第四章-离子镀
离子镀的原理与作用过程
离子镀的原理与作用过程
离子镀是一种利用离子束在材料表面形成薄膜的表面改性技术。
其主要原理是利用离子束中的带电粒子对目标材料表面进行轰击，从而形成薄膜。
其作用过程如下：
1. 原材料制备：首先，制备要被镀的原材料。
通常是将原材料制成片状或块状。
2. 清洗和准备：将原材料进行清洗，去除表面的杂质和油脂，确保表面光洁干净。
此外，还需在原材料表面植入金属离子，增强镀层与原材料的结合力。
3. 离子源生成：使用电子加速器产生高能离子束。
离子束的成分、能量和密度都会影响镀层的质量和性能。
4. 离子束轰击原材料：将原材料放置在真空室中，使其暴露在离子束中。
离子束轰击原材料表面，使表面原子被击出或扰动，形成表面原子的骚动，从而改变原材料的表面结构。
5. 薄膜形成：原材料表面上的金属离子与被轰击的表面原子反应，形成新的化合物或合金。
这些化合物或合金沉积在原材料表面上，逐渐形成薄膜。
薄膜的厚度和均匀性可通过离子束能量和轰击时间进行控制。
6. 薄膜清洗和处理：将得到的薄膜进行清洗和处理。
这一步旨在去除残余的杂质和改善薄膜的质量。
离子镀技术可以用于制备具有不同性质和功能的薄膜，如防腐蚀涂层、耐磨涂层、陶瓷涂层等。
离子镀薄膜具有良好的附着力、致密度高、硬度高、抗腐蚀性好等特点，可以改善材料表面的性能。
离子镀原理
离子镀原理
离子镀原理是一种利用离子在电场作用下沉积到基体表面形成薄膜的过程。
离子镀可以用于在金属、非金属和有机物的表面上镀覆不同材料的薄膜。
离子镀的过程可以分为一下几个步骤：
首先，需要一个离子源，通常使用离子源设备产生离子束。
离子源可能是一个离子火花源、离子枪或者离子源发射器，它们可以产生高能离子束。
其次，离子束需要被加速并聚焦到基体表面。
为此，常使用离子加速器和聚焦设备来实现。
当离子束到达基体表面时，它们会和表面原子发生碰撞和相互作用。
这样，离子的动能会转移给表面原子，使其具有足够的能量跃迁到基体表面。
最后，表面原子沉积到基体上形成薄膜。
离子的撞击和能量转移使得表面变得活性，可以吸附和沉积额外的离子。
这个过程可以反复进行，直到薄膜达到所需的厚度。
离子镀的好处包括镀层的致密性和均匀性。
离子束可以使镀层更加致密，降低表面缺陷和孔隙的形成。
此外，离子束可以控制镀层的成分和晶体结构，从而改善薄膜的性能。
总的来说，离子镀利用离子在电场作用下沉积到基体表面形成
薄膜的原理。
通过控制离子束的能量和聚焦，可以实现高质量、均匀和致密的薄膜镀层。
蒸发镀与离子镀
真空镀膜中常用的方法有真空蒸发和离子溅射。
真空蒸发镀膜是在真空度不低于10-2Pa的环境中，用电阻加热或电子束和激光轰击等方法把要蒸发的材料加热到一定温度，使材料中分子或原子的热振动能量超过表面的束缚能，从而使大量分子或原子蒸发或升华，并直接沉淀在基片上形成薄膜。
离子溅射镀膜（多弧）是利用气体放电产生的正离子在电场的作用下的高速运动轰击作为阴极的靶，使靶材中的原子或分子逸出来而沉淀到被镀工件的表面，形成所需要的薄膜。
真空蒸发镀膜最常用的是电阻加热法，其优点是加热源的结构简单，造价低廉，操作方便；缺点是不适用于难熔金属和耐高温的介质材料。
电子束加热和激光加热则能克服电阻加热的缺点。
电子束加热上利用聚焦电子束直接对被轰击材料加热，电子束的动能变成热能，使材料蒸发。
激光加热是利用大功率的激光作为加热源，但由于大功率激光器的造价很高，目前只能在少数研究性实验室中使用。
(蒸发镀即电子枪，就是把要用的金属块如铬放到坩埚里面然后加热使其蒸发，与其中的N2，还有氩气等其他气体，一起吸附在阴极基材上。
温度380℃~420℃)溅射技术与真空蒸发技术有所不同。
“溅射”是指荷能粒子轰击固体表面（靶），使固体原子或分子从表面射出的现象。
射出的粒子大多呈原子状态，常称为溅射原子。
用于轰击靶的溅射粒子可以是电子，离子或中性粒子，因为离子在电场下易于加速获得所需要动能，因此大都采用离子作为轰击粒子。
溅射过程建立在辉光放电的基础上，即溅射离子都来源于气体放电。
不同的溅射技术所采用的辉光放电方式有所不同。
直流二极溅射利用的是直流辉光放电；三极溅射是利用热阴极支持的辉光放电；射频溅射是利用射频辉光放电；磁控溅射是利用环状磁场控制下的辉光放电。
溅射镀膜与真空蒸发镀膜相比，有许多优点。
如任何物质均可以溅射，尤其是高熔点，低蒸气压的元素和化合物；溅射膜与基板之间的附着性好；薄膜密度高；膜厚可控制和重复性好等。
缺点是设备比较复杂，需要高压装置。
离子镀碳膜
离子镀碳膜离子镀碳膜是一种高质量、高性能的表面涂层技术，近年来得到了广泛的关注和应用。
在本文中，我们将介绍离子镀碳膜的制备方法、结构与性能，并讨论其在工业制造、材料科学等领域中的应用。
一、离子镀碳膜的制备方法离子镀碳膜是利用离子镀技术在金属或复合材料表面上形成一层碳膜，其制备方法主要包括磁控溅射、反应离子镀等。
其中，磁控溅射是当前最常见的离子镀方法，其制备过程如下：首先，将碳源与金属（或非金属）靶材置于真空腔室中，加入一定的惰性气体（如氩气），建立适当的真空度；然后，通过向靶材施加电场，使靶材表面的原子或离子被剥离出来；最后，这些离子在经过加速器加速之后，与基材表面碰撞并沉积形成薄膜。
