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蒸发镀膜材料

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  •   真空蒸发镀膜技术

      真空蒸发镀膜(Vacuum Evaporation),用蒸发器在高真空条件下加热蒸发材料,使之升华或蒸发,蒸发的粒子流直接射向基片,并在基片上沉积形成固态薄膜,或加热蒸发镀膜材料淀积在特定的衬底上,以获得薄膜的工艺方法。

      蒸发镀膜材料有:氟化锂晶体颗粒,氟化镁晶体颗粒,氟化钡晶体颗粒,二氧化硅晶体颗粒,一氧化硅颗粒,氟化钇颗粒,氟化镱尅里,氟化镧颗粒,氧化铝晶体颗粒,氟化铅颗粒,冰晶石颗粒,氧化镁颗粒,氧化铪,二氧化锆等。

      真空蒸发镀膜材料应用场景:多层膜、增透膜、冷光膜、绿光器、绝缘膜、眼镜片镀膜、防紫外线膜、硬化膜。

      蒸发镀膜技术类别:

      1.电阻蒸发镀:电阻蒸发源用于蒸发低熔点材料,如金、银、硫化锌、氟化镁、三氧化二铬、Cd、Pb、Ag、Al、Cu、Cr、Au、Ni等材料。电阻蒸发源一般采用钨、钼、钽制作。

      2.电子束蒸发镀:利用电子束加热使膜材汽化蒸发后,凝结在基片表面成膜是真空蒸镀技术中一种重要的加热方法。这种装置的种类很多。随着薄膜技术的广泛应用,不但对膜的种类要求繁多,而且对膜的质量要求更加严格。电阻蒸发镀已不能满足蒸镀某些金属和非金属的需要。电子束热源能获得远比电阻热源更大的能量密度,数值可达到104-109w/cm2,因此可以将膜材加热至3000-6000c。这就为蒸发难熔金属和非金属材料如钨、钼、锗、SiO2、AI2O3等提供了较好的热源。而且由于被蒸镀的材料是放在水冷坩埚内,因而可避免容器材料的蒸发及容器材料与膜材之间的反应,这对提高膜的纯度是极为重要的。另外,热量可直接加到膜材表面上,因此热效率高,热传导和热辐射损失少。

      3.高频感应加热蒸发镀:利用感应加热原理把金属加热到蒸发温度。将装有膜层材料的坩埚放在螺旋线圈的中央(非接触),在线圈中通以高频电流,可以使金属膜层材料产生电流将自身加热升温,直至蒸发。

      感应加热蒸发源的特点:1)蒸发速率大 2)蒸发源温度均匀稳定,不易产生铝滴飞溅现象 3)蒸发源一次装料,无须送丝,温度控制比较容易,操作简单 4)对膜材纯度要求略宽些。

      4.电弧加热蒸发镀:与电子束加热方式相类似的一种加热方式是电弧放电加热法。它也具有可以避免电阻加热材料或坩埚材料的污染,加热温度较高的特点,特别适用 于熔点高,同时具有一定导电性的难熔金属、石墨等的蒸发。同时,这一方法所用的设备比电子束加热装置简单,因而是一种较为廉价的蒸发装置。

      物理过程由物料蒸发输运到基片沉积成膜,其物理过程为: 采用几种能源方式转换成热能,加热镀料使之蒸发或升华,成为具有一定能量(0.1~0.3eV) 的气态粒子(原子、分子或原子团); 离开镀料表面,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体表面; 到达基体表面的气态粒子凝聚形核生长成固相薄膜;组成薄膜的原子重组排列或产生化学键合。 [1]

      蒸发热力学液相或固相的镀料原子或分子要从其表面逃逸出来,必须获得足够的热能,有足够大的热运动。当其垂直表面的速度分量的动能足以克服原子或分子间相互吸引的能量时,才可能逸出表面,完成蒸发或升华。加热温度越高,分子动能越大,蒸发或升华的粒子量就越多。蒸发过程不断地消耗镀料的内能,要维持蒸发,就要不断地补给镀料热能。显然,蒸发过程中,镀料汽化的量(表现为镀料上方的蒸气压) 与镀料受热(温升) 有密切关系。因此,镀层生长速度与镀料蒸发速度密切相关。

      蒸发粒子与基材碰撞后一部分被反向,另一部分被吸附。吸附原子在基材表面发生表面扩散,沉积原子之间产生两维碰撞,形成簇团,有的在表面停留一段时间后再蒸发。原子簇团与扩散原子相碰撞,或吸附单原子,或放出单原子,这种过程反复进行。当原子数超过某临界时就变为稳定核,再不断吸附其他及化合物原子而逐步长大,最后与邻近稳定核合并,进而变成连续膜。

      蒸发镀膜与其他真空镀膜方法相比,具有较高的沉积速率,可镀制单质和不易热分解的化合物膜

      真空蒸发工艺在微电子技术中主要用于制作有源元件、器件的接触及其金属互连、高精度低温度系数的薄膜电阻器,以及薄膜电容器的绝缘介质和电极等。薄膜磁性元件如存储元件、逻辑元件、光磁元件、声表面波器件、薄膜超导元件等的薄膜,都可用真空蒸发方法获得。

      蒸发主要有电子束蒸发、多源蒸发、瞬时蒸发、激光蒸发和反应蒸发等方法。

      ①电子束蒸发:在5~10千伏/厘米电场下使电子束加速,并通过电子透镜使电子束聚焦,使坩埚中蒸发材料的温度升高到蒸发温度而蒸发。蒸发材料的熔融只限于表面的局部区域,使坩埚保持较低温度,而且电子束可以通过磁场转弯,从而把阴极杂质蒸发挡住。这种蒸发方法不仅可以达到较高的温度(约3000),而且污染很少。电子束加热按聚焦方式分为:直枪式、E枪式和环形枪式。直枪式具有较高的功率密度,适合于蒸发高熔点材料(如氧化铝、氧化锆、钽、钼等)。E枪式具有功率容量大 (约10千瓦)的特点,适于导热性好的材料如铝、金的蒸发,并可获得高达1微米/分的蒸发速度,而且发射电子的灯丝不受蒸发材料的沾污。环形枪式虽然结构简单,但不具备上述特点,使用较少。这几种加热方式仅适用于单元素材料的蒸发。对于多元素材料或化合物因组成元素的蒸气压不同,为了获得薄膜的成分,需要采用多源蒸发,瞬时蒸发、激光蒸发或反应蒸发等方式。

      ②多源蒸发:根据薄膜的组分,使用两个以上蒸发源对材料同时加热蒸发,淀积在同一基片上。控制每个蒸发源的强度,即可获得薄膜组分。

      ③瞬间蒸发:将按需要配制好的多元素材料置于真空室内特定的容器中,待加热器达到预定温度时,通过送料机构将一定量的材料迅速送到已达高温的加热器上瞬间受热蒸发,从而获得一定组分的薄膜。

      ④激光蒸发:用功率密度极高的一束激光脉冲照射蒸发材料的表面,可使材料的受照表面瞬间升温至几千度,任何材料都将在此高温下迅速汽化蒸发。因此,所得的薄膜可保持与原材料同样的组分。

      ⑤反应蒸发:在蒸发淀积的同时,将一定比例的反应性气体(如氧、氮等)通入真空室内,蒸发材料的原子在淀积过程中与反应气体结合而形成化合物薄膜。制备高熔点金属氧化物和氮化物薄膜(如氧化铝、氮化钛等)常采用此种方法。