a) 加熱蒸發過程

包括固相或液相轉變為氣相的過程，每種物質在不同的溫度下有不同的飽和蒸氣壓。

b) 氣化原子或分子在蒸發源與基片之間的運輸過程

此過程中氣化原子或分子與殘余氣體分子發生碰撞，其碰撞與蒸發原子或分子的平均自由程以及蒸發源到基板距離有關。

c) 蒸發原子或分子在基片表面的沉積過程

即蒸汽的凝聚成核，核生長形成連續膜，為氣相轉變為固相的過程。

上述過程必須在空氣稀薄的真空環境中（10-2～1pa）進行，否則蒸發粒子將于空氣分子碰撞，使膜污染甚至形成氧化物，或者蒸發源氧化燒毀等。

a) 金屬膜的蒸鍍

在金屬薄膜層的制備上，多采用真空電鍍法。當下比較通用的的金屬膜層分別有鋁、錫、銦、銦錫合金、鉻等。幾種金屬薄膜在應用上的差異主要表現在外觀和導電性這兩塊上。

其中銦、錫、銦錫合金多用于電子產品，如手機、電腦邊框和按，此類金屬膜層不僅能賦予基材金屬外觀還具有其他幾種金屬膜不具備的膜延展性。這兩種金屬活性較低不易導電，對電子類產品信號產生影響較小也是其主要應用原因之一，所以通常我們也稱之為不導電鍍膜。鉻金屬膜外觀黑亮，金屬質感強，并且具有較好的硬度因此受到一些裝飾品和玩具制造者的青睞。

同其他幾種金屬膜相比應用最廣泛的鋁膜層，如制鏡工業的以鋁代銀，集成電路中的鋁刻蝕導線；聚酯薄膜表面鍍鋁制作電容器；滌綸聚酯薄膜鍍鋁制作，防止紫外線照射軟包裝袋；以及我們日常生活中所常見到的玩具、化妝品外包裝及一些裝飾品。

真空蒸鍍鋁薄膜既可選用間歇式蒸發真空鍍膜，也可選用半連續式真空鍍膜機。其蒸發源即可為電阻源、電子束源，也可以選用感應加熱式蒸發源，可依據蒸鍍膜材的具體要求而定。

真空蒸發鍍鋁涂層的工藝參數，主要包括蒸鍍室壓力、沉積速率、基片溫度、蒸發距離等。如果從膜片基體上分布的均勻性上考慮，還應注意蒸發源對基片的相對位置及工件架的運動狀態等因素。例如選用電子束蒸發源進行鋁層制備時，其典型的主要工藝參數可選用：鍍膜室工作壓力2.6*10-4Pa、蒸發速率為2~2.5nm/s、基片溫度20℃，蒸距為450mm、電子束電壓為9kV，電流為0.2A。

b) 合金膜的蒸鍍

如前所述，為了保證合金膜在制備上使合金模的成分與蒸鍍前合金膜材的成分相一致，故可采用快速蒸鍍發（閃蒸鍍）和雙蒸發源或多蒸發源蒸鍍法對合金膜材進行蒸鍍?？焖僬翦兎ㄊ前押辖鹬瞥煞勰┗蚣毿〉念w粒，然后，放入到可以保持高溫的蒸發源中，使細小的顆粒通過加料器或滑槽所產生的震動將其一個一個地送入到蒸發源中。

合金膜的蒸鍍

 1-  基片；2-加料片；3-蒸發源；4-滑槽；5-震動輪；6-薄膜材料

為了保證細小顆粒的完全蒸發，選用較慢的蒸發速率和較均勻的送料速度是十分必要的。雙蒸發源蒸鍍或多蒸發源蒸鍍法適用于多種元素組成的合金膜，原則上可以將幾種元素分別裝入各自的蒸發源中，同時加熱并分別控制蒸發源的溫度。也就是獨立控制其蒸發速率，以便保證不改變合金膜的組分。因此，使各源之間通過隔板防止各蒸發源中的膜材相互混入是非常重要的。