二、离子镀碳膜的结构与性能离子镀碳膜的结构与性能是由其制备过程中的各种参数如离子能量、流强、电压等所决定的。
离子镀碳膜通常具有以下结构与性能：（1）结构特征：离子镀碳膜的结构以类似石墨的sp2键为主，其中碳原子有六面体结构，有较高的晶体度，膜厚一般在数纳米至数十纳米之间；（2）硬度：离子镀碳膜通常具有非常高的硬度，比普通金属表面的硬度高数倍，现有的最优性能离子镀碳膜硬度可达200-300GPa以上；（3）附着力：离子镀碳膜在基材上的附着力非常强，一般大于40N；（4）摩擦系数：离子镀碳膜具有比普通材料表面更低的摩擦系数（一般为0.1左右）。
三、离子镀碳膜的应用离子镀碳膜在汽车、电子、航空等工业制造领域中的应用非常广泛，主要包括以下方面：（1）汽车发动机：离子镀碳膜可以在发动机缸体、活塞等部件的表面形成一层保护性膜，提高其耐磨性、抗腐性和降低摩擦系数。
（2）电子器件：离子镀碳膜可用于半导体工业中的金属膜、介电膜和阻抗层等，具有较高的导电性和耐磨性。
（3）航空航天：离子镀碳膜可用于航空航天领域中的机身表面、发动机、螺旋桨等部件的防腐、降噪和确保飞行安全。
（4）医疗领域：离子镀碳膜有着良好的生物相容性和抗菌性，可用于人工关节、心脏支架等医疗器械的表面。
第四章-离子镀ppt课件
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（4）可镀材质范围广泛。
可在金属或非金属表面上镀金属或非金属材料。如塑料、石 英、陶瓷和橡胶等材料，以及各种金属、合金和某些合成材料、 敏感材料、高熔点材料等。
（5）有利于化合物膜层的形成。
在离子镀技术中，在蒸发金属的同时，向真空室通入某 些反应性气体，则可反应生成化合物。由于辉光放电低温等离子 体中高能电子的作用，将电能变成了金属粒子的反应活化能，所 以可在较低温度下形成在高温下靠热激发才能形成的化合物。
（1）膜层附着性能好。
➢
因为在离子镀过程中，利用辉光放电所产生的大量高能粒
子对基片表面产生阴极溅射效应，对基片表面吸附的气体和污物
进行溅射清洗，使基片表面净化，面且伴随镀膜过程这种净化清
洗随时进行，直至整个镀膜过程完成，这是离子镀获得良好附着
力的重要原因之一。
➢
另一方面，离子镀过程中溅射与淀积两种现象并存，在镀
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§4-1离子镀的原理
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离子镀的成膜条件
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根据实验结果，若辉光放电空间只有金属 蒸发物质时， 金属的离化率只有0.1-1 %。
但是，由于产生了大量高能中性原子，故 提高了蒸发粒子的总能量。ຫໍສະໝຸດ 可编辑课件PPT8
§4-2离子镀的特点（与蒸发和溅射相比）
在某种工艺条件下，掺入气体量可高达百分之几。 当然，轰击加热作用也会使捕集的气体释放。
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（5）表面成分变化。 由于系统内各成分的溅射率不同，会造成表面成分与整体成分的不同。 表面区的扩散对成分有显著的影响，高缺陷浓度和高温也会促进扩散。 点缺陷易于聚集在表面，缺陷的移动会使溶质发生偏析并使较小的离子 在表面聚集。
离子镀原理
离子镀原理一、引言离子镀是一种先进的表面处理技术，其基本原理是将气体引入真空镀膜室内，通过气体放电和离子化过程，将气体或固体颗粒离子化，然后将这些离子沉积在基材表面形成薄膜。
与传统的镀膜技术相比，离子镀具有许多独特的优点，如沉积速率高、附着力强、薄膜质量好等。
因此，离子镀在许多领域得到了广泛的应用，如光学、电子、机械、化学等领域。
二、离子镀原理概述离子镀的基本原理主要包括气体放电和离子化过程、基材偏压和离子能量、薄膜沉积过程等几个方面。
1.气体放电和离子化过程气体放电和离子化过程是离子镀的关键环节之一。
在真空镀膜室内，通过辉光放电或弧光放电等方式，使引入的气体或固体颗粒发生电离，形成大量的正离子和负离子。
这些离子在电场的作用下加速向基材表面运动，从而实现沉积。
气体的放电和离子化过程可以通过各种不同的电源和控制方式来实现。
2.基材偏压和离子能量基材偏压和离子能量是影响离子镀的重要因素。
基材偏压是指基材表面相对于镀膜室电极的电位差，它可以影响离子的运动轨迹和能量。
通过调整基材偏压，可以控制离子的沉积速度、薄膜的质量和附着力等。
离子的能量则决定了其与基材表面原子的相互作用程度，从而影响薄膜的结构和性能。
离子的能量可以通过控制放电电压和电流来调节。
3.薄膜沉积过程薄膜沉积过程是离子镀的主要环节之一。
在气体放电和离子化的过程中，正离子和负离子在电场的作用下加速向基材表面运动，并与基材表面碰撞，将能量传递给基材表面的原子或分子，使其脱离基材表面并被蒸发或溅射。
这些被蒸发或溅射的原子或分子在基材表面重新凝结形成薄膜。
在沉积过程中，可以通过控制沉积速率、温度、气体流量等参数来优化薄膜的结构和性能。
三、离子镀的特点离子镀作为一种先进的表面处理技术，具有许多独特的优点。
