原理:利用电子枪所射出之电子束轰击待镀材料,将高能电子射束之动能转为熔化待镀材料之热能,其拥有较佳之热转换效率,同时也可得到较高的镀膜速率,而且利用电流大小控制热电子数目也可精密调控其蒸发速率。

至于在蒸镀材料的选择方面则几乎不受限制,无论纯元素、化合物都可以蒸镀,即使是钨、钼及钽等高熔点元素或铝、钛等活性强之金属也都适用。

系统构造:

电子束的来源主要由电子枪系统提供,电子枪的操作原理类似于阴极射线管,它的电源输出功率可从1 kw到1000kw,使得电子束的动能达到30 kev 以上。当阴极灯丝被施以低压电流而达到白热化时,电子将从灯丝表面释出而向四方发射,且随灯射温度提高而增加其释放量,此为热电子。

一般低功率电子枪之电子束的折射方向是靠永久磁铁的磁场,而高功率电子枪则需使用电磁铁。

电子束加速后可直接撞击在薄膜材料上使之蒸发,但蒸发之原子或分子会污染电子源,因此通常将电子源藏在装薄膜材料之枪座底下,而利用强力磁场将电子束偏向180°或270°。

因电子枪蒸镀法,对某些精密光学元件的薄膜品质要求而言仍有不足,其膜层微观结构呈现柱状形态,孔隙多,装填密度低,造成较大的光学吸收,且耐潮性、硬度及附着度都较差。

基于此项考量,近年的发展趋势是使用离子枪辅助蒸镀方式解决,下图为离子枪辅助蒸镀法,在电子枪蒸镀设备中加设一离子枪,以氩离子束直接轰击基板表面。在镀膜前之轰击可清洁基板表面,有助于提高薄膜之附着度,因此,电子枪蒸镀加离子枪辅助可适用于各种高品质薄膜的制镀,尤其是在光学薄膜应用领域。

操作与注意事项:

目前所用电子枪蒸镀系统在电源供应方面是以定电压方式操作为主,蒸镀时分为手动操控与自动操作两种模式,手动操作以调整阴极灯丝之电流方式控制电子束轰击待镀材料之功率;自动操控则搭配即时膜厚监控器,以固定镀膜速率方式利用回馈讯号自动调整电子束功率。

在坩埚上方设有可自动或手控的遮板,用以遮断蒸发分子流,经由遮板的开关精确掌握所镀薄膜的厚度,通常待镀材料在正式蒸镀前必须先关上遮板,待其完全加热熔融至蒸发状态才打开,以确保蒸镀薄膜的品质。

电子枪蒸镀法比传统热电阻式加热法的热转换效率高而秏能少,对蒸镀材料的选择方面受限较少。以纯元素之蒸镀而言,电阻式蒸镀受限于加热温度,多半只从事铝、铬、金、银等少数几种薄膜，电子束蒸镀则可制镀高熔点材料如钨、钼等金属和活性甚强的钛、铌等金属,即便是很难使用溅镀技术制备的磁性材料如铁、钴、镍等金属,亦能够蒸镀出品质良好的薄膜。

为了顾及薄膜纯度,在操作技巧上纯元素之蒸镀通常采取高真空度与高蒸镀速率的镀膜条件。

化合物材料如氧化物、硫化物、氮化物及氟化物等皆可使用电子枪蒸镀方式,部份材料在被电子束加热蒸发过程中会因高热而发生解离现象,这也是蒸镀法的主要缺点,通常是采用反应式蒸镀方式解决,为了确保薄膜形成时缺乏的部份能利用基板高温在反应过程将其补足,在操作上镀膜速率必须适切地降低。

部分属于绝缘性的化合物在连续被电子轰击时会有负电荷累积问题,使得后续电子受负电位排斥而无法完全抵达待镀材料表面,因此坩埚座在电路设计上是使其呈接地电位,以协助累积之负电荷顺利导出,这在小型坩埚是相当有效,但对大型坩埚则很难避免有些许镀膜速率不稳定情形。

电子枪蒸镀法的电子束来自于电子枪之阴极钨灯丝,在持续高温下将不断与制程腔内残余气体,如氧气,发生反应而减短其使用寿命,为延长其寿命,制程腔内必须保持较佳之真空度。不过,在从事反应蒸镀,必须导入反应气体以协助再反应的进行,此时对灯丝更换时机的掌控便十分重要,以免使薄膜制程中断。至于灯丝受待镀材料蒸气分子污染问题,以现今常见电子枪系统所使用180˚或270˚e 形枪而言,由于屏蔽良好,不需太过顾虑。