真空蒸發鍍膜

甄聰棉，李壯志，侯登錄，郭革新，李玉現

(河北師范大學 a.物理科學與信息工程學院; b.河北省新型薄膜材料重點實驗室，河北 石家莊 050024)

真空蒸發鍍膜

甄聰棉a,b，李壯志a,b，侯登錄a,b，郭革新a,b，李玉現a,b

(河北師范大學 a.物理科學與信息工程學院; b.河北省新型薄膜材料重點實驗室，河北 石家莊 050024)

針對真空蒸發制備鋁膜進行了詳細地介紹，主要包括了真空的獲得、真空的測量以及蒸發制備鋁的的原理和主要事項進行了深入地探討，改進工作對真空系統的理解和掌握有著指導意義.

真空；蒸發鍍膜；平均自由程

一些光學零件的光學表面需要用物理方法或化學方法鍍上1層或多層薄膜，使得光線經過該表面的反射光特性或透射光特性發生變化[1-4]，許多機械加工所采用的刀具表面也需要沉積1層致密的、結合牢固的超硬鍍層而使其得以硬化，延長其使用壽命，提高切削效率，從而改善被加工部件的精度和光潔度[5-6].目前，作為物理鍍膜方法的真空鍍膜，尤其是納米級超薄膜制作技術，已廣泛應用在電真空、無線電、光學、原子能、空間技術、信息技術等高新技術領域及生活中[7].

1 實驗原理

真空鍍膜實質上是在高真空狀態下利用物理方法在鍍件的表面鍍上一層薄膜的技術，它是一種物理現象.真空鍍膜按其方式不同可分為真空蒸發鍍膜、真空濺射鍍膜和現代發展起來的離子束鍍膜.本文只介紹真空熱蒸發鍍膜技術.

眾所周知，任何物質總在不斷地發生著固、氣、液三態變化，設在一定環境溫度T下，從固體物質表面蒸發出來的氣體分子與該氣體分子從空間回到該物質表面的過程能達到平衡，該物質的飽和蒸氣壓為ps[8-9]，則

(1)

式中ΔH為分子蒸發熱，K為積分常量，R=8.314 4 J·mol-1·K-1為氣體普適常量，T為環境溫度.在真空條件下，設物質表面的靜態壓強為p，則單位時間內從該物質(稱為蒸發材料)單位凝聚體表面蒸發出來的氣體分子的質量即蒸發率為[8-9]

(2)

式中，Γ的單位為g/(cm2·s),α為蒸發系數，M為相對分子質量.蒸發出的氣體分子有一部分遇到其他物質(稱為鍍件)便會吸附在上面，從而形成一層薄膜.

由(2)式可以看出，蒸發率Γ與環境溫度T、環境壓強p有關，T越低(可以進行加熱)，p越小，則Γ越大.另外，p越小即真空度越高，則氣體分子的平均自由程：

圖1 氣體分子的平均自由程與壓強的關系

鍍膜層的質量和厚度還跟蒸發源(蒸發材料的基床)的形狀和鍍件到蒸發源的距離有關.

1)如果蒸發源可以被看作是點蒸發源，則鍍件到蒸發源距離最近部分的膜層厚度L0為

其中m為蒸發源的質量，單位為g，ρ為蒸發源的密度，h為鍍件到蒸發源的最近距離.而鍍件其他部分的膜層厚度L為

δ為鍍件被觀測點到蒸發源最近點的距離.

2)如果蒸發源是面蒸發源，那么鍍件到蒸發源中心點距離最近部分的膜層厚度L0為

而鍍件其他部分的膜層厚度L為

2 實驗設備

本實驗采用ZHD-300電阻蒸發鍍膜設備進行抽真空并鍍膜(圖2).真空度的測量采用TDF-5227數顯復合真空計.真空鍍膜機由3部分組成：抽真空系統、電氣系統和鍍膜室.抽真空主要采用TRP-12 旋片真空泵和F100/110 渦輪分子泵進行.鍍膜室由鐘罩、蒸發器、擋板等組成.鐘罩和底板組成密封的真空室，在室內能進行各種操作.蒸發器由加熱電極和蒸發源2部分組成，蒸發源為鎢舟.蒸發源上面的擋板可通過鐘罩外的控制裝置轉動.它能擋住一些奔向鍍件的雜質蒸氣分子，以提高鍍件的清潔度.

