真空鍍膜：電子束加熱蒸發(fā)源

　　真空鍍膜中，鍍膜機(jī)常用的蒸發(fā)源有電阻式加熱蒸發(fā)源、電子束式加熱蒸發(fā)源、空心熱陰極等離子束蒸發(fā)源、感應(yīng)式加熱蒸發(fā)源。
　　
　　隨著薄膜技術(shù)的廣泛應(yīng)用，不但對(duì)膜的種類要求繁多，而且對(duì)膜的質(zhì)量要求也更加嚴(yán)格了。為了適應(yīng)這種要求，只采用電阻加熱式蒸發(fā)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(fā)展起來(lái)的。
　　
　　電子束加熱原理是基于電子在電場(chǎng)作用下，獲得動(dòng)能打到膜材上，使膜材加熱氣化，實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)鍍膜。
　　
　　電子束加熱源有如下優(yōu)點(diǎn)。
　　
　?、倌塬@得遠(yuǎn)比電阻熱源更大的能量密度，數(shù)值可達(dá)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(nèi)的，因而可以避免坩堝材料蒸發(fā)及其與膜材之間的反應(yīng)，這對(duì)提高膜的純度是極為重要的。
　　
　?、跓崃靠芍苯蛹拥侥げ谋砻嫔?，熱效率高，熱傳層和熱輻射損失少。
　　
　　電子束加熱的缺點(diǎn)是電子槍結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而且加速電壓較高，高壓下所產(chǎn)生的X射線對(duì)人有害。此外，由于電子轟擊，對(duì)多數(shù)化合物易產(chǎn)生分解作用，因此不宜蒸鍍化合物薄膜。
　　
　　(1)磁偏轉(zhuǎn)式電子束加熱蒸發(fā)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(huán)式等。由于這些熱源在用于真空蒸鍍?cè)O(shè)備上均存在許多缺點(diǎn)，因此已被磁偏轉(zhuǎn)式電子束熱源所代替。
　　
　　磁偏轉(zhuǎn)式電子束蒸發(fā)源所發(fā)射的電子軌跡與e相似，故有e型電子束源之稱，簡(jiǎn)稱e型槍。圖10-4給出了國(guó)產(chǎn)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(fā)射出具有0.3eV初始動(dòng)能的熱電子，這些熱電子在燈絲陰極與陽(yáng)極之間受極間電場(chǎng)制約，不但可以按一定的會(huì)聚角會(huì)聚成束狀，而且還會(huì)受磁場(chǎng)的作用，沿E×B的方向偏轉(zhuǎn)。到達(dá)陽(yáng)極孔時(shí)，電子能量可提高到10keV，通過(guò)陽(yáng)極孔之后，電子束在偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下偏轉(zhuǎn)270o，入射到坩堝內(nèi)的膜材表面上轟擊膜材使之加熱蒸發(fā)。
　　
　　電子束轟擊膜材，將激發(fā)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(hù)基片和膜層。
　　
　　(2)空心熱陰極等離子電子束蒸發(fā)源
　　
　　空心熱陰極等離子電子束蒸發(fā)源簡(jiǎn)稱HCD槍。
　　
　?、貶CD槍的工作原理及特點(diǎn)：
　　
　　HCD槍的原理如圖10-6所示。空心鉭管作陰極，膜材作陽(yáng)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(nèi)保持1Pa～10-2Pa的真空度。這時(shí)在陰陽(yáng)極之間加上引弧電源，點(diǎn)燃?xì)鍤?。?dāng)電壓達(dá)到點(diǎn)燃電壓UB時(shí)，則氬氣被電離。這樣就在中空陰極內(nèi)產(chǎn)生低壓等離子體，直流放電電壓約為100V～150V，電流只有幾個(gè)安培。一旦氨氣被電離，等離子體中正離子就會(huì)不斷地轟擊陰極鉭管。當(dāng)鉭管上有8段受熱達(dá)到工作溫度2300K- 2400K時(shí)，即可出現(xiàn)熱電子發(fā)射，使放電轉(zhuǎn)變到穩(wěn)定狀態(tài)，電壓下降到30V—50v，同時(shí)使等離子電子束流增大到一定值。這時(shí)由空心陰極內(nèi)引出的高密度等離子電子束在電場(chǎng)的作用下射向膜材，膜材被加熱到蒸發(fā)溫度，開始蒸發(fā)而沉積到基片上成膜。


　　
　　這種蒸發(fā)源有如下特點(diǎn)：
　　
　　a．空心陰極放電可形成密度很高的等離子體；且通過(guò)陰極的氣體可大部分被電離。
　　
　　b．陰極工作溫度可達(dá)3200K，蒸發(fā)原子通過(guò)等離子區(qū)時(shí)，被等離子激發(fā)電離，其離化率可達(dá)20%。
　　
　　c．陰極不易損壞，壽命較長(zhǎng)；
　
　　d．可在氣體輝光放電區(qū)內(nèi)工作；穩(wěn)定工作壓力為1Pa—10-2Pa。如果將工件加數(shù)十伏、數(shù)百伏負(fù)高壓，使金屬離子向工件轟擊制膜，膜的附著強(qiáng)度好，如通入反應(yīng)氣體可制備化合物膜（如TiN，TiC等）。
　　
　　e．結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
　　
　　f．低電壓、大電流下工作，所以使用安全、易于自動(dòng)控制。
　　
　　②HCD槍的結(jié)構(gòu)：
　　
　　HCD槍的典型結(jié)構(gòu)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(chǎng)線圈，輔助陽(yáng)極，偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(duì)空心陰極的污染，以及防止電接頭和冷卻器對(duì)室壁起弧，目前多采用水平放置。