜材料，如Mo、Ta、Nb、MgF2、Ga2Te3、TiO2、Al2O3、SnO2、Si等；蒸發(fā)分子動(dòng)能較大, 能得到比電阻加熱更牢固致密的膜層

電子束蒸發(fā)源的缺點(diǎn)：可使蒸發(fā)氣體和殘余氣體電離，有時(shí)會(huì)影響膜層質(zhì)量；電子束蒸鍍裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴； 產(chǎn)生的軟X射線對(duì)人體有一定的傷害。



激光蒸發(fā)技術(shù)

原理: 激光作為熱源. 高能量的激光束透過真空室窗口, 對(duì)蒸發(fā)材料進(jìn)行加熱.

采用非接觸式加熱, 減少污染, 簡(jiǎn)化真空室, 適宜于超真空下制備純潔薄膜;

熱源清潔，無來自加熱體的污染；



激光蒸發(fā)的特點(diǎn)：表面局部加熱，無來自支撐物的污染；聚焦可獲得高功率，可沉積陶瓷等高熔點(diǎn)材料以及復(fù)雜成分材料（瞬間蒸發(fā)）；光束集中，激光裝置可遠(yuǎn)距離放置，可安全沉積一些特殊材料薄膜（如高放射性材料）；很高的蒸發(fā)速率，薄膜有很高的附著力;膜厚控制困難; 可引起化合物過熱分解和噴濺

費(fèi)用比較高.



五.合金的熱蒸發(fā)

合金中原子間的結(jié)合力小于在化合物中 不同原子間的結(jié)合力，因而合金中各元素原子的蒸 發(fā)過程實(shí)際上可以被看做是各自的過程， 就像它們?cè)诩冊(cè)卣舭l(fā)時(shí)的情況一樣。蒸發(fā)出來的蒸氣可能具有完全不同于其固態(tài)或液態(tài)的成分，后果是沉積后的薄膜成分偏離其固態(tài)的化學(xué)組成。為保證薄膜組成，經(jīng)常采用瞬時(shí)蒸發(fā)法、雙蒸發(fā)源法等

瞬時(shí)蒸發(fā)法

瞬時(shí)蒸發(fā)法又稱“閃爍”蒸發(fā)法。將細(xì)小的合金顆粒，逐次送到非常熾熱的蒸發(fā)器中，使一個(gè)一個(gè)的顆粒實(shí)現(xiàn)瞬間完全蒸發(fā)。關(guān)鍵以均勻的速率將蒸鍍材料供給蒸發(fā)源 粉末粒度、蒸發(fā)溫度和粉末比率。



雙源或多源蒸發(fā)法

 將要形成合金的每一成分，分別裝入各自的蒸發(fā)源中，然后控制其蒸發(fā)速率，使達(dá)到基板的各種原子符合組成要求。



化合物的熱蒸發(fā)

化合物蒸發(fā)過程中可能發(fā)生的各種物理化學(xué)變化,無分解蒸發(fā)、固態(tài)分解蒸發(fā)和氣態(tài)分解蒸發(fā)



化合物蒸發(fā)中存在的問題：

蒸發(fā)出來的蒸氣可能具有完全不同于其固態(tài)或液態(tài)的成分；（蒸氣組分變化）在氣相狀態(tài)下，可能發(fā)生化合物各組元間的化合與分解過程后果是沉積后的薄膜成分可能偏離化合物正確的化學(xué)組成。對(duì)于初始成分確定的蒸發(fā)源來說，確定的物質(zhì)蒸發(fā)速率之比將隨著時(shí)間變化而發(fā)生變化?；衔镌诟邷卣舭l(fā)過程中發(fā)生分解 (如Al2O3, TiO2 等會(huì)失氧)  吸收增加 



六.反應(yīng)蒸發(fā).

反應(yīng)蒸發(fā): 在一定的反應(yīng)氣氛中蒸發(fā)金屬或低價(jià)化合物,在淀積過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng) ,生成所需的高價(jià)化合物薄膜.反應(yīng)蒸發(fā)適用于制備高溫時(shí)易發(fā)生分解的化合物，如Al2O3、TiO2等；飽和蒸氣壓低的化合物；熔點(diǎn)很高的化合物；特別是適合制備過渡金屬與易解吸的O2、N2等反應(yīng)氣體組成的化合物薄膜，例如SiO2、ZrN、AlN、SiC薄膜
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