真空蒸发镀膜.ppt
第三章 真空蒸发镀膜,定义：真空蒸发镀膜，是将膜材加热汽化，实现镀膜的一种方法，是真空镀膜技术中发明最早、应用最广的。历史：电阻加热式蒸发镀膜已有百年历史 教学重点：镀膜原理、条件；蒸发源；源的蒸发特性和膜厚分布计算；典型镀膜机。,3.1 真空蒸发镀膜原理,Principle of Vacuum Evaporative Coating,原理、结构与特点 principle,structure,characteristics,真空蒸发镀膜原理图真空室 Coating chamber蒸发源 Evaporation Sources 加热器 heater 蒸发舟boat(filament)膜材 film materials挡板 shutter(shelter)膜材蒸汽 基片 substrate 基片架substrate holder(substrate carrier)基片加热器 heater 膜厚测量系统,特点：设备简单，操作容易；沉积速率大，成膜快；薄膜生长机理简单，膜的纯度高。,2)蒸发镀膜的三个基本过程及条件3 basic processes,蒸发过程：由凝聚相变为汽相、进入蒸发空间的相变过程 evaporation process输运过程：由膜材表面飞行到基片表面transfer process沉积过程：由汽相变为凝聚相 deposition process,3）蒸发镀膜的真空条件 Vacuum condition,在真空条件下镀膜的目的、优点：真空条件下易于蒸发（需要熔化的金属，熔、沸点降低；(melting point boiling point)需要汽化的金属，易于脱离表面形成蒸汽）；真空条件下易于空间输运（膜材粒子散失少particle scattering）；真空条件下易于膜的生长（残余气体影响小 residual gas）,所需真空度的计算：(按输运条件计算)膜材粒子在残余气体中的平均自由程：mean free path of film particles in residual gas严格计算，按粒子在残余气体中的平均自由程公式 简化计算，按常温空气分子的平均自由程公式 pPa cm,无碰撞几率P（L）=N/N0=exp（L/）粒子散失几率P1（L）=N1/N0=1exp（L/）数据：飞行距离L=0.5 0.1 0.05 0.01散失率 P1=0.63 0.393 0.095 0.049 0.01 例题：实际镀膜室尺寸：L 30m p0.665/30=2102 Pa P1=0.63 实际取p12102 Pa 以上的真空度，故称“高真空镀膜机”,4）蒸发条件 evaporation condition,蒸汽压条件：使饱和蒸汽压达到1Pa以上，真空有助于蒸发P39，表3-2：常用材料的熔化温度及蒸汽压达到1 Pa 时的蒸发温度，铬等材料先蒸发，后熔化 温度条件：使饱和蒸汽压Pv达到1Pa 的蒸发温度T材料蒸汽压Pv与温度的关系：克克方程 P41，（33）式,可以推算温度T 简化为（35）式：,蒸发速率：按余弦定律 个/（s.m2）蒸发质量速率：qm=m.Ne kg/（s.m2）考虑表面清洁程度的影响，引入蒸发系数1。,5)残余气体的影响 residual gas,影响方式：a、膜材粒子的有效空间传输率；b、膜层的质量，产生孔洞，埋在膜层内成为杂质；c、溅射掉已沉积的膜材粒子，导致沉积速率下降。残余气体的来源：内表面解吸；蒸发源放气；系统漏气；返流。其中内表面解吸为主要来源，成分主要为水蒸汽。书中P38 表31给出表面吸附单分子层内的分子数与空间气相分子数之比。压力越低，表面分子比例越大。所以，应重视除气（烘烤、轰击）。,残余气体对基片的入射速率：s-1m-2 对比：20空气 个/s m2 10-2Pa 下，到达基片的膜材分子与残余气体分子几乎一样多。提高真空度十分重要。,3.2蒸发源,Evaporative Sources,对蒸发源的要求：达到蒸发温度；提供足够热量；具有良好的发射特性。,原理：电阻加热器，焦耳热材料：高熔点金属或金属氧化物，钨、钼、胆、氮化硼、石墨,1)电阻加热式蒸发源,结构：丝、箔、舟、埚丝：单股、多股；V形、螺旋形；要求与膜材相浸润发热性好，所需功率少；发射性好，点源特性。