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，３００１３０）［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李镀膜技术的特点、应用厦发展的前景。

关键词真空蒸发镀离子镀磁控溅射发展趋势１前言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。

镀膜技术足最初起源于２０世纪３０年代，直到７０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。

…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，人射到固体（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必分为下列几种。

２，１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。

电子柬蒸发克服ｒ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）、ｅ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，在电子束的出口处没置偏转磁场，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。

ｅ型电子枪，即２７００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。

ｅ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ｅ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ｅ型电子抢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：（１）电子束轰击热源的束流密度高，能获得远比电阻加热源更大的能量密度。

可在一个不太小的面积上达到１０４－１０９Ｗ／ｃｍ２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；（２）由于被蒸发材料是置于水冷坩锅内，因而可避免容器材料的蒸发，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；（３）热量可直接加到蒸镀材料的表面，因而热效率高，热传导和热辐射的损失少。

２．２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人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台成的导电陶瓷材料作为加热器。

２．３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损失（对铁磁体），使蒸发材料升温，直至气化蒸发。

在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：（１）蒸发速率大，可比电阻蒸发源大１０倍左右；（２）蒸发源的温度均匀稳定，不易产生飞溅现象；（３）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；（４）蒸发源一次装料，无需进料机构，温度控制比较容易，操作比较简单。

它的缺点是：（１）必须采用抗热震性好、高温化学性能稳定的氮化硼坩锅；（２）蒸发装置必须屏蔽，并需要较复杂和昂贵的高频发生器。

２．４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问布置，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。

３磁控溅射镀膜技术［３１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。

３．１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ＣｏＣｒ－ＮｉＡＩＴａ台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层ＴｉＣ或ＴｉＮ薄膜．从而很大地提高了它们抗热、抗蚀和耐磨性。

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。

３．２等离子增强磁控溅射沉积技术（ＰＭＤ）该技术起源提高ＧｅｒｅｒａｌＭｏｔｏｒｓＰｏｗｅｒｔｒａｉｎ（ＧＭＰＴ）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Ｈｕｇｈｅｓ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。

在磁控溅射沉积的同时，高通量的离子轰击基体，具有低温（≤４５０。

ｃ）、高优积速率、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。

ＰＭＤ技术已经在工业生产中获得了应用。

１９９０年开始用于端面铣刀上，在直径０．４６ｍ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２－３倍的寿命增加。

１９９４年在直径１．２２ｍ、长为２．４４ｉｎ沉积设备中处理齿轮加工刀具，如滚刀、磨削刀具等达到同样的效果。

ＰＭＤ技术的要点在于独立增强磁控溅射时的等离子体。

目前增强等离子的手段有多种，但要在规模化生产中使用，必须是简便有效的。

ＰＭＤ采用在同一真空室中热灯丝发射电子，并且与炉体之间产生强烈的弧光放电形式（还可以附加磁场）。

如此产生的等离子体能量密度高，而且结构简单，很适合工业化生产。

３．３反应磁控溅射技术制备化合物薄膜可以用各种化学气相沉积或物理气相沉积方法。

但目前从工业大规模生产的要求来看，物理气相沉积中的反应磁控溅射沉积技术具有明显的优势，因而被广‘泛应用，这是因为：①反应磁控溅射所用的靶材料（单元素靶或多元素靶）和反应气体（氧、氮、碳氢化合物等）通常很容易获得很高的纯度，因而有利于制备高纯度的化合物薄膜。

②反应磁控溅射中调节沉积工艺参数，可以制备化学配比或非化学配比的化合物薄膜，从而达到通过调节薄膜的组成来调控薄膜特性的目的。

②反应磁控溅射沉积过程中基板温度一般不会有很太的升高，而且成膜过程通常也并不要求对基板进行很高温度的加热，因此对基板材料的限制较少。

④反应磁控溅射适于制备大面积均匀薄膜，并能实现单机年产上百万平方米镀膜的工业化生产。

但是反应磁控溅射在２０世纪９０年代之前，通常使用直流溅射电源，因此带来了一些问题，主要是靶中毒引起的打火和溅射过程不稳定，沉积速率较低，膜的缺陷密度较高，这些都限制了它的应用发展。

４离子镀［６１离子镀膜技术是在真空条件下，应用气体放电实现镀膜的，即在真空室中使气体或蒸发物质电离，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。

根据不同膜材的气化方式和离化方式可分为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，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呵ｍ有多种不同的组台。

目前比较常用的组台方式有：（１）直流二极型（ＤＣＩＰ）。

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人的气体Ａ“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。

（２）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。

（３）活性反应蒸镀法（ＡＲＥ）。