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真空镀膜技术一、概述真空镀膜技术是一种利用真空条件下的物理或化学反应，将金属或非金属材料沉积在基材表面形成一层薄膜的技术。
该技术具有广泛的应用领域，包括光学、电子、医疗、环保等。
二、原理真空镀膜技术利用真空条件下的物理或化学反应，将金属或非金属材料沉积在基材表面形成一层薄膜。
其主要原理包括：1. 离子镀膜：利用离子轰击基材表面使其表面活性增强，然后通过离子束轰击目标材料产生离子和原子，最终在基材表面形成一层薄膜。
2. 蒸发镀膜：将目标材料加热至其沸点以上，在真空环境中使其升华并沉积在基材表面形成一层薄膜。
3. 磁控溅射镀膜：利用高能量离子轰击靶材产生靶材原子，并通过磁场控制靶材原子沉积在基材表面形成一层薄膜。
三、设备真空镀膜技术需要使用专门的设备，主要包括：1. 真空镀膜机：包括离子镀膜机、蒸发镀膜机和磁控溅射镀膜机等。
2. 真空泵：用于将反应室内的气体抽出，使其达到真空状态。
3. 控制系统：用于控制反应室内的温度、压力、离子束能量等参数。
四、应用真空镀膜技术具有广泛的应用领域，包括：1. 光学：利用金属或非金属材料在基材表面形成一层反射或透过特定波长光线的薄膜，制作光学器件如反射镜、滤光片等。
2. 电子：利用金属或非金属材料在基材表面形成一层导电或绝缘的薄膜，制作电子元器件如晶体管、集成电路等。
3. 医疗：利用金属或非金属材料在基材表面形成一层生物相容性好的涂层，制作医疗器械如人工关节、心脏起搏器等。
4. 环保：利用金属或非金属材料在基材表面形成一层具有催化作用的薄膜，制作环保设备如汽车尾气净化器、工业废气处理设备等。
五、优势真空镀膜技术具有以下优势：1. 薄膜厚度可控：通过控制反应条件和时间，可以精确控制薄膜的厚度。
2. 薄膜质量高：在真空环境中进行反应，可以避免杂质和气体的污染，从而保证薄膜质量高。
3. 应用广泛：真空镀膜技术可以应用于多种材料和领域，具有广泛的应用前景。
六、挑战真空镀膜技术面临以下挑战：1. 成本高：真空镀膜设备和耗材成本较高，限制了其在大规模生产中的应用。
介绍一下我所了解的，真空镀分为蒸发镀、溅射镀、离子镀等几种，所用材料可以是金属也可以是非金属，如氧化物等，可以实现许多颜色，如镀铝达到镜面银、镀镍就是镜面灰，还可以镀不锈钢、铬、锡等，按导不导电分，有VM和NCVM，用在电子行业，一般还要配套的印刷油墨和喷涂涂料，要能通过相关测试。
一般镀膜都要先喷底漆再镀，然后喷面漆，镀在塑料键的背面就一般不用喷面漆，而改为印刷保护油墨。
为实现各种颜色效果，有印刷颜色后再镀，有喷涂颜色后镀，还可以在镀完后喷有颜色的中涂，然后喷面漆，可以实现镭雕字符。
目前在手机按键行业，为防止电池干扰，NCVM（不到电镀）较流行，有镀Sｎ的或铟的，有镀铬及SｉO的，对了，镀氧化硅的对油墨要求高，喷涂的、印刷的。
真空镀膜中常用的方法有真空蒸发和离子溅射。
真空蒸发镀膜是在真空度不低于10-2Pa的环境中，用电阻加热或电子束和激光轰击等方法把要蒸发的材料加热到一定温度，使材料中分子或原子的热振动能量超过表面的束缚能，从而使大量分子或原子蒸发或升华，并直接沉淀在基片上形成薄膜。
离子溅射镀膜是利用气体放电产生的正离子在电场的作用下的高速运动轰击作为阴极的靶，使靶材中的原子或分子逸出来而沉淀到被镀工件的表面，形成所需要的薄膜。
