5热蒸发镀膜

☀热蒸发原理☀蒸发源的蒸发特性及膜厚分布☀蒸发源的类型§4.1.2淀积技术热蒸发镀膜技术真空热蒸发镀膜是在真空室中，加热蒸发器中待形成薄膜的源，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到衬底或基片表面，凝固形成固态薄膜的方法。几十年的历史。光学真空镀膜机大多数是热蒸发真空镀膜设备，主要由三大部分组成：真空系统、热蒸发系统、膜厚厚度监控系统。全自动精密光学镀膜机•镜片悬挂机构APS1104真空室内情况真空蒸发原理真空腔体内部结构真空蒸发原理真空蒸发的特点与蒸发过程设备比较简单、操作容易；薄膜纯度高、质量好，厚度可较准确控制；成膜速度快、效率高，采用掩模可以获得清晰的图形；薄膜生长机理比较单纯。缺点：不容易获得结晶结构的薄膜，薄膜附着力较小，工艺重复性差。特点：真空蒸发原理蒸发度膜的三个基本过程：加热蒸发过程气相原子或分子的输运过程（源-基距）蒸发原子或分子在基片表面的淀积过程饱和蒸气压饱和蒸气压的概念：在一定温度下，真空室中蒸发材料的蒸汽在与固体或液体平衡过程中所表现的压力称为该温度下的饱和蒸汽压。蒸发温度：物质在饱和蒸气压为10-2Torr时的温度，称为该物质的蒸发温度。真空蒸发原理克拉伯龙-克劳修斯（Clapeylon-Clausius）方程：()vgsHdPdTTVV为摩尔汽化热或蒸发热（J/mol）；和分别为气相和固相的摩尔体积（cm3）；为绝对温度（K）。vHgVsVTgRTVPgsgVVV因为，假设低压气体符合理想气体状态方程，则有gsVV(ln)(1)vHdPdTR2vvvggHPHPHdPdTTVTPVRT真空蒸发原理lnHPCRTlnBPAT真空蒸发原理饱和蒸气压与温度的关系曲线对于薄膜制作技术有重要意义，它可以帮助我们合理选择蒸发材料和确定蒸发条件。1.达到正常薄膜蒸发速率所需要的温度；2.蒸发速率随温度变化的敏感性；3.蒸发形式，即蒸发状态是熔化的还是升华的。真空蒸发原理蒸发速率根据气体分子运动论，在气体压力为P时，单位时间内碰撞单位面积器壁上的分子数量，即碰撞分子流量（通量或蒸发速率）J：142vaPJnmkT冷凝系数2cPJmkT2222423.5110(/cmsTorr)2.6410(/cmsPa)mPJTMPTM个个最大蒸发速率：在蒸发温度以上进行蒸发时，蒸发源温度的微小变化可以引起蒸发速率发生很大变化。真空蒸发原理蒸发分子的平均自由程与碰撞几率22-224-23.5110(/cmsTorr)2.6410(/cmsPa)gPNTMPTM个个对基片的碰撞率：222021821222.33110()3.10710()kTndPdTPdTPd托帕蒸发分子平均自由程：真空蒸发原理一般薄膜的淀积速率为每秒一个原子层，当残余气体压强为10-5Torr时，气体分子和蒸发物质原子几乎按1：1的比例到达基板表面。真空蒸发原理碰撞几率：未受到残余气体碰撞的数目：0exp()xxNN受到残余气体碰撞的几率：011exp()xNxfN真空蒸发原理在上述条件下，有lf1.50flP为保证镀膜质量，在要求时，源-基距时，必须。0.1f25lcm3310PPa0.667P)(cm由此可见，只有当时，即平均自由程较源-基距大得多的情况下，才能有效减少蒸发分子在输运过程中的碰撞。l真空蒸发原理蒸发所需能量和离子能量★能量损失的种类——蒸发材料蒸发时所需的热量——蒸发源因辐射所损失的能量——蒸发源因热传导而损失的能量1Q2Q3Q123QQQQ★蒸发材料蒸发时所需的热量01mvmTTsmLvTTWQCdTLCdTLM真空蒸发原理不同物质在相同压强下所需的蒸发热是不同的；蒸发热量值的80%以上是蒸发热而消耗掉的。