镀膜技术

够的能量而溅出进入气相，这种溅出的、复杂的粒子散射过程称为溅射。被轰击的材料称为靶。由于离子易于在电磁场中加速或偏转，所以荷能粒子一般为离子，这种溅射称为离子溅射。

2）辉光放电 辉光放电是在10-2Pa-10Pa真空度范围内，在两个电极之间加上高压时产生的放电现象。它是离子溅射镀膜的基础，即离子溅射镀膜中的入射离子一般利用气体放电法得到。 2.2.2 磁控离子溅射

在真空磁控离子溅射过程中，磁场被施加在溅射靶的表面以限制高密度的等离子体。氩离子被加速打在加有负电压的阴极（靶材）上。离子与阴极的碰撞使得靶材被溅射出带有平均能量4 - 6 eV的颗粒。这些颗粒沉积在放于靶前方的被镀工件上，形成薄膜。

图 4 真空离子溅射系统简图

2.2.3 磁控溅射的应用

磁控溅射[6]目前是一种应用十分广泛的薄膜沉积技术,溅射技术上的不断发展和对新功能薄膜的探索研究,使磁控溅射应用延伸到许多生产和科研领域。在微电子领域作为一种非热式镀膜技术,主要应用在化学气相沉积(CVD)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长困难及不适用的材料薄膜沉积,而且可以获得大面积非常均匀的薄膜。包括欧姆接触的Al、Cu、Au、W、Ti等金属电极薄膜及可用于栅绝缘层或扩散势垒层的TiN、Ta2O5、TiO、Al2O3、ZrO2、AlN等介质薄膜沉积。光学薄膜应用反应磁控溅射技术已有多年，中频闭合场非平衡磁控溅射技术也已在光学薄膜(如增透膜)、低辐射玻璃和透明导电玻璃等方面得到应用。特别是透明导电玻璃目前广泛应用于平板显示器件、太阳能电池、微波与射频屏蔽装置与器件、传感器等。

2.3 离子镀 2.3.1 工艺原理

离子镀是真空镀膜工艺[7]的一项新发展。普通真空镀膜（亦称真空蒸镀）时，工件夹固在真空罩内，当高温蒸发源通电加热后，促使待镀材料——蒸发料熔化蒸发。由于温升，蒸发料粒子获得一定动能，则沿着视线方向徐徐上升，最后附着于工件表面上堆积成膜。用这种工艺形成的镀层，与零件表面既无牢固的化学结合，有无扩散连接，附着性能很差，有时就像桌面上落的灰尘一样，用手一摸也会擦掉。然而，离子镀工艺则有所不同，虽然也是在真空罩内进行的，但这时镀膜过程是以电荷传递的形式来实现的。也就是说，蒸发料的粒子作为带正电荷的高能离子在高压阴极（即工件）的吸引下，以很高的速度注入到工件表面。相当于一个从枪管中射出的高速弹头，可以穿入靶体很深，在工件上形成一种附着牢固的扩散镀层。

离子镀的作用过程如下: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。这就是离子镀的简单作用过程。

图 5 离子镀示意图

2.3.2离子镀特点 （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）。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。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。 (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。 (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）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。 2.3.3离子镀应用

(1)在现代飞机、航空发动机或航空仪表中，特别是在航宇器，如宇宙飞船、人造卫星中，有不少旋转零件都要求有良好的润滑，但往往由于封存过久、环境温度过高或太空挥发等原因，普通油脂润滑剂已不再适用，从而提出以固体润滑剂代替。试验表明，用离子镀来制作固体润滑膜，比现有其他方法为优。不但附着力强，镀层又薄又匀，不影响零件的尺寸精度和公差配合。经济性也好，少许润滑材料即可镀很大面积。润滑膜的质量也较好，摩擦系数小，使用寿命也长。例如有一个人造卫星上的精密轴承，未镀前工作寿命仅为几分钟，根本无法使用；但是经离子镀固体润滑膜后，则可在飞行中可靠地工作数千小时之久。离子镀不仅能够镀许多种常温固体润滑材料，而且还能镀复各种高温固体润滑材料，有的甚至可以在摄氏八百度以上的高温下发挥良好的润滑作用。可镀的固体润滑材料有银、金、铜、铅、铅锡合金、氟化物等。

(2) 航空零件，特别是许多发动机零件往往需要在高温下工作。现代航空发动机零件在这样高的温度下工作，仅仅依赖零件基体材料本身的性能是很难满足要求的。那么，发动机零件怎样才能不怕高温烧蚀呢？目前除在零件结构上采取措施（如采用空心冷却叶片、发散冷却叶片等）以外，大都需用耐热镀层进行保护。离子镀对于沉积耐热膜有相当多的优点，能镀各种高熔点材料，如氧化铝、氧化