光學(xué)薄膜與真空鍍膜技�(shù)
光學(xué)薄膜與真空鍍膜技�(shù):光學(xué)薄膜真空鍍膜技�(shù)一般采用物理氣相沉�(PVD)技�(shù)。PVD包括熱蒸�(fā)、濺�、離子鍍等方��
熱蒸�(fā)原理圖（圖源�(wǎng)�(luò)，侵刪）
1、熱蒸發(fā)
?熱蒸�(fā)：蒸�(fā)材料在真空室中被加熱�(shí)，其原子或分子就�(huì)從表面逸出�
(1)飽和蒸氣�
在一定溫度下，真空室中蒸�(fā)材料的蒸汽在與固體或液體平衡過程中所表現(xiàn)出的壓力，稱該溫度下飽和蒸氣壓Pv�
lgPv=A-B/T 蒸發(fā)材料蒸汽壓與溫度之間的關(guān)��
A=C/2.3 B=ΔH/2.3R A、B值可以有�(shí)�(yàn)確定�
ΔH=19.12B (焦�/摩�)
根據(jù)各種元素的飽和蒸氣壓曲線，可知：
(1)�(dá)到正常薄膜蒸�(fā)速率所需的溫度，即飽和蒸氣壓�1Pa�(shí)的溫�;
(2)蒸發(fā)速率隨溫度變化的敏感�;
(3)蒸發(fā)形式，若蒸發(fā)溫度高于熔點(diǎn)，則蒸發(fā)狀�(tài)是熔化的，否則是升華��
兩種或兩種以上的物質(zhì)組成的均勻混合物，在蒸發(fā)�(shí)，遵守下列定律：
(1)分壓定律�
混合物的總蒸氣壓PT等于各組元蒸汽分壓之和，�
PT=P1+P2+�+Pi
(2)烏拉爾定律：
某成分i單獨(dú)存在�(shí)，設(shè)其在溫度下的飽和蒸汽壓為Pit，若該成分在混合物中占克分子�?jǐn)?shù)為Ni，在混合物狀�(tài)下成分i的飽和蒸汽壓為Pi，則Pi=Ni×Pit
蒸發(fā)粒子的速度和能�
速度�?2=�(3kt/m)=�(3RT/M)
能量ě=3/2kT
蒸發(fā)溫度�1000�2500℃范圍內(nèi)，蒸�(fā)粒子的平均速度約為105cm.s-1，對(duì)�(yīng)的平均動(dòng)能約�0.1~0.2eV,�1.6×10-20�3.2×10-20J
(2)電阻加熱蒸發(fā)
a、蒸�(fā)源材料的選擇
(1)蒸發(fā)源材料的熔點(diǎn)和蒸汽壓;
采用高熔�(diǎn)的材料作為加熱器，同�(shí)要必須考慮蒸發(fā)源材料作為雜�(zhì)�(jìn)入薄膜的��
蒸發(fā)源材料熔�(diǎn)(�)平衡溫度蒸汽�(10-8)Torr10-5Torr10-2Torr(蒸發(fā)溫度)
石墨C3700180021262680
鎢W3410211725673227
鉭Ta2996195724073057
鉬Mo2617159219572527
鈮Nb2468176221272657
鉑Pt1772129216121907
(2)蒸發(fā)源材料與薄膜材料的反�(yīng);
CeO2 與Mo，Ta，W有反�(yīng)，選用Pt作為蒸發(fā)�;
Ge選用石墨坩堝，或Ta舟內(nèi)襯石墨紙;
W、Mo 還會(huì)和H2O或氧反應(yīng);
有些金屬�(huì)和蒸�(fā)源形成合�，一旦形成合金就容易燒斷�
如：Ta和Au，Al和W，Ni和W等在高溫下形成合�
(3)蒸發(fā)源材料與薄膜材料的濕�(rùn)特��
用鎢絲蒸�(fā)舟，一般需是濕�(rùn)的薄膜材��
下面介紹幾種電阻蒸發(fā)舟：
A、絲狀蒸發(fā)�
線徑一般為0.5�1.0mm，多股絲(三股)�
螺旋絲蒸�(fā)源常用于蒸發(fā)�、鎳等金�;
錐形�(lán)蒸發(fā)源用于蒸�(fā)塊狀或絲狀升華材料和不易與蒸發(fā)源濕�(rùn)的材��
B、箔狀蒸發(fā)�
蒸發(fā)源的厚度常為0.05�0.15mm，蒸�(fā)面積�，注意要使鍍膜材料和蒸發(fā)源之間要有良好的熱接觸，否則�(huì)�?yàn)榫植渴軣?，不僅會(huì)使材料分解，而且造成膜料噴射�
