真空鍍膜基礎(chǔ)知識

薄膜是一種物質(zhì)形態(tài)，它所使用的膜材料非常廣，可以是單質(zhì)元素或化合物，也可以是無機(jī)材料或有機(jī)材料。薄膜與塊狀物質(zhì)一樣，可以是單晶態(tài)的，多晶態(tài)的或非晶態(tài)的。近年來功能材料薄膜和復(fù)合薄膜也有很大發(fā)展。鍍膜技術(shù)及薄膜產(chǎn)品在工業(yè)上的應(yīng)用非常廣，尤其是在電子材料與元器件工業(yè)領(lǐng)域中占有及其重要的地位。
 
鍍膜方法可以分為氣相生成法，氧化法，離子注入法，擴(kuò)散法，電鍍法，涂布法，液相生長法等。
 
真空系統(tǒng)的種類繁多。在實(shí)際工作中，必須根據(jù)自己的工作重點(diǎn)進(jìn)行選擇。典型的真空系統(tǒng)包括：獲得真空的設(shè)備（真空泵），待抽空的容器（真空室），測量真空的器具（真空計(jì)）以及必要的管道，閥門和其它附屬設(shè)備。
 
1.真空蒸發(fā)鍍膜法
 
真空蒸發(fā)鍍膜法是在真空室中，加熱蒸發(fā)容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子從表面氣化逸出，形成蒸汽流，入射到固體（稱為襯底或基片）表面，凝結(jié)形成固態(tài)薄膜的方法。真空蒸發(fā)鍍膜又可以分為下列幾種：

 
1.1 電阻蒸發(fā)源蒸鍍法
 
采用鉭，鉬，鎢等高熔點(diǎn)金屬，做成適當(dāng)形狀的蒸發(fā)源，其上裝入待蒸發(fā)材料，讓氣流通過，對蒸發(fā)材料進(jìn)行直接加熱蒸發(fā)，或者把待蒸發(fā)材料放入氧化鋁，氧化鈹?shù)熔徨佒羞M(jìn)行間接加熱蒸發(fā)，這就是電阻加熱蒸發(fā)法。
 
利用電阻加熱器加熱蒸發(fā)的鍍膜機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)便宜，使用可靠，可用于熔點(diǎn)不太高的材料的蒸發(fā)鍍膜，尤其適用于對鍍膜質(zhì)量要求不太高的大批量的生產(chǎn)中，迄今為止，在鍍鋁制鏡的生產(chǎn)中仍然大量使用著電阻加熱蒸發(fā)的工藝。
 
電阻加熱方式的缺點(diǎn)是：加熱所能達(dá)到的最高溫度有限，加熱器的壽命也較短。近年來，為了提高加熱器的壽命，國內(nèi)外已采用壽命較長的氮化硼合成的導(dǎo)電陶瓷材料作為加熱器。據(jù)報(bào)道，可采用20％～30％的氮化硼和能與其相熔的耐火材料所組成的材料來制作坩鍋，并在表面涂上一層含62％～82％的鋯，其余為鋯硅合金材料。
 
1.2 電子束蒸發(fā)源蒸鍍法
 
將蒸發(fā)材料放入水冷鋼坩鍋中，直接利用電子束加熱，使蒸發(fā)材料氣化蒸發(fā)后凝結(jié)在基板表面成膜，是真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)中的一種重要的加熱方法和發(fā)展方向。電子束蒸發(fā)克服了一般電阻加熱蒸發(fā)的許多缺點(diǎn)，特別適合制作熔點(diǎn)薄膜材料和高純薄膜材料。
 
電子束蒸發(fā)源的優(yōu)點(diǎn)為：
 
1）電子束轟擊熱源的束流密度高，能獲得遠(yuǎn)比電阻加熱源更大的能量密度?？梢詫⒏哌_(dá)3000度以上的材料蒸發(fā)，并且能有較高的蒸發(fā)速度；
 
2）由于被蒸發(fā)的材料是置于水冷坩鍋內(nèi)，因而可避免容器材料的蒸發(fā)，以及容器材料與蒸鍍材料之間的反應(yīng)，這對提高鍍膜的純度極為重要；
 