1-  基片；2，6-石英膜厚計3，5-蒸發源；4-閥板

c) 化合物膜的蒸鍍

化合物薄膜的蒸鍍方式，除了前面已經介紹的電阻加熱法外，還有反應蒸鍍法，三溫度蒸鍍法以及分子束外延蒸鍍法等。下面就反應蒸鍍法和三溫度蒸鍍法做一簡單的介紹。

1、反應蒸鍍法

 將活性氣體引入到真空鍍膜室通過活性氣體的原子（分子）與蒸發源中蒸發出來的原子發生化學反應，生成化合物涂層的方法，稱為反應蒸鍍法。反應即可在氣態空間中，也可在基片表面上進行，也可以兩者兼有。其中以在基片上進行反應為主。反應的進行通常與反應氣體的分壓、蒸發溫度、蒸發速度以及基片溫度等因素有關，所獲得的涂層可以是金屬合金，也可以是化合物。目前，這種方法已經廣泛應用于制備絕緣化合物膜層上。

例如在蒸鍍Ti時，加入C2H2氣體即可制備出TiC硬直膜，即：

                        2Ti+C2H2→2TiC+H2

若蒸鍍時加入N2氣體，則可生成TiN硬質膜層。即：

                          2Ti+N2→2TiN

另一個典型的例子，就是制備SiO2薄膜，如下圖所示，它是在通常的真空蒸鍍設備中引入O2。O2的引入方法較多，一般多采用通過泄露閥引入空氣的方法。但是需要準確地確定SiO2的組成時，就應當采用從氧氣瓶中引入O2或者選用圖在坩堝中加入NA2O的粉末進行加熱、分解產生的O2碰撞到基片上。這種方法與雙蒸源法的不同點，在于活性氣體分子與在這種情況下反應生成的氣體分子，都能自由在蒸鍍空間飛來飛去。從蒸發源出來的分子，就通過這些分子幾乎是直接到達基片上。

用SiO-O2/空氣系來制造SiO2鍍膜裝置

加熱器；2-基片；3-加熱器；4-空氣導入孔；5-氧氣瓶；6-可調泄漏閥；7-斷流閥；8- SiO2；9-NA2O

反應蒸鍍法所用真空設備的抽氣系統，大多使用油擴散泵。由于所制成鍍膜的組成和晶體結構，隨著氣氛氣體的壓力、從蒸發源出來的分子在蒸鍍速度和基片溫度這三個量而改變。所以，必須采取措施使得這些量可以調節。

2、三溫度蒸鍍法

三溫度法從原理上來講，他就是雙蒸發源蒸鍍法。但是，Ⅲ~Ⅴ族化合物的性質與合金不同，而且又以制作單晶鍍膜為目的。因此，在技術上就與雙蒸發源的蒸鍍法存在差異。在一般情況下，構成合金的兩種金屬的蒸汽壓差別不大。例如，在1000K時，Co、Fe、Ni、的蒸汽壓約為10^-10Pa，Cr為10^-9Pa、Pd為10^-8Pa，Al、Be、Cu、Sn為10^-6PaAg為10^-4Pa。

與此相反，在Ⅲ~Ⅴ族的化合物中，Ⅴ族元素的蒸汽壓比Ⅲ族元素的蒸氣壓大得多由于Ⅲ族元素的低溫蒸氣壓值不能測量。所以，它是從高溫時的蒸氣壓值估算出來的。

用反應蒸鍍法制作幾種化合物鍍膜的最佳條件

如下圖所示，Ca和As的蒸汽壓之差異就達到四個數量級，Ⅲ~Ⅴ族半導體化合物薄膜，通常使用單晶的形式。但一般說來，制作單晶薄膜時，基片也是單晶，基片溫度必須保持在攝氏數百度。于是，Ⅴ族元素的蒸汽壓就比Ⅲ族高得多，Ⅴ族元素即使單獨存在也不會凝結在基片上。不過，如果存在Ⅲ族元素，并在適當的溫度和壓力下，Ⅴ族元素的蒸汽壓與Ⅲ~Ⅴ族化合物的固體保持平衡而共存。為了制作良好的單晶薄膜，基片溫度要嚴加限制。因而與制作合金的情況不同。在制作化合物半導體，特別是Ⅲ~Ⅴ族化合物的單晶鍍膜時，必須控制基片的溫度和兩個蒸發源的溫度，一共三個溫度。這就是所謂三溫度法名稱的由來。它實際上就是在Ⅴ族元素的氣氛中蒸鍍Ⅲ族元素。從這個意義上講，也相似于反應蒸鍍法。

