真空镀膜基础知识

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1、学校：龙岩学院院系：物理与机电工程学院专业：机械设计制造及其自动化班级：11 级机械（本） 1 班姓名：柯建坤学号：2011043523简介真空镀膜在真空中制备膜层，包括镀制晶态的金属、半导体、绝缘体等单质或化合物膜。虽然化学汽相沉积也采用减压、低压或等离子体等真空手段，但一般真空镀膜是指用物理的方法沉积薄膜。真空镀膜有三种形式，即蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀。蒸发镀膜通过加热蒸发某种物质使其沉积在固体表面，称为蒸发镀膜。这种方法最早由 M.法拉第于 1857 年提出，现代已成为常用镀膜技术之一。蒸发镀膜设备结构如图 1。蒸发物质如金属、化合物等置于坩埚内或挂在热丝上作为蒸发源，待镀件，如金属、

2、陶瓷、塑料等基片置于坩埚前方。待系统抽至高真空后，加热坩埚使其中的物质蒸发。蒸发物质的原子或分子以冷凝方式沉积在基片表面。薄膜厚度可由数百埃至数微米。膜厚决定于蒸发源的蒸发速率和时间（或决定于装料量），并与源和基片的距离有关。对于大面积镀膜，常采用旋转基片或多蒸发源的方式以保证膜层厚度的均匀性。从蒸发源到基片的距离应小于蒸气分子在残余气体中的 平均自由程 ，以免蒸气分子与残气分子碰撞引起化学作用。蒸气分子平均动能约为 0.1 0.2 电子伏。蒸发镀膜的类型工蒸发源有三种类型。电阻加热源：用难熔金属如钨、钽制成舟箔或丝状电流 , 加热在它上方的或置于坩埚中的蒸发物质（图1 蒸发镀膜设备示意图,

3、通以）电阻加热源主要用于蒸发 Cd、 Pb、 Ag、 Al 、 Cu、 Cr 、Au、 Ni 等材料。高频感应加热源：用高频感应电流加热坩埚和蒸发物质。电子束加热源：适用于蒸发温度较高（不低于 2000618-1 ）的材料，即用电子束轰击材料使其蒸发。蒸发镀膜与其他真空镀膜方法相比，具有较高的沉积速率，可镀制单质和不易热分解的化合物膜。为沉积高纯 单晶膜层，可采用分子束外延方法。生长掺杂的 GaAlAs 单晶层的分子束外延装置如图 2 分子束外延装置示意图 。喷射炉中装有分子 束源，在超高真空下当它被加热到一定温度时，炉中元素以束状分子流射向基片。基片被加热到一定温度，沉积在基片上的分子可以徙

4、动，按基片晶格次序生长结晶用 分子束外延法 可获得所需化学计量比的高纯化合物单晶膜，薄膜最慢生长速度可控制在 1 单层 / 秒。通过控制挡板 , 可精确地做出所需成分和结构的单晶薄膜。分子束外延法广泛用于制造各种光集成器件和各种超晶格结构薄膜。溅射镀膜用高能粒子轰击固体表面时能使固体表面的粒子获得能量并逸出表面，沉积在基片上。溅射现象于1870 年开始用于镀膜技术，1930 年以后由于提高了沉积速率而逐渐用于工业生产。常用的二极溅射设备如图3二极溅射示意图 。通常将欲沉积的材料制成板材靶, 固定在阴极上。基片置于正对靶面的 阳极上 , 距靶几厘米。系统抽至高真空后充入10 1 帕的气体（通常为

