物理气相沉积真空镀膜设备介绍

1、物理气相沉积真空镀膜设备介绍（上海大学材料科学与工程学院电子信息材料系，上海 200444）摘要：本文主要介绍了五类物理气相沉积的真空镀膜设备。五种设备分别为：电阻式蒸发装置、电子束蒸发装置、电弧蒸发装置、激光蒸发装置以及空心阴极蒸发装置。介绍了相关设备的原理，优缺点等。其中，着重列出了有关电子束蒸发装置的其中一个应用，是厚度为200m左右的独立式的铁铬-Y2O3非晶态/晶态复合涂层的已经从基板温度500C左右的铁铬和氧化钇材料的电子束物理气相沉积产生。Abstract:It describes the five physical vapor deposition vacuum coating

2、 equipment in this article.Five kinds of equipment are: resistive evaporation apparatus, an electron beam evaporation apparatus, arc evaporation apparatus, laser evaporation apparatus and a hollow cathode evaporation apparatus.It introduces the principle of related equipment, advantages and disadvan

3、tages. Emphatically identifies the electron beam evaporation apparatus in which an application.It is that Freestanding FeCrAl-Y2O3 amorphous/crystalline composite coating with a thickness of about 200nm has been produced from electron-beam physical vapor deposition of FeCrAl and yttria materials wit

4、h a substrate temperature of 500 around. 关键词：电阻式蒸发装置、电子束蒸发装置、电弧蒸发装置、激光蒸发装置、空心阴极蒸发装置Keyword :Resistive evaporation apparatus, an electron beam evaporation apparatus, arc evaporation apparatus, a laser evaporation apparatus, a hollow cathode evaporation device一、电阻式蒸发装置 电阻式蒸发装置的电加热方法是钨丝热源，针对这种加热方式，其主要的

5、特点在于：第一它主要用于块状材料的蒸发、可以在 2200K下工作；其次就是有污染；但仪器操作简单、经济实惠。电阻式蒸发装置主要由难熔金属蒸发舟：W, Ta, Mo等材料制作，它一般用于粉末、块状材料的蒸发。利用大电流通过一个连接着靶材材料的电阻器,将产生非常高的温度,利用这个高温来升华靶材材料。通常使用钨(Tm=3380),钽Ta(Tm=2980), 钼Mo(Tm=2630) ,高熔点又能产生高热的金属,做成电阻器【1】。 电阻式蒸发装置的加热方式对被蒸发的物质可以采取两种方法，即普通的电阻加热法和高频感应法。前者依靠缠于坩锅外的电阻丝实现加热，而后者依靠感应线圈在被加热的物质中或在坩锅中产生

6、出感应电流来实现对蒸发物质的加热。在后者情况下，需要被加热的物质或坩锅本身具有一定的导电性。 电阻器可以依被镀物工件形状,摆放方式,位置,腔体大小,旋转方式,而作成不同的形状。镀膜主要的考虑因素,是让靶材的蒸发分布均匀,能让工件上面的沉积薄膜厚度均匀,镀膜成品才能得到一致的光学功能。细丝状的金属靶材(Al, Ag, Au, Cr.)是最早被热蒸镀使用的靶材形式,后来则依不同需要,发展出舟状,篮状等各种形状的电阻器。如图1所示： 针对电阻式蒸发装置，我们需要注意的是：（1） 避免被蒸发物质与加热材料之间发生化学反应的可能性，可以考虑使用表 面涂有一层Al2O3的加热体；（2） 防止被加热物质的放

7、气过程可能引起的物质飞溅。对于电阻式蒸发装置，其优点主要在于：（1）电阻式蒸镀机设备价格便宜,构造简单容易维护。（2）靶材可以依需要,做成各种的形状。相对的，电阻式蒸发装置其缺点也是蛮多的：（1）因为热量及温度是由电阻器产生,并传导至靶材,电阻器本身的材料难免会 在过程中参加反应,因此会有些微的污染,造成蒸发膜层纯度稍差,伤害膜层 的质量。 （2）热阻式蒸镀比较适合金属材料的靶材,光学镀膜常用的介电质材料,因为氧 化物所需熔点温度更高,大部分都无法使用电阻式加温来蒸发。（3）蒸镀的速率比较慢,且不易控制。（4）化合物的靶材,可能会因为高温而被分解,只有小部分化合物靶材可以被闪 燃蒸镀使用。（5