真空蒸发镀膜最常用的是电阻加热法，其优点是加热源的结构简单，造价低廉，操作方便；缺点是不适用于难熔金属和耐高温的介质材料。
电子束加热和激光加热则能克服电阻加热的缺点。
电子束加热上利用聚焦电子束直接对被轰击材料加热，电子束的动能变成热能，使材料蒸发。
激光加热是利用大功率的激光作为加热源，但由于大功率激光器的造价很高，目前只能在少数研究性实验室中使用。
溅射技术与真空蒸发技术有所不同。
“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，常称为溅射原子。
用于轰击靶的溅射粒子可以是电子，离子或中性粒子，因为离子在电场下易于加速获得所需要动能，因此大都采用离子作为轰击粒子。
真空电镀技术技巧溅射镀膜与真空蒸发镀膜相比，有如下优点：可实现大面积沉积，可进行大规模连续生产;任何物质均可以溅射，尤其是高熔点、低蒸气压元素及化合物;溅射镀膜组织致密，无气孔，与基材的附着性好。
但也存在溅射设备复杂、需要真空系统及高压装置、溅射沉积速度慢等不足。
20世纪50年代有人利用溅射现象在实验室中制成薄膜。
20世纪60年代制成集成电路的Ta膜，开始了它在工业上的应用。
1965年)IBM公司研究出射频溅射法，使绝缘体的溅射镀膜成为可能。
以后又发展了很多新的溅射方法，研制出多种溅射镀膜装置如二极溅射、三极溅射、四极溅射、磁控溅射、离子束溅射、反应溅射、偏压溅射、射频溅射等方法。
一、溅射镀膜方法(一)直流二极溅射二极溅射是最早采用的一种溅射方法。
它是以镀膜材料为阴极，而被镀膜材料为阳极。
阴极上接1-3KV 的直流负高压，阳极通常接地。
工作时先抽真空，再通氩气，使真空室内达到溅射气压。
接通电源，阴极靶上的负高压在两极间产生辉光放电并建立起一个等离子区，其中带正电的氩离子在阴极附近的阴极电位降作用下，加速轰击阴极靶，使靶物质表面溅射，并以分子或原子状态沉积在基片表面，形成靶材料的薄膜。
这种装置的最大优点是结构简单，控制方便。
缺点有：因工作压力较高膜层有玷污;沉积速率低，不能镀10um以上的厚膜;由于大量二次电子直接轰击基片使基片温升过高。
(二)三极溅射三极溅射是在二极溅射的装置上附加一个电极———热阴极，发射热电子，热电子在电场吸引下穿过靶与基极间的等离子体区，使热电子强化放电，它既能使溅射速率有所提高，又能使溅射工况的控制更为方便。
电流密度提高到1-3mA/cm2，靶电压降至1-2kv。
热阴极0-50v负偏压。
这样，溅射速率提高，由于沉积真空度提高，镀层质量得到改善。
(三)四极溅射在三极溅射的基础上在镀膜室外附加一个聚束线圈，也称为辅助阳极或稳定电极。
聚束线圈的作用是将电子汇聚在靶阴极和基片阳极之间，其间形成低电压、大电流的等离子体弧柱，大量电子碰撞气体电离，产生大量离子。
85真空镀膜真空镀膜，是指在真空中把蒸发源加热蒸发或用加速离子轰击溅射，沉积到基片表面形成单层或多层薄膜。
真空镀膜技术发展很快，从四十年代开始，到如今已成为以电子学为中心的电子、光学、钟表、宇航等工业部门不可缺少的新技术、新方法。
有着十分广泛的应用前途。
现以真空蒸镀、真空溅射为例，介绍真空镀膜的基本原理和工艺过程。
其它镀膜方法，如离子蒸镀、气相沉积等，可参阅有关著作。
原理1．真空蒸发镀膜蒸发镀膜，要求从蒸发源出来的蒸汽分子或原子，到达被镀膜基片的距离要小于镀膜室内残余气体分子的平均自由程，这样才能保证蒸发物的蒸汽分子能无碰撞地到达基片表面。
