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
)2
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。
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。
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。
真空蒸发镀膜法
10
表2-1 一些常用材料的蒸气压与温度关系
11
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图2-2 各种元素的蒸气压与温度关系
13
14
15
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
3.511022Pv/ TM(个/cm2s,Torr)
2.641024Pv/ TM(个/cm2s,Pa)
(2-9)
17
式中，M为蒸发物质的摩尔质量。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
GmJm m/2kTPv
5.83102 M/TPv(g/cm2s,Torr) 4.37103 M/TPv(kg/m2s,Pa)
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。
一．点蒸发源
通常将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（简称点源）。一个很小的球dS， 以每秒m克的相同蒸发速率向各个方向蒸发，则在单 位时间内，在任何方向上，通过如图2-4所示立体角 dω的蒸发材料总量为dm，此角度为蒸发源和表面的 角度，则有
dm = m / 4π·dω
（2-21）
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
真空蒸发镀膜蒸镀
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2. 残余气体对制膜旳影响
（1）残余气体旳蒸发速率Ng： N g 3.5131022
g Pg
M gTg
(13)
（2）到达基片旳气体分子与蒸气分子之比(面源)：
N g Pg Nd P
MT
r 2
Pg K
M gTg Acos cos P
(14) （ g）
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（2）电子束加热蒸发源 电子束集中轰击膜料旳一部分而进行加热旳措施。
图8.2.5 电子束加热蒸发源
电子束加热蒸发源由： 阴极、加速电极、阳极 （膜料）构成。
还有高频加热蒸发源、 激光蒸发源等。
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优点:
（1）能够直接对蒸发材料加热； （2）装蒸发料旳容器能够是冷旳或者用水冷却，从而 可防止
点e
4 r
cos 2
m cos 4 r 2
（7）
小型平面蒸发源： m cos cos t r 2
令： cos cos h / r h /
h2 x2 ，
在x=0处：cos=cos=1
m
∴ t0 4 h2 (点源) (9)
m
t0 h2
（8） (面源) (10)
(1/cm2·s)
(5)
小型圆平面源：
Nd
AN e
cos r 2
cos
(1/cm2·s)
(6)
β、θ为蒸气入射方向分别与蒸刊 登面和接受表面法向旳夹角 。
图8.2.3 、角旳意义
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（4）蒸发制膜旳厚度
∵τ时间内，蒸发材料旳总量：m =ANe，密度：
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优点：������
设备简单、操作容易；������ 薄膜纯度高，质量好，可精确控制膜厚； 沉积速率快、用掩模能获得清晰的图形。
缺点：薄膜附着力小； 工艺重复性不好； 不易获得结晶结构的薄膜； 对靶材有一定限制。
蒸发过程
（1）加热蒸发过程，固相/液相→气相； （2）气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运，即 飞行过程； （3）蒸发原子或分子在基片上的沉积过程。 根据这三个过程，考虑如果真空室压力过高，会 出现什么情况？ （1）蒸发源被氧化； （2）气化原子或分子在飞行过程中被空气分子频繁碰 撞，致使难以形成均匀的膜层；（粉未状） （3）蒸发原子或分子沉积在基片上被污染（形成氧化 物等）。
