第6章 真空蒸發(fā)鍍膜法20131022

第6章真空蒸發(fā)鍍膜法汪貴華南京理工大學(xué)2013.10何為薄膜？真空蒸發(fā)鍍膜是真空鍍膜技術(shù)中發(fā)展最早，應(yīng)用最廣泛的一種。真空蒸發(fā)鍍膜方法：電阻加熱法蒸發(fā)鍍膜、高頻感應(yīng)蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、激光蒸發(fā)、反應(yīng)蒸發(fā)法、瞬時(shí)蒸發(fā)法、連續(xù)或半連續(xù)蒸發(fā)法等。而且新的技術(shù)還在出現(xiàn).6.1真空蒸發(fā)的工作原理一般說來，真空蒸發(fā)設(shè)備簡單、操作容易、成膜速度快、效率高，薄膜的生長機(jī)理比較單純。但不容易獲得結(jié)晶結(jié)構(gòu)的薄膜，所形成的薄膜在基板上的附著力較小，工藝重復(fù)性不夠好等。1.真空蒸發(fā)結(jié)構(gòu)

真空室：為蒸發(fā)過程提供必要的真空環(huán)境;蒸發(fā)源:放置蒸發(fā)材料并對其加熱；基板：用于接收蒸發(fā)物質(zhì)并在其表面形成固體物質(zhì)；基板加熱器及測量器等。2.真空蒸發(fā)的基本過程真空蒸發(fā)鍍膜包括以下三個(gè)基本過程：加熱蒸發(fā)過程:由于每種物質(zhì)在不同溫度下有不同的蒸汽壓，蒸汽壓與溫度成正比。加熱待蒸發(fā)的材料，使由凝聚相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?，即固?/p>

液相

氣相，或固相

氣相。蒸汽原子或分子在蒸發(fā)源與基片之間輸運(yùn)，在此輸運(yùn)過程中與氣體分子發(fā)生碰撞，碰撞次數(shù)與真空度密切相關(guān)，與源—基距有關(guān)。蒸發(fā)分子或原子在基片表面上的淀積:即蒸汽凝聚、成核、核生長、形成連續(xù)薄膜，由于基板溫度遠(yuǎn)小于蒸發(fā)源溫度，因此，淀積物分子在基板表面上將直接從氣相到固相，成為固態(tài)薄膜。3.飽和蒸汽壓

在一定溫度下，真空室內(nèi)蒸發(fā)物質(zhì)的蒸汽與固體或液體處于平衡過程中所表現(xiàn)出的壓力，稱為該物質(zhì)在該溫度下的飽和蒸汽壓。蒸發(fā)物表面液相、汽相處于動(dòng)態(tài)平衡，即到達(dá)液相表面的分子與從液相到汽相分子數(shù)相等。一般地，溫度T升高，飽和蒸汽壓Pv升高；一定T，一個(gè)Pv，具有恒定值，是對應(yīng)關(guān)系。一個(gè)Pv一定T。

飽和蒸汽壓與溫度的關(guān)系曲線

飽和蒸汽壓與溫度的關(guān)系曲線

飽和蒸汽壓與溫度T之間的關(guān)系可以從克拉伯龍—克勞休斯方程推導(dǎo)出來：

Hv--摩爾氣化熱或蒸發(fā)熱（J/mol）；

Vg,VS.分別為氣相、固相（液相）的摩爾體積；T—絕對溫度。

因?yàn)閂g>>VS，并假設(shè)在低氣壓下蒸汽分子符合理想氣體狀態(tài)方程。式中，R為氣體常數(shù)

