真空镀膜技术的现状及进展

理或化学方法， 使物体表面获得所需的膜体。镀膜技 术是最初起源于 $" 世纪 !" 年代，直到 %" 年代后期 才得到较大发展的一种技术。目前已被广泛应用于耐 酸、 耐蚀、 耐热、 表面硬化、 装饰、 润滑、 光电通讯、 电子 集成、 能源等领域。 真空蒸发、 溅射镀膜和离子镀等通常称为物理气 相沉积法， 是基本的薄膜制备技术。它们都要求淀积 薄膜的空间要有一定的真空度。所以， 真空技术是薄 膜制作技术的基础，获得并保持所需的真空环境， 是 镀膜的必要条件。
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电阻蒸发源蒸镀法
电阻加热蒸发法就是采用钨、钼等高熔点金属，
做成适当形状的蒸发源， 其上装入待蒸发材料， 让电 流通过， 对蒸发材料进行直接加热蒸发， 或者把待蒸 发材料放入坩锅中进行间接加热蒸发。 利用电阻加热器加热蒸发的镀膜设备构造简单、 造价便宜、 使用可靠， 可用于熔点不太高的材料的蒸 发镀膜， 尤其适用于对膜层质量要求不太高的大批量 的生产中。目前在镀铝制品的生产中仍然大量使用着 电阻加热蒸发的工艺。 电阻加热方式的缺点是： 加热所能达到的最高温 度有限， 加热器的寿命也较短。近年来， 为了提高加热 器的寿命， 国内外已采用寿命较长的氮化硼合成的导 电陶瓷材料作为加热器。
$;#<!= 合 金 可 提 高 叶 片 抗 高 温 氧 化 能 力 。 在 刀 具 刃
口、 引擎的表面， 应用反应磁控溅射技术溅射沉积一 从而很大地提高了它们抗热、 抗蚀 层 !;7 或 !;$ 薄膜， 和耐磨性。处于环境污染严重的气氛中的工件， 在其 表面溅射一层含铬的非晶态合金， 可显示出极好的耐 腐蚀性。甚至人们可以应用磁控溅射技术， 在不锈钢、 钨表面镀上一层镍， 或在铝、 钼、 钢表面镀上一层铜， 从而解决材料间不可焊接的难题。应用磁控溅射技 术，在材料或构件表面沉积一层特殊性能的薄膜， 从 而起了改性的作用， 其效果令人满意， 其成功的例子 举不胜举， 未来的应用前景仍非常乐观。
料的污染， 达到了膜层纯洁的目的。此外， 激光加热可 以达到极高的温度， 利用激光束加热能够对某些合金 或化合物进行快速蒸发。这对于保证膜的成分， 防止 膜的分馏或分解也是极其有用的。激光蒸发镀的缺点 是制作大功率连续式激光器的成本较高， 所以它的应 用范围有一定的限制， 导致其在工业中的广泛应用有 一定的限制。
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磁控溅射在表面改性技术中的应用
应用磁控溅射技术， 可以根据需要， 在材料构件
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高频感应蒸发源蒸镀法
高频感应蒸发源是将装有蒸发材料的石墨或陶
表面沉积一层薄膜，从而提高其表面的力学性能， 抗 腐蚀、 耐磨损性能、 抗高温氧化性能以及改善表面光 学和电学性能， 同时由该技术沉积的薄膜与基材的结 合， 比其它方法所沉积的薄膜牢固得多。 目前， 在火车煤燃汽轮机导向叶片和航空发动机 涡 轮 叶 片 表 面 ， 使 用 磁 控 溅 射 技 术 沉 积 一 层 7879:
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等离子增强磁控溅射沉积技术0>&?1
该 技 术 起 源 提 高 +@9@9=<&8A89B >8C@9A9=;D0+&>!1
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激光束蒸发源蒸镀法
采用激光束蒸发源的蒸镀技术是一种理想的薄
公司在齿轮制造业中使用的切削工具的耐磨性， 试图 为同现有其它涂层技术竞争提供新的方法。这项技术 首先由美国的 EFGH@B 研究实验室研究开发了此项技 术。它实际是一种等离子辅助沉积方法。在磁控溅射
金属材料的开发与应用
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!""# 年第 $ 期
总第 %!& 期
免容器材料的蒸发， 以及容器材料与蒸镀材料之间的 反应， 这对提高镀膜的纯度极为重要； 因而热效率 （- ） 热 量 可 直 接 加 到 蒸 镀 材 料 的 表 面 ， 高， 热传导和热辐射的损失少。
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磁控溅射镀膜技术5-6