5、氩气），在阴极和阳极间加几千伏电压，两极间即产生辉光放电。放电产生的正离子在电场作用下飞向阴极，与靶表面原子碰撞，受碰撞从靶面逸出的靶原子称为溅射原子, 其能量在 1 至几十电子伏范围。溅射原子在基片表面沉积成膜。与蒸发镀膜不同，溅射镀膜不受膜材熔点的限制, 可溅射 W、Ta、 C、Mo、WC、 TiC 等难熔物质。溅射化合物膜可用反应溅射法，即将反应气体(O 、N、 HS、CH等 ) 加入 Ar 气中 , 反应气体及其离子与靶原子或溅射原子发生反应生成化合物（如氧化物、氮化物等）而沉积在基片上。沉积绝缘膜可采用高频溅射法。基片装在接地的电极上，绝缘靶装在对面的电极上。高频电源一端接地，一端通

6、过匹配网络和隔直流电容接到装有绝缘靶的电极上。接通高频电源后，高频电压不断改变极性。等离子体中的电子和正离子在电压的正半周和负半周分别打到绝缘靶上。由于电子迁移率高于正离子，绝缘靶表面带负电，在达到动态平衡时，靶处于负的偏置电位，从而使正离子对靶的溅射持续进行。采用磁控溅射可使沉积速率比非磁控溅射提高近一个数量级。离子镀蒸发物质的分子被电子碰撞电离后以离子沉积在固体表面，称为离子镀。这种技术是 D. 麦托克斯于1963 年提出的。离子镀是真空蒸发与阴极溅射技术的结合。一种离子镀系统如图4 离子镀系统示意图, 将基片台作为阴极，外壳作阳极，充入惰性气体（如氩）以产生辉光放电。从蒸发源蒸发的分子通

7、过等离子区时发生电离。正离子被基片台负电压加速打到基片表面。未电离的中性原子（约占蒸发料的 95%）也沉积在基片或真空室壁表面。电场对离化的蒸气分子的加速作用（离子能量约几百几千电子伏）和氩离子对基片的溅射清洗作用，使膜层附着强度大大提高。离子镀工艺综合了蒸发（高沉积速率）与溅射（良好的膜层附着力）工艺的特点，并有很好的绕射性，可为形状复杂的工件镀膜。参考书目金原粲著，杨希光译：薄膜的基本技术，科学出版社，北京， 1982。（金原粲著：薄膜基本技，京大学出版会，京，1976。）光学镀膜材料（纯度： 99.9%-99.9999% ）高纯氧化物一氧化硅、 SiO，二氧化铪 、HfO?，二硼化铪，

8、氯氧化铪 ，二氧化锆、ZrO2，二氧化钛、 TiO2 ，一氧化钛、 TiO ，二氧化硅、 SiO2，三氧化二钛、 Ti2O3 ，五氧化三钛 、 Ti3O5 ，五氧化二钽、 Ta2O5，五氧化二铌、 Nb2O5，三氧化二铝、 Al2O3，三氧化二钪、 Sc2O3，三氧化二铟、 In2O3 ，二钛酸镨、 Pr(TiO3)2 ，二氧化铈、 CeO2，氧化镁、 MgO，三氧化钨、 WO3，氧化钐、Sm2O3，氧化钕、 Nd2O3，氧化铋、 Bi2O3 ，氧化镨、 Pr6O11，氧化锑、 Sb2O3，氧化钒、 V2O5，氧化镍、 NiO，氧化锌、 ZnO，氧化铁、 Fe2O3，氧化铬、Cr2O3，氧化铜

9、、 CuO等。高纯氟化物氟化镁、 MgF2，氟化镱、 YbF3，氟化钇、 LaF3，氟化镝、 DyF3，氟化钕、NdF3，氟化铒、 ErF3 ，氟化钾、 KF，氟化锶、 SrF3 ，氟化钐、 SmF3，氟化钠、NaF，氟化钡、 BaF2，氟化铈、 CeF3，氟化铅等。高纯金属类高纯铝 , 高纯铝丝，高纯铝粒，高纯铝片，高纯铝柱，高纯铜，高纯铜丝，高纯铜片，高纯铜粒，高纯铬，高纯铬粒，高纯铬粉，高纯铬块，铬条，高纯钴，高纯钴粒，高纯金，高纯金丝，高纯金片，高纯金粒，高纯银，高纯银丝，高纯银粒，高纯银片，高纯铂，高纯铂丝，高纯铪，高纯铪粉，高纯铪丝，高纯铪粒，高纯钨，高纯钨粒，高纯钼，高纯钼粒，高