8、）电阻式蒸镀的膜层硬度比较差,密度比较低。因此，由于电阻式蒸发装置的缺点较多，一般在应用的时候，很少使用到这种装置来进行高空蒸发镀膜。2、 电子束蒸发装置 电阻加热装置的缺点之一是来自坩埚、加热元件以及各种支撑部件的可能的污染。另外，电阻加热法的加热功率或加热温度也有一定的限制。因此其不适用于高纯或难熔物质的蒸发。电子束蒸发装置正好克服了电阻加热法的上述两个不足。在电子束加热装置中，被加热的物质被放置于水冷的坩埚中，电子束只轰击到其中很少的一部分物质，而其余的大部分物质在坩埚的冷却作用下一直处于很低的温度，即后者实际上变成了被蒸发物质的坩埚。因此，电子束蒸发沉积装置中可以安置多个坩埚，这使得人

9、们可以同时分别蒸发和沉积多种不同的物质应用各种材料，如高熔点氧化物，高温裂解BN、石墨、难熔金属硅化物等制成的坩锅也可以作为蒸发容器。这时，对被蒸发的物质可以采取两种方法，即普通的电阻加热法和高频感应法。前者依靠缠于坩锅外的电阻丝实现加热，而后者依靠感应线圈在被加热的物质中或在坩锅中产生出感应电流来实现对蒸发物质的加热。在后者情况下，需要被加热的物质或坩锅本身具有一定的导电性。 电子束蒸发装置的电子束加热枪由灯丝、加速电极以及偏转磁场组成。电子束蒸发设备的核心是偏转电子枪，偏转电子枪是利用具有一定速度的带点粒子在均匀磁场中受力做圆周运动这一原理设计而成的。其结构由两部分组成：一是电子枪用来射高

10、速运动的电子；二是使电子做圆周运动的均匀磁场。 电子束蒸发的特点主要有：（1）工作真空度比较高，可与离子源联合使用；（2）可用于粉末、块状材料的蒸发；（3）可以蒸发金属和化合物；（4）可以比较精确地控制蒸发速率；（5）电离率比较低。 图2 电子束蒸发装置示意图电子束装置的电子束绝大部分能量要被坩埚的水冷系统带走，因而其热效率较低。另外，过高的加热功率也会对整个薄膜沉积系统形成较强的热辐射。由于电子束自身高能量等原因，所以，电子束蒸发对源材料的要求也会比较高。首先，熔点肯定要高。蒸发材料的蒸发温度多数在10002000之间，所以加热源材料的熔点必须高于此温度。其次，饱和蒸汽压要低。这是为了防止或

11、减少在高温下加热材料，随蒸发材料一起蒸发而成为杂质进入淀积膜，只有当加热材料的饱和蒸发气压足够低，才能保证在蒸发过程中具有最小的自蒸量，而不致于影响真空度，不产生对薄摸污染的蒸发。最后，化学性能要稳定。加热材料在高温下不应与蒸发材料发生化学反应，如果加热材料和蒸发形成工熔点合金，则会降低加热材料的寿命。电子束物理气相沉积的应用：Freestanding FeCrAl-Y2O3 Amorphous/Crystalline Composite Coating Fabricated by Electron-Beam Physical Vapor Deposition摘要：Freestanding F

12、eCrAl-Y2O3 amorphous/crystalline composite coating with a thickness of about 200um has been produced from electron-beam physical vapor deposition of FeCrAl and yttria materials with a substrate temperature of 500 around. The microstructure was composed of columnar grains near the substrate side and

