真空蒸发镀膜法
第四章 真空蒸发镀膜法
第五节 蒸发源的类型
真空蒸发所采用的设备根据其使用目的不同 可能有很大的差别， 可能有很大的差别，从最简单的电阻加热蒸 镀装置到极为复杂的分子束外延设备， 镀装置到极为复杂的分子束外延设备，都属 于真空蒸发沉积的范畴。 于真空蒸发沉积的范畴。 在蒸发沉积装置中， 在蒸发沉积装置中，最重要的组成部分就是 物质的蒸发源。 物质的蒸发源。
第一节 真空蒸发镀膜原理
定义：真空蒸发镀膜(蒸镀) 一．定义：真空蒸发镀膜(蒸镀)是 在真空条件下， 在真空条件下，加热蒸发物质使 气化并淀积在基片表面形成固 之气化并淀积在基片表面形成固 体薄膜，是一种物理现象。 体薄膜，是一种物理现象。 广泛地应用在机械、电真空、 广泛地应用在机械、电真空、无 线电、光学、原子能、 线电、光学、原子能、空间技术 等领域。 等领域。 加热方式可以多种多样。 加热方式可以多种多样。
24
P (P ) v a
MT 22 P (Torr) ≅ 3.51×10 v 分子/(厘 2 ⋅ 秒 米 ) MT
分 /(厘 2 ⋅ 秒 子 米 )
m M −4 Rm = mRe = P ≅ 4.37×10 P (Pa) 克/(厘米2 ⋅ 秒 ) V V 2π RT T M ≅ 5.84×10 P (Torr) 克/(厘 2 ⋅ 秒 米 ) V T
三个基本过程： 四. 三个基本过程：
（1）加热蒸发过程，包括由凝聚相转变为气相（固相或液相 ）加热蒸发过程，包括由凝聚相转变为气相（ →气相）的相变过程。每种蒸发物质在不同温度时有不同的 气相）的相变过程。 气相 饱和蒸气压，蒸发化合物时，其组合之间发生反应， 饱和蒸气压，蒸发化合物时，其组合之间发生反应，其中有 些组成以气态或蒸气进入蒸发空间。 些组成以气态或蒸气进入蒸发空间。 （2）气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运，即这些粒 ）气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运， 子在环境气氛中的飞行过程 飞行过程。 子在环境气氛中的飞行过程。飞行过程中与真空室内残余气 体分子发生碰撞的次数， 体分子发生碰撞的次数，取决于蒸发原子的平均自由程以及 从蒸发源到基片之间的距离，常称源-基距 基距。 从蒸发源到基片之间的距离，常称源 基距。 淀积过程， （3）蒸发原子或分子在基片表面上的淀积过程，即蒸气凝聚、 ）蒸发原子或分子在基片表面上的淀积过程 即蒸气凝聚、 成核、核生长、形成连续薄膜。由于基板温度远低于蒸发源 成核、核生长、形成连续薄膜。 温度， 温度，因此沉积物分子在基板表面将发生直接从气相到固相 的相转变过程。 的相转变过程。
真空蒸发镀膜的原理
真空蒸发镀膜的原理
真空蒸镀膜是一种常用的表面处理技术，其原理是利用真空环境中的物理性质，在材料的表面形成一层均匀的金属或非金属薄膜。
其基本步骤如下：
1. 准备基底材料：首先选取需要镀膜的基底材料，常用的包括玻璃、金属、陶瓷等。
2. 清洗基底材料：对基底材料进行清洗，去除表面的油脂、氧化物等杂质，以确保镀膜的附着力和均匀性。
3. 装载基底材料：将经过清洗的基底材料放置在真空蒸镀设备的工作架上。
工作架通常可以旋转和倾斜，以便实现均匀的镀膜。
4. 抽真空：启动真空泵，将腔室内的气体抽至低真空状态，以去除氧气和其他气体分子，保持清洁的反应环境。
5. 加热基底材料：在真空腔室内加热基底材料，以提高蒸发源的温度，使金属材料在高温条件下迅速蒸发。
6. 蒸发源物质蒸发：将选定的镀膜材料放置在腔室的蒸发源中，随着蒸发源的加热，其表面开始蒸发，并沉积在基底材料的表面。
7. 形成薄膜：蒸发源中的金属材料蒸发后，通过碰撞和扩散等过程，沉积到基底材料表面形成一层均匀的薄膜。
8. 控制膜厚度：通过控制蒸发源的温度、蒸发时间和基底材料的位置等参数，来控制膜的厚度。
9. 冷却基底材料：在薄膜形成后，冷却基底材料以减少膜的应力和提高其附着力。
10. 放气还原：在薄膜形成后，放气还原真空腔室至大气压力，可以安全地取出镀膜好的基底材料。
