真空蒸發系統介紹

2021-01-14 騰訊網

一.真空蒸鍍

真空蒸鍍,簡稱蒸鍍,是指在真空條件下,採用一定的加熱蒸發方式蒸發鍍膜材料(或稱膜料)並使之氣化,粒子飛至基片表面凝聚成膜的工藝方法。蒸鍍是使用較早、用途較廣泛的氣相沉積技術,具有成膜方法簡單、薄膜純度和緻密性高、膜結構和性能獨特等優點。

二.原理

蒸鍍的物理過程包括:沉積材料蒸發或升華為氣態粒子氣態粒子快速從蒸發源向基片表面輸送氣態粒子附著在基片表面形核、長大成固體薄膜薄膜原子重構或產生化學鍵合。將基片放入真空室內,以電阻、電子束、雷射等方法加熱膜料,使膜料蒸發或升華,氣化為具有一定能量(0.1~0.3eV)的粒子(原子、分子或原子團)。氣態粒子以基本無碰撞的直線運動飛速傳送至基片,到達基片表面的粒子一部分被反射,另一部分吸附在基片上並發生表面擴散,沉積原子之間產生二維碰撞,形成簇團,有的可能在表面短時停留後又蒸發。粒子簇團不斷地與擴散粒子相碰撞,或吸附單粒子,或放出單粒子。此過程反覆進行,當聚集的粒子數超過某一臨界值時就變為穩定的核,再繼續吸附擴散粒子而逐步長大,最終通過相鄰穩定核的接觸、合併,形成連續薄膜。

三、真空系統

真空系統

四、蒸發系統

蒸發系統

五、蒸發源

蒸發源的形狀如下圖,大致有螺旋式(a)、籃式(b)、發叉式(c)和淺舟式(d)等。

蒸發源

蒸發源材料的選擇:

1. 高熔點材料 (蒸發源材料的熔點>>蒸發溫度)

2. 減少蒸發源的汙染 (薄膜材料的蒸發溫度

3.蒸發源材料與薄膜材料不反應

4.薄膜材料對蒸發源的溼潤性

常用的蒸發源材料有:W、Mo、Ta,耐高溫的金屬氧化物、陶瓷或石墨坩堝

主要問題:支撐材料與蒸發物之間可能會發生反應;一般工作溫度在1500~1900 ℃,難以實現更高蒸發溫度 , 所以可蒸發材料受到限制;蒸發率低;加熱速度不高,蒸發時待蒸發材料如為合金或化合物,則有可能分解或蒸發速率不同,造成薄膜成分偏離蒸發物材料成分。高溫時,鉭和金形成合金,鋁、鐵、鎳、鈷等與鎢、鉬、鉭等形成合金 B2O3與鎢、鉬、鉭有反應,W與水汽或氧反應,形成揮發性的WO、WO2或WO3;Mo也能與水汽或氧反應生成揮發性的MoO3

六、電子束蒸發

電子束加熱裝置及特點

電子束通過5-10KV 的電場後被加速,然後聚焦到被蒸發的材料表面,把能量傳遞給待蒸發的材料使其熔化並蒸發。

無汙染:與坩堝接觸的待蒸發材料保持固態不變,蒸發材料與坩堝發生反應的可能性很小。(坩堝水冷)

熱電子發射(金屬在高溫狀態時, 其內部的一部分電子獲得足夠的能量而逸出表面); 電子在電場中加速;聚焦電子束; 聚焦電子束轟擊被鍍材料表面, 使動能變成熱能.

直式槍: 高能電子束轟擊材料將發射二次電子,二次電子轟擊薄膜會導致膜層結構粗糙, 吸收增加, 均勻性變差.

e形槍: 蒸發材料與陰極分開 (單獨處於磁場中),二次電子因受到磁場的作用而再次發生偏轉, 大大減少了向基板發射的機率.

電子束蒸發的特點

難熔物質的蒸發;以較大的功率密度實現快速蒸發,防止合金分餾;同時安置多個坩堝,同時或分別蒸發多種不同物質;大部分電子束蒸發系統採用磁聚焦或磁彎曲電子束,蒸發物質放在水冷坩堝內。蒸發發生在材料表面, 有效抑制坩堝與蒸發材料之間的反應,適合製備高純薄膜,可以製備光學、電子和光電子領域的薄膜材料,如Mo、Ta、Nb、MgF2、Ga2Te3、TiO2、Al2O3、SnO2、Si等;蒸發分子動能較大, 能得到比電阻加熱更牢固緻密的膜層

電子束蒸發源的缺點:可使蒸發氣體和殘餘氣體電離,有時會影響膜層質量;電子束蒸鍍裝置結構複雜,價格昂貴;產生的軟X射線對人體有一定的傷害。

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