真空镀膜基础知识

真空镀膜技术深圳微普真空系统集成有限公司真空“真空”这一术语译自拉丁文Vacuo，其意义是虚无。

其实真空应理解为气体较稀薄的空间。

在指定的空间内，低于一个大气压力的气体状态统称为真空。

真空状态下气体稀薄程度称为真压力的气体状态统称为真空真空状态下气体稀薄程度称为真空度，通常用压力值表示。

真空技术是基本实验技术之自从真空技术是基本实验技术之一。

自从1643年托里拆利做了著名的有关大气压力实验，发现了真空现象以后，真空技术迅速发展。

现在，真空技术已经成为一门独立的前言学科。

它的基本内容包括：真空物理、真空的获得、真空的测量和检漏、真空系统的设计和计算等。

随着表面科学、空间科学高能粒子加速器、微电子学、薄膜技术、冶金工业以及材料学等尖端科技的发展，真空技术在近代尖端科学技术中的地位越来越重要。

真度单位真空量度单位1标准大气压=760mmHg=760(Torr) 1标准大气压=1.013x105Pa1Torr1333Pa1Torr=133.3Pa真空区域的划分目前尚无统一规定，常见的划分为：35−−粗真空低真空)10760(1010Torr pa )1010(1010313Torr pa −−−−高真空)1010(10108361Torr pa −−−−−−超高真空极高真空)1010(1010128106Torr pa −−−−−−)10(101210Torr pa −−<<真空获得—真空泵1654年，德国物理学家葛利克发明了抽气泵，做了著名的马德堡半球试验。

的马德堡半球试验原理：当泵工作后，形成压差，p1>p2，实现了抽气。

真空泵的分类气体传输泵:是一种能将气体不断地吸入并排出泵外以达到抽气目的的真空泵，例如旋片机械泵、油扩散泵、涡轮分子泵。

气体捕集泵:是一种使气体分子短期或永久吸附、凝结在泵内表面的真空泵，例如分子筛结在泵内表面的真空泵例如分子筛吸附泵、鈦升华泵、溅射离子泵、低温泵和吸气剂泵。

真空镀膜（PVD 技术）1. 真空涂层技术的发展真空涂层技术起步时间不长，国际上在上世纪六十年代才出现将CVD（化学气相沉积）技术应用于硬质合金刀具上。

由于该技术需在高温下进行（工艺温度高于1000ºC），涂层种类单一，局限性很大，起初并未得到推广。

到了上世纪七十年代末，开始出现PVD（物理气相沉积）技术，之后在短短的二、三十年间PVD 涂层技术得到迅猛发展，究其原因：（1）其在真空密封的腔体内成膜，几乎无任何环境污染问题，有利于环保；（2）其能得到光亮、华贵的表面，在颜色上，成熟的有七彩色、银色、透明色、金黄色、黑色、以及由金黄色到黑色之间的任何一种颜色，能够满足装饰性的各种需要；（3）可以轻松得到其他方法难以获得的高硬度、高耐磨性的陶瓷涂层、复合涂层，应用在工装、模具上面，可以使寿命成倍提高，较好地实现了低成本、高收益的效果；（4）此外，PVD 涂层技术具有低温、高能两个特点，几乎可以在任何基材上成膜，因此，应用范围十分广阔，其发展神速也就不足为奇。

真空涂层技术发展到了今天还出现了PCVD（物理化学气相沉积）、MT-CVD （中温化学气相沉积）等新技术，各种涂层设备、各种涂层工艺层出不穷。

目前较为成熟的PVD 方法主要有多弧镀与磁控溅射镀两种方式。

多弧镀设备结构简单，容易操作。

多弧镀的不足之处是，在用传统的DC 电源做低温涂层条件下，当涂层厚度达到0.3 um 时，沉积率与反射率接近，成膜变得非常困难。

而且，薄膜表面开始变朦。

多弧镀另一个不足之处是，由于金属是熔后蒸发，因此沉积颗粒较大，致密度低，耐磨性比磁控溅射法成膜差。

可见，多弧镀膜与磁控溅射法镀膜各有优劣，为了尽可能地发挥它们各自的优越性，实现互补，将多弧技术与磁控技术合而为一的涂层机应运而生。

在工艺上出现了多弧镀打底，然后利用磁控溅射法增厚涂层，最后再利用多弧镀达到最终稳定的表面涂层颜色的新方法。

2. 技术原理PVD (Physical Vapor Deposition) 即物理气相沉积，分为：真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜和真空离子镀膜。