應(yīng)是一條直線。表2.1一些常用材料的蒸氣壓與溫度關(guān)系單位：J×1017cm-2.s-1(P=1Pa,粘附系數(shù)α=1)表2.1一些常用材料的蒸氣壓與溫度關(guān)系金屬分子量不同蒸氣壓Pv(Pa)下的溫度T（K）熔點(diǎn)（K）蒸發(fā)速率*10-810-610-410-2100102Au1979641080122014051670204013366.1Ag107.975984795811051300160512349.4In114.86777618701015122015204299.4Al27860958108512451490183093218Ga69.7796892101511801405174530311Si28.1114512651420161019052330168515Zn65.435439645052061776069317Cd112.431034739245053866559414Te127.638542848255364779172312Se7930133638043751663649017As74.9340377423477550645109017C12176519302140241027303170413019Ta18120202230251028603330398032704.5W183.821502390268030303500418036504.4T升高，Pv近似直線升高。在真空條件下，物質(zhì)的蒸發(fā)要比常壓下容易得多，所要蒸發(fā)溫度也大大降低，蒸發(fā)過程大大縮短，蒸發(fā)速率顯著提高。Pv~T關(guān)系曲線對于制作薄膜有重要的實(shí)際意義，它可以幫助我們合理地選擇蒸發(fā)材料及確定蒸發(fā)條件。規(guī)定：物質(zhì)在飽和蒸汽壓為10-2托時(shí)對應(yīng)的溫度稱為該物質(zhì)的蒸發(fā)溫度。某些材料如Zn,Cd,Si,Ta,W等可從固態(tài)直接升華到氣態(tài)，而大多數(shù)金屬及電介質(zhì)是先達(dá)到熔點(diǎn)，然后從液相中蒸發(fā)

一般地，除Sb以分子形式蒸發(fā)而外，其它金屬均以單原子進(jìn)入汽相。4.蒸發(fā)速率單位時(shí)間蒸發(fā)到基板上的蒸發(fā)物質(zhì)的量(分子數(shù)或質(zhì)量)。根據(jù)氣體分子運(yùn)動(dòng)論，在處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，壓強(qiáng)為P的氣體，單位時(shí)間內(nèi)碰撞單位面積器壁的分子數(shù)。n是分子密度,Vd是分子平均速度，m是分子質(zhì)量，k是玻爾茲曼常數(shù)。

在實(shí)際蒸發(fā)過程中，并非所有蒸發(fā)分子全部發(fā)生凝結(jié)，實(shí)際的蒸發(fā)速率，式中，α為冷凝系數(shù)，α<=1，Pv為飽和蒸汽壓。最大蒸發(fā)速率Jm，M—蒸發(fā)物質(zhì)的摩爾質(zhì)量。單位面積的質(zhì)量蒸發(fā)速率G，此式描述了蒸發(fā)速率的關(guān)系，確定了蒸發(fā)速率、蒸汽壓和溫度之間的關(guān)系。

由于蒸汽壓與溫度密切相關(guān)，蒸發(fā)源溫度變化對蒸發(fā)速率影響很大，對于蒸發(fā)金屬，有可見，蒸發(fā)源溫度的微小變化即可引起蒸發(fā)速率發(fā)生很大的變化。因此在制膜過程中，要想控制蒸發(fā)速率，必須精確控制蒸發(fā)源的溫度，加熱時(shí)應(yīng)盡量避免產(chǎn)生過大的溫度梯度。

例：蒸發(fā)鋁。當(dāng)溫度變化1%時(shí)，B=3.586104（K）在蒸汽壓為1托時(shí)，蒸發(fā)溫度值為1830K，以上說明，蒸發(fā)源1%的溫度變化會(huì)引起蒸發(fā)速率有19%的變化。5.蒸發(fā)分子的平均自由程與碰撞幾率真空室內(nèi)存在兩種粒子：一種是蒸發(fā)物質(zhì)的原子或分子，另一種是殘余氣體分子。真空蒸發(fā)物質(zhì)實(shí)際上都是在有一定壓強(qiáng)的殘余氣體中進(jìn)行的。殘余氣體分子會(huì)對薄膜的形成過程和薄膜的性質(zhì)產(chǎn)生影響。

影響之一：殘余氣體分子對薄膜形成的影響。蒸發(fā)材料分子在殘余氣體中飛行，這些粒子在不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，相互碰撞從而改變了原有的運(yùn)動(dòng)方向并降低其運(yùn)動(dòng)速度。粒子在兩次碰撞之間所飛行的平均距離稱為蒸發(fā)分子的平均自由程λ。式中，n是殘余氣體分子密度，d是碰撞截面，大約為幾個(gè)（?）2。例如，在10-2帕（）的氣體壓強(qiáng)下，蒸發(fā)分子在殘余氣體中的大約為50cm，這與普通真空鍍膜室的尺寸不相上下，因此可以說在高真空條件下大部分的蒸發(fā)分子幾乎不與氣體分子發(fā)生碰撞而直接到達(dá)基板表面。

