真空蒸镀讲义

真空蒸镀

真空蒸镀法（简称真空蒸镀）是在真空室中，加热蒸发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，入射到基体表面，凝结形成固态薄膜的方法。由于真空蒸镀法主要物理过程是通过加热蒸发材料而产生，所以又称热蒸发法。采用这种方法制造薄膜，已有几十年的历史，用途十分广泛。

介绍蒸发原理、蒸发源的发射特性、膜厚测量与有关蒸发的工艺技术。

§1—1真空蒸发原理

真空蒸镀的特点、原理与过程

真空蒸镀设备比较简单、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单纯。主要缺点是，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。

图1-1为真空蒸镀原理示意图。主要部分有：（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进行加热；（3）基板，用于接收蒸发

物质并在其表面形成固态蒸发薄膜；（4）基板

图1-1 真空蒸发镀膜原理示意图

加热器及测温器等。

真空蒸镀包括以下三个基本过程：

（1）加热蒸发过程。包括由凝聚相转变为气相的相变过程。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支，即这些粒子在环境气氛中的飞行过程。

（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。

上述过程都必须在空气非常稀薄的真空环境中进行。否则，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；或者蒸发源被加热氧化烧毁；或者由于空气分子的碰撞阻挡，难以形成均匀连续的薄膜。

§1-2 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布

在真空蒸镀过程中，能否在基板上获得均匀膜厚，是制膜的关键问题。基板上不同蒸发位置的膜厚，取决于蒸发源的蒸发特性、基板与蒸发源的几何形状、相对位置以及蒸发物质的蒸发量。

蒸发源的种类繁多，下面分别介绍几种最常用的蒸发源。 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1-2所示立体角d?的蒸发材料总量为dm，

此角度为蒸发源和表面的角度，则有

m?d? 4?因此，在蒸发材料到达与蒸发方向成?角的小面积dS2的几何尺寸已知时，

dm?则淀积在此面积上的膜材厚度与数量即可求得。

图1-2 点蒸发源的发射特性 图1-3 接受角度对淀积厚度的影响

二、小平面蒸发源

如图1-3所示，用小型平面蒸发源代替点源。由于这种蒸发源的发射特性具有方向性，使在θ角方向蒸发的材料质量和cosθ成正比例。?是平面蒸发源法线与接收平面dS2中心和平面源中心连线之间的夹角。则膜材从小型平面dS上以每秒m克的速率进行蒸发时，膜材在单位时间内通过与该小平面的法线成θ,则膜材从小型平面dS上以每秒m克的速率进行蒸发时，膜材在单位时间内通过与该小平面的法线成θ角度方向的立体角dw的蒸发量dm为角度方向的立体角dw的蒸发量dm为

?cos??d? ?式中，1/?是因为小平面源的蒸发范围局限在半球形空间。如图1-3所示，如果蒸发材料到达与蒸发方向成θ角的小平面dS2几何面积已知，则淀积在该小平面薄膜的蒸发速率即可求得。

三、细长平面蒸发源

细长平面蒸发源的发射特性如图1-4所示。下面讨论这种蒸发源的膜厚分布问题。设基板平行 放置于长度为l的细长蒸发源，源一基距为h，与中心点距离S的微小面积为dS，在x – y平面上任意一点（x, y）的微小面积为d?,当蒸发物质m均匀分布在蒸发源内时，在蒸发源dS面上的质量dm为

dm?dm?mdS lm这样，就可视dS为小平面蒸发源。所以，可参照式上求出在d?上得到的蒸发质量为

cos2??d?mdm???dS

?(h2?x2)l

图1-4细长平面蒸发源的发射特性 图1-5 环状平面蒸发源的发射特性

四、环状蒸发源

为了在宽广面积上得到较好的膜厚均匀性，可以采用环状蒸发源（简称环源）。在实际蒸发中，当基板处于旋转状态时，就与此情况相类似。

五、实际蒸发源发射特性

发针形蒸发源或电子束蒸发源中的熔融材料为球形，与点蒸发源近似。舟式蒸发源中，若蒸发料熔融时与舟不浸润，从舟中蒸发时也呈球形，但位于舟源表面处的蒸发料，使原来向下蒸发的粒子重新向上蒸发，故与小平面蒸发源近似。蒸发料润湿的螺旋丝状蒸源是理想的柱形蒸发源。锥形篮式蒸发源在各圈间隔很小时，其发射特性与平面蒸发源近似。坩埚蒸发源可看成表面蒸发源或高度定向的蒸发源。

§1-3 蒸发源的类型

蒸发源是蒸发装置的关键部件，大多数金属材料都要求在1000~2000℃的高温下蒸发。因此，必须将蒸发材料加热到很高的蒸发温度。最常用的加热方式有：电阻法、电子束法、高频法等。下面对不同加热方式的蒸发源进行分别讨论。