通过以上步骤，真空蒸镀膜技术可以实现在不同基底材料上形成具有各种性质的薄膜，从而具有广泛的应用。
真空蒸发镀膜实验报告
真空蒸发镀膜实验报告真空蒸发镀膜实验报告引言：镀膜技术是一种常用的表面处理方法，它可以提高材料的光学、电学、磁学等性能。
在镀膜技术中，真空蒸发镀膜是一种常见的方法。
本实验旨在通过真空蒸发镀膜实验，探究其原理和应用。
一、实验原理真空蒸发镀膜是利用物质在真空环境下的蒸发和沉积过程，将所需材料以原子或分子形式沉积在基材表面，形成一层薄膜。
在真空环境下，物质的蒸发速度与环境压力成反比，因此通过调节真空度可以控制蒸发速度，从而控制薄膜的厚度。
二、实验步骤1. 准备实验装置：将真空蒸发镀膜装置连接至真空泵，确保系统处于良好的真空状态。
2. 准备基材：清洗基材表面，确保表面干净无尘。
3. 准备镀膜材料：选择合适的镀膜材料，将其切割成适当大小的块状。
4. 蒸发源安装：将镀膜材料放置在蒸发源中，将蒸发源安装至真空腔室内。
5. 开始蒸发：打开真空泵，开始抽真空，待真空度达到要求后，打开蒸发源，开始蒸发镀膜。
6. 控制薄膜厚度：根据需要的薄膜厚度，调节蒸发源的功率和蒸发时间。
7. 结束蒸发：薄膜蒸发完成后，关闭蒸发源和真空泵，将装置恢复到常压状态。
8. 检查膜层质量：使用显微镜或其他测试设备检查膜层的均匀性和质量。
三、实验结果通过本次实验，我们成功制备了一层金属薄膜。
经过显微镜观察，我们发现薄膜均匀且质量良好。
通过测量，我们得到了薄膜的厚度为300纳米。
四、实验讨论1. 蒸发源选择：在真空蒸发镀膜实验中，蒸发源的选择对薄膜的质量和性能起着重要作用。
不同的材料具有不同的蒸发特性，因此在实验前需要仔细选择合适的蒸发源。
2. 控制薄膜厚度：薄膜的厚度直接影响其光学和电学性能。
在实验中，我们通过调节蒸发源功率和蒸发时间来控制薄膜的厚度。
在实际应用中，可以通过监测蒸发速率和实时测量薄膜厚度来实现更精确的控制。
3. 薄膜质量检查：薄膜的均匀性和质量是评价镀膜效果的重要指标。
在实验中，我们使用显微镜观察薄膜表面，确保其均匀性。
在实际应用中，还可以使用光学测试仪器、电学测试仪器等进行更详细的检测。
真空蒸发镀膜蒸镀
3）膜质还与蒸发材料和残存气体的性质、膜结构、基片温度以及基片 自身的污染有关；
4）净化处理：对真空系统——烘烤；对基片——加热去污。
3. 蒸镀分馏问题
由于各组分的饱和蒸气压不同，因而蒸发速率不同，造成 沉积膜的成分与母体不同（分馏），薄膜本身成分也随厚 度而变化（分层）。
合金在蒸发时会发生分馏
设：物质含A，B成分，MA、MB，PA、PB， 则由（3）式，得 ：
N A C A PA M B N B CB PB M A
(14)
改进工ห้องสมุดไป่ตู้：
1）选择基片温度，使之有利于凝聚而不是分凝； 2）选用几个蒸发源，不同温度下分别淀积，但控制困难； 3）氧化物，可采用反应蒸镀法，引入活性气体。
（5）沉积温度较高，膜与基片的结合强 度不高。
图8.2.1 蒸镀装置示意图
1.衬底加热器；2.衬底；3. 原料；4.料舟
1. 物理基础
（1）物理阶段： ① (淀积材料的)升华：S→V； ② 输运：蒸发源→基片上； ③ 沉积： V→S ； ④ 重新排列：淀积粒子在基片上重新排列或键合
蒸发淀积——不平衡过程； 恒定条件——高质量膜。
m
t0 h2
（8） ，
(面源) (10)
(9) 代入(7)，可得 ：
t
m cos 4r 2
m
4h2
h2 r2
cos
t0
h3 r3
沉积膜相对厚度分布 ：
t [1 ( x / h)2 ]3/ 2 t0
t [1 ( x / h)2 ]2 t0
(点源) (11) (面源) (12)
蒸发法真空镀膜
蒸发法真空镀膜实验⽬的初步了解真空镀膜的原理和操作以及薄膜厚度的测量。
实验原理真空镀膜是将固体材料置于真空室内，在真空条件下，将固体材料加热蒸发，蒸发出来的原⼦或分⼦能⾃由地弥布到容器的器壁上。
当把⼀些加⼯好的基板材料放在其中时，蒸发出来的原⼦或分⼦就会吸附在基板上逐渐形成⼀层薄膜。
真空镀膜有两种⽅法,⼀是蒸发,⼀是溅射。
本次实验采⽤蒸发⽅法。
在真空中把制作薄膜的材料加热蒸发，使其淀积在适当的表⾯上。
