真空鍍膜：“史記”二三事

　　真空鍍膜技術(shù)初現(xiàn)于20世紀(jì)30年代，四五十年代開(kāi)始出現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)開(kāi)始于20世紀(jì)80年代，在電子、宇航、包裝、裝潢、燙金印刷等工業(yè)中取得廣泛的應(yīng)用。真空鍍膜是指在真空環(huán)境下，將某種金屬或金屬化合物以氣相的形式沉積到材料表面（通常是非金屬材料），屬于物理氣相沉積工藝。因?yàn)殄儗映�為金屬薄膜，故也稱真空金屬化。廣義的真空鍍膜還包括在金屬或非金屬材料表面真空蒸鍍聚合物等非金屬功能性薄膜。在所有被鍍材料中，以塑料最為常見(jiàn)，其次，為紙張鍍膜。相對(duì)于金屬、陶瓷、木材等材料，塑料具有來(lái)源充足、性能易于調(diào)控、加工方便等優(yōu)勢(shì)，因此種類繁多的塑料或其他高分子材料作為工程裝飾性結(jié)構(gòu)材料，大量應(yīng)用于汽車、家電、日用包裝、工藝裝飾等工業(yè)領(lǐng)域。但塑料材料大多存在表面硬度不高、外觀不夠華麗、耐磨性低等缺陷，如在塑料表面蒸鍍一層極薄的金屬薄膜，即可賦予塑料程亮的金屬外觀，合適的金屬源還可大大增加材料表面耐磨性能，大大拓寬了塑料的裝飾性和應(yīng)用范圍。

　　真空鍍膜的功能是多方面的，這也決定了其應(yīng)用場(chǎng)合非常豐富。總體來(lái)說(shuō)，真空鍍膜的主要功能包括賦予被鍍件表面高度金屬光澤和鏡面效果，在薄膜材料上使膜層具有出色的阻隔性能，提供優(yōu)異的電磁屏蔽和導(dǎo)電效果。

　　蒸發(fā)鍍膜通過(guò)加熱蒸發(fā)某種物質(zhì)使其沉積在固體表面，稱為蒸發(fā)鍍膜。這種方法最早由M.法拉第于1857年提出，現(xiàn)代已成為常用鍍膜技術(shù)之一。

　　蒸發(fā)物質(zhì)如金屬、化合物等置于坩堝內(nèi)或掛在熱絲上作為蒸發(fā)源，待鍍工件，如金屬、陶瓷、塑料等基片置于坩堝前方。待系統(tǒng)抽至高真空后，加熱坩堝使其中的物質(zhì)蒸發(fā)。蒸發(fā)物質(zhì)的原子或分子以冷凝方式沉積在基片表面。薄膜厚度可由數(shù)百埃至數(shù)微米。膜厚決定于蒸發(fā)源的蒸發(fā)速率和時(shí)間（或決定于裝料量），并與源和基片的距離有關(guān)。對(duì)于大面積鍍膜，常采用旋轉(zhuǎn)基片或多蒸發(fā)源的方式以保證膜層厚度的均勻性。從蒸發(fā)源到基片的距離應(yīng)小于蒸氣分子在殘余氣體中的平均自由程，以免蒸氣分子與殘氣分子碰撞引起化學(xué)作用。蒸氣分子平均動(dòng)能約為0.1～0.2電子伏。

　　蒸發(fā)源有三種類型。①電阻加熱源：用難熔金屬如鎢、鉭制成舟箔或絲狀,通以電流,加熱在它上方的或置于坩堝中的蒸發(fā)物質(zhì)（圖1）。電阻加熱源主要用于蒸發(fā)Cd、Pb、Ag、Al、Cu、Cr、Au、Ni等材料。②高頻感應(yīng)加熱源：用高頻感應(yīng)電流加熱坩堝和蒸發(fā)物質(zhì)。③電子束加熱源：適用于蒸發(fā)溫度較高（不低于2000）的材料，即用電子束轟擊材料使其蒸發(fā)。

