提高镁蒸发速度的蒸发方法.pdf

本发明涉及提高镁蒸发速度的蒸发方法。将镁加到带有开口部的容器中并加热到670℃以上，使镁蒸气从开口部蒸发。可在开口部的出口设有反射板，也可用导管将镁蒸气导至基板。当没有氧化膜和反应生成膜覆盖在熔融镁表面并以稳定条件使镁从熔融状态蒸发时，宜在满足W1/W2＜0.6(PMg×V3)和W1/W2＜0.04×PMg条件下蒸发镁，其中，W1是

1.提高镁蒸发速度的蒸发方法，其特征是，向具有开口部
的容器内加入镁，加热使容器内的温度到670℃以上，使所发生
的镁蒸气充满于容器内，再使镁蒸气从开口部喷出。
2.根据权利要求1所记载的镁的蒸发方法，其特征是，将蒸
发用容器中的镁保持在770℃以下。
3.根据权利要求1所记载的镁的蒸发方法，其特征是，在开
口部的出口设有反射板，并将此反射板加热到500℃以上。
4.根据权利要求1或2的记载的蒸发方法，其特征是，从开
口部的出口到基板之间设有导管，并将此导管加热到500℃以上。
5.提高镁蒸发速度的蒸发方法，其特征是，将带有开口部
的蒸发用容器配置于真空气氛或减压氮气氛中，制定能满足W₁
/W₂＜0.6×(P_Mg/V³)和W₁/W₂＜0.04×P_Mg的条件，加热蒸发用
容器使镁蒸发，式中：W₁是蒸发用容器的开口面积(mm²)、W₂
是蒸发面积(mm²)、P_Mg是镁的蒸气压(托)和V是真空度(托)。

提高镁蒸发速度的蒸发方法

本发明涉及用于锌-镁合金蒸镀的、在真空中显示升华性
的镁的蒸发方法。

在镁的蒸发作业中，一直采用与铝、铜等不具有升华性金
属同样的电热器和电子束等加热手段。在作业规模很小时，在
钼舟或钨舟等上放置镁，对该舟通电，以电阻加热方式使镁蒸
发。当镁蒸发量大时，则将镁放入坩锅内，通过对坩锅以电热
器或电子束等方式加热使镁蒸发。

然而，镁是在真空中显示升华性的金属，它不经熔融状态
而从保持固体状态下直接升华。为此，即便在加热舟或坩锅中
加热，随着加热时间的增加，固体状态的镁的形状发生变化，
对应于表面积的变化其蒸发速度也发生变化，即使想要改变电
热器和电子束的输出功率而使舟和坩锅的温度改变，从而调整
蒸发速度时，由于蒸发速度的急剧变化，舟和坩锅的温度赶不
上蒸发速度的变化，因此实质上蒸发速度是不可能调节的。

为了精确地控制蒸镀膜厚和蒸镀速度从而使镁的蒸发速度
恒定或边控制边使镁蒸发时，也有人使用溅射蒸镀法。由于在
溅射蒸镀法中所投入的电力只有10％以下用于蒸发，其能源的
利用效率非常低。从此点出发，为了维持镁的高蒸发速度而且
使其恒定蒸发，有必要使镁从熔融状态蒸发。

例如，象铝和铜那样的经过熔融状态而蒸发的物质，为了
使蒸发材料熔融，其蒸发面由坩锅等容器的内表面决定，从而
使蒸发面积保持恒定。为此，当调整电热器和电子束的输出功
率而使容器的温度恒定时，就能使蒸发速度恒定了，也容易以
良好控制性使蒸发速度变化。在蒸发镁时，如这样的蒸发形态
成为可能，就可期待对其蒸发量进行高精度控制。