●真空系统(DM—300镀膜机)●蒸发源蒸发源的形状如下图，⼤致有螺旋式(a)、篮式(b)、发叉式(c)和浅⾈式(d)等●蒸发源选取原则1 有良好的热稳定性，化学性质不活泼，达到蒸发温度时加热器本⾝的蒸汽压要⾜够底。
2 蒸发源的熔点要⾼于被蒸发物的蒸发温度。
加热器要有⾜够⼤的热容量。
3 蒸发物质和蒸发源材料的互熔性必须很底，不易形成合⾦。
4 要求线圈状蒸发源所⽤材料能与蒸发材料有良好的浸润，有较⼤的表⾯张⼒。
5 对于不易制成丝状、或蒸发材料与丝状蒸发源的表⾯张⼒较⼩时，可采⽤⾈状蒸发源。
●薄膜厚度分布设蒸发源为点蒸发源，单位时间内通过任何⽅向⼀⽴体⾓dω的质量为：蒸发物质到达任⼀⽅向⾯积元ds质量为：设蒸发物的密度为ρ，单位时间淀积在ds上的膜厚为t，则⽐较以上两式可得：对于平⾏平⾯ds，φ=θ，则上式为：由：可得在点源的正上⽅区域(δ=0)时：薄膜的厚度测量–⼲涉显微镜法⼲涉条纹间距Δ0 ，条纹移动Δ，台阶⾼为：测出Δ0 和Δ，即可测得膜厚t其中λ为单⾊光波长，如⽤⽩光，λ取实验步骤1.绕制钨篮，清洗钨篮和载玻⽚,铝丝，祛除表⾯氧化物。
2制作基⽚，.⽤⼀窄薄铝⽚遮盖在载玻⽚上，以便镀膜完成后在基⽚上形成台阶。
3. 将钨篮和钼⾈固定在钟罩内的电极上，并放⼊铝丝。
,4抽⾄真空度达10-6torr以上,开始蒸发镀膜。
5.镀膜完成后,处理真空机组的后续⼯作。
6.⽤称重法测薄膜的厚度。
7.⽤⼲涉法测薄膜的厚度。
真空蒸发(蒸发镀膜)PPT幻灯片课件
在100℃时，水的饱和蒸气压增大到101324.72Pa
8
第一节 真空蒸发原理
蒸发温度
规定物质在饱和蒸气压为10-2Torr时的温度 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。9
第一节 真空蒸发原理
3. 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
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第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
★ 点蒸发源
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）。
dm m d 4
m
4Байду номын сангаас
cos
r2
dS2
dm t dS2
dS1 dS2 cos
dS1 r 2 d
d
dS2 cos
r2
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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
电子的动能和电功率：
m 9.11028 g
1 m2 e U
2 e 1.61019C
5.93105 U (m/s)
Q 0.24Wt
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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。
• 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。
电子束蒸发源的缺点：
真空蒸发镀膜的三个基本过程
真空蒸发镀膜的三个基本过程真空蒸发镀膜是一种常用的表面处理技术，广泛应用于光学、电子、材料等领域。
它通过在真空环境中加热源材料，使其蒸发并沉积在基材上，形成一层均匀、致密的薄膜。
这个过程包括三个基本步骤：蒸发源的加热、蒸发物的输运和沉积。
第一步是蒸发源的加热。
蒸发源通常是一种具有较高蒸发温度的物质，如金属或氧化物。
为了使蒸发源达到所需的温度，通常采用电阻加热或电子束加热等方式。
在加热的过程中，蒸发源的温度逐渐升高，蒸发物开始从蒸发源表面蒸发出来。
第二步是蒸发物的输运。
蒸发物从蒸发源表面蒸发出来后，必须经过一段距离才能到达基材表面。
为了使蒸发物能够输运到基材上，通常在真空腔室中设置一些控制装置，如抽气系统和导向装置。