圖2 ZHD-300電阻蒸發鍍膜設備結構示意圖

3 實驗現象與結果分析

3.1 真空度隨時間的變化

實驗采用鎢舟蒸發鋁塊，最終在玻璃上形成1層鋁膜.首先把鋁塊和空白的玻璃片放到鐘罩里.放好鐘罩，從1.01×105Pa的狀態開始抽氣.實驗中，記錄真空度隨時間的變化.圖3中黑線是測試的機械泵抽真空，鐘罩內壓強隨時間的變化.圖3中紅線是機械泵和分子泵共同工作，真空室內壓強隨時間的變化.由圖3可以看出它們呈現了共同的趨勢.在剛開始的階段，真空度急劇下降，后來趨于緩慢.鐘罩內真空度的提升是抽氣大于漏氣速率的結果.對于機械泵，在剛開始的階段，真空室的壓強接近外界大氣壓，抽速很快，漏速相對較慢，這樣真空度提升很快.機械泵的極限真空為0.1 Pa.在接近極限真空時，抽速明顯降低，在漏速變化不很明顯的情況下，真空度的總體下降變得不明顯.打開分子泵后，分子泵需要從靜止開始起速，在700 r/min時達到穩定轉速.剛開始也是明顯抽速大于漏速，快接近儀器的極限真空1×10-4Pa，真空度下降也變得不明顯.

圖3 真空室內低、高真空度隨監測時間的變化

3.2 真空蒸發

在真空度達到2.4×10-3Pa時，關閉高真空測量.開始加蒸發電壓，圖4展示了隨著蒸發電流的增加，鐘罩內鎢舟和鋁塊的變化情況.在慢慢升高蒸發電流的過程中[圖4(a)]，通過觀察窗可以發現：在電流達到110 A時，鎢舟開始發熱[圖4(b)]； 逐漸加大蒸發電流至120 A，看到鋁塊在鎢舟中慢慢變小[圖4(c)～(d)]，但仍然為固體；當電流加大到125 A，鋁塊突然變為液態[圖4(e)]；液態鋁蒸發[圖4(f)]，等待3～5 min，鋁液滴完全蒸發[圖4(g)]，很快石英鐘罩上附著了1層鋁膜；此時緩慢將蒸發電流降到0[圖4(h)].圖5是玻璃片上蒸發鋁膜前、后比較.可以看出，蒸發鋁膜后，表面光亮如鏡.

圖4 隨著蒸發電流的增加，鐘罩內鎢舟和鋁塊的變化

圖5 玻璃襯底上鍍金屬膜前后比較

4 問題討論

在蒸發鍍膜的過程中，也會經常遇到一些問題，下面將對這些問題進行分析.

1) 鐘罩內的真空度上不去.鐘罩的真空度除了與鐘罩內的潔凈程度有關外，最主要是鐘罩一定保證完全放好，使得鐘罩和下面的密封圈緊密完全接觸.這樣保證在抽真空時，不會由于外界物質的介入而發生明顯漏氣.

2)在實驗時，觀察到了鋁塊的融化，但是玻璃鍍不上鋁膜.最主要原因是鋁塊雖然融化了，但是實驗者沒有給充足的時間讓液體鋁蒸發，這樣液體鋁仍然在鎢舟里面.等蒸發電流降下來后，鋁重新變成固態，凝固在鎢舟表面，長期這樣操作會影響鎢舟的使用壽命.

3)如果用鎢絲來蒸發，發現鋁掉在鐘罩里面，而沒有蒸發在玻璃上.這主要是因為在使鋁融化蒸發的過程中，蒸發電流增加太快，使得鋁很快融化成液態，但是由于液態鋁的質量很大，來不及蒸發就掉下來.

4)采用蒸發的方法得到的薄膜與襯底之間的粘附性比較差， 往往用手輕輕一擦就會把膜抹去.為了增加薄膜與襯底之間的粘附性，往往再采用退火工藝處理，使得薄膜和襯底之間有充分的互擴散.