保证薄膜纯净和牢固，蒸发物也不至于氧化。
气体分子运动平均自由程公式：p pd kT321076.3 2-´@=p l （米） (3-2-1)式中：d 为分子直径，T 为环境温度（K ），p 为气体压强（帕）。
对于蒸发源到基片的距离为0.15～0.25米的镀膜装置，镀膜室的真空度须在101025--~帕之间才能满足要求。
根据克拉贝龙方程TB A ogP V -= （式中A 和B 是与物质有关的常数），物质的蒸气压p V 是温度T 的函数。
对于质量为M 的物质，其蒸发率可用下式表示 21) 2/( kT M P G v p =21 4)/(1037.4T M P v -´@（克·厘米-2·秒-1) (3-2-2)上式中M 的单位是分子量，蒸气压V p 单位a p 。
由上式可知，蒸发物的温度决定蒸发率的大小。
一些金属的蒸发温度见表(3-2-1)，蒸发物在加热蒸发过程中会释放气体，将使镀膜室内压强上升，影响镀膜质量，故镀膜机构抽速要配备适当，使镀膜室内维持所需真空度；相应地要把加热蒸发过程分成两步进行，先用挡板遮住被镀基片，进行®预熔蒸发®一段时间，然后再适当提高加热温度，移开挡板正式蒸镀。
基片的表面状态对薄膜的结构也有影响，如果基片光洁度高，表面清洁，则所获得的膜层结构致密，容易结晶，附着力也强，否则相反。
真空镀膜2005年上学期期末实验论文物理学院：王飞一、镀膜技术的历史保护膜化学镀膜1817年减反射膜1930年出现了油扩散泵－机械泵抽气系统（条件）1935年单层减反射膜1938年双层减反射膜蒸镀1965年三层减反射膜真空镀膜1937年通用公司第一盏镀铝灯1939年介质薄膜型干涉滤管片1970年出现磁控溅射技术磁控溅射1975年磁控溅射设备商品化80年代后磁控溅射技术工业化二、真空蒸镀铝膜原理：即在真空中将蒸镀材料加热蒸发产生蒸气，使其附着在基板上凝聚成薄膜。
真空蒸镀属于物理气相沉积法。
内容：在两块玻璃上镀制高反射铝膜，将其组装成法布里－珀罗干涉仪，并观察氢光谱的干涉条纹。
高反射膜镜组成的谐振腔是法布里－珀罗干涉仪的重要组成部分。
三、高反射金属膜1.金属膜反射原理：金属中的外壳层电子(自由电子)并没有被原子核束缚, 当金属被光波照射时, 光波的电场使自由电子吸收了光的能量, 而产生与光相同频率的振荡, 此振荡又放出与原来光线相同频率的光, 称为光的反射。
这种电子的振荡随着深度的增加而减小, 使电子振荡的振幅减小到原来1/e时(e为自然对数)的深度称为穿透深度, 此穿透深度决定了金属是透明还是反射,通常大部份金属的穿透深度只有几十或几百纳米，穿透深度δ与金属的基本性质的关系如下公式:δ=sqrt(λ/πcμσ) (1)λ：真空中光的波长，c：光速，μ：导磁系数，σ：静导电系数。
由此公式可以了解,光线的波长愈长愈容易穿透金属,金属的导电系数σ愈高, 穿透深度越浅反射率愈高。
因此金属反射膜大都使用高导电率的金、银、铝与铜等材料。
2.金属膜的特点常用的金属反光膜：铝膜、银膜、金膜、铑膜、铬膜等。
其中铝膜应用最广泛。
实验镀的铝膜：在整个光谱区域（紫外、可见、红外）都有较高的反射率，对光的入射角和偏振态不敏感，成本低，易于蒸发，与玻璃的结合力强。
但其缺点是不耐久，铝膜材质较软而且容易氧化，反射率相对较低。
通常用于背反射膜，当用于前反射膜时，一般其表面必需镀上保护膜，也可以镀上金属或非金属膜来提高在特定波长的反射率。