抽气系统可以将真空腔室内的气体抽除，降低蒸发物与气体分子的碰撞，减少蒸发物的散射和损失。
导向装置可以引导蒸发物的运动方向，使其尽可能地沉积在基材上。
第三步是蒸发物的沉积。
蒸发物通过输运后，最终到达基材表面，并在其上沉积形成薄膜。
在沉积过程中，蒸发物与基材表面发生相互作用，形成化学键或物理键，从而使蒸发物附着在基材上。
为了控制薄膜的质量和厚度，通常需要调节蒸发源的温度、蒸发速率和基材的旋转速度等参数。
此外，还可以通过控制沉积时间和基材的位置，来实现对薄膜性能的调控。
真空蒸发镀膜是一种通过蒸发源的加热、蒸发物的输运和沉积来形成薄膜的表面处理技术。
它在光学、电子、材料等领域有着广泛的应用。
通过控制蒸发源的加热和温度，以及调节蒸发物的输运和沉积过程，可以得到具有不同性能和结构的薄膜，满足不同领域的需求。
真空蒸发镀膜资料
真空蒸发镀膜
真空蒸发镀膜法(简称真空 蒸镀)是在真空室中，加热蒸发 容器中待形成薄膜的原材料， 使其原子或分子从表面气化逸 出，形成蒸气流，入射到基片 表面，凝结形成固态薄膜的方 法。
λ ＞＞ 源基距
Example: 若要求f ≤0.1, 源基距为25cm 则P ≤3×10-3Pa
真空蒸发镀膜
蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 在真空蒸发镀膜过程中，能否在基板上获得均匀膜厚，是制膜的关键问题。
膜厚的影响因素 A、 蒸发源的特性； B、基板与蒸发源的几何形状，相对位置； C、蒸发物质的蒸发量。
1. 残留气体的污染。 2. 蒸发源物质的纯度； 3. 加热装置、坩埚的污染；
单位时间内通过单位面积的气体的分子数：
Ng
1 4
nVa
P
2mkT
25℃时，10-5 Torr时， Ng大约为1015~1016个/cm2·s， 此时蒸发原子与杂质原子几乎按1：1到达 基板
真空蒸发镀膜
残留气体的影响 大气的残余物（O2、N2、CO2、H2O），扩散泵油蒸气，真空室吸气 对真空蒸发镀膜质量有重要影响。 在设计优良的系统中，真空泵的回流扩散作用不明显。 当P≤10-4Pa时，主要为被解吸的真空室吸气。 水汽影响很大，易与金属膜反应，或与W，Mo等加热器材料反应，生 成氧化物和氢。
真空蒸发镀膜
蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 二、小平面蒸发源
特点：发射特性具有方向性 在θ角方向蒸发的材料质量与cosθ成正比
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五.真空热蒸发镀膜法的特点
特点：
设备比较简单、操作容易； 制成的薄膜纯度高、质量好，厚度可较准确控制； 成膜速率快，效率高，用掩模可以获得清晰图形； 薄膜的生长机理比较简单； 这种方法的主要缺点是：不容易获得结晶结构的薄膜；所形 成的薄膜在基板上的附着力较小；工艺重复性不够好等。
I：积分常数
B ln P A T
只在一定温度范围内成立，实际上I与温度相关
15993 Al : ln P 14.533 0.999 lg T 3.52 106 T T
B ln P A T
说明:
1) 平衡蒸汽压为1 Pa时的温度即蒸发所需的 温度;
2) 温度变化10%，平衡蒸汽压变化大约一个 数量级，对温度很敏感； 3) 蒸发温度高于熔点，液体 ~ 蒸汽
蒸发温度低于熔点，固体 ~ 蒸汽，升华
二. 蒸发速率
1 Z nv n：分子密度； 4 v ：气体分子的算术平均速率
Ph
PV
P V P h 2 mRT
v
8 RT m
dN Re e Adt
dN：蒸发粒子数
A：蒸发表面积
Ph：蒸发物分子对蒸发表面造成的静压强
e：蒸发系数（0~1）
(3)预蒸发活性金属薄膜。
第四节 蒸发源的发射特性------厚度分布
蒸发过程的假设： 1) 忽略蒸发原子与剩余气体和蒸发原子之间 的碰撞。 2) 蒸发源的发射特性不随时间而变化。 3) 入射到基片上的原子全部凝结成薄膜。
一. 点蒸发源
已知Rm(单位时间单位面积点蒸发源蒸发的分子的质量)
则时间t1内，蒸发总质量：
2
朗谬尔(Langmuir)蒸发公式
第三节 蒸发动力学
