薄膜的制備工藝和方法

1、薄膜的制備工藝和方法2.1 物理氣相沉積真空蒸鍍2.2 濺射成膜2.3 化學(xué)氣相沉積（CVD）2.4 三束技術(shù)與薄膜制備重點(diǎn)1. 什么叫濺射？影響濺射的主要因素？2. 說明濺射的動能轉(zhuǎn)移論。3. 比較濺射與蒸發(fā)的特點(diǎn)。4. 濺射的主要類型。濺射 (Sputtering) 是指荷能粒子（如正離子）轟擊靶材，使靶材表面原子或原子團(tuán)逸出的現(xiàn)象。逸出的原子在工件表面形成與靶材表面成份相同的薄膜。這種制備薄膜的方法稱為濺射成膜。2.2 濺射成膜如圖所示，濺射腔室內(nèi)充有惰性氣體如氬氣，在高壓下可以電離化。荷正電離子在靶子表面得到加速，它們有足夠的能量可以撞擊靶子使得其上的原子離開把子材料，其中大多數(shù)原子趨

2、向基質(zhì)材料表面加速，接二連三的撞擊、沉積就形成了薄膜。 濺射制薄膜設(shè)施示意圖 1853年，Grove就觀察到了濺射現(xiàn)象，他發(fā)現(xiàn)在氣體放電室的器壁上有一層金屬沉積物，沉積物的成份與陰極材料的成份完全相同。但當(dāng)時(shí)他并不知道產(chǎn)生這種現(xiàn)象的物理原因。1902年，Goldstein 才指出產(chǎn)生這種濺射現(xiàn)象的原因是由于陰極受到電離氣體中的離子的轟擊而引起的，并且他完成了第一個(gè)離子束濺射實(shí)驗(yàn)。1960年以后，人們開始重視對濺射現(xiàn)象的研究，其原因是它不僅與帶電粒子同固體表面相互作用的各種物理過程直接相關(guān)，而且它具有重要的應(yīng)用，如核聚變反應(yīng)堆的器壁保護(hù)、表面分析技術(shù)及薄膜制備等都涉及到濺射現(xiàn)象。 濺射的發(fā)展史濺

3、射的原子有大的能量，初始原子撞擊基質(zhì)表面即進(jìn)入幾個(gè)原子層深度，這有助于薄膜層與基質(zhì)間的良好附著力。濺射法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以改變靶材料產(chǎn)生多種濺射原子，并不破環(huán)原有系統(tǒng)，因此可以形成多層薄膜。濺射法廣泛應(yīng)用在諸如由元素硅、鈦、鈮、鎢、鋁、金和銀等形成的薄膜；也可以用于形成包括耐火材料，如碳化物、硼化物和氮化物在金屬工具表面形成薄膜；以及形成軟的潤滑膜如硫化鉬；還用于光學(xué)設(shè)備上防太陽光氧化物薄膜等；相似的設(shè)備也可以用于非導(dǎo)電的有機(jī)高分子薄膜的制備。 濺射的應(yīng)用 濺射通常采用的是輝光放電，利用輝光放電時(shí)正離子對陰極濺射。當(dāng)作用于低壓氣體的電場強(qiáng)度超過某臨界值時(shí)，將出現(xiàn)氣體放電現(xiàn)象。氣體放電時(shí)在放電空

4、間會產(chǎn)生大量電子和正離子，在極間的電場作用下它們將作遷移運(yùn)動形成電流。2.2.1 濺射的基本原理1. 氣體放電理論外界條件作用下導(dǎo)致氣體放電放電不取決于外界條件而能夠持續(xù)，并發(fā)出暗光電壓保持一定，并發(fā)出一定顏色的輝光低壓氣體放電是指由于電子獲得電場能量，與中性氣體原子碰撞引起電離的過程，Townsend 引入三個(gè)系數(shù)來表征存在的三個(gè)電離過程：在電場作用下，電子獲得一定能量，在從陰極到陽極運(yùn)動過程中與中性氣體原子發(fā)生非彈性碰撞，使中性原子失去外層電子變成正離子和新的自由電子，這種現(xiàn)象會增殖而形成電子崩。電子電離系數(shù)就是表示自由電子經(jīng)單位距離，由于碰撞電離而增殖的自由電子數(shù)目或產(chǎn)生的電離數(shù)目。(1