第二讲：真空物理基础（上）作者:张世伟2对于任何一种真空产品或一项真空工艺，都有着专门的物理知识作为其工作原理的基础。
但本次讲座所要介绍的，仅仅是那些在真空行业的各个领域中都会经常遇到的最基本的物理知识。
主要包括气体及蒸汽的性质及其内部各种动力过程的规律(空间过程)、气体与固体间的作用规律(器壁过程)以及气体流动的规律。
限于篇幅，每个方面只能作简单的介绍。
一、理想气体定律首先应该说明，本节及以后几节中所介绍的定律和公式，是针对平衡状态下的理想气体得出的。
不过，常温(与室温相比)低压(相对大气压而言)下的各种气体都可以看作是近似程度相当好地理想气体，因此，我们可以放心地把这些定律和公式应用于真空工程的绝大部分计算之中。
这其中包括通常所涉及到的各种气体，甚至于接近饱和的蒸汽(如水蒸汽)；也包括各类气体状态过程，甚至于明显的非平衡状态(如气体的流动过程)。
气体的压力p(Pa)、体积V(m3)、温度T(K)和质量m(kg)等状态参量间的关系，服从下述气体实验定律：1、波义耳～马略特定律：一定质量的气体，若其温度维持不变，气体的压力和体积的乘积为常数pV = 常数 (1)2、盖·吕萨克定律：一定质量的气体，若其压力维持不变，气体的体积与其绝对温度成正比V/T = 常数 (2)3、查理定律：一定质量的气体，若其体积维持不变，气体的压力与其绝对温度成正比。
p/T = 常数 (3)上述三个公式习惯上称为气体三定律。
具体应用方式常为针对由一个恒值过程连结的两个气体状态，已知3个参数而求第4个参数。
例如：初始压力和体积为P1、V1，的气体，经等温膨胀后体积变为V2，则由波义耳--马略特定律，可求得膨胀后的气体压力为P2 = P1V1/V2。
这正是各种容积式真空泵最基本的抽气原理。
4、道尔顿定律：相互不起化学作用的混合气体的总压力等于各种气体分压力之和。
P = P1 + P2+····+ P n (4)这里所说的混合气体中某一组分气体的分压力，是指这种气体单独存在时所能产生的压力。
道尔顿定律表明了个组分气体压力的相互独立和可线性叠加的性质。
5．阿佛加德罗定律：等体积的任何种类气体，在同温度同压力下均有相同的分子数；或者说，在温度同压力下，相同分子数目的不同种类气体占据相同的体积。
1mol任何气体的分子数目叫做阿佛加德罗数，N A= 6.022×1023mol-1。
在标准状态下(p o= 1.01325×105Pa，T o = 0o C），1mol任何气体的体积称为标准摩尔体积，V o= 2.24×10-2m3mol-1。
根据上述气体定律，可得到反映气体状态参量p、V、T、m之间定量关系的理想气体状态方程：pV = m/M(RT) (5)式中的M为气体的摩尔质量（kg/mol），R为普适气体常数，R=8.31J/（mol·K）。
在已知p、V、T、m四参量中的任意三个量时，可由此式求出另外一个值。
例如气体的质量m = pVM/（RT）一定质量的气体，由一个状态（参量值为p1、V1、T1）经过任意一个热力学过程(不必是恒值过程)变成另一状态(参量值为p2、V2、T2)，根据状态方程，可得到关系式：p1V1/T1 = p2V2/T2 (6) 对（5）变换，还可计算单位体积空间内的气体分子数目和气体质量，即气体分子数密度n（m-3）和气体密度p（kg/m3）n = mN A/MV = pN A/RT = p/kT (7)p = m/V = pM/RT (8)系数k = R/N A= 1.38×1023J/K 称为波尔兹曼常数。