本发明就是应这种要求而提出的。

本发明目的在于：提供一种提高镁蒸发速度的镁的蒸发方
法。该方法能使镁在熔融状态下蒸发，高精度地调节镁的蒸发
量并且在蒸发速度不变下稳定地进行蒸镀。

本发明另一目的在于：提供一种提高镁蒸发速度的镁的蒸
发方法，该方法能防止发生由聚集和喷溅所致的蒸发膜缺陷，
以及提高蒸镀效率。

本发明目的是这样实现的：在设有开口部的容器内加入镁
，将容器内的温度加热到670℃以上，使所产生的镁蒸气充满
于容器内，使镁蒸气从开口部喷出，此时，由于容器内部形成
蒸满镁蒸气的高压状态，所以能使作为蒸发源的镁维持熔融状
态，因此，能高精度地调节镁的蒸发量；在开口部的出口设有
反射板，将此板加热到500℃以上时能更加精确地调节镁的蒸
发量；在从开口部起到基板之间设有导管，并将此导管加热到
500℃以上；当容器配置在真空气氛或减压氢气氛中时，制定
能满足：W₁/W₂＜0.6×(P_Mg/V³和W₁/W₂＜0.04×P_Mg条件，在
该条件下加热蒸发用容器使镁蒸发，其中，W₁代表蒸发容器的
开口面积(mm²)，W₂代表蒸发面积(mm²)；镁的蒸气压为P_Mg(托)
、真空度为V(托)。从而在有真空或氮气分下也能高精度地调
节镁的蒸发量，并能防止发生由聚集和喷溅所致的蒸发膜缺陷
。从而本发明目的就完全实现了。

本发明具有良好效果：根据本发明方法使镁在熔融状态蒸
发，则可进行蒸发速度不变而稳定的蒸镀。又由于使用反射板
和导管，可防止聚集和飞溅所致蒸镀膜的缺陷。如使用导管还
可直接将镁蒸气引导到基板，因此，基板的位置可自由选择，
并使未蒸镀到基板上的无效镁蒸气减少，因此，蒸镀效率非常
高。当根据镁的蒸发面积、蒸气压和真空度之间的关系调整蒸
发用容器的开口面积时，则可防止氧化膜和反应生成物膜在熔
融镁表面上生成以及飞溅的发生，使镁从熔融状态稳定地蒸发
。为此，能使蒸发速度不变地稳定地蒸发。

以下结合实施例及附图对本发明进行详细说明。

附图1是按照本发明使镁蒸发时所使用的蒸发容器之一例；

附图2示出具有反射板的蒸发容器；

附图3示出具有导管的蒸发容器；

附图4示出具有内藏整流板的导管的蒸发容器；

附图5示出设有带开口部的导管的蒸发容器；

附图6示出用挡板调节开口部开度的蒸发容器；

附图7示出在真空气氛下蒸发速度的时效变化；

附图8示出在减压氮气氛下蒸发速度的时效变化。

在具有开口部的容器内加入镁，加热使容器内的温度到670
℃以上，使镁蒸发，镁的蒸气充满容器内，使容器内的压力与
镁的蒸气压相等或近似，因此，在镁上与镁蒸气压相同的压力
层就变厚。由于生成这样的层，即使在真空中，镁也不具有升
华性，并可在熔融状态下进行蒸发。为了使镁熔融，人们认为
在镁上与镁蒸发压相同的压力层厚度需在1mm以上。这样一来，
由于使镁从熔融状态蒸发，所以蒸发速度不变稳定地进行蒸发。

在附图1所示那样具有开口部8的容器1内加入镁，用加热器
2加热，使容器1内的温度升到670℃以上。所发生的镁蒸气充
满于容器1内，使容器内的压力与镁的蒸气压相等或近似。结果
，镁即使在真空中也能失去升华性而形成熔融状态。

镁的蒸气压在例如温度700℃时约为7托。在容器内即使有
其它气体存在时，在进行蒸发镁的容器内也几乎全充满镁蒸气。

只要能满足容器内的压力与镁蒸气压相同或近似的条件，
开口部的大小可任意选择。开口部的形状宜就各自的目的而选
择圆形、缝状等。开口部的位置不仅是在容器的上方，只要比
镁的位置高，在侧面任意的位置也好。在附图1中所示的开口
部8位于容器上方。

