真空蒸鍍講義

真空蒸鍍材料，使其原子或分子從外表氣化逸出，形成蒸氣流，入射到基體外表，分散形成固態(tài)薄膜的方法。由于真空蒸鍍法主要物理過程是通過加熱蒸發(fā)材料而產(chǎn)生，介紹蒸發(fā)原理、蒸發(fā)源的放射特性、膜厚測量與有關(guān)蒸發(fā)的工藝技術(shù)。§1—1真空蒸鍍的特點(diǎn)、原理與過程單純。主要缺點(diǎn)是，不簡潔獲得結(jié)晶構(gòu)造的薄膜，所形成薄膜在基板上的附著力較小，工藝重復(fù)性不夠好等。圖1-1為真空蒸鍍原理示意圖。主要局部〔1〕真空室，為蒸發(fā)過程供給必要的真空〔2〕蒸發(fā)源或蒸發(fā)加熱器，放置蒸發(fā)材〔3〕基板，用于接收蒸發(fā)加熱器及測溫器等。真空蒸鍍包括以下三個(gè)根本過程：

1-1真空蒸發(fā)鍍膜原理示意圖加熱蒸發(fā)過程。包括由分散相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嗟南嘧冞^程。每種蒸發(fā)物質(zhì)中有些組分以氣態(tài)或蒸氣進(jìn)入蒸發(fā)空間。中的飛行過程。生長、形成連續(xù)薄膜。被加熱氧化燒毀；或者由于空氣分子的碰撞阻擋，難以形成均勻連續(xù)的薄膜。§1-2蒸發(fā)源的蒸發(fā)特性及膜厚分布相對位置以及蒸發(fā)物質(zhì)的蒸發(fā)量。一、點(diǎn)蒸發(fā)源〔簡稱點(diǎn)源。一個(gè)很小的球dS，以每秒m克的一樣蒸發(fā)速率向各個(gè)方向蒸發(fā)，則在單1-2所示立體角ddm，此角度為蒸發(fā)源和外表的角度，則有dm

md4因此，在蒸發(fā)材料到達(dá)與蒸發(fā)方向成dS2的幾何尺寸時(shí)，則淀積在此面積上的膜材厚度與數(shù)量即可求得。圖1-2點(diǎn)蒸發(fā)源的放射特性 圖1-3承受角度對淀積厚度的影響二、小平面蒸發(fā)源1-3所示，用小型平面蒸發(fā)源代替點(diǎn)源。由于這種蒸發(fā)源的放射特性具θcosθ成正比例。是平面蒸發(fā)源法dS2dS上m克的速率進(jìn)展蒸發(fā)時(shí)，膜材在單位時(shí)間內(nèi)通過與該小平面的法線成θ,與該小平面的法線成θ角度方向的立體角dw的蒸發(fā)量dm為角度方向的立體角dwdm為dm

mcosd式中，1/1-3所示，假設(shè)薄膜的蒸發(fā)速率即可求得。三、瘦長平面蒸發(fā)源1-4〔x,y〕d,當(dāng)蒸發(fā)物mdSdm為dmmdSldSd發(fā)質(zhì)量為dm

