目前，在真空镀膜领域，较为常见的几种方式有离子镀、蒸发镀溅射镀三种。今天就由南京浩穰科技给大家介绍一下离子镀设备的优点。

一、镀层附着性能好，附着能力强、镀层不易脱落。

用离子镀设备进行离子镀时，蒸发料粒子电离后具有三千到五千电子伏特的动能，基材的表面受到了离子的高速轰击，不断被清洗，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，提高了基片表面的附着力。同时，溅射也提高了基片表面的粗糙度。还有一个原因是离子轰击基材时携带的动能在基片表面转化成了热能，产生自加热效应，提高了基片表面的层组织的结晶性能，促进化学反应和扩散作用。

二、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。像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。

三、绕镀能力强

离子镀设备在工作时能均匀地绕镀到零件的背面和内孔中，能够沿着规定的航线飞抵其活动半径范围内的任何地方。

四、清洗过程简化 

离子镀工艺自身就有一种离子轰击清洗作用，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。 

五、沉积速率高，成膜快，可镀材料广泛。 

离子镀设备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，甚至可镀陶瓷、塑料、石英、橡胶等。

什么是真空镀膜技术？

多弧离子镀作为物理气相沉积技术的一个分支，是在真空蒸镀和真空溅射的基础上发展起来的一门新型涂层制备技术，也称为真空弧光蒸镀法，它把真空电弧放电用于电弧蒸发源。由于多弧离子镀技术具有沉积速率高、涂层附着力好、涂层致密、操作方便等特点，因此在材料表面改性领域得到了广泛应用。1963年Mattox提出并首次使用了离子镀技术；1972年Bunshah等开发出活性反应蒸镀（ARE）技术；1973年Mulayama等发明了射频激励法离子镀；20世纪80年代，离子镀已成为世界范围内的一项高新技术产业，主要产品有高速钢和硬质合金工具上的TiN、TiAlN耐磨层和TiN仿金装饰涂层。1982年美国Multi-arc公司首先推出多弧离子镀商品化设备，1986年我国开始了多弧离子镀设备的生产。20世纪90年代，离子镀技术取得了长足的进步，与80年代相比，离子镀设备和工艺都有了重大的改进。近年来，国内外根据不同使用要求，制造了各种离子镀膜机设备，有些已达到工业生产水平。以下主要介绍多弧离子镀技术的工作原理、特点、工艺参数和研究进展，以及多弧离子镀膜技术在切削刀具涂层中的应用。

多弧离子镀的工作原理

多弧离子镀技术的工作原理主要基于冷阴极真空弧光放电理论。图1为多弧离子镀工作原理示意图，点燃真空电弧后，阴极靶材表面上出现一些不连续、大小和形状多样、明亮的斑点,它们在阴极表面迅速地做不规则的游动,一些斑点熄灭时又有些斑点在其他部位形成，维持电弧的燃烧。阴极斑点的电流密度达104~105A/cm2,并且以1000m/s的速度发射金属蒸气，其中每发射10个电子就可发射1个金属原子,然后这些原子再被电离成能量很高的正离子（如Ti+）,正离子在真空室内运行时与其他离子结合（如与N-形成TiN），沉积在工件表面形成涂层。

图1 多弧离子镀工作原理示意图

图2为真空弧光放电示意图，真空弧光放电理论认为电量的迁移主要借助于场电子发射和正离子电流，这两种机制同时存在，而且相互制约。在放电过程中，阴极材料大量蒸发，这些蒸发原子产生的正离子在阴极表面附近很短的距离内产生极强的电场，在这样强的电场作用下，电子足以能直接从金属的费米能级逸出到真空，产生所谓的“场电子发射”。

图 2 真空弧光放电示意图[

多弧离子镀的技术特点

多弧离子镀过程的突出特点在于它能产生由高度离化的被蒸发材料组成的等离子体，其中离子具有很高的动能。蒸发、离化、加速都集中在阴极斑点及其附近很小的区域内。其特点如下：

