真空蒸镀基础知识介绍

目 录目 录

一 . 真空蒸镀原理

二 . 真空蒸镀方式

三 . 真空蒸镀设备

四 . 真空蒸镀工艺

一﹑真空蒸镀原理

1 ．料在真空状态下的蒸发特性

2 ．蒸气粒子的空间分布

3 ．凝结﹐生长过程

1 ． 料在真空狀態下的蒸發特性

　　真空蒸镀是将工件放入真空室﹐并用一定的方法加热﹐使镀膜材料 ( 简称膜料 ) 蒸发或升华﹐飞至工件表面凝聚成膜。

膜料的蒸发温度最终要根据膜料的熔点和饱和蒸气压等参数定。表 1-1 和表 1-2 分别列出了部分元素和化合物的熔点以及饱和蒸气压为 1.33Pa 时相应的蒸发温度。 更多文章 www.591cto.com

表 1-1 部分元素的蒸發特性 ( 飽和蒸氣壓為 1.33Pa)

蒸發源材料

絲﹐片 坩堝

Ag 961 1030 Ta, Mo, W Mo, C

Al 659 1220 W BN, TiC/C, TiB2-BN

Au 1063 1400 W, Mo Mo, C

Cr 1900 1400 W C

Cu 1084 1260 Mo, Ta, Nb, W Mo, C, Al2O3

Fe 1536 1480 W BeO,Al2O3, ZrO2

Mg 650 440 W, Ta, Mo, Ni, Fe Fe, C, Al2O3

Ni 1450 1530 W Al2O3, BeO

Ti 1700 1750 W, Ta C, ThO2

Pd 1550 1460 W ( Al鍍 2O3) Al2O3

Zn 420 345 W, Ta, Mo Al2O3,Fe, C, Mo

Pt 1770 2100 W ThO2, ZrO2

Te 450 375 W, Ta, Mo Mo, Ta, C, Al2O3

Rh 1966 2040 W ThO2, ZrO2

Y 1477 1649 W Al2O3, BN, 金屬

Sb 630 530 Ta, Ni鉻鎳合金﹐In 156 950 W﹐Mo, Fe W﹐Mo, Al2O3, C

Se 214 240 Mo, Fe ,鉻鎳合金 Al金屬﹐ 2O3

Si 1410 1350 Be, ZrO2, C, ThO2

Sn 232 1250 W Mo, Ta﹐ Al2O3, C

元素 /℃熔點 /℃蒸發溫度

表 1-2 部分化合物的蒸發特性 ( 飽和蒸氣壓為 1.33Pa)

化合物 /℃熔點 /℃蒸發溫度 蒸發源材料 觀察到的蒸發種

Al2O3 2030 1800 W Mo﹑ Al O AlO O O﹑ ﹑ ﹑ ﹑ 2 (AlO)﹑ 2

Bi2O3 817 1840 Pt

CeO 1950 W CeO CeO﹑ 2

MoO3 795 610 Mo Pt﹑ (MoO3)3 (MoO﹑ 3)4 .5

NiO 2090 1586 Al2O3 Ni O2 NiO O﹑ ﹑ ﹑

SiO 1025 Ta Mo﹑ SiO

SiO2 1730 1250 Al2O3 Ta Mo﹑ ﹑ SiO O2﹑

TiO2 1840 TiO Ti TiO2 O2﹑ ﹑ ﹑

WO3 1473 1140 Pt W﹑ (WO3)3 WO3﹑

ZnS 1830 1000 Mo Ta﹑

MgF2 1263 1130 Pt Mo﹑ MgF2 (MgF2)2 (MgF2)3﹑ ﹑

2 ．蒸氣粒子的空間分布 蒸氣粒子的空間分布顯著地影響了蒸發粒子在基體上的沉積速率以及基體上的膜厚分布。這與蒸發源的形狀和尺寸有關。最簡單的理想蒸發源有點和小平面兩種類型。在點源的情況下﹐以源為中心的球面上膜厚均相同﹐所以工件放在球面上就可得到膜厚相同的鍍膜。如果是小平面蒸發源﹐則發射具有方向性。 實際蒸發源的發射性應按具體情況加以分析。例如用螺旋狀鎢絞絲作蒸發源﹐可以簡化為由一系列小點源構成的一個短圓柱形蒸發源﹐但對于距離相對很大的平板工件 ( 例如平板玻璃 ) 來說﹐這種假設的計算結果几乎完全等效于點源模型。