其主要特点包括：1.沉积速率高：由于气体放电和离子化的过程中可以形成大量的离子，因此离子镀的沉积速率较高，可以大大缩短加工时间和降低生产成本。
2.附着力强：由于离子镀过程中基材表面被高能离子反复轰击和刻蚀，使其表面粗糙度增加，形成“锚定”效应，使得薄膜与基材的附着力更强。
摩擦学-离子镀
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2.5.1活性反应离子镀的设备
右图为活性反应离子镀膜 机结构示意图。 在安装电子枪蒸发源的二 级型离子镀膜机中，于坩埚的 上方安装了一个活化电极，放 电时活化电极对地（坩埚）为 正极，电压为50V～80V。吸引 从坩埚内的金属锭上激发出的 二次电子。增加了坩埚上方的 碰撞概率。
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2.5.2活性反应离子镀的特点
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2.4.3空心阴极离子镀的特点
• 在空心阴极离子镀中，等离子体电子束一方面作 为气化金属的热源，另一方面当金属蒸气通过等 离子体电子束区域时，其受到高密度电子流中电 子的碰撞而发生离化。 • 在镀膜过程中，含有大量的高速中性粒子，其数 量比其他离子镀方法高两三个数量级。高的荷能 粒子轰击促进了膜/基间原子的扩散，提高了膜/ 基间结合力和膜层致密性。
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2.6.3阴极电弧离子镀工艺过程（以沉积TiN为 例）
VI. 取出工件。当膜层厚度达到预定要求后，向镀 膜室，取出工件。
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2.6.4阴极电弧离子镀的特点
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2.6.3阴极电弧离子镀工艺过程（以沉积TiN为 例）
I. 安装工件。工件安装在工件卡具上后，关上镀 膜室。 II. 抽真空至6×10-3Pa以上。 III. 烘烤加热。开启烘烤加热电源，对工件加热。 达到预定温度
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2.6.3阴极电弧离子镀工艺过程（以沉积TiN为 例）
IV. 轰击净化。一般阴极电弧离子镀只进行钛离子 轰击净化，也称主弧轰击。通氩的真空度为 2×10-2Pa，工件偏压为800V~1000V。逐个开 启弧电源，引燃冷场发射弧光放电，靶面产生 高密度的弧光等离子体。从靶面发射大量的电 子流、钛离子流和钛蒸气流，在较高的真空度 下，金属离子几乎不产生碰撞地高速到达工件。 高密度、高能量的金属离子流将工件表面吸附 的残余气体和污染物溅射下来，是工件表面充 分净化，并形成一定的“伪扩散层”。
表面镀层的绿色技术——真空离子镀
气。由于气体 离子轰 击而使 部分靶材被 电离成 离 子， 形成 等 离子 区 ， 电 场 的作 用 下 ， 子被 吸 附 到 在 离 被镀工件上形成薄膜 。德 国 Ｌ Ｙ Ｏ Ｄ公 司的离 Ｅ ＢＬ 子镀金设备采用的就是磁控溅射离子镀技术。
（） 弧一 磁控 溅射 离 子镀 多功 能真 空离 子镀 。 ３多 航 天部 ５ １ 天星公 司研 制 的多 弧一 磁控 溅射 离 子 １所
维普资讯
化
学
教
育
２０ ０ ７年第 １ 期 １
表 面镀 层 的绿 色技 术— — 真 空 离 子镀
陈木 香 张赛 飞
３７０ ） １ ６ ０ （ 江玉环县玉城中学 浙
摘要
关键 词
真 空离 子镀是 指 基体在 真 空环 境 中获 得镀 层 的 表 面处 理 技 术 ， 由于 主 要 生产 工 序 不 涉
（） １ 多弧 离子 镀是 在 １ ３ ０ ～ １ Ｐ ． ×１ 。 ０ ａ的真
基件表面处理 根据其是 否在水 溶液 中进 行＿ ， １ 分 ］ 为 ２ ： 就是 传统 电镀 （ 称 电镀 ） 因为 通 常在 类 一类 下 ，
水 溶液 中进行 也 称水 电镀 ， 也 叫 湿法 镀 ； 故 另一 类 是
之 获得一 层金 属膜 ， 叫金 属镀 层 。金 属镀 层 的 主 也
的瓶 颈 ， 制约 着 电镀业 的可持 续 发展 。
２ 真 空镀 的种 类及 其工 艺
真 空镀 （ ＶＤ） 致 分 为 真 空蒸 镀 、 空溅 射镀 Ｐ 大 真
及 真空 离子 镀 ３种 工艺方 法 。 真 空 离子镀 （ ｃｉｎＰ ａｉｇ 技 术 是 １ ６ Ｖａ－ ｌｔ ） ｏ ｎ ９ ３年 ，
要 用途 有 以下几 方 面 ： 高 金 属 制 品 或 零 件 的抗 腐 提
离子镀膜法
离子镀膜技术——离子镀膜的类型 ★ 离子镀膜的类型
按薄膜材料气化方式分类：
电阻加热、电子束加热、高频感应加热、阴极弧 光放电加热等。
按原子或分子电离和激活方式分类：
辉光放电型、电子束型、热电子型、电弧放电型、 以及各种离子源。 一般情况下，离于镀膜设备要由真空室、蒸发源 ( 或 气源、溅射源等 ) 、高压电源、离化装置、放置基片的阴 极等部分组成。
