一、真空蒸鍍的設備及物理原理
【康沃真空網】真空蒸鍍設備主要由真空室和抽真空系統組成,真空室內有蒸發源(即蒸發加熱器)、基片及基片架、基片加熱器、排氣系統等。
將鍍膜材料置于真空室內的蒸發源中,在高真空條件下,通過蒸發源加熱使其蒸發,當蒸氣分子的平均自由程大于真空室的線性尺寸以后,膜材蒸氣的原子和分子從蒸發源表面逸出后,很少受到其他分子或原子的碰撞與阻礙,可直接到達被鍍的基片表面上,由于基片溫度較低,膜材蒸氣粒子凝結其上而成膜。
為了提高蒸發分子與基片的附著力,可以對基片進行適當的加熱或離子清洗使其活化。真空蒸發鍍膜從物料蒸發、運輸到沉積成膜,經歷的物理過程如下:
(1)利用各種方式將其他形式的能量轉換成熱能,加熱膜材使之蒸發或升華,成為具有一定能量(0.1~0.3eV)的氣態粒子(原子、分子或原子團):
(2)氣態粒子離開膜材表面,以相當的運動速度基本上無碰撞的直線輸運到基片表面;
(3)到達基片表面的氣態粒子凝聚形核后生長成固相薄膜;
(4)組成薄膜的原子重組排列或產生化學鍵合。
二、蒸發加熱方式
(1).電阻加熱蒸發
電阻加熱蒸發電阻加熱蒸發方式是最簡單也最常用加熱方法,一般適用于熔點低于1500℃的鍍膜材料,通常將線狀或片狀的高熔點金屬(W、Mo、Ti、Ta、氨化硼等)做成適當形狀的蒸發源,裝上蒸鍍材料,通過電流的焦耳熱使鍍料熔化、蒸發或者升華,蒸發源的形狀主要有多股線螺旋形、U形、正弦波形、薄板形、舟形、圓錐筐形等。同時,該方法要求蒸發源材料具有熔點高:飽和蒸氣壓低:化學性能穩定,在高溫下不應與鍍膜材料發生化學反應:具有良好的耐熱性,功率密度變化小等特點,采用大電流通過蒸發源使之發熱,對膜材直接加熱蒸發,或把膜材放入石墨及某些耐高溫的金屬氧化物(如A202,BO)等材料制成的坩堝中進行間接加熱蒸發。
電阻加熱蒸發鍍膜具有局限性:難熔金屬具有低的蒸氣壓,難以制成薄膜:有此元素容易和加熱絲形成合金:不易得到成分均勻的合金膜。由于電阻加熱蒸發方式結構簡單、價格低廉、易于操作,因而是一種應用很普遍的蒸發方式。
(2)電子束蒸發
電子束蒸發是將鍍膜材料放入水冷銅坩堝中,用高能密度的電子束轟擊鍍膜材料而使其蒸發的一種方法。蒸發源由電子發射源、電子加速電源、坩堝(通常是銅坩堝)磁場線圈、冷卻水套等組成。在該裝置中,被加熱的物質放置于水冷的坩堝中,電子束只轟擊其中很少的一部分物質,其余的大部分物質在坩堝的冷卻作用下一直處于很低的溫度,可以看作被擊部分的坩堝。因此,電子束加熱蒸發的方法可以避免鍍膜材料和蒸發源材料之間的污染。
電子束蒸發源的結構形式可以分為直式槍(布爾斯槍)、環形槍(電偏轉)和e形槍(磁偏轉)3種。在一個蒸發裝置內可以安置一個或者多個坩堝,這可以同時或者分別蒸發沉積多種不同物質。電子束蒸發源有下述優點:
1、電子束轟擊蒸發源的束流密度高,能獲得遠比電阻加熱源更大的能量密度,可以蒸發高熔點材料,如w,Mo,A1203等:
2、鍍膜材料置于水冷銅坩堝中,可以避免發源 材料的蒸發,以及兩者之間的反應;
3、熱量可以直接加到鍍膜材料的表面,使得熱效率高,熱傳導和熱輻射的損失少.電子束加熱蒸發方式的缺點是電子槍發出的一次電子和鍍膜材料表面發出的二次電子會使蒸發原子和殘余氣體分子電離,這有時候會影響膜層質量。
(3)高頻感應加熱蒸發
高頻感應加熱蒸發是將裝有鍍膜材料的坩堝放置在高頻螺旋線圈的中央,使鍍膜材料在高頻電磁場的感應下產生強大的渦流電流和磁滯效應,致使膜層升溫,直至氣化蒸發。蒸發源一般有水冷高頻線圈和石墨或者陶瓷(氧化鎂、氧化鋁、氧化硼等)坩堝組成。高頻電源采用的頻率為1萬至幾十萬赫茲,輸入功率為幾至幾百千瓦,膜材體積越小,感應頻率越高。感應線圈頻率通常用水冷銅管制造。高頻感應加熱蒸發方法的缺點是不易對輸入功率進行微調,它有下述優點:
1、蒸發速率大:
2、蒸發源溫度均勻穩定,不易產生鍍料液滴飛濺的現象,也可以避免沉積在薄膜上產生針孔現象:
3、蒸發源一次裝料,溫度控制比較容易,操作簡單。