Ⅲ族和Ⅴ族元素的蒸汽壓

 a) 鋁 

鋁薄膜可用做導體、電容器電極、反射器以及裝飾品等應用。

鋁在660℃時融化，在1100℃時開始迅速地蒸發。在蒸發時，鋁為一種高速流動的氣體，可滲入到難熔材料的微孔中。鋁在高溫時與陶瓷材料也能產生化學反應，并能與難熔金屬形成低熔點合金。

 證明，被氣化時，不是鋁與坩堝材料起化學反應就是坩堝材料被蒸發。融化的鋁在真空中的化學活潑性在較高壓力下更甚。因此，對蒸發鋁的蒸發源必進行認真地選擇。目前多采用鎢絲或鉭絲加熱式蒸發源。蒸發大量的鋁時，可采用連續式送絲或感應加熱式蒸發源。

 b) 鉻 

鉻在1890℃時融化。但在10Pa條件下，1500℃時即可使其蒸發，此時鉻不經熔化就蒸發。由于鉻的附著力較強，所以這種材料可作為附著力較差的金屬材料的“附著劑”。

此外鉻對于玻璃或陶瓷等的基本附著力比其他普通金屬蒸發材料都好（除鈦以外），鉻的附著力和鈦相似。當在鉻膜-玻璃界面上作破壞性試驗時，由于鉻膜附著力強，因此被破壞的往往是基片。

鉻的形狀多為片狀或顆粒狀，可用蒸發舟或籃式蒸發器進行蒸發。由于蒸發源的加熱絲多選用鎢，另一種方法是將鉻事先電鍍在鎢螺旋絲上，這一方法可提高熱接觸，擴大蒸發面積，但是鎢絲在電鍍之前應進行徹底去氣。近年來發展了利用粉末冶金的方法在濺射鍍膜中采用鉻靶制備鉻膜。

 c) 銅 

銅的熔點為1083.4℃，它在100Pa條件下的蒸發溫度為1585℃。銅由于電導率高，可焊性極好，故常用作導體。蒸發銅膜的最小實用膜電阻為0.01Ω。銅易氧化，往往在銅上再蒸發一層較貴重的金屬來保護它。

對銅進行蒸發，建議采用電阻加熱，蒸發源為鎢螺旋絲或鎢、鉭、銅舟。雖能使用電子束加熱，但由于銅的導熱性很好。因此，很難維持蒸發溫度的恒定。

銅對陶瓷或者玻璃的附著性較差，連續的引線在操作時會在銅和基片的界面處失效。因此，應采用鉻和鈦作為“附著劑”，事先打底膜后再進行鍍制。

 d) 金 

金的熔點是1063℃，在1Pa的蒸發溫度為1397℃。由于金是昂貴金屬，它主要用于保護下面的蒸發膜而作為頂層被使用，也可用在導體及電容器的電極上。

蒸發金多采用鎢和銅的螺旋絲或籃式電阻加熱器，金能潤濕鎢、銅和鉭。但它對鉭的腐蝕比前兩者更強。金也可用電子轟擊法蒸發，但是和銅一樣，其蒸發溫度難以保持。

金對于玻璃和陶瓷基片的附著力很差。因此，在這兩種材料上鍍金膜時，也應用鉻和鈦打底膜，以提高其附著力。

 e) 鎳 

鎳熔點為1453℃。它在100Pa條件下的蒸發溫度為1380℃。鎳常和鉻合金化形成鎳鉻合金，附著力較差的金屬可用鎳鉻合金來增強其附著力，或作薄膜電阻材料。這種合金熔點比較低，由于它是絲狀的，所以處理比較方便。