缺点：支撑量少；易脱落（防脱落：预热闪蒸技术）；随膜材蒸发，热丝温度上升，蒸发速率变化。箔：金属箔。发热性好，所需功率少；支撑量多些，不脱落；一次性装料，有膜材放气问题，舟升温问题。舟：石墨、氮化硼（多用于镀铝）坩埚水冷铜电极：作用，结构,热计算：发热量 Q=I2Rt，低电压（几伏十几伏），大电流有用热：固相升温热+熔化热+液相升温热+汽化潜热热损失：传导（水冷铜电极）、辐射,2)电子束加热式蒸发源,原理：电场势能电子动能膜材热能 发热量 Q=IUt特点：能流密度大104109 W/cm2；温度高，用于难熔金属的蒸发；直接作用于材料，热损失少，热效率高；只用于导电膜材。膜纯度好，不象电阻加热式有加热器材料蒸发问题。缺点：电子枪结构复杂，造价高；电压高，危险；U2万伏时有X射线辐射；不适于化合物镀膜，成分易发生分解，因为温度高，并有电子破坏价键,结构：直形枪（皮尔斯枪）功率大，结构大，占空间大，多用于电子束炉，有被污染问题 e形枪结构紧凑，功率小（但够用）。结构包括：电子发射部分；电子加速部分；电子偏转部分；水冷旋转坩埚；二次粒子屏蔽,3)空心阴极枪电子束蒸发源,空心阴极等离子体放电原理：Hollow-Cathode Discharge空心阴极结构 Construction of hollow-cathode,放电机制 Mechanism of hollow-cathode discharge阴极负辉区重叠，大量电子积累震荡，空心腔中等离子体电离密度高。放电特征 Characteristics of discharge a)内部：阴极位降低，电子密度高；外观：放电电压低，电流大b)阴极温度低，溅射少 阴极发射电子的面积大，单位面积电流密度低，所以阴极温度低，阴极位降低阴极位降低离子入射能量小溅射弱；结构又保证溅射后再沉积，故溅射少。c)电子能量范围宽,应用 Application 空心（热）阴极放电主要用来产生大电子束流，实际上已经达到热阴极弧光放电程度。工作中气压较高，能够产生足够多的电子.HCD枪电子束蒸发，空心阴极离子镀 P60 图315,4)感应加热式蒸发源,原理：高频电源感应圈高频电流、电场高频交变磁场坩埚、膜材中感应涡流 涡流焦耳热膜材热能 结构：P57图313特点：功率大；蒸发速率大；蒸发源温度（蒸发速率）稳定；一次装料多；适合连续工作缺点：结构复杂，专用电源，造价高；热损失多，热效率低；成分纯度低，有杂质,5)激光加热式蒸发源,原理：CO2激光器，10.6m波长，功率密度达106W/m2；束斑小，要扫描。特点：功率密度大，蒸发源温度高，可用于化合物的蒸发；镀膜室结构简单，只有一个光窗，靶台。,3.3蒸发源的蒸发特性与膜厚分布,Evaporative Characteristics and Distribution of film thicknessfor Evaporative Sources,问题：如何在基片上获得均匀的膜厚分布。影响因素：蒸发源的蒸发特性，基片及源的几何形状，相对位置。,1)基本假设：,蒸汽分子在空间射线运动，与残余气体分子无碰撞散射蒸汽分子间无碰撞（蒸汽压力低，源表面亦是）蒸汽分子在基片各处的凝结系数均为1，与入射方向无关。,2）点蒸发源的蒸发特性与膜厚分布,图1 点蒸发源的发射示意图点源的定义：一个能够向各个方向等量发射膜材的微小球状蒸发源称为点蒸发源（简称点源）。点源的发射模式：中心球面,图1 点蒸发源的发射示意图,点源的蒸发特性：点源dA1以每秒m克的蒸发速率均等的向各个方向蒸发，则单位时间内在任何方向上通过立体角d的蒸发材料质量为：kg/s m点源的总蒸发速率kg/s；ddA平面的立体角（弧度）假定膜材密度为，则单位时间内沉积在dA2平面上的膜材平均厚度为：,点源对平面基片蒸发的膜厚分布点P（x，y，h）处的膜厚 垂足处膜最厚：各点的相对膜厚：,各点的相对膜厚：,常用计算以 点源正对固定圆基片的蒸发为例 膜厚最大绝对偏差：相对偏差：1平均膜厚：膜材利用率：膜厚分布均方差：,典型计算 点源正对固定圆基片的蒸发；点源斜对固定圆基片的蒸发；点源斜对旋转圆基片的蒸发；点源斜对固定矩形基片的蒸发；,3）小平面蒸发源的蒸发特性与膜厚分布,小平面源的定义：只能向半空间一侧发射膜材的微小平面状蒸发源称为小平面蒸发源（简称小平面源）。