真空镀膜技术简介 

技术创新

真空镀膜技术简介

    真空(vacuum)是一种没有任何物质的空间状态,因为真空之中没有介质,所以像声音这种需要介质传递的能量在真空中是无法传播的。1654年当时的马德堡市长奥-托-格里克在今天德国雷根斯堡进行了一项著名的实验,从而证明了真空是存在的。
 
    现在我们所说的真空并不是指空间内没有任何物质,而是指在一个既定的空间内低于一个大气压的气体状态,我们把这种稀薄的状态称为真空。现在的真空镀膜技术是在真空中把金属、合金进行蒸发、溅射使其沉积在目标物体上。
 
    在当今电子行业,很多的电子元器件都要使用真空镀膜工艺,虽然我国的真空镀膜技术起步较晚,但发展的十分迅速。真空镀膜已经成为电子元器件制造的一项不可或缺的技术。目前的真空镀膜技术主要分为真空蒸镀、磁控溅射镀膜、离子镀。
 
真空蒸镀的历史
    1857年Michael Faraday最早提出基本原理,而后、1930年代由于油扩散式真空泵实用化、蒸镀主要用于制作镜片防反射膜。第二次世界大战时,其他的光学机器对材料的需求提高,真空蒸镀也因此快速发展。
 
真空蒸镀的原理
    在真空状态下,加热蒸发容器中的靶材,使其原子或分子逸出,沉积在目标物体表面,形成固态薄膜。依蒸镀材料、基板的种类可分为:抵抗加热、电子束、高周波诱导、雷射等加热方式。蒸镀材料有铝、亚铅、金、银、白金、镍等金属材料与可产生光学特性薄膜的材料,主要有使用SiO2、TiO2、ZrO2、MgF2等氧化物与氟化物。蒸镀除金属外,树脂与玻璃也可以使用、近年来连纸也变成可蒸镀。如图1。

图1

蒸镀材料
    主要的金属蒸镀材料如下表。

蒸发镀膜的优缺点
    优点:设备简单、容易操作;成膜的速率快,效率高。
    缺点:薄膜的厚度均匀性不易控制,蒸发容器有污染的隐患,工艺重复性不好,附着力不高。
 
磁控溅射镀膜的历史
    磁控溅射技术作为一种十分有效的薄膜沉积方法,被普遍和成功地应用于许多方面,特别是在微电子、光学薄膜和材料表面处理领域中,用于薄膜沉积和表面覆盖层制备。1852年Grove首次描述溅射这种物理现象,20世纪40年代溅射技术作为一种沉积镀膜方法开始得到应用和发展。60年代后随着半导体工业的迅速崛起,这种技术在集成电路生产工艺中,用于沉积集成电路中晶体管的金属电极层,才真正得以普及和广泛的应用。磁控溅射技术出现和发展,以及80年代用于制作CD的反射层之后,磁控溅射技术应用的领域得到极大地扩展,逐步成为制造许多产品的一种常用手段,并在最近十几年,发展出一系列新的溅射技术。
 
磁控溅射镀膜的原理
    电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞,电离出大量的氩离子和电子。氩离子在电场作用下加速轰击靶材,溅射出大量的靶原子,靶原子沉积在基片表面形成膜。二次电子受到磁场影响,被束缚在靶面的等离子体区域,二次电子在磁场作用下绕靶面做圆周运动,在运动过程中不断和氩原子发生撞击,电离出大量氩离子轰击靶材。如图2
图2
磁控溅射的靶材
    靶材的材质主要有金属靶材,金属氧化物靶材等。依据目标靶座的形状和大小进行加工。如图3。
图3
磁控溅射优缺点
    优点:工艺重复性好,薄膜纯度高,膜厚均匀,附着力好。
    缺点:设备结构复杂,溅射靶材一旦穿透就会导致整块靶材的报废,所以靶材的利用率低。
 
离子镀的历史
    真空离子镀膜技术是近几十年才发展起来的一种新的镀膜技术。在离子镀技术兴起的40多年来取得了巨大的进步,我国也有将近30多年的离子镀研究进程。
 
离子镀的原理
    蒸发物质的分子被电子撞击后沉积在固体表面称为离子镀。蒸发源接阳极,工件接阴极,当通以三至五千伏高压直流电以后,蒸发源与工件之间产生辉光放电。由于真空罩内充有惰性氩气,在放电电场作用下部分氩气被电离,从而在阴极工件周围形成一等离子暗区。带正电荷的氩离子受阴极负高压的吸引,猛烈地轰击工件表面,致使工件表层粒子和脏物被轰溅抛出,从而使工件待镀表面得到了充分的离子轰击清洗。随后,接通蒸发源交流电源,蒸发料粒子熔化蒸发,进入辉光放电区并被电离。带正电荷的蒸发料离子,在阴极吸引下,随同氩离子一同冲向工件,当抛镀于工件表面上的蒸发料离子超过溅失离子的数量时,则逐渐堆积形成一层牢固粘附于工件表面的镀层。如图4
图4
离子镀的优缺点
    优点:膜层附着力好,膜层致密,具有绕度性能,能在形状复杂的零件表面镀膜。
    缺点:离子镀的应用范围不广;膜与基体间存在较宽的过渡界面。会有气体分子吸附。


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