　　蒸發(fā)鍍膜與其他真空鍍膜方法相比，具有較高的沉積速率，可鍍制單質(zhì)和不易熱分解的化合物膜。

　　為沉積高純單晶膜層，可采用分子束外延方法。生長(zhǎng)摻雜的GaAlAs單晶層的分子束外延裝置如圖2。噴射爐中裝有分子束源，在超高真空下當(dāng)它被加熱到一定溫度時(shí)，爐中元素以束狀分子流射向基片�；�片被加熱到一定溫度，沉積在基片上的分子可以徙動(dòng)，按基片晶格次序生長(zhǎng)結(jié)晶用分子束外延法可獲得所需化學(xué)計(jì)量比的高純化合物單晶膜，薄膜最慢生長(zhǎng)速度可控制在1單層／秒。通過(guò)控制擋板,可精確地做出所需成分和結(jié)構(gòu)的單晶薄膜。分子束外延法廣泛用于制造各種光集成器件和各種超晶格結(jié)構(gòu)薄膜。

　　濺射鍍膜用高能粒子轟擊固體表面時(shí)能使固體表面的粒子獲得能量并逸出表面，沉積在基片上。濺射現(xiàn)象于1870年開(kāi)始用于鍍膜技術(shù)，1930年以后由于提高了沉積速率而逐漸用于工業(yè)生產(chǎn)。常用的二極濺射設(shè)備如圖3。通常將欲沉積的材料制成板材──靶,固定在陰極上。基片置于正對(duì)靶面的陽(yáng)極上,距靶幾厘米。系統(tǒng)抽至高真空后充入10～1帕的氣體（通常為氬氣），在陰極和陽(yáng)極間加幾千伏電壓，兩極間即產(chǎn)生輝光放電。放電產(chǎn)生的正離子在電場(chǎng)作用下飛向陰極，與靶表面原子碰撞，受碰撞從靶面逸出的靶原子稱為濺射原子,其能量在1至幾十電子伏范圍。濺射原子在基片表面沉積成膜。與蒸發(fā)鍍膜不同，濺射鍍膜不受膜材熔點(diǎn)的限制,可濺射W、Ta、C、Mo、WC、TiC等難熔物質(zhì)。濺射化合物膜可用反應(yīng)濺射法，即將反應(yīng)氣體(O2、N2、H2S、CH4等)加入Ar氣中,反應(yīng)氣體及其離子與靶原子或?yàn)R射原子發(fā)生反應(yīng)生成化合物（如氧化物、氮化物等）而沉積在基片上。沉積絕緣膜可采用高頻濺射法�；�片裝在接地的電極上，絕緣靶裝在對(duì)面的電極上。高頻電源一端接地，一端通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)和隔直流電容接到裝有絕緣靶的電極上。接通高頻電源后，高頻電壓不斷改變極性。等離子體中的電子和正離子在電壓的正半周和負(fù)半周分別打到絕緣靶上。由于電子遷移率高于正離子，絕緣靶表面帶負(fù)電，在達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，靶處于負(fù)的偏置電位，從而使正離子對(duì)靶的濺射持續(xù)進(jìn)行。采用磁控濺射可使沉積速率比非磁控濺射提高近一個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　離子鍍蒸發(fā)物質(zhì)的分子被電子碰撞電離后以離子沉積在固體表面，稱為離子鍍。這種技術(shù)是D.麥托克斯于1963年提出的。離子鍍是真空蒸發(fā)與陰極濺射技術(shù)的結(jié)合。一種離子鍍系統(tǒng)如圖4,將基片臺(tái)作為陰極，外殼作陽(yáng)極，充入惰性氣體（如氬）以產(chǎn)生輝光放電。從蒸發(fā)源蒸發(fā)的分子通過(guò)等離子區(qū)時(shí)發(fā)生電離。正離子被基片臺(tái)負(fù)電壓加速打到基片表面。未電離的中性原子（約占蒸發(fā)料的95％）也沉積在基片或真空室壁表面。電場(chǎng)對(duì)離化的蒸氣分子的加速作用（離子能量約幾百～幾千電子伏）和氬離子對(duì)基片的濺射清洗作用，使膜層附著強(qiáng)度大大提高。離子鍍工藝綜合了蒸發(fā)（高沉積速率）與濺射（良好的膜層附著力）工藝的特點(diǎn)，并有很好的繞射性，可為形狀復(fù)雜的工件鍍膜。