物理气相沉积 - 热蒸镀(薄膜沉积)技术

热蒸镀技术:

闪燃蒸镀(flash evaporation) 是一种可以在同一个制程中,同时制镀两种或多种靶材膜层的技术,因为不同的靶材需要不同的熔点温度,因此当电阻器还不到熔点温度时,先不接触靶材,等温度到后,才碰触靶材.因此电阻器平常是空的,只有当蒸发材料时,才将材料放上去,因此可以镀制不同材料。

优点:
1.电阻式蒸镀机设备价格便宜,构造简单容易维护。
2.靶材可以依需要,做成各种的形状。

缺点:
1. 因为热量及温度是由电阻器产生,并传导至靶材,电阻器本身的材料难免会在过程中参加反应,因此会有些微的污染,造成蒸发膜层纯度稍差,伤害膜层的质量。
2. 热阻式蒸镀比较适合金属材料的靶材,光学镀膜常用的介电质(dielectric)材料,因为氧化物所需熔点温度更高,大部分都无法使用电阻式加温来蒸发。
3. 蒸镀的速率比较慢,且不易控制
4. 化合物的靶材,可能会因为高温而被分解,只有小部分化合物靶材可以被闪燃式蒸镀使用。
5. 电阻式蒸镀的膜层硬度比较差,密度比较低。

电子枪蒸发: 使用高速电子轰击靶材材料,因为电子的高动能在撞击时转化为热能,而使靶材被轰击部位能产生高温,此高温可以蒸发靶材材料。在这种蒸发模式中,特殊设计的电子枪以热放射机制(thermionic emission)从钽金属阴极管(cathode)射出电子束,放射出来的电子束,可以被加速到非常高的速度。(如果施加10000伏特,电子可以加速到60000公里/秒的速度)当撞击靶材时,大部份的动能转换成热能。(60000公里/秒的速度撞击,可以得到5000~6000度的温度)
在电子枪系统中,盛放靶材的坩埚扮演正极的角色,有一个磁场会被施加在电子束的行径路线中,来弯折电子束方向。所以电子枪能放在坩埚旁边,以免挡到蒸发物质的行进路线。

1968年Hanks发明270度弯折的电子枪系统后, 电子枪可以放在坩埚的正下方位置,大幅度的改善了蒸气污染阴极管头的情形,使得阴极管的使用寿命大幅提升。

经由控制电磁磁场(magnetic lens),电子束可以聚焦,或者改变轰击的位置。这样可以让电子束,非常精确的轰击想加热的位置,还可以在蒸镀时改变位置,甚至改变蒸镀的速率。更重要的是,电子枪可以蒸发介电质膜层材料的氧化物。因为只有坩埚的表面靶材被加热,藉由设计好适当的冷却系统,坩埚本身不会被高温蒸发而污染膜质及镀膜机腔体。

优点:
1. 使用适当坩埚的水冷却系统,坩埚本身材质污染蒸发靶材的情况可以大幅减轻。
2. 膜质的纯度高于电阻式蒸镀。
3.大部分的介电质氧化物靶材,都可以被蒸发。
4.经由设计旋转式坩埚机制,可以蒸镀不同靶材材料的多层膜膜层。
5.经由适当微调电子束轰击位置,可以大幅提高膜层厚度的均匀性。

缺点:
1. 没有控制好的电子束可能会造成靶材材料分解离子化,可能会导致靶材吸收,累积电荷,伤害膜层的表面质量。
2. 电子枪需要大量的电能消耗,因为需要使用10000~15000伏特的电压持续数个小时,导致电子枪蒸镀系统,所耗的能量高于其它方法。

由于电子枪系统有很多优点,因此自1950年代后,电子枪系统变成物理性热蒸镀方式(PVD thermal)的主流 。现代,更经由计算机及自动控制技术的快速发展,大部分的多层膜光学镀膜机都采用电子枪系统。它对奈米等级的膜层厚度,有非常好的控制性。这50多年来,有许多的附加技术根据电子枪系统,又加以发展。重要的附加方式表列如下:

不同助镀方式的腔体部件放置

雷射蒸镀:这个方式以雷射光射线当成蒸发热源, 因为雷射可以用高热蒸发靶材,也有所谓的"光解离作用" (photodissociation)。可以很有效率的蒸发靶材,同时又不会有电荷累积的问题,因此可以得到很好的表面质量。雷射光是一个能量聚焦的光束,即使通过很长的距离后,也不会散失太多的能量。因此靶材可以摆放在比较远的位置,大幅降低污染问题。不过,雷射是一个非常昂贵的系统,以此方法做出的镀膜机,价格高昂,让工业界采用它的比例很低。