鎳的蒸發建議采用較粗的鎢螺旋絲電阻加熱器。在1500℃以上時，鎳會和處在任何濃度下的鎢形成部分液相，因此它會迅速腐蝕鎢絲。為避免腐蝕，鎳的質量不應超過鎢絲的30%。氧化鈹和氧化鋁坩堝用作蒸發源是合適的。鎳也可以采用電子轟擊法蒸發。

 f) 鈀 

熔點為1555℃，在1Pa下蒸發溫度為1520℃。鈀常用于保護層，以防止端接和導體的氧化。鈀的蒸發建議采用鎢螺旋電阻加熱源。鈀能與鎢合金化，使鎢絲腐蝕。也可使用氧化鈹和氧化鋁坩堝，用電子轟擊法加熱。

鈀對玻璃和陶瓷基片的附著力與金基本相似。常需用鈦或鉻做底層。

 g) 鈦 

鈦熔點為1668℃，在10Pa下的蒸發溫度為1920℃。鈦常用作附著力較差的蒸發材料的底膜材料，也用作電阻或電容器薄膜。鈦的蒸發建議采用鎢螺旋絲籃式電阻加熱源，但在蒸發的鈦中會發現微量鎢。如果能在兩端防止過熱，不使之燒掉，使用鉭絲也是可以的。此外，也可用石墨蒸發源或電子轟擊對鈦進行蒸鍍。

鈦對于玻璃和陶瓷基片的附著力與鉻相同。鈦是良好的吸氣劑，能吸收大量的殘余氣體。如淀積的是純膜，應采用擋板。

 h) 鎢、鉭和鉬 

鎢熔點為3410℃，在1Pa時的蒸發溫度為3195℃；鉭的熔點為2996℃，1Pa下的蒸發溫度為3015℃；鉬的熔點為2620℃，100Pa下的蒸發溫度為3052℃。這些材料都是難熔金屬，蒸發時必須采用電子束蒸發源。它們都會形成氧化物，氧化物比金屬本身易揮發。因此，如真空系統有氧化條件就會造成連續蒸發氧化物的現象。

鉭特別能從殘余氣體中吸收氧。鉭對玻璃或陶瓷基片附著良好，和鉻相仿。

 i) 鋅 

鋅的熔點為419.53℃，在1Pa時的蒸發溫度為340℃。蒸發鋅膜主要用于金屬化電容器紙或類似的介質。它在較高的壓強（如10Pa時）也能淀積出滿意的鋅膜。因此可以不用高真空設備。對鐘罩式設備可縮短其工作周期。在真空室內壓力為10Pa時蒸發的鋅膜，其顆粒比在較高真空下的蒸發要少。

蒸發銀常用來預先敏化介質材料表面，平均膜厚不到0.1mm就可以了。這時的銀原子是充當鋅原子的核中心，使鋅膜的生長，薄膜結構和電特性都受影響。

如果銀為選擇性淀積，鋅膜只是在包含銀核的地區生長。這一現象可用作掩膜技術。但鋅的蒸鍍速率不能超過某一臨界值，否則在整個表面上將形成永久的鋅膜。

大多數普通的舟式坩堝蒸發源都可用來得到高的射束密度。鋅可在較低的蒸發溫度下從固態蒸發，基本上不使容器受到腐蝕或蒸發。如果鋅不熔融，甚至可用不銹鋼坩堝。

 j) 鎘 

鎘的熔點為321℃，在100Pa時的蒸發溫度為385℃，鎘的蒸發工藝與應用基本與鋅相類似。

（2）金屬合金

蒸發合金時會出現分餾（成分的部分分離）。因為不同金屬的蒸發速率的差異。真空電鍍合金膜的成分可用下述方法加以控制：

a)瞬時蒸發  將細小的合金顆粒送到非常熾熱的表面上，使顆粒立刻蒸發掉。因細小的合金含氣量大，氣體的迅速釋放會使真空室壓力提高。因而會造成未融化的粒子離開蒸發源撞擊在基片上。

b)多元蒸發  合金可用幾個蒸發源，每一個源裝載要形成合金的一種成分。為使真空電鍍膜均勻分布，基片常常是轉動的。

c)合金升華  在固體中，較易揮發的成分只是通過擴散而保存在合金表面。在許多情況下，蒸發速率要比擴散速率高得多，而蒸發最后要到達到穩定狀態。這種工藝曾用來形成具有塊狀合金結構的蒸發鎳鉻膜上。

