真空蒸镀讲义

真空蒸镀材料，使其原子或分子从外表气化逸出，形成蒸气流，入射到基体外表，分散形成固态薄膜的方法。由于真空蒸镀法主要物理过程是通过加热蒸发材料而产生，介绍蒸发原理、蒸发源的放射特性、膜厚测量与有关蒸发的工艺技术。§1—1真空蒸镀的特点、原理与过程单纯。主要缺点是，不简洁获得结晶构造的薄膜，所形成薄膜在基板上的附着力较小，工艺重复性不够好等。图1-1为真空蒸镀原理示意图。主要局部〔1〕真空室，为蒸发过程供给必要的真空〔2〕蒸发源或蒸发加热器，放置蒸发材〔3〕基板，用于接收蒸发加热器及测温器等。真空蒸镀包括以下三个根本过程：

1-1真空蒸发镀膜原理示意图加热蒸发过程。包括由分散相转变为气相的相变过程。每种蒸发物质中有些组分以气态或蒸气进入蒸发空间。中的飞行过程。生长、形成连续薄膜。被加热氧化烧毁；或者由于空气分子的碰撞阻挡，难以形成均匀连续的薄膜。§1-2蒸发源的蒸发特性及膜厚分布相对位置以及蒸发物质的蒸发量。一、点蒸发源〔简称点源。一个很小的球dS，以每秒m克的一样蒸发速率向各个方向蒸发，则在单1-2所示立体角ddm，此角度为蒸发源和外表的角度，则有dm

md4因此，在蒸发材料到达与蒸发方向成dS2的几何尺寸时，则淀积在此面积上的膜材厚度与数量即可求得。图1-2点蒸发源的放射特性 图1-3承受角度对淀积厚度的影响二、小平面蒸发源1-3所示，用小型平面蒸发源代替点源。由于这种蒸发源的放射特性具θcosθ成正比例。是平面蒸发源法dS2dS上m克的速率进展蒸发时，膜材在单位时间内通过与该小平面的法线成θ,与该小平面的法线成θ角度方向的立体角dw的蒸发量dm为角度方向的立体角dwdm为dm