顯然，平均自由程、蒸發(fā)分子與殘余氣體分子的碰撞都具有統(tǒng)計(jì)規(guī)律。設(shè)N0個(gè)蒸發(fā)分子飛行距離x后，未受到殘余氣體分子碰撞的數(shù)目：則被碰撞的分子百分?jǐn)?shù)（2-15）蒸發(fā)分子在源—基之間渡越過程中，蒸發(fā)分子的碰撞百分?jǐn)?shù)與實(shí)際行程(l)/平均自由程（λ)之比的曲線。當(dāng)平均自由程λ等于源—基距l(xiāng)時(shí)，大約有63%的蒸發(fā)分子受到碰撞；如果平均自由程增加10倍(l/λ=0.1)，則碰撞幾率將減小到9%左右。由此可見，只有當(dāng)為源—基距）時(shí)，即只有在平均自由程較源——基距大得多的情況下，才能有效減少蒸發(fā)分子在渡越過程中的碰撞現(xiàn)象。

如果真空度足夠高，平均自由程足夠大且滿足條件，將式1-19代入后得

由此則得出，為了保證鍍膜質(zhì)量，在要求f<=0.1,若源——基距l(xiāng)=25cm,必須P<=3×10-3Pa。影響之二:殘余氣體分子對薄膜性質(zhì)的影響。由于殘余氣體分子單位時(shí)間通過單位面積的氣體分子數(shù),即碰撞到單位面積的分子數(shù)上表顯示每秒鐘大約有1015個(gè)氣體分子到達(dá)單位基板表面，在10-5托時(shí)，氣體分子與蒸發(fā)物質(zhì)原子幾乎按1：1的比例到達(dá)基板表面。表2氣體分子的碰撞次數(shù)物質(zhì)分子量Ng（cm-2.s-1）

10-5Torr10-2ToorH221.4×10151.4×1018Ar403.2×10153.2×1018O2323.6×10153.6×1018N2283.8×10153.8×1018至于氣體分子對基板表面的粘附系數(shù)，決定于殘余氣體分子活性，基板表面溫度，基板表面的性質(zhì)等因素，對于化學(xué)活性大的基板粘附系數(shù)大約為1，因此，要獲得高純度的薄膜，就必須要求殘余氣體壓強(qiáng)足夠低。同時(shí)，還要對殘余氣體的組成注意，不同氣體對薄膜性質(zhì)影響不同。真空室內(nèi)的殘余氣體：主要由氧、氮、水汽；擴(kuò)散泵油蒸汽；真空室內(nèi)支架、夾具所含的污染氣體等；蒸發(fā)源材料所含的污染氣體等。來源于：真空室內(nèi)未被抽走的氣體；真空泵的回流擴(kuò)散形成；真空支架、夾具所吸的氣體；蒸發(fā)源釋放的氣體。對于設(shè)計(jì)良好真空泵及其系統(tǒng)，泵的回流擴(kuò)散作用并不嚴(yán)重，通過氣體放電，加以認(rèn)真的清洗，支架、夾具吸附的氣體，可以有效地去除。蒸發(fā)源必須選取純度高的材料，或在蒸發(fā)前加上擋板。對于大多數(shù)真空系統(tǒng)，水汽是殘余氣體的主要成分，可以與新生態(tài)金屬發(fā)生反應(yīng)，生成氯化物和氫等。6.2蒸發(fā)源的蒸發(fā)特性及膜厚

在真空蒸發(fā)鍍膜過程中，需要在基板上獲得均勻膜厚?；搴苄r(shí)，膜厚均勻，當(dāng)基板較大時(shí)獲得均勻膜厚比較困難,也是有很必要的,且需要知道薄膜厚度、沉積速率等?；迳系哪ず?，與蒸發(fā)源幾何形狀、位置，基板的形狀，位置，蒸發(fā)源的蒸發(fā)量等有關(guān)。1.蒸發(fā)源點(diǎn)蒸發(fā)源：通常將能夠從各個(gè)方向蒸發(fā)等量材料的球狀蒸發(fā)源稱為點(diǎn)蒸發(fā)源（點(diǎn)源）。