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3 ．凝結﹐生長過程 蒸發粒子與基材碰撞后一部分被吸附。吸附原子

在基材表面發生表面擴散﹐沉積原子之間產生兩維

碰撞﹐形成簇團﹐有的在表面停留一段時間后再蒸

發。原子族團與擴散原子相碰撞﹐或吸附單原子﹐

或放出單原子﹐這種過程反復進行﹐當原子數超過

某一臨界值時就變為穩定核﹐再不斷吸附其他擴散

原子而逐步長大﹐最后與鄰近穩定核合并﹐進而變

成連續膜。

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二．真空蒸鍍方式 1 ．電阻加熱蒸發方式及蒸發源

2 ．電子束蒸發方式及蒸發源

3 ．高頻加熱方式及蒸發源

4 ．激光加熱方式及蒸發源

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1 ．電阻加熱蒸發方式及蒸發源 它是用絲狀或片狀的高熔點金屬做成適當形狀的蒸發源﹐

將膜料放在其中﹐接通電源﹐電阻加熱膜料而使其蒸發。 對蒸發源材料的基本要求是﹕高熔點﹐低蒸氣壓﹐在蒸發

溫度下不會與膜料發生化學反應或互溶﹐具有一定的機械強度。實際上對所有加熱方式的蒸發源都有這樣的要求。另外電阻加熱方式還要求蒸發源材料與膜料容易潤濕﹐以保証蒸發狀態穩定。常用的蒸發源材料有鎢﹐鉬﹐鉭﹐石墨氮化硼等。電阻蒸發源的形狀是根據蒸發要求和特性確定的﹐通常又叫﹕線型﹑舟型 ( 一般稱為船，可盛薄膜之材料 ) 等。

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(A)線型： 1.呈螺旋狀：如圖 (a) 所示，可為單股絲多股絲。欲鍍物插掛於螺旋環中，¨例如：鍍鋁條時用多股螺旋絲，因為在高溫下鋁會與電阻絲 ( 一般為鎢 ) 形成合金而破壞鎢絲若用多股絞合做成則可延長鎢絲之壽命。工業生產機型多用 BN-TiB2-AlN 之複合導電材料來鍍鋁，其形狀如圖 (f5) 所示。 2.呈籃狀：如圖 (b) 所示，將欲鍍物置於籃中材料可為昇華之塊狀材料。 3.呈蚊香狀：如圖 (d) 所示，將欲鍍物放入坩置於其下，一般為昇華材料。若材料會與

電阻絲起作用，則可先在材料與電阻絲中放一陶瓷坩鍋，如圖 (c) 所示

(B)舟型：一般稱為船，可盛薄膜之材料。 1.呈小坑狀：如圖 (e) 所示，可放小量欲鍍物，如 Au、 Ag 等。 2.呈槽狀：如圖 (f1~f5) 所示，可放大量欲鍍物，如 ZnS、MgF2、 Ge、鋁條等。若材料加熱後會與熱阻舟起化學反應，則可加陶瓷內襯，如圖 (g) 所示。其中若材料會因熱而濺跳，則可加上有孔之蓋子，如圖 (h1~h3) 所示

電阻加熱蒸發方式之優缺點： 優點：1.製程簡單。2. 電源設備價格便宜。3. 蒸發源形狀容易配合需要做成各種形式。缺點：1. 由於需先加熱電阻片再傳熱給薄膜材料，因此電阻片多少會

與材料起作用，或引生雜質。此點雖可加隔化學性質穩定之陶瓷層，惟耗電量增加。

2. 電片能加熱之溫度有限，對於高熔點之氧化物則大部分無法熔融蒸鍍。

3. 蒸鍍速率有限。4. 材料若為化合物，則有被熱分解之可能。閃燃法可蒸鍍部分此類材料之薄膜。5. 膜質不硬，密度不高。

2 ．電子束蒸發方式及蒸發源 電阻加熱方式中的膜料與蒸發源材料直接接觸﹐兩者容易

互混﹐這對于半導體元件等鍍膜來說是需要避免的。電子束加熱方式能解決這個問題。它的蒸發源是 e 形電子槍(也有直射式和環形﹐但由電子軌跡磁偏轉 270°而形成的e 型槍應用最廣 )﹐ 由電子發射源 ( 通常是熱的鎢陰極作電子源 )﹐ 電子加速電源﹐坩堝 ( 通常是銅坩堝﹐為陽極 )﹐磁場線圈﹐冷卻水套等組成。膜料放入水冷銅坩堝中﹐電子束自源發出﹐用磁場線圈使電子束聚焦和偏轉﹐對膜料進行轟擊和加熱。