3）熱量可直接加到蒸鍍材料的表面，因而熱效率高，熱傳導(dǎo)和熱輻射的損失少。
 
1.3 高頻感應(yīng)蒸發(fā)源蒸鍍法
 
高頻感應(yīng)蒸發(fā)源是將裝有蒸發(fā)材料的石墨或陶瓷坩鍋放在水冷的高頻螺旋線圈中心，使蒸發(fā)材料在高頻帶內(nèi)磁場的感應(yīng)下產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流損失和磁滯損失（對鐵磁體），致使蒸發(fā)材料升溫，直至氣化蒸發(fā)。膜材的體積越小，感應(yīng)的頻率就越高。在鋼帶上連續(xù)真空鍍鋁的大型設(shè)備中，高頻感應(yīng)加熱蒸鍍工藝已經(jīng)取得令人滿意的結(jié)果。

 
高頻感應(yīng)蒸發(fā)源的特點(diǎn)：
 
1）蒸發(fā)速率大，可比電阻蒸發(fā)源大10倍左右；
 
2）蒸發(fā)源的溫度均勻穩(wěn)定，不易產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象；
 
3）蒸發(fā)材料是金屬時(shí)，蒸發(fā)材料可產(chǎn)生熱量；
 
4）蒸發(fā)源一次裝料，無需送料機(jī)構(gòu)，溫度控制比較容易，操作比較簡單。
 
它的缺點(diǎn)是：
 
1）必須采用抗熱震性好，高溫化學(xué)性能穩(wěn)定的氮化硼坩鍋；
 
2）蒸發(fā)裝置必須屏蔽，并需要較復(fù)雜和昂貴的高頻發(fā)生器；
 
3）線圈附近的壓強(qiáng)是有定值的，超過這個(gè)定值，高頻場就會使殘余氣體電離，使功耗增大。
 
1.4 激光束蒸發(fā)源蒸鍍法
 
采用激光束蒸發(fā)源的蒸鍍技術(shù)是一種理想的薄膜制備方法。這是由于激光器可能安裝在真空室之外，這樣不但簡化了真空室內(nèi)部的空間布置，減少了加熱源的放氣，而且還可以完全避免了蒸發(fā)器對被鍍材料的污染，達(dá)到了膜層純潔的目的。此外，激光加熱可以達(dá)到極高的溫度，利用激光束加熱能夠?qū)δ承┖辖鸹蚧衔镞M(jìn)行“閃光蒸發(fā)”。這對于保證膜的成分，防止膜的分餾或分解也是及其有用的。但是，由于制作大功率連續(xù)式激光器的成本較高，所以它的應(yīng)用范圍有一定的限制，目前尚不能在工業(yè)中普遍應(yīng)用。


 2.濺射鍍膜

 
1842年格羅夫在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)了陰極濺射現(xiàn)象。他是在研究電子管的陰極腐蝕問題時(shí)發(fā)現(xiàn)陰極材料會遷移到真空管壁上面去的現(xiàn)象。從1870開始，就已經(jīng)將濺射原理應(yīng)用于薄膜的制備，但是，在過去的100多年中濺射工藝的發(fā)展很緩慢。1940年以后，發(fā)現(xiàn)了濺射膜層具有極其優(yōu)良的性能，同時(shí)改善濺射裝置，提高濺射速率的各種新工藝相繼出現(xiàn)并到達(dá)實(shí)用化的程度，這才使濺射技術(shù)迅速的發(fā)展，并在工業(yè)上普遍的應(yīng)用。
 


所謂“濺射”是指荷能粒子轟擊固體表面（靶），使固體原子（或分子）從表面射出的現(xiàn)象。射出的粒子大多呈原子狀態(tài)，通常稱為濺射原子。用于轟擊靶的荷能粒子可能是電子，離子或中型粒子，因?yàn)殡x子在電場下易于加速并獲得所需動能，因此大多采用離子作為轟擊粒子。該粒子又稱入射離子。由于直接實(shí)現(xiàn)濺射的機(jī)構(gòu)是離子，所以這種鍍膜技術(shù)又稱為離子濺射鍍膜或淀積。
 
