真空镀膜：电子束加热蒸发源

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　　真空镀膜中，镀膜机常用的蒸发源有电阻式加热蒸发源、电子束式加热蒸发源、空心热阴极等离子束蒸发源、感应式加热蒸发源。
　　
　　随着薄膜技术的广泛应用，不但对膜的种类要求繁多，而且对膜的质量要求也更加严格了。为了适应这种要求，只采用电阻加热式蒸发源已不能满足蒸镀某些金属和非金属材料的需要。电子束作为蒸镀膜材的热源就是在这种情况下发展起来的。
　　
　　电子束加热原理是基于电子在电场作用下，获得动能打到膜材上，使膜材加热气化，实现蒸发镀膜。
　　
　　电子束加热源有如下优点。
　　
　　①能获得远比电阻热源更大的能量密度，数值可达到104W/cm²～109W/cm²，因此可以将膜材表面加热到3000℃～6000℃。为蒸镀难溶金属和非金属材料如W、Mo、Ge、Si02、A1203等提供了良好的热源。而且由于被蒸镀的材料是放在水冷坩埚内的，因而可以避免坩埚材料蒸发及其与膜材之间的反应，这对提高膜的纯度是极为重要的。
　　
　　②热量可直接加到膜材表面上，热效率高，热传层和热辐射损失少。
　　
　　电子束加热的缺点是电子枪结构较复杂，而且加速电压较高，高压下所产生的X射线对人有害。此外，由于电子轰击，对多数化合物易产生分解作用，因此不宜蒸镀化合物薄膜。
　　
　　(1)磁偏转式电子束加热蒸发源
　　
　　电子束作为熔化膜材的热源，其种类较多，诸如熔滴式、直枪式、环式等。由于这些热源在用于真空蒸镀设备上均存在许多缺点，因此已被磁偏转式电子束热源所代替。
　　
　　磁偏转式电子束蒸发源所发射的电子轨迹与e相似，故有e型电子束源之称，简称e型枪。图10-4给出了国产两种型式的e型枪。e型枪的工作原理如图10-4所示。阴极灯丝加热后发射出具有0.3eV初始动能的热电子，这些热电子在灯丝阴极与阳极之间受极间电场制约，不但可以按一定的会聚角会聚成束状，而且还会受磁场的作用，沿E×B的方向偏转。到达阳极孔时，电子能量可提高到10keV，通过阳极孔之后，电子束在偏转磁场的作用下偏转270o，入射到坩埚内的膜材表面上轰击膜材使之加热蒸发。
　　
　　电子束轰击膜材，将激发出许多有害的散射电子，如反射电子、背散射电子和二次电子等。图10-5中的吸收极6吸收这些有害电子，可以保护基片和膜层。

　　
　　(2)空心热阴极等离子电子束蒸发源
　　
　　空心热阴极等离子电子束蒸发源简称HCD枪。
　　
　　①HCD枪的工作原理及特点：
　　
　　HCD枪的原理如图10-6所示。空心钽管作阴极，膜材作阳极，置于真空室中。用泵将真空室抽到高真空后，在钽管中通入少量的氩气，使真空室内保持1Pa～10-2Pa的真空度。这时在阴阳极之间加上引弧电源，点燃氩气。当电压达到点燃电压UB时，则氩气被电离。这样就在中空阴极内产生低压等离子体，直流放电电压约为100V～150V，电流只有几个安培。一旦氨气被电离，等离子体中正离子就会不断地轰击阴极钽管。当钽管上有8段受热达到工作温度2300K- 2400K时，即可出现热电子发射，使放电转变到稳定状态，电压下降到30V—50v，同时使等离子电子束流增大到一定值。这时由空心阴极内引出的高密度等离子电子束在电场的作用下射向膜材，膜材被加热到蒸发温度，开始蒸发而沉积到基片上成膜。


　　
　　这种蒸发源有如下特点：
　　
　　a．空心阴极放电可形成密度很高的等离子体；且通过阴极的气体可大部分被电离。
　　
　　b．阴极工作温度可达3200K，蒸发原子通过等离子区时，被等离子激发电离，其离化率可达20%。
　　
　　c．阴极不易损坏，寿命较长；
　
　　d．可在气体辉光放电区内工作；稳定工作压力为1Pa—10-2Pa。如果将工件加数十伏、数百伏负高压，使金属离子向工件轰击制膜，膜的附着强度好，如通入反应气体可制备化合物膜（如TiN，TiC等）。
　　
　　e．结构简单。
　　
　　f．低电压、大电流下工作，所以使用安全、易于自动控制。
　　
　　②HCD枪的结构：
　　
　　HCD枪的典型结构如图10-7所示。它是由带有水冷接头的钽管空心阴极，聚焦磁场线圈，辅助阳极，偏转磁场线圈所组成。
　　
　　这种枪的水冷坩埚和聚焦线圈的放置与e型枪不同，它不是放到枪体上，而是放置在与枪中心线成一定角度和一定距离的真空室壳体上。为了使枪与真空室壳体之间具有较大的距离，消除金属溅射和金属蒸气对空心阴极的污染，以及防止电接头和冷却器对室壁起弧，目前多采用水平放置。