電子束蒸發方式之優缺點：優點：1.因為電子束直接加熱在薄膜材料上，且一般裝此材料之坩鍋其鎗座都有水冷卻，因此會比電阻加熱法之污染較少，薄膜品質相對較高。2. 由於電子束可加速到很高能量，一些在熱電阻加熱法中不能蒸鍍的氧化膜，可利用此法蒸鍍。3. 可製作多個坩鍋裝放不同薄膜材料排成一圈，欲鍍時就旋轉至電子束撞擊位置，製備多層膜相當方便。缺點：1.若電子束及電子流控制不當會引起材料分解或游離，前者會造成吸收，後者會造成基板累積電荷而形成膜面放電損傷。2. 對不同材料所需之電子束的大小及掃瞄方式不同，因此鍍膜過程中使用不同鍍膜材料時則必須重新調整。 3. 對於昇華材料或稍熔解即蒸發之材料 (如 SiO2 及某些氟化物、 ²¸化物等 )，需加大電子束之大小、掃瞄振幅與頻 ²v，或將材料先壓製成塊，否則其蒸發速 ²v 及蒸發分佈不穩定，造成膜厚之不均勻性。

3 ．高頻加熱方式及蒸發源

它是在高頻感應線圈中放入氧化鋁或石墨坩堝對膜材

料進行高頻感應加熱。感應線圈通常用水冷銅管制造。

此法主要用于鋁的大量蒸發。

高頻加熱方式之優缺點﹕優點：1. 由于高頻感應電流直接作用在蒸發材料上﹐因此盛裝蒸發的坩堝材料的溫度比較低﹐坩堝材料不致造成薄膜污染。2. 蒸發源的溫度均勻穩定﹐不易產生蒸發料的飛濺現象。3. 蒸發速率大﹐可比電阻蒸發源大 10 倍左右。4. 蒸發源一次裝料﹐無需送料機構﹐溫度控制比較容易。缺點：1. 蒸發裝置必須屏蔽﹐以防止射頻輻射。2.需要較復雜和昂貴的高頻發生器。3. 如果線圈附近的壓強超過 10¯2Pa﹐高頻電場就會產生氣體電離﹐使功耗增大﹐

4 ． 激光加熱方式及蒸發源 它是用激光照射在膜料表面﹐使其加熱蒸發。由于不同

材料吸收激光的波段范圍不同﹐因而需要選用相應的激光器。例如﹕ SiO, ZnS, MgF2, TiO2, Al2O3, Si3N4 等膜

料 ﹐宜采用 二氧化碳連 續 激 光 ( 波長 ﹕ 10.6μm,

9.6μm); Cr, W, Ti, Sb2S3 等膜料選用玻璃脈沖激光

(波長﹕ 1.06μm) Ge, GaAs﹔ 等膜料宜采用紅寶石脈沖激光 ( 波長﹕ 0.694μm 0.692μm) ﹐ 。這種方式經聚焦后功率密度可達 106W/cm2 ,可蒸發任何能吸收激光光能的高熔點材料﹐蒸發速率極高﹐制得的膜成分几乎與料成分一樣。

激光加熱方式之優缺點：優點： 1. 真空室內不需任何電器設備，亦無熱源，所以非常乾淨，薄膜品質相對會比較純，也不會有電荷累積而造成薄膜表面損傷。 2. 激光可聚焦在很小之位置且不受電場或磁場之影響，因此可選用可以旋轉之多靶，蒸鍍多層膜，也可以用多束激光蒸發多種元素混合成膜。 3. 蒸鍍速度快，材料可擺在很遠處 (若材料會被污染之情形下 )，因激光光束不易散開。缺點： 1. 設備昂貴。 2. 有些材料對激光之吸收不佳。 3. 蒸鍍速度太高，不易鍍很薄之薄膜。 4. 激光入射窗口需防止污染。

三 . 真空蒸鍍設備 真空蒸鍍設備系統一般包括 前 處 理 設備﹐ 蒸 發 鍍 膜機 和 后處理 設備三部 分 。 蒸發 鍍 膜 機 是主機 ﹐ 通常由 真空室﹐真空 (排氣 ) 系統﹐蒸發系統和 電器設備等組成。