C、輻射蒸�(fā)�
利用鎢絲的輻射熱加熱材料，使一些熔�(diǎn)不高的材料蒸�(fā)�
D、煙筒蒸�(fā)�
與輻射源相似，蒸�(fā)�(wěn)�
E、閃光蒸�(fā)
將合金或化合物持�(xù)地灑落在蒸發(fā)源上，引起爆�(fā)性急速蒸�(fā)，防止分餾�
F、石墨蒸�(fā)�
用來蒸發(fā)�、銀和鉭�
采用光譜純，�(nèi)表面光滑�
使用�，經(jīng)酸堿處理，然后在真空�2000℃左右去�、磷等雜�(zhì)�
(3)電子束加熱蒸�(fā)
原理：當(dāng)金屬在高溫狀�(tài)�(shí)，其�(nèi)部的一部分電子逸出表面，電子經(jīng)過高壓加速后，會(huì)聚在鍍膜材料表面，使�(dòng)能變成熱�，使材料蒸發(fā)。詳�(xì)見電子槍離子源工作原理介��
(4)激光蒸�(fā)
采用高能激光作為熱源蒸�(fā)薄膜。高能量的激光透過真空室窗口對(duì)蒸發(fā)材料�(jìn)行加熱，通過�(huì)聚可使激光束功率密度提高�106W/cm2以上�
�(yōu)�(diǎn)：可蒸發(fā)高熔�(diǎn)材料;采用非接觸式加熱，熱源臵于真空室外，減少了污�，非常適合于超高真空制備純潔薄膜，且獲得很高的蒸�(fā)速率，適用激光薄膜的制備�
缺點(diǎn)：成本高;�(duì)有些材料不能顯示其優(yōu)越��
(5)反應(yīng)蒸發(fā)
在一定的反應(yīng)氛圍中蒸�(fā)金屬或低�(jià)化合�，使之在淀積過程中�(fā)生化�(xué)反應(yīng)而生成所需的高�(jià)化合物薄��
反應(yīng)蒸發(fā)不僅用于熱蒸�(fā)分解�(yán)�，而且用于因蒸汽壓太低而不能用電阻加熱蒸發(fā)的材料�
反應(yīng)蒸發(fā)的反�(yīng)度取決于反應(yīng)材料的化�(xué)性質(zhì)、反�(yīng)氣體的穩(wěn)定�、形成化合物的自由能，以及化合物的分解溫度和基板溫度��
2、濺�
(1)基本原理
離子撞擊在靶上把一部分�(dòng)量傳遞給靶原�，如果原子獲得的�(dòng)能大于升華熱，那么它就能脫離�(diǎn)陣而射��
(2)濺射閾和濺射�
濺射閾是入射離子使陰極靶�(chǎn)生濺射所需的最小能�。取決于靶材料，隨著原子序數(shù)增加而減��
濺射率表示正離子撞擊陰極�(shí)，平均每�(gè)正離子能從陰極上打出的原子數(shù)。與入射粒子的類型、能�、角度及靶材的類�、晶格結(jié)�(gòu)、表面狀�(tài)、升華熱等因素有�(guān)，單晶材料還與表面取向有�(guān)�
(3)濺射粒子的速度和能�
用He+轟擊�(shí)，大多數(shù)濺射原子的速度�4×105cm/s，平均動(dòng)�4.5eV;
用Ar+轟擊�(shí)，大多數(shù)金屬原子的平均速度�3�6×105cm/s，粒子的能量隨著靶材料因素的�(zhì)量增加而線形增��
(4)高頻濺射RF
高頻交流電流使靶交替的由離子和電子�(jìn)行轟擊�
可以用于濺射絕緣介質(zhì)材料，串�(lián)一�(gè)電容器，可以濺射金屬�
(5)磁控濺射
采用正交電磁�(chǎng), 使得電子在正交電磁場(chǎng)中由直線�(yùn)�(dòng)變成了擺線運(yùn)�(dòng)，大大增加了與氣體分子碰撞的幾率，使離化率產(chǎn)生重大變��
�(yōu)�(diǎn)�
(1)可以得到很高的濺射速率;
(2)在濺射金屬時(shí)可以避免二次電子轟擊而使基片保持接近冷態(tài)，對(duì)單晶和塑料基板具有重大意�;
(3)可以用dc和rf放電工作，可以制備介�(zhì)和金屬膜�
缺點(diǎn)�
(1)不能�(shí)�(xiàn)�(qiáng)磁性材料的低溫高速濺�;