13、an amorphous top layer. Local crystallization occurred during room temperature preservation. It is inferred that the crystallization activation energy of the material is very low.非晶涂层具有优异的耐腐蚀性【1】，高弹性模量，更好的耐磨性【2-3】，以及独特的磁特性等许多优点【4】。目前，金属玻璃涂层的大多是用磁控溅射法制作出来的，每分钟几纳米的增长速度【5-6】。电子束物理气相沉积（EBPVD）是一种将制作涂层用每分

14、钟几微米的沉积速率的更有效的方法。通过电子束物理气相沉积（EBPVD）技术所提供的高效率可以有利于制造耐磨损性或耐腐蚀性的无定形涂层的其工业应用。但是，一直没有使用EBPVD制造非晶涂层的任何报告。实验方法：直径98.5毫米FeCrAlTi(Fe-19.7Cr-5.3Al-5.5Ti)锭和直径68.5毫米的Y2O3锭放入二水冷铜坩埚，同时由两个独立的电子束蒸发。衬底放置在远离锭的表面350mm处。利用电子束电流预热锭直至明显的稳定熔化物在晶棒的顶端逐渐增加，则去除沉积阻挡板，沉积开始。FeCrAlTi与Y2O3电子束电流分别控制在1.3A和0.5 A，在沉积过程中，大约有0.05A的误差范围。

15、当淀积期间基片温度从440C逐渐升高至560C，不提供额外的加热器到衬底上。沉积持续约15分钟。平均沉积速率是大约13um /min。沉积之前的加热斜率约38/min，沉积后的基片冷却速度为约为47/min。实验讨论： 图3 XRD patterns of the foil.(a) amorphous/crystalline composite coating; (b) crystalline coating.择优选取非晶/结晶复合涂层（100）方向的XRD图，可以看出，作为用于复合涂层的沉积表面侧，没有结晶峰被检测到。一般当涂料被沉积在低的衬底温度下，不容易结晶化，在XRD图案没有晶体结构峰

16、，所以可以推测非晶形层形成在沉积表面上。 图4 SEM pictures of surface morphology. (a) the amorphous/crystalline composite coating; (b)the crystalline coating.对沉淀物的表面形态进行了SEM观察。（a）示出的无定形涂层的结构，对应于X射线衍射图案没有在上图XRD几个平行槽阵列与某些取向沉积物的表面上中无任何衍射峰。在顶部无结晶形态发现。（b）示出了EBPVD顶部形态制造的晶体涂层（XRD图是在图B中所示），在顶部视图明确的有晶粒观察到。两个样品中制造方法相同，并且唯一的差别是它们在基

17、材上的位置。因为在基片上的位置是密切相关的蒸气入射角，从而蒸气入射角取为具有非晶层的形成具有重要影响。 图5 Cross-sectional morphology of the amorphous/crystalline composite coating. (a) highmagnification; (b) low magnification. 横截面的形态示于上图。箔是由柱状晶粒在靠近基底一侧和非晶相约12mm厚的沉积表面的顶部层构成。G.邵等人报告了金属间的Ti-50AL-10CR涂层的Ti-50AL衬底磁控溅射，其特征在于非晶相的初始层约2mm厚和一个柱状微观上的微观结构【7】。 图

18、6 AFM images of coating surfaces. (a) amorphous/crystalline composite coating. (b)crystalline coating. 上图展示出的是两个无定形和结晶的表面的AFM图像。非晶表面是比结晶表面平滑得多。在400平方微米的面积的无定形表面的平均粗糙度为23.8纳米，而值为145.2毫微米的结晶表面。 在同一基板上，形成无定形的顶层在某些位置，而完全结晶沉积形成在其他位置。用于与无定形的顶层的位置，X射线衍射图案检查在邻近衬底侧示出了（300）择优取向（图3的（a）。而对于与晶体表面上的位置时，X射线衍射图案显示（

