物理氣相沉積:物理學術語-中文百科頻道

基本原理

物理氣相沉積技術基本原理可分三個工藝步驟：

(1)鍍料的氣化：即使鍍料蒸發，升華或被濺射，也就是通過鍍料的氣化源。

(2)鍍料原子、分子或離子的遷移：由氣化源供出原子、分子或離子經過碰撞後，産生多種反應。

(3)鍍料原子、分子或離子在基體上沉積。

基本特點

物理氣相沉積技術工藝過程簡單，對環境改善，無污染，耗材少，成膜均勻緻密，與基體的結合力強。該技術廣泛應用于航空航天、電子、光學、機械、建築、輕工、冶金、材料等領域，可制備具有耐磨、耐腐蝕、裝飾、導電、絕緣、光導、壓電、磁性、潤滑、超導等特性的膜層。

随着高科技及新興工業發展，物理氣相沉積技術出現了不少新的先進的亮點，如多弧離子鍍與磁控濺射兼容技術，大型矩形長弧靶和濺射靶，非平衡磁控濺射靶，孿生靶技術，帶狀泡沫多弧沉積卷繞鍍層技術，條狀纖維織物卷繞鍍層技術等，使用的鍍層成套設備，向計算機全自動，大型化工業規模方向發展。

真空蒸鍍

原理

真空蒸鍍是在真空條件下，将鍍料靶材加熱并蒸發，使大量的原子、分子氣化并離開液體鍍料或離開固體鍍料表面（或升華），并最終沉積在基體表面上的技術。在整個過程中，氣态的原子、分子在真空中會經過很少的碰撞而直接遷移到基體，并沉積在基體表面形成薄膜。蒸發的方法包括電阻加熱，高頻感應加熱，電子束、激光束、離子束高能轟擊鍍料等。

真空蒸鍍是PVD法中使用最早的技術。

蒸發源

将鍍料加熱到蒸發溫度并使之氣化，這種加熱裝置稱為蒸發源。最常用的蒸發源是電阻蒸發源和電子束蒸發源，特殊用途的蒸發源有高頻感應加熱、電弧加熱、輻射加熱、激光加熱蒸發源等。

基本工藝

真空蒸鍍的基本工藝過程如下：

鍍前處理：包括清洗鍍件和預處理。具體清洗方法有清洗劑清洗、化學溶劑清洗、超聲波清洗和離子轟擊清洗等。具體預處理有除靜電，塗底漆等。

裝爐：包括真空室清理及鍍件挂具的清洗，蒸發源安裝、調試、鍍件褂卡。

抽真空：一般先粗抽至6.6Pa以上，更早打開擴散泵的前級維持真空泵，加熱擴散泵。待預熱足夠後，打開高閥，用擴散泵抽至6×10-3Pa本底真空度。

烘烤：将鍍件烘烤加熱到所需溫度。

離子轟擊：真空度一般在10Pa～10-1Pa，離子轟擊電壓200V～1kV負高壓，離擊時間為5min～30min,

預熔：調整電流使鍍料預熔，除氣1min～2min。

蒸發沉積：根據要求調整蒸發電流，直到所需沉積時間結束。

冷卻：鍍件在真空室内冷卻到一定溫度。

出爐：取件後，關閉真空室，抽真空至1×10-1Pa，擴散泵冷卻到允許溫度，才可關閉維持泵和冷卻水。

後處理：塗面漆等。

濺射鍍膜

濺射鍍膜是指在真空條件下，利用獲得功能的粒子（如氩離子）轟擊靶材料表面，使靶材表面原子獲得足夠的能量而逃逸的過程稱為濺射。在真空條件下充入氩氣(Ar)，并在高電壓下使氩氣進行輝光放電，可使氩(Ar)原子電離成氩離子(Ar+)。氩離子在電場力的作用下，加速轟擊以鍍料制作的陰極靶材，靶材會被濺射出來而沉積到工件表面。

被濺射的靶材沉積到基材表面，就稱作濺射鍍膜。濺射鍍膜中的入射離子，一般采用輝光放電獲得，在10-2Pa～10Pa範圍，所以濺射出來的粒子在飛向基體過程中易和真空室中的氣體分子發生碰撞，導緻運動方向随機化，使得沉積的膜易于均勻。發展起來的規模性磁控濺射鍍膜，沉積速率較高，工藝重複性好，便于自動化，已适當于大型建築裝飾鍍膜及工業材料的功能性鍍膜，如TGN-JR型用多弧或磁控濺射在卷材的泡沫塑料及纖維織物表面鍍鎳Ni及銀Ag的生産制備。