QvL真空蒸发原理★热辐射损失的热量估计热辐射损失与蒸发源形状、结构和材料有关。42sQT式中，斯迪芬-玻尔兹曼常数，为热辐系数，为蒸发温度。sT★热传导损失的热量123()FTTQS蒸发源的蒸发特性及薄厚分布均匀膜层厚度是薄膜技术中的关键问题。取决于如下因素：蒸发源的蒸发特性基板与蒸发源的几何形状基板与蒸发源的相对位置蒸发物质的蒸发量1.蒸发原子或分子与残余气体分子之间不发生碰撞；2.蒸发源附近的原子或分子之间不发生碰撞；3.淀积到基片上的原子不发生再蒸发现象。基本假设：蒸发源的蒸发特性及薄厚分布★点蒸发源224cos4mdmdmdSr2dmtdS能够从各个方向蒸发等量材料的微小球状蒸发源称为点蒸发源（点源）。为计算膜层厚度t，设为密度蒸发源的蒸发特性及薄厚分布232232cos444()mmhmhtrrhx当在点源正上方，即时，膜层厚度为：2dS00t024mth在基板平面内薄膜厚度分布：322011()ttxh蒸发源的蒸发特性及薄厚分布★小平面蒸发源这种蒸发源的发射特性具有方向性，使得在角方向蒸发的材料质量和成正比。cos22coscoscosmdmdmdSr22222coscos()mmhtrhx蒸发源的蒸发特性及薄厚分布当在点源正上方，即时，膜层厚度为：2dS00t02mth在基板平面内薄膜厚度分布：22011()ttxh蒸发源的蒸发特性及薄厚分布02mth024mth点源：小平面源：蒸发源的蒸发特性及薄厚分布★实际蒸发源的发射特性实际蒸发源的发射特性可根据熔融后的形态，选取不同的膜厚蒸发公式进行理论分析和近似计算。★蒸发源与基板的相对位置配置点源与基板相对位置为获得均匀的膜厚，点源必须配置在基板围成的球面中心。蒸发源的蒸发特性及薄厚分布小平面源与基板相对位置当小平面源为球形工作架的一部分时，在内球体表面上的膜厚分布是均匀的。当时，2cosrR22coscos4mmtrR厚度与角无关，对于一定半径的球形工作架，其内表面膜厚取决于材料性质、的大小及蒸发量。RR蒸发源的蒸发特性及薄厚分布EvaporationSchemetoachieveUniformDeposition蒸发源的蒸发特性及薄厚分布小面积基板时蒸发源的位置配置如果被蒸镀的面积比较小，可以将蒸发源直接配置于基板的中心线上，源-基距H取1~1.5D。蒸发源的蒸发特性及薄厚分布大面积基板和蒸发源的配置基板公转加自转多点源或小平面蒸发源蒸发源的类型蒸发源是蒸发装置的关键部件。最常用的有：电阻法、电子束法、高频法等。★电阻蒸发源直接加热法（W、Mo、Ta）间接加热法（Al2O3、BeO等坩埚）对蒸发源材料的要求：1.高熔点2.饱和蒸气压低3.化学性能稳定，高温下不与蒸发材料反应4.良好的耐热性5.原料丰富、经济耐用蒸发源的类型常用电阻加热蒸发源形状蒸发源的类型各种蒸发皿结构蒸发源的类型蒸镀材料对蒸发源材料的“湿润性”选择蒸发源材料时，必须考虑蒸镀材料与蒸发材料的“湿润性”.湿润良好：蒸发面积大、稳定，可以认为是面蒸发源蒸发。湿润小：可以认为是点源蒸发，稳定性差。蒸发源的类型★电子束蒸发源电阻加热蒸发源已不能满足蒸镀某些高熔点金属和氧化物材料的需要，特别是制备高纯薄膜。电子束加热蒸发法克服了电阻加热蒸发的许多缺点，得到广泛应用。蒸发源的类型电子束加热原理•可聚焦的电子束，能局部加温元素源，因不加热其它部分而避免污染•高能量电子束能使高熔点元素达到足够高温以产生适量的蒸气压212meU电子的动能和电功率：289.110mg191.610eC55.9310(m/s)U0.24QWtWneUIU电子束功率：产生的热量：蒸发源的类型电子束蒸发源的优点：•电子束的束流密度高，能获得远比电阻加热源更大的能量密度。