原理
在高真空环境下，通过加热源将待蒸发的金属材料加热到其沸点或接近沸点，使金属原子或分子获得足够能量从固态转变为气态。
气态的金属原子或分子在真空中做无规则自由飞行，当遇到温度较低的半导体衬底表面时，便会失去能量而凝结沉积，逐渐形成一层金属薄膜。
过程
1. 准备工作：对半导体衬底进行清洁处理，去除表面的杂质、油污和氧化物等，确保衬底表面干净、平整，以利于后续金属薄膜的沉积。同时，将待蒸发的金属材料放置在蒸发源中。
2. 真空抽取：利用真空泵将蒸发腔室抽到高真空状态，一般真空度需达到10⁻⁴ Pa甚至更高，减少腔室内气体分子的数量，降低金属原子在飞行过程中与气体分子的碰撞概率，保证金属原子能够顺利到达衬底表面。
3. 加热蒸发：开启加热源，对蒸发源中的金属材料进行加热，使其温度升高到沸点或接近沸点，金属材料开始蒸发变成气态原子或分子。
4. 薄膜沉积：气态的金属原子或分子在真空中自由扩散，飞向半导体衬底表面。
由于衬底温度较低，金属原子或分子在衬底表面凝结、吸附，并逐渐堆积形成连续的金属薄膜。
5. 冷却与卸载：沉积完成后，关闭加热源，让系统自然冷却。
待腔室温度降低到室温后，打开腔室，取出沉积有金属薄膜的半导体衬底。
用到的半导体设备
金属热蒸发技术的设备结构主要包含以下部分：
真空腔室
• 腔室主体：通常由不锈钢等金属材料制成，具有良好的密封性和机械强度，能承受高真空环境和外界大气压力差。形状多为圆柱形或方形，内部空间大小根据设备用途和处理能力而定。
• 观察窗：一般采用石英玻璃等透明材料，具有良好的光学性能和真空密封性能，方便操作人员在不破坏真空环境的情况下观察内部蒸发过程。
• 真空管道接口：用于连接真空泵等真空系统组件，实现腔室内的抽气和真空维持。
• 样品架和衬底夹具：样品架用于放置待镀膜的半导体衬底或其他样品，可设计为可旋转、可倾斜的结构，使衬底表面能均匀接收蒸发的金属原子；衬底夹具用于固定衬底，确保其在蒸发过程中保持稳定。
蒸发源系统
• 电阻加热蒸发源：由蒸发舟或蒸发篮、加热电源和绝缘支撑部件组成。蒸发舟和蒸发篮通常由钨丝、钼丝等耐高温金属材料制成，形状有舟形、篮形等；加热电源为蒸发舟或蒸发篮提供电流，使其发热；绝缘支撑部件用于固定蒸发舟或蒸发篮，并保证其与其他部件之间的电气绝缘。
• 电子束蒸发源：主要包括电子枪、坩埚和聚焦偏转系统。电子枪产生高能电子束，一般由阴极、阳极和电子发射控制电路等组成；坩埚用于盛放待蒸发的金属材料，通常采用耐高温、高纯度的材料制成；聚焦偏转系统用于将电子束聚焦到坩埚内的金属材料上，并控制电子束的扫描轨迹。
真空系统
• 真空泵：常用的有机械泵、分子泵、扩散泵等。机械泵作为前级泵，用于将真空腔室初步抽至较低真空度；分子泵或扩散泵作为主泵，可将腔室抽到高真空或超高真空状态。
• 真空阀门：用于控制真空管道内气体的流通，实现不同真空泵之间的切换、腔室的抽气和充气等操作。
• 真空规：用于测量真空腔室内的真空度，常见的有热偶规、电离规等。热偶规适用于测量低真空度，电离规用于测量高真空度和超高真空度。
控制系统
• 温度控制系统：由温度传感器、温度控制器和加热电源组成。温度传感器实时监测蒸发源和衬底的温度，将温度信号反馈给温度控制器，温度控制器根据设定的温度值调整加热电源的输出功率，实现对蒸发源和衬底温度的精确控制。
• 薄膜厚度控制系统：通常采用石英晶体振荡器薄膜厚度监测仪，通过监测石英晶体的振荡频率变化来实时测量薄膜的沉积厚度，并将厚度信号反馈给控制系统，当薄膜厚度达到设定值时，控制系统自动停止蒸发过程。
