真空蒸镀法

真空蒸镀法

摘要：本文简单的的介绍了与薄膜制备技术相关的基础知识，涉及薄膜制备系统、物理制膜和化学制膜及薄膜的应用，并重点讲解了真空蒸发镀膜技术。

关键词：镀膜、单晶、真空、成膜、加热、溅射、衬底、外延生长。

一、薄膜的概念和分类

采用一定的方法，使处于某种状态的一种或几种物质（原材料）的基因以物理或化学方式附着于衬底材料的表面，在衬底材料表面形成一层新的物质，这层新物质就是薄膜。简而言之，薄膜就是由离子、原子或分子的沉积过程形成的二维材料。

薄膜分类

（1）按物态分类：气态，液态，固态。

（2）按结晶态分类：非晶态：原子排列短程有序，长程无序。

晶态：又分为单晶和多晶；单晶为外延生长，在单晶基地上同质和异质外延，多晶在一衬底上生长，由许多取向相异单晶集合体组成。

（3）按化学角度分类：有机薄膜和无机薄膜。

（4）按组成分类：金属薄膜和非金属薄膜

（5）按物性分类：硬质薄膜、声学薄膜、热学薄膜、金属导电薄膜、半导体薄膜、超导薄膜、介电薄膜、磁阻薄膜、光学薄膜。

二、制备工艺

薄膜制备工艺包括：薄膜制备方法的选择，基体材料的选择及表面处理，薄膜制备条件的选择等。

（一）基体的选择

在薄膜制备过程中，基体的选择与其他制备条件同样重要，有时可能更重要，基体选择的原则是：

（1）是否容易成核和生长成薄膜；

（2）根据不同的应用目的，选择金属（或合金）、玻璃、陶瓷单晶和塑料等作基体；

（3）薄膜结构与基体材料结构要对应；

（4）要使薄膜和基体材料的性能相匹配，从而减少热应力，不使薄膜脱落；

（5）要考虑市场供应情况、价格、形状、尺寸、表面粗糙度和加工难易程度等。

（二）基片的清洗

1、概述

由于薄膜厚度很薄，基片表面的平整度、清洁度都会对所生长的薄膜有影响。基片表面的任何一点污物都会影响薄膜材料的性能和生长情况。由此可见，基片

的清洗是十分重要的。

基片的清洗方法主要根据薄膜生长方法和薄膜使用目的选定，因为基片表面状态严重影响基片上生长出的薄膜结构和薄膜物理性质。

2、基片的清洗方法

一般分为去除基片表面上物理附着的污物的清洗方法和去除化学附着的污物的清洗方法。

目前，基片清洗方法有：用化学溶剂溶解污物的方法、超声波清洗法、离子轰击清洗法、等离子体清洗法和烘烤清洗法等。

（三）薄膜的制备条件

真空技术是制备薄膜的基础，真空蒸发，溅射镀膜和离子镀等均要求沉积薄膜的空间要有一定的真空度，因而获得并保持真空环境是镀膜的必要条件。

1、真空的概念

“真空”拉丁文Vacuo，其意义是虚无。真空是指气体较稀薄的空间。真空是一个相对的概念“低于一个大气压的气体状态。”真空状态是气体分子运动的动态结果。标准状况下气体的分子密度约为3x1019 个/cm3，1 /104大气压下气体的分子密度约为3x1015 个/cm3。

2、真空度的单位

真空状态下气体稀薄程度称为真空度，通常用压力值表示。1958年，第一界国际技术会议曾建议采用“托”(Torr)作为测量真空度的单位。国际单位制(SI)中规定压力的单位为帕(Pa)。我国采用SI规定。

1标准大气压(1atm)≈1.013×105Pa(帕)

1Torr≈1/760atm≈1mmHg

1Torr≈133Pa≈102 Pa

100Pa=0.75Torr ≈1Torr

3、真空度的划分

为了研究真空和实际应用方便，常把真空划分为：

低真空（1×105~1×102Pa）

中真空（1×102~1×10-1Pa）

高真空（1×10-1~1×10-6Pa）

超高真空（<1×10-6Pa）四个等级。

4、真空的基本特点

（1）气体间的碰撞少，平均自由程长

（2）与器壁或研究对象表面的碰撞少

（3）压力低，改变化学平衡

（4）热导低

（5）化学非活性

三、制备方法

代表性的制备方法按物理、化学角度来分，有：

1 物理成膜PVD

2 化学成膜CVD

物理成膜的定义为：利用蒸发、溅射沉积或复合的技术，不涉及到化学反应,成膜过程基本是一个物理过程而完成薄膜生长过程的技术,以PVD为代表。

成膜的方法和工艺：真空蒸发镀膜（包括脉冲激光沉积、分子束外延）

溅射镀膜

离子成膜

化学成膜的定义为：有化学反应的使用与参与，利用物质间的化学反应实现薄膜生长的方法。

成膜的工艺和方法：化学气相沉积(CVD – Chemical Vapor Deposition )

液相反应沉积(液相外延)

下面以真空蒸发镀膜为例：

四、真空方法镀膜

1，基本概念

在真空环境中，将材料加热并镀到基片上称为真空蒸镀，或叫真空镀膜。蒸镀是将待成膜的物质置于真空中进行蒸发或升华，使之在工件或基片表面析出的过程。

2、工艺原理

真空室内加热的固体材料被蒸发汽化或升华后，凝结沉积到一定温度的衬底材料表面。形成薄膜经历三个过程：

（1）蒸发或升华。通过一定加热方式使被蒸发材料受热蒸发或升华，由固态或液态变成气态。对于单质材料，按常见加热方式有电阻加热、电子束加热、高频感应加热、电弧加热和激光加热。

