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。
第三章真空蒸发镀膜-55页PPT资料
h2
3
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1
3
1
(
b h
)
2
2
④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：t0 tmin 相对偏差：1— t r
平均膜厚：t
1
R 2
tdA
A
膜材利用率：
R2 t
m
膜厚分布均方差： D 1
2
t t dA
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
② 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
式,可以推算温度T
简化为（3—5）式：logPv AB T
P41，（3—3）
③ 蒸发速率： 按余弦定律
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3—15
4)感应加热式蒸发源
①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3—13
②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
3.1 真空蒸发镀膜原理 Principle of Vacuum Evaporative Coating
1) 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
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
2. 残存气体对制膜的影响
22 （1）残存气体的蒸发速率Ng： N g 3.513 10
g Pg
M gTg
(13)
（2）到达基片的气体分子与蒸气分子之比(面源)：
Ng Nd
Pg P
Pg MT r 2 K M gTg A cos cos P
(14) （ g）
讨论：减小污染的途径
电子束加热蒸发源由： 阴极、加速电极、阳极 （膜料）组成。 还有高频加热蒸发源、 激光蒸发源等。
图8.2.5 电子束加热蒸发源
优点:
（1）可以直接对蒸发材料加热；
（2）装蒸发料的容器可以是冷的或者用水冷却，从而 可避免 材料与容器的反应和容器材料的蒸发；
（ 3 ） 可 蒸 发 高 熔 点 材 料 ， 例 如 ： 钨 （ Tm=3380℃ ） 、 钼 (Tm=2610℃)和钽（Tm=3000℃）等耐热金属材料。
图8.2.10 辉光放电
3. 溅射机理——两种假说 （1）Hippel理论（1926提出） 离子轰击靶产生的局部高温使靶材料（阴 极材料）的局部蒸发，在阳极上沉积制膜。
（2）动能转移机理 （Stark,1909，Langmuir, Henschk）
(I) 溅射出的原子能量比热蒸发原子能量高一个数量级； (II)轰击离子存在一个临界能量，低于这个能量，不能产生溅 射； (Ⅲ)溅射系数=溅射原子数/轰击离子数,既与轰击离子的能量 1 mv 2 有关，也与轰击离子的质量有关 ( ,动能转移 )； 2 (Ⅳ)离子能量过高，溅射系数反而下降,可能是因为离子深入 到靶材内部，能量没有交给表面附近原子的缘故； (Ⅴ)溅射原子出射的角分布，对于单晶靶材，粒子主要沿几个 方向出射。 最强的出射方向对应于晶格中原子最密集排列的方向，这 种现象可用“聚焦碰撞”解释。
简述真空蒸发镀膜技术的特点及分类
简述真空蒸发镀膜技术的特点及分类真空蒸发镀膜技术是一种常用的表面处理技术，通过在真空环境下加热材料，使其蒸发并沉积在基材表面形成薄膜的过程。
该技术具有许多特点，并可以根据不同的应用需求进行分类。
真空蒸发镀膜技术的特点如下：1. 高纯度：在真空环境下进行材料蒸发，可以避免杂质的污染，制备出高纯度的薄膜。
2. 薄膜均匀性好：通过调节蒸发源的位置和角度，可以在基材表面均匀沉积薄膜，使得薄膜的厚度均匀一致。
3. 膜层致密性好：由于真空环境下的蒸发可以减少气体的存在，使得薄膜的密度较高，致密性好，可以提高薄膜的物理性能。
4. 可控性强：通过调节蒸发源的温度和蒸发速率，可以控制薄膜的成分和厚度，实现对薄膜性能的调控。
5. 适用性广泛：真空蒸发镀膜技术可以用于各种基材的表面处理，包括金属、陶瓷、玻璃等材料。
根据不同的应用需求，真空蒸发镀膜技术可以分为以下几类：1. 光学薄膜：光学薄膜是真空蒸发镀膜技术中应用最广泛的一类。
通过控制薄膜的厚度和折射率，可以制备出具有特定光学性能的薄膜，如反射膜、透明导电膜等。
2. 保护膜：真空蒸发镀膜技术可以制备出具有优良耐腐蚀性能的薄膜，用于保护基材表面不受外界环境的侵蚀。
例如，在金属表面镀覆一层铬膜，可以提高金属的耐腐蚀性能。
3. 功能膜：真空蒸发镀膜技术可以制备出具有特定功能的薄膜，如硬质涂层、磁性薄膜、防反射膜等。
这些功能膜可以赋予基材特殊的性能，扩展其应用领域。
4. 生物医学膜：真空蒸发镀膜技术可以制备出生物相容性好、具有生物医学功能的薄膜，如生物陶瓷涂层、生物可降解薄膜等。
这些薄膜可以用于医疗器械、组织工程等领域。
真空蒸发镀膜技术具有高纯度、薄膜均匀性好、膜层致密性好、可控性强和适用性广泛等特点。
根据不同的应用需求，可以将其分类为光学薄膜、保护膜、功能膜和生物医学膜等。
随着科学技术的不断发展，真空蒸发镀膜技术在材料科学、光学工程、生物医学等领域的应用前景将更加广阔。
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。
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三、蒸发速率
根据气体分子运动论，在处于热平衡状态时，压强为P的气体， 单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数
J 1/ 4nva P /
2 mkT (2-6)
因为Vg》Vs，并假设在低气压下蒸气分子符合理想气
体状态方程，则有
