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离子镀膜法简述1离子镀膜法简述信材080（10082953）李煊摘要：本文简述离子镀膜法的作用原理、相关使用的设备、与其余镀膜法相比较而言的特点与应用举例，在特点方面举出了附着性能好、绕镀能力强等优点特性并详细讨论,之后用详细的图表展示了在耐磨、耐热、耐腐蚀、润滑、装饰、电子工业集成电路等方面的应用,并且讨论了该方法现今的发展状况和未来的发展趋势关键词：离子镀；放电；离子束；加热加工1前言在现代生活中表面技术是非常重要的。通过机械结合、喷涂、化学镀、电镀或蒸镀等方法可以使材料与基体材料结合，然而这些方法存在很多缺陷，就比方说，膜层与基体结合强度低，膜层材料的纯度不高，膜层结构难以控制，膜层厚度不均匀等，导致失效现象广泛存在于材料的实际应用中。尤其是材料的表面处理，它是制约其发展的一大问题。薄膜技术是表面工程三大技术之一，利用近代技术在零件或（衬底）表面上沉积厚度为100nm至数微米薄膜的形成技术，称之为薄膜技术。薄膜的应用极为广泛，微电子工业中广泛采用铝合金作为布线膜层材料，金、银、铜、铂、镍等难熔金属作为导电薄膜在防电磁信息泄露材料中应用广泛。尤其是银和铜，将银与聚酯材料结合做成导电涂层通过涂敷的方式与基体结合，它的主要缺点是纯度低、结合强度低。在航空及航宇工业中，各种飞机、导弹、卫星、飞船的零部件经常在复杂而有害的条件下工作。以飞机为例，机翼、机身的蒙皮以及起落架等外表零部件，均受着大气、水份、灰尘以及燃料燃烧生成物中所含的化学活性气体的直接腐蚀。水上飞机的外表部分，特别是机体和浮筒，经常受到海水、湖水或河水的侵蚀；航空发动机的燃烧室、涡轮零件及气缸活塞零件，也经常受到高温和含酸及其他活性物质的燃气气流的氧化。还有诸如航空轴承、微型输电装置、精密齿轮、电位计等一类仪表元件，也经常受到不同程度的摩擦磨损。要使上述各种零部件能够适应耐温、防蚀、耐磨等苛刻要求，单纯从零件的结构或材料上想办法，往往是不够的。怎么办呢？当前使用最广的办法之一就是采用表面镀膜的方法来保护零部件的基体，使其满足上述要求。这正如人们根据不同环境条件穿上不同的衣衫一样，根据需要给零件镀上一层耐热、防腐或耐磨的镀层。离子镀是在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质部分电离，并在气体离子或被蒸发，物质离子的轰击下，将蒸发物质或其反应物沉积在基片上的方法。其中包括磁控溅射离子镀、反应离子镀、空心阴极放电离子镀（空心阴极蒸镀法）、多弧离子镀（阴极电弧离子镀）等。离子镀膜法简述22离子镀膜的原理[1]离子镀是在真空条件下，借助于一种惰性气体的辉光放电使气体或被蒸发物质部分离化，气体或被蒸发物质离子经电场加速后对带负电荷的基体轰击的同时把蒸发物或其反应物沉积在基体上。离子镀的技术基础是真空蒸气镀，其过程包括镀膜材料的受热，蒸发，离子化和电场加速沉积的过程。因此，实现离子镀有两个必要的条件：①造成一个气体放电的空间；②降镀料原子（金属原子或非金属原子）引进放电空间，使其部分离子化。由于电场的作用，待镀材料离子以几千电子伏特的能量射到工件表面上，可以打入基体约几纳米的深度，从而大大提高涂层的结合力。而未经电离的蒸发材料原子直接在工件上沉积成膜。