真空镀膜技术基础

其原理是利用激光源发射的光子束的光能 作为加热膜材的热源，使膜材吸热汽化蒸发。
1.玻璃衰减器 2.透镜 3.光圈 4.光电池 5.分光器 6.透镜 7.基片 8.探头 9.靶 10.真空室 11.激光器
图2-10 激光加热式蒸发源
2.3 真空蒸发镀膜机
2.3.1 间歇式真空蒸发镀膜机
1) 立式真空蒸发镀膜机 2) 卧式真空蒸发镀膜机
4）由于在低电压大电流状态下工作，因此较 安全且易于自动控制；
5）阴极寿命长、结构简单。
1.冷却水套 2.空心阴极 3.辅助阳极 4.聚束线圈 5.枪头 6.膜材 7.坩埚 8.聚焦磁场 9.基片
图2-9 空心阴极等离子体电阻式加热式蒸发源
2.2.5 激光加热式蒸发源
---工厂不用，加工精密特殊功能的材料用
真空溅射镀膜
在真空条件下，利用低压等离子体气体 放电中的溅射现象制备薄膜，即真空溅射镀 膜。
图3-1 离子轰击固体表面时发生的物理过程
与溅射率有关的因素
溅射率与靶材有关 溅射率与入射正离子的能量有关 溅射率与入射离子的种类有关 溅射率与离子入射角有关 溅射率与靶材温度有关
溅射镀膜特点
（2）被蒸发材料置于水冷铜坩锅内，可避免坩 埚材料污染，可制备高纯薄膜；
（3）电子束蒸发粒子动能大，有利于获得致密、 结合力好的膜层。
电子束加热蒸发的缺点：
（1）结构较复杂，设备价格较昂贵； （2）若蒸发源附近的蒸气密度高，电子束流和
蒸气粒子之间会发生相互作用，电子的能 量将散失和轨道偏移；同时引起蒸气和残 余气体的激发和电离，会影响膜层质量。
图3-2 直流二极溅射装置原理图
3.2.2 直流三极或四极溅射
1）直流三极溅射
三极溅射中的三极是指阴极、阳极和靶极。 直流三极溅射是在二极溅射装置中引入热灯丝 阴极和与之相对的阳极，灯丝阴极连接机壳接 地（规定电位为零），阳极为50 ～100V。
高压（-Ve）
热
靶电极
灯
阳
丝
阴
极
极
基片
+100 V
膜厚可控性和重复性好。由于溅射镀膜时的放电电流 和靶电流可分别控制，通过控制靶电流则可控制膜厚。
溅射膜与基体之间的附着性好。高能粒子沉积在基体 上进行能量转换，增强了溅射原子与基体的附着力。 部分高能粒子产生注入现象，形成伪扩散层。等离子 区清洗和激活，净化且活化基体表面。
制膜范围广。任何物质均可以溅射，尤其是高熔点、 低蒸气压元素和化合物。
图2-12 单室半连续真空镀膜机镀膜室
蒸发镀膜工艺中应考虑的问题
膜厚的均匀性问题； 点源、小平面源、蒸距等对薄膜的影响； 基片架的运动方式； 工艺参数的选择问题，如蒸发温度、蒸强度（附着力）
的问题（热应力、淀积内应力、附加内应力应尽量小） 基片镀前处理与成膜时对基片加热（烘烤、离子轰击
1.2 真空镀膜特点
在真空条件下镀膜，膜不易受污染，可获 得纯度高、致密性好、厚度均匀的膜层。
膜材和基体材料有广泛的选择性，可以制 备各种不同的功能性薄膜。
薄膜与基体附着强度好，膜层牢固。 对环境无污染。
1.3 真空镀膜技术分类
物理气相沉积（PVD）
如：热蒸发沉积、溅射沉积、离子镀 和分子束外延。
高速：电子在正交电磁场下增大了运动路程，使 电子与工作气体分子磁控几率大大增加从而提高 了溅射率，即提高沉积速率。
3.3.2.1 磁控溅射靶电流-电压特性
磁控溅射放电均为低压等离子体放电， 其电流-电压特性基本一致：随着放电电流 的增加，放电电压均需增高；随着气压的增 高，放电电压下降；磁场影响放电特性。
缺点： 不易对输入功率进行微调。
感应加热式蒸发源具有如下特点： 1）蒸发速率大。在卷绕蒸发镀膜中，比电阻加热式
蒸发源高10倍左右； 2）蒸发温度均匀稳定，不易产生液滴飞溅现象，提
高膜层质量。 3）蒸发源一次装料，无需送丝机构，温度控制比较
容易，操作简单。 4）对膜材纯度要求略宽些，可降价膜材的生产成本。 5）坩埚温度较低，坩埚材料对膜层污染较少。
图2-8 感应加热式蒸发源
2.2.4 空心热阴极电子束等离子体蒸发 源 ---由于阴极钽管特贵，现在应用不多
特点：
1）形成高密度等离子体放电，通过阴极的气 体可大部分被电离；
2）阴极温度可高达3200 K，电子束的电流密 度高而且可在坩埚上方激发电离膜材的蒸 发原子，其离化率可达20%。
3）基片上加10 ～ 100 V负偏压时可实现金属 离子轰击基片且沉积成膜，因此膜层的附 着强度好；
电阻加热式蒸发源材料需具有以下特点：
（1）高熔点。必须高于待蒸发膜材的熔点。 （2）低饱和蒸气压。保证足够低的自蒸发量，
不至于影响系统真空度和污染膜层。 （3）化学性能稳定。在高温下不应与膜材发生
反应生成化合物或合金化。
图2-4 电阻加热式蒸发源——丝状源与箔状源