二、气体分子运动论基础1. 处于平衡状态的理想气体分子，其热运动速度的分布服从麦克斯韦速度分布定律。
气体分子热运动率介于v～v+dv之间的几率为dN/N = F（v）dv = 4π（m o/2πkT）3/2·exp·（-m o v2/2kT）·v2dv (9)式中F（v）是速率v（m/s）的连续函数，称为速率分布函数。
m o = M/N A，为一个气体分子的质量(kg)。
利用速率分布函数，可以计算出反映分子热运动强度的三种特征速率。
最可几速率v m是在气体分子所具有的各种不同热运动速度中出现几率最大的速度，即与F(v)最大值相对应的v值；所有气体分子热运动速度的算术平均值叫算术平均速度v；把所有气体分子的速度的平方加起来，然后被分子总数除，再开方就得到均方根速度v s。
它们的计算公式如下：2．理想气体的压力基本公式，将气体分子微观热运动的强弱直接与宏观上的气体压力定量联系起来：P = 1/3(nm o v s2 = 1/3(pv s2) (11)3．气体中一个分子与其它分子每连续二次碰撞之间所走过的路程称为自由程，自由程有长有短，差异很大，但大量自由程的统计平均值却是一定的，称为平均自由程页λ(m)。
单一种类气体分子的平均自由程为(12-见下文)如果是含有k种成份的混合气体，则(13)式中σ是气体分子的有效直径(m)，下标l、j分别代表第1、j种气体成份的参数。
还可定义电子和离子在气体中运动的平均自由程λe和λi(m)。
需要强调说明的是，这里所说电子或离子的自由程，是指电子或离子在气体中运动时与气体分子连续二次碰撞间所走过的路程，而没有考虑电子或离子本身之间的碰撞，所以电子和离子平均自由程计算式中出现的都是气体分子的参数，而与电子或离子的空间密度无关。
(14)(15)4．气体分子的某一次自由程取值完全是随机的，但大量自由程的长度分布却服从一定的统计规律。
气体分子自由程大于一给定长度χ的几率为(16)类似地可得出，电子或离子在气体中运动的自由程大于一给定长度χ的几率为(17)(18)利用这种分布规律，结合平均自由程计算公式(12)～(15)，可以计算出做定向运动的粒子束流穿过空间气体时的散失率，或根据所限定的散失率确定空间气体所必须达到的真空度。
例如：一台离子束真空设备中，高能离子流由离子源射向25cm处的靶，若要求离子流与真空室内残余气体分子碰撞的散失率小于5％，那么温度为27o C的残余气体压力应为多少？根据题意，可知当χ=O.25m时，要求 P i(λi＞χ)≥1％～5％，由(18)式，解出 exp(-0.25/λi)≥0.95，则λi≥0.25/(-ln0.95)，即λi≥4.87m。
再将此结果代入(15)式得 kT/πσ2p≥4.87m；取空气的分子有效直径σ=3.72 × 10-10m，则要求残余气体压力p≤1.38 × 10-23× 300/(π×3.722×10-20×4.87)，即p≤1.95 × 10-3Pa。
5．关于气体分子对所接触固体表面(如容器壁)的碰撞问题，可以从入射方向和入射数量二方面加以讨论。