离子镀膜技术——离子轰击的作用
溅射清洗
薄膜淀积前对基片的离子轰击。将产生如下 结果：
溅射清洗作用 吸附气体、各种污染物、氧化物
产生缺陷和位错网
入射粒子传递给靶材原子的能量超过靶原子发生离位的 最低能量时，晶格原子将会离位并迁移到晶格的间隙位置上 去，从而形成空位、间隙原子和热激励。轰击粒子将大部分 能量传递给基片使其发热，增加淀积原子在基片表面的扩散 能力，某些缺陷也可以发生迁移、聚集成为位错网。
离子镀膜技术——离子轰击的作用
破坏表面晶格 离子轰击产生的缺陷很稳定的话，表面的晶体结构 就会被破坏而成为非晶态 气体掺入 不溶性气体的掺入能力决定于迁移率、捕获位置、 基片温度及淀积粒子的能量大小 非晶材料捕集气体的能力比晶体材料强。
表面成分改变 溅射率不同 表面形貌变化 表面粗糙度增大，溅射率改变 温度升高
由于高能粒子轰击，基片温度较高，有时不得不 对基片进行冷却。
薄膜中含有气体量较高。
离子镀膜技术——离子轰击的作用 ★ 离子轰击的作用
离子镀膜的整个过程中都存在着离子轰击。 离化率：是指被电离的原子数占全部蒸发原子的百分数。
中性粒子的能量 W n E
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离子镀膜技术——离子镀膜的类型
直流二极型离子镀
离子镀原理
离子镀原理
离子镀是一种常用的表面处理技术，通过在材料表面沉积一层薄膜来改善材料的性能。
离子镀的原理主要是利用离子轰击和沉积的过程，通过控制离子轰击的能量和角度，以及沉积材料的种类和厚度，来实现对材料表面性能的调控。
首先，离子镀的过程是通过将材料置于真空室中，利用离子束轰击材料表面，使其表面活性增强，然后在表面沉积一层薄膜。
在离子轰击的过程中，离子具有较高的能量，能够改变材料表面的晶体结构，提高表面的结合力和耐磨性。
同时，离子轰击还能清除表面的氧化物和杂质，使得沉积薄膜与基体结合更加牢固。
其次，离子镀的原理还涉及到沉积薄膜的过程。
在离子轰击后，通过引入沉积材料的离子或原子，使其在表面沉积形成薄膜。
沉积薄膜的种类和厚度可以根据具体的应用要求来选择，常见的有金属薄膜、氧化物薄膜、氮化物薄膜等。
这些薄膜可以提高材料的导电性、光学性能、耐腐蚀性等，从而满足不同领域的需求。
离子镀的原理虽然简单，但是在实际应用中需要考虑很多因素。
首先是离子轰击的能量和角度的控制，这直接影响到表面的改性效果。
其次是沉积薄膜的选择和厚度的控制，这取决于具体的应用需求。
最后是离子镀的工艺参数的优化，包括真空度、离子束的密度和能量分布等，这些都会影响到最终薄膜的质量和性能。
总的来说，离子镀是一种非常有效的表面处理技术，可以在不改变材料体积的情况下，改善材料的性能。
通过合理的控制离子轰击和沉积过程，可以实现对材料表面性能的调控，从而满足不同领域的需求。
随着材料科学和工程技术的发展，离子镀技术将会得到更广泛的应用，并不断推动材料性能的提升和创新。
离子轰击在离子镀过程中的作用
离子轰击在离子镀过程中的作用•一、离子轰击基片表面所产生的各种效果•1. 离子溅射对基片表面产生清洗作用•这一作用可清除基片表面上的污染层和氧化物。
如果轰击粒子能量高，化学活性大，则可与基片发生化学反应，其产物是易挥发或易溅射的，还可发生化学溅射从而会增加其溅射率。
•2. 产生缺陷作用•轰击粒子传递给晶格原子的能量决定于粒子的相对质量，若入射粒子传递给靶原子的能量超过离位阈（约25ev），则晶格原子就会产生离位并迁移到间隙位置中去，从而形成了空位和间隙原子等缺陷。
这些缺陷的凝聚会形成位错网络。
尽管有缺陷的凝聚，但在离子轰击的表面层区域仍然保留着级高残余浓度的点缺陷。
•3. 破坏表面结晶结构•如果离子轰击产生缺陷是充分稳定的，则表面的晶体结构会被破坏而变成非晶态结构。
同时，气体的掺入也会破坏表面结晶的结构。
•4. 改变表面形貌•无论对晶态基片还是非晶态基片，离子的轰击作用都会使表面形貌发生很大的变化，使表面粗糙度增加。
•5. 离子掺入•低能离子轰击会造成气体掺入表面和沉积膜之中。
不溶性气体的掺入能力决定于迁移率、捕集位置、温度以及沉积粒子的能量。
一般说来，非晶材料捕集气体的能力比晶体材料强。
当然，轰击加热作用也会引起捕集气体的释放。
•6. 温度升高•轰击粒子能量的大部分变成表面热。
•7. 表面成分变化•由于溅射作用去造成表面成分与整体材料成分的不同，表面区域的扩散会对成分产生明显的影响。
高缺陷浓度和高温会增强扩散。
点缺陷易于在表面富集，缺陷的流动会使溶质偏析并使较小的离子在表面富集。
二、离子轰击对膜基界面的影响•当膜材原子开始沉积时，离子轰击对基片和镀层交界面会产生如下几•点影响：•1. 物理混合•这一混合可使膜基界面形成“伪扩散层”。
这是由于离子镀膜的膜基界面存在基片元素和膜材元素的物理混合现象。
因为高能粒子注入，被溅射原子的被溅射以及表面原子的反冲注入都将引起近表面区的非扩散型的混合，这种混合效果将有利于形成“伪扩散层”界面。
离子镀方法
离子镀方法嘿，咱今儿就来唠唠离子镀方法！离子镀啊，这可真是个神奇的玩意儿。
你想想看，就好像是给物体穿上了一层超级酷炫的“外衣”。
这层“外衣”可不一般，它能让物体变得更加耐用、更加漂亮。
