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真空鍍膜介紹及簡單認知

發表時間:2018-03-15 08:38:56


真空鍍膜一種由物理方法產生薄膜材料的技術。在真空室內材料的原子從加熱源離析出來打到被鍍物體的表面上。此項技術最先用于生產光學鏡片,如航海望遠鏡鏡片等。后延伸到其他功能薄膜,唱片鍍鋁、裝飾鍍膜和材料表面改性等。如手表外殼鍍仿金色,機械刀具鍍膜,改變加工紅硬性。

簡介

       在真空中制備膜層,包括鍍制晶態的金屬、半導體、絕緣體等單質或化合物膜。雖然化學汽相沉積也采用減壓、低壓或等離子體等真空手段,但一般真空鍍膜是指用物理的方法沉積薄膜。真空鍍膜有三種形式,即蒸發鍍膜、濺射鍍膜和離子鍍。

真空鍍膜技術初現于20世紀30年代,四五十年代開始出現工業應用,工業化大規模生產開始于20世紀80年代,在電子、宇航、包裝、裝潢、燙金印刷等工業中取得廣泛的應用。真空鍍膜是指在真空環境下,將某種金屬或金屬化合物以氣相的形式沉積到材料表面(通常是非金屬材料),屬于物理氣相沉積工藝。因為鍍層常為金屬薄膜,故也稱真空金屬化。廣義的真空鍍膜還包括在金屬或非金屬材料表面真空蒸鍍聚合物等非金屬功能性薄膜。在所有被鍍材料中,以塑料最為常見,其次,為紙張鍍膜。相對于金屬、陶瓷、木材等材料,塑料具有來源充足、性能易于調控、加工方便等優勢,因此種類繁多的塑料或其他高分子材料作為工程裝飾性結構材料,大量應用于汽車、家電、日用包裝、工藝裝飾等工業領域。但塑料材料大多存在表面硬度不高、外觀不夠華麗、耐磨性低等缺陷,如在塑料表面蒸鍍一層極薄的金屬薄膜,即可賦予塑料程亮的金屬外觀,合適的金屬源還可大大增加材料表面耐磨性能,大大拓寬了塑料的裝飾性和應用范圍。

真空鍍膜的功能是多方面的,這也決定了其應用場合非常豐富??傮w來說,真空鍍膜的主要功能包括賦予被鍍件表面高度金屬光澤和鏡面效果,在薄膜材料上使膜層具有出色的阻隔性能,提供優異的電磁屏蔽和導電效果。

蒸發鍍膜:通過加熱蒸發某種物質使其沉積在固體表面,稱為蒸發鍍膜。這種方法最早由M.法拉第于1857年提出,現代已成為常用鍍膜技術之一。蒸發鍍膜設備結構如圖1。t016f583582aa1af0df.jpg

蒸發物質如金屬、化合物等置于坩堝內或掛在熱絲上作為蒸發源,待鍍工件,如金屬、陶瓷、塑料等基片置于坩堝前方。待系統抽至高真空后,加熱坩堝使其中的物質蒸發。蒸發物質的原子或分子以冷凝方式沉積在基片表面。薄膜厚度可由數百埃至數微米。膜厚決定于蒸發源的蒸發速率和時間(或決定于裝料量),并與源和基片的距離有關。對于大面積鍍膜,常采用旋轉基片或多蒸發源的方式以保證膜層厚度的均勻性。從蒸發源到基片的距離應小于蒸氣分子在殘余氣體中的平均自由程,以免蒸氣分子與殘氣分子碰撞引起化學作用。蒸氣分子平均動能約為0.1~0.2電子伏。

蒸發源有三種類型。①電阻加熱源:用難熔金屬如鎢、鉭制成舟箔或絲狀,通以電流,加熱在它上方的或置于坩堝中的蒸發物質(圖1[蒸發鍍膜設備示意圖]真空鍍膜)電阻加熱源主要用于蒸發Cd、Pb、Ag、Al、Cu、Cr、Au、Ni等材料;②高頻感應加熱源:用高頻感應電流加熱坩堝和蒸發物質;③電子束加熱源:適用于蒸發溫度較高(不低于2000[618-1])的材料,即用電子束轟擊材料使其蒸發。

