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物理气相沉积真空镀膜设备介绍
（上海大学材料科学与工程学院电子信息材料系，上海
200444
）
摘要
：本
文主要介绍了五类物理气相沉积的真空镀膜设备。五种设备分别为：
电阻式蒸发装置、<
/p>
电子束蒸发装置、
电弧蒸发装置、
激光蒸
发装置以及空心阴极
蒸发装置。介绍了相关设备的原理，优缺点等。其中，着重列出了有
关电子束蒸
发装置的其中一个应用，是厚度为
200
μ
m
左右的独立式的铁铬
-Y2O3
非晶态
/
晶态复合涂层的已
经从基板温度
500
?
C
左右的铁铬和氧化钇材料的电子束物理
气相沉积产生。
Abstract:
It describes the
five physical vapor deposition vacuum coating
equipment
in this kinds of equipment
are: resistive evaporation apparatus, an electron
beam
evaporation
apparatus,
arc
evaporation
apparatus,
laser
evaporation
apparatus
and
a
hollow
cathode
evaporation
introduces
the
principle
of
related
equipment,
advantages and disadvantages. Emphatically
identifies the electron beam
evaporation
apparatus
in
which
an
is
that
Freestanding
FeCrAl-Y2O3
amorphous/crystalline composite coating
with
a thickness
of about
200nm
has been
produced
from
electron-beam
physical
vapor
deposition
of
FeCrAl
and
yttria
materials with a
substrate temperature of 500
℃
around.
关键词：
电阻式蒸发装置、电子束蒸
发装置、电弧蒸发装置、激光蒸发装置、
空心阴极蒸发装置
Keyword
:
Resistive evaporation apparatus, an
electron beam evaporation apparatus,
arc
evaporation
apparatus,
a
laser
evaporation
apparatus,
a
hollow
cathode
evaporation device
一、电阻式蒸发装置
电阻式
蒸发装置的电加热方法是钨丝热源，
针对这种加热方式，
其主要
的特
点在于：第一它主要用于块状材料的蒸发、可以在
2200K
下工作；其次就是有
污染；但仪器
操作简单、经济实惠。电阻式蒸发装置主要由难熔金属蒸发舟：
W,
Ta,
Mo
等材料制作，它一般用于
粉末、块状材料的蒸发。利用大电流通过一
个连接着靶材材料的电阻器
< br>,
将产生非常高的温度
,
利用这
个高温来升华靶材材
料。通常使用钨
(Tm=3380
℃
),
钽
Ta(Tm=
2980
℃
),
钼
< br>Mo(Tm=2630
℃
)
,
高熔点又能
产生高热的金属
,
做成电阻器
【
1
】
。
电阻式蒸发装置的加热方式对被蒸
发的物质可以采取两种方法，即普通的电
阻加热法和高频感应法。
前者依靠缠于坩锅外的电阻丝实现加热，
而后者依靠感
应线圈
在被加热的物质中或在坩锅中产生出感应电流来实现对蒸发物质的加热。
在后者情况下，
需要被加热的物质或坩锅本身具有一定的导电性。
电阻器可以依被镀物工件形状
,
摆放方式
,
位置
,
腔体大小
,
旋转方式
,
而作成不
同的形状。镀膜主
要的考虑因素
,
是让靶材的蒸发分布均匀
,
能让工件上面的沉积
薄膜厚度均匀
,
镀膜成品才能得到一致的光学功能。细丝状的金属靶材
(Al
, Ag, Au,
Cr...)