离子镀就像是一个技艺高超的裁缝，精心地为各种材料量体裁衣。
它是怎么做到的呢？简单来说，就是利用离子的力量啦！离子就像是一群小小的精灵，在特定的环境下飞舞着，然后附着到物体表面。
这可不是随随便便就能完成的事儿哦，这里面的门道可多着呢！比如说，要控制好离子的能量和密度，就像厨师掌握火候一样重要。
能量太高了，可能会把物体给“烤坏”了；能量太低了呢，又达不到理想的效果。
这是不是跟炒菜很像呀？而且离子镀的种类也不少呢！有什么蒸发离子镀、溅射离子镀等等。
每种都有自己独特的魅力和用途。
蒸发离子镀就像是慢慢炖煮的汤，温和而细腻；溅射离子镀呢，则像是大火爆炒的菜，激烈而有力。
离子镀能让物体的表面性能得到极大的提升。
它可以让物体更加耐磨，就像给物体穿上了一双坚固的铁鞋，走在各种艰难的道路上都不怕。
它还能让物体更加耐腐蚀，就像是给物体涂上了一层厚厚的防晒霜，不怕风吹日晒雨淋。
再看看我们身边的很多东西，说不定就有离子镀的功劳呢！那些亮晶晶的首饰，它们的光芒也许就来自离子镀；那些高科技的电子产品，它们的耐用性也许就有离子镀的一份贡献。
离子镀的应用范围那可真是广泛得很呐！从小小的零件到大大的设备，从日常用品到高端科技，哪里都有它的身影。
这不就像是我们生活中的盐一样吗，虽然小小的，却无处不在，不可或缺。
离子镀的发展也是日新月异啊！科学家们不断地探索和创新，让离子镀的技术越来越先进，效果越来越好。
这不就是人类智慧的体现吗？我们总是在不断地追求更好、更完美。
所以说啊，离子镀方法可真是个了不起的东西。
它让我们的生活变得更加美好，让我们的世界变得更加精彩。
咱可得好好感谢那些研究离子镀的科学家们呀，是他们让这一切成为可能。
你说呢？难道不是吗？。
离子镀
离子镀———TiN薄膜制备与应用一离子镀1 离子镀原理离子镀在抽真空条件下，充气体（Ar）使保持压力数Pa，在靶材上加数千伏负电压产生辉光放电使所镀金属蒸发，蒸汽受电子撞击产生部分电离，金属阳离子在电场作用下加速向工件表面运动，使物质离子对工件表面轰击作用的同时把蒸发物或其他反应物沉积在基体上。
离子镀是在镀膜的同时用载能离子轰击基体和镀层表面的技术，是在蒸发或溅射沉积基础上而不是独立的沉积方式。
离子镀的基本过程：蒸发→离子化→加速→还原沉积2 反应离子镀反应离子镀是在离子镀的基础上进行的。
在离子镀过程中，在真空室中导入与金属蒸气起反应的气体（如O2、N2、C2H2、CH4等代替Ar或将其掺在Ar 中），并用不同方式使金属蒸气和反应气体的分子、原子激活、离化，促进其中的化学反应，在工件表面获得化合物镀层。
3 真空蒸镀、真空溅射镀和离子镀的比较由下面的表1[1]可以得离子镀相对于真空蒸镀和真空溅射镀的比较1) 离子镀的镀膜条件是真空蒸镀和真空溅射镀条件的优点集合；2) 离子镀的镀膜密度高、没有气孔、附着性非常好,是其他两种镀膜方所不具备的；3) 离子镀是以工件为阴极,放置被镀金属的坩埚为阳极使工件与蒸发源之间形成等离子场,这样被镀金属离子在镀覆过程中有离子搅拌现象,使镀膜更加均匀沉积,获得更好的镀膜。
表14 离子镀是目前真空镀膜技术中最新、最先进的表面工程技术之一，它具有以下优点1) 入射粒子能量高，与基体的结合强度高，膜层致密，耐久性好，膜层硬度高（氮化钛膜显微硬度达HV2000以上），耐磨性好（用于刀具表面强化，寿命可提高3~10倍），耐蚀性好；2)与其他表面处理工艺结合使用效果更佳，如在A3钢基体上先镀制过渡层后再镀制氮钛膜，耐磨性和耐蚀性均大幅度提高；3)可镀基材广泛，可同时在不同金属材料的表面成膜，膜层的颜色均匀一致；4)成膜温度低（几乎可在常温下成薄膜），而膜层的热稳定性好（600℃时膜层不脱落，不起皮）；5)用多弧离子镀膜工艺镀制的氮钛膜对光的吸收率达90%以上，隐蔽性好，镀膜过程无环境污染，因此应用十分广泛。
离子镀技术介绍
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▪ 阴极斑的前方是高密度的金属等离子体，电 子向阳极快速运动，离子相对“静止”在镀 膜空间，阳极前面正离子的堆积形成空间电 荷，在阴极前形成强电子场105~6V/cm，克服 了阴极表面的电子势垒，产生巨大的电子发 射以维持放电，大量的离子对阴极的轰击使 阴极局部区域（斑块）迅速蒸发，并在空间料粒子离化，然后沉 积成膜。 ▪ 离子镀技术分类 1. 蒸发型源 2. 溅射性源 3. 弧光放电性源 4. 粒子团簇型源
1
▪ 多弧离子镀（电弧蒸发离子镀、弧光放电 离子镀）工作原理
1. 靶材为阴极，与引弧阳极触发，产生弧光放 电，并以真空室壁（接地）为阳极，维持自 持弧光放电（场致发射）；
▪ 这种具有蒸发和离化功能的阴极弧斑就形成 微点电弧蒸发源。
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多弧离子镀工作原理
1、金属等离子体弧源； 2、金属阴极靶； 3、电磁线圈 4、电磁线圈 5、二路进气装置； 6、冷阴极离子源； 7、工作台； 8、真空系统
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▪ 多弧离子镀技术发展 50年代在前苏联发现原理，70年代取得苏联专利，
