浅析真空镀膜技术及发展趋势

陈健鹏

摘要：本文首先介绍了真空下各种镀膜技术的基本概念,然后讨论了各种镀膜装置的镀膜方式、特点和应用，最后分析真空镀膜技术的发展趋势。

关键词：真空；镀膜技术；发展趋势

1真空镀膜技术的基本概念

镀膜方法可以分为气相生成法、氧化法、离子注人法、扩散法、电镀法、涂布法、液相生长法等。气相生成法又可以分为物理气相沉积法、化学气相沉积法和放电聚合法等。本文主要介绍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。

2物理气相沉积法

真空蒸发、溅射镀膜和离子镀等通常称为物理气相沉积法,是基本的薄膜制备技术。它们都要求淀积薄膜的空间要有一定的真空度。所以,真空技术是薄膜制作技术的基础,获得并保持所需的真空环境,是镀膜的必要条件。

2.1真空蒸发镀膜法

真空蒸发镀膜法(简称真空蒸镀)是在真空室中,加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料,使其原子或分子从表面气化逸出,形成蒸气流,入射到固体表面,凝结形成固态薄膜的方法。蒸发源是蒸发装置的关键部件,根据蒸发源不同,真空蒸发镀膜法又可以分为下列几种:(1)电阻蒸发源蒸镀法。利用电阻加热器加热蒸发的镀膜机构造简单、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。迄今为止,在镀铝制镜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。据日本专利5报道,可采用20%一30%的氮化硼和能与其相熔的耐火材料所组成的材料来制造增祸,并在表面涂上一层含62%一82%的错,其余为错硅合金材料。(2)电子束蒸发源蒸镀法。电子束蒸发源的优点为:l)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。可在一个不太小的面积达到104到109W/cm2的功率密度,因此可以使高熔点(可高达3000℃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增祸内,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增涡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:l)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,J甘祸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:I)必须采用抗热震性好、高温化学性能稳定的氮化硼钳祸;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。(4)激光束蒸发源蒸镀法。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器对被镀材料的污染,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“闪光蒸发”。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但是,由于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,目前尚不能在工业中广泛应用。

2.2溅射镀膜

所谓“溅射”是指荷能粒子轰击固体表面(靶),使固体原子(或分子)从表面射出的现象。射出的粒子大多呈原子状态,通常称为溅射原子。用于轰击靶的荷能粒子可以是电子、离子或中性粒子,因为离子在电场下易于加速并获得所需动能,因此大多采用离子作为轰击粒子。该粒子又称入射离子。由于直接实现溅射的机构是离子,所以这种镀膜技术又称为离子溅射镀膜或淀积。

2.3离子镀膜

根据不同膜材的气化方式和离化方式,可构成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:l)直流二极型(DCIP)。利用电阻或电子束加热使膜材气化;被镀基体做为阴极,利用高电压直流辉光放电将充人的气体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人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,有时需要对基板加势;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(ARE)。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O2、N2、C2H2、CH4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AL2O3、TIN、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、耐膜镀层、机械制品。

3真空镀膜技术的发展趋势

目前计算机和信息技术的基础是超大规模集成电路;但下个世纪的基本元件将是纳米电子集成电路。它是微电子器件的下一代,有自己的理论、技术和材料。现有微电子器件的主要材料是极纯的硅、锗和稼砷等晶体半导体。纳米电子器件有可能是以有机或有机/无机复合晶体薄膜为主要原料,要求纯度更高,结构更完善。真空制备的清洁环境,有希望加工组装出纳米电子器件所要求的结构。另据文献报道,利用真空镀膜技术可以制备出纳米电子器件进行组装所要求的平整基底。

4结束语

综上所述，表面和薄膜科学、微电子器件及纳米技术等的迅速发展,将使仪器开发和监测方法体系研究成为真空镀膜技术中的发展重点;而电子束蒸发源将是真空镀膜技术中的一种重要的加热方法和发展方向。

参考文献：

[1]吴建生,张寿柏编著.《材料制备新技术》,上海:上海交通大学出版社,1996年3月.

[2]杨邦朝,王文生.《薄膜物理与技术》,电子科技大学出版社,1994年1月.

[3]日本专利;PJ昭52一10084.