真空镀膜技术基础1.采用什么镀膜机？光学镀膜机多是基于PVD，即物理气相沉积的镀膜机。

国产机以南光和北仪为代表，进口机以德国的莱宝机，美国的Vecco机和日本的光驰机、昭和机为代表。

2.采用什么样的膜料气汽化方式？对于物理气相沉积型真空镀膜机，有三种汽化方式：热蒸发，溅射，离子镀。

目前国内在光学真空镀膜方面多采用热蒸发的方式。

溅射技术以磁控溅射为代表，溅射和离子镀的方式在大批量生产的表面处理、太阳能电池板生产中应用较多。

热蒸发又分为四种方式：电阻加热，电子束加热，电磁感应加热和激光束加热。

四种方式各有特点和优势，电磁感应加热适合大规模连续型设备，并且只能镀金属膜料；激光束加热方式目前尚不成熟；电阻加热方式使用最早，但不适合高熔点膜料，自动化程度低，适合镀制金属膜和膜层较少的膜系；电子束加热方式使用电子枪产生电子束通过聚焦集中于膜料上进行加热，该方法应用最广，自动化程度高，技术成熟。

3.如何精确控制膜层厚度？膜层厚度的控制方法有：目视法、光电极值法，石英晶振法和全光谱在线控制法等。

目视法最早应用，适合于膜层较少的可见光波段的膜系，人为误差较大；全光谱在线控制法适合宽波段膜系的镀制，可以实时反馈及时修正误差，但目前上不普及；光电极值法适合镀制单点要求的膜系，自动化程度不高；石英晶振法自动化程度最高，应用最为普及，他采用石英晶体的振动频率和质量的相关性来测定膜层的质量，从而根据密度换算成物理厚度。

采用石英晶振法控制膜层厚度，和电子束加热的方式相配合，可以实现镀制过程的高度自动化，确保工艺的重复性。

采用美国生产的360石英晶体控制仪，石英晶体探头表面镀金，其振动信号转换成电信号后，经后续电路处理，输入360石英晶体控制仪，实时输出结果，并反馈调节电子束能量，形成闭环控制，确保膜厚控制的精度。

4.如何加强曲面镀膜均匀性？理论上，当蒸发源为点源时，被镀件和蒸发源距离一样时满足均匀性，即蒸发源位于球心，被镀件位于同一球面；当蒸发源为面源时，符合余弦分布，既蒸发源和被镀件位于同一球面。

真空蒸镀的详细介绍真空蒸镀即真空蒸发镀膜。

这种方法是把装有基片的真空室抽成真空，气体压强达到10-2Pa以下加热镀料，使其原子或分子从表面气化逸出形成蒸气流，入射到基片表面，凝结形成固态薄膜。

1.真空蒸镀原理（1）膜料在真空状态下的蒸发特性。

单位时间内膜料单位面积上蒸发出来的材料质量称为蒸发速率。

理想的最高速率Gm（单位为kg/（m²·s））∶Gm=4.38×10-3Ps（Ar/T）1/2，式中，T为蒸发表面的热力学温度，单位为K，Ps为温度T时的材料饱和蒸发压，单位为Pa，Ar为膜料的相对原子质量或相对分子质量。

