真空技术基础及蒸发镀膜介绍

真空技术基础及蒸发镀膜介绍目录一、真空技术概述二、真空技术基础三、真空系统的组成四、蒸发镀膜原理五、蒸发镀膜的分类及其特点六、蒸发镀膜在集团的应用真空曾经是一门很神秘的学科，因为它一直是发达国家在军事、原子能和空间技术等关系国家科学技术竞争力的高技术领域激烈竞争的秘密武器。但随着技术的迅速发展和应用的日益广泛，其神秘面纱才逐渐被揭开。真空薄膜对我们十分有用，现举三个例子；a.信息存贮薄膜；b.玻璃上镀二氧化钒薄膜则具有智能化功能；c.高耐磨、低摩擦系数、高化学稳定性的薄膜。现在连金属的冶炼、衣服的储存、食品的包装都已用到真空技术。一、真空技术概述（一）真空技术的应用领域：1.航空航天；2.电子技术；3.汽车工业；4.家电；5.水利工程；6.海洋；7.城市建设。（二）真空薄膜的作用：1.耐磨、2.润滑；3.耐热；4.装饰与金属化；5.电子元件的电学性能；6；耐腐蚀；7.光学性能。由于真空制程无污染，易操作和控制，可靠性和稳定性好，自动化程度高等许多优点，我相信，真空技术的使用将会越来越普遍和广泛。（三）真空镀膜方法分类真空镀膜分为物理气相沉积，即PVD(physicalvapordeposition)和化学气相沉积CVD(chemicalvapordeposition),前者又分为：后者分为：1.蒸发镀膜；1.常压CVD，2.离子镀膜；2.低压CVD，3.溅射镀膜。3.等离子体CVD4.其它CVD。按功能要求也可区分为：1.装饰性镀膜；2.功能性镀膜。二、真空技术基础1．相关概念1）真空的定义：真空并不是真正的没有空气，它是指低于一个大气压的气体空间。2）真空度的单位：分子数/cm³,即分子密度的单位(标准状态3x1019个/cm3)，但分子密度这个物理量不好度量，一般用压强作真空度的单位。密度越低则真空度越高。压强的单位为Pa或Torr。真空度和压强是两个不同的概念。1Torr=133.322Pa3）气体与蒸气临界温度：气体无论如何压缩都不会液化的特定温度。高于临界温度的气态物质为气体；低于临界温度的气态物质为蒸气。2.稀薄气体的基本性质：1）气体分子的速度分布：温度越高，高速度分子数越多。2）平均自由程:：每个分子在连续两次碰撞之间的距离。3）碰撞次数：單位時間内在單位面積的器壁上發生踫撞的氣體分子數。4）余弦散射定理：踫撞于固體表面的分子，它們飛離表面的方向與入射方向無關，並按與表面法線方向所成角度的餘弦進行分佈。3.理想气态方程：即P,V,T,m之间的关系:1）波义尔定律：m和T一定：PV=C,P1V1=P2V22)盖.吕沙定律：m和P一定：V/T=C,V1/T1=V2/T23)查理定律：m和P一定：P/T=C,P1/T1=P2/T24、真空区域的划分及其应用：1）粗真空（105~102Pa)：a.气体分子数多；b.以热运动为主；c.分子间碰撞频繁；d.平均自由程短。2）低真空（102~10-1Ｐａ）：a.会产生气体导电现象；b.气体的流动逐渐由粘稠状态过渡到分子状态；c.液体沸点大为降低引起剧烈蒸发；b.自由程可与容器尺寸相比拟；e.分子间碰撞减少。1016~1013/cm3。3）高真空（10-1~10-6Pa)：a.分子按直线飞行；b.分子间碰撞大为减少，主要与容器壁碰撞;c.气体的热传导与内摩擦已变得与压强无关。4）超高真空(10-6Pa~10-12Pa)：分子间极少碰撞，主要与容器壁碰撞。其用途主要是得到纯净气体和纯净的固体表面。1010个/cm3以下。5）极高真空(10-12Pa)：有统计涨落现象。是真空技術有待進一步發展的範圍。真空区间物理理论应用粗真空分子碰撞为主1、气体分真空浓缩、脱色、脱臭、真空形成，粘滞流子空间飞真空输送。服从统计规律行为主；低真空2、主要理真空蒸馏、精馏；真空干燥、冷冻过度区域论基础是干燥；真空浸渍，真空绝热；真空气体分子烧结、钎焊高真空器壁碰撞为主运动论。真空冶炼、热处理、真空电子束焊、为主、分子流半导体熔炼、电真空器件、离子加余弦定理速、真空镀膜、太阳能设备。