mcosd式中，1/1-3所示，假设薄膜的蒸发速率即可求得。三、瘦长平面蒸发源1-4〔x,y〕d,当蒸发物mdSdm为dmmdSldSd发质量为dm

cos2d

mdS(h2x2) l 图1-4瘦长平面蒸发源的放射特性 图1-5环状平面蒸发源的放射特性四、环状蒸发源〔简称环源。在实际蒸发中，当基板处于旋转状态时，就与此状况相类似。五、实际蒸发源放射特性的蒸发源。§1-3蒸发源的类型1000~2023℃的高电阻法、电子束法、高频法等。下面对不同加热方式的蒸发源进展分别争论。一、电阻蒸发源承受钽、钼、钨等高熔点金属，做成适当外形的蒸发源，其上装入待蒸发材3Al2O、3BeO构造简洁、价廉易作，所以是一种应用很一般的蒸发源。承受电阻加热法时应考虑蒸发源的材料和外形。蒸发源材料通常对蒸发源材料的要求是：〔10-2托时的温度饱和蒸气压低。这主要是为防止或削减在高温下蒸发源材料会随蒸发致于产生影响真空度和污染膜层质量的蒸气。化学性能稳定，在高温下不应与蒸发材料发生化学反响。具有良好的耐热性，热源变化时，功率密度变化较小；原料丰富，经济耐用。依据这些要求，在制膜工艺中，常用的蒸发源材料有W、Mo、Ta等，或耐高温的金属氧化物、陶瓷或石墨坩埚。蒸镀材料对蒸发源材料的“潮湿性”以及各种外形的电阻蒸发源形的倾向时，就可以认为是难于潮湿的。是难以潮湿的，在承受丝状蒸发源时，蒸发材料就简洁从蒸发源上掉下来。图1-6蒸发源材料与镀膜材料潮湿状态 图1-7各种外形的电阻蒸发源丝状蒸发源的线径一般为0.5~1mm，特别时可用1.5mm。螺旋丝状蒸发源予以留意。锥形篮状蒸发源一般用于蒸发块状或丝状的升华材料〔如三股。多股丝可有效防止断线，而且还能增大蒸发外表和蒸发量。箔状蒸发源的厚度常为0.05~.15mm4~5倍。用这类蒸发源蒸发材料则蒸发材料简洁形成局部过热点，而且造成蒸发料的喷溅。二、电子速蒸发源电子束蒸发源的优点为：电子束轰击热源的束流密度高，能获得远比电阻加热源更大的能量密104~109W/cm2的功率密度，因此可以使高熔3Ge、SiO2、Al2O等。3及容器材料与蒸镀材料之间的反响，这对提高镀膜的纯度极为重要。热量可直接加到蒸镀材料的外表，热效率高，热传导和热辐射损失少。电子束加热源的缺点是电子枪发出的一次电子和蒸发材料发出的二次电子X射线对人体有肯定损害，应予以留意。2．电子束蒸发源的构造型式分为环形枪、直枪等几种。直枪是一种轴对称的直线加速电子枪，电子从阴极灯丝放射，聚焦成细束，Na+离子污染等。图1-8直枪蒸发源简图 图1-9高频感应加热源的工作原理三、高频感应蒸发源材料在高频电磁场的感应下产生强大的涡流损失和磁滞损失，致使蒸发材料升1-9所示。这种蒸发源的特点是：蒸发速率大，可比电阻蒸发源大10倍左右；蒸发源的温度均匀稳定，不易产生飞溅现象；材料反响最小的材料；缺点是：蒸发装置必需屏蔽，并需要较简单和昂贵的高频发生器；另外，如10-2Pa，高频场就会使剩余气体电离，使功耗增大。§2-4合金及化合物的蒸发蒸发材料化学比不变的膜层，是格外重要的问题。一、合金的蒸发发法、双蒸发源法及合金升华法等。瞬时蒸发法瞬时蒸发法又称“闪耀”蒸发法。它是将细小的合金颗粒，逐次送到格外炎热等。缺点是蒸发速率难于掌握，且蒸发速率不能太快。1-11示出了瞬时蒸发法的原理图。承受这种方法的关键是要求以均匀的蒸发的粉末颗粒就会残存下来，变为一般蒸发，这是不太抱负的。3〔Ni-Cr合金膜。对磁性金属化合物，还MnSb、MnSb-CrSb、CrTeMn5Ge等薄膜。3双源或多源蒸发法相对应。为使薄膜厚度分布均匀，基板常需要进展转动。性。图1-11瞬时蒸发法原理 图1-12 双源蒸发原理示意二、化合物的蒸发化合物的蒸发方法有三种〔1〕电阻加热法〔2〕反响蒸发法〔3〕主要用于制备高熔点的绝缘介质薄膜，如氧化物、氮化物和硅化物等。反响蒸发法很多化合物在高温蒸发过程中会产生Al2O3、TiO2等都都反响蒸发法就是将活性气体导入真空室，使活性气体的原子、分子和从蒸发源逸出的蒸发金属原子、低价化合物分子在基板外表淀积过程中发生反响，从而形成所需高价化合物薄膜的方法。反响蒸发不仅用于热分解严峻，而且用于因饱和蒸气压较低而难以承受电阻加热蒸发的材料。常常被用来制作高熔点的化合物薄膜，特别是适合制作过渡金属与易解吸的O2、N2等O2气氛中蒸发SiO制得SiO2薄膜，AlNCH4中SiC薄膜等。反响方程举例如下：Al〔激活蒸气〕+O2〔活性气体〕→Al2O3〔固相沉积〕Sn〔激活蒸气〕+O2〔活性气体〕→SnO2〔固相沉积〕SiO2TaO2SiO2TaO26AlNTiNZrNSiCSiOTaTiAlTiZrSiO或空气2O2TiO2O2NH3NNH23N210-3~10-210-2~10-110-3~10-210-3~10-24×10-210-3~10-23×10-4~4.5~2~2~3~1CH32TiCTiCH244×10-3100~300700~900300300〔多晶〕室温300~900~300化合物蒸发材料活性气体活性气体压强(Pa)蒸发速率〔Å/s〕基片温度〔℃〕AlO23CrO23FeO23AlCrFeO2O2O210-3~10-22×10-210-2~10-14~5~2~1400~500300~400100~150三、特别的蒸发法电弧蒸发法且也不会引起由于蒸发源辐射作用而造成基板温度上升的问题。热壁法〔热壁状态下成膜。激光蒸发法利用高能激光作为热源来蒸镀薄膜是一种技术。激光光源可承受CO2激光、Ar激光、钕玻璃激光、红宝石激光及钇铝石榴石激光等大功率激光器，并照耀到蒸发材料上，使之加热气化蒸发。聚焦后的激光束功率密度很高，可达106W/cm2以上。〔原子、分子、簇团等〕多易离子化，从而会对膜构造和特性产生肯定影响。因此，还有不少问题有待进一步解决。§2-5 膜厚和淀积速率的测量与监控因此，在气相沉积技术中为了监控薄膜的性质与生长过程，必需对淀积参数进展参数。下面介绍几种代表性的测定膜厚的方法。

