真空镀膜技术简述

真空镀膜技术简述
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。

和传统的电镀法相比，真空镀膜具有低能耗无毒，无废液，污染小，成本低，装饰效果好，金属感强等优点，是一项很有发展前途的新技术。

目前使用最广泛的镀膜方法，主要有热蒸发镀膜法和磁控溅射法。

关键词：真空蒸发镀膜溅射镀膜离子镀膜
1 前言
材料科学是国家发展的三大支柱之一，薄膜材料更是我国前沿科学和高新技术产品的重要基石。

镀膜技术也叫薄膜技术，是在真空条件下采用物理或化学方法，使物体表面获得所需的膜体。

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。

2 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(称为衬底或基片)表面，凝结形成固态薄膜的方法。

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。

2.1 电子束蒸发源蒸镀法
将蒸发材料放人水冷铜增祸中，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。

2.2 电阻蒸发源蒸镀法
采用担、铝、钨等高熔点金属，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人A12马、Beo等增祸中进行间接加热蒸发，这就是电阻加热蒸发法。

利用电阻加热器加热蒸发的镀膜机构造简单、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。

迄今为止，在镀铝制镜的
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。

据日本专利报道，可采用20%一30%的氮化硼和能与其相熔的耐火材料所组成的材料来制造增祸，并在表面涂上一层含62%一82%的错，其余为错硅合金材料。

3 磁控溅射镀膜技术
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。

由于它具有高速、低温两大特点，因此在薄膜领域得到广泛应用。

磁控溅射靶是磁控溅射镀膜设备的核心部件。

常规的圆柱形磁控溅射靶是以圆环形永磁体在靶材表面建立环形磁场，在轴向等距离的环形表面形成刻蚀区，因而影响沉积薄膜厚度的均匀性，而且靶材利用率仅为20%～30%。

年来随着大面积和连续镀膜技术的发展，对膜厚的均匀性、镀膜的重复性以及靶材利用率要求愈来愈高，因而目前国内外都在推广应用旋转圆柱磁控溅射靶。

如图1其靶的二端是固定的，靶材是一个圆管，围绕固定的条状磁铁组件而旋转。

这样靶面360°都均匀被刻蚀，靶材利用率高达80%。

特别旋转磁控靶应用于反应溅射完全可以克服反应溅射而造成非刻蚀区的污染问题，这是由于360°表面的连续轰击刻蚀，提供了一个非常稳定的溅射沉积条件。

A。

靶(可旋转) B。

靶驱动系统C。

磁铁组件D。

水冷接头E。

等离子体F。

基片G。

靶法兰H。

真空容器I。

溅射
图1旋转圆柱磁控溅射靶
4 离子镀膜技术
离子镀膜技术是在真空蒸发和真空溅射两种技术基础上发展起来的一项表面沉积技术。

在离子镀膜过程中既伴随着材料的蒸发过程，又伴随着高能离子和其它带能粒子对于工件表面的轰击(离子溅射和离子沉积)过程。

离子镀膜是利用离子对于工件表面的加速作用，并在工件表面沉积一层镀膜层的真空镀膜技术。

要实现离子镀膜，首先需要把蒸发源的镀膜材料蒸发成蒸气，然后再把镀膜材料蒸气和反应气体电离成镀膜材料离子和反应气体离子。

这种电离作用是依靠镀膜真空室中的等离子体放电来实现的。

因此从这个意义上可以说，离子镀膜是把等离子体放电技术和蒸发镀膜技术相结合的一种物理气相沉积技术。

在镀膜真空室中通过电子枪放电、空心阴极放电以及真空电弧放电等方法使蒸发源的镀膜材料蒸发成金属蒸气，并在蒸发源与工件之间的周围空间产生等离子体放电，形成等离子体放电区，使金属蒸气和反应气体电离，产生金属离子和反应气体离子。

这些金属离子和反应气体离子受到加速电场的作用而被加速到工件表面上，在工件表面上化合，使工件表面沉积一层化合物镀膜层。

4.1 几种主要的离子镀膜类型
根据镀膜材料所产生离子的来源不同，离子镀膜可分成蒸发源离子镀膜和溅
射源离子镀膜两大类型：
1 蒸发源离子镀膜通过对镀膜材料的加热蒸发产生金属蒸气，金属蒸气在等离子体放电空间电离成金属离子。