19、110）择优取向（图3的（b）。与其他类型的质地位置比较了（100）择优取向上的立场是平坦光滑的顶形态。蒸汽入射角影响纹理和表面形态的类型,在我们以前的工作也有观察到【8】。 沉积物在EBPVD工艺的生长取为外延生长，如果基板温度低时，所述沉积物是无定形的。如果基板温度高时，所述沉积物是结晶的。在这项工作中，500的基板温度是接近临界温度，以形成无定形的沉淀物。当他们在衬底上初始形成，所述沉积物是无定形的。气 - 固转变是放热过程，这有助于在先前沉积的局部结晶。而在沉积过程持续约15分钟，所以以前的沉淀物保持在500约15分钟。这有助于进一步完成先前沉积的结晶。因此，在如图5所示的横截面形态，

20、衬底，这是对应于先前沉积靠近侧面，是结晶良好的。作为顶层，沉积后的温度降低，没有足够的时间进行结晶，所以形成大约12um的非晶层。 已经知道几十年来，快速，低温堆积需要制备高能量猝灭热力学不稳定的混合物。但在最近的工作由Swallen等人进行的【9】。有人提议，缓慢沉积具有约50K下面的常规的玻璃化转变温度相对较高的基体温度将有助于获得非晶质物质具有更好的稳定性。较高的衬底温度可以帮助表面分子/原子重新排列，以平衡和景观实现更低的能量【10-11】。也有人报告说，通过物理气相沉积过程到保持在受控温度的基板，可以克服一些出现在传统的玻璃形成由从液体冷却动力学瓶颈，并且创建显示出非凡的动力学稳定性

21、玻璃状材料【12】。 在这项工作中，独立式的铁铬-Y2O3非晶态/晶态复合涂层是通过电子束物理气相沉积方法可以实现。该箔是由晶铁素体ODS合金为基体和铁铬铝，Y2O3非晶涂层（约12um厚）的顶层共同组成。铁铬-Y2O3非晶涂层首次报道利用EBPVD法在衬底温度高达500来实现。三、电弧蒸发装置 图3 电弧蒸发装置示意图 电弧蒸发装置也具有能够避免电阻加热材料或坩埚材料的污染，加热温度较高的特点，特别适用于熔点高，同时具有一定导电性的难熔金属、石墨等的蒸发。同时，这一方法所用的设备比电子束加热装置简单，因此是一种较为廉价的蒸发装置，现今很多蒸发镀膜法均采用电弧蒸发装置。电弧离子镀膜技术是以金属

22、等离子体弧光放电为基础的一种高效镀膜技术；它的电弧源由靶(导电材料)、约束磁场、弧电极以及触发电极组成。电弧蒸发装置的原理把将要蒸发的材料制成放电电极（阳极，位于蒸发靶靶头位置），薄膜沉积前，调整电极（被蒸发材料）和引弧针头（阴极，通常直径为1mm的短铜条）之间的距离至一合适范围（通常不超过0.8mm）。薄膜沉积时，施加于放电电极和引弧针头之上的工作电压将两者之间的空气击穿，产生电弧，而瞬间的高温电弧使得电极端部（被蒸发材料）受热产生蒸发，从而实现物质的沉积。控制电弧引燃的次数或时间，即可沉积出一定厚度的薄膜。电弧蒸发装置的特点主要有：（1）等离子体的电离率高达70%；（2）可蒸发高熔点导电材

23、料，如C、Ta等；（3）有部分金属液滴；（4）可在活性气氛下工作；电弧蒸发装置的缺点主要有：（1）有大颗粒、粗糙度大； （2）在放电过程中容易产生微米量级大小的电极颗粒的飞溅，从而影响被沉积 薄膜的均匀性。 电弧蒸发装置的优点主要有以下几点：（1）沉积速率高, 高达0.1m/min；（2）沉积能量可控、具有自清洗功能。针对电弧蒸发法，现在技术上已经有很多改进，其中之一是电弧过滤技术。通过磁场对电子运动的控制实现对等离子体的控制，可以显著降低薄膜中的大颗粒；另一种是脉冲偏压技术，利用等离子体尘埃带负电的特点，通过脉冲偏压的动态等离子体壳层控制尘埃颗粒沉积。沉积效率降低比较小。脉冲偏压过滤可以实现

