镀膜技术
摘要：机械零件的失效多数是因为表面发生磨损、腐蚀。人们早就认识到，通过改变零件表面的成分结构，能有效的改变零件的性能，延长其寿命。阐述了几种常见镀膜工艺的特点，进行工艺比较，结合当前的实际应用对镀膜的应用做了一定的归纳和总结，对未来镀膜工艺进行展望。
关键词：镀膜技术 工艺原理 应用
一.引言
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。镀膜技术是最初起源于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[1]。
气相沉积技术是利用气相之间的反应，在各种材料或制品表面沉积单层或多层薄膜，从而使材料或制品获得所需的各种优异性能。气相沉积技术按机理分为物理气相沉积[2](Physical Vapor Deposition, PVD)和化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition, CVD)。
物理气相沉积法真空镀膜技术(由于这种方法基本上都是处于真空环境下进行的，因此称它们为真空镀膜技术)。真空镀膜技术是一种新颖的材料合成与加工的新技术，是表面工程技术领域的重要组成部分。真空镀膜技术是使置待镀金属和被镀塑料制品位于真空室内，采用一定方法加热待镀材料，使金属蒸发或升华，金属蒸汽遇到冷的塑料制品表面凝聚成金属薄膜。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[4]，即蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀。 二.物理气相沉积 2.1 真空蒸镀 2.1.1 真空蒸镀原理
真空蒸镀是将沉积材料与工件同放在真空室中，然后加热沉积材料使之迅速熔化蒸发，当蒸发原子与冷工件表面接触后便在工件表面上凝结形成具有一定厚度的沉积层[5]。
图 1 真空蒸镀示意图
工艺原理：
1）在真空室中，膜料被加热变成蒸发原子，蒸发原子在真空条件下不与残余气体分子碰撞而到达工件表面；
2）蒸发原子与基材碰撞后一部分被反射，另一部分被吸附； 3）吸附原子在基材表面发生表面扩散；
4）沉积原子之间产生两维碰撞，形成簇团，有的在表面停留一段时间后再蒸发； 5）原子簇团与扩散原子相碰撞，或吸附单原子，或放出单原子，这种过程反复进行；
6）当原子数超过某一临界值时就变为稳定核，再不断吸附其他扩散原子而逐步长大，最后与邻近稳定核合并进而变成连续膜。
2.1.2 真空蒸镀的方法[5]
图 2 蒸发镀膜设备示意图
1）电阻蒸发源蒸镀法
采用钽、钼、钨等高熔点金属，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Al203、BeO等坩埚中进行间接加热蒸发，这就是电阻加热蒸发法。
利用电阻加热器加热蒸发的优点：镀膜机构造简单，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。 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。
2）电子束蒸发源蒸镀法
将蒸发材料放入水冷铜坩埚中，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。依靠电子束轰击蒸发的真空蒸镀技术，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。
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。可以使高熔点(可高达3000°C以上)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埚内，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。
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埚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)，致使蒸发材料升温，直至气化蒸发。膜材的体积越小，感应的频率就越高。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，坩埚可选用和蒸发材料反应最小的材料；④蒸发源一次装料，无需送料机构，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埚；②蒸发装置必须屏蔽，并需要较复杂和昂贵的高频发生器：③如果线圈附近的压强超过10-2Pa，高频场就会使残余气体电离，使功耗增大。 2.2 溅射镀膜 2.2.1 溅射镀膜原理[5]
溅射镀膜是利用溅射现象来达到制取各种薄膜的目的，即在真空室中利用荷能离子轰击靶表面，使被轰击出的粒子在基底上沉积的技术。
图 3 溅射镀膜原理图
1） 溅射现象 用几十电子伏或更高动能的荷能粒子轰击材料表面，使其原子获得足
够的能量而溅出进入气相，这种溅出的、复杂的粒子散射过程称为溅射。被轰击的材料称为靶。由于离子易于在电磁场中加速或偏转，所以荷能粒子一般为离子，这种溅射称为离子溅射。
2）辉光放电 辉光放电是在10-2Pa-10Pa真空度范围内，在两个电极之间加上高压时产生的放电现象。它是离子溅射镀膜的基础，即离子溅射镀膜中的入射离子一般利用气体放电法得到。 2.2.2 磁控离子溅射
在真空磁控离子溅射过程中，磁场被施加在溅射靶的表面以限制高密度的等离子体。氩离子被加速打在加有负电压的阴极（靶材）上。离子与阴极的碰撞使得靶材被溅射出带有平均能量4 - 6 eV的颗粒。这些颗粒沉积在放于靶前方的被镀工件上，形成薄膜。
图 4 真空离子溅射系统简图
2.2.3 磁控溅射的应用
镀膜技术
