真空蒸發鍍膜技術原理
真空蒸發鍍膜技術原理
一、蒸發鍍膜簡述：
真空蒸發鍍膜（簡稱真空蒸鍍）是指在真空室中，加熱蒸發容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子從表面氣化逸出，形成蒸氣流，入射到固體（稱為襯底或基片）表面，凝結形成固態薄膜的方法。由于真空蒸發法或真空蒸鍍法主要物理過程是通過加熱蒸發材料而產生，所以又稱熱蒸發法或者熱蒸鍍，所配套的設備稱之為熱蒸發真空鍍膜機。這種方法zui早由M.法拉第于1857年提出，現代已成為常用鍍膜技術之一。
盡管后來發展起來的濺射鍍和離子鍍在許多方面要比蒸鍍優越，但真空蒸發技術仍有許多優點，如設備與工藝相對比較簡單，即可鍍制非常純凈的膜層，又可制備具有特定結構和性質的膜層等，仍然是當今非常重要的鍍膜技術。近年來，由于電子轟擊蒸發，高頻感應蒸發及激光蒸發等技術在蒸發鍍膜技術中的廣泛應用，使這一技術更趨完善。
近年來，該法的改進主要是在蒸發源上。為了抑制或避免薄膜原材料與蒸發加熱器發生化學反應，改用耐熱陶瓷坩堝，如 BN坩堝。為了蒸發低蒸氣壓物質，采用電子束加熱源或激光加熱源。為了制造成分復雜或多層復合薄膜，發展了多源共蒸發或順序蒸發法。為了制備化合物薄膜或抑制薄膜成分對原材料的偏離，出現了反應蒸發法等。
二、熱蒸鍍工作原理：
真空蒸發鍍膜包括以下三個基本過程∶
（1）加熱蒸發過程。包括由凝聚相轉變為氣相（固相或液相→氣相）的相變過程。每種蒸發物質在不同溫度時有不相同的飽和蒸氣壓;蒸發化合物時，其組分之間發生反應，其中有些組分以氣態或蒸氣進入蒸發空間。
（2）氣化原子或分子在蒸發源與基片之間的輸運過程，即這些粒子在環境氣氛中的飛行過程。飛行過程中與真空室內殘余氣體分子發生碰撞的次數，取決于蒸發原子的平均自由程，以及從蒸發源到基片之間的距離，常稱源-基距。
（3）蒸發原子或分子在基片表面上的沉積過程，即是蒸氣凝聚、成核、核生長、形成連續薄膜。由于基板溫度遠低于蒸發源溫度，因此，沉積物分子在基板表面將直接發生從氣相到固相的相轉變過程。
將膜材置于真空鍍膜室內，通過蒸發源加熱使其蒸發，當蒸發分子的平均自由程大于真空鍍膜室的線性尺寸時，蒸汽的原子和分子從蒸發源表面逸出后，在飛向基片表面過程中很少受到其他粒子（主要是殘余氣體分子）的碰撞阻礙，可直接到達被鍍的基片表面，由于基片溫度較低，便凝結其上而成膜，為了提高蒸發分子與基片的附著力，對基片進行適當的加熱是必要的。為使蒸發鍍膜順利進行，應具備蒸發過程中的真空條件和制膜過程中的蒸發條件。
蒸發過程中的真空條件：真空鍍膜室內蒸汽分子的平均自由程大于蒸發源與基片的距離（稱做蒸距）時，就會獲得充分的真空條件。為此，增加殘余氣體的平均自由程，借以減少蒸汽分子與殘余氣體分子的碰撞概率，把真空鍍膜室抽成高真空是非常必要的。否則，蒸發物原子或分子將與大量空氣分子碰撞，使膜層受到嚴重污染，甚至形成氧化物；或者蒸發源被加熱氧化燒毀；或者由于空氣分子的碰撞阻擋，難以形成均勻連續的薄膜。
三、真空蒸鍍特點:
優點：設備比較簡單 、操作容易；制成的薄膜純度高、質量好，厚度可較準確控制；成膜速率快，效率高；薄膜的生長機理比較簡單；
缺點：不容易獲得結晶結構的薄膜；所形成的薄膜在基板上的附著力較小；工藝重復性不夠好等。
四、蒸發源的類型及選擇：
蒸發源是用來加熱膜材使之氣化蒸發的裝置。目前所用的蒸發源主要有電阻加熱，電子束加熱，感應加熱，電弧加熱和激光加熱等多種形式。
電阻加熱蒸發裝置結構較簡單，成本低，操作簡便，應用普遍。電阻加熱式蒸發源的發熱材料一般選用W、Mo、Ta、Nb等高熔點金屬，Ni、Ni-Cr合金。把它們加工成各種合適的形狀，在其上盛裝待蒸發的膜材。一般采用大電流通過蒸發源使之發熱，對膜材直接加熱蒸發，或把膜材放入石墨及某些耐高溫的金屬氧化物（如Al2O3，BeO）等材料制成的坩堝中進行間接加熱蒸發。
采用電阻加熱法時應考慮的問題是蒸發源的材料及其形狀，主要是蒸發源材料的熔點和蒸氣壓，蒸發源材料與薄膜材料的反應以及與薄膜材料之間的濕潤性。