为了防止由温度变动所引起的凝固并且防止由于凝固所引
起的蒸发速度的变动，有必要使容器内镁的温度在670℃以上。

蒸镀真空槽的真空度并不予以限制，但当在减压气体气氛
下蒸发时，该气体必须对镁是惰性的，并且，全压力必须小于
镁的蒸气压。如果气体对镁有活性时，气体进入容器内，即便
有少量的侵入量也能在镁表面形成化合物膜(反应膜)，它们往
往抑制蒸发；如其全压力大于镁蒸气压时，从开口部就喷不出
镁蒸气了。

当镁蒸气从开口部出来到容器外时，由于是在真空中，所
以因为断热膨胀的缘故，在开口部8的出口处镁蒸气结合起来
而发生聚集。特别是镁蒸气从开口部喷出的量多时，可发生大
量的镁聚集。此聚集物也有达到100μm以上的，当欲制得数微
米厚的蒸镀膜时，此聚集物就形成大障碍。

当将容器在高温过度加热时，熔融镁就发生突然沸腾，有
时就发生飞溅。飞溅物有的可达数毫米左右，当它从开口部溢
出时就能使蒸镀膜产生大缺陷。如附图2所示那样，在开口部的
出口设有加热的反射板4，这种聚集物和飞溅物冲突在该反射板
上，通过再度使其蒸发就可成为原子状的蒸气。因此，可防止
由聚集和飞溅为起因所发生的蒸镀膜缺陷。

作为反射板4，用碳或铁等制成，只要聚集物和飞溅物过不
去，其形状可任意。为使镁不蒸镀和堆积于反射板4上并完全
蒸发，必须将反射板4加热到500℃以上。

通过在开口部8设有如附图3所示的可加热导管5，可以将
镁输送到配置着基板的任意位置。此时，由于将导管5加热到
500℃以上，从而防止在导管内蒸镀和堆积镁。当聚集物和飞
溅物冲突在导管5上时，依据与反射板相同的原理而被消灭。
然而，当导管5的截面与其长度比较大时，聚积物和飞溅物就
可通过。此时，附设有如附图2所示的反射板4；还可附设如附
图4所示那样在导管内配置有整流板7，则可使镁的蒸镀均匀化。

然而，在镁蒸发之际，若真空气氛中含有H₂O、O₂及其它
气氛气体时，则H₂O、O₂及其它气氛气体通过开口部侵入蒸发
容器与活性非常高的镁反应，有时就在镁的表面上生成氧化膜
和反应生成物膜。当氧化膜和反应生成物膜生成时，镁的蒸发
速度就下降。特别是，当真空槽向大气开放时，它们在壁面上
大量附着，即使再度成为真空状态，也由于其脱离缓慢，要从
壁面持续在真空中长时间放出。结果，导致不管在什么样的真
空中也常存在有H₂O，在熔融镁表面就生成氧化膜，成为使蒸
发速度下降的原因。作为反应生成物也有氮化物膜。也即，由
于镁是反应性极高的元素，即便是比较惰性的氮，当其大量存
在于真空中时，在熔融镁的表面也会形成氮化镁膜。

当镁的表面生成氧化膜和反应生成膜时，多发生飞溅，即
使氧化膜和反应生成膜不在镁表面上生成，当温度高时在熔融
镁中发生镁蒸气的气泡，由于气泡在熔融镁的表面上破裂也可
发生飞溅，飞溅的发生使蒸发速度改变，难以控制镁的蒸镀附
着量。

为了边抑制飞溅的发生边使镁蒸发，可使用将例如图1所
示的开口部缩小后的容器；或者，使用如附图5所示那样在容
纳容器1的蒸发槽9上连结导管5并在导管5的中途设有开口部10
的装置。

在构成开口部8的上壁安装如附图6所示挡板12，也可控制
处于从熔融状态的镁3的蒸发量。在附图6的例中用埋设于容器
1的温度传感器13检出熔融镁3的温度，对应于检出值也可控制
投入加热器2的电力。当在蒸发槽9上有导入加热器2等用的开
口部时，将含有该开口部的整个面积作为开口面积，使满足上
述条件。