超高真空1、气体在固体上以吸附真空镀膜、薄膜和表面物理、表面化停留为主；学热核反应和等离子体物力、离子加2、主要理论基础是表面速器、超导技术、宇宙航行。极高真空物理、表面化学。宇宙航行、表面物理。三、真空系统的组成：1．系统介绍真空系统的组成：真空室、真空泵、真空规。真空室：抽真空系统分为前级泵，次级泵。至今还没有一种泵能从一个大气压一直工作到超高真空。因此通常是将几种真空泵组合使用。真空泵是用来获得真空的手段，主要真空泵的排气原理与工作范围种类原理工作压强范围(Pa)l04l021l0-2l0-4l0-6l0-8l0-10机单级机械泵械双级机械泵利用机械力压缩和泵分子泵排除气体罗茨泵蒸气水银扩散泵靠蒸气喷射的动量喷射油扩散泵把气体带走泵油喷射泵溅射离子泵利用溅射或升华形成干钛升华泵吸气、吸附排除气体式吸附泵利用低温表面对气泵冷凝泵体进行物理吸附排冷凝吸附泵除气体2．真空泵的分类及其应用几种常用的真空泵：a.机械泵:其转子不停地旋转，不断进行吸气、压缩和排气，于是与机械泵连接的真空室便获得了真空。b.扩散泵：氣體分子扩散，与超音速蒸气流碰撞，驱使其运动并被带往出口。扩散泵不能单独使用。c.分子泵：动量传输原理。特点是：启动快，噪声小，运行平稳；抽速大；不需工作液体。d.罗茨泵：动量传输、变容原理。1）转子与泵体、转子与转子之间保持一不大的间隙（约0.1mm），缝隙不需要油润滑和密封，故很少有油蒸气污染；2）运转无摩擦，转速高达3000转/分；3）启动快，振动小，抽速大。它必须与前级泵串联使用。3、真空度的测量a．热偶真空计：低压时热传导与压强有关b．电离真空计：电离电流与压强成正比4、真空度的计算及影响真空度的因素P=ΣPui+ΣQi/Si-ΣV/Si•dPi/dt1）真空泵对某气体的极限压强Pui(Pa)；2）泵对某气体的抽速Si(m3/s)；3）真空室内的各种气源Qi(Pa•m3/s)；4）真空室的容积V(m3)；5）真空系统的结构材料（管道、阀门和其它附属设备）、加工工艺、操作程序。四、真空蒸发镀膜原理1、真空蒸发镀膜定义：在真空室中蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到固体（衬底或基片）表面，凝结形成固态薄膜的方法。2．主要组成部分：a.真空室：b.蒸发源或蒸发加热器：c.基板：d.基板加热器及测温器。3．相关概念１）饱和蒸汽压：在一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸汽与固体或液体平衡过程中所表现出来的压力。２）蒸发速率：单位时间内蒸发物质形成薄膜的厚度。蒸发速率与下列因素有关：ａ．蒸发物质的分子量；ｂ．温度；ｃ．饱和蒸气压；ｄ．表面清洗状况。蒸发速率的控制：温度，尽量避免过大的蒸发梯度。３）蒸发热量：蒸发材料蒸发时所需热量。Q=Q1+Q2+Q3Q1:蒸发材料蒸发时所需热量；Q2：蒸发源因热辐射所损失的热量；Q3:蒸发源因热传导所损失的热量。４）蒸发粒子的能量：一般在1-13(kJ/g)。Al:12.98Ag:2.85Au:2.01Fe:79.53Cu:5.86Cr:8.37Ti:10.47Ta:4.604、真空蒸发镀膜的优缺点：优点1)设备比较简单，操作容易；2)制成的薄膜纯度高，质量好，厚度可较准确确控制；3)成膜速率快，效率高，用掩膜可以获得清晰图形；4)薄膜的生长机理比较简单。缺点：1)不容易获得结晶结构的薄膜；2)附着力较小；3)工艺重复性不好。5、膜厚的测试方法Ａ．形状膜厚：机械方法；光学方法；电子显微镜法Ｂ．质量膜厚：质量测定法；原子数测定法Ｃ．物理膜厚：电学法；光学法6、蒸发源与膜厚分布：1）点蒸发源；2）小平面蒸发源；3）细长平面蒸发源；4）环状蒸发源；5）蒸发源与基板的相对位置；6）蒸发源的蒸发量。富士康柱套膜厚：底漆24mm、铝层1mm、面漆8mm7、蒸发的三个基本过程：Ａ．固相或液相气相Ｂ．气化原子或分子在蒸发源与基片之间的运输Ｃ．