5、) 電子的電離系數(shù) 設(shè)單位時(shí)間由陰極表面逸出電子的面密度為 n0，使陰極的電子電流密度 J 為距陰極為 x 處的電流密度 J 為當(dāng)極間距離為 d 時(shí)，達(dá)到陰極的電子電流密度 Jd 為 值與氣體壓力 p、電場強(qiáng)度 E 有關(guān)，經(jīng)驗(yàn)公式為正離子從陰極向陽極運(yùn)動過程中，與中性分子碰撞而使分子電離，單位距離由于正離子碰撞產(chǎn)生的電離系數(shù)用 表示。(2) 正離子的電離系數(shù) (3) 二次電子發(fā)射系數(shù)每個(gè)擊中陰極靶面的正離子使陰極逸出的二次電子數(shù)稱為二次電子發(fā)射。一般而言，氣體的電離電位較高，陰極靶的電子逸出功較低時(shí)，則系數(shù) 就越大。由于二次電子的發(fā)射，增加了陰極附近的電子數(shù)量，則陰極的放電電流密度為：非自持放

6、電轉(zhuǎn)化為自持放電的條件為：若從非自持放電轉(zhuǎn)化為自持放電的點(diǎn)燃電場為ES，則點(diǎn)燃電壓為：將自持放電條件帶入式（218）？得即自持放電的點(diǎn)燃電壓取決于p和d的乘積，在Vs和Pd關(guān)系曲線上具有一個(gè)極小值。即在一定的 pd 值時(shí)點(diǎn)燃電壓最小，稱為巴欣(Padchen)定律。2. 輝光放電當(dāng)?shù)蛪悍烹姽芡饧与妷撼^點(diǎn)燃電壓后，放電管只能自持放電，并發(fā)出輝光，這種放電現(xiàn)象稱為輝光放電。從陰極到陽極可將輝光放電分為三個(gè)區(qū)域：陰極放電區(qū)，正柱區(qū)，陽極放電區(qū)陰極放電區(qū)最為復(fù)雜，可分成阿斯頓(Aston)暗區(qū)、陰極輝光、克魯斯(Crookes)暗區(qū)、負(fù)輝光區(qū)及法拉第暗區(qū)幾個(gè)部分。每個(gè)區(qū)域的特征，自學(xué)，p42(1)

7、阿斯頓暗區(qū) 該區(qū)緊靠陰極表面一層，由于電子剛剛從陰極表面逸出，能量較小，還不足以使氣體激發(fā)電離，所以不發(fā)光，但電子在該區(qū)可獲得激發(fā)氣體原子所必須的能量。(2) 陰極輝光層 電子獲得足夠的能量后，能使氣體原子激發(fā)而發(fā)光，形成陰極輝光層。(3) 克魯斯暗區(qū) 隨著電子在電場中獲得的能量不斷增加，使氣體原子產(chǎn)生大量的電離，在該區(qū)域內(nèi)電子的有效激發(fā)電離隨之減小，發(fā)光變得微弱，該區(qū)稱為克魯斯暗區(qū)。(4) 負(fù)輝光區(qū) 由于從陰極逸出的電子經(jīng)過多次非彈性碰撞，大部分電子能量降低，加上陰極暗區(qū)電離產(chǎn)生大量電子進(jìn)入這一區(qū)域，導(dǎo)致負(fù)空間電荷堆積而產(chǎn)生光能，形成負(fù)輝光區(qū)。(5) 法拉第暗區(qū) 法拉第暗區(qū)即負(fù)輝光區(qū)至正柱區(qū)