小平面蒸發(fā)源細(xì)長平面蒸發(fā)源環(huán)狀平面蒸發(fā)源（見教材）２.膜厚分布表示在使用4個(gè)蒸發(fā)源時(shí)，x方向膜厚的均勻性?？梢?，蒸發(fā)源的位置和蒸發(fā)速率對膜厚均勻性有較明顯的影響。6.3蒸發(fā)源及裝置

蒸發(fā)需要將要被蒸鍍材料加熱高溫下才可以蒸發(fā)。蒸發(fā)源是蒸發(fā)裝置,是關(guān)鍵部件，大多數(shù)金屬材料都要求在1000~2000℃的高溫下蒸發(fā)。因此，必須將蒸發(fā)材料加熱到很高的蒸發(fā)溫度。最常用的加熱方法有：電阻法、電子束法、高頻法、激光蒸發(fā)法等。1.電阻蒸發(fā)源采用鉭、鉬、鎢等高熔點(diǎn)金屬，做成適當(dāng)形狀的蒸發(fā)源，其上裝入待蒸發(fā)的材料，讓電流通過，對蒸發(fā)材料進(jìn)行直接加熱蒸發(fā)，或者將待蒸發(fā)材料放入坩堝中進(jìn)行間接加熱蒸發(fā)，這便是電阻加熱蒸發(fā)法。由于電阻加熱蒸發(fā)法結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)廉易作，所以是一種應(yīng)用很普通的蒸發(fā)源。電阻蒸發(fā)源材料

.通常對電阻蒸發(fā)源材料的要求是：(1)熔點(diǎn)要高。因?yàn)檎舭l(fā)材料的蒸發(fā)溫度（飽和蒸汽壓為10-2托時(shí)的溫度）多數(shù)在1000~2000°C之間，所以蒸發(fā)源材料的熔點(diǎn)必須高于此溫度。(2)飽和蒸汽壓低。這主要是為防止或減少在高溫下蒸發(fā)源材料會(huì)隨蒸發(fā)材料蒸發(fā)而成為雜質(zhì)進(jìn)入蒸鍍膜層中。(3)化學(xué)性能穩(wěn)定，在高溫下不應(yīng)與蒸發(fā)材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。（4）具有良好的耐熱性，熱源變化時(shí)，功率密度變化較?。唬?）原料豐富，經(jīng)濟(jì)耐用。根據(jù)這些要求，在制膜工藝中，常用的蒸發(fā)源材料有W、Mo、Ta等，或耐高溫的金屬氧化物、陶瓷或石墨坩堝。表2-6列出了W、Mo、Ta的主要物理參數(shù)。蒸鍍材料對蒸發(fā)源材料的“濕潤性”。在選擇蒸發(fā)源材料時(shí)，還必須考慮蒸鍍材料與蒸發(fā)源材料的“濕潤性”問題。這種濕潤性與蒸發(fā)材料的表面能大小有關(guān)。高溫熔化的蒸鍍材料在蒸發(fā)源上有擴(kuò)展傾向時(shí)，可以說是容易濕潤的；反之，如果在蒸發(fā)源上有凝聚而接近于形成球形的傾向時(shí)，就可以認(rèn)為是難于濕潤的。在濕潤的情況下，由于材料的蒸發(fā)是從大的表面上發(fā)生的且比較穩(wěn)定，所以可認(rèn)為是面蒸發(fā)源的蒸發(fā)；在濕潤小的時(shí)候，一般可認(rèn)為是點(diǎn)蒸發(fā)源的蒸發(fā)。如果容易發(fā)生濕潤，蒸發(fā)材料與蒸發(fā)源十分親合，因而蒸發(fā)狀態(tài)穩(wěn)定；如果是難以濕潤的，在采用絲狀蒸發(fā)源時(shí)候，蒸發(fā)材料就容易從蒸發(fā)源上掉下來。例如Ag在鎢絲上熔化后就會(huì)脫落。2.電子束蒸發(fā)源隨著薄膜技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對膜的種類和質(zhì)量提出了更多更嚴(yán)的要求。而只采用電阻加熱蒸發(fā)源已不能滿足蒸鍍某些難熔金屬和氧化物材料的需要，特別是要求制膜純度很高的需要。于是發(fā)展了將電子束作為蒸發(fā)源的方法。將蒸發(fā)材料放入水冷銅坩堝中，直接利用電子束加熱，使蒸發(fā)材料氣化蒸發(fā)后凝結(jié)在局部表面成膜，是真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)中的一種重要的加熱方法和發(fā)展方向。電子束蒸發(fā)克服了一般電阻加熱蒸發(fā)的許多缺點(diǎn)，特別適合制作高熔點(diǎn)薄膜材料和高純薄膜材料。電子束加熱原理是基于電子在電場作用下，獲得動(dòng)能轟擊到處于陽極的蒸發(fā)材料上，使蒸發(fā)材料加熱氣化，而實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)鍍膜。