蒸发原子或分子在基片表面上的沉积过程蒸发源的发展过程：1）为了抑制或避免薄膜原材料与蒸发加热器发生化学反应，改用耐热陶瓷坩埚；2）为了蒸发低蒸汽压物质，采用电子束蒸发或激光加热。3）为了制造成分复杂或多层复合膜，发展了多源共蒸发或顺序蒸发法；4）为了制备化合物薄膜或抑制薄膜成分对原材料的偏离，出现了反应蒸发法。五、蒸发源的分类及其特点1.蒸发源的类型Ａ．电阻蒸发源：电阻蒸发源的形式蒸发源材料要求：1）熔点要高；2）饱和蒸汽压底；3）化学性能稳定；4）良好的耐热性；5）原料丰富。常用W、Mo、Ta或耐高温的金属氧化物、陶瓷或石磨坩埚。W的熔点：3380oC,相对密度：19.3；Mo的熔点：2630oC,相对密度：10.2；Ta的熔点：2980oC,相对密度：16.6。B．电子束蒸发源优点：1.束流密度高，蒸发速度快；2.可避免容器材料的蒸发有利于提高纯度；3.热效率高。缺点：设备结构复杂，价格昂贵。会产生软X射线对人体有害。直枪蒸发源e型电子枪蒸发源Ｃ．高频感应蒸发源1)蒸发速率大；2)温度均匀稳定，无飞溅现象；3)一次装料，温度易控制，操作简单。2.合金及化合物的蒸发1）合金的蒸发（1）瞬时蒸发法（2）双源或多源蒸发法各蒸发源的速率可独立控制以保证合金成分。2）化合物的蒸发（1）反应蒸发法Al+O2Al2O3（2）三温度蒸发法3.分子束外延镀膜法4.特殊蒸发源：1）电弧蒸发的特点：a.可蒸发包括高熔点金属在内的所有导电材料。b.可简单快速制作无污染薄膜；c.无基板温度升高问题。缺点：a.难控制蒸发速率；b.放电飞溅会损伤膜层。2）热壁蒸发；为了获得良好的外延生长薄膜，利用加热的石英管等把蒸发分子或原子从蒸发源导向基板可生成这种薄膜。a.系统处于高真空中；b.在热平衡状态下成膜。c.可形成超晶格结构。d.方法简单、价格便宜、缺点：可控性和重复性差。（与分子束外延相比）3）激光蒸发激光蒸发法作为热源来蒸镀薄膜是一种新技术。优点：a.可蒸发任何高熔点材料，获得很高的蒸发速率（104-105nm/s)；b.适合在超高真空下制备高纯度薄膜；c.易实现闪蒸和保证膜成分的化学比。缺点：a.系统价格较贵；b.温度高，蒸发粒子易离化。4）连续蒸发镀膜：用途：主要用来生产那些以柔性材料为基体的薄膜。如电容气，磁带，包装材料；隔热窗帘．单面镀膜结构双面镀膜结构六、真空蒸發鍍膜在集团的应用１．应用：1）计算机按键按钮的金属化鍍膜；２）计算机零件的装饰性镀膜；３）手机按钮的装饰性镀膜；２．真空蒸发镀膜的常用流程：１）IQC检静电除尘风枪吹干刷抽风上线干刷风枪吹UV底漆真空蒸镀UV面漆2)上线静电除尘UV底漆真空蒸镀静电除尘UV面漆其底漆和面漆均为同一条产线但流向相反3）天蜡水浸泡晾干50度烤炉酒精擦拭上挂UV喷漆真空蒸镀UV面漆３、蒸发镀膜案例分析1）品质异常问题（1月15日：导套良率不到20%）：表面麻点，油点严重。原因：稀释剂对清洗剂有排斥作用导致清洗不干净。解决方法：用757代替3453换材料。Material3453(Foxconn)757(JinHui)Date12-Jan13-Jan14-Jan12-Jan13-Jan14-JanTotal(pcs)24781092921235521892505goodness(pcs)1052545447194818252083Badness(pcs)1426547474407364422rejectrate(%)57.5550.0951.4717.2816.6316.852）良率问题：柱套凹点问题；2月9日，作料6500ps,不良品率高达64%，全部为凹点。在进行了一些调查后，我们用另一批新料作了一批试验，结果如下：总数良品率脏污麻点油点刮伤流漆其它不良率1800083.6%81572474032211523516.4%原因：这批材料储存太久表面灰尘脏污严重解决办法：作特殊清洗处理3）按钮卡滯问题（2月21日）：解决的方法有三种方法：1、增加真空镀膜厚度；2、减小柱套内孔尺寸；3、增大按