（1）最显著的特点是从阴极直接产生等离子体。

（2）入射粒子能量高，涂层的致密度高，强度和耐久性好。

（3）离化率高，一般可达60%～80%。

（4）沉积速度快，绕镀性好。

（5）设备较为简单，采用低电压电源工作比较安全。

（6）一弧多用，电弧既是蒸发源和离化源，又是加热源和离子溅射清洗的离子源。

（7）外加磁场可以改善电弧放电，使电弧细碎，细化涂层微粒，增加带电粒子的速率，并可以改善阴极靶面刻蚀的均匀性，提高靶材的利用率。

多弧离子镀设备与技术研究进展

多弧离子镀设备一般比较简单，整个设备主要由真空镀膜室、弧源、真空获得系统、偏压源等几大部分组成。弧源是多弧离子镀设备的关键部件，现在国内一般使用小弧源，直径为60～80mm，厚度为直径的1/2。少数离子镀膜机采用柱状弧源设计，一台镀膜机只装一个柱状弧源于真空室中央，工件置于四周。国外有些离子镀膜机使用大弧源，直径达100mm，厚度约为直径的1/4，一台镀膜机上装有12~32个弧源，待镀工件置于真空室中央。丹普公司正积极地和国内外的企业和科研院所展开技术合作。并且已经在一些比较常用的镀膜应用领域取得了可喜的成果，镀膜涂层工艺可以制备具有高硬度、热稳定性和化学稳定性的氧化铝涂层，技术可制备许多物理气相沉积涂层，如TiN、TiCN、AlTiN、AlTiSiN、CrN和DLC等。

所谓真空镀膜就是置待镀材料和被镀基板于真空室内，采用一定方法加热待镀材料，使之蒸发或升华，并飞行溅射到被镀基板表面凝聚成膜的工艺。

一、镀膜的方法及分类

在真空条件下成膜有很多优点：可减少蒸发材料的原子、分子在飞向基板过程中于分子的碰撞，减少气体中的活性分子和蒸发源材料间的化学反应（如氧化等），以及减少成膜过程中气体分子进入薄膜中成为杂质的量，从而提供膜层的致密度、纯度、沉积速率和与基板的附着力。通常真空蒸镀要求成膜室内压力等于或低于10-2Pa，对于蒸发源与基板距离较远和薄膜质量要求很高的场合，则要求压力更低。

主要分为一下几类：

蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀。

蒸发镀膜：通过加热蒸发某种物质使其沉积在固体表面，称为蒸发镀膜。这种方法最早由M.法拉第于1857年提出，现代已成为常用镀膜技术之一。

蒸发物质如金属、化合物等置于坩埚内或挂在热丝上作为蒸发源，待镀工件，如金属、陶瓷、塑料等基片置于坩埚前方。待系统抽至高真空后，加热坩埚使其中的物质蒸发。蒸发物质的原子或分子以冷凝方式沉积在基片表面。薄膜厚度可由数百埃至数微米。膜厚决定于蒸发源的蒸发速率和时间（或决定于装料量），并与源和基片的距离有关。对于大面积镀膜，常采用旋转基片或多蒸发源的方式以保证膜层厚度的均匀性。从蒸发源到基片的距离应小于蒸气分子在残余气体中的平均自由程，以免蒸气分子与残气分子碰撞引起化学作用。蒸气分子平均动能约为0.1～0.2电子伏。

蒸发源有三种类型。①电阻加热源：用难熔金属如钨、钽制成舟箔或丝状,通以电流,加热在它上方的或置于坩埚中的蒸发物质（图1[蒸发镀膜设备示意图]）电阻加热源主要用于蒸发Cd、Pb、Ag、Al、Cu、Cr、Au、Ni等材料。②高频感应加热源：用高频感应电流加热坩埚和蒸发物质。③电子束加热源：适用于蒸发温度较高（不低于2000[618-1]）的材料，即用电子束轰击材料使其蒸发。

蒸发镀膜与其他真空镀膜方法相比，具有较高的沉积速率，可镀制单质和不易热分解的化合物膜。

为沉积高纯单晶膜层，可采用分子束外延方法。生长掺杂的GaAlAs单晶层的分子束外延装置如图2[ 分子束外延装置示意图]。喷射炉中装有分子束源，在超高真空下当它被加热到一定温度时，炉中元素以束状分子流射向基片。基片被加热到一定温度，沉积在基片上的分子可以徙动，按基片晶格次序生长结晶用分子束外延法可获得所需化学计量比的高纯化合物单晶膜，薄膜最慢生长速度可控制在1单层／秒。通过控制挡板,可精确地做出所需成分和结构的单晶薄膜。分子束外延法广泛用于制造各种光集成器件和各种超晶格结构薄膜。