要提高薄膜的纯度，就要尽量减少残余气体分子的数量，即 提高镀膜系统的真空度。
分子平均自由程：
取温度为室温25度，平均自由程约为：
取P＝10-3Pa，λ≈667cm。中等大小的真空室，靶基板间距为 数十厘米。因此10-3Pa的真空已经能满足一般的镀膜要求， 即蒸发分子几乎不发生碰撞就到达衬底表面。
平均自由程要远大于实际行程（源－基板间距），碰撞几率才 能有效降低。平均自由程远大于靶基距时，被碰撞的分子百分数：
2.1.5蒸发所需热量和蒸发粒子 的能量
2.2蒸发源的蒸发特性及膜厚 分布
2.2.1点蒸发源
2.2.2小平面蒸发源
点蒸发源和小平面蒸发源相对厚度的分布曲线 厚度分布曲线，两者相似。但在给定蒸发料、靶基距的情况下， 小平面蒸发源的最大厚度为点蒸发源的四倍。（2-27式和2-32 式）
40.3d l t 点蒸发源淀积膜厚与蒸 r2
2.1.3蒸发速率
又有：
代入前式,微分可得：
结论： 1.蒸发速率主要决定于源温度，控制蒸发速率必须精确 控制蒸发源的温度。 2. 一旦超过蒸发温度，蒸发源温度的微小变化即可引起 蒸发速率发生很大变化。
2.1.4蒸发分子的平均自由程与碰撞几率
真空室有两种粒子：蒸发物质的分子/原子和残 余气体分子。由于P不可能为0，所以要考虑残余气 体分子对薄膜沉积的影响。
f 1.5lp
例：l=25cm P=3*10-3Pa f=10%
残余气体的组成及对膜层的污染影响：
除空气外，真空系统表面的气体解吸、靶材的初期加热 排气、真空泵的回流扩散构成残余气体。 真空室内的残余气体主要由氧、氮、水汽、扩散泵油蒸 汽、真空室支架和夹具以及蒸发源材料所含有的污染气 体组成。 在高真空下，真空系统表面的气体解吸是主要的气体的 来源。其中，又以水汽为主。 残余气体不仅影响平均自由程，还会与膜材料发生反应， 产生污染。
彩色滤光片
膜系结构
2.3.3 高频感应加热
高频感应加热源实物照片
2.4合金及化合物的蒸发
实验室实际采用的膜厚测量法
石英晶振法（在线，质量膜厚） 干涉极值法 （在线，透明膜） 椭偏法 （离线，透明膜，光学膜 厚） 台阶仪 （离线，需制作台阶，几 何膜厚） 膜电阻法 （离线，导电膜，不常用）
第二章 真空蒸发镀膜法
பைடு நூலகம்
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5
真空蒸发原理 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 蒸发源的类型 合金及化合物的蒸发 膜厚和淀积速率的测量与监控
真空蒸发镀膜法(简称真空蒸镀，又称热蒸发法)： 在真空室中，加热蒸发源中的原材料（蒸发料，靶材 ）， 使其原子或分子从表面气化逸出，开成蒸气流，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。
蒸发料：待镀膜的固体原材料，呈丝状，大颗粒状，片状
蒸发源：钨丝，钼丝，钨舟，钼舟，陶瓷坩埚
加热方法：电阻加热，高频电涡流加热，电子束，高能激光束 衬底：substrate （载体） 基片：wafer (晶园片)
典型应用：铝箔包装膜，电解电容器 装饰彩条， 香烟锡纸
2.1真空蒸发原理
靶基距
2.1.1 真空蒸发的特点与蒸发过程
2.1.2饱和蒸汽压与温度的关系
在一定温度下，固液平衡时所形成的压 强。 不同物质的饱和蒸汽压不同。 饱和蒸汽压随温度升高而增大。 某一物质在饱和蒸气压为10-2Torr （1.33Pa）时的温度，称为蒸发温度。
上式即为饱和蒸汽压与温度的近似关系式，在P<133Pa 的较窄的温度范围内，此式比较精确。实际上，它们的关 系通常用实验测定，即A，B值用实验得到。
发料线径尺寸的关系
2
说明：
1. 1密耳=25.4微米 2.
40.3d 2 l t r2
该公式何来？ 如何看图？
点蒸发源淀积膜厚与蒸 发料重量的关系
2.2.3细长平面蒸发源
2.2.4环状蒸发源
小平面蒸发源
采用环形蒸发源或旋转基片， 可以提高膜厚的均匀性
2.2.5球曲面基板上的膜厚分布
各种基片架
2.2.6实际蒸发源的发射特性
a. 发针式 b.螺旋丝状 c.锥形篮式 d.e. 舟式
f.坩埚式
2.2.7 蒸发源与基板的相对位置配置
多个点源配置对膜厚均匀性的影响
2.3蒸发源的类型
2.3.2 电子束蒸发源
（4）加热迅速。可以快速关闭蒸发源或切换靶源。适合于多层膜
E枪电子束蒸发源实物