是最早被热蒸镀使用的靶材
形式
,
后来则依不同需要
,
发展出舟状
,
篮状等各种
形状的电阻器。如图
1
所示：
针对电阻式蒸发装置，我们需要注意的是：
< br>（
1
）避免被蒸发物质与加热材料之间发生化学反应的可
能性，可以考虑使用表
面涂有一层
Al2O3
的加热体；
（
2
）防止被加热物
质的放气过程可能引起的物质飞溅。
对于电阻式蒸发装置，其优点主要在于：
（
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。
相对的，电阻式蒸发装置其缺点也是蛮多的：
（
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
,<
/p>
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材料<
/p>
,
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
燃蒸镀使用。
（
5
）电阻式蒸镀的膜层硬度比较差
,
密度比较低。
因此，
由于电阻式蒸
发装置的缺点较多，
一般在应用的时候，
很少使用到这种装
置来进行高空蒸发镀膜。
二、电子束蒸发装置
电阻加
热装置的缺点之一是来自坩埚、
加热元件以及各种支撑部件的可能的
污染。
另外，
电阻加热法的加热功率或加热温度也有一定的
限制。
因此其不适用
于高纯或难熔物质的蒸发。
电子束蒸发装置正好克服了电阻加热法的上述两个不
足。
在电子束加热装置中，
被加热的物质被放置于水冷的坩埚中，
电子束只轰击
到其中很少的一部分物质，
而其余的大部分物质在
坩埚的冷却作用下一直处于很
低的温度，
即后者实际上变成了被
蒸发物质的坩埚。
因此，
电子束蒸发沉积装置
< br>中可以安置多个坩埚，这使得人们可以同时分别蒸发和沉积多种不同的物质
应用各种材料，如高熔点氧化物，高温裂解
BN
、石墨、难熔金属硅化物等制成
的坩锅也可以作为蒸发容器。
这时，
对被蒸发的物质可以采取两种方法，
即普通
的电阻加热法和高频感应法。
前者依靠缠于坩锅外的电阻丝实现加热，
而后者依
靠感应线圈在被加热的物质中或在坩锅中产生出感应电流来
实现对蒸发物质的
加热。在后者情况下，需要被加热的物质或坩锅本身具有一定的导电性
。
电子束蒸发装置的电子束加热枪由灯丝、
加速电极以及偏转磁场组成。
电子
束蒸发设备的核心是偏转
电子枪，
偏转电子枪是利用具有一定速度的带点粒子在
均匀磁场
中受力做圆周运动这一原理设计而成的。
其结构由两部分组成：
一是电
子枪用来射高速运动的电子；二是使电子做圆周运动的均匀磁场。
电子束蒸发的特点主要有：
（
1
）工作真空度比较高，可与离子源联合使用；
（
2
）可用于粉末、块状材料的蒸
发；
（
3
）
可以蒸发金属和化合物；
（
4
）可以比较精确地控制蒸发速率；
（
5
）电离率比较低。
图
2
电子束蒸发装置示意图
电子束装置的电子束绝大部分能量
要被坩埚的水冷系统带走，
因而其热效率
较低。
另外，
过高的加热功率也会对整个薄膜沉积系统形成较强的热辐射。
由于
电子束自身高能量等原因，
所以，
电子束蒸发对源材料的要求也会比较高。
首先，
熔
点肯定要高。蒸发材料的蒸发温度多数在
1000
－
2000
℃之间，所以加热源材
料的熔点必须高于
此温度。
其次，
饱和蒸汽压要低。
这是
为了防止或减少在高温
下加热材料，
随蒸发材料一起蒸发而成为
杂质进入淀积膜，
只有当加热材料的饱
和蒸发气压足够低，
才能保证在蒸发过程中具有最小的自蒸量，
而不致于影响真
空度，不产生对薄摸污染的蒸发。最后，化学性能要稳定。加热材料在高温下不
< br>应与蒸发材料发生化学反应，
如果加热材料和蒸发形成工熔点合金，
则会降低加
热材料的寿命。
电子束物理气相沉积的应用：
Freestanding
FeCrAl-Y2O3
Amorphous/Crystalline
Composite Coating Fabricated by
Electron-Beam Physical Vapor Deposition
摘要：
Freestanding
FeCrAl-Y
2
O
3
amorphous/crystalline
composite
coating
with
a
thickness
of
about
200um
has
been
produced
from
electron-beam
physical
vapor
deposition
of
FeCrAl
and
yttria
materials
with
a
substrate
temperature
of
500
℃
around. The
microstructure was composed of columnar grains
near the substrate side
and an
amorphous top layer. Local crystallization
occurred during room temperature
preservation. It is inferred that the
crystallization activation energy of the material
is
very low.