一、电阻蒸发源

采用钽、钼、钨等高熔点金属，做成适当形状的蒸发源，其上装入待蒸发材料，让电流通过，对蒸发材料进行直接加热蒸发，或者把待蒸发材料放入Al2O3、BeO等坩埚中进行间接加热蒸发，这便是电阻加热蒸发法。由于电阻加热蒸发源结构简单、价廉易作，所以是一种应用很普通的蒸发源。

采用电阻加热法时应考虑蒸发源的材料和形状。

1．蒸发源材料

通常对蒸发源材料的要求是：

（1）熔点要高。因为蒸发材料的蒸发温度（饱和蒸气压为10-2托时的温度）多数在1000~ 2000℃之间，所以蒸发源材料的熔点必须高于此温度。

（2）饱和蒸气压低。这主要是为防止或减少在高温下蒸发源材料会随蒸发材料蒸发而成为杂质进入蒸镀膜层中，保证在蒸发时具有最小的自蒸发量，而不致于产生影响真空度和污染膜层质量的蒸气。

（3）化学性能稳定，在高温下不应与蒸发材料发生化学反应。 （4）具有良好的耐热性，热源变化时，功率密度变化较小； （5）原料丰富，经济耐用。

根据这些要求，在制膜工艺中，常用的蒸发源材料有W、Mo、Ta等，或耐高温的金属氧化物、陶瓷或石墨坩埚。

2．蒸镀材料对蒸发源材料的“湿润性”以及各种形状的电阻蒸发源

在选择蒸发源材料时，还必须考虑蒸镀材料与蒸发源材料的“湿润性”问题。这种湿润性与蒸发材料的表面能大小有关。高温熔化的蒸镀材料在蒸发源上有扩展倾向时，可以说是容易湿润的；反之，如果在蒸发源上有凝聚而接近于形成球形的倾向时，就可以认为是难于湿润的。

在湿润的情况下，由于材料的蒸发是从大的表面上发生的且比较稳定，所以可认为是面蒸发源的蒸发；在湿润小的时候，一般可认为是点蒸发源的蒸发。另外，如果容易发生湿润，蒸发材料与蒸发源十分亲合，因而蒸发状态稳定；如果是难以湿润的，在采用丝状蒸发源时，蒸发材料就容易从蒸发源上掉下来。

图1-6 蒸发源材料与镀膜材料湿润状态 图1-7 各种形状的电阻蒸发源

丝状蒸发源的线径一般为0.5~1mm，特殊时可用1.5mm。螺旋丝状蒸发源常用于蒸发铝，因为铝和钨能互相湿润，但钨在熔融铝中具有一定的溶解性，应予以注意。锥形篮状蒸发源一般用于蒸发块状或丝状的升华材料（如三股）。多股丝可有效防止断线，而且还能增大蒸发表面和蒸发量。

箔状蒸发源的厚度常为0.05~.15mm。因为箔状蒸发源具有很大的辐射表面，它的功率消耗要比同样横截面的丝状蒸发源大4~5倍。用这类蒸发源蒸发材料时，应避免造成较大的温度梯度，蒸发材料与蒸发源之间要有良好的热接触，否则蒸发材料容易形成局部过热点，而且造成蒸发料的喷溅。

二、电子速蒸发源

随着薄膜技术的广泛应用，对膜的种类和质量提出了更多更严的要求。只采用电阻加热蒸发源已不能满足蒸镀某些难熔金属和氧化物材料的需要，特别是要求制膜纯度很高的需要。于是发展了将电子束作为蒸发源的方法。将蒸发材料放入水冷铜坩埚中，直接利用电子束加热，使蒸发材料气化蒸发后凝结在基板表面成膜，是真空蒸镀技术中的一种重要的加热方法和发展方向。电子束蒸发克服了一般电阻加热蒸发的许多缺点，特别适合制作高熔点薄膜材料和高纯薄膜材料。

电子束蒸发源的优点为：

（1）电子束轰击热源的束流密度高，能获得远比电阻加热源更大的能量密度。可在一个不太小的面积上达到104~109W/cm2的功率密度，因此可以使高熔点（可高达3000℃以上）材料蒸发，并且能有较高的蒸发速度。如蒸发W、Mo、Ge、SiO2、Al2O3等。

（2）由于被蒸发材料是置于水冷坩埚内，因而可避免容器材料的蒸发，以及容器材料与蒸镀材料之间的反应，这对提高镀膜的纯度极为重要。

（3）热量可直接加到蒸镀材料的表面，热效率高，热传导和热辐射损失少。 电子束加热源的缺点是电子枪发出的一次电子和蒸发材料发出的二次电子会使蒸发原子和残余气体分子电离，这有时会影响膜层质量。更主要的是，电子束蒸镀装置结构较复杂，因而设备价格较昂贵。另外，当加速电压过高时所产生的软X射线对人体有一定伤害，应予以注意。