蒸镀时一般要求膜料的蒸气压在10-2~10-1Pa。

材料的Cm通常处在10-4~10-1Pa，因此可以估算出已知蒸发材料的所需加热温度。

（2）蒸气粒子的空间分布。

蒸气粒子的空间分布显著地影响了蒸发粒子在基体上的沉积速率以及基体上的膜厚分布。

这与蒸发源的形状和尺寸有关。

最简单的理想蒸发源有点和小平面两种类型。

2.真空蒸镀方式（1）电阻加热蒸发。

它是用丝状或片状的高熔点金属做成适当形状的蒸发源，将膜料放在其中，接通电源，电阻加热膜料而使其蒸发。

对蒸发源材料的基本要求是高熔点，低蒸气压，在蒸发温度下不会与膜料发生化学反应或互溶，具有一定的机械强度。

另外，电阻加热方式还要求蒸发源材料与膜料容易润湿，以保证蒸发状态稳定。

常用的蒸发源材料有钨、钼、钽、石墨、氮化硼等。

（2）电子束蒸发。

电阻加热方式中的膜料与蒸发源材料直接接触，两者容易互混，这对于半导基体元件等镀膜来说是需要避免的。

电子束加热方式能解决这个问题。

它的蒸发源是e形电子枪。

膜料放入水冷铜坩埚中，电子束自源发出，用磁场线圈使电子束聚焦和偏转，电子轨迹磁偏转270°，对膜料进行轰击和加热。

（3）高频加热。

它是在高频感应线圈中放入氧化铝或石墨坩埚对膜材料进行高频感应加热。

感应线圈通常用水冷铜管制造。

此法主要用于铝的大量蒸发。

真空镀膜实验真空镀膜主要指一类需要在较高真空度下进行的镀膜，具体包括很多种类，包括真空离子蒸发，磁控溅射，MBE分子束外延，PLD激光溅射沉积等很多种。

主要思路是分成蒸发和溅射两种。

需要镀膜的被成为基片，镀的材料被成为靶材。

基片与靶材同在真空腔中。

蒸发镀膜一般是加热靶材使表面组分以原子团或离子形式被蒸发出来，并且沉降在基片表面，通过成膜过程（散点－岛状结构-迷走结构-层状生长）形成薄膜。

对于溅射类镀膜，可以简单理解为利用电子或高能激光轰击靶材，并使表面组分以原子团或离子形式被溅射出来，并且最终沉积在基片表面，经历成膜过程，最终形成薄膜::实验内容::[引言]所谓真空镀膜就是指在真空中将金属或金属化合物等沉积在基体表面上。

从技术角度可分为40年代开始的蒸发镀膜，溅射镀膜和70年代才发展起来的离子镀膜、束流沉积等四种。

真空镀膜能在现代科技和工业生产中得到广泛应用，主要在于它具有以下的优点：①它可用一般金属（铝，钛等）代替日益缺乏的贵重金属（金，银）并使产品降低成本，提高质量，节省原材料。

②由于真空分子碰撞少，污染少，可获得表面物理研究中所要求的纯净，结构致密的薄膜。

③镀膜时间和速度可准确控制，所以可得到任意厚度均匀或非均匀薄膜。

④被镀件和蒸镀物均可是金属或非金属，镀膜时被镀件表面不受损坏，薄膜与基体具有同等的光洁度。

早在一个世纪前，人们就从辉光放电管壁上观察到了溅射的金属薄膜。

根据这一现象，后来逐步发展起真空镀膜的方法。

真空镀膜的技术，属于薄膜技术和薄膜物理范畴, 广泛应用在电真空，电子学、光学、能源开发、现代仪器、建筑机械、包装、民用制品、表面科学、以及原子能工业和空间技术中。

它可以用来镀制微膜组件，薄膜集成电路，半导体集成电路等所需的电学薄膜；光学系统中需要的反射膜，增透膜，滤光膜等各种光学薄膜；轻工业产品的烫金薄膜等等。

由于真空镀膜技术的迅速发展，电子器件中用的薄膜电阻，特别是平面型晶体管和超大规模集成电路也赖以薄膜技术来制造；硬质保护膜可使各种经常磨损的器件表面硬化，大大增强耐磨程度；磁性镀膜具有记忆功能，在电子计算机中用作存储记录介质而占有重要地位，从而使电子计算机的微型化成为可能，促进了人造卫星，火箭和宇航技术的发展。

简介真空镀膜在真空中制备膜层，包括镀制晶态的金属、半导体、绝缘体等单质或化合物膜。

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，即蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀。