Vg -Vs≈Vg ，Vg = RT/Pv
(2-2)
式中，R是气体常数，其值为8.31×107J/K·mol。
故方程式（2-1）可写成
dPv /P v = Hv·dT/RT2
（2-3）
亦可写成
d(lnPv)/d(1/T)= - Hv / R
2．蒸汽压方程 饱和蒸气压Pv与温度T之间的数学表达式称为
蒸汽压方程。可从克拉伯龙-克劳修斯（ClapeylonCalusius）方程式推导出来
7
dPv /dT = Hv / T(Vg-Vs) （2-1）
式中，Hv为摩尔气化热或蒸发热（J/mol）；Vg和Vs分
别为气相和固相或液相的摩尔体积（cm3）；T为绝对 温度（K）。
4
2.真空蒸发镀膜的三种基本过程： (1)热蒸发过程
是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相同的饱和 蒸气压；蒸发化合物时，其组分之间发生反应，其中 有些组分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。
3.511022 Pv / TM (个 / cm2 • s,Torr)
2.641024 Pv / TM (个 / cm2 • s。如果对式（2-9） 乘以原子或分子质量，则得到单位面积的质量蒸发速 率
G mJm m / 2 kT • Pv
薄膜； (4) 基板加热器及测温器等。 1. 真空蒸发镀膜法的优缺点：
优点：是设备比较简单、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，用掩膜可以获得清晰图形；薄膜的生长 机理比较单纯。
缺点：不容易获得结晶结构的薄膜，所形成薄膜在 基 板上的附着力较小，工艺重复性不够好等。
v 式中，n是分子密度，
尔兹曼常数。
a是算术平均速度，m是分子质量，k为玻
如果考虑在实际蒸发过程中，并非所有蒸发分子全部发生凝结， 上式可改写为
J Pv / 2 mkT (2-7)
式中， 为冷凝系数，一般 ≤1， P为v 饱和蒸气压。
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设蒸发材料表面液相、气相处于动态平衡，到达液 相表面的分子全部粘接而不脱离，与从液相到气相的 分子数相等，则蒸发速率可表示为
5.83102 M / T • Pv (g / cm2 • s,Torr) 4.37 103 M / T • Pv (kg / m2 • s, Pa)
Je dN /(A• dt) e (Pv Ph ) / 2 m(k2-T8)
式中，dN为蒸发分子（原子）数， e 为蒸发系数，A为
蒸与速发液率表体：面 静积 压， （tP为a）时。间当（秒e=）1P和v 和PPhh=分0别时为，饱得和最蒸大气蒸压发
Jm dN /(Adt) Pv / 2 mkT (cm2 • s1)
由于真空蒸发法或真空蒸镀法主要物理过程是通过 加热蒸发材料而产生，所以又称为热蒸发法。
2
一、真空蒸发的特点与蒸发过程
图2-1 真空蒸发镀膜原理
3
(1) 真空室 为蒸发过程提供必要的真空环境； (2) 蒸发源或蒸发加热器 放置蒸发材料并对其加热； (3) 基板 用于接收蒸发物质并在其表面形成固态蒸发
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及蒸发源到基片之 间的距离，常称源—基距。 (3)蒸发原子或分子在基片表面上的淀积过程，
即是蒸气凝聚、成核、核生长、形成连续薄膜。
5
由于基板温度远低于蒸发源温度，因此，沉积物分 子在基板表面将直接发生从气相到固相的相转变。
§2-1 真空蒸发原理 §2-2 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
§2-3 蒸发源的类型 § 2-4 合金及化合物的蒸发 §2-5 膜厚和淀积速率的测量与监控
1
真空蒸发镀膜法（简称真空蒸镀） 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 到固体（称为衬底或基片）表面，凝结形成固态薄膜 的方法。
真空蒸发镀膜时保证真空条件的必要性： 上述过程都必须在空气非常稀薄的真空环境中进行， 否则将发生以下情况： 1.蒸发物原子或分子将与大量空气分子碰撞，使膜层 受到严重污染，甚至形成氧化物； 2. 蒸发源被加热氧化烧毁； 3.由于空气分子的碰撞阻挡，难以形成均匀连续的薄 膜。
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二、饱和蒸气压和蒸汽压方程
1．饱和蒸汽压 一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸气与固体或液
体平衡过程中所表现的压力称为该物质的饱和蒸气压。
物质的饱和蒸气压随温度的上升而增大，在一定温 度下，各种物质的饱和蒸气压不相同，且具有恒定的 数值。即一定的饱和蒸气压必定对应一定的物质的温 度。饱和蒸汽压表征了物质的蒸发能力。
已经规定物质在饱和蒸气压为10-2托时的温度，称 为该物质的蒸发温度。
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由于气化热 Hv 通常随温度只有微小的变化，故可
近似地把Hv看作常数，于是式（2-3）求积分得
ln Pv = C- Hv / RT
（2-4）
式中C为积分常数。式（2-4）常采用对数表示为
lgPv = A - B/ T
（2-5）
式中，A、B为常数，A=C/2.3，B=Hv/2.3R，A、B值 可由实验确定。而且在实际上Pv与 T 之间的关系多由
实验确定。且有Hv=19.12B(J/mol)关系存在。
式（2-5）即为蒸发材料的饱和蒸气压与温度之间
的近似关系式。
9
表2-1 和图 2-2 分别给出了常用金属的饱和蒸气压
与温度之间的关系，从图2-2的lgPv～1/T近似直线图
看出，饱和蒸气压随温度升高而迅速增加，并且到达 正常蒸发速率所需温度，即饱和蒸气压约为1Pa时的 温度（已经规定物质在饱和蒸气压为10-2托时的温度， 称为该物质的蒸发温度）。