薄膜/涂层制备技术 (磁控溅射和电弧离子镀)及应用雷浩薄膜/涂层的概念与特点 概念：薄膜/涂层是一类用特殊方法获得的，依 靠基体支撑并具有与基体不同的结构和性能的 二维材料。
薄膜(Films)：厚度 < 1m,如光电功 能薄膜等；涂层(Coatings)：厚度 ≥ 1m,如硬质 涂层、防护涂层等。
薄膜/涂层特征： 1）厚度 （纳米，微米，毫米） 2）有基体支撑（不是单独存在的） 3）特殊的结构和性能（与块体材料相区别） 4）特殊的形成方式薄膜/涂层的概念与特点与分类 应用： 光学薄膜、微电子薄膜、光电子学薄膜、集成电路薄 膜、防护功能薄膜。
• 种类：（1）以材料种类划分：金属、合金、陶瓷、半导体、化 合物、高分子薄膜等。
（2）以晶体结构划分：单晶、多晶、纳米晶、非晶 （3）以厚度划分：纳米薄膜，微米薄膜和厚膜。
（4）以薄膜组成结构划分：多层薄膜，梯度薄膜，复合 薄膜。
薄膜/涂层的种类及应用• 电子工业：电极、电阻膜、电介质膜、绝缘膜、 透明导电膜、超导膜等。
• 光学工业：荧光膜、反射膜、增透膜、干涉膜 等。
• 机械工业：硬化膜、耐热膜、耐腐蚀膜等。
• 能源工业：聚热膜、防反射膜、透射膜等。
• 传感器：热敏、气敏、压敏、氧气传感器、红外线传感器等。
• 其它：装饰膜等。
薄膜和涂层的制备方法湿式成膜 干式成膜电镀 化学镀 微弧氧化 溶胶-凝胶膜涂敷法（喷涂、甩胶、浸涂）热浸渗（化学热处理）、热扩散法 电阻热蒸发物理气相沉积 （PVD）真空蒸发镀 溅射沉积电子束蒸发 激光蒸发电弧离子镀化学气相沉积 （CVD）等离子体增强CVD(PECVD) 辉光CVD，热丝CVD薄膜和涂层的制备方法热 蒸 发磁 控 溅 射电 弧 离 子 镀物理气相沉积(PVD)定义：薄膜材料通过物理方法输运到基体表面 代表技术：蒸发镀膜、溅射沉积、电弧离子镀、 离子束辅助沉积、脉冲激光沉积、离子束沉积、 团簇沉积等。
技术特点：沉积温度低、工作气压比较低磁控溅射 (Magnetron Sputtering)的介绍概念：利用气体放电产生的正离子在电场作用下轰击作为 阴极的靶，使靶材中的原子（或分子）逸出并沉积到基板 表面上形成所需要的膜。
在阴极靶面上造一个正交的磁场， 使得电离的几率增加，就成为了磁控溅射。
磁控溅射的特点优点： 涂层致密质量好；可控制涂层厚度；电子对于衬底 的轰击能量小；可获得理想纳米涂层；原子沉积 缺点： 沉积速度较慢；需要高真空状态；方向性较强磁控溅射的历史 1842年Grove发现阴极溅射现象； 1877年将二极溅射技术用于镀制反射镜； 二十世纪三十年代采用二极溅射技术镀制金膜作为导电底层以后出现射频溅射、三极溅射和磁控溅射； 1936年和1940年Penning相继发明圆柱和圆筒磁控溅射阴极； 1963年美国贝尔实验室采用10米的连续溅射镀膜装置镀制集成电路的鉭膜，首次实现溅射镀膜产业化； 1970年圆柱磁控溅射阴极获得工业应用； 1980年前后,提出脉冲单靶磁控溅射、中频单靶磁控溅射，发展为中频双靶磁控溅射； 1986年Kirchhoff 等申请双靶磁控溅射方法的专利； 1986年Window发明了非平衡溅射,有广阔的应用前景 1994年德国Leybold的孪生靶系统正式投入生产；成膜条件：1、靶材2、Ar3、周围的真空环境直流磁控溅射非反应溅射中频磁控溅射射频磁控溅射反应溅射反应类型电源类型•传统磁控溅射电流密度~ 0.1mA/cm 21mA/cm 2电流密度> 5mA/cm2基板S S 基板•非平衡磁控溅射等离子体靶材等离子体等离子体基板靶材靶材•闭合场非平衡磁控溅射等离子体N S N N N S靶材优点：稳定性、重复性、均匀性、低温种类：化合物、合金、梯度膜、多层膜磁控溅射镀膜设备与等离子体磁控溅射的应用溅射薄膜按其不同的功能和应用可大致分为机械功能膜和物理功能膜两大类。