真空室內除工件架外﹐有加熱 (烘烤 )﹐離子轟擊或離子源等裝置。為提高鍍膜厚度均勻性﹐工件架有轉動機構。連續鍍膜機還有卷板和傳動裝置。排氣系統一般由機械泵﹐羅茨泵和擴散泵組成。蒸發系統包括蒸發源及電氣設備。連續鍍膜機還有加料裝置等。電器設備用于測量真空度﹐膜層厚度及控制台等。

在鍍膜過程中﹐特別是光學鍍膜﹐對膜厚的測量和控制是非常重要的﹐有的產品要求鍍多層膜﹐層數甚至多達几十層﹐而每層膜厚僅納米量級﹐所以需要用特殊技朮來測量。目前常用的有光干涉極值法和石英晶體振蕩法兩種。前者基于光線垂直入射到薄膜上其透射率和反射率隨薄膜厚度而變化﹐適用于透明光學薄膜﹐測量儀器主要有調制器﹐單色儀 ( 或濾光片 ) 和光電倍增管。后者是基于石英晶片的振蕩頻率隨沉積薄膜厚度而變化﹐目前已廣泛使用﹐測量儀器主要有石英晶體振蕩片﹐頻率計數器﹐微分電路或數字電路等。

四．真空蒸鍍工藝 1 ．一般工藝 2 ．合金蒸鍍工藝 3 ．化合物蒸鍍工藝 4 ．高熔點化合物薄膜 5 ．離子束轉助蒸鍍法 6 ．激光束輔助蒸鍍法 7 ．單晶蒸鍍法 8 ．非晶蒸鍍法

1 ．一般工藝 真空蒸鍍工藝是根據產品要求確定的﹐一般非連續鍍膜的工藝流程是﹕鍍前准備→抽真空→離子轟擊→烘烤→預熱→蒸發→取件→鍍后處理→檢測→成品。 鍍前准備包括工件清洗﹐蒸發源制作和清洗﹐真空室和工件架清洗﹐安裝蒸發源﹐膜料清洗和放置﹐裝工件等。這些工作是重要的﹐它們直接影響了鍍膜質量。對于不同基材或零部件有不同的清洗方法。例如玻璃在除去表面臟物﹐油污后用水揩洗或刷洗﹐再用純水沖洗﹐最后要烘干或用無水酒精擦干﹔金屬經水沖刷后用酸或鹼洗﹐再用水洗和烘干﹔對于較粗糙的表面和有孔的基板﹐宜在水﹐酒精等清洗的同時進行超聲波洗淨。塑料等工件在成型時易帶靜電﹐如不消除﹐會使膜產生針孔和降低膜的結合力﹐因些常需要先除去靜電。有的工件為降低表面粗糙度﹐還涂 7μm~10μm 的特制底漆。

工件放入真空室后﹐先抽真空到 1Pa~0.1Pa 進行離子轟擊﹐即對真空室內鋁棒加一定的高壓電﹐產生輝光放電﹐使電子獲得很高的速度﹐工件表面迅速帶有負電荷﹐在此吸引下正離子擊工件表面﹐工件吸附層在活性氣體之間發生化學反應﹐使工件表面得到進一步的清洗。離子轟擊一定時間后﹐關掉高壓電﹐再提高真空度﹐同時進行加熱烘烤﹐控制在一定溫度﹐使工件及工件架吸附的氣體迅速逸出。達到一定真空度后﹐先對蒸發源通以較低功率的電﹐進行膜料的預熱或預熔﹐然后再通以規定功率的電流﹐使膜料迅速蒸發。

