a) 加热蒸发过程

包括固相或液相转变为气相的过程，每种物质在不同的温度下有不同的饱和蒸气压。

b) 气化原子或分子在蒸发源与基片之间的运输过程

此过程中气化原子或分子与残余气体分子发生碰撞，其碰撞与蒸发原子或分子的平均自由程以及蒸发源到基板距离有关。

c) 蒸发原子或分子在基片表面的沉积过程

即蒸汽的凝聚成核，核生长形成连续膜，为气相转变为固相的过程。

上述过程必须在空气稀薄的真空环境中（10-²～1pa）进行，否则蒸发粒子将于空气分子碰撞，使膜污染甚至形成氧化物，或者蒸发源氧化烧毁等。

a) 金属膜的蒸镀

在金属薄膜层的制备上，多采用真空电镀法。当下比较通用的的金属膜层分别有铝、锡、铟、铟锡合金、铬等。几种金属薄膜在应用上的差异主要表现在外观和导电性这两块上。

其中铟、锡、铟锡合金多用于电子产品，如手机、电脑边框和按，此类金属膜层不仅能赋予基材金属外观还具有其他几种金属膜不具备的膜延展性。这两种金属活性较低不易导电，对电子类产品信号产生影响较小也是其主要应用原因之一，所以通常我们也称之为不导电镀膜。铬金属膜外观黑亮，金属质感强，并且具有较好的硬度因此受到一些装饰品和玩具制造者的青睐。

同其他几种金属膜相比应用最广泛的铝膜层，如制镜工业的以铝代银，集成电路中的铝刻蚀导线；聚酯薄膜表面镀铝制作电容器；涤纶聚酯薄膜镀铝制作，防止紫外线照射软包装袋；以及我们日常生活中所常见到的玩具、化妆品外包装及一些装饰品。

真空蒸镀铝薄膜既可选用间歇式蒸发真空镀膜，也可选用半连续式真空镀膜机。其蒸发源即可为电阻源、电子束源，也可以选用感应加热式蒸发源，可依据蒸镀膜材的具体要求而定。

真空蒸发镀铝涂层的工艺参数，主要包括蒸镀室压力、沉积速率、基片温度、蒸发距离等。如果从膜片基体上分布的均匀性上考虑，还应注意蒸发源对基片的相对位置及工件架的运动状态等因素。例如选用电子束蒸发源进行铝层制备时，其典型的主要工艺参数可选用：镀膜室工作压力2.6*10-4Pa、蒸发速率为2~2.5nm/s、基片温度20℃，蒸距为450mm、电子束电压为9kV，电流为0.2A。

b) 合金膜的蒸镀

如前所述，为了保证合金膜在制备上使合金模的成分与蒸镀前合金膜材的成分相一致，故可采用快速蒸镀发（闪蒸镀）和双蒸发源或多蒸发源蒸镀法对合金膜材进行蒸镀。快速蒸镀法是把合金制成粉末或细小的颗粒，然后，放入到可以保持高温的蒸发源中，使细小的颗粒通过加料器或滑槽所产生的震动将其一个一个地送入到蒸发源中。

合金膜的蒸镀

 1-  基片；2-加料片；3-蒸发源；4-滑槽；5-震动轮；6-薄膜材料

为了保证细小颗粒的完全蒸发，选用较慢的蒸发速率和较均匀的送料速度是十分必要的。双蒸发源蒸镀或多蒸发源蒸镀法适用于多种元素组成的合金膜，原则上可以将几种元素分别装入各自的蒸发源中，同时加热并分别控制蒸发源的温度。也就是独立控制其蒸发速率，以便保证不改变合金膜的组分。因此，使各源之间通过隔板防止各蒸发源中的膜材相互混入是非常重要的。

1-  基片；2，6-石英膜厚计3，5-蒸发源；4-阀板

c) 化合物膜的蒸镀

化合物薄膜的蒸镀方式，除了前面已经介绍的电阻加热法外，还有反应蒸镀法，三温度蒸镀法以及分子束外延蒸镀法等。下面就反应蒸镀法和三温度蒸镀法做一简单的介绍。

1、反应蒸镀法

 将活性气体引入到真空镀膜室通过活性气体的原子（分子）与蒸发源中蒸发出来的原子发生化学反应，生成化合物涂层的方法，称为反应蒸镀法。反应即可在气态空间中，也可在基片表面上进行，也可以两者兼有。其中以在基片上进行反应为主。反应的进行通常与反应气体的分压、蒸发温度、蒸发速度以及基片温度等因素有关，所获得的涂层可以是金属合金，也可以是化合物。目前，这种方法已经广泛应用于制备绝缘化合物膜层上。

