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真空镀膜技术及其发展趋势及技术原理
来源: | 作者:admin | 发布时间: 2024-06-18 | 63 次浏览 | 分享到:

真空镀膜技术简称PVD,在真空条件下,采用物理方法,使材料源表面气化成原子、分子或离子,在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。真空镀膜设备镀膜技术主要分为蒸镀、溅射和离子镀三大类。而蒸发镀膜技术也分为三种,电阻蒸发,电子束蒸发,感应加热蒸发。三种蒸发镀膜技术,各自有各自的特点,

尽管后来发展起来的溅射镀和离子镀在许多方面要比蒸镀优越,但真空蒸发技术仍有许多优点,如设备与工艺相对比较简单,即可镀制非常纯净的膜层,又可制备具有特定结构和性质的膜层等,仍然是当今非常重要的镀膜技术。近年来,由于电子轰击蒸发,高频感应蒸发及激光蒸发等技术在蒸发镀膜技术中的广泛应用,使这一技术更趋完善。

近年来,该法的改进主要是在蒸发源上。为了抑制或避免薄膜原材料与蒸发加热器发生化学反应,改用耐热陶瓷坩埚,如 BN坩埚。为了蒸发低蒸气压物质,采用电子束加热源或激光加热源。为了制造成分复杂或多层复合薄膜,发展了多源共蒸发或顺序蒸发法。为了制备化合物薄膜或抑制薄膜成分对原材料的偏离,出现了反应蒸发法等。

二、热蒸镀工作原理:

真空蒸发镀膜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(固相或液相→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运过程,即这些粒子在环境气氛中的飞行过程。飞行过程中与真空室内残余气体分子发生碰撞的次数,取决于蒸发原子的平均自由程,以及从蒸发源到基片之间的距离,常称源-基距。
(3)蒸发原子或分子在基片表面上的沉积过程,即是蒸气凝聚、成核、核生长、形成连续薄膜。由于基板温度远低于蒸发源温度,因此,沉积物分子在基板表面将直接发生从气相到固相的相转变过程。

将膜材置于真空镀膜室内,通过蒸发源加热使其蒸发,当蒸发分子的平均自由程大于真空镀膜室的线性尺寸时,蒸汽的原子和分子从蒸发源表面逸出后,在飞向基片表面过程中很少受到其他粒子(主要是残余气体分子)的碰撞阻碍,可直接到达被镀的基片表面,由于基片温度较低,便凝结其上而成膜,为了提高蒸发分子与基片的附着力,对基片进行适当的加热是必要的。为使蒸发镀膜顺利进行,应具备蒸发过程中的真空条件和制膜过程中的蒸发条件。

蒸发过程中的真空条件:真空镀膜室内蒸汽分子的平均自由程大于蒸发源与基片的距离(称做蒸距)时,就会获得充分的真空条件。为此,增加残余气体的平均自由程,借以减少蒸汽分子与残余气体分子的碰撞概率,把真空镀膜室抽成高真空是非常必要的。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。 

三、真空蒸镀特点: 

优点: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;薄膜的生长机理比较简单;

缺点:不容易获得结晶结构的薄膜;所形成的薄膜在基板上的附着力较小;工艺重复性不够好等。


电阻蒸发镀膜技术采用电阻加热蒸发源的蒸发镀膜技术,一般用于蒸发低熔点材料,如铝、金、银、硫化锌、氟化镁、三氧化二铬等;加热电阻一般采用钨、钼、钽等。奇优点,结构简单,成本低。缺点材料易与坩埚反应,影响薄膜纯度,不能蒸镀高熔点的介电薄膜;蒸发率低。
电子束蒸发,利用高速电子束加热使材料汽化蒸发,在基片表面凝结成膜的技术。电子束热源的能量密度可达104-109w/cm2,可达到3000℃以上,可蒸发高熔点的金属或介电材料如钨、钼、锗、SiO2、AL2O3等。
电子束加热的蒸镀源有直枪型电子枪和e型电子枪两种(也有环行),电子束自源发出,用磁场线圈使电子束聚焦和偏转,对膜料进行轰击和加热。其优点可蒸发任何材料,薄膜纯度高,直接作用于材料表面,热效率高。缺点电子枪结构复杂,造价高,化合物沉积时易分解,化学比失调。
感应加热蒸发,利用高频电磁场感应加热,使材料汽化蒸发在基片表面凝结成膜的技术。其优点蒸发速率大,可比电阻蒸发源大10倍左右,蒸发源的温度稳定,不易产生飞溅现象,坩埚温度较低,坩埚材料对膜导污染较少。其缺点蒸发装置必须屏蔽,造价高、设备复杂。
发真空镀膜设备这三种蒸发镀膜技术虽然原理都是一样,都是通过高温蒸发材质汽化的方式镀膜,但是所应用的环境却不一样,镀的膜材和基材也有不同的要求。

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