濺射鍍膜可分為直流濺射、射頻濺射和磁控濺射，其對應的輝光放電電壓源和控制場分别為高壓直流電、射頻(RF)交流電和磁控(M)場。

等離子體鍍膜

在物理氣相沉積中通常采用冷陰極電弧蒸發，以固體鍍料作為陰極，采用水冷使冷陰極表面形成許多亮斑，即陰極弧斑。弧斑就是電弧在陰極附近的弧根。在真空條件下，用引弧針引弧，使真空金壁(陽極)和鍍材(陰極)之間進行弧光放電，陰極表面快速移動着多個陰極弧斑，不斷迅速蒸發甚至“異華”鍍料，使之電離成以鍍料為主要成分的電弧等離子體，并能迅速将鍍料沉積于基體。

在極小空間的電流密度極高，弧斑尺寸極小，估計約為1μm～100μm，電流密度高達105A/cm2～107A/cm2。每個弧斑存在極短時間，爆發性地蒸發離化陰極改正點處的鍍料，蒸發離化後的金屬離子，在陰極表面也會産生新的弧斑，許多弧斑不斷産生和消失，所以又稱多弧蒸發。最早設計的等離子體加速器型多弧蒸發離化源，是在陰極背後配置磁場，使蒸發後的離子獲得霍爾(Hall)加速效應，有利于離子增大能量轟擊量體，采用這種電弧蒸發離化源鍍膜，離化率較高，所以又稱為電弧等離子體鍍膜。由于等離子體鍍膜常産生多弧斑，所以也稱多弧蒸發離化過程。

離子鍍膜

離子鍍膜基本原理是在真空條件下，采用某種等離子體電離技術，使鍍料原子部分電離成離子，同時産生許多高能量的中性原子，在被鍍基體上加負偏壓。這樣在深度負偏壓的作用下，離子沉積于基體表面形成薄膜。

離子鍍膜借助于惰性氣體輝光放電，使鍍料（如金屬钛）氣化蒸發離子化，離子經電場加速，以較高能量轟擊工件表面，此時如通入二氧化碳、氮氣等反應氣體，便可在工件表面獲得TiC、TiN覆蓋層，硬度高達2000HV。

離子鍍膜技術最早在1963年由D.M.Mattox提出。1972年，Bunshah&Juntz推出活性反應蒸發離子鍍(AREIP)，該方法可以沉積TiN、TiC等超硬膜。1972年Moley&Smith發展完善了空心熱陰極離子鍍，1973年又發展出射頻離子鍍(RFIP)。20世紀80年代又發展出磁控濺射離子鍍(MSIP)和多弧離子鍍(MAIP)。

離子鍍膜是物理氣相沉積方法中應用最廣泛的一種鍍膜工藝。

特點

離子鍍膜的基本特點是采用某種方法（如電子束蒸發磁控濺射，或多弧蒸發離化等）使中性粒子電離成離子和電子，在基體上必須施加負偏壓，從而使離子對基體産生轟擊，适當降低負偏壓後使離子進而沉積于基體成膜，适用于高速鋼工具，熱鍛模等材料的表面處理過程。

離子鍍膜的優點如下：

①膜層和基體結合力強，反應溫度低。

②膜層均勻，緻密。

③在負偏壓作用下繞鍍性好。

④無污染。

⑤多種基體材料均适合于離子鍍。

反應性離子鍍

如果采用電子束蒸發源蒸發，在坩埚上方加20V～100V的正偏壓。在真空室中導入反應性氣體，如氮氣、氧氣、乙炔、甲烷等反應性氣體代替氩氣，或在此基礎上混入氩氣。電子束中的高能電子可以達到幾千至幾萬電子伏特的能量，不僅可以使鍍料熔化蒸發，而且能在熔化的鍍料表面激勵出二次電子。二次電子在上方正偏壓作用下加速，與鍍料蒸發中性粒子發生碰撞而電離成離子，在工件表面發生離化反應，從而獲得氧化物（如TeO2、SiO2、Al2O3、ZnO、SnO2、Cr2O3、ZrO2、InO2等）。其特點是沉積率高，工藝溫度低。