CN109881158B - 一种减少电子束蒸发过程物料飞溅的坩埚及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种减少电子束蒸发过程物料飞溅的坩埚及其制造方法，包括：坩埚本体，所述坩埚本体内的坩埚壁上开设有多条相互平行的沟槽，所述沟槽的截面以及所述沟槽与所述坩埚壁连接处的截面为光滑的弧形。本发明利用毛细现象吸附漂浮在熔融金属液面上的杂质颗粒。当杂质颗粒被吸附在沟槽内时，沟槽内的电场相对较小，不利于杂质颗粒产生尖端放电，能有效地减少电子束蒸发过程中减少物料的飞溅。
Description
技术领域
本发明涉及坩埚领域，具体地，涉及一种减少电子束蒸发过程物料飞溅的坩埚及其制造方法。
背景技术
电子束蒸发镀膜是采用高能量电子束轰击坩埚内的待蒸发材料，使材料的原子或分子获得能量后从坩埚内蒸镀出来，在衬底沉积薄膜，这种镀膜方式与磁控溅射相比较产生的气态粒子的能量更低，一般只有0.1～0.3eV，相对磁控溅射镀膜方式，电子束蒸发镀膜能够更好和剥离工艺兼容。然而国内黄金材料生产多采用石墨坩埚，加工工艺步骤比较多；蒸镀前使用塑料手套或金属镊子取料、放料，这些环节造成高纯金容易被其他杂质污染，这导致蒸发出来的金膜表面有黑色颗粒。这些黑色的颗粒经观察统计，形状大多不规则，尺寸集中在100纳米-1微米之间。
根据付学成、王英等人所发表的论文“电子束蒸镀金膜表面黑色颗粒形成的机理研究”的记载，根据实验观察，提出物料飞溅的原因是液态金属表面热发射电子与真空室内的残余气体分子碰撞吸附、积累，从而引起液面上杂质颗粒“尖端放电”的理论。这类电晕放电引起颗粒周围残余气体发生电离，颗粒周围温度极高，将杂质颗粒瞬间蒸发。本领域技术人员为了解决黑色颗粒的常规思路为改进镀膜工艺，而并不会从坩埚本身去研究。
目前国内关于坩埚的设计有很多，但没有一款能够减少蒸镀过程中物料飞溅的坩埚。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种减少电子束蒸发过程物料飞溅的坩埚及其制造方法。
根据本发明提供的一种减少电子束蒸发过程物料飞溅的坩埚，包括：坩埚本体，所述坩埚本体内的坩埚壁上开设有多条相互平行的沟槽，所述沟槽的截面以及所述沟槽与所述坩埚壁连接处的截面为光滑的弧形。
较佳的，所述沟槽包括沿所述坩埚壁自上而下的条形，或平行于所述坩埚内底面的圆环形。
较佳的，在所述沟槽为沿所述坩埚壁自上而下的条形时，所述沟槽的长度为所述坩埚壁高度的四分之三。
较佳的，所述坩埚呈上宽下窄的圆台形。
较佳的，所述沟槽的开口宽度为10-50um。
较佳的，所述沟槽的深度为50-200um。
较佳的，所述沟槽之间的间隔为100-200um。
较佳的，所述沟槽的截面为弧形。
较佳的，所述坩埚的内表面的表面粗糙度在1um以下。
根据本发明提供的一种减少电子束蒸发过程物料飞溅的坩埚制造方法，包括：对坩埚本体进行沟槽加工，得到上述的减少电子束蒸发过程物料飞溅的坩埚。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明利用毛细现象吸附漂浮在熔融金属液面上的杂质颗粒。当杂质颗粒被吸附在沟槽内时，沟槽内的电场相对较小，不利于杂质颗粒产生尖端放电，能有效地减少电子束蒸发过程中减少物料的飞溅，有利于制备出高质量的金属薄膜。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例的立体图；
图2为本发明实施例的竖截面图；
图3为本发明实施例的横截面图；
图4为凹液面时杂质颗粒受力示意图；
图5为毛细现象时杂质颗粒受力示意图；
图6为本发明沟槽内电场示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1至图3所示，本发明提供的一种减少电子束蒸发过程物料飞溅的坩埚，包括：坩埚本体1，坩埚本体1内的坩埚壁上开设有多条相互平行的沟槽2，沟槽2的截面以及沟槽2与坩埚壁连接处的截面为光滑的弧形，不能有尖锐棱角，防止尖锐处产生尖端放电。优选的，沟槽的截面为弧形。
