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    真空蒸发镀膜过程中的真空条件

    作者:中频多弧离子_磁控蒸发_直流交流偏压_PVD真空镀膜设备 来源:致诚科技 发布时间:2020-06-08 17:51:59

    ​  真空蒸发镀膜过程中,从膜材表面蒸发的粒子以一定的速度在空间沿直线运动,直到与其他粒子碰撞为止。在真空室内,当气相中的粒子浓度和残余气体的压力足够低时,这些粒子从蒸发源到基片之间可以保持直线飞行,否则,就会产生碰撞而改变运动方向。为此,增加残余气体的平均自由程,以减少其与蒸发粒子的碰撞几率,把真空室内抽成高真空是必要的。

      当真空容器内蒸发粒子的平均自由程大于蒸发源与基片的距离(以下称蒸距)时,就会获得充分的真空条件。设蒸距(蒸发源与基片的距离)为L,并把L看成是蒸发粒子已知的实际行程,λ 为气体分子的平均自由程,设从蒸发源蒸发出来的蒸汽分子数为N0,在相距为L 的蒸发源与基片之间发生碰撞而散射的蒸汽分子数为N1,而且假设蒸发粒子主要与残余气体的原子或分子碰撞而散射,则有

      N1/N0= 1- exp(L/λ) (1)

      在室温(25℃)和气体压力为p(Pa)的条件下,残余气体分子的平均自由程为

      λ = 6.65×10-1/pcm (2)

      由上式计算可知,在室温下,p=10-2 Pa 时,λ=66.5 cm,即一个分子在与其它分子发生两次碰撞之间约飞行66.5 cm。


      图2 是蒸发粒子在飞向基片途中发生碰撞的比例与气体分子的实际路程对平均自由程之比值的曲线。从图中可以看出,当λ=L 时,有63%的蒸发分子会发生碰撞。如果平均自由程增加10 倍,则散射的粒子数减少到9%,因此,蒸发粒子的平均自由程必须远远大于蒸距才能避免蒸发粒子在向基片迁移过程中与残余气体分子发生碰撞,从而有效地减少蒸发粒子的散射现象。目前常用的蒸发镀膜机的蒸距均不大于50 cm。因此,如果要防止蒸发粒子的大量散射,在真空蒸发镀膜设备中,真空镀膜室的起始真空度必须高于10-2 Pa。

      由于残余气体在蒸镀过程中对膜层的影响很大,因此分析真空室内残余气体的来源,借以消除残余气体对薄膜质量的影响是重要的。真空室中残余气体分子的来源主要是真空镀膜室内表面上的解吸放气、蒸发源释放的气体、抽气系统的返流以及设备的漏气等原因所造成的。若镀膜设备的结构设计及制造良好,则真空抽气系统的返流及设备的漏气并不会造成严重的影响。表l 给出了真空镀膜室壁上单分子层所吸附的分子数Ns 与气相中分子数N 的比值近似值。通常在常用的高真空系统中,其内表面上所吸附的单层分子数,远远超过气相中的分子数。因此,除了蒸发源在蒸镀过程中所释放的气体外,在密封和抽气系统性能均良好和清洁的真空系统中,若气压处于10- 4 Pa 时,从真空室壁表面上解吸出来的气体分子就是真空系统内的主要气体来源。


      A-镀膜室的内表面积,cm2;V-镀膜室的容积,cm3;ns-单分子层内吸附分子数,个/cm2;n-气相分子数,个/cm3

      残余气体分子撞击着真空室内的所有表面,包括正在生长着的膜层表面。在室温和10-4 Pa 压力下的空气环境中,形成单一分子层吸附所需的时间只有2.2 s。可见,在蒸发镀膜过程中,如果要获得高纯度的膜层,必须使膜材原子或分子到达基片上的速率大于残余气体到达基片上的速率,只有这样才能制备出纯度好的膜层。这一点对于活性金属材料基片更为重要,因为这些金属材料的清洁表面的粘着系数均接近于1。

      在10-2 Pa~10-4 Pa 压力下蒸发时,膜材蒸汽分子与残余气体分子到达基片上的数量大致相等,这必将影响制备的膜层质量。因此需要合理设计镀膜设备的抽气系统,保证膜材蒸汽分子到达基片表面的速率高于残余气体分子到达的速率,以减少残余气体分子对膜层的撞击和污染,提高膜层的纯度。

      此外,在10-4 Pa 时真空室内残余气体的主要组分为水蒸气(约占90%以上),水气与金属膜层或蒸发源均会发生化学反应,生成氧化物而释放出氢气。因此,为了减少残余气体中的水分,可以提高真空室内的温度,使水分解,也是提高膜层质量的一种有效办法。

      还应注意蒸发源在高温下的放气。在蒸发源通电加热之前,可先用挡板挡住基片,然后对膜材加热去气。在正式镀膜开始时再移开挡板。利用该方法,可有效提高膜层的质量。


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