5)一般采用鎢和鉬舟來蒸發金屬材料.在真空環境中，鎢舟表面溫度達到1 600 ℃左右，所以如果材料的熔點低于1 600 ℃， 原則上都可以采用熱蒸發的方法來制備薄膜.表1為常見金屬的熔點T，供參考.

6)現在小型的鍍膜設備一般采用石英鐘罩， 為了避免蒸發的過程中在鐘罩上蒸發大面積的鋁，給后期清洗帶來麻煩，實驗中，可以用鋁箔將鐘罩的內壁遮蓋上，留有小的觀察窗即可.

表1 常見金屬的熔點

5 結束語

真空蒸發鍍膜在現實生活中被廣泛應用，尤其在制備器件的電極中備受青睞.相對其他鍍膜設備，真空熱蒸發結構簡單，成膜速度快，但是由于其加熱的溫度有限，限制了其應用， 而且，鎢舟的使用壽命很短，因此開發新的加熱器是材料領域的一個新課題.

[1] Salih A T, Najim A A, Muhi M A H, et al.Single-material multilayer ZnS as anti-reflective coating for solar cell applications [J].Optics Communications,2017,388:84-89.

[2] Jen Y J, Huang Y J, Liu W C,et al.Densely packed aluminum-silver nanohelices as an ultra-thin perfect light absorber [J].Scientific Reports, 2017,7:39791.

[3] Pandiyan R, Elhmaidi Z O, Sekkat Z, et al.Reconstructing the energy band electronic structure of pulsed laser deposited CZTS thin films intended for solar cell absorber applications [J].Applied Surface Science, 2017,396:1562-1570.

[4] Robles V, Guillén C, Trigo J F, et al.Cu2ZnSnS4thin films obtained by sulfurization of evaporated Cu2SnS3and ZnS layers: Influence of the ternary precursor features[J].Applied Surface Science,2017,400:220-226.

[5] Ge Fangfang, Chen Chunli, Shu Rui, et al.Hard and wear resistant VB2coatings deposited by pulsed DC magnetron sputtering[J].Vacuum,2017,135:66-72.

[6] Okoshi M, Awaihara Y, Yamashita T, et al.F2-laser-induced micro/nanostructuring and surface modification of iron thin film to realize hydrophobic and corrosion resistant [J].Japanese Journal of Applied Physics, 2014,53(11):112701-1-112701-5.

[7] Senthilkumar R, Anandhababu G, Mahalingam T, et al.Photoelectrochemical study of MoO3assorted morphology films formed by thermal evaporation[J].Journal of Energy Chemistry, 2016,25(5):798-804.

[8] 唐貴德，馬長山，楊連祥，等.近代物理實驗[M].石家莊：河北科學技術出版社，2003：124-125.

[9] 侯登錄，郭革新.近代物理實驗[M].北京：科學出版社，2010：209-210.

[10] 徐仁軍，賀天民，王魁香.具有定向及自控功能的真空鍍膜系統[J].物理實驗，2005，25(9)：45-47.

[責任編輯：尹冬梅]

Preparation of aluminum film by vacuum evaporation

ZHEN Cong-miana,b, LI Zhuang-zhia,b, HOU Deng-lua,b, GUO Ge-xina,b, LI Yu-xiana,b

(a.College of Physics and Information Engineering; b.Hebei Advanced Thin Films Key Laboratory, Hebei Normal University, Shijiazhuang 050024, China)

The preparation of aluminum film by vacuum evaporation was introduced in detail.The creation and detection of vacuum, the principle of evaporation and the important notes were presented.This work was a guidance for understanding and mastering vacuum system.

vacuum; evaporation film; mean free path

2017-03-14

甄聰棉(1973-)，女，河北定州人，河北師范大學物理學科學與信息工程學院教授，博士，研究方向為Ⅳ族基半導體的電輸運性質.

李玉現(1969-)，男，河北高邑人，河北師范大學物理學科學與信息工程學院教授，博士，研究方向為介觀物理中的輸運理論.

O484

A

1005-4642(2017)05-0027-05