cos2d

mdS(h2x2) l 圖1-4瘦長平面蒸發(fā)源的放射特性 圖1-5環(huán)狀平面蒸發(fā)源的放射特性四、環(huán)狀蒸發(fā)源〔簡稱環(huán)源。在實(shí)際蒸發(fā)中，當(dāng)基板處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，就與此狀況相類似。五、實(shí)際蒸發(fā)源放射特性的蒸發(fā)源?！?-3蒸發(fā)源的類型1000~2023℃的高電阻法、電子束法、高頻法等。下面對不同加熱方式的蒸發(fā)源進(jìn)展分別爭論。一、電阻蒸發(fā)源承受鉭、鉬、鎢等高熔點(diǎn)金屬，做成適當(dāng)外形的蒸發(fā)源，其上裝入待蒸發(fā)材3Al2O、3BeO構(gòu)造簡潔、價(jià)廉易作，所以是一種應(yīng)用很一般的蒸發(fā)源。承受電阻加熱法時(shí)應(yīng)考慮蒸發(fā)源的材料和外形。蒸發(fā)源材料通常對蒸發(fā)源材料的要求是：〔10-2托時(shí)的溫度飽和蒸氣壓低。這主要是為防止或削減在高溫下蒸發(fā)源材料會(huì)隨蒸發(fā)致于產(chǎn)生影響真空度和污染膜層質(zhì)量的蒸氣?；瘜W(xué)性能穩(wěn)定，在高溫下不應(yīng)與蒸發(fā)材料發(fā)生化學(xué)反響。具有良好的耐熱性，熱源變化時(shí)，功率密度變化較??；原料豐富，經(jīng)濟(jì)耐用。依據(jù)這些要求，在制膜工藝中，常用的蒸發(fā)源材料有W、Mo、Ta等，或耐高溫的金屬氧化物、陶瓷或石墨坩堝。蒸鍍材料對蒸發(fā)源材料的“潮濕性”以及各種外形的電阻蒸發(fā)源形的傾向時(shí)，就可以認(rèn)為是難于潮濕的。是難以潮濕的，在承受絲狀蒸發(fā)源時(shí)，蒸發(fā)材料就簡潔從蒸發(fā)源上掉下來。圖1-6蒸發(fā)源材料與鍍膜材料潮濕狀態(tài) 圖1-7各種外形的電阻蒸發(fā)源絲狀蒸發(fā)源的線徑一般為0.5~1mm，特別時(shí)可用1.5mm。螺旋絲狀蒸發(fā)源予以留意。錐形籃狀蒸發(fā)源一般用于蒸發(fā)塊狀或絲狀的升華材料〔如三股。多股絲可有效防止斷線，而且還能增大蒸發(fā)外表和蒸發(fā)量。箔狀蒸發(fā)源的厚度常為0.05~.15mm4~5倍。用這類蒸發(fā)源蒸發(fā)材料則蒸發(fā)材料簡潔形成局部過熱點(diǎn)，而且造成蒸發(fā)料的噴濺。二、電子速蒸發(fā)源電子束蒸發(fā)源的優(yōu)點(diǎn)為：電子束轟擊熱源的束流密度高，能獲得遠(yuǎn)比電阻加熱源更大的能量密104~109W/cm2的功率密度，因此可以使高熔3Ge、SiO2、Al2O等。3及容器材料與蒸鍍材料之間的反響，這對提高鍍膜的純度極為重要。熱量可直接加到蒸鍍材料的外表，熱效率高，熱傳導(dǎo)和熱輻射損失少。電子束加熱源的缺點(diǎn)是電子槍發(fā)出的一次電子和蒸發(fā)材料發(fā)出的二次電子X射線對人體有肯定損害，應(yīng)予以留意。2．電子束蒸發(fā)源的構(gòu)造型式分為環(huán)形槍、直槍等幾種。直槍是一種軸對稱的直線加速電子槍，電子從陰極燈絲放射，聚焦成細(xì)束，Na+離子污染等。圖1-8直槍蒸發(fā)源簡圖 圖1-9高頻感應(yīng)加熱源的工作原理三、高頻感應(yīng)蒸發(fā)源材料在高頻電磁場的感應(yīng)下產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流損失和磁滯損失，致使蒸發(fā)材料升1-9所示。