電子束蒸發(fā)源的結(jié)構(gòu)型式根據(jù)電子束蒸發(fā)源的型式不同，可分為環(huán)搶、直槍、e型槍、空心陰極槍，由于環(huán)搶、直槍固有缺點(diǎn)，近年來用的比較多的有e型槍、空心陰極槍。磁偏轉(zhuǎn)式電子束蒸發(fā)源所發(fā)射的電子軌跡與e相似，故有e型電子流，又稱為e槍。e型槍電子束的偏轉(zhuǎn)角度有180°、225°、270°.e偏轉(zhuǎn)225°、270°時(shí)，可使燈絲得到屏蔽，雜散電子混入到基片上去的數(shù)量大大減小，燈絲也不易受正離子轟擊，因此，設(shè)計(jì)時(shí)采用這兩種結(jié)構(gòu)較好。陽極所加高壓10kV以上，電子束陽極加速后獲得能量，電子束軌跡在磁場偏轉(zhuǎn)，電子運(yùn)動(dòng)軌跡的全程可劃分為兩個(gè)大段：由燈絲到窗口的一段軌跡，偏轉(zhuǎn)90°，而且飛越于近似均勻磁場，從屏蔽口出來，電子束偏轉(zhuǎn)180°角，且是飛越于均勻磁場之中。電子束打到轟擊膜材時(shí)，將激發(fā)出許多有害的散射電子，諸如二次電子，反射電子，被散射電子等，其數(shù)量相當(dāng)可觀，如蒸鋁，從蒸發(fā)源鋁表面所反射的二次電子量可達(dá)15%，這些電子飛到基板時(shí)，并積聚在基板表面上，由于靜電斥力作用，必將導(dǎo)致膜層的不均勻，甚至產(chǎn)生裂破。因此，在結(jié)構(gòu)上采用了二次電子吸收板，加正壓，把這些有害電子吸收掉，有效地保護(hù)了基片及膜層。由于選用了電子束偏轉(zhuǎn)角大于180°的電子發(fā)射器，消除了燈絲直接照射到基片表面上所產(chǎn)生的一次電子，這在直槍中難以做到。而且保護(hù)了電子燈絲不受膜層蒸汽的污染。（直槍難做到）同理，由于入射電子與蒸汽云中性原子相碰撞而游離電離出來的正離子，在偏轉(zhuǎn)磁場的作用下，會(huì)沿著與入射電子相反的方向運(yùn)動(dòng)，不但會(huì)引起燈絲污染，縮短陰極壽命，而且會(huì)造成高壓短路，這樣設(shè)置離子收集極5所捕獲中性電離的正離子。電子槍、高壓電極需要水冷，應(yīng)考慮水電阻的大小問題，應(yīng)要求冷卻水管有足夠的長度，以保證出水口電位大大降低并處于零電位，同時(shí)冷卻水管不能與其它處于地電位的金屬體相碰，水管外壁應(yīng)保持干燥。對冷卻水的質(zhì)量也應(yīng)有所要求。