• 操作面板与显示屏：操作面板上设有各种控制按钮、旋钮和开关，用于操作人员手动输入控制指令，如设置蒸发温度、蒸发速率、薄膜厚度等参数；显示屏用于显示设备的工作状态、实时参数和报警信息等。
其他辅助系统
• 冷却系统：用于冷却蒸发源、真空腔室等部件，防止其在高温下损坏或影响设备性能。冷却系统一般由冷却水管路、冷却水泵和散热器等组成。
• 气体导入系统：在某些特殊的金属热蒸发工艺中，可能需要向真空腔室内导入一定量的特定气体，如氧气、氮气等，以实现对薄膜成分和性能的调控。气体导入系统包括气体源、气体流量控制器和气体管道等部件。
金属热蒸发技术的设备常见故障如下：
真空系统故障
• 真空度无法达到设定值：可能是真空泵故障，如真空泵油不足、泵体磨损、叶片损坏等导致抽气能力下降；也可能是真空腔室存在泄漏，如密封圈老化、损坏，观察窗密封不严，管道连接处松动等。
• 真空度波动大：可能是真空规故障，给出错误的真空度信号；或者系统中有漏气点，随着气体的漏入和抽出，导致真空度不稳定；真空泵的抽气速率不稳定也可能引起真空度波动。
蒸发源故障
• 电阻加热蒸发源不加热：加热电源故障，如电源开关损坏、电路短路或断路、保险丝熔断等；蒸发舟或蒸发篮损坏，如钨丝、钼丝烧断；绝缘部件损坏，导致电流泄漏，无法正常加热。
• 电子束蒸发源电子束不稳定：电子枪故障，如阴极发射能力下降、阳极损坏、电子发射控制电路故障等；聚焦偏转系统故障，使电子束无法准确聚焦到坩埚内的金属材料上或扫描轨迹异常。
温度控制系统故障
• 温度显示异常：温度传感器故障，如传感器探头损坏、信号传输线路断路或短路；温控器故障，如温控器内部电路故障、显示屏损坏。
• 实际温度与设定温度不符：加热源功率调节异常，如固态继电器损坏、加热电源输出不稳定；温度传感器安装位置不当，不能准确测量蒸发源或衬底的实际温度；加热源老化，加热效率降低。
薄膜厚度控制系统故障
• 厚度监测不准确：石英晶体振荡器薄膜厚度监测仪的探头污染或损坏，影响振荡频率的测量；监测仪的信号处理电路故障，导致厚度数据显示错误。
• 薄膜厚度不均匀：衬底支架旋转或倾斜机构故障，使衬底表面接收的蒸发原子不均匀；蒸发源的蒸发角度或蒸发速率不均匀，可能是蒸发源本身的结构问题或加热不均匀导致。
其他故障
• 冷却系统故障：冷却水管路堵塞，可能是水中的杂质、水垢等堆积导致；冷却水泵故障，如电机损坏、叶轮磨损等，使冷却水无法正常循环；散热器故障，散热效果差，导致设备温度过高。
• 电气故障：设备的总电源故障，如配电箱内的开关、接触器等部件损坏；控制电路中的继电器、电容、电阻等元件损坏，导致控制信号传输异常；设备接地不良，可能引发安全事故或影响设备的正常运行。
优点
1. 设备简单：相比磁控溅射等其他薄膜沉积技术，金属热蒸发设备结构相对简单，主要由蒸发源、真空系统和衬底支架等基本部件组成，操作和维护也较为方便。
2. 薄膜纯度高：在高真空环境下进行蒸发，可有效减少杂质气体的混入，能获得纯度较高的金属薄膜。
3. 沉积速率快：在合适的加热条件下，金属材料能够快速蒸发并沉积在衬底上，可在较短时间内获得一定厚度的薄膜，提高生产效率。
缺点
1. 材料限制：蒸发材料的熔点不能太高，否则需要特殊的加热源和更高的加热功率，会增加设备成本和工艺难度。
对于合金材料的蒸发，可能会因为不同成分的蒸气压差异，导致薄膜成分与源材料不一致。
2. 附着力较弱：由于蒸发粒子的能量较低，与基底表面的相互作用较弱，导致金属薄膜与半导体衬底的附着力相对较差，在一些受力或环境变化较大的情况下，薄膜容易脱落。
3. 台阶覆盖性差：对于具有复杂形状或高深宽比结构的半导体衬底，蒸发粒子难以均匀地覆盖到各个部位，在台阶、孔洞等位置容易出现薄膜厚度不均匀的问题。