這種蒸發(fā)源的特點(diǎn)是：蒸發(fā)速率大，可比電阻蒸發(fā)源大10倍左右；蒸發(fā)源的溫度均勻穩(wěn)定，不易產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象；材料反響最小的材料；缺點(diǎn)是：蒸發(fā)裝置必需屏蔽，并需要較簡單和昂貴的高頻發(fā)生器；另外，如10-2Pa，高頻場就會(huì)使剩余氣體電離，使功耗增大?！?-4合金及化合物的蒸發(fā)蒸發(fā)材料化學(xué)比不變的膜層，是格外重要的問題。一、合金的蒸發(fā)發(fā)法、雙蒸發(fā)源法及合金升華法等。瞬時(shí)蒸發(fā)法瞬時(shí)蒸發(fā)法又稱“閃耀”蒸發(fā)法。它是將細(xì)小的合金顆粒，逐次送到格外炎熱等。缺點(diǎn)是蒸發(fā)速率難于掌握，且蒸發(fā)速率不能太快。1-11示出了瞬時(shí)蒸發(fā)法的原理圖。承受這種方法的關(guān)鍵是要求以均勻的蒸發(fā)的粉末顆粒就會(huì)殘存下來，變?yōu)橐话阏舭l(fā)，這是不太抱負(fù)的。3〔Ni-Cr合金膜。對磁性金屬化合物，還MnSb、MnSb-CrSb、CrTeMn5Ge等薄膜。3雙源或多源蒸發(fā)法相對應(yīng)。為使薄膜厚度分布均勻，基板常需要進(jìn)展轉(zhuǎn)動(dòng)。性。圖1-11瞬時(shí)蒸發(fā)法原理 圖1-12 雙源蒸發(fā)原理示意二、化合物的蒸發(fā)化合物的蒸發(fā)方法有三種〔1〕電阻加熱法〔2〕反響蒸發(fā)法〔3〕主要用于制備高熔點(diǎn)的絕緣介質(zhì)薄膜，如氧化物、氮化物和硅化物等。反響蒸發(fā)法很多化合物在高溫蒸發(fā)過程中會(huì)產(chǎn)生Al2O3、TiO2等都都反響蒸發(fā)法就是將活性氣體導(dǎo)入真空室，使活性氣體的原子、分子和從蒸發(fā)源逸出的蒸發(fā)金屬原子、低價(jià)化合物分子在基板外表淀積過程中發(fā)生反響，從而形成所需高價(jià)化合物薄膜的方法。反響蒸發(fā)不僅用于熱分解嚴(yán)峻，而且用于因飽和蒸氣壓較低而難以承受電阻加熱蒸發(fā)的材料。常常被用來制作高熔點(diǎn)的化合物薄膜，特別是適合制作過渡金屬與易解吸的O2、N2等O2氣氛中蒸發(fā)SiO制得SiO2薄膜，AlNCH4中SiC薄膜等。反響方程舉例如下：Al〔激活蒸氣〕+O2〔活性氣體〕→Al2O3〔固相沉積〕Sn〔激活蒸氣〕+O2〔活性氣體〕→SnO2〔固相沉積〕SiO2TaO2SiO2TaO26AlNTiNZrNSiCSiOTaTiAlTiZrSiO或空氣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〕室溫300~900~300化合物蒸發(fā)材料活性氣體活性氣體壓強(qiáng)(Pa)蒸發(fā)速率〔?/s〕基片溫度〔℃〕AlO23CrO23FeO23AlCrFeO2O2O210-3~10-22×10-210-2~10-14~5~2~1400~500300~400100~150三、特別的蒸發(fā)法電弧蒸發(fā)法且也不會(huì)引起由于蒸發(fā)源輻射作用而造成基板溫度上升的問題。熱壁法〔熱壁狀態(tài)下成膜。激光蒸發(fā)法利用高能激光作為熱源來蒸鍍薄膜是一種技術(shù)。激光光源可承受CO2激光、Ar激光、釹玻璃激光、紅寶石激光及釔鋁石榴石激光等大功率激光器，并照耀到蒸發(fā)材料上，使之加熱氣化蒸發(fā)。聚焦后的激光束功率密度很高，可達(dá)106W/cm2以上。〔原子、分子、簇團(tuán)等〕多易離子化，從而會(huì)對膜構(gòu)造和特性產(chǎn)生肯定影響。因此，還有不少問題有待進(jìn)一步解決?！?-5 膜厚和淀積速率的測量與監(jiān)控因此，在氣相沉積技術(shù)中為了監(jiān)控薄膜的性質(zhì)與生長過程，必需對淀積參數(shù)進(jìn)展參數(shù)。下面介紹幾種代表性的測定膜厚的方法。

