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中國電鍍網(wǎng)訊：近20 年來，由于電子器件的小型化、高可靠性和超集成度以及各尖端科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，需要制備各種特殊功能的鍍層。這種需求促進(jìn)了物理氣相沉積(簡稱PVD，亦稱真空鍍)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。
物理氣相沉積是指在真空條件下，將金屬氣化成原子或分子，或者使其離子化成離子，直接沉積到鍍件表面上的方法。物理氣相沉積的主要方法有蒸發(fā)鍍、濺射鍍和離子鍍。這些方法能夠鍍覆鈦、鋁以及某些高熔點材料，這些用水溶液電沉積方法一般是不容易實現(xiàn)的。若在物理氣相沉積中引入一些反應(yīng)(稱為反應(yīng)性PVD，可以制造(Tic、Al2O3、AlN、TiN及SiC)等化合物薄層，這些陶瓷薄層具有耐磨、耐熱等特殊性能，有著重要的用途。
蒸發(fā)鍍是在真空條件下，加熱熔融金屬，使蒸發(fā)的金屬原子或分子沉積在鍍件的表面，形成金屬膜的方法。
濺射鍍是在真空條件下導(dǎo)入氬氣，使之輝光放電，帶正電的氬離子(Ar+)在強電場的作用下轟擊陰極，使構(gòu)成陰極的原子被濺射到鍍件表面形成膜層的方法。
離子鍍是在真空條件下，以惰性氣體(Ar)和反應(yīng)氣體(O2、N2、NH4)作介質(zhì)，利用氣體放電而發(fā)生離子化的部分蒸發(fā)物質(zhì)的離子、中性粒子和非活性氣體，一面轟擊帶負(fù)高壓的鍍件表面，一面生長成膜的方法。
以上三種方法中，蒸發(fā)鍍是比較早的PVD工藝，結(jié)合力較低，在機件上已不多用;而后兩種方法所制得的膜層結(jié)合力較高，應(yīng)用范圍正在擴大。后兩種方法的特點是：(1)依靠Ar的輝光放電產(chǎn)生的離子濺射效應(yīng)使工件表面凈化，使表面在整個鍍覆過程中均能保持清潔;(2)蒸發(fā)或濺射的原子或分子被離解和加速，具有較高的能量，可以得到密度高的、結(jié)合力高的涂層;(3)基體表面由于受高能粒子的轟擊，溫度升高，可生成微觀合金層，從而進(jìn)一步提高涂層結(jié)合力;(4)除金屬外，陶瓷、玻璃、塑料等表面上都可涂覆，得到粘著性良好的涂層;(5)處理溫度較低，避免了工件變形及退火軟化現(xiàn)象;(6)一般無需再加工：(7)采用反應(yīng)性PVD能得到各種金屬氧化物、碳化物和氮化物涂層;(8)無公害。
PVD法已廣泛用于機械、航空、電子、輕工和光學(xué)等工業(yè)部門中制備耐磨、耐蝕、耐熱、導(dǎo)電、磁性、光學(xué)、裝飾、潤滑、壓電和超導(dǎo)等各種鍍層。隨著PVD設(shè)備的不斷完善、大型化和連續(xù)化，它的應(yīng)用范圍和可鍍工件尺寸不斷擴大，已成為國內(nèi)外近20 年來爭相發(fā)展和采用的先進(jìn)技術(shù)之一。
一 蒸發(fā)鍍膜技術(shù)
一、蒸發(fā)原理
在高真空中用加熱蒸發(fā)的方法使鍍料轉(zhuǎn)化為氣相，然后凝聚在基體表面的方法稱蒸發(fā)鍍膜(簡稱蒸鍍)。蒸發(fā)鍍膜過程由鍍材物質(zhì)蒸發(fā)、蒸發(fā)材料粒子的遷移和蒸發(fā)材料粒子在基板表面沉積三個過程組成。
