什么是蒸发法？高纯度薄膜沉积指南

蒸发法是一种工艺，其中源材料在真空中被加热，直到它转变为蒸汽。然后，这种蒸汽会传播并凝结到较冷的表面（称为基板）上，形成一层非常薄且纯度很高的薄膜。这项技术是物理气相沉积（PVD）的一种基本类型。

从本质上讲，蒸发法是一种精细的材料构建方式，一次构建一层原子。它利用热量在真空中将固体“煮沸”成气体，使该气体能够在目标物体上重新固化，形成超薄、高纯度的涂层。

基本原理：从固体到蒸汽再到薄膜

整个过程依赖于物质的受控相变。通过理解每一步，该方法的目的就变得清晰了。

固体或液体中的原子和分子通过结合力相互束缚。施加足够的热量会赋予这些粒子足够的动能，使其能够克服这些力，从而逸出到气相中。这就是蒸发或（如果是从固体开始）升华的过程。

此过程在高真空室中进行有两个关键原因。首先，它排除了蒸汽化材料可能与之碰撞的空气和其他气体分子。这确保了蒸汽以相对直线的路径到达基板，这是 PVD 的一个关键原则。

其次，真空消除了可能污染最终薄膜的有害原子和分子，这对于实现高纯度至关重要。

当热蒸汽粒子到达较冷的基板时，它们会迅速失去能量。这导致它们重新凝结成固态，附着在表面上并逐层堆积，形成一层均匀的薄膜。

虽然可以使用简单的加热元件，但电子束蒸发是一种更先进且应用广泛的技术，它提供了卓越的控制和纯度。

利用一束强烈的聚焦电子束作为热源。电流通过钨丝，钨丝会发射电子。然后，这些电子被高电压加速，并通过磁场聚焦成一束狭窄的光束。

这束高能光束被导向源材料，源材料放置在一个水冷铜坩埚中。来自电子的巨大能量传递使材料高效地熔化和蒸发。

电子束蒸发的主要优点是纯度。由于电子束仅加热源材料的一小部分区域，坩埚本身保持冷却。这可以防止坩埚材料污染蒸汽流。

结果是形成一层纯度极高的薄膜，其厚度可以精确控制，通常在 5 到 250 纳米之间。

基本的蒸发原理可以适应更复杂应用，但重要的是要认识到其固有的局限性。

为了制造合金或复合薄膜，可以同时使用多个蒸发源。通过独立控制两种或多种不同材料的加热和蒸发速率，可以将具有特定混合成分的薄膜沉积到单个基板上。

为了制造氧化物或氮化物等非金属薄膜，在沉积过程中会故意向真空室中引入反应性气体（如氧气或氮气）。蒸发的金属原子在沉积到基板上时与气体发生反应，形成所需的化合物。

蒸发方法最显著的权衡是它们是“视线”过程。蒸汽以直线从源头传播到基板。这使得均匀涂覆具有凹槽或隐藏表面的复杂三维形状变得非常困难。

选择正确的蒸发策略完全取决于最终薄膜所需的性能。

最终，蒸发法为工程具有特定光学、电子或机械性能的表面提供了一种强大而精确的工具。