非晶涂层具有优异的耐腐蚀性
【
1
】
，高弹性模
量，更好的耐磨性
【
2-3
】
，以及独特
的磁特性等许多优点
【
4
】
。目前，金属玻璃涂层的大多是用磁控溅射法制
作出来
的，每分钟几纳米的增长速度
【
5-6
】
。电子束物理气相沉积（
EB
PVD
）是一种将制
作涂层用每分钟几微米的沉积速率的更有效
的方法。通过电子束物理气相沉积
（
EBPVD
）
技术所提供的高效率可以有利于制造耐磨损性或耐腐蚀性的无定形涂
层的其工业应用。但是，一直没有使用
EBPVD
制造非晶涂层的任何报告。
实验
方法：直径
98.5
毫米
FeCrAl
Ti
(Fe-19.7Cr-5.3Al-5.5Ti)
锭和直
径
68.5
毫米的
Y
< br>2
O
3
锭放入二水冷铜坩埚，<
/p>
同时由两个独立的电子束蒸发。
衬底放置在远离锭的
表面
350mm
处。利用电子束电流预热锭直至明显
的稳定熔化物在晶棒的顶端逐
渐增加，则去除沉积阻挡板，沉积开始。
< br>FeCrAlTi
与
Y
2
O
3
电子束电流分别控制在
< br>1.3A
和
0.5
A
，在沉积过程中，大约有
0.05A
的误差范围
。当淀积期间基片温度
从
440
?
C
逐渐升高至
560
?
C
，不提供额外的加热器到衬底上。沉积持续约
15
分
钟。平均沉积速率是大约
< br>13um /min
。沉积之前的加热斜率约
38
℃
/min
，沉积后
的基片冷却速度为约为
47
℃
/min
。
实验讨论：
图
3 XRD patterns
of the foil.(a) amorphous/crystalline composite
coating; (b)
crystalline
coating.
择优选取非晶<
/p>
/
结晶复合涂层（
100
）方向的
XRD
图，可以看出，作为用于复合涂
层的沉积表面侧，没有结晶峰被检测到。一般当涂料被沉积在低的衬底温度下，
不容易结晶化，在
XRD
图案没有晶体结构峰，所以可
以推测非晶形层形成在沉
积表面上。
图
4
SEM pictures of surface morphology. (a) the
amorphous/crystalline composite
coating; (b)the crystalline coating.
对沉淀物的表面形态进行了
SEM<
/p>
观察。（
a
）示出的无定形涂层的结构，
对应于
X
射线衍射图案没有在上图
XR
D
几个平行槽阵列与某些取向沉积物的表面上中无
任何衍射峰。
在顶部无结晶形态发现。（
b
）示出了
EBPVD
顶部形态制造的晶体
涂层（
XRD
图是在图
B
中所示），在顶部视
图明确的有晶粒观察到。两个样品中
制造方法相同，
并且唯一的
差别是它们在基材上的位置。
因为在基片上的位置是
密切相关的
蒸气入射角，从而蒸气入射角取为具有非晶层的形成具有重要影响。
图
5 Cross-sectional
morphology of the amorphous/crystalline composite
coating. (a)
highmagnification; (b) low
magnification.
横截面的形态示于上图。箔是由柱状晶粒在靠近基底一侧和非
晶相约
12mm
厚的沉积表面的顶部层构成。
< br>G.
邵等人报告了金属间的
Ti-50AL-10CR<
/p>
涂层的
Ti-50AL
衬底磁控溅射，<
/p>
其特征在于非晶相的初始层约
2mm
厚和
一个柱状微观上
的微观结构
【
7
】
。
图
6
AFM images of coating surfaces. (a)
amorphous/crystalline composite coating.
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