8、的中間過渡區(qū)，電子在該區(qū)內(nèi)由于加速電場很小，繼續(xù)維持其低能狀態(tài)，發(fā)光強(qiáng)度較弱。(6) 陽極暗區(qū) 陽極暗區(qū)是正柱區(qū)和陽極之間的區(qū)域，它是一個(gè)可有可無的區(qū)域，取決于外電路電流大小及陽極面積和形狀等因素。3. 濺射機(jī)制(1) 濺射蒸發(fā)論蒸發(fā)論由 Hippel 于 1962 年提出，后由 Sommereyer 于 1935 年進(jìn)一步完善?；舅枷胧牵簽R射的發(fā)生是由于轟擊離子將能量轉(zhuǎn)到靶子上，在靶上產(chǎn)生局部高溫區(qū)，使靶材從這些局部區(qū)域蒸發(fā)。按這一觀點(diǎn)，濺射率是靶材升華熱和轟擊離子能量的函數(shù)，濺射原子成膜應(yīng)該與蒸發(fā)成膜一樣呈余弦函數(shù)分布。早期的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持這一理論。然而進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證明，上述理論存在嚴(yán)重缺

9、陷，主要由以下幾點(diǎn)： (a) 濺射粒子的分布并非余弦規(guī)律； (b) 濺射量與入射離子質(zhì)量和靶材原子質(zhì)量之比有關(guān); (c) 濺射量取決于入射粒子的方向。(2) 動量轉(zhuǎn)移理論動量轉(zhuǎn)移論由 Stark 于 1908 年提出，Compton 于 1934 年完善。這種觀點(diǎn)認(rèn)為，轟擊離子對靶材轟擊時(shí)，與靶材原子發(fā)生了彈性碰撞，從而獲得了與入射原子相反方向的動量，撞擊表面而形成濺射原子。由于濺射是由碰撞機(jī)制產(chǎn)生，因而濺射原子分布不同于蒸發(fā)原子的分布，圖 2-18 是不同能量 Hg 離子對多晶體鉬靶轟擊后，不同方向的濺射離子分布。顯然，它是非余弦分布。然而，當(dāng)轟擊離子能量增加時(shí)，其角度分布逐漸趨于余弦分布。

10、這里，高能離子與靶材表面原子碰撞，表面原子獲得最大能量可以寫成式中，m、 分別為高能離子質(zhì)量與能量。然而應(yīng)該指出，由于經(jīng)過多次表面原子的碰撞，真正變成濺射離子的能量要遠(yuǎn)小于上式的理論值，圖 2-19 是濺射離子平均能量與入射離子能量的關(guān)系?？梢钥闯?，隨著入射離子能量增加，濺射粒子能量也隨之增加。當(dāng)斜入射時(shí)，濺射粒子能量更大。一般而言，濺射粒子的能量符合波爾茲曼分布，并且絕大部分濺射粒子能量為 010 eV。一個(gè)入射于靶面的離子，使靶面濺射出來的原子數(shù)稱為濺射率，用 S 表示。可見，濺射率是決定濺射成膜快慢的主要因素之一。影響濺射率大小的主要因素有：入射離子的能量、入射角度、靶材及表面晶體結(jié)構(gòu)。

11、其中入射離子的能量起主要作用。4. 濺射率及其影響因素離子轟擊時(shí)存在閾值 E0，只有 E E0時(shí)，才會產(chǎn)生濺射粒子。表 2.5 列出了各種靶材的閾值能量。從動量傳遞理論推算，在入射離子與靶面原子發(fā)生碰撞過程中，當(dāng)獲得傳遞能量的濺射粒子大于靶材的升華熱時(shí)，靶材原子可以從靶面飛出，所以閾值能量與升華熱具有相同的數(shù)量級。從圖中可以看出，入射離子能量在100 eV以下時(shí)，SE02;入射離子能量為100400 eV 時(shí)，SE0；入射離子能量為 400500eV 時(shí)， S E0; 入射離子能量為 10100 keV 時(shí)，濺射率出現(xiàn)平臺。事實(shí)上，濺射率的大小還取決于正離子的種類，靶材為 Ag，加速電壓為45