磁控溅射法又叫高速低温溅射法。目前磁控溅射
法已在电学膜、 光学膜和塑料金属化等领域得到广泛 应用。磁控溅射法与蒸发法相比， 具有镀膜层与基材 的结合力强， 镀膜层致密、 均匀等优点。磁控溅射还有 其它优点， 如设备简单， 操作方便， 控制也不太难。在 溅 射 镀 膜 过 程 中 ，只 要 保 持 工 作 气 压 和 溅 射 功 率 恒 定， 基本上即可获得稳定的沉积速率。如果能精确地 控制溅射镀膜时间， 沉积特定厚度的膜层是比较容易 实现的。
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电子束蒸发源蒸镀法
电子束蒸发镀是将蒸发材料放入水冷铜坩锅中，
直接利用电子束加热， 使蒸发材料气化蒸发后凝结在 基板表面形成膜， 是真空蒸发镀膜技术中的一种重要 的加热方法和发展方向。电子束蒸发克服了一般电阻 加热蒸发的许多缺点， 特别适合制作熔点薄膜材料和 高纯薄膜材料。 真空蒸镀技术根据电子束蒸发源的型式不同， 又 可分为环形枪、 直枪 ( 皮尔斯枪 )、 + 型枪和空心阴极 电 子枪等几种。 环形枪是由环型的阴极来发射电子束， 经聚焦和 偏转后打在坩锅内使金属材料蒸发。它的结构较简 单， 但是功率和效率都不高， 基本上只是一种实验室
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真空蒸发镀膜技术
真 空 蒸 发 镀 膜 法(简 称 真 空 蒸 镀)是 在 真 空 室 中 ， 加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料， 使其原子或分 子从表面气化逸出， 形成蒸气流， 入射到固体 ( 称为衬 凝结形成固态薄膜的方法。 底或基片 )表面， 蒸 发 源 是 蒸 发 装 置 的 关 键 部 件 ，根 据 蒸 发 源 不 同， 真空蒸发镀膜法又可以分为下列几种。
’() 技术已经在工业生产中获得了应用。 *++$ 年
开始用于端面铣刀上， 在直径 $,"-. 的沉积室中处理。 通过控制沉积温度和界面氧的含量， 可以得到相对其 它商业涂层方法 /01 倍 的 寿 命 增 加 。 *++" 年 在 直 径
膜制备方法。这是由于激光器是可以安装在真空室之 外， 这样不但简化了真空室内部的空间布置， 减少了 加热源的放气， 而且还可完全避免了蒸发气对被镀材
金属材料的开发与应用
!""# 年 第 $ 期
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真空镀膜技术的现状及进展
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沉积的同时， 高通量的离子轰击基体， 具有低温 !!"#$ 高沉 积 速 率 、 大面积三维复杂形状直接沉积的特 %&、 点， 无需复杂的工件转架等特点。
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， 以及各种形式 的离子源等。不同的蒸发源与不同的电离或激发方式 可以有多种不同的组合。目前比较常用的组合方式 有： （ *） 直流二极型 !)45’&。利用电阻或电子束加热使膜 材气化； 被镀基体作为阴极， 利用高电压直流辉光放 电将充入的气体 67! 也可充少量反应气体 & 离化。这种 方法的特点是： 基板温升大、 绕射性好、 附着性好， 膜 结构及形貌差， 若用电子束加热必须用差压板； 可用 于镀耐蚀润滑机械制品。 （/） 多阴极型。利用电阻或电子束加热使膜材气化； 依靠热电子、 阴极发射的电子及辉光放电使充入的真 空惰性气体或反应气体离化。这种方法的特点是： 基 板温升小， 有时需要对基板加热； 可用于镀精密机械 制品、 电子器件装饰品。 （1） 活性反应蒸镀法 !689&。利用电子束加热使膜材 气化； 依靠正偏置探极和电子束间的低压等离子体辉 光 放 电 或 二 次 电 子 使 充 入 的 :/、 ;/、 4/</ 等 反 应 气 体 离 化 。这 种 方 法 的 特 点 是 ： 基板温升小， 要对基板加 可用 热， 蒸镀效率高， 能 获 得 6*/$1、 =>;、 =>4 等 薄 膜 ； 于镀机械制品、 电子器件、 装饰品。 （"） 空心阴极离子镀 !<4)&。利用等离子电子束加热 使膜材气化； 依靠低压大电流的电子束碰撞使充入的 反应气体离化。