(2)絕緣靶會(huì)使基板溫度上�;
(3)靶的利用率低(30%)�
(6)反應(yīng)濺射
反應(yīng)物之間產(chǎn)生反�(yīng)的必要條件是：反�(yīng)物分子必須有足夠的能量以克服分子間的�(shì)壘�
反應(yīng)過程基本上發(fā)生在基板表面和濺射時(shí)靶面�
這時(shí)靶面同時(shí)�(jìn)行著濺射和反�(yīng)生成化合物的兩種過程。如果濺射速度大于化合物生�(chǎn)速度，靶處于金屬濺射狀�(tài);
反應(yīng)氣體壓強(qiáng)增加和金屬濺射速度減小，靶可能�(huì)�(fā)生化合物形成的速度超過濺射除去的速度而停止濺��
反應(yīng)濺射技�(shù)，容易制備Ti、Ta、Zn和Sn等金屬氧化物薄膜�
3、離子鍍
真空熱蒸�(fā)和濺射兩種技�(shù)�(jié)合而發(fā)展起來的一種新工藝�
直流法離子鍍：薄膜材料用電阻加熱蒸發(fā)，并在蒸�(fā)源與基板之間加上一�(gè)直流電場(chǎng)，基板為�(fù)電位(1�5kV)。當(dāng)真空室抽�10-3�10-4Pa�，充入Ar和其他惰性氣體至1Pa(�(duì)反應(yīng)離子鍍同�(shí)充入反應(yīng)氣體)。則在基板和蒸發(fā)源之間建立輝光放�，使惰性氣體電離，電離�(chǎn)生的正離子在電場(chǎng)的作用下向基板加速運(yùn)�(dòng)。當(dāng)蒸發(fā)材料的分子或原子通過等離子區(qū)�(shí)也被電離，在電場(chǎng)中獲得加速能�。由于碰撞大部分離子�(huì)成為中性粒�，但其具有很高的能量，根�(jù)所加電�，能量一般在1�100eV。這種高能粒子入射到基板表面，一方面使基板加�，若電壓�4KV，電流密�0.5mA/cm2�15分鐘后基板溫度可以達(dá)�300℃左�;另一方面使已沉積的膜層產(chǎn)生濺�。為了保證一定的沉積速率，必須控制入射粒子的能量和蒸�(fā)速率，使沉積速率大于濺射速率�
高頻法離子鍍：在直流法的基板和蒸�(fā)源之間裝上一�(gè)高頻線圈。由于高頻電�(chǎng)使電子運(yùn)�(dòng)路徑增加，離化率提高，可以在較高的真空度(10-1�10-2Pa)和較低的放電電壓�，維持放電而且離化率有所增加�
聚團(tuán)離子束法：帶有小孔的坩堝使蒸�(fā)材料加熱，由于坩堝內(nèi)部壓力較�，蒸氣聚集成�(tuán)從小孔噴�，在另一離化室發(fā)生離�，向基板加��
離子鍍的�(yōu)�(diǎn)�
(1)膜層附著力強(qiáng);
高能粒子轟擊的三�(gè)作用：使基板得到清潔，產(chǎn)生高�;使附著力差的分子或原子產(chǎn)生再濺射而離開基�;促�(jìn)了膜層材料表面擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，甚至產(chǎn)生注入效�(yīng)，因而附著力大大增強(qiáng)�
(2)膜層密度�
高能粒子不僅表面遷移率大，而且再濺射克服了沉積�(shí)的陰影效�(yīng)，因而膜層的密度接近大塊材料�
(3)膜層均勻性好
在基板前、后面均能沉積薄�。荷電離子按電力線方向運(yùn)�(dòng)，凡電力線所及部位均能沉積薄�;較高的工作氣壓使蒸發(fā)粒子�(chǎn)生氣相散�，后/前表面的膜層厚度百分率隨放電氣壓的增加荷蒸發(fā)速率降低而提�?？梢藻冎�?fù)雜形狀的零��
(4)膜層沉積速率�
目前離子鍍的主要用途：
制造高硬度的機(jī)械刀具和耐磨的固體潤(rùn)滑膜，在金屬和塑料制品制造耐久的裝飾膜�
也有用于制備高強(qiáng)度光�(xué)薄膜�
低壓反應(yīng)離子鍍已�(jīng)可以鍍制低損耗的光學(xué)薄膜