真空鍍膜:電子束加熱蒸發源
發布時間:2019-05-07 21:37:54 | 人感興趣 | 評分:3 | 收藏:
真空鍍膜中,鍍膜機常用的蒸發源有電阻式加熱蒸發源、電子束式加熱蒸發源、空心熱陰極等離子束蒸發源、感應式加熱蒸發源。
隨著薄膜技術的廣泛應用,不但對膜的種類要求繁多,而且對膜的質量要求也更加嚴格了。為了適應這種要求,只采用電阻加熱式蒸發源已不能滿足蒸鍍某些金屬和非金屬材料的需要。電子束作為蒸鍍膜材的熱源就是在這種情況下發展起來的。
電子束加熱原理是基于電子在電場作用下,獲得動能打到膜材上,使膜材加熱氣化,實現蒸發鍍膜。
電子束加熱源有如下優點。
①能獲得遠比電阻熱源更大的能量密度,數值可達到104W/cm²~109W/cm²,因此可以將膜材表面加熱到3000℃~6000℃。為蒸鍍難溶金屬和非金屬材料如W、Mo、Ge、Si02、A1203等提供了良好的熱源。而且由于被蒸鍍的材料是放在水冷坩堝內的,因而可以避免坩堝材料蒸發及其與膜材之間的反應,這對提高膜的純度是極為重要的。
②熱量可直接加到膜材表面上,熱效率高,熱傳層和熱輻射損失少。
電子束加熱的缺點是電子槍結構較復雜,而且加速電壓較高,高壓下所產生的X射線對人有害。此外,由于電子轟擊,對多數化合物易產生分解作用,因此不宜蒸鍍化合物薄膜。
(1)磁偏轉式電子束加熱蒸發源
電子束作為熔化膜材的熱源,其種類較多,諸如熔滴式、直槍式、環式等。由于這些熱源在用于真空蒸鍍設備上均存在許多缺點,因此已被磁偏轉式電子束熱源所代替。
磁偏轉式電子束蒸發源所發射的電子軌跡與e相似,故有e型電子束源之稱,簡稱e型槍。圖10-4給出了國產兩種型式的e型槍。e型槍的工作原理如圖10-4所示。陰極燈絲加熱后發射出具有0.3eV初始動能的熱電子,這些熱電子在燈絲陰極與陽極之間受極間電場制約,不但可以按一定的會聚角會聚成束狀,而且還會受磁場的作用,沿E×B的方向偏轉。到達陽極孔時,電子能量可提高到10keV,通過陽極孔之后,電子束在偏轉磁場的作用下偏轉270o,入射到坩堝內的膜材表面上轟擊膜材使之加熱蒸發。
電子束轟擊膜材,將激發出許多有害的散射電子,如反射電子、背散射電子和二次電子等。圖10-5中的吸收極6吸收這些有害電子,可以保護基片和膜層。
(2)空心熱陰極等離子電子束蒸發源
空心熱陰極等離子電子束蒸發源簡稱HCD槍。
①HCD槍的工作原理及特點:
HCD槍的原理如圖10-6所示。空心鉭管作陰極,膜材作陽極,置于真空室中。用泵將真空室抽到高真空后,在鉭管中通入少量的氬氣,使真空室內保持1Pa~10-2Pa的真空度。這時在陰陽極之間加上引弧電源,點燃氬氣。當電壓達到點燃電壓UB時,則氬氣被電離。這樣就在中空陰極內產生低壓等離子體,直流放電電壓約為100V~150V,電流只有幾個安培。一旦氨氣被電離,等離子體中正離子就會不斷地轟擊陰極鉭管。當鉭管上有8段受熱達到工作溫度2300K- 2400K時,即可出現熱電子發射,使放電轉變到穩定狀態,電壓下降到30V—50v,同時使等離子電子束流增大到一定值。這時由空心陰極內引出的高密度等離子電子束在電場的作用下射向膜材,膜材被加熱到蒸發溫度,開始蒸發而沉積到基片上成膜。
這種蒸發源有如下特點:
a.空心陰極放電可形成密度很高的等離子體;且通過陰極的氣體可大部分被電離。
b.陰極工作溫度可達3200K,蒸發原子通過等離子區時,被等離子激發電離,其離化率可達20%。
c.陰極不易損壞,壽命較長;
d.可在氣體輝光放電區內工作;穩定工作壓力為1Pa—10-2Pa。如果將工件加數十伏、數百伏負高壓,使金屬離子向工件轟擊制膜,膜的附著強度好,如通入反應氣體可制備化合物膜(如TiN,TiC等)。
e.結構簡單。
f.低電壓、大電流下工作,所以使用安全、易于自動控制。
②HCD槍的結構:
HCD槍的典型結構如圖10-7所示。它是由帶有水冷接頭的鉭管空心陰極,聚焦磁場線圈,輔助陽極,偏轉磁場線圈所組成。
這種槍的水冷坩堝和聚焦線圈的放置與e型槍不同,它不是放到槍體上,而是放置在與槍中心線成一定角度和一定距離的真空室殼體上。為了使槍與真空室殼體之間具有較大的距離,消除金屬濺射和金屬蒸氣對空心陰極的污染,以及防止電接頭和冷卻器對室壁起弧,目前多采用水平放置。
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