24、化合物的低温沉积(TiN，低于200)；可以改善薄膜的力学性能；但对特别大的颗粒过滤效果不理想。四、激光蒸发装置 使用高功率的激光束作为能源进行薄膜的蒸发沉积的方法就被称为激光蒸发沉积法。显然，这种方法也具有加热温度高，可避免坩埚污染，材料的蒸发速率高，蒸发过程容易控制等优点。 实际应用中，多使用位于紫外波段的脉冲激光器作为蒸发的光源，如波长为248nm、脉冲宽度为20ns的KrF（氟化氪）准分子激光等。由于在蒸发过程中，高能激光光子可在瞬间将能量直接传递给被蒸发物质的原子，因而激光蒸发法产生的粒子能量一般显著高于普通的蒸发方法。脉冲激光沉积(PLD)的加热源是脉冲激光(准分子激光器)。激光的

25、波长越短，光子能量越大，效率越高，虽然不要求高真空，但激光器价格昂贵。 图7 激光蒸发装置装置示意图 在激光加热方法中，需要采用特殊的窗口材料将激光束引入真空室中，并要使用透镜或凹面镜等将激光束聚焦至被蒸发材料上。激光加热法特别适用于蒸发那些成分比较复杂的合金或化合物材料，例如近年来研究比较多的高温超导材料YBa2Cu3O7，以及铁电陶瓷、铁氧体薄膜等。这是因为，高能量的激光束可以在较短的时间内将物质的局部加热至极高的温度并产生物质的蒸发，在此过程中被蒸发出来的物质仍能保持其原来的元素比例。 激光蒸发法也存在着产生微小的物质颗粒飞溅，影响薄膜均匀性的问题。PLD的特点一般是以下几点：（1）蒸气

26、的成分与靶材料基本相同，没有偏析现象；（2）蒸发量可以由脉冲的数量定量控制；有利于薄膜厚度控制；（3）沉积原子的能量比较高，一般10 20eV;（4）由于激光能量密度的限制，薄膜均匀性比较差；5、 空心阴极蒸发装置 空心阴极蒸发装置的原理与电子束蒸发装置较为相似。在中空金属Ta管制成的阴极和被蒸发物质制成的阳极之间加上一定幅度的电压，并在Ta管内通入少量的Ar气时，可在阴阳两极之间产生放电现象。这时，Ar离子的轰击会使Ta管的温度升高并维持在2000K以上的高温下，从而能够发射出大量的热电子。将热电子束从Ta管内引出并轰击阳极，即可导致物质的热蒸发，并在衬底上沉积出薄膜。 图8 空心阴极电弧蒸

27、发装置示意图 空心阴极蒸发装置可以提供数安培至数百安培的高强度电子流，因而可以提高薄膜的沉积速度。大电流蒸发使蒸发出来的物质原子进一步发生部分的离化，从而生成大量的被蒸发物质的离子。这样，若在阳极与衬底之间加上一定幅度的偏置电压的话，即可以使被蒸发物质的离子轰击衬底，从而影响薄膜的沉积过程，改善薄膜的微观组织。与上述多种蒸发方法不同，空心阴极在工作时需要维持有110-2Pa的气压条件。另外。空心阴极在产生高强度电子流的同时，也容易产生阴极的损耗和蒸发物质的飞溅。综述 除激光法、电压偏置情况下的空心阴极之外，多数蒸发方法的共同特点之一，是其蒸发和参与沉积的物质粒子只具有较低的能量。下面列出了蒸发

28、法涉及到的粒子能量的典型值以及其与物质键合能之间的比较。显然，与物质键合能相比，一般蒸发法获得的粒子能量较低，在薄膜沉积过程中所起的作用较小。因此在许多情况下，需要采用某些方法提高入射到衬底表面的粒子的能量。 表1蒸发粒子能量与物质键合能的比较参考文献：【1】王恩信； 荆玉兰； 王鹏程； 宋艳；NTC热敏电阻器的现状与发展趋势【2】X. B. Liang, J. B. Cheng, J. Y. Bai and B. S. Xu, Erosion properties of Fe based amorphous/nanocrystalline coatings prepared by wire

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