濺射鍍膜的方式很多，比較具有代表性的方法有：
 
1）直流二極濺射。構(gòu)造簡單，在大面積基板上可制取均勻薄膜，放電電流隨壓強(qiáng)和電壓的改變而變化；
 
2）三極或四極濺射?？蓪?shí)現(xiàn)低氣壓，低電壓濺射，可單獨(dú)控制放電電流和轟擊靶的離子能量?？煽刂瓢须娏?，也可進(jìn)行射頻濺射；
 
3）磁控濺射（或高速，低溫濺射）。在與靶表面平行的方向上施加磁場，利用電場與磁場正交的磁控管原理，減少電子對基板的轟擊，實(shí)現(xiàn)高速低溫濺射；

4）對向靶濺射。兩個(gè)靶對向放置，在垂直于靶的表面方向加磁場，可以對磁性材料等進(jìn)行高速低溫濺射；

 
5）射頻濺射。為制取絕緣薄膜，如氧化硅，氧化鋁，玻璃膜等而研制，也可濺射金屬；
 
6）反應(yīng)濺射?？芍谱麝帢O物質(zhì)的化合物薄膜，如氮化鈦，碳化硅，氮化鋁，氧化鋁等；
 
7）偏壓濺射。鍍膜過程中同時(shí)清理基片上輕質(zhì)量的帶電粒子，從而使基板中不含有不純氣體；
 
8）非對稱交流濺射。在振幅大的半周期內(nèi)對靶進(jìn)行濺射，在振幅小的半周期內(nèi)對基片進(jìn)行離子轟擊，清理吸附的氣體，以獲得高純薄膜；
 
9）離子束濺射。在高真空下，利用離子束濺射鍍膜，是非等離子體狀態(tài)下的成膜過程。靶接地電位也可；
 
10）吸氣濺射。利用對濺射粒子的吸氣作用，除去不純物氣體，能獲得純度高的薄膜。
 
3.離子鍍膜
 
離子鍍膜技術(shù)是美國Sandia公司的D.M.Mattox于1963年首先提出來的。是在真空蒸發(fā)和真空濺射基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的鍍膜技術(shù)。離子鍍的英文全稱Ion Plating，簡稱IP。它是在真空條件下，應(yīng)用氣體放電實(shí)現(xiàn)鍍膜的，即在真空室中使氣體或蒸發(fā)物質(zhì)電離，在氣體離子或被蒸發(fā)物質(zhì)離子的轟擊下，同時(shí)將蒸發(fā)物或其反應(yīng)產(chǎn)物蒸鍍在基片上。1972年，Banshah提出了在真空放電蒸鍍時(shí)，導(dǎo)入反應(yīng)氣體生成化合物的方法，即（活性反應(yīng)蒸鍍法）（簡稱ARE法）。與此同時(shí)，在離子鍍時(shí)代替氬氣導(dǎo)入一部分反應(yīng)氣體生成化合物薄膜，形成了反應(yīng)性離子鍍法（簡稱RIP法）等等。
 
根據(jù)不同膜材的氣化方式和離化方式，可構(gòu)成不同類型的離子鍍膜方式。膜材的氣化方式有：電阻加熱，電子束加熱，等離子電子束加熱，高頻感應(yīng)加熱，陰極弧光放電加熱等。氣體分子或原子的離化方式有：輝光放電型，電子束型，熱電子型，等離子電子束型，多弧形及高真空電弧放電型，以及各種形式的離子源等。不同的蒸發(fā)源與不同的電離或激發(fā)方式可以有多種不同的組合。目前比較常用的組合方式有：
 
1）直流二極型（DC IP）。利用電阻或電子束加熱使膜材氣化；被鍍基體作為陰極，利用高電壓直流輝光放電將沖入的氣體Ar（也可充少量反應(yīng)氣體）離化。這種方法的特點(diǎn)是：基板溫升大，繞射性好，附著性好，膜結(jié)構(gòu)及形貌差，若用電子束加熱必須用差壓板；可用于鍍耐腐蝕潤滑機(jī)械制品。
 
2）多陰極型。利用電阻或電子束加熱使膜材氣化；依靠熱電子，陰極發(fā)射的電子及輝光放電使充入的真空惰性氣體或反應(yīng)氣體離化。這種方法的特點(diǎn)是：基板溫升小，有時(shí)需要對基板加熱可用于鍍精密機(jī)械制品，電子器件裝飾品。
 
3）活性反應(yīng)蒸鍍法（ARE）。利用電子束加熱使膜材氣化；依靠正偏置探極和電子束間的低壓等離子體輝光放電或二次電子使充入的氧氣，氮?dú)獾确磻?yīng)氣體離化。這種方法的特點(diǎn)是：基板溫升小，要對基板加熱，蒸鍍效率高，能獲得氧化鋁，氮化鈦，碳化鈦等薄膜；可用于鍍機(jī)械制品，電子器件，裝飾品。
 
4）空心陰極離子鍍（HCD）。利用等離子電子束加熱使膜材氣化；依靠低壓大電流的電子束碰撞使充入的氣體Ar或其它惰性氣體，反應(yīng)氣體離化。這種方法的特點(diǎn)是：基板溫升小，要對基板加熱，離化率高，電子束斑較大，能鍍金屬膜，介質(zhì)膜，化合物膜；可用于鍍裝飾鍍層，耐磨鍍層，機(jī)械制品。
 