（3）絕緣體和介質

大多數絕緣體和介質蒸發時會發生分解，或與加熱器材料發生化學變化。由于兩者都和蒸發源溫度有關。因此淀積膜的成分隨蒸發源溫度而變化。

大多數薄膜和介質都是氧化物。在任何給定溫度上，都存在一個分解壓力。

低氧金屬氧化物也會和加熱器發生還原反應。在蒸發溫度上和碳坩堝接觸的金屬氧化物，可能不是被碳化還原為低氧化物或自由金屬（亦會產生CO氣體）而是發生化學反應生成碳化物。鎢、鉭和鉬也會使金屬氧化物還原，生成加熱器材料的揮發性氧化物，如WO3在2000℃以上時Al2O3會被鎢還原。當存在一種以上的金屬氧化物時，存在的自由金屬都會和高氧化物反應形成低氧化物。例如，高溫度時TiO為金屬鈦還原。

為了補償蒸發源上所發生的分解，可以利用基片上的化學反應來解決。這樣就可以制備具有重現性能的蒸發介質。蒸發金屬氧化物所得的真空電鍍膜，常包含有混合的氧化物和自由金屬。蒸發時在系統中保持氧化氣體的分壓力，薄膜在生長時可以氧化。甚至在低至10-4Pa壓力下，也有足夠的分子在碰撞表面，在約2.2s內形成單層分子層。因此薄膜會重新氧化，甚至比蒸發材料更易氧化。氧化量決定于氧化氣體分子到達速率和蒸發物的比率以及薄膜和氧化氣體的親和力。

最早研究的蒸發介質是一氧化硅（SiO），它的蒸汽壓較高，在較低溫度下（1050~1400℃）就可以得到實用的蒸發速率。由于一氧化硅升華和加熱器的接觸將大大減少。所以，淀積物很少受加熱器材料的玷污。一氧化硅形成均勻的無定形膜與多金屬和介質具有良好的附著力。

（1）真空電鍍機

真空電鍍工藝的主要設備我們稱之為真空電鍍機，它是利用在高真空狀態下電加熱蒸發源使鍍膜材料蒸發后到達基材形成薄膜的儀器。

真空電鍍機主要由真空腔體、排氣系統（抽真空系統）、冷卻系統、真空測量系統幾部分組成。

a) 真空腔 是電鍍工藝進行的場所，因為腔體在真空狀態是時要承受較大的大氣壓強所以腔體一般由厚重的不銹鋼制作，除要求不生銹、堅實等，真空腔各部分有連接閥，用來連接各抽氣泵。

b) 排氣系統 排氣系統主要由機械泵、羅茨泵、擴散泵三部分組成。

機械泵：也叫前級泵，機械泵是應用最廣泛的一種低真空泵，它是用油來保持密封效果并依靠機械的方法不斷的改變泵內吸氣空腔的體積，使被抽容器內氣體的體積不斷膨脹從而獲得真空。

羅茨泵：它是具有一對同步高速旋轉的雙葉形或多葉形轉子的機械泵，它彌補了機械泵在此范圍內排氣能力不足的缺點，此泵不能從大氣開始工作，也不能直接排出大氣，它的作用僅僅是增加進氣口和排氣口之間的壓差，其余的則需要機械泵來完成，因此它必須配以機械泵作為前級泵油。

擴散泵：機械泵的極限真空只有10-2帕，當達到10-1帕的時候，實際抽速只有理論的1/10，如果要獲得高真空的話，必須采用油擴散泵。

c) 冷卻系統與真空測量系統 它們同屬真空電鍍機的輔助系統，冷卻系統主要作用是通過循環水冷來控制擴散泵的擴散泵油溫度，防止由于過熱而致使擴散泵油氧化和交聯結塊。真空測量系統的作用是在機械泵和擴線泵工作時它及時準確的將數據呈現于外。