2 溅射源离子镀膜通过对镀膜材料表面采用高能离子进行溅射而产生金属原子，金属原子在等离子体放电空间电离成金属离子。

4.2离子镀膜技术的特点
离子镀膜技术具有以下几个特点。

1 在镀膜过程中可能同时存在离子溅射过程和离子沉积过程因为离子镀膜是属于一种高能离子的表面沉积过程，所以在镀膜过程中通常存在离子溅射和离子沉积两个过程。

要实现离子镀膜，必须使得离子沉积作用大于离子溅射作用。

因此，为了在工件表面上能产生镀膜层，必须对离子能量进行控制，使得能满足沉积速率大于溅射速率的镀膜条件。

2 具有离子溅射清洗的功能高能离子的溅射作用，可用来在镀膜之前和镀膜过程中对工件表面进行溅射清洗，以去除工件表面的氧化物污染层。

离子的溅射清洗作用是离子镀膜技术具有良好膜层附着力的一个重要原因。

在膜一基界面能够形成界面过镀层如果在工件上加有足够高的负偏压，使得离子具有足够高的能量，便能够在膜一基界面(即镀膜层与工件基体材料之间的界面)上形成界面过镀层(或称界面棍合层)。

这种界面过渡层的形成可能是由于高能量沉积粒子对于工件材料的注入，或者是由于镀膜材料与工件材料之间的相互扩散。

膜一基界面过镀层的形成是离子镀膜技术具有良好膜层附着力的另一个重要原因。

3 能够产生绕射镀膜因为离子是按照电力线的轨迹向着电场的负方向进行运动的，而这些电力线都是终止在加有负偏压的工件上，所以工件上电场所及的所有表面，离子均可到达，产生绕射镀膜。

离子运动的绕射性，使得工件的所有各个表面(正面、侧面和背面)都能被镀上，甚至能够镀到凹槽里面。

4 能容许广泛选择工件基体材料和膜层材料能够进行离子镀膜的工件基体材料不局限于金属，在陶瓷、玻璃、塑料等材料上也能镀上致密的镀膜层。

由于能够广泛选择各种镀膜材料和各种反应气体进行反应离子镀膜，容许我们在不同的工件基体材料上镀出各种各样的金属化合物、非金属化合物、多元合金等镀膜层。

4.3 离子镀膜技术的应用
离子镀膜技术由于具有膜层致密、附着力好、镀膜均匀以及对于基膜材料的广泛选择性等一系列优点，已在国民经济各个部门获得了广泛的应用，其应用范围可大致归纳为以下几个方面。

1 装饰镀膜钟表、首饰、工艺美术品、餐具、灯具、塑料制品、日用品以及其它各种装饰品可镀成仿金颜色的耐磨镀层，也可镀成黑色、灰色、褐色、黄绿色、红色等其它各种颜色，这些装饰品不仅颜色美观，而且经久耐用。

2 工具镀膜工具镀膜是离子镀膜技术的一项很主要的应用。

在各种刀具(齿轮滚刀、铣刀、拉刀、钻头等)上镀上一层TIN、TIC、TICN等镀膜层，以提高其表面硬度、耐磨耐腐蚀性能和减小摩擦系数，便能增加这些刀具的使用寿命(一般可增加3一8倍)和提高其加工生产率。

TIN由于其具有良好的耐热硬度、耐磨耐腐蚀性能和减小摩擦系数，作为各种模具(冲模和铸模)的镀膜层是一种比较合适的材料。

模具表面的磨损是与模具表面的硬度成反比，其表面硬度越高，磨损就越小。

因此对各种模具镀上一层TIN等镀膜层可以增加其使用寿命。

3 零件镀膜主要应用于下列几种零件的离子镀膜：(1)机械零件—轴承、活塞、阀门等各种机械零件镀上TIN等镀膜层，能提高其表面硬度和耐磨耐腐蚀性能，因而能增加这些机械零件的使用寿命；(2)电气零件—在各种金属材料上镀5102、A12O3等，或者在陶瓷或塑料上镀各种金属，用于制作各种电工零件和电子零件；(3)光学`零件一一在玻璃上镀5102、TIOZ等镀膜层，用于制作各种光学零件。

4 其它例如，采用离子镀膜技术可在铀表面上镀一层铝，应用于原子能工业中的
原子反应堆，采用离子镀膜技术制成的碳化硼薄膜，可应用于制作声学器件，等等。

结束语
总之，表面和薄膜科学、微电子器件及纳米技术等的迅速发展，将使仪器开发和监测方法体系研究成为真空镀膜技术中的发展重点;而电子束蒸发源将是真空镀膜技术中的一种重要的加热方法和发展方向。

参考文献
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