5）射頻離子鍍（RF IP）。利用電阻或電子束加熱使膜材氣化；依靠射頻等離子體放電使充入的真空Ar及其它惰性氣體，反應(yīng)氣體氧氣，氮?dú)獾入x化。這種方法的特點(diǎn)是：基板溫升小，不純氣體少，成膜好，適合鍍化合物膜。但匹配較困難。可應(yīng)用于鍍光學(xué)，半導(dǎo)體器件，裝飾品，汽車零件等。
 
6）增強(qiáng)ARE型。利用電子束進(jìn)行加熱；充入Ar，其它惰性氣體，反應(yīng)氣體氧氣，氮?dú)獾?；離化方式：探極除吸引電子束的一次電子，二次電子外，增強(qiáng)極發(fā)出的低能電子也可促進(jìn)氣體離化。這種方法的特點(diǎn)是：基板溫升小，要對基板加；可用于鍍機(jī)械制品，電子器件，裝飾品。
7）低壓等離子體離子鍍（LPPD）。利用電子束進(jìn)行加熱；依靠等離子體使充入的惰性氣體，反應(yīng)氣體離化。這種方法的特點(diǎn)是：基板溫升小，要對基板加熱，結(jié)構(gòu)簡單，能獲得氧化鋁，氮化鈦，碳化鈦等離子化合物鍍層；可用于鍍機(jī)械制品，電子器件，裝飾品。
 
8）電場蒸發(fā)。利用電子束進(jìn)行加熱依靠電子束形成的金屬等離子體進(jìn)行離化。這種方法的特點(diǎn)是：基板溫升小，要對基板加熱，帶電場的真空蒸鍍，鍍層質(zhì)量好；可用于鍍電子器件，音響器件。
 
9）感應(yīng)離子加熱鍍。利用高頻感應(yīng)進(jìn)行加熱；依靠感應(yīng)漏磁進(jìn)行離化。這種方法的特點(diǎn)是：基板溫升小，能獲得化合物鍍層；可用于機(jī)械制品，電子器件，裝飾品。
 
10）集團(tuán)離子束鍍。利用電阻加熱，從坩鍋中噴出集團(tuán)狀蒸發(fā)顆粒。依靠電子發(fā)射或從燈絲發(fā)出電子的碰撞作用進(jìn)行離化。這種方法的特點(diǎn)是：基板溫升小，即能鍍金屬膜又能直接鍍化合物膜，如氧化鋅等；可用于鍍電子器件，音響器件。
 
11）多弧離子鍍。利用陰極弧光進(jìn)行加熱；依靠蒸發(fā)原子束的定向運(yùn)動使反應(yīng)氣體(或真空)離化。這種方法的特點(diǎn)是：基板溫升較大，離化率高，沉積速率大；可用于鍍機(jī)械制品，刀鋸，模具。
 
4.真空鍍膜技術(shù)的發(fā)展趨勢
 
科技發(fā)展愈來愈快，信息高速公路，數(shù)字地球等新概念的提出，影響和帶動了全球高科技的發(fā)展，目前，生命科學(xué)，環(huán)保科技，材料科學(xué)和納米科技是高科技重點(diǎn)研究的領(lǐng)域；納米科技中又以納米電子學(xué)為優(yōu)先研究領(lǐng)域。
 
目前計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的基礎(chǔ)是超大規(guī)模集成電路；但下個(gè)世紀(jì)的基本元件將是納米電子集成電路。它是微電子器件的下一代，有自己的理論，技術(shù)和材料?，F(xiàn)有微電子器件的主要材料是極純的硅，鍺等晶體半導(dǎo)體。納米電子器件有可能是以有機(jī)或無機(jī)復(fù)合晶體薄膜為主要原理，要求純度更高，結(jié)構(gòu)更完善。真空制備的清潔環(huán)境，有希望加工組裝出納米電子器件所要求的結(jié)構(gòu)。
 
總之，表面和薄膜科學(xué)，微電子器件及納米技術(shù)等迅速發(fā)展，將使一起開發(fā)和檢測方法體系研究成為真空鍍膜技術(shù)中的發(fā)展重點(diǎn)；而電子束蒸發(fā)源將是真空鍍膜技術(shù)中的一種重要的加熱方法和發(fā)展方向。
【返回列表】