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蒸镀技术在真空电镀工艺的应用

作者:[本站] 时间:[2017/09/14 16:26:59]

    近年来,由于电子器件的小型化、高可靠性和超集成度以及各尖端科学技术的发展,需要制备各种特殊功能的镀层。这种需求促进了物理气相沉积(简称PVD,亦称真空镀)的迅速发展和广泛应用。
    物理气相沉积是指在真空条件下,将金属气化成原子或分子,或者使其离子化成离子,直接沉积到镀件表面上的方法。物理气相沉积的主要方法有蒸发镀、溅射镀和离子镀。这些方法能够镀覆钛、铝以及某些高熔点材料,这些用水溶液电沉积方法一般是不容易实现的。若在物理气相沉积中引入一些反应(称为反应性PVD,可以制造(Tic、Al2O3、AlN、TiN及SiC)等化合物薄层,这些陶瓷薄层具有耐磨、耐热等特殊性能,有着重要的用途。
    蒸发镀是在真空条件下,加热熔融金属,使蒸发的金属原子或分子沉积在镀件的表面,形成金属膜的方法。
溅射镀是在真空条件下导入氩气,使之辉光放电,带正电的氩离子(Ar+)在强电场的作用下轰击阴极,使构成阴极的原子被溅射到镀件表面形成膜层的方法。
    离子镀是在真空条件下,以惰性气体(Ar)和反应气体(O2、N2、NH4)作介质,利用气体放电而发生离子化的部分蒸发物质的离子、中性粒子和非活性气体,一面轰击带负高压的镀件表面,一面生长成膜的方法。
    以上三种方法中,蒸发镀是比较早的PVD工艺,结合力较低,在机件上已不多用;而后两种方法所制得的膜层结合力较高,应用范围正在扩大。后两种方法的特点是:(1)依靠Ar的辉光放电产生的离子溅射效应使工件表面净化,使表面在整个镀覆过程中均能保持清洁;(2)蒸发或溅射的原子或分子被离解和加速,具有较高的能量,可以得到密度高的、结合力高的涂层;(3)基体表面由于受高能粒子的轰击,温度升高,可生成微观合金层,从而进一步提高涂层结合力;(4)除金属外,陶瓷、玻璃、塑料等表面上都可涂覆,得到粘着性良好的涂层;(5)处理温度较低,避免了工件变形及退火软化现象;(6)一般无需再加工:(7)采用反应性PVD能得到各种金属氧化物、碳化物和氮化物涂层;(8)无公害。
    PVD法已广泛用于机械、航空、电子、轻工和光学等工业部门中制备耐磨、耐蚀、耐热、导电、磁性、光学、装饰、润滑、压电和超导等各种镀层。随着PVD设备的不断完善、大型化和连续化,它的应用范围和可镀工件尺寸不断扩大,已成为国内外近20 年来争相发展和采用的先进技术之一。
    一 蒸发镀膜技术
    一、蒸发原理
   在高真空中用加热蒸发的方法使镀料转化为气相,然后凝聚在基体表面的方法称蒸发镀膜(简称蒸镀)。蒸发镀膜过程由镀材物质蒸发、蒸发材料粒子的迁移和蒸发材料粒子在基板表面沉积三个过程组成。
蒸发镀膜是物理气相沉积的一种,与溅射镀膜和离子镀膜相比有如下优缺点:设备简单可靠、工艺容易掌握、可进行大规模生产,镀膜的形成机理比较简单,多数物质均可采用真空蒸发镀膜;但镀层与基片的结合力差,高熔点物质和低蒸气压物质的镀膜很难制作,如铂、铝等金属,蒸发物质所用坩埚材料也会蒸发,混入镀膜之中成为杂质。
    二、蒸发源
    蒸发镀膜需要将镀层材料加热变成蒸气原子,蒸发源是其关键部位,大多数金属材料都要在1000-2000的温度下蒸发。因此,必须将材料加热到这样高的温度。常用的加热方法有:电阻法、电子束法、高频法等。
    (一)电阻蒸发源
    把丝状或片状的高熔点金属(如W、Mo、Ta等)做成适当形状的蒸发源,其上装有待蒸发材料,接通电源,蒸镀材料蒸发,这便是电阻加热法。此种方法主要用于低熔点金属或化合物,如金、银、铜、铝、氯化铬等。
电阻加热法还应考虑蒸发材料与镀膜材料之间产生反应和扩散而形成化合物和合金的问题。如钽和金在高温时形成合金,又如高温时铝、铁、镍等也会与钨、铂、钽等蒸发源形成合金。一旦形成合金,熔点下降,蒸发源容易烧断。因此,蒸发源应选择不与镀膜材料形成合金的材料。
    (二)电子束蒸发源
    将蒸镀材料放入水冷铜坩埚中,直接用电子束加热,称为电子束加热法。电子发射源通常用热的钨阴极,电子加速电压为5-10KV、电流为几百毫安、功率为1-6KW。电子束加热蒸镀具有如下特点:
    1、热可直接加在蒸发材料上。
    2、盛放蒸发材料的容器可以是冷的,这就避免了容器参加反应和容器材料不必要的蒸发。