2．电子束蒸发源的结构型式

依靠电子束轰轰击蒸发的真空蒸镀技术，根据电子束蒸发源的型式不同，可分为环形枪、直枪等几种。

直枪是一种轴对称的直线加速电子枪，电子从阴极灯丝发射，聚焦成细束，经阳极加速后轰击在坩埚中使材料熔化和蒸发。直枪的功率从几百瓦到几千瓦都有。由于聚焦线圈和偏转线圈的应用使直枪的使用较为方便。它的主要缺点是体积大、成本高，另外蒸镀材料会污染枪体结构和存在灯丝逸出的Na+离子污染等。

图1-8 直枪蒸发源简图 图1-9 高频感应加热源的工作原理

三、高频感应蒸发源

高频感应蒸发源是将装有蒸发材料的坩埚放在高频螺旋线圈的中央，使蒸发材料在高频电磁场的感应下产生强大的涡流损失和磁滞损失，致使蒸发材料升高，直至气化蒸发。膜材的体积越小，感应的频率就越高。蒸发源一般由水冷高频线圈和石墨或陶瓷坩埚组成。其原理示意图如图1-9 所示。

这种蒸发源的特点是：

（1）蒸发速率大，可比电阻蒸发源大10倍左右； （2）蒸发源的温度均匀稳定，不易产生飞溅现象；

（3）蒸发材料是金属时，蒸发材料可产生热量。因此，坩埚可选用和蒸发材料反应最小的材料；

（4）蒸发源一次装料，无需送料机构，温度控制比较容易，操作比较简单。 缺点是：蒸发装置必须屏蔽，并需要较复杂和昂贵的高频发生器；另外，如果线圈附近的压强超过10-2Pa，高频场就会使残余气体电离，使功耗增大。

率为极小值，当透射率为极小值时，反射率则相反。它们的极值点是同时发生的，所对应的膜厚也相同。因此，记录透射率在淀积过程中经过极值点的次数，同样可以监控淀积膜的厚度。

需要指出，金属薄膜在可见光范围内吸收性很强，无法观察出极值点。因此，这种方法不适用于测定或监控金属薄膜。

3．等厚干涉条纹法

如果在楔形薄膜上产生单色干涉光，在一定厚度下就能满足最大和最小的干涉条件，因此，能观察到明暗相间的平行条纹。这已成为膜厚测量的标准方法。如果厚度不规则，则干涉条纹也呈现不规则的形状。

图2-36是这种测量方法的示意图。产生干涉的膜层是由一小角度的两块光学平板之间的空气隙所形成，其中一块蒸镀有被测薄膜，并在其表面上形成台阶，两块平板上都蒸镀有相同材料的金属薄膜。由于两者之间间隔很小，于是干涉条纹就非常窄。如图2-37所示，如果L是条纹间距，△L是条纹的位移，则薄膜厚度可由下式给出

?L?t??

L2式中，?是单以光的波长。

图1-17 等厚干涉条纹法原理 图1-18 在薄膜台阶处干涉条纹的位移

五、触针法

这种方法在针尖上镶有曲率半径为几微米的蓝宝石或金刚石的触针，使其在薄膜表面上移动时，由于试样的台阶会引起触针随之作阶梯式上下运动。再采用机械的、光学的或电学的方法，放大触针所运动的距离并转换成相应的读数，该读数所表征的距离即为薄膜厚度。例如，触针钻石探头半径为0.00254mm，测试时与样品的接触压力约0.1g。

1．差动变压器法

利用差动变压器法放大触针上下运动距离的原理如图1-19（a）所示。图中线圈2和线圈3的输出反相连接。由于铁芯被触针牵动随触针上下移动，此时，线圈2和线圈3输出差动电信号，放大此信号并显示相应于触针运动距离的数值。

2．阻抗放大法

阻抗放大法的原理如图1-19（b）所示。由于触针上下运动使电感器的间隙d发生相应的变化时，感抗随之变化，导至线圈阻抗改变。再利用放大电路放大并显示该阻抗的变化量，即可表征触针上

下运动的距崞。

图1-19 触针测厚计的传感器 触针式膜厚测量法广泛

（a）差动变压器法 （b）阻抗法 用于硬质膜厚的测量，其精度

比多光束干涉法精确。但应注

意以下几个方面，因为它直接影响触针法的应用与精度：

（1）由于触针尖端的面积非常小，会穿透铝膜等易受损伤的软质膜，并在其上划出道沟，从而产生极大的误差；

（2）基片表面的起伏或不平整所造成的“噪声”亦会引起误差；

（3）被测薄膜与基片之间，必须要有膜一基台阶存在，才能进行测量。

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