12、 kV 時(shí)，濺射率隨正離子原子序數(shù)呈周期變化，而惰性氣體呈現(xiàn)出峰值。所以濺射時(shí)多用Ar。此外，靶材不同對濺射的影響也較大，隨著原子序數(shù)的增大，濺射率也周期性變化，如 Cu, Ag, Au 都具有大的濺射率。1. 直流濺射原理：由一對陰極和陽極組成的二級冷陰極輝光放電管組成。1. 陰極相當(dāng)于靶，陽極同時(shí)起支撐基片作用。2. 到達(dá)真空狀態(tài)之后,在靶和基板之間加高電壓。 2.2.2 濺射設(shè)備3. 電子和離子在高電壓下高速運(yùn)動,離子撞擊靶材, 高速運(yùn)動的電子和離子與氣體分子碰撞, 產(chǎn)生更多的離子。 4. 離子撞擊靶后, 把靶材的粒子濺射出去。 5. 被濺射出來的靶材的粒子到達(dá)成膜基板上成膜。 影響直流

13、濺射成膜的主要參數(shù)有陰極位降、陰極電流、濺射氣體壓力等。隨著濺射氣壓升高，兩級間距的增加，從靶材表面到基片飛行中的濺射粒子因不斷與氣體分子或離子碰撞損失動能而不能到達(dá)基片，所以到達(dá)基片的物質(zhì)總量可折算為式中，Q0 為靶材表面濺射飛出原子的總量，可以寫為式中，Ii 為轟擊靶材的離子流，A 為濺射粒子的原子量，N0為阿伏加德羅常數(shù)，t 為濺射時(shí)間。通常情況下，濺射有 Is = Li (Is 為放電電流），S 正比于 V（放電電壓），所以式中，Ii 為轟擊靶材的離子流，A 為濺射粒子的原子量，N0 為阿伏加德羅常數(shù)，t 為濺射時(shí)間，通常情況下，近似地有 Is = Li（Is 為放電電流），S 正比于

14、 V（放電電壓），所以式中，K2 也取決于濺射物質(zhì)。最后有從上式可以看出，濺射的物質(zhì)量 Q 正比于濺射裝置所消耗的電功率 Is，反比于氣壓和極間距。這是最初被采用的濺射成膜法。長處在于構(gòu)造簡單,但同時(shí)存在以下缺點(diǎn): 1. 發(fā)生輝光放電,設(shè)備的真空程度較差,殘留氣體影響較大。比如說成長的薄膜和殘留氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng), 或薄膜中有氣泡等。 2. 氣體成為等離子體狀態(tài), 基板也處在高溫的等離子狀態(tài)中。因?yàn)楦邷乜赡軙p傷基板。 3. 原料(靶) 是強(qiáng)絕緣體的時(shí)候,表面會有離子堆積,使放電中止，所以不能對絕緣體進(jìn)行濺射。 2. 高頻濺射 采用高頻電壓時(shí)，可以濺射絕緣體靶材。由于絕緣體靶表面上的離子和電子的

15、交互撞擊作用，使靶表面不會蓄積正電荷，因而同樣可以維持輝光放電。 與直流相比，高頻放電管的點(diǎn)燃電壓（巴欣電壓）可以寫成以下形式 一般而言，高頻放電的點(diǎn)燃電壓遠(yuǎn)低于直流或低頻時(shí)的放電電壓。與直流濺射相比，區(qū)別在于附加了高頻電源。3. 磁控濺射與蒸鍍法相比，二級或高頻濺射成膜速率非常小，大約為 50 nm /min ，這個(gè)速率約為蒸鍍速度的 1/5 1/10，因而大大限制了濺射技術(shù)的推廣應(yīng)用。為了提高濺射速度，發(fā)展到了磁控濺射。磁控濺射是為了在低氣壓下進(jìn)行高速濺射，必須有效地提高氣體的離化率。通過在靶陰極表面引入磁場，利用磁場對帶電粒子的約束來提高等離子體密度以增加濺射率的方法。原理 1. 成膜基

16、板和靶近距離配置、靶材的后面安裝有磁鐵。 2. 加高電壓之后誘發(fā)濺射。 3. 因?yàn)榘兄車写艌觥㈦娮友卮帕€做螺旋運(yùn)動。 4. 在螺旋運(yùn)動電子的周圍產(chǎn)生等離子狀態(tài)、可進(jìn)行高密度濺射。 磁控濺射的工作原理是指電子在電場E的作用下，在飛向基片過程中與氬原子發(fā)生碰撞，使其電離產(chǎn)生出Ar 和新的電子；新電子飛向基片，Ar 在電場作用下加速飛向陰極靶，并以高能量轟擊靶表面，使靶材發(fā)生濺射。在濺射粒子中，中性的靶原子或分子沉積在基片上形成薄膜，而產(chǎn)生的二次電子會受到電場和磁場作用，產(chǎn)生E（電場）B（磁場）所指的方向漂移，簡稱EB漂移，其運(yùn)動軌跡近似于一條擺線。若為環(huán)形磁場，則電子就以近似擺線形式在靶表面做