溅射镀膜：用高能粒子轰击固体表面时能使固体表面的粒子获得能量并逸出表面，沉积在基片上。溅射现象于1870年开始用于镀膜技术，1930年以后由于提高了沉积速率而逐渐用于工业生产。常用的二极溅射设备如图3[ 二极溅射示意图]。通常将欲沉积的材料制成板材——靶,固定在阴极上。基片置于正对靶面的阳极上,距靶几厘米。系统抽至高真空后充入 10-1帕的气体（通常为氩气），在阴极和阳极间加几千伏电压，两极间即产生辉光放电。放电产生的正离子在电场作用下飞向阴极，与靶表面原子碰撞，受碰撞从靶面逸出的靶原子称为溅射原子,其能量在1至几十电子伏范围。溅射原子在基片表面沉积成膜。与蒸发镀膜不同，溅射镀膜不受膜材熔点的限制,可溅射W、Ta、C、Mo、WC、TiC等难熔物质。溅射化合物膜可用反应溅射法，即将反应气体 (O、N、HS、CH等)加入Ar气中,反应气体及其离子与靶原子或溅射原子发生反应生成化合物（如氧化物、氮化物等）而沉积在基片上。沉积绝缘膜可采用高频溅射法。基片装在接地的电极上，绝缘靶装在对面的电极上。高频电源一端接地，一端通过匹配网络和隔直流电容接到装有绝缘靶的电极上。接通高频电源后，高频电压不断改变极性。等离子体中的电子和正离子在电压的正半周和负半周分别打到绝缘靶上。由于电子迁移率高于正离子，绝缘靶表面带负电，在达到动态平衡时，靶处于负的偏置电位，从而使正离子对靶的溅射持续进行。采用磁控溅射可使沉积速率比非磁控溅射提高近一个数量级。

离子镀：蒸发物质的分子被电子碰撞电离后以离子沉积在固体表面，称为离子镀。这种技术是D.麦托克斯于1963年提出的。离子镀是真空蒸发与阴极溅射技术的结合。一种离子镀系统如图4[离子镀系统示意图],将基片台作为阴极，外壳作阳极，充入惰性气体（如氩）以产生辉光放电。从蒸发源蒸发的分子通过等离子区时发生电离。正离子被基片台负电压加速打到基片表面。未电离的中性原子（约占蒸发料的95％）也沉积在基片或真空室壁表面。电场对离化的蒸气分子的加速作用（离子能量约几百～几千电子伏）和氩离子对基片的溅射清洗作用，使膜层附着强度大大提高。离子镀工艺综合了蒸发（高沉积速率）与溅射（良好的膜层附着力）工艺的特点，并有很好的绕射性，可为形状复杂的工件镀膜。

二、薄膜厚度的测量

随着科技的进步和精密仪器的应用，薄膜厚度测量方法有很多，按照测量的方式分可以分为两类：直接测量和间接测量。直接测量指应用测量仪器，通过接触（或光接触）直接感应出薄膜的厚度。

常见的直接法测量有：螺旋测微法、精密轮廓扫描法（台阶法）、扫描电子显微法（SEM）；

间接测量指根据一定对应的物理关系，将相关的物理量经过计算转化为薄膜的厚度，从而达到测量薄膜厚度的目的。

常见的间接法测量有：称量法、电容法、电阻法、等厚干涉法、变角干涉法、椭圆偏振法。按照测量的原理可分为三类：称量法、电学法、光学法。

常见的称量法有：天平法、石英法、原子数测定法；

常见的电学法有：电阻法、电容法、涡流法；

常见的光学方法有：等厚干涉法、变角干涉法、光吸收法、椭圆偏振法。

下面简单介绍三种：

1. 干涉显微镜法

干涉条纹间距Δ0，条纹移动Δ，台阶高为t=(Δ/Δ0 )*0.5λ，测出Δ0 和Δ，即可，其中λ为单色光波长，如用白光，λ取 530nm。

2. 称重法

如果薄膜面积A，密度ρ和质量m可以被精确测定的话，膜厚t就可以计算出来：

d=m/Aρ。

3 石英晶体振荡器法

广泛应用于薄膜淀积过程中厚度的实时测量，主要应用于淀积速度，厚度的监测，还可以反过来（与电子技术结合）控制物质蒸发或溅射的速率，从而实现对于淀积过程的自动控制。

对于薄膜制造商而言，产品的厚度均匀性是最重要的指标之一，想要有效地控制材料厚度，厚度测试设备是必不可少的，但是具体要选择哪一类测厚设备还需根据软包材的种类、厂商对厚度均匀性的要求、以及设备的测试范围等因素而定。

三、真空镀膜机保养知识：

1. 关闭泵加热系统，然后分离蒸镀室（主要清洁灰尘，于蒸镀残渣）

2. 关闭电源或程序打入维护状态

3. 清洁卷绕系统（几个滚轴，方阻探头，光密度测量器）

4. 清洁中罩室（面板四周）

5. 泵系统冷却后打开清洁（注意千万不能掉入杂物，检查泵油使用时间与量计做出更换或添加处理）

6. 检查重冷与电气柜设备

这次实习给了我们了解了镀膜技术的原理、技术，使我们了解了工厂的生产，感觉很新颖，收获很多。

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