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真空蒸鍍基本知識(全)

  一.真空蒸鍍

真空蒸鍍,簡稱蒸鍍,是指在真空條件下,采用一定的加熱蒸發方式蒸發鍍膜材料(或稱膜料)並使之氣化,粒子飛至基片表面凝聚成膜的工藝方法。蒸鍍是使用較早、用途較廣泛的氣相沉積技術,具有成膜方法簡單、薄膜純度和致密性高、膜結構和性能獨特等優點。

  二.原理

蒸鍍的物理過程包括:沉積材料蒸發或升華為氣態粒子→氣態粒子快速從蒸發源向基片表面輸送→氣態粒子附著在基片表面形核、長大成固體薄膜→薄膜原子重構或產生化學鍵合。

將基片放入真空室內,以電阻、電子束、激光等方法加熱膜料,使膜料蒸發或升華,氣化為具有一定能量(0.1~0.3eV)的粒子(原子、分子或原子團)。氣態粒子以基本無碰撞的直線運動飛速傳送至基片,到達基片表面的粒子一部分被反射,另一部分吸附在基片上並發生表面擴散,沉積原子之間產生二維碰撞,形成簇團,有的可能在表面短時停留後又蒸發。粒子簇團不斷地與擴散粒子相碰撞,或吸附單粒子,或放出單粒子。此過程反復進行,當聚集的粒子數超過某一臨界值時就變為穩定的核,再繼續吸附擴散粒子而逐步長大,最終通過相鄰穩定核的接觸、合並,形成連續薄膜。

  三.關鍵參數

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

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

  基片距離 (相對於蒸發源):10~50 cm(兼顧沉積均勻性和氣相粒子平均自由程)蒸發出的原子是自由、無碰撞的, 沉積速度快。容易根據蒸發原料的質量、蒸發時間、襯底與蒸發源的距離、襯底的傾角、材料的密度等計算薄膜的厚度

  四.蒸發裝置

 電阻蒸發

  蒸發溫度1000-2000 ° C的材料可用電阻加熱作蒸發源. 加熱器電阻通電後產生熱量 ,產生熱量使蒸發材料的分子或原子獲得足夠大的動能而蒸發

  加熱裝置的分類和特點:

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

  (2)凹箔:蒸發源為粉末。

  (3)錐形絲筐蒸發小塊電介質或金屬。

  蒸發源材料的選擇

  高熔點材料 (蒸發源材料的熔點>>蒸發溫度

  減少蒸發源的污染 (薄膜材料的蒸發溫度<蒸發源材料在蒸汽壓10-8Torr時對應的溫度

  蒸發源材料與薄膜材料不反應

  薄膜材料對蒸發源的濕潤性

  常用的蒸發源材料有:W、Mo、Ta,耐高溫的金屬氧化物、陶瓷或石墨坩堝

  主要問題:支撐材料與蒸發物之間可能會發生反應;一般工作溫度在1500~1900 ℃,難以實現更高蒸發溫度 , 所以可蒸發材料受到限制;蒸發率低;加熱速度不高,蒸發時待蒸發材料如為合金或化合物,則有可能分解或蒸發速率不同,造成薄膜成分偏離蒸發物材料成分。高溫時,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,W與水汽或氧反應,形成揮發性的WO、WO2或WO3;Mo也能與水汽或氧反應生成揮發性的

  電子束蒸發

  電子束加熱裝置及特點

  電子束通過5-10KV 的電場後被加速,然後聚焦到被蒸發的材料表面,把能量傳遞給待蒸發的材料使其熔化並蒸發。

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

  熱電子發射(金屬在高溫狀態時, 其內部的一部分電子獲得足夠的能量而逸出表面); 電子在電場中加速;聚焦電子束; 聚焦電子束轟擊被鍍材料表面, 使動能變成熱能

  直式槍: 高能電子束轟擊材料將發射二次電子,二次電子轟擊薄膜會導致膜層結構粗糙, 吸收增加, 均勻性變差

  形槍: 蒸發材料與陰極分開 (單獨處於磁場中),二次電子因受到磁場的作用而再次發生偏轉, 大大減少瞭向基板發射的幾率

  電子束蒸發的特點

  難熔物質的蒸發;以較大的功率密度實現快速蒸發,防止合金分餾;同時安置多個坩堝,同時或分別蒸發多種不同物質;大部分電子束蒸發系統采用磁聚焦或磁彎曲電子束,蒸發物質放在水冷坩堝內。蒸發發生在材料表面, 有效抑制坩堝與蒸發材料之間的反應,適合制備高純薄膜,可以制備光學、電子和光電子領域的薄膜材料,如Mo、Ta、Nb、MgF2、Ga2Te3、TiO2、Al2O3、SnO2、Si等;蒸發分子動能較大, 能得到比電阻加熱更牢固致密的膜層

  電子束蒸發源的缺點:可使蒸發氣體和殘餘氣體電離,有時會影響膜層質量;電子束蒸鍍裝置結構復雜,價格昂貴;產生的軟X射線對人體有一定的傷害。

 激光蒸發技術

  原理: 激光作為熱源. 高能量的激光束透過真空室窗口, 對蒸發材料進行加熱

  采用非接觸式加熱, 減少污染, 簡化真空室, 適宜於超真空下制備純潔薄膜

  熱源清潔,無來自加熱體的污染;

  激光蒸發的特點: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材料以及復雜成分材料(瞬間蒸發);光束集中,激光裝置可遠距離放置,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;費用比較高

  五.合金的熱蒸發

  合金中原子間的結合力小於在化合物中 不同原子間的結合力,因而合金中各元素原子的蒸 發過程實際上可以被看做是各自相互獨立的過程, 就像它們在純元素蒸發時的情況一樣。蒸發出來的蒸氣可能具有完全不同於其固態或液態的成分,後果是沉積後的薄膜成分偏離其固態的化學組成。為保證薄膜組成,經常采用瞬時蒸發法、雙蒸發源法等

瞬時蒸發法

  瞬時蒸發法又稱“閃爍”蒸發法。將細小的合金顆粒,逐次送到非常熾熱的蒸發器中,使一個一個的顆粒實現瞬間完全蒸發。關鍵以均勻的速率將蒸鍍材料供給蒸發源 粉末粒度、蒸發溫度和粉末比率。

雙源或多源蒸發法

  將要形成合金的每一成分,分別裝入各自的蒸發源中,然後獨立地控制其蒸發速率,使達到基板的各種原子符合組成要求。

化合物的熱蒸發

  化合物蒸發過程中可能發生的各種物理化學變化,無分解蒸發、固態分解蒸發和氣態分解蒸發

  化合物蒸發中存在的問題:

  蒸發出來的蒸氣可能具有完全不同於其固態或液態的成分;(蒸氣組分變化)在氣相狀態下,可能發生化合物各組元間的化合與分解過程後果是沉積後的薄膜成分可能偏離化合物正確的化學組成。對於初始成分確定的蒸發源來說,確定的物質蒸發速率之比將隨著時間變化而發生變化。化合物在高溫蒸發過程中發生分解 (如Al2O3, TiO2 等會失氧) 吸收增加

  六.反應蒸發

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

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