例如在蒸镀Ti时，加入C2H2气体即可制备出TiC硬直膜，即：

                        2Ti+C2H2→2TiC+H2

若蒸镀时加入N2气体，则可生成TiN硬质膜层。即：

                          2Ti+N2→2TiN

另一个典型的例子，就是制备SiO2薄膜，如下图所示，它是在通常的真空蒸镀设备中引入O2。O2的引入方法较多，一般多采用通过泄露阀引入空气的方法。但是需要准确地确定SiO2的组成时，就应当采用从氧气瓶中引入O2或者选用图在坩埚中加入NA2O的粉末进行加热、分解产生的O2碰撞到基片上。这种方法与双蒸源法的不同点，在于活性气体分子与在这种情况下反应生成的气体分子，都能自由在蒸镀空间飞来飞去。从蒸发源出来的分子，就通过这些分子几乎是直接到达基片上。

用SiO-O2/空气系来制造SiO2镀膜装置

加热器；2-基片；3-加热器；4-空气导入孔；5-氧气瓶；6-可调泄漏阀；7-断流阀；8- SiO2；9-NA2O

反应蒸镀法所用真空设备的抽气系统，大多使用油扩散泵。由于所制成镀膜的组成和晶体结构，随着气氛气体的压力、从蒸发源出来的分子在蒸镀速度和基片温度这三个量而改变。所以，必须采取措施使得这些量可以调节。

2、三温度蒸镀法

三温度法从原理上来讲，他就是双蒸发源蒸镀法。但是，Ⅲ~Ⅴ族化合物的性质与合金不同，而且又以制作单晶镀膜为目的。因此，在技术上就与双蒸发源的蒸镀法存在差异。在一般情况下，构成合金的两种金属的蒸汽压差别不大。例如，在1000K时，Co、Fe、Ni、的蒸汽压约为10^-10Pa，Cr为10^-9Pa、Pd为10^-8Pa，Al、Be、Cu、Sn为10^-6PaAg为10^-4Pa。

与此相反，在Ⅲ~Ⅴ族的化合物中，Ⅴ族元素的蒸汽压比Ⅲ族元素的蒸气压大得多由于Ⅲ族元素的低温蒸气压值不能测量。所以，它是从高温时的蒸气压值估算出来的。

用反应蒸镀法制作几种化合物镀膜的最佳条件

如下图所示，Ca和As的蒸汽压之差异就达到四个数量级，Ⅲ~Ⅴ族半导体化合物薄膜，通常使用单晶的形式。但一般说来，制作单晶薄膜时，基片也是单晶，基片温度必须保持在摄氏数百度。于是，Ⅴ族元素的蒸汽压就比Ⅲ族高得多，Ⅴ族元素即使单独存在也不会凝结在基片上。不过，如果存在Ⅲ族元素，并在适当的温度和压力下，Ⅴ族元素的蒸汽压与Ⅲ~Ⅴ族化合物的固体保持平衡而共存。为了制作良好的单晶薄膜，基片温度要严加限制。因而与制作合金的情况不同。在制作化合物半导体，特别是Ⅲ~Ⅴ族化合物的单晶镀膜时，必须控制基片的温度和两个蒸发源的温度，一共三个温度。这就是所谓三温度法名称的由来。它实际上就是在Ⅴ族元素的气氛中蒸镀Ⅲ族元素。从这个意义上讲，也相似于反应蒸镀法。

Ⅲ族和Ⅴ族元素的蒸汽压

 a) 铝 

铝薄膜可用做导体、电容器电极、反射器以及装饰品等应用。

铝在660℃时融化，在1100℃时开始迅速地蒸发。在蒸发时，铝为一种高速流动的气体，可渗入到难熔材料的微孔中。铝在高温时与陶瓷材料也能产生化学反应，并能与难熔金属形成低熔点合金。

 证明，被气化时，不是铝与坩埚材料起化学反应就是坩埚材料被蒸发。融化的铝在真空中的化学活泼性在较高压力下更甚。因此，对蒸发铝的蒸发源必进行认真地选择。目前多采用钨丝或钽丝加热式蒸发源。蒸发大量的铝时，可采用连续式送丝或感应加热式蒸发源。

 b) 铬 

铬在1890℃时融化。但在10Pa条件下，1500℃时即可使其蒸发，此时铬不经熔化就蒸发。由于铬的附着力较强，所以这种材料可作为附着力较差的金属材料的“附着剂”。

此外铬对于玻璃或陶瓷等的基本附着力比其他普通金属蒸发材料都好（除钛以外），铬的附着力和钛相似。当在铬膜-玻璃界面上作破坏性试验时，由于铬膜附着力强，因此被破坏的往往是基片。