因為薄膜材料的蒸發溫度（平衡蒸氣壓為1. 33 Pa時的溫度）多數在1 000 ~2 000 K之間，所以蒸發源材料的熔點需高于這一溫度。而且．在選擇蒸發源材料時必須考慮蒸發源材料大約有多少隨蒸發而成為雜質進入薄膜的問題。因此，必須了解有關蒸發源常用材料的蒸氣壓。為了使蒸發源材料蒸發的分子數非常少，蒸發溫度應低于蒸發源材料平衡蒸發壓為1. 33×10-6Pa時的溫度。在雜質較多時，薄膜的性能不受什么影響的情況下，也可采用與1. 33×10-2Pa對應的溫度。
綜上所述，蒸發源材料的要求：
1、高熔點：必須高于待蒸發膜材的熔點（常用膜材熔點1000～2000℃）
2、飽和蒸氣壓低：保證足夠低的自蒸發量，不至于影響系統真空度和污染膜層
3、化學性能穩定：在高溫下不應與膜材發生反應，生成化合物或合金化
4、良好的耐熱性
5、原料豐富、經濟耐用
蒸發材料對蒸發源材料的“濕潤性”：選擇蒸發源材料時，必須考慮蒸鍍材料與蒸發材料的“濕潤性”問題。
蒸鍍材料與蒸發源材料的濕潤性”與蒸發材料的表面能大小有關。高溫熔化的蒸鍍材料在蒸發源上有擴展傾向時，可以認為是容易濕潤的;如果在蒸發源上有凝聚而接近于形成球形的傾向時，就可以認為是難干濕潤的
在濕潤的情況下，材料的蒸發是從大的表面上發生的且比較穩定，可以認為是面蒸發源的蒸發;在濕潤小的時候，一般可認為是點蒸發源的蒸發。如果容易發生濕潤，蒸發材料與蒸發源十分親和，蒸發狀態穩定;如果是難以濕潤的，在采用絲狀蒸發源時，蒸發材料就容易從蒸發源上掉下來。
1、濕潤良好：蒸發面積大、穩定，可以認為是面蒸發源蒸發
2、濕潤小：可以認為是點源蒸發，穩定性差
飽和蒸氣壓：一定溫度下，真空室內蒸發物質的蒸氣與固體或液體平衡過程中所表現的壓力稱為該物質的飽和蒸氣壓。
物質的飽和蒸氣壓隨溫度的上升而增大，在一定溫度下，各種物質的飽和蒸氣壓不相同，具有恒定的數值。即一定的飽和蒸氣壓必定對應一定的物質的溫度。飽和蒸汽壓表征了物質的蒸發能力。
一般規定物質在飽和蒸氣壓為10-2托時的溫度，稱為該物質的蒸發溫度。
五、合金與化合物的蒸發：
1、合金的蒸發：采用真空蒸發法制作預定組分的合金薄膜，經常采用瞬時蒸發法、雙蒸發源法。
分餾現象：當蒸發二元以上的合金及化合物時，蒸發材料在氣化過程中，由于各成分的飽和蒸氣壓不同，使得其蒸發速率也不同，得不到希望的合金或化合物的比例成分，這種現象稱為分餾現象。
（1）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。如果顆粒尺寸很小，幾乎能對任何成分進行同時蒸發，故瞬時蒸發法常用于合金中元素的蒸發速率相差很大的場合。
優點：能獲得成分均勻的薄膜，可以進行摻雜蒸發等。
缺點：蒸發速率難以控制，且蒸發速率不能太快。
（2）雙源蒸發法：將要形成合金的每一成分，分別裝入各自的蒸發源中，然后獨立地控制各個蒸發源的蒸發速率，使達到基板的各種原子與所需合金薄膜的組成相對應。為使薄膜厚度分布均勻，基板常需要進行轉動。
2、化合物的蒸發：
化合物的蒸發方法：（1）電阻加熱法（2）反應蒸發法（3）雙源或多源蒸發法（4）三溫度法（5）分子束外延法
反應蒸發法主要用于制備高熔點的絕緣介質薄膜，如氧化物、氮化物和硅化物等。而三溫度法和分子外延法主要用于制作單晶半導體化合物薄膜，特別是III-V族化合物半導體薄膜、超晶格薄膜以及各種單晶外延薄膜等。
將活性氣體導入真空室，使活性氣體的原子、分子和從蒸發源逸出的蒸發金屬原子、低價化合物分子在基板表面淀積過程中發生反應，從而形成所需高價化合物薄膜的方法。
不僅用于熱分解嚴重，而且用于因飽和蒸氣壓較低而難以采用電阻加熱蒸發的材料。經常被用來制作高熔點的化合物薄膜，特別是適合制作過渡金屬與易分解吸收的O2， N2等反應氣體所組成的化合物薄膜（例如SiO2、ZrN、AlN、SiC薄膜）。
在反應蒸發中，蒸發原子或低價化合物分子與活性氣體發生反應的地方有三種可能，即蒸發源表面、蒸發源到基板的空間和基板表面。