前者包括耐磨、减摩、耐热、抗蚀等表面强化薄膜材料、固体润滑薄膜材料；后者包括电、磁、声、光等功能薄膜材料等。
磁控溅射的应用超硬涂层磁控溅射的应用--超硬涂层用TiN，TiC等超硬镀层涂覆刀具、模具等表面，摩擦系数小，化学稳定性好，具有优良的耐热、耐磨抗氧化耐冲击等性能既可以提高刀具耐磨、抗氧化、耐冲击等性能，既可以提高刀具、模具等的工作特性，又可以提高使用寿命，一般模具等的工作特性又可以提高使用寿命一般可使刀具寿命提高310倍。
～磁控溅射的应用固体润滑薄膜磁控溅射的应用--固体润滑薄膜•在高温、超高真空、射线辐照等特殊条件下工作的机械部件不能用润滑油只有用软金属或层状的机械部件不能用润滑油，只有用软金属或层状物质等固体润滑剂物质等固体润滑剂。
•常用的固体润滑剂有软金属(Au ，Ag ，Pb ，Sn 等)，层状物质（MoS WS CaF ，云母等），层状物质2，2，石墨，2，母等，高分子材料（尼龙、聚四氟乙烯等）等。
•其中溅射法制取MoS 2膜及聚四氟乙烯膜十分有效。
•厚度：几十～几百纳米•透明性：与玻璃接近•导电性：与金属接近导电性与金属接近•种类：种类(ITO)(ZAO)ITO/A/ITO 氧化铟锡(ITO);掺铝氧化锌(ZAO);ITO/Ag/ITO; TiO2/Ag/TiO2;ITO/ZnO;SiO2/ITO液晶显示器触摸屏太阳能电池有机/柔性电致发光器件(OLED)除霜防雾保温、隔热雷达隐身电磁屏蔽(Arc Ion Plating)电弧离子镀(Arc Ion Plating)的介绍电弧离子镀(Arc Ion Plating,AIP)或称之为阴极真空弧沉积（Cathodic vacuum Arc Deposition,CAD），C h di AD i i）是在真空环境下利用电弧放电蒸发作为镀料粒子源实现离子镀的种方法，是离化率最高的离子镀形式实现离子镀的一种方法，是离化率最高的离子镀形式。
电弧源电弧源：靶(导电材料)+约束磁场+弧电极+触发电极优点：沉积速度快；膜基结合力高；薄膜致密度高；优点沉积速度快膜基结合力高薄膜致密度高绕镀性好等。
技术特点：电弧离子镀的特点–工艺环境友好，不产生任何污染，设备占地面积小；–0.1涂层表面光滑，粗糙度小于0.1 μm ；–涂层硬度高，1400-5000HV ；–0.3涂层耐磨性能良好，摩擦系数可小于03；–涂层致密，针孔率可小于0.5%，耐腐蚀性能良好；–涂层耐氧化温度为500-900 ℃氧；–涂层与基材结合力好，可达50N ；–涂层出现局部破损后可修复缺点：1.大颗粒污染2.相对较高的沉积温度(200-350℃)3.薄膜内应力大（原因在于传统工艺采用恒定的直流负偏压，薄膜生长是在荷能粒子（离子）的连续轰击下进行的）。
电弧离子镀的历史♦19世纪，美国发明家爱迪生提出利用真空电弧进行镀膜的设想，并申请了美国专利；镀膜的设想并申请了美国专利；♦20世纪50年代B.Vodra, H. Wroe等在真空冶炼时明确指出真空电弧完全可以用于表面薄膜的沉积制备；♦20世纪60年代日本真空技术研究所利用真空交流电弧沉积金属薄膜；♦20世纪70年代苏联购买了日本的技术，发展了电弧离子；镀技术；♦20世纪80年代美国多弧公司购买了苏联技术，实现了产业化，并在西方得到了迅速发展；♦20世纪80年代后，我国引进了大量设备和技术。
此后，该技术得到了迅速发展。