80年代被美国购买，成立多弧公司（multi -arc）。 1986年中国开始进口，80 ~ 120万美元/台， 20 ~ 30万专利使用费。共进口12台套， 花费1300 多万美元。 ▪ 多弧离子镀技术特点 ▪ 从阴极靶直接产生等离子体 ▪ 物料靶粒子离化率高60 ~ 80% ▪ 物料靶离子能量高，膜致密，结合力好 ▪ 饶镀性好 ▪ 有液滴飞出
离子镀
真空离子镀部份代替电镀技术研究及国内外现状陈宝清大连理工大学材料科学与工程学院[摘要]介绍了真空离子镀部份代替电镀技术研究及国内外现状。
【关键词】真空离子镀；替代电镀；国内外现状序言电镀在我国三千年前商代就有热镀锡，战国时有烤蓝；国外1856年开始用铬酐溶液镀出铬膜－电镀铬，随着工业发展，电镀技术也有很大发展，应用到各个领域。
电镀是很成熟的表面工程技术。
在材料防腐方面有突出贡献。
离子镀是新型表面工程技术，20世纪六十年代才出现离子镀金技术应用到航天器，每分钟2万转的轴承固体润滑剂。
七十年代出现磁控溅射及电弧离子镀技术，离子镀才有大的发展，应用到刀具、模具超硬涂层，装饰镀膜，幕墙玻璃镀膜，光学镀膜，塑料镀膜等。
电镀与离子镀均是表面工程技术，是兄弟关系，应互相补充，各自发挥长处，互相促进。
目前在工业生产中已用到：电镀－离子镀复合工艺，化学镀－离子镀复合工艺，离子镀-电泳等工艺。
这些也是当前应用技术领域的一种复合技术。
更希望中国电镀协会和从事电镀工作者更多考虑和研究，推动离子镀技术在电镀领域中更多应用！我们要联合起来为保护环境和清洁生产多做贡献。
一、电镀、离子镀技术特点1. 电镀原理及特点电镀原理示意图如图1所示。
阴极(工件)：Me n+ +ne－Me0沉积在工件表面，还原反应阳极(金属)：Me - ne－Men+溶入电解液中，氧化反应我国电镀现状我国电镀工厂又多又分散，以中小型为主，加上近几年周边地区和国家又将电镀工厂相继迁移到大陆，虽然国家早有规定：不再批准建立电镀工厂，对现有电镀工厂加以整顿，但有些电镀工厂转入到农村，偷着干“电镀”，所以我国电镀行业对环境污染更为严重,中国电镀企业己达2万多家，每年向环境排放大量污染物，至少包括：固体废物五万吨，酸性气体三千万立方米；含重金属离子废水四亿吨。
电镀特点：(1 )、电镀在工业中应用已久，深入到各个领域。
设备简单，工艺容易操作。
（2）、耗费大量的水、电、金属等宝贵资源。
离子镀和离子束沉积课件
离子镀和离子束沉积在沉积速率、涂 层质量和应用范围等方面存在差异。 离子镀的沉积速率较高，但涂层质量 相对较差；离子束沉积的涂层质量较 好，但沉积速率较慢。此外，两种技 术在应用范围上也有所不同，离子镀 在工业生产中广泛应用，而离子束沉 积则更多应用于科学研究和高技术领 域。
技术发展趋势
随着科技的不断进步和应用需求的不断提高 ，离子镀和离子束沉积技术也在不断发展。
02
离子镀技术
真空镀膜技术
01
02
03
真空技术原理
真空技术是离子镀和离子 束沉积的基础，涉及抽真 空、气体控制和测量等环 节。
真空获得技术
包括机械泵、扩散泵、油 扩散泵和涡轮分子泵等， 用于获得高真空环境。
真空测量技术
通过测量各种气体压力参 数，如真空度、漏率等， 确保镀膜过程的稳定性和 可控性。
目前，技术发展的趋势主要包括提高涂层质 量、降低成本、开发新材料和拓展应用领域 等方面。例如，采用新型的电源技术和控制 系统可以提高涂层质量和沉积速率，同时降 低能耗和生产成本；开发新型的靶材和气体 源可以扩展技术的应用范围；探索与其他表 面处理技术的结合可以创造出更优异的表面
性能。
未来展望
离子镀和离子束沉积技术作为先进的表面处理技术，在未来仍具有广阔的发展前景和应用潜力。
离子束沉积工作原理
通过高能离子束轰击固体靶材，使靶材表面的原子或分子获得足够的能量而脱 离靶材表面，并沉积在基材表面形成涂层。
应用领域
离子镀应用领域
广泛应用于航空航天、汽车、电子、 光学等领域，用于提高材料表面的硬 度、耐磨性、耐腐蚀性以及附着性等 。
离子束沉积应用领域
主要用于制备高品质的薄膜材料，如 硬质涂层、光学薄膜、磁性薄膜等。 在微电子、光电子、生物医学等领域 有广泛应用。
离子镀
4—3 离子轰击的作用
离子镀膜区别于普通真空蒸发的许 多特性均与离子、高速中性粒子参与镀 膜过程有关。而且，在离子镀的整个过 程中都存在着离子轰击。因此，必须了 解离子轰击的作用。
参1、《薄膜物理与技术》杨邦朝等， 第四章 第三节 参2、《薄膜物理》薛增泉等，（0484/X85）
4—3 离子轰击的作用
2．离子的能量
离子的能量Wi，主要由阴极加速电 压决定，其值为: Wi=ni Ei ……(4-2) 式中，ni—单位时间对单位面积轰击的离子数; Ei—离子的平均能量， Ei≈eUi，
其中，Ui是淀积离子的平均加速电压。
3．薄膜表面的能量活性系数
薄膜表面的能量活性系数近似为： =(Wi +W)/ W =( niEi+ nE)/ nE ……(4-3) 当 nE《 niEi时，可得 ≈niEi/ nE=(ni/ n ) • eUi/(3kT /2 ) =C (ni/ n ) Ui/T ……(4-4) 式中， ni/ n —离子镀过程中的离化率； C —可调节参数。
(2)在基片表面产生缺陷和位错网。