铬的形状多为片状或颗粒状，可用蒸发舟或篮式蒸发器进行蒸发。由于蒸发源的加热丝多选用钨，另一种方法是将铬事先电镀在钨螺旋丝上，这一方法可提高热接触，扩大蒸发面积，但是钨丝在电镀之前应进行彻底去气。近年来发展了利用粉末冶金的方法在溅射镀膜中采用铬靶制备铬膜。

 c) 铜 

铜的熔点为1083.4℃，它在100Pa条件下的蒸发温度为1585℃。铜由于电导率高，可焊性极好，故常用作导体。蒸发铜膜的最小实用膜电阻为0.01Ω。铜易氧化，往往在铜上再蒸发一层较贵重的金属来保护它。

对铜进行蒸发，建议采用电阻加热，蒸发源为钨螺旋丝或钨、钽、铜舟。虽能使用电子束加热，但由于铜的导热性很好。因此，很难维持蒸发温度的恒定。

铜对陶瓷或者玻璃的附着性较差，连续的引线在操作时会在铜和基片的界面处失效。因此，应采用铬和钛作为“附着剂”，事先打底膜后再进行镀制。

 d) 金 

金的熔点是1063℃，在1Pa的蒸发温度为1397℃。由于金是昂贵金属，它主要用于保护下面的蒸发膜而作为顶层被使用，也可用在导体及电容器的电极上。

蒸发金多采用钨和铜的螺旋丝或篮式电阻加热器，金能润湿钨、铜和钽。但它对钽的腐蚀比前两者更强。金也可用电子轰击法蒸发，但是和铜一样，其蒸发温度难以保持。

金对于玻璃和陶瓷基片的附着力很差。因此，在这两种材料上镀金膜时，也应用铬和钛打底膜，以提高其附着力。

 e) 镍 

镍熔点为1453℃。它在100Pa条件下的蒸发温度为1380℃。镍常和铬合金化形成镍铬合金，附着力较差的金属可用镍铬合金来增强其附着力，或作薄膜电阻材料。这种合金熔点比较低，由于它是丝状的，所以处理比较方便。

镍的蒸发建议采用较粗的钨螺旋丝电阻加热器。在1500℃以上时，镍会和处在任何浓度下的钨形成部分液相，因此它会迅速腐蚀钨丝。为避免腐蚀，镍的质量不应超过钨丝的30%。氧化铍和氧化铝坩埚用作蒸发源是合适的。镍也可以采用电子轰击法蒸发。

 f) 钯 

熔点为1555℃，在1Pa下蒸发温度为1520℃。钯常用于保护层，以防止端接和导体的氧化。钯的蒸发建议采用钨螺旋电阻加热源。钯能与钨合金化，使钨丝腐蚀。也可使用氧化铍和氧化铝坩埚，用电子轰击法加热。

钯对玻璃和陶瓷基片的附着力与金基本相似。常需用钛或铬做底层。

 g) 钛 

钛熔点为1668℃，在10Pa下的蒸发温度为1920℃。钛常用作附着力较差的蒸发材料的底膜材料，也用作电阻或电容器薄膜。钛的蒸发建议采用钨螺旋丝篮式电阻加热源，但在蒸发的钛中会发现微量钨。如果能在两端防止过热，不使之烧掉，使用钽丝也是可以的。此外，也可用石墨蒸发源或电子轰击对钛进行蒸镀。

钛对于玻璃和陶瓷基片的附着力与铬相同。钛是良好的吸气剂，能吸收大量的残余气体。如淀积的是纯膜，应采用挡板。

 h) 钨、钽和钼 

钨熔点为3410℃，在1Pa时的蒸发温度为3195℃；钽的熔点为2996℃，1Pa下的蒸发温度为3015℃；钼的熔点为2620℃，100Pa下的蒸发温度为3052℃。这些材料都是难熔金属，蒸发时必须采用电子束蒸发源。它们都会形成氧化物，氧化物比金属本身易挥发。因此，如真空系统有氧化条件就会造成连续蒸发氧化物的现象。

钽特别能从残余气体中吸收氧。钽对玻璃或陶瓷基片附着良好，和铬相仿。

 i) 锌 

锌的熔点为419.53℃，在1Pa时的蒸发温度为340℃。蒸发锌膜主要用于金属化电容器纸或类似的介质。它在较高的压强（如10Pa时）也能淀积出满意的锌膜。因此可以不用高真空设备。对钟罩式设备可缩短其工作周期。在真空室内压力为10Pa时蒸发的锌膜，其颗粒比在较高真空下的蒸发要少。