10、纯钼片，高纯硅，高纯单晶硅，高纯多晶硅，高纯锗，高纯锗粒，高纯锰，高纯锰粒，高纯钴，高纯钴粒，高纯铌，高纯锡，高纯锡粒，高纯锡丝，高纯钨，高纯钨粒，高纯锌，高纯锌粒，高纯钒，高纯钒粒，高纯铁，高纯铁粒，高纯铁粉，高纯钛，高纯钛片，高纯钛粒，海面钛 , 高纯锆，高纯锆丝，海绵锆 , 碘化锆 , 高纯锆粒，高纯锆块，高纯碲，高纯碲粒，高纯锗，高纯镍，高纯镍丝，高纯镍片，高纯镍柱，高纯钽，高纯钽片，高纯钽丝，高纯钽粒，高纯镍铬丝，高纯镍铬粒，高纯镧 , 高纯镨 , 高纯钆 , 高纯铈 , 高纯铽 , 高纯钬 , 高纯钇 , 高纯镱 , 高纯铥 , 高纯铼 ,高纯铑 , 高纯钯 , 高纯铱等 .混合料

11、氧化锆氧化钛混合料，氧化锆氧化钽混合料，氧化钛氧化钽混合料，氧化锆氧化钇混合料，氧化钛氧化铌混合料，氧化锆氧化铝混合料，氧化镁氧化铝混合料，氧化铟氧化锡混合料，氧化锡氧化铟混合料，氟化铈氟化钙混合料等混合料其他化合物钛酸钡， BaTiO3，钛酸镨， PrTiO3 ，钛酸锶， SrTiO3 ，钛酸镧， LaTiO3 ，硫化锌， ZnS，冰晶石， Na3AlF6，硒化锌 ， ZnSe，硫化镉，硫化钼，硫化铜，二硅化钼。辅料钼片，钼舟、钽片、钨片、钨舟、钨绞丝。溅射靶材（纯度： 99.9%-99.999% ）金属靶材镍靶（ Ni 靶）、钛靶（ Ti 靶）、锌靶（ Zn 靶）、铬靶（ Cr 靶）、镁靶

12、（ Mg 靶）、铌靶（ Nb 靶）、锡靶（ Sn 靶）、铝靶（ Al 靶）、铟靶（ In 靶）、铁靶（ Fe 靶）、锆铝靶（ ZrAl 靶）、钛铝靶（ TiAl 靶）、锆靶（ Zr 靶）、硅靶（ Si 靶）、铜靶（ Cu 靶）、钽靶（ Ta 靶）、锗靶（ Ge 靶）、银靶（ Ag 靶）、钴靶（ Co 靶）、金靶（ Au 靶）、钆靶（ Gd 靶）、镧靶（ La 靶）、钇靶（ Y靶）、铈靶（ Ce 靶）、铪靶（ Hf 靶）、钼靶（ Mo靶）、铁镍靶（ FeNi 靶）、 V靶、 W靶、不锈钢 靶、镍铁靶、铁钴靶、镍铬靶、铜铟镓靶、铝硅靶NiCr 靶等金属靶材 。陶瓷靶材2. 陶瓷靶材ITO 靶、 A