17、圓周運(yùn)動，它們的運(yùn)動路徑不僅很長，而且被束縛在靠近靶表面的等離子體區(qū)域內(nèi)，并且在該區(qū)域中電離出大量的Ar 來轟擊靶材，從而實(shí)現(xiàn)了高的沉積速率。隨著碰撞次數(shù)的增加，二次電子的能量消耗殆盡，逐漸遠(yuǎn)離靶表面，并在電場E的作用下最終沉積在基片上。由于該電子的能量很低，傳遞給基片的能量很小，致使基片溫升較低。 磁控濺射是入射粒子和靶的碰撞過程。入射粒子在靶中經(jīng)歷復(fù)雜的散射過程，和靶原子碰撞，把部分動量傳給靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成級聯(lián)過程。在這種級聯(lián)過程中某些表面附近的靶原子獲得向外運(yùn)動的足夠動量，離開靶被濺射出來。種類磁控濺射包括很多種類。各有不同工作原理和應(yīng)用對象。但有一共同點(diǎn)：利用磁

18、場與電子交互作用，使電子在靶表面附近成螺旋狀運(yùn)行，從而增大電子撞擊氬氣產(chǎn)生離子的概率。所產(chǎn)生的離子在電場作用下撞向靶面從而濺射出靶材。 靶源分平衡和非平衡式，平衡式靶源鍍膜均勻，非平衡式靶源鍍膜膜層和基體結(jié)合力強(qiáng)。平衡靶源多用于半導(dǎo)體光學(xué)膜，非平衡多用于磨損裝飾膜。磁控陰極按照磁場位形分布不同，大致可分為平衡態(tài)和非平衡磁控陰極。平衡態(tài)磁控陰極內(nèi)外磁鋼的磁通量大致相等，兩極磁力線閉合于靶面，很好地將電子/等離子體約束在靶面附近，增加碰撞幾率，提高了離化效率，因而在較低的工作氣壓和電壓下就能起輝并維持輝光放電，靶材利用率相對較高，但由于電子沿磁力線運(yùn)動主要閉合于靶面，基片區(qū)域所受離子轟擊較小.非平

19、衡磁控濺射技術(shù)概念，即讓磁控陰極外磁極磁通大于內(nèi)磁極，兩極磁力線在靶面不完全閉合，部分磁力線可沿靶的邊緣延伸到基片區(qū)域，從而部分電子可以沿著磁力線擴(kuò)展到基片，增加基片 區(qū)域的等離子體密度和氣體電離率.不管平衡非平衡，若磁鐵靜止，其磁場特性決定一般靶材利用率小于30%。為增大靶材利用率，可采用旋轉(zhuǎn)磁場。但旋轉(zhuǎn)磁場需要旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，同時(shí)濺射速率要減小。旋轉(zhuǎn)磁場多用于大型或貴重靶。如半導(dǎo)體膜濺射。對于小型設(shè)備和一般工業(yè)設(shè)備，多用磁場靜止靶源。 用磁控靶源濺射金屬和合金很容易，點(diǎn)火和濺射很方便。這是因?yàn)榘校帢O），等離子體，和被濺零件/真空腔體可形成回路。但若濺射絕緣體如陶瓷則回路斷了。于是人們采用高頻電