蒸發(fā)鍍膜是物理氣相沉積的一種，與濺射鍍膜和離子鍍膜相比有如下優(yōu)缺點：設(shè)備簡單可靠、工藝容易掌握、可進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，鍍膜的形成機理比較簡單，多數(shù)物質(zhì)均可采用真空蒸發(fā)鍍膜;但鍍層與基片的結(jié)合力差，高熔點物質(zhì)和低蒸氣壓物質(zhì)的鍍膜很難制作，如鉑、鋁等金屬，蒸發(fā)物質(zhì)所用坩堝材料也會蒸發(fā)，混入鍍膜之中成為雜質(zhì)。
二、蒸發(fā)源
蒸發(fā)鍍膜需要將鍍層材料加熱變成蒸氣原子，蒸發(fā)源是其關(guān)鍵部位，大多數(shù)金屬材料都要在1000-2000的溫度下蒸發(fā)。因此，必須將材料加熱到這樣高的溫度。常用的加熱方法有：電阻法、電子束法、高頻法等。
(一)電阻蒸發(fā)源
把絲狀或片狀的高熔點金屬(如W、Mo、Ta等)做成適當(dāng)形狀的蒸發(fā)源，其上裝有待蒸發(fā)材料，接通電源，蒸鍍材料蒸發(fā)，這便是電阻加熱法。此種方法主要用于低熔點金屬或化合物，如金、銀、銅、鋁、氯化鉻等。
電阻加熱法還應(yīng)考慮蒸發(fā)材料與鍍膜材料之間產(chǎn)生反應(yīng)和擴散而形成化合物和合金的問題。如鉭和金在高溫時形成合金，又如高溫時鋁、鐵、鎳等也會與鎢、鉑、鉭等蒸發(fā)源形成合金。一旦形成合金，熔點下降，蒸發(fā)源容易燒斷。因此，蒸發(fā)源應(yīng)選擇不與鍍膜材料形成合金的材料。
(二)電子束蒸發(fā)源
將蒸鍍材料放入水冷銅坩堝中，直接用電子束加熱，稱為電子束加熱法。電子發(fā)射源通常用熱的鎢陰極，電子加速電壓為5-10KV、電流為幾百毫安、功率為1-6KW。電子束加熱蒸鍍具有如下特點：
1、熱可直接加在蒸發(fā)材料上。
2、盛放蒸發(fā)材料的容器可以是冷的，這就避免了容器參加反應(yīng)和容器材料不必要的蒸發(fā)。
3、可以蒸發(fā)諸如鉭和鎢等類高溫金屬。但電子束加熱蒸鍍法存在裝置較復(fù)雜、殘余氣體分子和蒸發(fā)材料蒸氣的一部分會被電子電離、多數(shù)化合物由于電子轟擊而部分分解等缺點。
(三)高頻感應(yīng)加熱蒸發(fā)源
在高頻感應(yīng)線圈中放入鍍膜材料及坩堝進(jìn)行高頻感應(yīng)加熱，使坩堝中鍍膜材料蒸發(fā)。此法主要用于鍍鋁。如果鍍膜材料為非導(dǎo)體，可將坩堝用導(dǎo)電材料來做。這種加熱蒸發(fā)方式的特點是加熱效率高，蒸發(fā)量大，設(shè)備簡單，所以已得到了工業(yè)性的應(yīng)用。
三、膜層鍍制
(一)合金膜的鍍制
如果要沉積合金，則在整個基片表面和膜層厚度范圍內(nèi)都必須得到均勻的組分。有兩種基本方式：閃蒸蒸鍍法和多蒸發(fā)源蒸鍍法。
閃蒸蒸鍍法就是把合金做成粉末或者細(xì)的顆粒，放入能保持高溫的加熱器和坩堝之類的蒸發(fā)源中，使一個一個的顆粒在一瞬間完全蒸發(fā)。
多蒸發(fā)源蒸鍍法是在制作由多種元素組成的合金鍍膜時，把這些元素分別裝入隔開的幾個坩堝中，坩堝數(shù)量按合金元素的多少來確定。然后獨立地控制各坩堝所在蒸發(fā)源的蒸發(fā)，設(shè)法使到達(dá)基片上的各種原子與所需鍍膜組成相對應(yīng)。
(二)化合物的鍍制
大多數(shù)的化合物在熱蒸發(fā)時會全部或部分分解，所以用簡單的蒸鍍技術(shù)無法由化合物鍍料鍍制出組成符合化學(xué)比的膜層。但有一些化合物，如氯化物、硫化物和硒化物，甚至少數(shù)氧化物如B2O3、SnO可以采用蒸鍍。因為它們很少分解或者當(dāng)其凝聚時各種組元又重新化合。