蒸发镀膜通过加热蒸发某种物质使其沉积在固体表面，称为蒸发镀膜。

这种方法最早由M.法拉第于1857年提出，现代已成为常用镀膜技术之一。

蒸发镀膜设备结构如图1。

蒸发物质如金属、化合物等置于坩埚内或挂在热丝上作为蒸发源，待镀工件，如金属、陶瓷、塑料等基片置于坩埚前方。

待系统抽至高真空后，加热坩埚使其中的物质蒸发。

蒸发物质的原子或分子以冷凝方式沉积在基片表面。

薄膜厚度可由数百埃至数微米。

膜厚决定于蒸发源的蒸发速率和时间（或决定于装料量），并与源和基片的距离有关。

对于大面积镀膜，常采用旋转基片或多蒸发源的方式以保证膜层厚度的均匀性。

从蒸发源到基片的距离应小于蒸气分子在残余气体中的平均自由程，以免蒸气分子与残气分子碰撞引起化学作用。

蒸气分子平均动能约为0.1～0.2电子伏。

蒸发镀膜的类型蒸发源有三种类型。

①电阻加热源：用难熔金属如钨、钽制成舟箔或丝状,通以电流,加热在它上方的或置于坩埚中的蒸发物质（图1[蒸发镀膜设备示意图]）电阻加热源主要用于蒸发Cd、Pb、Ag、Al、Cu、Cr、Au、Ni等材料。

②高频感应加热源：用高频感应电流加热坩埚和蒸发物质。

③电子束加热源：适用于蒸发温度较高（不低于2000[618-1]）的材料，即用电子束轰击材料使其蒸发。

蒸发镀膜与其他真空镀膜方法相比，具有较高的沉积速率，可镀制单质和不易热分解的化合物膜。

为沉积高纯单晶膜层，可采用分子束外延方法。

生长掺杂的GaAlAs单晶层的分子束外延装置如图2[ 分子束外延装置示意图]。

喷射炉中装有分子束源，在超高真空下当它被加热到一定温度时，炉中元素以束状分子流射向基片。

基片被加热到一定温度，沉积在基片上的分子可以徙动，按基片晶格次序生长结晶用分子束外延法可获得所需化学计量比的高纯化合物单晶膜，薄膜最慢生长速度可控制在1单层/秒。

第十章真空镀膜工艺为使光学零件能满足在光电仪器及元器件中所需的光学，电学，物理性能，而可以在其表面上镀一层，多层乃至上百层的薄膜。

例如增透膜、反射膜、分光膜、滤光膜、电热膜、保护膜、偏振膜等。

光学零件的镀膜主要分物理和化学镀膜两类。

由于真空技术和膜系监控技术的发展，较易获得性能稳定，结构复杂的膜层。

故在生产中多以真空镀膜法为主。

按照薄膜的使用性能分类，常见的膜层有：增透膜，反射膜，分光膜，滤光膜，电热膜，导电膜及保护膜等。

按照薄膜的结构可以分为单层膜，双层膜及多层膜等。

下面我们将就真空镀膜的基本知识作一些介绍。

一、真空的获得1．真空的基本知识“真空”是指压力低于一个大气压的任何气态的空间。

在这种空间中气体是比较稀薄的，至少比大气要稀薄，但是绝对的“真空”，即没有任何气态微粒的空间是找不到的，就是在远离地球一万公里处、每立方厘米也有3～4千个空气的分子。

由于真空度大小仍然是气体压力大小的问题，所以计量压强的单位也就是计量真空度的单位。

国际标准单位为帕斯卡（Pa），也可用“托”(Torr)、“巴”(bar)和“毫巴”(mbar)来计量，他们之间的关系如下式：1标准大气压=1.01×105帕斯卡（Pa）=760托(Torr)=1.01×103毫巴2．为什么需在真空中镀膜在常压下蒸镀膜料无法形成理想的薄膜，事实上，如在压力不够低(或者说真空度不够高)的情况下同样得不到好的结果，比如在10托数量级下蒸镀铝，得到的膜层不但不光亮，甚至发灰、发黑，而且机械强度极差，用松鼠毛刷轻轻一刷即可将铝层破坏。

蒸镀必须在一定的真空条件下进行，这是因为：（1）．较高的真空度可以保证汽化分子的平均自由程大于蒸发源到基底的距离。

由于气体分子的热运动，分子之间的碰撞也是极其频繁的，所以尽管气体分子运动的速度相当的高(可达每秒几百米)，但是由于它在前进的过程中要与其它分子多次碰撞，一个分子在两次连续碰撞之间所走的距离被称为它的自由程，而大量分子自由程的统计平均值就被称为分子的平均自由程。