20、源，回路中加入很強(qiáng)的電容。這樣在絕緣回路中靶材成了一個(gè)電容。但高頻磁控濺射電源昂貴，濺射速率很小，同時(shí)接地技術(shù)很復(fù)雜，因而難大規(guī)模采用。為解決此問題，發(fā)明了磁控反應(yīng)濺射。就是用金屬靶，加入氬氣和反應(yīng)氣體如氮?dú)饣蜓鯕?。?dāng)金屬靶材撞向零件時(shí)由于能量轉(zhuǎn)化，與反應(yīng)氣體化合生成氮化物或氧化物特征 1. 也可使用高頻電源。 2.在成膜基板附近沒有等離子狀態(tài)、基板不受損傷。 3.濺射量大。缺點(diǎn) 靶材的磨損不均勻(磁場較強(qiáng)的地方被大量濺射、在磁場南北極中間線附近濺射量較少)。 4. 反應(yīng)濺射 在濺射中，如果將靶材做出化合物來制備化合物薄膜，則薄膜的成分一般與靶材化合物的成分偏差較大。為了濺射化合物薄膜，通常在

21、反應(yīng)氣氛下來實(shí)現(xiàn)濺射，即將活性氣體混入放電氣體中，就可以控制成膜的組成和性質(zhì)，這種方法叫反應(yīng)濺射方法。 反應(yīng)濺射裝置中一般設(shè)有引入活性氣體的入口，并且基片應(yīng)預(yù)熱到500C 左右的溫度。此外，要對濺射氣體與活性氣體的混合比例進(jìn)行適當(dāng)控制。通常情況下，對于二級直流濺射，氬氣加上活性氣體后的總壓力為1.3 Pa，而在高頻濺射時(shí)一般為左右。5. 離子鍍 (ion plating) 濺射法是利用被加速的正離子的撞擊作用，使蒸汽壓低而難蒸發(fā)的物質(zhì)變成氣體。這種正離子若打到基片上，還會起到表面清洗的作用，提高薄膜質(zhì)量。然而，這樣又帶來一個(gè)新的問題，就是成膜速度受到一定限制。為了解決這一難題，將真空蒸鍍與濺射

22、結(jié)合起來，利用真空蒸鍍來鍍膜，利用濺射來清洗基片，這種鍍膜方法稱為離子鍍膜。離子鍍發(fā)展現(xiàn)代航空工業(yè)中使用的鍍膜辦法種類很多，比如電鍍、噴鍍、化學(xué)鍍、擴(kuò)散度以及軋壓、包鍍等。其中不少鍍膜工藝已為人們掌握，并在生產(chǎn)中發(fā)揮了顯著作用。 但是，已有的鍍膜工藝跟不上產(chǎn)品日新月異的發(fā)展，從而促使人們探索新的鍍膜技術(shù)。“離子鍍”就是近十幾年來發(fā)展起來的一種最新的真空鍍膜技術(shù)。離子鍍是真空鍍膜工藝的一項(xiàng)新發(fā)展。普通真空鍍膜（亦稱真空蒸鍍）時(shí)，工件夾固在真空罩內(nèi)，當(dāng)高溫蒸發(fā)源通電加熱后，促使待鍍材料蒸發(fā)料熔化蒸發(fā)。由于溫升，蒸發(fā)料粒子獲得一定動能，則沿著視線方向徐徐上升，最后附著于工件表面上堆積成膜。用這種工藝

23、形成的鍍層，與零件表面既無牢固的化學(xué)結(jié)合，有無擴(kuò)散連接，附著性能很差，有時(shí)就像桌面上落的灰塵一樣，用手一摸也會擦掉。然而，離子鍍工藝則有所不同，雖然也是在真空罩內(nèi)進(jìn)行的，但這時(shí)鍍膜過程是以電荷傳遞的形式來實(shí)現(xiàn)的。也就是說，蒸發(fā)料的粒子作為帶正電荷的高能離子在高壓陰極（即工件）的吸引下，以很高的速度注入到工件表面。相當(dāng)于一個(gè)從槍管中射出的高速彈頭，可以穿入靶體很深，在工件上形成一種附著牢固的擴(kuò)散鍍層。 離子鍍的作用過程如下:蒸發(fā)源接陽極，工件接陰極，當(dāng)通以三至五千伏高壓直流電以后，蒸發(fā)源與工件之間產(chǎn)生輝光放電。由于真空罩內(nèi)充有惰性氬氣，在放電電場作用下部分氬氣被電離，從而在陰極工件周圍形成一等離