此外，惰性气体离子与镀膜材料离子在基板表面上发生的溅射，还可以清除工件表面的污染物，进一步改善结合力。3离子镀的相关设备离子镀设备要在真空、气体放电的条件下完成镀膜和离子轰击过程。因此，一般情况下，离子镀设备由真空室、蒸发源（或气源、溅射源等）、高压电源、离化装置、放置工件的阴极等部分组成。由于不同类型的离子镀方法采用不同的真空度；镀料气化采用不同的加热蒸发方式；蒸发粒子及反应气体采用不同的电离及激发方式等。因此，离子镀的种类是多种多样的。如气体放电等离子体离子镀、射频放电离子镀、空心阴极放电离子镀、多弧离子镀（阴极电弧离子镀）等。下面介绍一下他们的特点与区别。3.1气体放电等离子体离子镀其设备与真空蒸镀设备基本类似，蒸发源与基材的距离为20至40厘米。工件架对地是绝缘的，可对工件架加负偏压。向真空室充以氩气，当气压达一定值，电压梯度适当时，在蒸发源与基材之间就会产生辉光放电，蒸发便在气体放电中进行，氩气离子和镀料离子加速飞向基材，即在离子轰击的同时凝结形成质量较高的膜。3.2空心阴极放电离子镀利用空心热阴极放电产生等离子体。空心钽管作为阴极，辅助阳极距阴极较近，二者作为引燃弧光放电的两极。阳极是镀料。弧光放电时，电子轰击阳极镀料，使其熔化而实现蒸镀。蒸镀时基片加上负偏压即可从等离子体中吸引氩离子向基片轰击，实现离子镀。离子镀膜法简述34离子镀特点4.1镀层附着性能好普通真空镀膜时，蒸发料粒子大约只以一个电子伏特的能量向工件表面蒸镀，在工件表面与镀层之间，形成的界面扩散深度通常仅为几百个埃（10000埃=1微米=0.0001厘米）。也就是说比一根头发丝的百分之一还要小。两者间可以说几乎没有连接的过渡层，好似截然分开。而离子镀时，蒸发料粒子电离后具有三千到五千电子伏特的动能。如果说普通真空镀膜的粒子相当于一个气喘吁吁的长跑运动员，那么离子镀的粒子则好似乘坐了高速火箭的乘客，当其高速轰击工件时，不但沉积速度快，而且能够穿透工件表面，形成一种注入基体很深的扩散层，离子镀的界面扩散深度可达四至五微米，也就是说比普通真空镀膜的扩散深度要深几十倍，甚至上百倍，因而彼此粘附得特别牢。对离子镀后的试件作拉伸试验表明，一直拉到快要断裂时，镀层仍随基体金属一起塑性延伸，无起皮或剥落现象发生。可见附着得多么牢固。4.2绕镀能力强离子镀时，蒸发料粒子是以带电离子的形式在电场中沿着电力线方向运动，因而凡是有电场存在的部位，均能获得良好镀层，这比普通真空镀膜只能在直射方向上获得镀层优越得多。因此，这种方法非常适合于镀复零件上的内孔、凹槽和窄缝。等其他方法难镀的部位。用普通真空镀膜只能镀直射表面，蒸发料粒子尤如攀登云梯一样，只能顺梯而上；而离子镀则能均匀地绕镀到零件的背面和内孔中，带电离子则好比坐上了直升飞机，能够沿着规定的航线飞抵其活动半径范围内的任何地方。4.3镀层质量好离子镀的镀层组织致密、无针孔、无气泡、厚度均匀。甚至棱面和凹槽都可均匀镀复，不致形成金属瘤。象螺纹一类的零件也能镀复，由于这种工艺方法还能修补工件表面的微小裂纹和麻点等缺陷，故可有效地改善被镀零件的表面质量和物理机械性能。疲劳试验表明，如果处理得当，工件疲劳寿命可比镀前高百分之二、三十。4.4清洗过程简化现有镀膜工艺，多数均要求事先对工件进行严格清洗，既复杂又费事。