沟槽包括沿坩埚壁自上而下的条形，或平行于坩埚内底面的圆环形。考虑到加工难度，在本实施例中选择条形。沟槽的开口宽度约10-50um，深度50-200um，周期(沟槽间的间隔)100-200um，沟槽的长度约为坩埚壁高度的四分之三。
本发明中的坩埚可以呈上宽下窄的圆台形，材质为高熔点的钨或者钼等，尺寸不限定。坩埚内表面通过抛光使表面粗糙度在1um以下。
本发明还提供一种减少电子束蒸发过程物料飞溅的坩埚制造方法，包括：对坩埚本体进行沟槽加工，得到上述的减少电子束蒸发过程物料飞溅的坩埚。
本发明的原理如下：
在采用电子束蒸发镀膜设备制备金属薄膜时，金属膜表面的黑色颗粒是由于杂质颗粒电晕放电产生的。电晕放电造成颗粒周围的温度极高，瞬间将杂质颗粒蒸发沉积在衬底表面。引起电晕放电的最主要因素是高温熔融的金属液面热发射产生的电子，这些电子与腔内残余空气分子碰撞吸附，由于热运动部分会碰撞腔壁，一部分气体分子所带电荷被接地的腔壁导走，一部分气体分子携带着电子积累下来，在坩埚液面上方逐渐形成密集的电子云，引起金属液面上表面产生感生电荷。曲率半径极小的杂质颗粒，容易使得周围局部残余空气电离，产生的电晕放电，从而造成颗粒周围温度升高，瞬间将杂质颗粒蒸发，宏观反应为物料飞溅。
在电子束蒸发金属的过程中，金属在熔融状态下和坩埚是浸润的，受金属液面的表面张力的影响，液面呈现凹陷状。液体表面张力与坩埚壁之间受力分析公式可以表达为：γSA-γSL＝γLA cosθY，θY为坩埚壁与液体之间的平衡接触角，γSA、γSL、γLA分别为坩埚壁与气体、坩埚壁与液体、液体与气体的表面张力，Fd为表面张力作用在杂质颗粒上的分力如图4所示：在浸润状态：γSA-γSL>0，θY小于90°，Fd指向坩埚的中心。随着蒸镀功率升高，金属温度升高，液体表面张力γLA减小，碳颗粒随着表面张力的减小，更容易向坩埚壁逐渐移动。当接触坩埚壁时，边缘的毛细现象出现如图5。由于毛细现象，a点的蒸发速度相对于b点较快，熔融状态下金原子以向上移动。该位置附近的碳颗粒可以看作受到一个向上的力FC。由于FC的存在，当功率略微下降时，Fd增大，两者依旧处于受力平衡状态，大部分碳颗粒依旧吸附在坩埚壁边缘。
在光滑的坩埚壁加工周期性毛细光滑沟槽的目的，为了利用毛细现象吸附漂浮在熔融金属液面上的杂质颗粒。当杂质颗粒被吸附在沟槽内时，沟槽内的电场相对较小如图6，不利于杂质颗粒产生尖端放电，能有效地减少电子束蒸发过程中减少物料的飞溅。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (7)
1.一种减少电子束蒸发过程物料飞溅的坩埚，其特征在于，包括：坩埚本体，所述坩埚本体内的坩埚壁上开设有多条相互平行的沟槽，所述沟槽的截面以及所述沟槽与所述坩埚壁连接处的截面为光滑的弧形，所述沟槽利用毛细现象吸附漂浮在熔融金属液面上的杂质颗粒；
所述沟槽包括沿所述坩埚壁自上而下的条形，或平行于所述坩埚内底面的圆环形；
所述沟槽的截面为弧形。
2.根据权利要求1所述的减少电子束蒸发过程物料飞溅的坩埚，其特征在于，在所述沟槽为沿所述坩埚壁自上而下的条形时，所述沟槽的长度为所述坩埚壁高度的四分之三。
3.根据权利要求1所述的减少电子束蒸发过程物料飞溅的坩埚，其特征在于，所述坩埚呈上宽下窄的圆台形。
4.根据权利要求1所述的减少电子束蒸发过程物料飞溅的坩埚，其特征在于，所述沟槽的开口宽度为10-50um。
5.根据权利要求1所述的减少电子束蒸发过程物料飞溅的坩埚，其特征在于，所述沟槽的深度为50-200um。
6.根据权利要求1所述的减少电子束蒸发过程物料飞溅的坩埚，其特征在于，所述沟槽之间的间隔为100-200um。
7.一种减少电子束蒸发过程物料飞溅的坩埚制造方法，其特征在于，包括：对坩埚本体进行沟槽加工，得到如权利要求1至6任意一项所述的减少电子束蒸发过程物料飞溅的坩埚。
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