蒸发银常用来预先敏化介质材料表面，平均膜厚不到0.1mm就可以了。这时的银原子是充当锌原子的核中心，使锌膜的生长，薄膜结构和电特性都受影响。

如果银为选择性淀积，锌膜只是在包含银核的地区生长。这一现象可用作掩膜技术。但锌的蒸镀速率不能超过某一临界值，否则在整个表面上将形成永久的锌膜。

大多数普通的舟式坩埚蒸发源都可用来得到高的射束密度。锌可在较低的蒸发温度下从固态蒸发，基本上不使容器受到腐蚀或蒸发。如果锌不熔融，甚至可用不锈钢坩埚。

 j) 镉 

镉的熔点为321℃，在100Pa时的蒸发温度为385℃，镉的蒸发工艺与应用基本与锌相类似。

（2）金属合金

蒸发合金时会出现分馏（成分的部分分离）。因为不同金属的蒸发速率的差异。真空电镀合金膜的成分可用下述方法加以控制：

a)瞬时蒸发  将细小的合金颗粒送到非常炽热的表面上，使颗粒立刻蒸发掉。因细小的合金含气量大，气体的迅速释放会使真空室压力提高。因而会造成未融化的粒子离开蒸发源撞击在基片上。

b)多元蒸发  合金可用几个蒸发源，每一个源装载要形成合金的一种成分。为使真空电镀膜均匀分布，基片常常是转动的。

c)合金升华  在固体中，较易挥发的成分只是通过扩散而保存在合金表面。在许多情况下，蒸发速率要比扩散速率高得多，而蒸发最后要到达到稳定状态。这种工艺曾用来形成具有块状合金结构的蒸发镍铬膜上。

（3）绝缘体和介质

大多数绝缘体和介质蒸发时会发生分解，或与加热器材料发生化学变化。由于两者都和蒸发源温度有关。因此淀积膜的成分随蒸发源温度而变化。

大多数薄膜和介质都是氧化物。在任何给定温度上，都存在一个分解压力。

低氧金属氧化物也会和加热器发生还原反应。在蒸发温度上和碳坩埚接触的金属氧化物，可能不是被碳化还原为低氧化物或自由金属（亦会产生CO气体）而是发生化学反应生成碳化物。钨、钽和钼也会使金属氧化物还原，生成加热器材料的挥发性氧化物，如WO3在2000℃以上时Al2O3会被钨还原。当存在一种以上的金属氧化物时，存在的自由金属都会和高氧化物反应形成低氧化物。例如，高温度时TiO为金属钛还原。

为了补偿蒸发源上所发生的分解，可以利用基片上的化学反应来解决。这样就可以制备具有重现性能的蒸发介质。蒸发金属氧化物所得的真空电镀膜，常包含有混合的氧化物和自由金属。蒸发时在系统中保持氧化气体的分压力，薄膜在生长时可以氧化。甚至在低至10-4Pa压力下，也有足够的分子在碰撞表面，在约2.2s内形成单层分子层。因此薄膜会重新氧化，甚至比蒸发材料更易氧化。氧化量决定于氧化气体分子到达速率和蒸发物的比率以及薄膜和氧化气体的亲和力。

最早研究的蒸发介质是一氧化硅（SiO），它的蒸汽压较高，在较低温度下（1050~1400℃）就可以得到实用的蒸发速率。由于一氧化硅升华和加热器的接触将大大减少。所以，淀积物很少受加热器材料的玷污。一氧化硅形成均匀的无定形膜与多金属和介质具有良好的附着力。

（1）真空电镀机

真空电镀工艺的主要设备我们称之为真空电镀机，它是利用在高真空状态下电加热蒸发源使镀膜材料蒸发后到达基材形成薄膜的仪器。

真空电镀机主要由真空腔体、排气系统（抽真空系统）、冷却系统、真空测量系统几部分组成。

a) 真空腔 是电镀工艺进行的场所，因为腔体在真空状态是时要承受较大的大气压强所以腔体一般由厚重的不锈钢制作，除要求不生锈、坚实等，真空腔各部分有连接阀，用来连接各抽气泵。

b) 排气系统 排气系统主要由机械泵、罗茨泵、扩散泵三部分组成。

机械泵：也叫前级泵，机械泵是应用最广泛的一种低真空泵，它是用油来保持密封效果并依靠机械的方法不断的改变泵内吸气空腔的体积，使被抽容器内气体的体积不断膨胀从而获得真空。