这种方法的 气体 67 或其它惰性气体、 特点是： 基板温升小， 要对基板加热， 离化率高， 电子 束斑较大， 能镀金属膜、 介质膜、 化合物膜； 可用于镀 装饰镀层、 机械制品。 （#） 射频离子镀 !8?5’&。利用电阻或电子束加热使膜 材气化； 依靠射频等离子体放电使充入的真空 67 及其 它惰性气体、 反应气体 :/、 ;/、 4/</ 等离化。这种方法 的特点是： 基板温升小， 不纯气体少， 成膜好， 适合镀 化合物膜， 但匹配较困难。可应用于镀光学、 半导体器 件、 装饰品、 汽车零件等。 充入 67 或 （-） 增强 689 型。利用电子束进行加热； 离化方 其它惰性气体、 反 应 气 体 :/、 ;/、 4/</、 4<" 等 ； 式： 探极除吸引电子束的一次电子、 二次电子外， 增强 极发出的低能电子也可促进气体离化。这种方法的特 点是： 基板温升小， 要对基板加热； 可用于镀机械制 品、 电子器件、 装饰品等。
离子镀
磁控溅射
发展趋势
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前言
镀膜技术也叫薄膜技术， 是在真空条件下采用物
用的设备。 直枪是一种轴对称的直线加速枪， 电子从灯丝阴 极发射、 聚成细束， 经阳极加速后打在坩锅中使镀膜 材料熔化和蒸发。直枪的功率可变范围较大， 有的可 用于真空蒸发、 有的可用于真空冶炼。直枪的缺点是 蒸镀的材料会污染枪体结构， 给运行的稳定性带来困 难， 同时发射灯丝上逸出的钠离子等也会引起膜层的 玷污。最近由西德公司研究， 在电子束的出口处设置 偏转磁场， 并在灯丝部位制成一套独立的抽气系统而 做成直枪的改进型式， 不但彻底改变了灯丝对膜的污 染， 而且还有利于提高枪的寿命。
Fra Baidu bibliotek&#’ &$’
+ 型电子枪，即 $%",偏转的电子枪克服了直枪的
缺点， 是目前用得较多的电子束蒸发源之一。 + 型电子 枪的特点是可以产生很高的功率密度， 能熔化高熔点 的金属， 产生的蒸发粒子能量高， 使膜层和基体结合 牢固， 成膜的质量较好。缺点是电子枪要求较高的真 空度， 并需要使用负高压， 造成了其成本高昂， 维护起 来比较繁琐。 空心阴极电子枪是利用低电压、 大电流的空心阴 极放电产生的等离子电子束作为加热源。利用空心阴 极电子枪蒸镀时， 产生的蒸发粒子能量高、 离化率也 高， 因此， 成膜质量好。空心阴极电子枪对真空室的真 空度要求比 + 型电子枪低，而且是使用低电压工作， 相对来说， 设备较简单和安全， 造价也低。目前， 在我 国 + 型电子枪和空心阴极电子枪都已成功地应用于 蒸镀及离子镀的设备中。 电子束蒸发源的优点为： 能获得远比电 （# ） 电 子 束 轰 击 热 源 的 束 流 密 度 高 ， 阻加热源更大的能量密度。可在一个不太小的面积上 达到 #"-.#"/ 0 1 23$ 的功率密度， 因此可以使高熔点 材料蒸发， 并且能有较高的蒸发速度； 因而可避 （$） 由 于 被 蒸 发 材 料 是 置 于 水 冷 坩 锅 内 ，
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真空镀膜技术的现状及进展
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真空镀膜技术的现状及进展
邸英浩 曹晓明 （天津河北工业大学材料学院， !""#!"）
［摘要］ 介绍了在真空条件下真 空 蒸 发 镀 、 溅射镀膜和离子镀等镀膜技术的概念和这几种真空镀膜技术的特点、 应用及 发展的前景。 关键词
真空蒸发镀
瓷坩锅放在水冷的高频螺旋线圈中央， 使蒸发材料在 高频带内磁场的感应下产生强大的涡流损失和磁滞 使蒸发材料升温， 直至气化蒸发。在 损失 0 对铁磁体 1， 钢带上连续真空镀铝的大型设备中， 高频感应加热蒸 镀工艺已经取得了令人满意的结果。 高频感应蒸发源的特点是： 可比电阻蒸发源大 23 倍左右； （2） 蒸发速率大， （.） 蒸发源的温度均匀稳定， 不易产生飞溅现象； （-） 蒸发材料是金属时， 蒸发材料可产生热量。 所以， 坩锅可选用和蒸发材料反应最小的材料； 无需送料机构， 温度控制比较 （4） 蒸发源一次装料， 容易， 操作比较简单。 它的缺点是： 高温化学性能稳定的氮 （2） 必 须 采 用 抗 热 震 性 好 、 化硼坩锅； （. ） 蒸 发 装 置 必 须 屏 蔽 ， 并需要较复杂和昂贵的高 频发生器。