（2） 電阻加熱蒸發源

電阻加熱是一種常用的蒸發源加熱方式。它是將金屬Ta、Mo、W等做成適當的適當的形狀蒸發源，裝上待蒸發材料讓電流通過加熱使鍍材直接蒸發，或把待蒸發鍍材直接放入坩堝內進行間接加熱蒸發。電阻加熱蒸發源的特點是結構簡單，價格便宜，容易操作。

對于電阻加熱蒸發源材料應該具備熔點高、飽和蒸氣壓低、化學穩定性好、具有良好的耐熱性、原材料豐富、經濟耐用等特點。下表列出了各種常用蒸發源材料的熔點和達到規定平衡蒸汽壓時的溫度。

電阻蒸發源材料的熔點和對應平衡蒸汽壓溫度

電阻蒸發源類型如下圖有絲狀蒸發源如下圖的a、b、c，其中a、b適合蒸發小量的具有良好潤濕性的材料，如鋁材。C為螺旋錐形狀，適合蒸發粗顆粒、塊狀材料或不易與蒸發源浸潤的材料，如銀、銅、鉻等。d、e的盤狀和舟狀蒸發源是用片狀材料加工而成，可蒸發顆粒狀或粉末狀材料。

真空電鍍工藝的整個工藝過程都是在高真空狀態下在設備腔體內完成，所以通常只要設備設定參數與工藝要求相吻合時通常良品率會很高，但偶有操作不當也會產生，下面介紹幾種現場品控的方法以供參考。

（1）目視法

目視法主要是通過觀察電鍍成品與樣件膜層外觀來品控產品的方法，雖然簡單卻又是最不可或缺的，不同的膜材在經過真空電鍍后會表現出不同的顏色，不同的質感，如鋁的亮白、錫的黑灰、鉻的槍黑、在工藝完成后都會呈現在基材表面。所以當出現電鍍成品的膜層外觀與樣件膜層外觀不符時，首先要確定的是膜材是否置放正確，其次是確定工藝參數是否與該工藝相吻合，最后確定是否有操作不當。

（2）百格法

百格法即用百格刀或美工刀在膜層表面劃出大約100個1mm見方的小格然后用膠帶粘定后測試膜層與基體附著成度的方法。測定法方如下：

a) 首先在膜層表面用百格刀劃出10*10個1mm見方的的網格，網格要穿透膜層。

b) 用指定膠帶輕輕附在百格表面，并用手指覆壓趕出二者之間氣泡，然后靜置1分鐘，左手握住測試樣品，右手食指和拇指捏住膠帶一端，以與基材表面90度角的力迅速拉起膠帶，反復三次以沒有膜層脫落為合格。

（3）電流測定法

電流測定法主要針對于不導電金屬和合金膜的測定，通過測定膜層表面電流來檢測鍍膜產品是否合格。

測定方法是：在膜層表面相距1cm的距離分別放置電流表的兩個探頭，打開電流表，觀察電流表指針的情況。然后根據工藝要求來確定膜層是否合格。此種方法不僅可以檢測所鍍膜層是否是所需膜層，還可以根據電流情況來判斷膜層厚度是否滿足工藝要求。

工廠用真空電鍍設備比較大，除機械運動還涉及到電、油、水、氣。所以應用時一定要謹慎、細心。

（1）在機床運轉正常情況下，開動機床時，必須先開水管，工作中應隨時注意水壓。 
（2）在蒸發時，應特別注意高壓電線接頭，不得觸動，以防觸電。 

（3）在電爐加熱盤四周應注意整理，不可有雜物及易燃油類出現。
（4）鍍制多層介質膜的鍍膜間，應安裝通風吸塵裝置，及時排除有害粉塵。 
（5）時刻注意是否有漏油、漏水、斷電等現象發生，此三種現象極易對電鍍機造成損傷也容易引發其他危險如：火災 
（6）酸洗夾具應在通風裝置內進行，并要戴橡皮手套。 

（7）把零件放入酸洗或堿洗槽中時，應輕拿輕放，不得碰撞及濺出。平時酸洗槽盆應加蓋。 

（8）工作完畢應先斷電、后斷水。