1）电阻加热

电阻作为蒸发源，通过电流受热后蒸发成膜。使用的材料有：Al、W、Mo、Nb、Ta及石墨等。

2）电子束加热

利用电子枪（热阴极）产生的电子束，轰击欲蒸发的材料（阳极）使之受热蒸发，经电子加速极后沉积到衬底材料表面。

3）高频感应加热

高频线圈通以高频电流后，产生涡流电流，致内置材料升温，熔化成膜。

4）电弧加热

高真空下，被蒸发材料作阴极、内接铜杆作阳极，通电压，移动阳电极尖端与阴极接触，阴极局部熔化发射热电子，再分开电极，产生弧光放电，使阴极材料蒸发成膜。

5）激光加热

非接触加热。用激光作热源，使被蒸发材料汽化成膜。常用CO2、Ar、YAG 钕玻璃，红宝石等大功率激光器。

（2）输运到衬底。气态原子或分子在真空状态及一定蒸气压条件下由蒸发源输运到衬底。包含以下方法：

1）闪蒸蒸发（瞬间蒸发）：

呈细小颗粒或粉末的薄膜材料，以极小流量逐渐进入高温蒸发源，使每个颗粒在瞬间全蒸发，成膜，以保证膜的组分比例与合金相同。

2）多源蒸发：

组成合金薄膜的各元素，各自在单独的蒸发源中加热，蒸发，并按薄膜材料组分比例成膜。

3）反应蒸发：

真空室通入活性气体后，其原子、分子与来自蒸发源的原子，分子，在衬底表面反应生成所需化合物。一般用金属或低价化合物反应生成高价化合物。

4）三温度蒸发；

实际上是双源蒸发。对不同蒸气压元素，对蒸发温度，蒸发速率和衬底温度分别控制，在衬底表面沉积成膜。

5）热壁法：

利用加热的石英管（热壁），将蒸发源蒸发出的分子或原子，输向衬底成膜。是外延薄膜生长的发展。

6）分子束外延(MBE)

外延：指在单晶基体上成长出位向相同的同类单晶体（同质外延），或者成长出具有共格或半共格联系的异类单晶体（异质外延）。外延方法很多，有气相外延法、液相外延法、真空蒸发外延法、溅射外延法等。

外延原理

在超高真空条件下，将各组成元素的分子束流以一个个分子的形式喷射到衬底表面，在适当的温度下外延沉积成膜。

应用

目前MBE的膜厚控制水平达到单原子层，可用于制备超晶格、量子点，及3-5族化合物的半导体器件。

7）脉冲激光沉积(PLD)

利用脉冲聚焦激光烧蚀靶材，使靶的局部在瞬间受高温汽化，在真空室内的惰性气体羽辉等离子体作用下活化，并沉积到衬底的一种制膜方法。

（3）吸附、成核与生长。通过粒子对衬底表面的碰撞，衬底表面对粒子的吸附以及在表面的迁移完成成核与生长过程。是一个以能量转换为主的过程。

3、蒸镀特点

（1）适宜镀制对结合强度要求不高的某些功能膜，如电极的导电膜、光学镜头用增透膜。

（2）蒸镀合金膜时，较溅射成分难保证。

（3）镀纯金属时速度快，90%为铝膜。

（4）铝膜的用途广泛，在制镜业代替银，在集成电路镀铝进行金属化后刻蚀出导线。

4、蒸镀的设备

可用的金属蒸发源包括电阻加热、感应蒸发、电子束枪，以及真空电弧。电阻加热的钨丝是最常用的方式。钨丝放置于要求位置，获得均匀的

覆盖，铝屑或切段放置在钨丝上。蒸发金属也可放置在加热艇或坩锅内。

蒸镀通常可以在圆柱形涂镀室内分批进行。涂镀室直径可达几米，取决于涂镀零件的大小和数量。零件可以绕蒸汽源做行星运动，以在零件各边均匀地涂镀金属层。如果需要的话，不需涂镀的区域可使用隔膜，通常是金属板。

5、蒸镀优点

（1）能在金属、半导体、绝缘体甚至塑料、纸张、织物表面上沉积金属、半导体、绝缘体、不同成分比的合金、化合物及部分有基聚合物等的薄膜，其适用范围之广是其它方法无法与之比拟的；

（2）可以不同的沉积速率、不同的基板温度和不同的蒸气分子入射角蒸镀成膜，因而可得到不同显微结构和结晶形态（单晶、多晶或非晶等）的薄膜;

（3）薄膜的纯度很高；

（4）易于在线检测和控制薄膜的厚度与成分。厚度控制精度最高可达单分子层量级；

（5）排出污染物很少且基本上没有，无“三废”公害。

参考文献

1.郝兰（英）著。真空镀膜技术，国防工业出版社（1962）。

2.五机部新技术推广所编，794镀膜会议资料选取编，第三册。

3.孟凡明、周明飞、柴琪等，薄膜的制备与表面研究，安徽大学物理与材料科学学院，合肥，2003/09。

4.王贺权，沈阳航空工业出版社，蒸镀相关工艺对薄膜反射率性质的影响，2008,01，28。

5.翁伟浩，浙江大学材料科学与工程学系，杭州，真空科学与技术学报，2008.