然而，离子镀工艺自身就有一种离子轰击清洗作用，并且这一作用还一直延续于整个镀膜过程。清洗效果极好，能使镀层直接贴近基体，有效地增强了附着力，简化了大量的镀前清洗工作。4.5可镀材料广泛等离子镀由于是利用高能离子轰击工件表面，使大量的电能在工件表面转换成热离子镀膜法简述4能，从而促进了表层组织的扩散作用和化学反应。然而，整个工件，特别是工件心部并未受到高温的影响。因此这种镀膜工艺的应用范围较广，受到的局限性则较小。通常，各种金属、合金以及某些合成材料、绝缘材料、热敏材料和高熔点材料等均可镀复。即可在金属工件上镀非金属或金属，也可在非金属上镀金属或非金属，甚至可镀塑料、橡胶、石英、陶瓷等。5离子镀膜的应用[2]离子镀的一些典型应用如表所示离子镀膜的应用举例应用镀膜基体（或组合）应用举例耐磨TiC，TiN，Al2O3HfN，WC，Cr高速钢、硬质合金、模具钢、碳钢刀具、模具、超硬工具、机械零件TiO2，SiO2，Si3N4钢、塑料、半导体表面保护强化耐热Al,W,Ti,Ta,Mo,Co-Cr-Al系合金钢、不锈钢、耐热合金、Co-Cr-Al-Y系合金排气管、耐火材料、发动机材料、航空航天器件耐蚀Al,Zn,Cd,Ta,Ti普通钢、结构钢、不锈钢飞机、船舶、汽车、管材、一般结构件润滑Au,Ag,Pb,Cu-Au,Pb-Sn,MoS2高温合金、轴承钢喷气发动机轴承、航空航天及高温旋转器件装饰Au,Ag,Ti,Al,TiN,TiC,CrC钢、黄铜、铝、铜、不锈钢、玻璃、塑料首饰、徽章、钟表、眼镜、彩色画、光泽、着色电子工业集成电路Re,Ta-N,Ta-Al,Ta-Si,Ni-Cr陶瓷、塑料、玻璃薄膜电阻、电阻器Au,Al,Cu,NiAu,Al,Ni/Si片电极SiO2,Al2O3SiO2,Al2O3/金属电容、二极管Nb,氧化物氧化物，Ag/石英透镜SiO2陶瓷等金属、印刷板、集成电路表面绝缘保护膜离子镀膜法简述56离子镀膜的方式根据不同膜材的气化方式和离化方式，可构成不同类型的离子镀膜方式。膜材的气化方式有：电阻加热、电子束加热、等离子电子束加热、高频感应加热、阴极弧光放电加热等。气体分子或原子的离化和激活方式有：辉光放电型、电子束型、热电子型、等离子电子束型、多弧型及高真空电弧放电型，以及各种形式的离子源等。不同的蒸发源与不同的电离或激发方式可以有多种不同的组合。7总结总之，表面和薄膜科学、微电子器件及纳米技术等的迅速发展，将使仪器开发和监测方法体系研究成为离子镀膜技术中的发展重点；而电子束蒸发源将是镀膜技术中的一种重要的加热方法和发展方向。随着科技的发展，离子镀膜技术会在新科技与新设备的推进下取得更加飞速的发展。参考文献[1]离子镀膜原理介绍,2009,2009(3):9-13.[2]王银川.真空镀膜技术的现状与发展,2000(6):43-52.磁光记录Gd-Co,Mn-Bi,Mn-Cu-Bi合金膜/塑料光盘光导通讯TiO2,ZnO,BaTiO3,SnO2,In2O3塑料、玻璃、陶瓷保护膜、反射膜、特殊透明膜等塑料Ni,Cu,Cr塑料汽车零件、电气零件声学ZnO,PZT,BaTiO3,LiNbO3ZnO/石英、红宝石、金膜压电膜、声表面波器件能源Si,GaAs,黑Cr太阳能收集器太阳能电池、太阳能房Al,AuAl/铀,Au/Cu套反应堆、加速器TiC,Au,Mo聚变反应容器内壁聚变反应容器