电弧离子镀的设备真空电弧蒸发源及电弧离子镀设备电弧离子镀常用的弧源和靶材结构轴向磁场控制的圆形小弧源俄罗斯弧源可控电弧蒸发源柱状弧源矩形平面大弧源脉冲弧源国产欧洲俄罗斯国产电弧离子镀的工艺问题电弧离子镀工艺的几个问题: 轴对称磁场 大颗粒的喷射弧斑动的控对称磁 动态可控磁场 靶材利用率 放电稳定性弧斑运动的控制旋转磁场磁场 大颗粒的排除磁场增强 磁过滤等离子体传输的控制 沉积速率 沉积均匀性电弧离子镀的大颗粒问题产生大颗粒喷射主要根源弧斑随机运动速度慢大颗粒，行业难题！1、弧斑随机运动速度慢2、弧斑自身电磁产生的磁收缩力3、放电离子轰击形成的反作用力电弧离子镀的改进磁过滤磁镜过滤方法：–通过磁场对电子运动的控制实现磁动实现对等离子体的控制；–可以显著降低薄膜中的大颗粒；–沉积效率降低明显、束径受磁镜限制；磁场约束遮挡过滤：–等离子体发射方向与镀膜方向垂直；等离体射方向与镀膜方向–束径不受限制，但沉积率比较低；电弧离子镀的改进脉冲偏压–通过对基片施加脉冲偏压减少等离子体中的颗粒沉积；原理：利用等离子体尘埃带负电的特点，通过脉冲偏压的动态等离子体壳层控制尘埃颗粒沉积；特点：特点–沉积效率降低比较小；–可以实现化合物的低温沉积；可以实现化合物的低温沉积–可以改善薄膜的力学性能；–特别大的颗粒过滤效果不理想；特别大的颗粒过滤效果不理想电弧离子镀的改进双层挡板屏蔽(a)基板靶材(b)10μm双层挡板10μm特点：–物理屏蔽；–沉积速率降低；电弧离子镀的改进轴对称磁场Transverse magnetic field, Gs Normal magnetic field, Gsc mc mr o m c e n t e r ,m c e n t e r , i s t a n c e f s t a n c e f r o Distance from center, cmDistance from center, cmD D i 轴对称磁场位形磁场横向分量分布磁场纵向分量分布轴对称磁场控制的离子镀弧源设计电弧离子镀的改进轴对称磁场chrysanthemum spiral pattern circular trajectory random motionTMF=0 G TMF=10 G TMF=20 G TMF=30 G弧弧斑速斑尺TMF=0 G TMF=15 G TMF=30 G度寸轴对称磁场对弧斑运动的影响电弧离子镀的改进轴对称磁场TMF=0 G TMF=15 G TMF=30 G锥形坑平整下凹弧斑运动对靶材刻蚀利用率的影响电弧离子镀的改进动态拱形磁场磁场位形拱形磁场位形随电流比的变化动态拱形磁场控制的离子镀弧源设计永磁铁电磁线圈传统弧源(轴对称磁场)俄罗斯弧源(纵向磁场)静态/准静态磁场静态准静态磁场解决大颗粒喷射的新思路弧斑运动速度和分布磁场位形设计拱形磁场轴对称磁场尖角磁场旋转磁场弯曲磁场＝＋动态磁场创新点：1.弧源头2.弧斑运动速度提高 3. 纵/横向磁场均匀分布磁场位形横向分量纵向分量难点:多极磁芯1.线包的发热22.磁芯耐涡流损耗传统弧源新型弧源TMF=0TMF=10~20G 电弧离子镀的改进旋转横向磁场TMF0TMF1020GI=6A170-250Hz60-110Hz110-170Hz100-160Hz160-250Hz160250Hz I=11A旋转磁场对弧斑运动的影响规律电弧离子镀的应用20世纪80年代，随着电弧离子镀技术在工具上的应用，刀具镀膜后使用寿命提高了3-10倍，因此引发了一场工具革命，电弧离子镀几乎取代了所有其他的离子镀形式，成为应用最电弧离镀乎代有其他的离镀形式成为应为广泛的镀膜技术之一。