電子束蒸發(fā)源的優(yōu)點(diǎn)：電子束轟擊熱源的束流密度高，能獲得遠(yuǎn)比電阻加熱源更大的能量密度。可在一個(gè)不太小的面積上達(dá)到的功率密度，因此可以使高熔點(diǎn)（可高達(dá)3000°C以上）材料蒸發(fā)，并且能有較高的蒸發(fā)速率。如蒸發(fā)等。由于被蒸發(fā)材料是置于水冷坩堝內(nèi)，因而可避免容器材料的蒸發(fā)，以及容器材料與蒸鍍材料之間的反應(yīng)，這對提高鍍膜的純度極為重要。熱量可直接加到蒸鍍材料的表面，因而熱效率高，熱傳導(dǎo)和熱輻射的損失少。電子束加熱源的缺點(diǎn)：電子槍發(fā)出的一次電子和蒸發(fā)材料發(fā)出的二次電子會(huì)使蒸發(fā)原子和殘余氣體分子電離，會(huì)吸附在基板表面上，會(huì)影響膜層質(zhì)量，多數(shù)化合物在受到電子轟擊會(huì)部分分解，膜料分子會(huì)部分電離，將產(chǎn)生組分發(fā)生偏離的薄膜，對薄膜的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)產(chǎn)生影響；電子束加速電壓過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生X射線對人體有一定的傷害，應(yīng)予以注意。3.感應(yīng)加熱式蒸發(fā)源

將裝有膜材的坩堝放在螺旋線圈的中央（不接觸），在線圈中通以高頻電流，膜材在高頻電磁場感應(yīng)下產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流，致使膜材升溫，直至蒸發(fā)。膜材體積越小，感應(yīng)頻率越高。如對每塊僅有幾毫克重的材料則采用幾兆赫的感應(yīng)電源頻率。感應(yīng)線圈常用銅管制成并通以冷卻水。感應(yīng)蒸發(fā)源的優(yōu)點(diǎn)是:(1)蒸發(fā)速率大。在鋁淀積厚度為40nm時(shí)，卷繞速度可達(dá)270m/min，比電阻熱源大10倍左右。(2)蒸發(fā)源溫度均勻穩(wěn)定，不易產(chǎn)生鋁滴飛濺現(xiàn)象?？杀苊怃X滴淀積在薄膜上產(chǎn)生針孔現(xiàn)象。所以采用感應(yīng)加熱方法生產(chǎn)金銀絲的成品率亦相應(yīng)提高。(3)蒸發(fā)源一次裝料，無需送絲機(jī)構(gòu)，溫度控制比較容易，操作比較簡單。(4)對膜材純度要求略寬些。如一般真空感應(yīng)加熱用99.9%純度的鋁即可，而電阻加熱要求鋁的純度為99.99%。所以生產(chǎn)成本亦可降低。其缺點(diǎn)：蒸發(fā)裝置必須屏蔽，并需要較復(fù)雜和昂貴的高頻發(fā)生器，如果線圈附近壓強(qiáng)超過10-2Pa，高頻場會(huì)使殘余氣體分子電離，使功耗增大。感應(yīng)加熱式蒸發(fā)之儀器----------半連續(xù)式真空蒸發(fā)鍍膜機(jī)半連續(xù)式真空鍍膜機(jī)在結(jié)構(gòu)上除了有一般鍍膜機(jī)所有的結(jié)構(gòu)外，必須有一個(gè)為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)鍍膜而設(shè)置的卷繞機(jī)構(gòu)。由于被鍍的帶狀機(jī)體放氣量較大，因此在真空室的結(jié)構(gòu)上又有單室和多室之分，半連續(xù)雙室真空鍍膜機(jī)的結(jié)構(gòu)。卷繞機(jī)構(gòu)一般由收卷、放卷的卷筒，引導(dǎo)棍水冷滾筒或水冷舟等構(gòu)件組成該設(shè)備卷繞機(jī)構(gòu)的主要特點(diǎn)是采用了力矩電機(jī)，它能夠在一定卷徑比（卷芯直徑與卷徑之比）下使基本張力保持恒定。在放卷時(shí)力矩電機(jī)起到了阻尼作用。同時(shí)由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的水冷滾筒本身也作為動(dòng)力輸入。為了防止機(jī)體的跑偏，在導(dǎo)向輪中設(shè)置了兩個(gè)軸線位置可調(diào)的滾筒，通過調(diào)節(jié)軸端的彈簧來達(dá)到調(diào)偏的目的。這種設(shè)備由于選用了力矩電機(jī)，可以使收放卷的張力和線速度在一定范圍內(nèi)恒定，并且具有防止跑偏的結(jié)構(gòu)，因而可以用較高的速度進(jìn)行鍍膜，而且由于收卷過程中是由力矩電機(jī)所控制。所以大大減少了設(shè)備的復(fù)雜性。4.激光蒸發(fā)源利用高能激光作為熱源來蒸鍍薄膜是一種新技術(shù)。激光光源可采用CO2激光、Ar激光、釹玻璃激光、紅寶石激光及釔鋁石榴石激光等大功率激光器，并置于真空室之外。高能量的激光束進(jìn)入真空室中，經(jīng)棱鏡或凹鏡聚焦，照射到蒸發(fā)材料上，使之加熱氣化蒸發(fā)。聚焦后的幾個(gè)束功率密度很高，可達(dá)106W/cm2以上。