24、子暗區(qū)。帶正電荷的氬離子受陰極負(fù)高壓的吸引，猛烈地轟擊工件表面，致使工件表層粒子和臟物被轟濺拋出，從而使工件待鍍表面得到了充分的離子轟擊清洗。隨后，接通蒸發(fā)源交流電源，蒸發(fā)料粒子熔化蒸發(fā)，進(jìn)入輝光放電區(qū)并被電離。帶正電荷的蒸發(fā)料離子，在陰極吸引下，隨同氬離子一同沖向工件，當(dāng)拋鍍于工件表面上的蒸發(fā)料離子超過濺失離子的數(shù)量時(shí)，則逐漸堆積形成一層牢固粘附于工件表面的鍍層。這就是離子鍍的簡單作用過程。 將基片放在陰極板上，在基片和蒸發(fā)源之間加高電壓，真空室內(nèi)充入 1.31.31012 Pa 放電氣體。與放電氣體成比例的蒸發(fā)分子，由于強(qiáng)電場作用而激發(fā)電離，離子加速后打到基片上，而大部分中性蒸發(fā)分子不能加

25、速而直接到達(dá)基片上。優(yōu)點(diǎn)：1) 采用這種方法制備的薄膜與基體結(jié)合強(qiáng)度大。2) 若加之磁場控制濺射，或在兩級間加高頻電場或混入反應(yīng)性氣體，可有制備多種單質(zhì)或化合物薄膜。鍍層附著性能好普通真空鍍膜時(shí)，蒸發(fā)料粒子大約只以一個(gè)電子伏特的能量向工件表面蒸鍍，在工件表面與鍍層之間，形成的界面擴(kuò)散深度通常僅為幾百個(gè)埃（10000埃=1微米=0.0001厘米）。也就是說比一根頭發(fā)絲的百分之一還要小。兩者間可以說幾乎沒有連接的過渡層，好似截然分開。而離子鍍時(shí)，蒸發(fā)料粒子電離后具有三千到五千電子伏特的動能。如果說普通真空鍍膜的粒子相當(dāng)于一個(gè)氣喘吁吁的長跑運(yùn)動員，那么離子鍍的粒子則好似乘坐了高速火箭的乘客，當(dāng)其高速

26、轟擊工件時(shí)，不但沉積速度快，而且能夠穿透工件表面，形成一種注入基體很深的擴(kuò)散層，離子鍍的界面擴(kuò)散深度可達(dá)四至五微米，也就是說比普通真空鍍膜的擴(kuò)散深度要深幾十倍，甚至上百倍，因而彼此粘附得特別牢。對離子鍍后的試件作拉伸試驗(yàn)表明，一直拉到快要斷裂時(shí)，鍍層仍隨基體金屬一起塑性延伸，無起皮或剝落現(xiàn)象發(fā)生。可見附著得多么牢固??！繞鍍能力強(qiáng)離子鍍時(shí)，蒸發(fā)料粒子是以帶電離子的形式在電場中沿著電力線方向運(yùn)動，因而凡是有電場存在的部位，均能獲得良好鍍層，這比普通真空鍍膜只能在直射方向上獲得鍍層優(yōu)越得多。因此，這種方法非常適合于鍍復(fù)零件上的內(nèi)孔、凹槽和窄縫。等其他方法難鍍的部位。用普通真空鍍膜只能鍍直射表面，蒸發(fā)

27、料粒子尤如攀登云梯一樣，只能順梯而上；而離子鍍則能均勻地繞鍍到零件的背面和內(nèi)孔中，帶電離子則好比坐上了直升飛機(jī)，能夠沿著規(guī)定的航線飛抵其活動半徑范圍內(nèi)的任何地方。鍍層質(zhì)量好離子鍍的鍍層組織致密、無針孔、無氣泡、厚度均勻。甚至棱面和凹槽都可均勻鍍復(fù)，不致形成金屬瘤。象螺紋一類的零件也能鍍復(fù)，由于這種工藝方法還能修補(bǔ)工件表面的微小裂紋和麻點(diǎn)等缺陷，故可有效地改善被鍍零件的表面質(zhì)量和物理機(jī)械性能。疲勞試驗(yàn)表明，如果處理得當(dāng)，工件疲勞壽命可比鍍前高百分之二、三十。清洗過程簡化現(xiàn)有鍍膜工藝，多數(shù)均要求事先對工件進(jìn)行嚴(yán)格清洗，既復(fù)雜又費(fèi)事。然而，離子鍍工藝自身就有一種離子轟擊清洗作用，并且這一作用還一直延