由于使蒸发槽9的开口部8与蒸发槽9中镁的蒸发面积比例
变小，因而提高蒸发槽9内镁蒸气压力。为此，镁蒸气以高速度
和大流量从开口部8流出，从而防止从气氛气体来的气体入侵。
由于提高镁的温度和蒸气压，也可提高蒸发槽9内镁的蒸气压
力，而得到同样效果。当使真空度低时，与蒸发槽9内的压力差
变大，镁蒸气以高速度从开口部8喷出，同样可防止从气氛气体
来的气体入侵。

这样，蒸发槽9中镁的蒸发面积对开口部8的面积比、镁蒸
气压和真空度相互关联地影响镁的蒸发。本发明人在调研中了
解到：通过使W₁/W₂＜0.6×(P_Mg/V³)的条件得到满足后，从蒸
发槽外来的气体入侵就会消除，在熔融镁3的表面上不发生氧化
膜或反应生成物膜。其中，W₁表示蒸发用容器的开口面积(mm²)
、W₂表示蒸发面积(mm²)、P_Mg表示镁的蒸气压(托)、V表示真
空度(托)。结果，可能使镁以恒定速度并且可控性良好地蒸发。
由于不生氧化膜和反应生成物膜，还不发生飞溅，可抑制蒸发
速度的变动。因此，在钢板等长尺寸基板上蒸镀镁时，也能抑
制镁附着量的偏差。

当快速地打开挡板12时，按照W₁/W₂＜0.04×P_Mg而使开口
面积缩小。因此，防止在镁固化前蒸发槽9内的压力下降。在
其它由于真空度低等原因使蒸发槽9内的压力下降时，由于维持
W₁/W₂＜0.04×P_Mg的条件，也可保持蒸发槽9内有一定压力以上
的压力，使镁不致固化。更且，由于在蒸发槽9内保持一定压力
以上的压力，也可抑制飞溅的发生。

通过使熔融镁3的温度保持在770℃以下，可抑制在熔融镁
中发生镁蒸气气泡。结果，在不发生飞溅并且稳定的条件下继
续蒸发镁。当熔融镁保持在670℃以上温度时，即使多少有点温
度变动，也不会发生镁固化，可稳定地进行蒸镀。

这样，按照本发明调整蒸发条件时，可防止在熔融镁的表
面上生成氧化膜和飞溅发生，使镁的蒸发稳定化。又可与挡板
12的开闭无关地在熔融状态下使镁蒸发。

实施例1

保持附图1所示蒸发容器形状，使用内径70mm、内高110mm
、孔径(开口部)6mm、壁厚8mm的石墨坩埚使镁蒸发。设定坩埚
温度为720℃，使放置坩埚的真空槽内是1×10^-5托的真空气氛
以及有1×10^-1托分压N₂存在下的真空气氛，在其中，使镁蒸发。
通过直到1×10^-5托的真空抽气后导入N₂的方法来调节预定气
氛气压。

开始时用挡板将坩埚的开口部盖紧，当坩埚温度达到预定
的720℃后，将挡板打开，对坩埚200mm上方所置的基板蒸镀镁，
对蒸镀速度进行了调研。

蒸镀速度的时间变化如附图7和8所示。附图7和8分别是在
真空气氛下和在减压氮气氛下的蒸发速度的时效变化图。可见
不论在1×10^-5托的真空中；还是1×10^-1托分压的N₂存在的真
空中，其蒸发速度的变动对蒸发速度为0.3μm/秒来说仅为其6％
以下，可几乎无变化地稳定蒸镀。与此相反，当使用开放上方
的坩埚进行蒸发时，蒸镀速度在从0.001到5μm/秒的范围内大
变动，不稳定。

实施例2

对在实施例1所用坩埚上安装如附图2所示反射板4时的效
果进行了调研。使反射板4上就连最冷部位也达到500℃以上。
将坩埚内的压力与实施例1相同地调整到1×10^-1托的分压N₂气
氛。调研了反射板4对镁蒸发的影响，结果如表1所示：