若入射粒子传递给靶材原子的能量超过靶 原子发生离位的最低能量(约为25eV)时，晶格 原子将会离位并迁移到晶格的间隙位置上去， 从而形成空位、间隙原子和热激励(短时间微区 的高温化)。轰击粒子将大部分能量传递给基片 使其发热，增加淀积原子在基片表面扩散的能 力，某些缺陷也可以发生迁移、聚集成位错网。 (轰击过的表面尽管有缺陷的聚集，但仍将有大 量的点缺陷在表面层留下来)。
此图是 在典型的蒸 发温度T＝ 1800K时， 能量活性系 数与离化率 ni/ n和离子 的平均加速 电压Ui的关 系。
从图(4-2)可看出，能量活性系数与 加速电压的关系，在很大程度上受离化 率的限制。为了提高离子镀活性系数， 通常可通过提高离子镀装置的离化率来 实现。 几种离子镀装置的离化率值见表4— 2所示。
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直流二极型离子镀的放电空间电荷密度较低，故离化率较低， 一般为百分之零点几，最高也只有2%。
其优点是，用它镀制的膜层均匀、具有较好的附着力和较强
的绕射性，设备也比较简单，镀膜工艺容易实现，可用普通的镀
膜机改装。因此目前仍具有一定的实用价值。
其缺点是由于轰击粒子能量大，对形成的膜层有剥离作用， 同时会引起基片的温升，结果使膜层表面粗糙，质量差。另外，
蒸发膜材元素的物理混合现象。即在基片与薄膜的界面处形成一 定厚度的组分过渡层。这种过渡层，可以使基片和膜层材料的不 匹配性分散在一个较宽的厚度区域内，从而缓和了这种不匹配程 度。这对提高膜基界面的附着强度十分有利。
直流二极型离子镀、银膜与铁基界面间可形成100nm厚的过
渡层。磁控溅射离子镀铝膜铜基时，过渡层厚度为1-4μm。而且 负偏压越高，过渡层越厚。
第四章 离 子 镀 膜
主要内容
离子镀原理 离子镀的特点 离子轰击 离子镀的类型
离子镀膜技术(简称离子镀)是美国Sandia公司的 D. M. Mattox于1963年首无提出来的，是在真空 蒸发和真空溅射技术基础上发展起来的一种新的 镀膜技术。
离子镀的英文全称ion plating，简称IP。它是在 真空条件下，应用气体放电实现镀膜，即在真空 室中使气体或被蒸发物质电离，在气体离子或被 蒸发物质离子的轰击下，同时将蒸发物或其反应 产物蒸镀在基片上。
（4）可镀材质范围广泛。
可在金属或非金属表面上镀金属或非金属材料。如塑料、石 英、陶瓷和橡胶等材料，以及各种金属、合金和某些合成材料、 敏感材料、高熔点材料等。
（5）有利于化合物膜层的形成。
在离子镀技术中，在蒸发金属的同时，向真空室通入某 些反应性气体，则可反应生成化合物。由于辉光放电低温等离子 体中高能电子的作用，将电能变成了金属粒子的反应活化能，所 以可在较低温度下形成在高温下靠热激发才能形成的化合物。
（2）产生缺陷和位错网。
若入射粒子传递给靶材原子的能量超过靶原子发生离位的 最低能量(约为25eV)时，晶格原子将会离位并迁移到晶格的间 隙位置上去，从而形成空位、间隙原子和热激励(短时间微区的 高温化)。 轰击粒子将大部分能量传递给基片使其发热，增加淀积原 子在基片表面扩散的能力，某些缺陷也可以发生迁移、聚集成 位错网。 有时，固溶体内的间隙原子溶质还会迁移到基片表面而发 生偏析。
内应力受离子轰击的影响也很明显。内应力是由那些尚未
处于最低能量状态的原子所产生的。粒子的轰击一方而迫使一
部分原子离开平衡位置而处于一种较高的能量状态，从而引起 内应力的增加，另一方面，粒子轰击使基片表而所产生的自加
热效应又有利于原于的扩散。因此，恰当的利用轰击的热效应
或进行适当的外部加热，一方面可使内应力减小，另外，也对 提高膜层组织的结晶性能有利。
其次，离子轰击的表面形貌受到破坏，可能比未破坏的表面 提供更多的成核位置，即使在非反应性系统中成核密度也较高。 加之表面沾污物的清除以及阻碍扩散和反应成核的障碍层的
破坏，也将为淀积的粒子提供良好的核生长条件。
此外，膜料粒子注入表面也可成为成核位置。 显然，较高的成核密度对于减少基片与膜层界面的空隙十分 有利。无疑，这也是离子镀具有良好附着力的原因之。
粒子轰击对薄膜生长的影响
在离子镀时，一方面有镀材粒子淀积到 基片上，另一方面有高能离子轰击表面， 使一些粒子溅射出来。当前者的速率大于 后者，薄膜就会增厚，这一特殊的淀积与 溅射的综合过程使膜基界面具有许多特点。
首先是在溅射与淀积混杂的基础上，由于蒸发粒子种膜基界面存在基片元素和
属化合物的制备提
供了良好的热源。
（1）基片加热温度低。 由于电离增加了反应物的活性，故容易在较低的温度下获得 附着性能良好的碳化物、氮化物等膜层。若采用CVD法，基板则 要加热到1000度左右。 （2）可在任何基材上制备薄膜，如金属、玻璃、陶瓷、塑料等， 并可获得多种化合物膜，这是ARE离子镀的一个十分显著的特点。 （3）淀积速率高。
通常，蒸发薄膜具有张应力，溅射淀积的薄膜具有压应力，
离子镀薄膜也具有压应力。
§4-4离子镀的类型
根据膜材不同的气化方式和离化方式，可构成不同类型的
离子镀膜方式。
膜材的气化方式有:电阻加热、电子束加热、 等离子电子束加热、高频感应加热、阴极弧光放电加热等。 气体分子或原子的离化和激活方式有:辉光放电型、电子束 型、热电子型、等离子电子束型、多弧型及高真空电弧放电型，