28、續(xù)于整個(gè)鍍膜過程。清洗效果極好，能使鍍層直接貼近基體，有效地增強(qiáng)了附著力，簡化了大量的鍍前清洗工作。可鍍材料廣泛離子鍍由于是利用高能離子轟擊工件表面，使大量的電能在工件表面轉(zhuǎn)換成熱能，從而促進(jìn)了表層組織的擴(kuò)散作用和化學(xué)反應(yīng)。然而，整個(gè)工件，特別是工件心部并未受到高溫的影響。因此這種鍍膜工藝的應(yīng)用范圍較廣，受到的局限性則較小。通常，各種金屬、合金以及某些合成材料、絕緣材料、熱敏材料和高熔點(diǎn)材料等均可鍍復(fù)。即可在金屬工件上鍍非金屬或金屬，也可在非金屬上鍍金屬或非金屬，甚至可鍍塑料、橡膠、石英、陶瓷等。航空航宇上的應(yīng)用潤滑不用油在現(xiàn)代飛機(jī)、航空發(fā)動機(jī)或航空儀表中，特別是在航宇器，如宇宙飛船、人造衛(wèi)星

29、中，有不少旋轉(zhuǎn)零件都要求有良好的潤滑，但往往由于封存過久、環(huán)境溫度過高或太空揮發(fā)等原因，普通油脂潤滑劑已不再適用，從而提出以固體潤滑劑代替。試驗(yàn)表明，用離子鍍來制作固體潤滑膜，比現(xiàn)有其他方法為優(yōu)。不但附著力強(qiáng)，鍍層又薄又勻，不影響零件的尺寸精度和公差配合。經(jīng)濟(jì)性也好，少許潤滑材料即可鍍很大面積。潤滑膜的質(zhì)量也較好，摩擦系數(shù)小，使用壽命也長。例如有一個(gè)人造衛(wèi)星上的精密軸承，未鍍前工作壽命僅為幾分鐘，根本無法使用；但是經(jīng)離子鍍固體潤滑膜后，則可在飛行中可靠地工作數(shù)千小時(shí)之久。離子鍍不僅能夠鍍許多種常溫固體潤滑材料，而且還能鍍復(fù)各種高溫固體潤滑材料，有的甚至可以在攝氏八百度以上的高溫下發(fā)揮良好的潤滑

30、作用?？慑兊墓腆w潤滑材料有銀、金、銅、鉛、鉛錫合金、氟化物等。真金不怕火煉航空零件，特別是許多發(fā)動機(jī)零件往往需要在高溫下工作。例如渦輪葉片及導(dǎo)向葉片工作溫度通常在攝氏一千度左右，有的甚至達(dá)攝氏一千四百度。神話小說西游記里孫悟空被太上老君放在爐內(nèi)燒煉時(shí)，恐怕也達(dá)不到這么高的溫度吧?，F(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)零件在這樣高的溫度下工作，僅僅依賴零件基體材料本身的性能是很難滿足要求的。那么，發(fā)動機(jī)零件怎樣才能不怕高溫?zé)g呢？目前除在零件結(jié)構(gòu)上采取措施（如采用空心冷卻葉片、發(fā)散冷卻葉片等）以外，大都需用耐熱鍍層進(jìn)行保護(hù)。離子鍍對于沉積耐熱膜有相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)，能鍍各種高熔點(diǎn)材料，如氧化鋁、氧化硅、氧化鈹、鉿合金等。合金鍍層的成份也比較容易控制，適合于鍍成分較復(fù)雜的耐熱合金，如鐵鉻鋁釔，鈷鉻鋁釔或鎳鉻鋁釔合金等。 目前渦輪葉片是試圖采用離子鍍耐熱鍍層的主要對象。據(jù)悉，有