蒸发镀膜为何要在高真空的环境下进行呢？

发布时间：

2024-07-10

概要

蒸发镀膜技术是光学，电子，半导体和装饰等各领域中被广泛采用的一项重要表面处理技术。但真空条件对蒸发镀膜工艺有重要影响。本篇文章将深入探究蒸发镀膜为何会在真空中完成，其中涉及到真空对于镀膜过程以及膜层质量影响的诸多方面

薄膜作为物质形态之一，其所用膜材料范围很广，既可由单质元素或者化合物构成，又可由无机材料或者有机材料构成。薄膜如同块状物质，既可呈单晶态、多晶态也可呈非晶态。近年来，功能材料薄膜及复合薄膜的研究也取得了长足的进展。镀膜技术和薄膜产品被广泛应用于工业，特别是电子材料和元器件等工业领域发挥着其重要作用。

真空蒸发镀膜包括以下三种基本工艺∶

① 加热蒸发的工艺。包括由凝聚相转变为气相（固相或液相→气相）的相变过程。

每一种蒸发物质都有一个不同温度下饱和蒸气压；在蒸发化合物的过程中，它们的成分间会产生反应，部分成分会以气态或者蒸气的形式进入到蒸发空间。

② 蒸发源和基片间气化原子或者分子的传输过程也就是这些颗粒在环境气氛下的飞行。

在飞行过程中，与真空室内的残留气体分子发生碰撞的频率，是由蒸发原子的平均自由路径和蒸发源至基片的距离共同决定的，这种距离通常被称作源与基片之间的距离。

③ 蒸发原子或者分子沉积到基片表面的过程就是蒸气凝聚，成核，核长出连续的薄膜。

由于衬底温度比蒸发源温度要低得多，所以，衬底表面沉积物分子会直接经历由气相向固相的相变。将膜材放入真空镀膜室中，利用蒸发源对膜材进行加热蒸发，待蒸发分子平均自由程超过真空镀膜室线性尺寸后，蒸汽中原子、分子在蒸发源表面逃逸后，在飞向基片表面过程中很少受到其他粒子（以残余气体分子居多）的碰撞阻碍，可直接到达被镀的基片表面，由于基片温度较低，则凝结其上形成薄膜，要增加蒸发分子在基片上的附着力就必须使基片适当地受热。为了顺利地进行蒸发镀膜，蒸发时要有真空条件，制膜时要有蒸发条件。

真空条件的重要性∶

① 降低气体分子的干扰

常压时空气中气体分子含量较高。这些分子在蒸发材料中粒子运动路径中会常被碰撞而大大扰动其定向运动轨迹。这样将使镀膜时粒子分布紊乱无序，很难均匀沉积到基底表面上，使最后生成的膜层厚不均，品质良莠不齐。

② 避免氧化及污染

氧气和其他气体在与蒸发材料发生化学作用时，能迅速转化为多种氧化物或不同的化合物。这样不但改变了蒸发材料本来的特性，而且还会给膜层纯度及性能带来严重不利影响。并且在真空环境下，能有效排除氧气及其他有害气体，避免此类氧化及污染现象，保证蒸发材料能维持其纯态镀膜。

③提升了粒子的平均自由程

真空条件下粒子间碰撞概率因气体分子个数很少而大幅度降低，导致粒子平均自由程显着提高。如此，挥发后的材料粒子可以更自由平稳地向基底表面移动，降低传输时能量损耗及方向偏差，进而大大提高镀膜效率及品质。

真空环境对于镀膜的重要性∶

① 蒸发速率的影响

真空度对蒸发源物料蒸发速率有明显影响。真空度高时，周围环境中几乎没有气体分子，蒸发源材料表面受气体分子碰撞阻碍作用随之降低。这样就可以使蒸发源材料蒸发得更加迅速和稳定，进而保证蒸发速率具有可准确控制性。且真空度低时，大量气体分子扰动蒸发源材料蒸发过程，使蒸发速率失稳且波动大，严重影响镀膜厚度均匀性及质量稳定性。

② 粒子能量与入射角的影响

真空中蒸发出的材料粒子可以得到较高能量，因为气体分子不受阻碍与碰撞。当这些高能量粒子飞抵基底表面后，会以更加集中和方向性强的入射角沉积下来。这一高能量，集中入射角等特点，有利于形成更致密，附着力更强的膜层。同时粒子所具有的高能量也促进了其在基底表面上的铺展与融合，从而使膜层结构与性质得到了进一步的优化。

③凝聚与结晶过程的影响

真空环境为蒸发材料的凝聚和结晶提供了更为适宜的条件。在真空中，由于没有了气体分子的干扰，蒸发材料粒子在沉积到基底表面后能够更加自由地进行凝聚和结晶。这有利于形成更加规整、有序的晶体结构，提高膜层的结晶质量。而在常压环境下，气体分子的存在可能会阻碍粒子的凝聚和结晶过程，导致膜层结构的紊乱和缺陷的产生。

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