激光蒸發(fā)的優(yōu)點(diǎn)：激光加熱可達(dá)到極高的溫度，可蒸發(fā)任何高熔點(diǎn)材料，且獲得很高的蒸發(fā)速率，由于采用了非接觸式加熱，激光器可安裝在真空室之外，既完全避免了來自蒸發(fā)源的污染，又簡化了真空室，非常適宜在超高真空下制備高純薄膜。利用激光束加熱能夠?qū)δ承┗衔锘蚝辖疬M(jìn)行“閃爍蒸發(fā)”，有利于保證膜成分的化學(xué)比或防止分解；又由于材料氣化時(shí)間短促，不足以使四周材料達(dá)到蒸發(fā)溫度，所以激光蒸發(fā)不易出現(xiàn)分餾現(xiàn)象。因此，是淀積介質(zhì)膜、半導(dǎo)體膜和無機(jī)化合物膜的好方法。激光蒸發(fā)的缺點(diǎn)：激光蒸發(fā)器較昂貴，且并非對所有材料都顯示其優(yōu)越性。另外，由于蒸發(fā)材料溫度太高，蒸發(fā)粒子（原子、分子、簇團(tuán)等）多易離子化，從而對膜結(jié)構(gòu)和特性產(chǎn)生一定影響。因此，還有不少問題有待進(jìn)一步解決。6.4合金及化合物的蒸發(fā)蒸發(fā)二元以上的合金及化合物的主要問題，是蒸發(fā)材料在氣化過程中，由于各成分的飽和蒸氣壓不同，使得其蒸發(fā)速率也不同，會(huì)發(fā)生分解和分餾，從而引起薄膜成分的偏離。合金中組元金屬A、B的蒸發(fā)速率之比為

例如處于1527°C下的鎳鉻合金（摩爾比4:1）()時(shí)，則它們的蒸發(fā)速率之比兩種元素的克分子量MNi=58.7，MCr=52.0。這說明該合金在1527°C下開始蒸發(fā)時(shí)，鉻的初始蒸發(fā)速率為鎳的2.8倍。隨著鉻的迅速蒸發(fā),基材Cr成分，Cr蒸發(fā)會(huì)逐漸減小，最終會(huì)小于1。這種分餾現(xiàn)象使得靠近基板的膜是富鉻的。1.瞬時(shí)蒸發(fā)法

