[发明专利]电子束蒸发装置

说明书

技术领域

本发明涉及例如为了防腐蚀、作为饰层、为了EMV屏蔽或为了隔 热而在基材上真空镀覆功能膜层的物理气相沉积应用领域，确切地说， 在此涉及这样的蒸发源实施方案，其中通过用轴向电子枪所发出的电子 束加热蒸发物料，以产生蒸气。

现有技术

被广泛采用的EB-PVD的蒸发源具有所谓的横向电子枪，在其电子 束产生过程中，电子束270度转向磁装置和装有蒸发物料的坩锅大多被 集成在一个结构紧凑的功能块中。

这种蒸发源的价格相当便宜，但其受限于约20kW的最高电子束功 率及约20kV的加速电压，进而可产生的蒸发速度也有限。此外，真正 的电子束源(阴极和加热机构)处于镀覆室的压力级并直接遇到镀覆室内 的蒸气和气体(尤其在反应过程控制中)。因而，镀覆室内压力必须通过 将真空泵的尺寸设定得相当大被保持于低值，以避免电子束源工作时的 不稳定。

通过使用轴向电子枪就得到就所需的投资成本而言是比较高、但在 技术方面更高效的EB-PVD变型体(DE4428508A1)，其可被设计用于 电子束功率高达300kW、加速电压高达60kV的蒸镀法。这种电子束源 通过带有用于允许电子束通过且大多为圆形的小开口的、起阻流作用的 隔挡与加工室分隔开，并且单独用附加的高压真空泵被抽真空。为此， 蒸镀作业也可以在镀覆室内压力较高的情况下进行并获得较高的镀膜 速度。可是，尤其在高速镀覆大面积基材(例如在带和板的情况下)的加 工领域，电子束直接射入蒸发装置坩锅有时因镀覆室内的几何形状情况 而行不通。轴向电子枪于是通常安置在水平安装位置，电子束借助附加 的磁转向系统被引向装有蒸发物料的坩锅，磁转向系统和轴向电子枪被 集成在真空室壁内。

这种转向系统大多通过带有构成磁场的极靴的通电线圈来实现，转 向系统是主要的成本因素，其不利地扭曲转向磁场的线性以及电子束焦 点，而且其效率明显受限于具体材料的选择和镀覆室室壁的几何形状， 因此转向系统大多针对蒸镀布局的每种改进都要被重新优化。

也是电子束加热的所有热蒸发装置具有蒸发物料表面所蒸发出的 粒子的较宽广的发出方向分布，直到几乎切向的部分。这意味着，随蒸 发源和基材之间距离的增大而增多的相当一部分蒸气流未轰击基材，而 是到达基材周围并在那里以所谓的无序膜层方式沉积。除了与之相关的 镀料损失之外，无序膜层在批量生产设备的镀覆室内还造成抽真空时间 的延长，而无序膜层对连续生产设备而言意味着作业长期稳定性的风 险。因此，必须在这两种设备中时不时从镀覆室中除去无序膜层，这通 常相当费事。

热蒸发装置的蒸气流密度具有在蒸发物料表面和蒸发粒子发出方 向之间的表征性角度关系，该角度关系在使用小面积蒸发装置的最简单 情况下(与基材尺寸和蒸发装置至基材的间距相比，蒸发源的覆盖面积 相对小)可以按照普通余弦定律：

Ф(α)＝Ф₀·cosⁿ(α)                            公式1

来表述。在该公式中，Ф₀表示垂直于蒸发物料表面的蒸气流密度。 对于不同的热蒸镀方法，指数n有各自的特征值。对于高速电子束蒸发 装置，指数约为2.5。从公式1中直接得到，在用小面积蒸发装置镀覆 展开的平面基材时，在蒸发物料表面的法线穿过基材平面的穿透点的区 域内的层厚是最大的，随后随横向距离增大而递减。

因此，为了在小基材上获得很均匀的膜层，通常用凹弯形大面积基 材座进行加工，在该基材座上，若干基材设置在蒸发装置上方的蒸气流 密度几乎恒定的平面中并且能以位置固定方式被镀膜。这种近设方法无 法用于大面积的平面基材。

如果是平面基材，则沉积膜厚度的均匀一致可以简单地通过增大至 蒸发装置的距离被改善。可是，此时蒸气利用率降低(沉积于基材上的物 料量与总物料量之比)，而对镀覆室真空系统的要求(要求残余气压低)和 其尺寸因为此所需的结构空间而增大。

一种实际常见的、用于在距蒸发装置的距离适当的情况下改善大面 积基材上的膜厚均匀一致性的方法是，依据基材尺寸并以空间散布的方 式布置多个小面积的蒸发装置，它们在基材平面内的各自蒸气流密度分 布适于叠加。随此方法而来的就是更高的设备成本。