罗茨泵：它是具有一对同步高速旋转的双叶形或多叶形转子的机械泵，它弥补了机械泵在此范围内排气能力不足的缺点，此泵不能从大气开始工作，也不能直接排出大气，它的作用仅仅是增加进气口和排气口之间的压差，其余的则需要机械泵来完成，因此它必须配以机械泵作为前级泵油。

扩散泵：机械泵的极限真空只有10-2帕，当达到10-1帕的时候，实际抽速只有理论的1/10，如果要获得高真空的话，必须采用油扩散泵。

c) 冷却系统与真空测量系统 它们同属真空电镀机的辅助系统，冷却系统主要作用是通过循环水冷来控制扩散泵的扩散泵油温度，防止由于过热而致使扩散泵油氧化和交联结块。真空测量系统的作用是在机械泵和扩线泵工作时它及时准确的将数据呈现于外。

（2） 电阻加热蒸发源

电阻加热是一种常用的蒸发源加热方式。它是将金属Ta、Mo、W等做成适当的适当的形状蒸发源，装上待蒸发材料让电流通过加热使镀材直接蒸发，或把待蒸发镀材直接放入坩埚内进行间接加热蒸发。电阻加热蒸发源的特点是结构简单，价格便宜，容易操作。

对于电阻加热蒸发源材料应该具备熔点高、饱和蒸气压低、化学稳定性好、具有良好的耐热性、原材料丰富、经济耐用等特点。下表列出了各种常用蒸发源材料的熔点和达到规定平衡蒸汽压时的温度。

电阻蒸发源材料的熔点和对应平衡蒸汽压温度

电阻蒸发源类型如下图有丝状蒸发源如下图的a、b、c，其中a、b适合蒸发小量的具有良好润湿性的材料，如铝材。C为螺旋锥形状，适合蒸发粗颗粒、块状材料或不易与蒸发源浸润的材料，如银、铜、铬等。d、e的盘状和舟状蒸发源是用片状材料加工而成，可蒸发颗粒状或粉末状材料。

真空电镀工艺的整个工艺过程都是在高真空状态下在设备腔体内完成，所以通常只要设备设定参数与工艺要求相吻合时通常良品率会很高，但偶有操作不当也会产生，下面介绍几种现场品控的方法以供参考。

（1）目视法

目视法主要是通过观察电镀成品与样件膜层外观来品控产品的方法，虽然简单却又是最不可或缺的，不同的膜材在经过真空电镀后会表现出不同的颜色，不同的质感，如铝的亮白、锡的黑灰、铬的枪黑、在工艺完成后都会呈现在基材表面。所以当出现电镀成品的膜层外观与样件膜层外观不符时，首先要确定的是膜材是否置放正确，其次是确定工艺参数是否与该工艺相吻合，最后确定是否有操作不当。

（2）百格法

百格法即用百格刀或美工刀在膜层表面划出大约100个1mm见方的小格然后用胶带粘定后测试膜层与基体附着成度的方法。测定法方如下：

a) 首先在膜层表面用百格刀划出10*10个1mm见方的的网格，网格要穿透膜层。

b) 用指定胶带轻轻附在百格表面，并用手指覆压赶出二者之间气泡，然后静置1分钟，左手握住测试样品，右手食指和拇指捏住胶带一端，以与基材表面90度角的力迅速拉起胶带，反复三次以没有膜层脱落为合格。

（3）电流测定法

电流测定法主要针对于不导电金属和合金膜的测定，通过测定膜层表面电流来检测镀膜产品是否合格。

测定方法是：在膜层表面相距1cm的距离分别放置电流表的两个探头，打开电流表，观察电流表指针的情况。然后根据工艺要求来确定膜层是否合格。此种方法不仅可以检测所镀膜层是否是所需膜层，还可以根据电流情况来判断膜层厚度是否满足工艺要求。

工厂用真空电镀设备比较大，除机械运动还涉及到电、油、水、气。所以应用时一定要谨慎、细心。

（1）在机床运转正常情况下，开动机床时，必须先开水管，工作中应随时注意水压。 
（2）在蒸发时，应特别注意高压电线接头，不得触动，以防触电。 

（3）在电炉加热盘四周应注意整理，不可有杂物及易燃油类出现。
（4）镀制多层介质膜的镀膜间，应安装通风吸尘装置，及时排除有害粉尘。 
（5）时刻注意是否有漏油、漏水、断电等现象发生，此三种现象极易对电镀机造成损伤也容易引发其他危险如：火灾 
（6）酸洗夹具应在通风装置内进行，并要戴橡皮手套。 

（7）把零件放入酸洗或碱洗槽中时，应轻拿轻放，不得碰撞及溅出。平时酸洗槽盆应加盖。 

（8）工作完毕应先断电、后断水。