测试方法触针法，测微计法电子显微镜法质量膜厚 质量测定法定法物性膜厚

比色法、X射线荧光法、离子探针法、放射性分析法二、称重法1．微量天平法〔质量〕为m，蒸镀膜的密度为，基片上的蒸镀面积为A，其膜厚可由下式确定mt 一般承受块材的密度值。A的范围内选择基片材料；能在淀积过程中跟踪质量的变化等。三、电学方法电阻法由于电阻值与电阻体的外形有关，利用这一原理来测量膜厚的方法称电阻即t RS式中，RSRS值与正方形的尺寸值，便可依据式得出膜厚值。1-15所示。承受电阻法测量的薄膜电阻值范阀挡板，便可马上停顿蒸发淀积。使用一般仪器，电阻测量精度可达±1%~±0.1%ρ通常为≥±5%左右。电容法电介质薄膜的厚度可以通过测量只要用电容电桥测出电容值便可确定淀积的膜厚。另一种方法是在绝缘基板上先形再制作上电极使之形成一个平板形电 图1-15由测量电阻值〔RS〕来测量膜厚的电桥回路1—真空室2—蒸发面厚度。明显，这种方法只能用于淀积后的膜厚测量，而不能用于淀积过程的监控。计算时所需要的值，可取块材介质的介电系数值。〔电极所造成的误差，限制了这种方法的准确性。1-16传感规构造示意图1—带水冷却罩 2—加速极 3—收集极 4—放射极 5—芯柱四、光学方法光吸取法I0

表示II(IR)2exp(t)0肯定时，在半对数坐标图上，透射光强与时间的关系是线性的。法只适用于能形成连续的、薄的微晶的薄膜材料〔Ni-Fe合金等〔A〕在小的厚度时〔~30nm，透射光强随厚度成线性衰减。光干预法光干预法的理论根底是光的干预效应。当平行单色光照耀到薄膜外表上时，当一束光入射于薄膜上时，从膜的反射光和透射光的特性将随薄膜厚度而变化。λ达±10%n与块材一样，则从光学厚度〔nt〕可求得薄膜的t。可以监控淀积膜的厚度。这种方法不适用于测定或监控金属薄膜。等厚干预条纹法假设厚度不规章，则干预条纹也呈现不规章的外形。2-36是这种测量方法的示意图。产生干预的膜层是由一小角度的两块光纹就格外窄。如图2-37所示，假设L是条纹间距，△L是条纹的位移，则薄膜厚度可由下式给出是单以光的波长。

tLL 2 图1-17等厚干预条纹法原理 图1-18在薄膜台阶处干预条纹的位移五、触针法0.1g。差动变压器法1-19〔a〕所示。图中23的输出反相连接。由于铁芯被触针