蒸發結束后﹐停止抽氣﹐再充氣﹐打開真空室取出工件。有的膜層如鍍鋁等﹐質軟和易氧化變色﹐需要施涂面漆加以保護。

2 ．合金蒸鍍工藝 合金中各組分在同一溫度下具有不同的蒸氣壓﹐即具有不

同的蒸發速率﹐因此在基材上沉積的合金薄膜與合金膜料相比﹐通常存在較大的組分偏離﹐為消除這種偏離﹐可采用下列工藝﹕

(1) 多源同時蒸鍍法。將各元素分別裝在各自的蒸發源中﹐然后獨立控制各蒸發源的蒸發溫度﹐設法使到達基材上的各種原子與所需鍍膜組成相對應。

(2) 瞬源同時蒸鍍法 (閃蒸法 ) 。把合金做成粉末或細顆粒﹐放入能保持高溫的加熱器和坩堝之類的蒸發源中。為保証一個個顆粒蒸發完后就有下次蒸發顆粒的供給﹐蒸發速率不能太快。顆粒原料通常是從加料斗的孔一點一點出來﹐再通過滑槽落到蒸發源上。除一部分合金 (如 Ni—Cr 等 ) 外﹐金屬間化合物如 GaAs, InSb, PbTe, AlSb 等﹐在高溫時會發生分解﹐而兩組分的蒸氣壓又相差很大﹐故也常用閃蒸法制薄膜。

3 ．化合物蒸鍍工藝 化合物在真空加熱蒸發時﹐一般都會發生分解。可根據分解難易程度﹐采用兩類不同方法﹕ (1) 對于難分解或沉積后又能重新結合成原膜料組分配比的 化 合 物 ( 前者如 SiO, B2O3,MgF2, NaCl, AgCl 等﹐后者如 ZnS, PbS, CdTe, CdSe 等 )﹐ 可采用一般的蒸鍍法。 (2) 對于極易分解的化合物如 In2O3, MgO3, MgO, Al2O3 等﹐必須采用恰當蒸發源材料﹐加熱方式﹐氣氛﹐并且在較低蒸發溫度下進行。例如蒸鍍 Al2O3 得到缺氧的 Al2O3 – X 膜﹐為避免這種情況﹐可在蒸鍍時充入適當的氧氣。

4 ．高熔點化合物薄膜 氧化物﹐碳化物﹐氮化物等材料的熔點通常很高﹐而且制取高純度的這類化合物也很昂貴﹐因此常采用 “反應蒸鍍法”來制備此類材料的薄膜。具體做法是在膜料蒸發的同時充入相應氣體﹐使兩者反應化合沉積成膜﹐如 Al2O3 ,Cr2O3, SiO2,

Ta2O5, AlN, ZrN, TiN, SiC, TiC 等。如果在蒸發源和基板之間形成等離子體﹐則可提高反應氣體分子的能量﹐離化率和相互間的化學反應程度﹐這稱為 “活性反應蒸鍍”。

5．離子束轉助蒸鍍法 蒸發原子或分子到達基材表面時能量很低﹐加上已沉積粒子對后來飛達的粒子造成陰影效果﹐使膜層呈含有較多孔隙的柱狀顆粒狀聚集體結構﹐結合為差﹐又易吸潮和吸附其他氣體分子而造成性質不穩定。為改善這種狀況﹐可用離子源進行轟擊﹐鍍膜前先用數百電子伏的離子束對基材轟擊清洗和增強表面活性﹐然后蒸鍍中用低能離子束轟擊。離子源常用氬氣。也可以進行摻雜﹐例如用錳離子束輔助蒸鍍 ZnS﹐得到電致發光薄膜 ZnS Mn﹕ 。另外還可用這種方法制備化合物薄膜等。

6．激光束輔助蒸鍍法 例如在電子束蒸發膜料的同時﹐用10W~60W 的寬束 CO2 激光輻照基板﹐制得性

能優良的 HfO2 和 Y2O3 等介質薄膜。

塵埃粒子

7．單晶蒸鍍法 基材通常為一定取向的單晶材料﹐選擇較高的基板溫度和較低的沉積速率﹐以及控制薄膜厚度﹐蒸發粒子入射角﹐殘余氣體種類與壓力以及電場等參數﹐可以制備單晶薄膜。

8．非晶蒸鍍法 采用快速蒸鍍﹐有利于非晶薄膜的形成。 Si, Ge

等共價鍵元素和某些氧化物﹐碳化物﹐鈦酸鹽﹐鈮酸鹽﹐錫酸鹽等在室溫或其以上溫度下可得到非晶薄膜﹐而純金屬等需在液氦溫度附近的基板上才能形成非晶薄膜。采用金屬或非金屬元素或兩種在高濃度下互不相溶的金屬元素共同蒸鍍﹐比純金屬容易形成非晶薄膜。另外也可通過加入降低表面遷移率的某些氣體或離子來獲得非晶薄膜。非晶薄膜往往有一些獨特的性能和功能﹐具有生要用途。

The End!

Thanks