蒸發鍍膜與其他真空鍍膜方法相比,具有較高的沉積速率,可鍍制單質和不易熱分解的化合物膜。

為沉積高純單晶膜層,可采用分子束外延方法。生長摻雜的GaAlAs單晶層的分子束外延裝置如圖2[ 分子束外延裝置示意圖真空鍍膜真空鍍膜]。噴射爐中裝有分子束源,在超高真空下當它被加熱到一定溫度時,爐中元素以束狀分子流射向基片?;患訜岬揭欢囟?,沉積在基片上的分子可以徙動,按基片晶格次序生長結晶用分子束外延法可獲得所需化學計量比的高純化合物單晶膜,薄膜最慢生長速度可控制在1單層/秒。通過控制擋板,可精確地做出所需成分和結構的單晶薄膜。分子束外延法廣泛用于制造各種光集成器件和各種超晶格結構薄膜。

濺射鍍膜

用高能粒子轟擊固體表面時能使固體表面的粒子獲得能量并逸出表面,沉積在基片上。濺射現象于1870年開始用于鍍膜技術,1930年以后由于提高了沉積速率而逐漸用于工業生產。常用的二極濺射設備如圖3[ 二真空鍍膜真空鍍膜極濺射示意圖]。通常將欲沉積的材料制成板材──靶,固定在陰極上?;糜谡龑Π忻娴?a target="_blank" style="margin: 0px; padding: 0px; color: rgb(19, 110, 194);" title="鏈接關鍵詞">陽極上,距靶幾厘米。系統抽至高真空后充入 10~1帕的氣體(通常為氬氣),在陰極和陽極間加幾千伏電壓,兩極間即產生輝光放電。放電產生的正離子在電場作用下飛向陰極,與靶表面原子碰撞,受碰撞從靶面逸出的靶原子稱為濺射原子,其能量在1至幾十電子伏范圍。濺射原子在基片表面沉積成膜。與蒸發鍍膜不同,濺射鍍膜不受膜材熔點的限制,可濺射W、Ta、C、Mo、WC、TiC等難熔物質。濺射化合物膜可用反應濺射法,即將反應氣體 (O、N、HS、CH等)加入Ar氣中,反應氣體及其離子與靶原子或濺射原子發生反應生成化合物(如氧化物、氮化物等)而沉積在基片上。沉積絕緣膜可采用高頻濺射法?;b在接地的電極上,絕緣靶裝在對面的電極上。高頻電源一端接地,一端通過匹配網絡和隔直流電容接到裝有絕緣靶的電極上。接通高頻電源后,高頻電壓不斷改變極性。等離子體中的電子和正離子在電壓的正半周和負半周分別打到絕緣靶上。由于電子遷移率高于正離子,絕緣靶表面帶負電,在達到動態平衡時,靶處于負的偏置電位,從而使正離子對靶的濺射持續進行。采用磁控濺射可使沉積速率比非磁控濺射提高近一個數量級。


蒸發物質的分子被電子碰撞電離后以離子沉積在固體表面,稱為離子鍍。這種技術是D.麥托克斯于1963年提出的。離子鍍是真空蒸發與陰極濺射技術的結合。一種離子鍍系統如圖4[離子鍍系統示意圖],將基片臺作為陰極,外殼作陽極,充入惰性氣體(如氬)以產生輝光放電。從蒸發源蒸發的分子通過等離子區時發生電離。正離子被基片臺負電壓加速打到基片表面。未電離的中性原子(約占蒸發料的95%)也沉積在基片或真空室壁表面。電場對離化的蒸氣分子的加速作用(離子能量約幾百~幾千電子伏)和氬離子對基片的濺射清洗作用,使膜層附著強度大大提高。離子鍍工藝綜合了蒸發(高沉積速率)與濺射(良好的膜層附著力)工藝的特點,并有很好的繞射性,可為形狀復雜的工件鍍膜。

離子鍍

蒸發物質的分子被電子碰撞電離后以離子沉積在固體表面,稱為離子鍍。這種技術是D.麥托克斯于1963年提出的。離子鍍是真空蒸發與陰極濺射技術的結合。一種離子鍍系統如圖4[離子鍍系統示意圖],將基片臺作為陰極,外殼作陽極,充入惰性氣體(如氬)以產生輝光放電。從蒸發源蒸發的分子通過等離子區時發生電離。正離子被基片臺負電壓加速打到基片表面。未電離的中性原子(約占蒸發料的95%)也沉積在基片或真空室壁表面。電場對離化的蒸氣分子的加速作用(離子能量約幾百~幾千電子伏)和氬離子對基片的濺射清洗作用,使膜層附著強度大大提高。離子鍍工藝綜合了蒸發(高沉積速率)與濺射(良好的膜層附著力)工藝的特點,并有很好的繞射性,可為形狀復雜的工件鍍膜。圖片關鍵詞



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