表1：反射板对聚集物和飞溅物发生的影响

如从表1所见那样，当安装了反射板后，坩埚的温度提高，
即使发生聚集和飞溅，它们与高温的反射板接触也可变成镁蒸
气，因此，在基板上检查不出来有聚集物或飞溅物的附着。当
坩埚温度不到670℃时，镁有时会凝固，因此不能稳定地蒸镀。

实施例3

在实施例1所用坩埚上安装如附图4所示的35mm×35mm正方
形截面的导管，从坩埚起向离坩埚一侧350mm、离其上方150mm
的基板6引导镁蒸气，对基板蒸镀镁。使坩埚温度为700℃，在坩
埚内为1×10^-5托的真空气氛和有1×10^-1托分压氮存在的减压
气氛下进行镁的蒸发。在导管5的中途设有调整镁蒸气流的整
流板7，使蒸镀均匀化。导管的温度即使是最冷部位也在600℃
以上。

坩埚内的压力不管在1×10^-5托真空中和有1×10^-1托分压
N₂存在的真空中，均可得到蒸镀速度在0.5μm/秒±10％以内变
动下的均匀蒸镀面。又由于使用导管，不蒸镀于基板上的无效
镁蒸气减少，与实施例1相比，尽管其坩埚温度低，而镁的蒸镀
速度却提高了。

实施例4

在开口的直径为500mm的铁容器1内(附图6)加入纯度99.9％
的镁，在真空室内使镁蒸发。为了对容器均匀加热，在侧面及上
下安装了加热器2。在容器1内装有作为气氛气体的含N₂真空气
氛，依靠N₂的导入量和排气速度来调整真空度。又，根据真空泵
的排气速度设定H₂O分压为5×10^-3托。并且，通过使温度改变，
边调整镁的蒸气量，边使镁蒸发。通过容器1上壁11的更换和挡
板12的开闭来进行调节开口面积。调查了开口面积的变化对镁
蒸发的影响。也调查了挡板12的快速开闭和真空度等的影响。

容器1的开口面积、熔融镁3的蒸发面积、镁的蒸气压、真
空度对熔融镁表面氧化膜的生成、飞溅的发生等的影响示于表
2(本发明例)和表3(比较例)。在表2和3同时示出急速打开挡板
12时镁的状态。

表2蒸发槽的开口面积和蒸发面积对氧化膜生成、飞溅的发生以及蒸发槽内镁的状态的影响(本发明例)

标号*表示蒸发槽的开口面积/蒸发面积不比1大，因此以＞1表示

表3蒸发槽的开口面积和蒸发面积对氧化膜生成、飞溅的发生以及蒸发槽内镁的状态的影响(比较例)

标号*表示蒸发槽的开口面积/蒸发面积不比1大，因此以＞1表示

如表2所示那样，当满足W₁/W₂＜0.6×(P_Mg/V³)以及W₁/W₂
＜0.04×P_Mg条件时，不发生氧化膜和飞溅，通常可判断镁是从
熔融状态蒸发的。另一方面，当不能满足W₁/W₂＜0.6×(P_Mg/V³
)以及W₁/W₂＜0.04×P_Mg条件中任一个或两者时，则可看到如表
3所示那样有氧化膜生成，发生飞溅和镁固化。从此对比可确认
W₁/W₂＜0.6×(P_Mg/V³)和W₁/W₂＜0.04×P_Mg条件的有效性。

实施例5

设容器1开口面积对熔融镁的蒸发面积比为0.01、真空度
为0.01托，其它与实施例4相同，在此不生氧化膜的条件下，使镁
蒸发，就此，调研了熔融镁3的温度和飞溅发生的关系。正如示
出调研结果的表4所见那样，可知熔融镁的温度如在770℃以下
则不发生飞溅。然而，当熔融镁的温度超过770℃时，随温度的
上升发生激烈的飞溅。此时，飞溅的程度随温度的上升而加大。

      表4：熔融镁温度和飞溅是否发生的关系