    3、可以蒸发诸如钽和钨等类高温金属。但电子束加热蒸镀法存在装置较复杂、残余气体分子和蒸发材料蒸气的一部分会被电子电离、多数化合物由于电子轰击而部分分解等缺点。
    (三)高频感应加热蒸发源
    在高频感应线圈中放入镀膜材料及坩埚进行高频感应加热,使坩埚中镀膜材料蒸发。此法主要用于镀铝。如果镀膜材料为非导体,可将坩埚用导电材料来做。这种加热蒸发方式的特点是加热效率高,蒸发量大,设备简单,所以已得到了工业性的应用。
    三、膜层镀制
    (一)合金膜的镀制
    如果要沉积合金,则在整个基片表面和膜层厚度范围内都必须得到均匀的组分。有两种基本方式:闪蒸蒸镀法和多蒸发源蒸镀法。
    闪蒸蒸镀法就是把合金做成粉末或者细的颗粒,放入能保持高温的加热器和坩埚之类的蒸发源中,使一个一个的颗粒在一瞬间完全蒸发。
    多蒸发源蒸镀法是在制作由多种元素组成的合金镀膜时,把这些元素分别装入隔开的几个坩埚中,坩埚数量按合金元素的多少来确定。然后独立地控制各坩埚所在蒸发源的蒸发,设法使到达基片上的各种原子与所需镀膜组成相对应。
    (二)化合物的镀制
    大多数的化合物在热蒸发时会全部或部分分解,所以用简单的蒸镀技术无法由化合物镀料镀制出组成符合化学比的膜层。但有一些化合物,如氯化物、硫化物和硒化物,甚至少数氧化物如B2O3、SnO可以采用蒸镀。因为它们很少分解或者当其凝聚时各种组元又重新化合。
    (三)高熔点化合物的镀制
   氧化物、碳化物、氮化物等材料的熔点一般很高,而且制取这类化合物的费用也很昂贵,因此常采用“反应蒸镀法”镀制这类化合物薄膜。如Tic、Cr2O3、SiO2、Ta2O5、ZrN、Al2O3、AlN、TiN及TiC等。反应蒸镀法就是在充满活性气体的气氛中蒸发固体材料,使两者在基片上进行反应而形成化合物镀膜。例如镀制,TiC) 是在蒸镀T的同时,向真空室通入乙炔气,于是在基片上Ti 与乙炔发生反应而得到Tic膜层。如果在蒸发源和基板之间形成等离子体,则可提高反应气体的能量、离化率和相互间的化学反应程度,这称为“活性反应蒸镀”。
    (四)离子束辅助蒸镀法
    蒸发原子或分子到达基材表面时能量很低(约0.2ev),加上已沉积粒子对后来飞达的粒子造成阴影效果,使膜层呈含有较多孔隙的柱状颗粒状聚集体结构,结合力差,又易吸潮和吸附其他气体分子而造成性质不稳定。为改善这种状况,可用离子源进行轰击,镀膜前先用数百电子伏的离子束对基材轰击清洗和增强表面活性,然后蒸镀中用低能离子束轰击。例如用锰离子束辅助蒸镀Zns,得到电致发光薄膜Zns:Mn。另外还可用这种方法制备化合物薄膜等。
    (五)非晶蒸镀法
    采用快速蒸镀,有利于非晶薄膜的形成Si、Ge 等共价键元素和某些氧化物、碳化物、钛酸盐、铅酸盐、锡酸盐等在室温或其以上温度下可得到非晶薄膜,而纯金属等需在液氦温度附近的J基板上才能形成非晶薄膜。采用金属或非金属元素或两种在高浓度下互不相溶的金属元素共同蒸镀,比纯金属容易形成非晶薄膜。另外也可通过加入降低表面迁移率的某些气体或离子来获得非晶薄膜。非晶薄膜往往有一些独特的性能和功能,具有重要用途。
    (六)分子束外延(MBE)
    分子束外延法是从双蒸发源蒸镀法发展起来的。这里简单介绍一下,将在后文着重叙述。它是在超高真空条件下,精确控制蒸发源给出的中性分子束流,使其在基片上外延成膜的技术。经过10余年的开发,这种方法已用于制作单晶体化合物镀膜,特别是用来制作III-IV族化合物镀膜。
    外延是指在单晶基体上成长出位向相同的同类单晶体(同质外延),或者成长出具有共格或半共格联系的异类单晶体(异质外延)。目前分子束外延的膜厚控制水平已经达到单原子层,甚至知道某一单原子层是否已经排满,而另一层是否已经开始成长。
    四、蒸镀用途
    蒸镀只用于镀制对结合强度要求不高的某些功能膜,例如用作电极的导电膜、光学镜头用的增透膜等。
    蒸镀用于镀制合金膜时,在保证合金成分这点上,要比溅射困难得多,但在镀制纯金属时,蒸镀可以表现出镀膜速率快的优势。
    蒸镀纯金属膜中90%是铝膜。铝膜有广泛的用途,目前在制镜工业中已经广泛采
    用蒸镀,以铝代银,节约贵重金属。集成电路是镀铝进行金属化,然后再刻蚀出导线。在聚酯薄膜上镀铝具有多种用途:制造小体积的电容器;制作防止紫外线照射的食品软包装袋;经阳极氧化和着色后即得色彩鲜艳的装饰膜。双面蒸镀铝的薄钢板可代替镀锡的马口铁制造罐头盒。

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