測試方法觸針法，測微計(jì)法電子顯微鏡法質(zhì)量膜厚 質(zhì)量測定法定法物性膜厚

比色法、X射線熒光法、離子探針法、放射性分析法二、稱重法1．微量天平法〔質(zhì)量〕為m，蒸鍍膜的密度為，基片上的蒸鍍面積為A，其膜厚可由下式確定mt 一般承受塊材的密度值。A的范圍內(nèi)選擇基片材料；能在淀積過程中跟蹤質(zhì)量的變化等。三、電學(xué)方法電阻法由于電阻值與電阻體的外形有關(guān)，利用這一原理來測量膜厚的方法稱電阻即t RS式中，RSRS值與正方形的尺寸值，便可依據(jù)式得出膜厚值。1-15所示。承受電阻法測量的薄膜電阻值范閥擋板，便可馬上停頓蒸發(fā)淀積。使用一般儀器，電阻測量精度可達(dá)±1%~±0.1%ρ通常為≥±5%左右。電容法電介質(zhì)薄膜的厚度可以通過測量只要用電容電橋測出電容值便可確定淀積的膜厚。另一種方法是在絕緣基板上先形再制作上電極使之形成一個(gè)平板形電 圖1-15由測量電阻值〔RS〕來測量膜厚的電橋回路1—真空室2—蒸發(fā)面厚度。明顯，這種方法只能用于淀積后的膜厚測量，而不能用于淀積過程的監(jiān)控。計(jì)算時(shí)所需要的值，可取塊材介質(zhì)的介電系數(shù)值。〔電極所造成的誤差，限制了這種方法的準(zhǔn)確性。1-16傳感規(guī)構(gòu)造示意圖1—帶水冷卻罩 2—加速極 3—收集極 4—放射極 5—芯柱四、光學(xué)方法光吸取法I0

表示II(IR)2exp(t)0肯定時(shí)，在半對數(shù)坐標(biāo)圖上，透射光強(qiáng)與時(shí)間的關(guān)系是線性的。法只適用于能形成連續(xù)的、薄的微晶的薄膜材料〔Ni-Fe合金等〔A〕在小的厚度時(shí)〔~30nm，透射光強(qiáng)隨厚度成線性衰減。光干預(yù)法光干預(yù)法的理論根底是光的干預(yù)效應(yīng)。當(dāng)平行單色光照耀到薄膜外表上時(shí)，當(dāng)一束光入射于薄膜上時(shí)，從膜的反射光和透射光的特性將隨薄膜厚度而變化。λ達(dá)±10%n與塊材一樣，則從光學(xué)厚度〔nt〕可求得薄膜的t?？梢员O(jiān)控淀積膜的厚度。這種方法不適用于測定或監(jiān)控金屬薄膜。等厚干預(yù)條紋法假設(shè)厚度不規(guī)章，則干預(yù)條紋也呈現(xiàn)不規(guī)章的外形。2-36是這種測量方法的示意圖。產(chǎn)生干預(yù)的膜層是由一小角度的兩塊光紋就格外窄。如圖2-37所示，假設(shè)L是條紋間距，△L是條紋的位移，則薄膜厚度可由下式給出是單以光的波長。

tLL 2 圖1-17等厚干預(yù)條紋法原理 圖1-18在薄膜臺階處干預(yù)條紋的位移五、觸針法0.1g。差動(dòng)變壓器法1-19〔a〕所示。圖中23的輸出反相連接。由于鐵芯被觸針