瞬時(shí)蒸發(fā)法又稱“閃爍”蒸發(fā)法。它是將細(xì)小的合金顆粒，逐次送到非常熾熱的蒸發(fā)器或坩堝中，使一個(gè)一個(gè)的顆粒實(shí)現(xiàn)瞬間完全蒸發(fā)。如果顆粒尺寸很小，幾乎能對任何成分進(jìn)行同時(shí)蒸發(fā)，故瞬時(shí)蒸發(fā)法常用于合金中元素的蒸發(fā)速率相差很大的場合。閃爍蒸發(fā)法的優(yōu)點(diǎn)是能獲得成分均勻的薄膜，可以進(jìn)行摻雜蒸發(fā)法等。缺點(diǎn)是蒸發(fā)速率難于控制，且蒸發(fā)速率不能太快。采用這種方法的關(guān)鍵是要求以均勻的速率將蒸發(fā)材料供給蒸發(fā)源，以及選擇合適的粉末粒度、蒸發(fā)溫度和落下粉末料的比率。鎢絲錐形筐是用作蒸發(fā)源的最好結(jié)構(gòu)。如果使用蒸發(fā)舟和坩堝，瞬間未蒸發(fā)粉末顆粒就會(huì)殘存下來，變?yōu)槠胀ㄕ舭l(fā)，這是不太理想的。2.雙源或多源蒸發(fā)法這種蒸發(fā)法是將要形成合金的每一個(gè)成分，分別裝入各自的蒸發(fā)源中，然后獨(dú)立地控制各蒸發(fā)源的蒸發(fā)速率，使到達(dá)基板的各種原子與所需合金薄膜的組成相對應(yīng)。為使薄膜厚度分布均勻，基板常需要進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。采用雙源蒸發(fā)法還有利于提高膜厚分布的均勻性。3.反應(yīng)蒸發(fā)法許多化合物在高溫蒸發(fā)過程中會(huì)產(chǎn)生分解，例如直接蒸發(fā)Al2O3,TiO2等都會(huì)產(chǎn)生失氧，為此宜采用反應(yīng)蒸發(fā)法。所謂的反應(yīng)蒸發(fā)法就是將活性氣體導(dǎo)入真空室，使活性氣體的原子、分子和從蒸發(fā)源逸出的蒸發(fā)金屬原子、低價(jià)化合物分子在基板表面淀積過程中發(fā)生反應(yīng)，從而形成所需高價(jià)化合物薄膜的方法。反應(yīng)蒸發(fā)不僅用于熱分解嚴(yán)重，而且用于因飽和蒸氣壓較低而難以采用電阻加熱蒸發(fā)的材料。經(jīng)常被用來制作高熔點(diǎn)的化合物薄膜。例如在空氣或O2氣氛中蒸發(fā)SiO制得SiO2薄膜，在N2氣氛中中蒸發(fā)Zr得到ZrN薄膜，在Ar-N2氣氛中得到AIN薄膜，在CH4中得到SiC薄膜等。Al(激活蒸氣)+O2(活性氣體)

Al2O3(固相沉積)Sn(激活蒸氣)+O2(活性氣體)

SnO2(固相沉積)

在反應(yīng)蒸發(fā)中，蒸發(fā)原子或低價(jià)化合物分子與活性氣體反應(yīng)的地方有三種可能，即蒸發(fā)源表面、蒸發(fā)源到基板的空間和基板表面。對于蒸發(fā)源表面的反應(yīng)要盡可能避免，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致蒸發(fā)速率降低?？臻g氣相反應(yīng)的幾率通常很低，因?yàn)榛钚苑磻?yīng)氣體壓強(qiáng)10-2Pa所對應(yīng)的平均自由程約為50cm，這個(gè)值大于源—基距，盡管氣相碰撞幾率此時(shí)可達(dá)50%左右，但反應(yīng)的可能性卻很小。實(shí)際上，反應(yīng)主要發(fā)生在基板表面，反應(yīng)氣體分子碰撞在基板上的速率約為個(gè)4×1016個(gè)/cm2.s。反應(yīng)過程中，吸附著的反應(yīng)氣體分子或原子滲透到膜層表面并擴(kuò)散到低勢能的晶格處與入射到基板并被吸附的蒸發(fā)原子通過擴(kuò)散、遷移發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成氧化物或化合物薄膜。

反應(yīng)蒸發(fā)法制備薄膜由于是利用在基板表面上析出的或吸附的活性氣體分子或原子之間的反應(yīng)。因此反應(yīng)能在較低溫度下完成。因?yàn)樵诜磻?yīng)過程中并不太強(qiáng)化析出或凝聚作用，因此容易得到均勻分散的化合物薄膜。為了加速反應(yīng)，可采用蒸發(fā)金屬和部分活性氣體放電的方法使其電離。這種方法稱為活性反應(yīng)蒸發(fā)法，其原理與活性反應(yīng)離子鍍相同。反應(yīng)蒸發(fā)制作的薄膜其組成和結(jié)構(gòu)主要取決于反應(yīng)材料的化學(xué)性質(zhì)、反應(yīng)氣體的穩(wěn)定性、形成化合物