13、ZO靶，氧化镁靶、氧化铁靶、氧化铬靶、氧化锌靶、硫化锌靶、硫化镉靶，硫化钼靶，二氧化硅靶、一氧化硅靶、氧化铈靶、二氧化锆靶、五氧化二铌靶、二氧化钛靶、二氧化锆靶，二氧化铪靶， 二硼化钛 靶，二硼化锆靶，三氧化钨靶，三氧化二铝靶，五氧化二钽靶，五氧化二铌靶、氟化镁靶、氟化钇靶、氟化镁靶，硒化锌靶、氮化铝靶，氮化硅靶，氮化硼靶，氮化钛靶，碳化硅靶，铌酸锂靶、钛酸镨靶、钛酸钡靶、钛酸镧靶、氧化镍靶等陶瓷溅射靶材。真空镀膜安全操作规程1 在机床运转正常情况下，开动机床时，必须先开水管，工作中应随时注意水压。2 在离子轰击和蒸发时，应特别注意高压电线接头，不得触动，以防触电。3 在用电子枪镀膜时，应在钟

14、罩外围上铝板。观察窗的玻璃最好用铅玻璃，观察时应戴上铅玻璃 眼镜，以防 X 射线侵害人体。4 镀制多层介质膜的镀膜间，应安装通风吸尘装置，及时排除有害粉尘。5 易燃有毒物品要妥善保管，以防失火中毒。6 酸洗夹具应在通风装置内进行，并要戴橡皮手套。7 把零件放入酸洗或碱洗槽中时，应轻拿轻放，不得碰撞及溅出。平时酸洗槽盆应加盖。8 工作完毕应断电、断水。常见涂层及性能优点镀膜种类性 能优 点颜色：金色增加表面硬度、减少摩擦力TiN硬度： 2300HV可低温涂层，适合低温零件氮化钛摩擦系数： 0.23VSNi避免刀口之积屑现象最高工作温度： 580广泛应用於钢料成型加工颜色：银灰色高表面硬度表面光滑

15、TiCN硬度： 3300HV避免刀口之积屑现象氮碳化钛摩擦系数： 0.21VSNi适合重切削最高工作温度： 450适合冲压加工不銹钢颜色：紫黑色高热稳定性ALTiN硬度： 3500HV适合高速、干式切削铝氮化钛摩擦系数： 0.35VSNi最适合硬质合金刀具、车刀片最高工作温度： 800适合不銹钢钻、铣、冲加工颜色：银灰色可低温涂层，韧性好，适合低温Crotac硬度： 2100HV零件钛铬 _纳米晶体摩擦系数： 0.18VSNi适合冲压厚度 1.5mm的钢板最高工作温度： 700颜色：灰黑色高热稳定性ALuka硬度： 3300HV磨擦力低，不沾黏铬铝 _纳米晶体摩擦系数： 0.18VSNi适合冷

16、热段造、铸造高热稳定性最高工作温度： 1100适合长久在高温环境下使用的汽车零件颜色：灰黑色CrSiN 系硬度： 3000HV膜具高速加工，高光面加工铬硅 _纳米晶体摩擦系数： 0.16VSNi适合加工铜合金、镁铝合金抗氧化温度： 1000颜色：紫黑色ZrSiN 系硬度： 3400HV最适合 HSS刀具、丝攻锆硅 _纳米晶体摩擦系数： 0.22VSNi适合加工钛合金抗氧化温度： 850颜色：黄橙色表面硬度最高TiSiN 系硬度： 4300HV适合重切削与加工不銹钢钛硅 _纳米晶体摩擦系数： 0.25VSNi可加工高硬度模具钢 62HRC抗氧化温度： 1000颜色：银白色高热稳定性ALtimax硬度： 4300HV通用於高速钢与硬质合金刀具白金铝钛 _纳米晶体 摩擦系数： 0.21VSNi高速、干式、连续性切削抗氧化温度： 1200可加工高硬度模具钢 50HRC颜色：黑色Medica硬度硬度 17000 HV磨擦力最低，干式金属润滑膜WC/C润滑涂层摩擦系数： 0.10VSNi适合医疗、药品行业无油环境最高工作温度： 450颜色：黑色解决射出成型脱膜、腐蚀问题Drylub硬度 2000 HV适合汽车、机械零件降低磨擦损耗CrN-WC/C润滑涂层 摩擦系数： 0.10VSNi适合无油轴承，干式金属润滑膜最高工作温度： 650