离子镀把辉光放电、等离子体技术与真空蒸 发技术结合在一起，不但显著提高了淀积薄 膜的各种性能，而且大大扩展了镀膜技术的 应用范围。
与蒸发镀膜和溅射镀膜相比较，除具有二者 的特点外，还特别具有膜层的附着力强、绕 射性好、可镀材料广泛等一系列优点，因此 受到人们的重视。
§4-1离子镀的原理
离子镀的成膜条件
以及各种形式的离子源等。
直流二极型离子镀 其特征是利用 二电极间的辉光放 电产生离子、并由 基板上所加的负偏 压对离子加速。
其辉光放电的气压只能维持在6.67x10-1-1Pa。由于工作压
强较高，故对蒸镀熔点在1400度以下的金属，如Au，Ag，Cu， Cr等多采用电阻加热式蒸发源。如用电子束蒸发源，必须利用压 差板把电子枪室和离子镀膜室分开，并采用两套真空系统，以保 证电子枪工作所需的高真空度。
由于工作真空度低会对膜层造成污染。特别是辉光放电电压和离
子加速电压不易分别调整，因此工艺参数较难控制。
三极型离子镀
在直流放电离子镀中， 将低能电子引入等离子区 并使电子在等离子区中的 平均自由程增加，则可显 著地提高蒸镀粒子的离化 效果。 在三级型离子镀中， 利用热阴极6发射大量热 电子，在收集极9的作用 下横向穿过被蒸发粒子流， 发生碰撞电离。 和二极型相比，三极 型的离化率可明显提高， 基板电流密度可提高1020倍。
另一方面，离子镀过程中溅射与淀积两种现象并存，在镀 膜初期，可在膜基界面形成组分过渡层或膜材与基材的成分混合 层，Mattox称之为“伪扩散层”，能有效改善膜层的附着性能。
（2）膜层的密度高（通常与大块材料密度相同）。
离子镀过程中，膜材离子和高能中性原子带有较高的能量到 达基片，可以在基片上扩散、迁移。 膜材原子在空间飞行过程中即使形成了蒸气团，到达基片时 也能被离子轰击碎化，形成细小的核心，生长为细密的等轴结 晶。在此过程中，高能氩离子对改善膜层的结构，并使之形成 接近块材的密度值，发挥了重要作用。 也可以说，膜层质量高，主要是由于淀积膜层不断受到正离 子轰击，从而引起冷凝物发生溅射，使膜层致密，针孔和空气 孔大大减少的缘故。
每分钟可达数微米，比溅射淀积速率至少高一个数量级，而
且可制备厚膜。 （4）调整或改变蒸发速度及反应气体的压力，可十分方便地制取
不同配比和不同性质的同类化合物。
（3）绕射性能好。
离子镀过程中，部分膜材原于被离化成正离子后，它们将沿 着电场的电力线方运动，凡是电力线分布之处，膜材离子都能到 达。 在离子镀中由于工件为阴极，且带负高压，因此，工件的各 个表面(包括孔、槽、面向蒸发源或背向蒸发源的表面)都处于电 场之中。这样，膜材的离子就能到达工件的所有表面。 另外，由于膜材在压强较高情况下(>1Pa)被电离，气体分子 的平均自由程比源基之间距离小，所以蒸气的离子或分子在它到 达基片的路程中将与惰性气体分子、电子及其他蒸气原子之间发 生多次碰撞，产生非定向的气体散射效应，使膜材粒子散射在整 个工件的周围。 由于上述原因，离子镀可以在基片的所有表面上淀积薄膜。 这是真空蒸发所无法比拟的。
减少了高能离子对基板的轰击作用。从而避免了二极型离子镀 溅射严重、成膜粗糙、升温快而且难以控制的缺点。
由于在10-1pa也可以维持稳定的放电，比二极型的真空度
高一个数量级，所以镀膜质量好，光泽而致密。
同时，因低能电子的引入使离化率有较大提高，可达10%左
右。这种镀膜方式已成功地用于活性反应离子镀上，并在手表外 壳上得到了较为理想的TiN镀层。
（3）破坏表而结晶结构。
如果离子轰击产生的缺陷是很稳定的，则表面的晶体结构
就会被破坏而变成非晶态结构。 同时，气体的掺入也会破坏表面的结晶结构。
（4）气体掺入。
低能离子轰击会造成气体掺入表面和淀积膜之中。不溶性 气体的掺入能力决定于迁移率、捕获位置、基片温度及淀积粒子 的能量大小。一般，非晶材料捕集气体能力比晶体材料强。 在某种工艺条件下，掺入气体量可高达百分之几。 当然，轰击加热作用也会使捕集的气体释放。
多阴极型离子镀
多阴极型是把被镀基
片作为阴极(主阴极)，在 其旁侧配置几个热阴极(多 阴极)，利用热阴极发出的 电子促进气体电离，实际 上是在热阴极与阳极的电 压下维持放电。
因这种方式可在低气 压下维持放电，故可实现 低气压下的离子镀。
由于主阴极(基板)上所加的维持辉光放电的电压不高，而
且多阴极灯丝处于基板四周，扩大了阴极区，改善了绕射性，
根据实验结果，若辉光放电空间只有金属 蒸发物质时， 金属的离化率只有0.1-1 %。 但是，由于产生了大量高能中性原子，故 提高了蒸发粒子的总能量。
§4-2离子镀的特点（与蒸发和溅射相比）
（1）膜层附着性能好。
因为在离子镀过程中，利用辉光放电所产生的大量高能粒 子对基片表面产生阴极溅射效应，对基片表面吸附的气体和污物 进行溅射清洗，使基片表面净化，面且伴随镀膜过程这种净化清 洗随时进行，直至整个镀膜过程完成，这是离子镀获得良好附着 力的重要原因之一。
另外，通过调节多阴极灯丝的负电位，可调节其接收的离子
量，从而调节到达基片的离子数量，这也有利于控制基片的温度。
如果基片为绝缘体，也可通过多阴极灯丝的电子发射消除基片上 的电荷积累，使被膜工艺得以进行。因此，多阴极式扩展了离子 镀的应用领域。
活性反应离子镀