若一立体角dw与面积元ds的法线间的夹角为θ，则单位时间内由dw方向飞来碰撞到ds上的气体分子数目dNθ与cosθ成正比，这就是通常所说的余弦定律：(19)单位时间内碰撞在固体表面单位面积上的气体分子数目称为气体分子对表面的入射率ν(m-2s-1)，其计算式为：(20)根据平衡状态的假设，气体分子飞离固体表面时的方向分布及数量应与入射相一致，因此仍可按式(19)、(20)计算。
克努曾余弦反射定律还说明，不论气体分子的入射方向怎样其反射都服从(19)式的余弦规律。
6．如果两个相连通的真空容器温度不同，那么内部气体达到状态平衡时的参数也会有差异。
在低真空条件下，即粘滞流态时，二容器的平衡条件是压力相等，二容器内气体压力、温度及分子数密度间关系为：p1 = p2和 n1/n2 = T2/T1 (21)在高真空条件下，即分子流态时，二容器内气体达到动力平衡的条件是在连通处的入射率γ相等，从而有关系：（22）这种由于温度不同而引起气体流动，平衡时产生压力梯度的现象，称为热流逸现象。
它会给真空测量带来误差。
例如某真空电阻炉热场区温度为1800K，通过细管连接的真空规管工作在300K温度下，若规管测得压强为2×10-4Pa，则可由(22)式算得炉内的真实气体压力为(22-1)三、蒸汽所谓蒸汽(又称可凝性气体)，是相对于永久气体(或称非可凝性气体)而言的。
对于任何一种气体，都存在有一个临界温度，在临界温度以上的气体，不能通过等温压缩发生液化，称为永久气体；而在临界温度以下的气体，靠单纯增加压力即能使其液化，便是蒸汽。
空间中的蒸汽分子返回到液体内去的过程叫做凝结。
蒸汽的凝结率W[kg/(m2·s)]，即单位时间内在单位面积液面上凝结的蒸汽质量，可借助(20)式计算(23)式中α为凝结系数，p v为蒸汽的分压力。
凝结的逆过程，即液体分子飞到空间变成蒸汽的现象，叫蒸发。
单位时间通过单位面积液面蒸发的质量叫蒸发率Gv[kg/(m2·s)]在汽、液共存的条件下，蒸发和凝结现象同时存在，若蒸发率大于凝结率，则宏观上表现为液体的蒸发；若蒸发率小于凝结率，则宏观上表现为蒸汽的凝结；二者相等时，则处于饱和状态，此时空间蒸汽的压力称为对应平衡温度下的饱和蒸汽压p s。
物质的饱和蒸汽压随着温度的升高而增大。
液体的蒸发率与对应温度下的饱和蒸汽压间的关系为 (24) 此式常用于蒸发镀膜中金属蒸发量的计算。
一种蒸汽的实际压力p v与其对应温度下的饱和蒸汽压p s之比，称为蒸汽当时的饱和度。
作为最常用的一项指标参数，常把空气中水蒸汽的饱和度定义为空气的相对温度，相对温度(%) = p v H20/p s H20 × 100％ (25) 例如：工程中定义标准环境条件为温度20o C，相对湿度65%，大气压力101325Pa。
已知水蒸汽在20o C时的饱和蒸汽压为2333Pa(17．5托)，则可计算出标准环境条件下大气中水的分压力为0.65 × 2333 = 1516Pa(11.375托)。
饱和蒸汽压的存在，是蒸汽有别于理想气体模型的根本之处，也是我们要将蒸汽的性质单独作为一节讨论的原因。
在真空工程中，在蒸汽没有达到饱和之前，即饱和度<1时，我们可以使用前面介绍的理想气体定律和公式来描述蒸汽的性质；而蒸汽一旦达到饱和，情况却大不相同，如果我们对饱和蒸汽继续作等温压缩，蒸汽压力将不再升高而是维持饱和蒸汽压的值不变，即不再服从波义耳--马略特定律，为多余部分的蒸汽将凝聚为液态或固态；反之，在饱和蒸汽与其凝聚相(液态或固态)平衡共存的情况下，对蒸汽作等温膨胀，蒸汽的压力也不会降低，而是其凝聚相不断蒸发或升华来补充蒸汽，直至全部变成蒸汽为止。