(三)高熔點化合物的鍍制
氧化物、碳化物、氮化物等材料的熔點一般很高，而且制取這類化合物的費用也很昂貴，因此常采用“反應(yīng)蒸鍍法”鍍制這類化合物薄膜。如Tic、Cr2O3、SiO2、Ta2O5、ZrN、Al2O3、AlN、TiN及TiC等。反應(yīng)蒸鍍法就是在充滿活性氣體的氣氛中蒸發(fā)固體材料，使兩者在基片上進(jìn)行反應(yīng)而形成化合物鍍膜。例如鍍制，TiC) 是在蒸鍍T的同時，向真空室通入乙炔氣，于是在基片上Ti 與乙炔發(fā)生反應(yīng)而得到Tic膜層。如果在蒸發(fā)源和基板之間形成等離子體，則可提高反應(yīng)氣體的能量、離化率和相互間的化學(xué)反應(yīng)程度，這稱為“活性反應(yīng)蒸鍍”。
(四)離子束輔助蒸鍍法
蒸發(fā)原子或分子到達(dá)基材表面時能量很低(約0.2ev)，加上已沉積粒子對后來飛達(dá)的粒子造成陰影效果，使膜層呈含有較多孔隙的柱狀顆粒狀聚集體結(jié)構(gòu)，結(jié)合力差，又易吸潮和吸附其他氣體分子而造成性質(zhì)不穩(wěn)定。為改善這種狀況，可用離子源進(jìn)行轟擊，鍍膜前先用數(shù)百電子伏的離子束對基材轟擊清洗和增強表面活性，然后蒸鍍中用低能離子束轟擊。例如用錳離子束輔助蒸鍍Zns，得到電致發(fā)光薄膜Zns:Mn。另外還可用這種方法制備化合物薄膜等。
(五)非晶蒸鍍法
采用快速蒸鍍，有利于非晶薄膜的形成Si、Ge 等共價鍵元素和某些氧化物、碳化物、鈦酸鹽、鉛酸鹽、錫酸鹽等在室溫或其以上溫度下可得到非晶薄膜，而純金屬等需在液氦溫度附近的J基板上才能形成非晶薄膜。采用金屬或非金屬元素或兩種在高濃度下互不相溶的金屬元素共同蒸鍍，比純金屬容易形成非晶薄膜。另外也可通過加入降低表面遷移率的某些氣體或離子來獲得非晶薄膜。非晶薄膜往往有一些獨特的性能和功能，具有重要用途。
(六)分子束外延(MBE)
分子束外延法是從雙蒸發(fā)源蒸鍍法發(fā)展起來的。這里簡單介紹一下，將在后文著重敘述。它是在超高真空條件下，精確控制蒸發(fā)源給出的中性分子束流，使其在基片上外延成膜的技術(shù)。經(jīng)過10余年的開發(fā)，這種方法已用于制作單晶體化合物鍍膜，特別是用來制作III-IV族化合物鍍膜。
外延是指在單晶基體上成長出位向相同的同類單晶體(同質(zhì)外延)，或者成長出具有共格或半共格聯(lián)系的異類單晶體(異質(zhì)外延)。目前分子束外延的膜厚控制水平已經(jīng)達(dá)到單原子層，甚至知道某一單原子層是否已經(jīng)排滿，而另一層是否已經(jīng)開始成長。
四、蒸鍍用途
蒸鍍只用于鍍制對結(jié)合強度要求不高的某些功能膜，例如用作電極的導(dǎo)電膜、光學(xué)鏡頭用的增透膜等。
蒸鍍用于鍍制合金膜時，在保證合金成分這點上，要比濺射困難得多，但在鍍制純金屬時，蒸鍍可以表現(xiàn)出鍍膜速率快的優(yōu)勢。
蒸鍍純金屬膜中90%是鋁膜。鋁膜有廣泛的用途，目前在制鏡工業(yè)中已經(jīng)廣泛采
用蒸鍍，以鋁代銀，節(jié)約貴重金屬。集成電路是鍍鋁進(jìn)行金屬化，然后再刻蝕出導(dǎo)線。在聚酯薄膜上鍍鋁具有多種用途：制造小體積的電容器;制作防止紫外線照射的食品軟包裝袋;經(jīng)陽極氧化和著色后即得色彩鮮艷的裝飾膜。雙面蒸鍍鋁的薄鋼板可代替鍍錫的馬口鐵制造罐頭盒。
