浅析真空镀膜

1、真空蒸发镀膜法

真空蒸发法的原理是：在真空条件下，用蒸发源加热蒸发材料，使之蒸发或升华进入气相，气相粒子流直接射向基片上沉积或结晶形成固态薄膜；由于环境是真空，因此，无论是金属还是非金属，在这种情况下蒸发要比常压下容易得多。真空蒸发镀膜是发展较早的镀膜技术，其特点是：设备相对简单，沉积速率快，膜层纯度高，制膜材料及被镀件材料范围很广，镀膜过程可以实现连续化，应用相当广泛。按蒸发源的不同，主要分为：电阻加热蒸发、电子束蒸发、电弧蒸发和激光蒸发等。

1.1 电阻加热蒸发法

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。

1.2 电子束蒸发法

电子束蒸发法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。

1.3 激光蒸发法

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。

2、真空溅射法

真空溅射法是物理气相沉积法中的后起之秀。随着高纯靶材料和高纯气体制备技术的发展，溅射镀膜技术飞速发展，在多元合金薄膜的制备方面显示出独到之处。其原理为：稀薄的空气在异常辉光放电产生的等离子体在电场的作用下，对阴极靶材料表面进行轰击，把靶材料表面的分子、原子、离子及电子等溅射出来，被溅射出来的粒子带有一定的动能，沿一定的方法射向基体表面，在基体表面形成镀层。特点为：镀膜层与基材的结合力强；镀膜层致密、均匀；设备简单，操作方便，容易控制。

主要的溅射方法有直流溅射、射频溅射、磁控溅射等。目前应用较多的是磁控溅射法。

2.1 磁控溅射法

溅射镀膜最初出现的是简单的直流二极溅射，它的优点是装置简单，但是直流二极溅射沉积速率低；为了保持自持放电，不能在低气压(<0．1 Pa)下进行；不能溅射绝缘材料等缺点限制了其应用。

磁控溅射是由二极溅射基础上发展而来，在靶材表面建立与电场正交磁场，解决了二极溅射沉积速率低，等离子体离化率低等问题，成为目前镀膜工业主要方法之一。磁控溅射与其它镀膜技术相比具有如下特点：可制备成靶的材料广，几乎所有金属，合金和陶瓷材料都可以制成靶材；在适当条件下多元靶材共溅射方式，可沉积配比精确恒定的合金；在溅射的放电气氛中加入氧、氮或其它活性气体，可沉积形成靶材物质与气体分子的化合物薄膜；通过精确地控制溅射镀膜过程，容易获得均匀的高精度的膜厚；通过离子溅射靶材料物质由固态直接转变为等离子态，溅射靶的安装不受限制，适合于大容积镀膜室多靶布置设计；溅射镀膜速度快，膜层致密，附着性好等特点，很适合于大批量，高效率工业生产。近年来磁控溅射技术发展很快，具有代表性的方法有射频溅射、反应磁控溅射、非平衡磁控溅射、脉冲磁控溅射、高速溅射等。

2.2 反应磁控溅射法

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。
3、反应磁控溅射沉积过程中基板温度一般不会有很大的升高，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。

3、离子镀膜法

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可以有多种不同的组合。目前比较常用的组合方式有：

(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入的气体氩(Ar)(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；可用于镀耐腐蚀润滑机械制品。

(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(ABE)。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氧气、氮气、乙炔等反应气体离化。这种方法的特点是：基板温升小，要对基板加热，蒸镀效率高，能获得三氧化铝( )、氮化钛(TiN)、碳化钛(TiC)等薄膜；可用于镀机械制品、电子器件、装饰品。

(4) 空心阴极离子镀(HCD)。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气体Ar或其它惰性气体、反应气体离化。这种方法的特点是：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。

(5) 射频离子镀(RFIP)。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Ar及其它惰性气体、反应气体氧气、氮气、乙炔等离化。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。可应用于镀光学器件、半导体器件、装饰品、汽车零件等。

此外，离子镀法还包括有低压等离子体离子镀，感应离子加热镀，集团离子束镀和多弧离子镀等多种方法。

4、近些年来出现的新方法

除蒸发法和溅射法外，人们又综合了这两种方法的优缺点，取长补短，发展出一些新的方法，如：等离子体束溅射等。这种崭新的技术结合了蒸发镀的高效和溅射镀的高性能特点，特别在多元合金以及磁性薄膜的制备方面，具有其它手段无可比拟的优点。高效率等离子体溅射(High Target Utilization Plasma Sputtering(HiTUS))实际上是由利用射频功率产生的等离子体聚束线圈、偏压电源组成的一个溅射镀膜系统。这种离子体源装置在真空室的侧面。如图1所示。图2为实际的镀膜机照片。该等离子体束在电磁场的作用下被引导到靶上，在靶的表面形成高密度等离子体。同时靶连接有DC/RF偏压电源，从而实现高效可控的等离子体溅射。等离子体发生装置与真空室的分离设计是实现溅射工艺参数宽范围可控的关键，而这种广阔的可控性使得特定的应用能确定工艺参数最优化。

与通常的磁控溅射相比，由于磁控靶磁场的存在而在靶材表面形成刻蚀环不同，HiTUS系统由于取消了靶材背面的磁铁，从而能对靶的材料实现全面积均匀