一．蒸发物质的平均自由程与碰撞几率
真空室内存在着两种粒子，一种是蒸发物质 的原子或分子，另一种是残余气体分子。 真空蒸发实际上都是在具有一定压强的残余 气体中进行的。显然，这些残余气体分子会 对薄膜的形成过程乃至薄膜的性质产生影响。
二．蒸发物质的碰撞几率和纯度
基体；
3.粒子沉积在基体表面上并凝聚成薄膜； 4.组成薄膜的原子重新排列或化学键合发生变化。 影响真空镀膜质量和厚度的因素主要有蒸发源的温
度、蒸发源的形状、基片的位置、真空度等。
四. 三个基本过程：
（1）加热蒸发过程，包括由凝聚相转变为气相（固相或液相 →气相）的相变过程。每种蒸发物质在不同温度时有不同的 饱和蒸气压，蒸发化合物时，其组合之间发生反应，其中有 些组成以气态或蒸气进入蒸发空间。 （2）气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运，即这些粒 子在环境气氛中的飞行过程。飞行过程中与真空室内残余气 体分子发生碰撞的次数，取决于蒸发原子的平均自由程以及 从蒸发源到基片之间的距离，常称源-基距。 （3）蒸发原子或分子在基片表面上的沉积过程，即蒸气凝聚、 成核、核生长、形成连续薄膜。由于基板温度远低于蒸发源 温度，因此沉积物分子在基板表面将发生直接从气相到固相 的相转变过程。
粒子在两次碰撞之间所飞行的平均距离称为蒸发分子的平 均自由程。 式中，P是残余气体压强，d是分子直径，n为残余气体分 子密度。例如，在一个大气压下，蒸发分子的平均自由程 约为50cm，这与普通真空镀膜室的尺寸不相上下。因此， 可以说在高真空条件下大部分的蒸发分子几乎不发生碰撞 而直接到达基板表面。
二. 真空蒸发镀膜原理
图2.1为真空蒸发镀膜原理示意图。 主要部分有： 真空室，为蒸发过程提供必要的真空环境； 蒸发源或蒸发加热器，放置蒸发材料并对其 进行加热； 基板（基片），用于接收蒸发物质并在其表 面形成固态蒸发薄膜； 基板加热器及测温器等。三．真空蒸发的物理过程：
1.采用各种形式的热能转换方式，使镀膜材料粒子蒸 发或升华，成为具有一定能量的气态粒子(原子， 分子，原子团，0.1 0.3 eV)； 2.气态粒子通过基本上无碰撞的直线运动方式传输到
1 2 2nd
KT 2 2Pd
在室温下，空气
0.667 (cm) P
设N0个气体分子飞行d距离，被碰撞的气体 分子数N
d N N 0 1 exp( )
被碰撞的粒子百分数
f N d 1 exp( ) N0
0.667 (cm) P
为保证薄膜的沉积质量，要求f≤0.1，若源-基片距离 25cm, 则P≤3X10-3Pa
关系曲线
薄膜的纯度 Ci
Ci 定义：在1cm2表面上每秒钟剩余气体分子碰撞的数目与蒸 发淀积粒子数目之比。 每秒钟蒸发淀积在1cm2基片表面的粒子对应的膜厚增加，成 为淀积速率Rd。
R沉积
R碰撞
N A Rd
Pg
为薄膜分子的密度
Ma
M a为薄膜分子的摩尔质量
Pg Mg R 2 T NA NA
2 mkT
N A Pg 2 M g RT
则
Pg M a R碰撞 2 Ci =5.83 10 R沉积 Rd M gT
避免环境中的残存气体对薄膜的污染: (1)使用高真空技术，提高沉积系统的真空度; (2)提高薄膜生长速率;
蒸发速率公式
Ph ~ 0, 0 e 1, 可设 e 1 则
Pv 24 P v (P a) Re 2.64 10 分子/(厘米2 秒) 2 mRT MT 22 P v (Torr ) 3.5110 分子 /(厘米2 秒) MT
Rm mRe P V m M 4 2 4.37 10 P ( Pa ) 克 /( 厘米 秒) V 2 RT T M 2 5.84 10 P ( Torr ) 克 /( 厘米 秒) V T
第二节 蒸发热力学
一. 饱和蒸汽压P与温度的关系 Clapeyron-Clausius方程：
dP H dT TV
ΔH：单位摩尔物质的热焓变化 ΔV：单位摩尔物质体积的变化
理想气体的物态方程：
dP PH dT RT 2
RT P Va
则有
H e ln P I RT
ΔH≈物质在某温度的汽化热ΔHe或蒸发热
M e Rm dAdt Rm t1 4 r 2