图2-5 电阻加热式蒸发源——蒸发用坩埚加热器
3.3.2.2 沉积速率
沉积速率是表征成膜速度的参数，一般 以单位时间沉积的平均膜厚来表征。影响沉 积速率的因素： 气体压力 靶-基距 靶电流 最大功率密度 靶材料种类
3.3.3 磁控溅射镀膜机
磁控溅射镀膜机主要由镀膜室、抽气系统、 电控系统、以及辅助设备等组成。其中镀膜室由 磁控溅射靶、基片架、烘烤装置、充气系统以及 测试监控系统等组成。由于溅射靶及工艺连续性 的不同，可分为：
2.3.2 半连续式真空蒸发镀膜机
2.3.1 间歇式真空蒸发镀膜机
1 室体 2 球面行星转动基
片架 3 膜厚测量晶体 4 烘烤装置 5 挡板 6 膜材 7 e型枪蒸发源
图2-11 立式真空蒸发镀膜机镀膜室
2.3.2 半连续式真空蒸发镀膜机
1 照明灯 2 放卷辊 3 基带 4 导向辊 5 张紧辊 6 水冷辊 7 挡板 8 坩埚 9 送丝机构 10 室体 11 观察窗 12 抽气口
2）离开膜材表面，具有相当运动速度的气态 粒子以基本上无碰撞的直线飞行输运到基片表面；
3）到达基片表面的气态粒子凝聚形核后生长成 固相薄膜；
4）组成薄膜的原子重组排列或产生化学键合。
2.1.2 蒸发镀膜成膜条件
2.1.2.1 蒸发过程中的真空条件
当真空容器内蒸气分子的平均自由程大于蒸 发源与基片的距离时，就会获得充分的真空条件。
2.2.2 电子束/枪加热式蒸发源
---现在应用较多
电子束加热式蒸发源是利用热阴极发射电子 在电场作用下成为高能量密度的电子束直接轰击 到镀料上。电子束的动能转化为热能，使镀料加 热汽化，完成蒸发镀膜。
电子束加热蒸发的优点：
（1）电子束加热比电阻加热具有更高的能量密 度，可以蒸发高熔点材料，如W、Mo、 Al2O3等，并可得到较高的蒸发速率；
溅射镀膜密度高，针孔少，且膜层的纯度较高。
3.2 直流溅射镀膜
依据直流辉光放电原理制备薄膜的方法称 为直流溅射镀膜，其装置称为直流溅射装置。
3.2.1 直流二极溅射
直流二极溅射是在溅射靶材上施加直流负 电位（称阴极靶），把阳极作为放置被镀工件 的基片架。
1 真空室 2 加热器 3 阴极靶 4 基体（阳极） 5 氩气入口 6 负高压电源 7 加热电源 8 真空系统
2）由于残余气体在蒸镀过程中对膜层的影响 很大，因此要求膜材蒸气分子到达基片表面的 速率高于残余气体分子到达基片表面上的速 率，以减少残余气体分子对膜层的撞击和污 染，提高膜层的纯度。
2.1.2.2 镀膜过程中的蒸发条件
蒸发速率应足够大，以达到工艺要 求的沉积速率（kg/m2s）。
图2-3 某些金属蒸气压与温度的关系曲线
化学气相沉积（ CVD）
如：热化学气相沉积、光化学气相沉 积、等离子体化学气相沉积。
物理-化学气相沉积（PCVD）
表1 真空表面处理技术的分类
表2 各种干式镀膜技术的比较
1.4 真空镀膜的应用
真空镀膜的应用非常广泛，它可以应 用于电子、机械、光学、能源、轻工、食 品、建筑、装饰等工业方面以及传感器、 变换器等。此外，塑料表面金属薄膜以及 金属表面的塑料薄膜广泛应用于日常生活 各方面。
图3-5 磁控溅射原理图
3.3.1 磁控溅射靶
磁控溅射靶的分类有：同轴圆柱形靶、 圆形平面靶、S-枪靶、矩形平面靶、旋转式 圆柱形靶及特殊结构靶等。
图3-6 各种磁控溅射靶的结构
3.3.2 直流磁控溅射镀膜特点
低温：电子被正交电磁场约束减少了向基片的磁 接，降低了基片同电子轰击所产生的热量，使基 片温度降，故磁控溅射又称为高速低温溅射。
表3 薄膜的应用
2 真空蒸发镀膜
2.1 真空蒸发镀膜原理
2.1.1 真空蒸发镀膜的物理过程
将膜材置于真空室内的蒸发源中，在高真空条 件下，通过蒸发源加热使其蒸发，膜材蒸气的原子 或分子从蒸发源表面逸出。由于高真空气氛，真空 室中气体分子的平均自由程大于真空室的线性尺 寸，故此蒸汽分子很少与其它分子相碰撞，以直线 方式达到基片表面，通过物理吸附和化学吸附凝结 在基片表面，形成薄膜。这就是真空蒸发镀膜的基 本原理。
真空镀膜技术基础
毕英慧 2011.8.25
主要内容
1 真空镀膜概论 2 真空蒸发镀膜 3 真空溅射镀膜 4 真空离子镀膜
1 真空镀膜概论
1.1 真空镀膜技术
真空镀膜技术
在真空条件下利用某种方法，在固体表 面上镀一层与基体材料不同的薄膜材料，也 可以利用固体本身生成一层与基体不同的薄 膜材料，即真空镀膜技术。
2.1.2.3 镀膜前基片的清洗
基片应进行镀前处理，使其粗糙度小， 表面上无污染物，无氧化化层等。
2.2 蒸发源
蒸发源是用来加热膜材使之汽化蒸发的装置。
按加热方式分类
电阻加热式 电子束加热式 感应加热式 空心热阴极等离子体电子束式 激光束加热式