小平面源的发射模式：上切球面；遵守余弦定律图1小平面蒸发源的发射示意图,图1 小平面蒸发源的发射示意图,小平面源的蒸发特性：小平面蒸发源dA1以每秒m克的蒸发速率从小平面源的一面蒸发膜材时，在单位时间内通过与该小平面源的法线成角度方向的立体角为d的膜材质量为dm，由余弦定律可知有：如接受膜材的小平面dA2与蒸发方向成角度，则到达dA2上的膜材质量dm2为假定膜材密度为，则单位时间内沉积在dA2平面上的膜材平均厚度为：,小平面源对平行平面基片蒸发的膜厚分布=点P（x，y，h）处的膜厚 垂足处膜最厚：,各点的相对膜厚：图示：小平面源分布曲线比点源分布曲线更不均匀些。常用计算以 小平面源正对固定圆基片的蒸发为例膜厚最大绝对偏差；相对偏差（比点源大）；平均膜厚；膜材利用率（比点源高）；膜厚分布均方差（比点源大）；使用公式与点源公式相同。,典型计算 小平面源正对固定平行圆基片的蒸发；小平面源斜对固定非平行圆基片的蒸发；小平面源斜对旋转平行圆基片的蒸发；小平面源斜对旋转非平行圆基片的蒸发；,3）组合蒸发源的蒸发特性与膜厚分布,由一系列点源或小平面源组合而成的蒸发源，即组合源上的每一点的发射特性遵守点源或小平面源的发射规律。环形线蒸发源由点源组成的环形无宽度线蒸发源环形电阻丝蒸发源环形平面蒸发源由小平面源组成的圆环形有宽度的蒸发源圆平面磁控溅射靶环形锥面蒸发源由小平面源组成的圆锥形有宽度的蒸发源圆锥面磁控溅射靶 S枪环形柱面蒸发源由小平面源组成的圆环形有宽度的外侧向蒸发源圆柱磁控溅射靶,矩形平面蒸发源由小平面源组成的直线形有宽度的蒸发源矩形平面磁控溅射靶大平面蒸发源由小平面源组成的圆平面形蒸发源感应坩埚蒸发源,3.4典型高真空蒸发镀膜机,Typical Evaporative Coating Machine,1）DM-450型高真空蒸发镀膜机,书中P73 Fig3-35 为CWD-500型无油超高真空镀膜机示意图结构 钟罩式室体室体内：底板上布置抽气口接真空系统多组蒸发舟、水冷铜电极依次串联铜钥匙导电 一板多用的挡板手轮驱动，屏蔽工作蒸发舟工件架支杆式，悬吊工件架，书中为球面行星工件架真空计，,钟罩上布置观察窗，应带有防污染装置 烘烤加热装置，内衬挡板 膜厚测量机构石英震荡膜厚测量仪，光学反射膜厚测量仪机架内：螺旋提升机构电动机、减速器（皮带轮减速）、丝杠、螺母提升杆、导向柱防转、上下行程开关真空系统扩散泵+旋片泵+主阀（蝶阀）+组合阀+真空计水冷系统扩散泵、旋片泵、水冷铜电极电气控制系统控制操作面板、供电线路、控制线路特点 间歇式作业工序：装料、抽空、蒸镀、放气、出炉,2）卷绕式镀膜机,特点 半连续式作业带状基体一次连续镀完，一卷一个周期工序：装料、抽空、走带放气、预热脱气、连续蒸镀、放气、出炉结构 书中P78 Fig3-41 固定室体上真空系统，卷绕室，真空度1 Pa，增压泵+旋片泵 下真空系统，镀膜室，2.510-2 Pa，扩散泵+增压泵+旋片泵蒸发源，一排数个感应加热坩埚；以前采用多个蒸发舟+送丝机构 公用水冷挡板。蒸发源排列考虑膜厚分布,隔板，上下室分隔，留有狭缝要求保持压差，流导小；基带穿过，不划伤。观察窗，照明系统行走台车卷绕机构收放辊、导向辊、水冷辊、张紧辊、卷绕机构设计要点：恒定走带速度，放卷辊越转越快，收卷辊越转越慢，二者速度匹配，不松（防脱落）不紧（防拉断）。电机系统（力矩电机、直流调速电机）防跑偏跑偏调节机构，活动式导向辊，步进电机驱动，光电控制防起褶扩展辊，橡胶弯辊冷却效果普通水冷系统，或专门配备制冷系统,膜厚在线测量方块电阻的在线测量，加二铜导电测试辊门板强度，刚度，防变形卷绕驱动机构台车行走机构电机、减速器、行走轮配重：水冷辊的制冷、制热系统,习题problem：靶基距x=20 cm要求P95%，求残余气体压强p？,思考题,1、什么是蒸发镀膜的三个基本过程？真空条件对它们各有何影响？通常是如何确定工作真空度的？2、蒸发源有几种常用的形式？3、画图说明电阻式蒸发源的几种结构？4、分别描述“点源”和“小平面源”的发射特性。,