电子束蒸发源的缺点：•可使蒸发气体和残余气体电离，有时会影响膜层质量；•被蒸发材料置于水冷坩埚内，避免了容器材料的蒸发，以及容器材料与蒸发材料的反应，提高了薄膜的纯度。•热量直接加到蒸镀材料表面，热效率高，热传导和热辐射损失小。•电子束蒸镀装置结构复杂，价格昂贵；•产生的软X射线对人体有一定的伤害。蒸发源的类型电子束蒸发源的结构环型枪直型枪e型枪蒸发源的类型蒸发源的类型蒸发源的类型1-发射体，2-阳极，3-电磁线圈，4-水冷坩埚，5-收集极，6-吸收极，7-电子轨迹，8-正离子轨迹，9-散射电子轨迹，10-等离子体吸收反射电子、背散射电子、二次电子吸收电子束与蒸发的中性离子碰撞产生的正离子蒸发源的类型★高频感应蒸发源蒸发速率大，比电阻蒸发源大10倍左右；蒸发源温度均匀稳定，不易产生飞溅；蒸发材料是金属时，从内部加热；蒸发源一次加料，无需送料机构，控温容易，热惰性小，操作简单。高频感应蒸发源的特点：热蒸发镀膜技术的优缺点：优点：设备简单，大多数材料都可以作为膜层材料蒸发。缺点：膜层不能重复再现块状材料的性能。改进措施：改中性粒子沉积为带电离子在电场辅助作用下的电沉积。改进蒸发工艺、改善膜层的微观结构基本的思路：附加一定的能量到被镀的表面上去，利用这些能量移开弱束缚的粒子，使达到基板的材料粒子有高的迁移率。由于附加了能量，膜料粒子可以穿透比较远的距离，去找到一个有比较强束缚的位置。从而使膜层的结构得到改善。具体实施办法：在膜层沉积的同时，利用电子、光子、离子将能量附加到基底上去，这不仅有利于清洁被镀表面，也增加了膜层的致密度。近十几年的趋势是利用荷能的离子完成基片清洁和改善膜层结构的任务高能工艺：光学薄膜的微观结构与大块材料不同，是“柱状+空穴”形式的，从而引起光学薄膜的种种缺陷及不稳定。并证明光学薄膜的结构特征是由于蒸汽分子的能量不够，使得蒸汽分子在基片表面的迁移力不够所引起的。制备性能优良的光学薄膜必须消除薄膜的柱状结构，这就涉及到高能工艺，高能工艺涉及远比热蒸发大得多的能量，这里大致可以分为两种情况，一种是离子辅助沉积，另一种是沉积粒子本身具有较大的能量，比如溅射沉积等等。离子辅助沉积：离子辅助沉积是一个高能过程，是在真空热蒸发的基础上发展起来的一种辅助沉积方法。当膜料从热蒸发源中蒸发时，淀积粒子到达基片表面的同时会受到来自荷能离子的轰击，通过动量转移，使淀积粒子获得较大的动能，提高了它们的表面迁移力，膜层的成长发生了较大的变化，与此同时，基片表面吸附较弱的淀积粒子会被反射，膜内的空隙通过离子轰击塌陷而被填充，由于离子辅助沉积的这些机理的存在，使得膜层的微观结构不再是“柱状+空穴”，而是接近于大块材料的连续、致密的结构，膜层的性能得到了改善，这个过程可以形象地理解为盖房子打地基时，用夯不断夯实填土的过程。离子辅助镀膜示意图离子源的种类：目前常用的有克夫曼（Kaufman）离子源，霍尔（Hall）离子源，射频(RF)离子源。霍尔离子源工作示意图克夫曼离子源结构示意图克夫曼离子源霍尔离子源有栅极无栅极离子发散角小离子发散角大，均匀性较好放电充气量小充气量多，要求真空系统抽速快栅极用静电加速电磁场加速高能（100～1500eV），束流较低（如500mA）低能（50～150eV），束流较高（如1000mA）能显示离子能量和束流专门仪器才能测离子能量和束流栅极污染较大污染较小价格较高价格较低克夫曼离子源和霍尔离子源性能比较克夫曼离子源的电子源是用热灯丝作为阴极，这样使得它在用氧气作为部分工作气体时极易氧化熔断。如果用13.56MHz的交流电施加于围绕在石英腔外围的铜圈（铜圈通以水冷，以免温度过高），于是电磁能耦合进入石英腔内，在石英腔内将引入的气体电离以代替克夫曼离子源的热电阻丝阴极，从而形成射频离子源。迄今为止射频离子源是应用最成功的离子辅助镀膜技术。射频离子源APS真空镀膜技术