什么是真空沉积或真空热蒸发 (Vte)？高纯度薄膜涂层指南

从本质上讲，真空热蒸发 (VTE) 是一种涂层工艺，其中源材料在高真空腔室内加热直至汽化。该方法也称为电阻蒸发，是一种物理气相沉积 (PVD) 技术。产生的蒸汽穿过真空，凝结在较冷的表面（称为基板）上，形成极其薄且均匀的薄膜。

VTE 的决定性特征是它依赖于高真空环境。这种真空不仅仅是事后的考虑；它是消除污染物并允许汽化原子以直接、无阻碍的路径到达基板的关键要素，从而确保高纯度涂层。

核心机制：从固体到薄膜

要理解 VTE，最好将其分解为三个基本阶段：加热、传输和冷凝。

该过程从固体源材料开始，通常称为“装料”。该材料放置在一个具有电阻的容器中，例如坩埚或“舟”，通常由熔点高得多的材料（如钨或钼）制成。

电流通过该容器，使其因电阻而迅速升温。这种热量传递给源材料，使其温度升高，直到开始升华或蒸发。

当源材料达到其蒸发点时，它会转变为气态，在腔室内形成蒸汽云。

由于腔室保持在高真空（从 $10^{-5}$ 到 $10^{-9}$ 毫巴）下，空气或其他气体分子极少。这产生了很长的“平均自由程”，使蒸发的原子能够直线传播而不会与其他粒子碰撞。

这股汽化原子流会传播，直到撞击到策略性地放置在源材料上方的较冷表面——基板。

接触到较冷的基板后，原子迅速失去热能并凝结回固态。这种缓慢的、原子级别的积累在基板表面形成了所需的薄膜。

最终薄膜的质量和完整性完全取决于真空的质量。真空起到两个主要的、不可或缺的作用。

大气中含有氧气、氮气和水蒸气等活性气体。如果沉积过程中存在这些气体，它们会与热蒸汽原子反应并被掺入薄膜中，产生会损害其电气、光学或机械性能的杂质。

高真空消除了这些潜在的污染物，确保沉积的薄膜几乎完全由目标源材料组成。

真空实现了所谓的无碰撞传输。如果没有真空，蒸发的原子会不断与空气分子碰撞，将它们散射到随机方向，并阻止它们有效地到达基板。

通过清除这些障碍，真空确保蒸汽以直接的“视线”从源材料传输到基板。这一原理是实现均匀且可预测涂层的关键。

典型的 VTE 系统集成了几个关键组件，以实现这种受控过程。

整个过程在一个密封的腔室中进行。一系列泵协同工作以产生高真空环境。首先，一个背压泵（如旋片泵或干式涡旋泵）清除大部分空气。

然后，一个高真空泵，通常是涡轮分子泵，接管工作，将压力降低到所需的低水平，通常在 300–1000 升/秒的范围内。

为了管理沉积过程，在源材料和基板之间放置了一个快门。这使得源材料在打开快门开始涂覆之前达到稳定的蒸发速率，从而确保过程的稳定性。

一个薄膜厚度监测仪，通常是石英晶体微天平，用于实时测量薄膜厚度。它提供了精确的反馈，以便在达到目标厚度时停止沉积。

尽管 VTE 功能强大，但它并非适用于所有应用。其“视线”特性带来了明显的权衡。

VTE 最适用于具有合理高蒸汽压且蒸发时不分解的材料。一些合金可能难以沉积，因为它们的组成元素蒸发速率不同，从而改变了薄膜的成分。

由于原子以直线传播，VTE 在涂覆具有高深宽比的复杂 3D 形状（如沟槽或通孔）方面效果不佳。顶部表面会获得较厚的涂层，但侧壁和底部角落获得的材料很少，这种现象称为阴影效应。

与溅射等高能工艺相比，VTE 中原子到达基板时的动能相对较低。这可能导致薄膜密度较低且与基板的附着力较弱，这可能不适用于需要高耐用性的应用。

根据其原理和局限性，VTE 是特定应用（其中其优势得以彰显）的理想选择。

如果您的主要重点是经济高效地沉积简单的金属或光学涂层： 由于其简单性和高沉积速率，VTE 非常适合在相对平坦的基板上沉积铝、铬、金或抗反射涂层等材料。
如果您的主要重点是涂覆精致或对热敏感的基板： 沉积原子的低能量使 VTE 适用于涂覆塑料、有机电子设备 (OLED) 或可能被更高能沉积技术损坏的其他材料。
如果您的主要重点是涂覆复杂的 3D 形貌： 您应该强烈考虑替代方法，如溅射或原子层沉积 (ALD)，因为 VTE 的视线特性会导致覆盖率差且不保形。

最终，掌握 VTE 的关键在于利用其强大的功能，在简单、高度受控的视线过程中制造出极其纯净的薄膜。