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什(shí)麽是真空鍍膜技術及方法與分類?

作者: 來源: 日期:2017-08-17 14:44:38 人氣:5165
    真空鍍膜(mó)就是置待鍍材料和被鍍基板於真空室內,采用一定方法加熱待鍍(dù)材料,使之蒸發或升華,並飛(fēi)行濺(jiàn)射到被鍍基板(bǎn)表麵凝聚成膜的工藝。
    在真空條件下成膜有很多優點:可減少蒸發材料的原子、分子在飛向基板過程中於分子(zǐ)的碰撞,減少(shǎo)氣體中(zhōng)的活性分子和蒸發源(yuán)材料間的化學反應(如氧化等),以及減(jiǎn)少成膜過程中氣體分(fèn)子進入(rù)薄膜中成為雜質(zhì)的量,從而提供膜層的致密(mì)度、純度、沉(chén)積(jī)速(sù)率和與基板的附著力。通常真空蒸(zhēng)鍍要求成膜室內壓(yā)力等於或低於10-2Pa,對於蒸發源與基板(bǎn)距離較遠和薄(báo)膜質量要求很高的場合,則要求壓力更低。
    主要(yào)分為一下幾類:
    蒸發鍍膜(mó)、濺射鍍膜和離(lí)子鍍。
    蒸發鍍膜:通過加熱(rè)蒸發某種物(wù)質(zhì)使其(qí)沉積在固體表麵,稱為(wéi)蒸(zhēng)發(fā)鍍膜。這種方法最早由M.法拉第於1857年提出,現代已成為常用鍍膜技術之一。
    蒸發物質如金屬、化合物等置於(yú)坩堝內或掛在熱絲上(shàng)作為蒸發源,待鍍工件,如金屬、陶瓷、塑料等基片置於坩堝前方。待係統(tǒng)抽至高(gāo)真空後,加熱坩堝使其中的物質蒸發。蒸發物質的(de)原子或分子以冷凝方式沉積在基片表麵。薄膜厚度可由數百埃至數微米。膜厚(hòu)決定於蒸發源的蒸發速(sù)率和時間(或決定於裝料量),並與源和基片的距離有關。對於大麵積鍍膜,常采用旋(xuán)轉基片或多蒸發源的方式以保證膜層厚度的均勻性。從蒸(zhēng)發源到基片的距離應(yīng)小於蒸氣(qì)分子在(zài)殘餘氣體中的平均自(zì)由程,以免蒸(zhēng)氣分子與殘氣分子(zǐ)碰撞引起化學作用(yòng)。蒸氣分子平均動能約(yuē)為0.1~0.2電(diàn)子伏。
    蒸發源有三種(zhǒng)類型。①電阻加熱源:用難熔金屬如鎢、鉭製成舟箔或絲狀,通以電流,加熱在它上方的或置於坩堝中的蒸發物質(zhì)(圖1[蒸發鍍膜(mó)設備示意(yì)圖])電阻加(jiā)熱源主要用於蒸發Cd、Pb、Ag、Al、Cu、Cr、Au、Ni等(děng)材料。②高頻感應加熱源:用高頻感應電流加熱坩(gān)堝(guō)和蒸發物質(zhì)。③電子束加熱源:適用於蒸發溫度較高(不低於2000[618-1])的材(cái)料,即用電子束轟擊材料使其蒸發。
   蒸發鍍膜與其他真空鍍膜方法相比,具(jù)有較高的沉積速率,可鍍製單質和不易熱分解(jiě)的化合物(wù)膜。
   為沉積高純單晶膜層,可采用分子束外(wài)延方法。生長摻雜的GaAlAs單晶層的分(fèn)子束外延(yán)裝置如(rú)圖2[ 分子束外延裝置示(shì)意圖]。噴射爐中裝有分子(zǐ)束源,在超高真空下當它被加熱到一定溫度(dù)時,爐中元素以束狀分子流射向基片。基片被加熱到一定溫度,沉積在(zài)基片上的分子(zǐ)可以徙動,按基片晶(jīng)格次序生長結晶用分(fèn)子(zǐ)束外延法(fǎ)可獲得所需化學計量比的高純(chún)化合(hé)物單晶膜,薄膜最慢生長速度(dù)可控製在1單層/秒。通過控(kòng)製擋板,可精確(què)地做出所需成分和結構的單晶薄膜。分子(zǐ)束外延法廣泛用於製造各種光集(jí)成(chéng)器件和各種超晶格(gé)結構薄(báo)膜。
   濺射鍍(dù)膜:用高能粒子轟(hōng)擊固體表麵時能使固體表麵的粒子獲得能量並逸出表麵(miàn),沉積在基片上(shàng)。濺射現象於1870年開始用於鍍膜技術,1930年以後由於提高了(le)沉積(jī)速率而逐(zhú)漸用於工業生產。常用的二極濺射設備如圖3[ 二極濺射示意圖]。通(tōng)常將欲沉積的材料製成板材——靶,固定在陰極上。基片置於正對靶麵的陽極上,距靶幾厘(lí)米。係統抽至高真(zhēn)空後充入 10-1帕的氣體(通常為氬氣),在陰極和陽極間加幾千伏電壓,兩極間即產生輝光(guāng)放電。放電產生的正離(lí)子在電場作(zuò)用下(xià)飛(fēi)向陰極,與(yǔ)靶表麵原(yuán)子碰撞,受碰撞從靶麵逸出的靶原(yuán)子稱為濺射原(yuán)子,其能量在1至幾十電子伏範圍。濺(jiàn)射原子在基片表麵沉積成膜。與蒸發鍍膜不同,濺射鍍膜(mó)不受膜材熔點的限製,可濺射(shè)W、Ta、C、Mo、WC、TiC等難熔物質。濺射化合物膜(mó)可用反應濺射法(fǎ),即將反(fǎn)應氣體 (O、N、HS、CH等)加入Ar氣中,反應氣體(tǐ)及其離子(zǐ)與靶原子或濺(jiàn)射原(yuán)子發生反應生成化合物(如氧化物、氮化物等)而沉積在(zài)基(jī)片上。沉積絕(jué)緣膜可采用高頻濺射法。基片裝在接地(dì)的電極上,絕(jué)緣靶裝在對麵的電極上。高頻電源一端接地,一端(duān)通過匹配(pèi)網絡(luò)和隔直流電容接到裝有絕緣靶的電極上。接通高(gāo)頻電源後,高頻電(diàn)壓(yā)不斷改變極(jí)性。等離子體中的電子(zǐ)和(hé)正離子在電壓(yā)的正半周和負半周(zhōu)分別打到絕緣靶上。由於電子(zǐ)遷移率高於正離子,絕緣靶表麵帶負電(diàn),在達到動態平(píng)衡時,靶處(chù)於負的偏置電位,從而使正離子對靶的濺射持(chí)續進(jìn)行。采用(yòng)磁控濺射可使沉積速(sù)率比非磁控濺射提(tí)高近一個數量級。
   離子鍍:蒸發物質的(de)分(fèn)子被電子碰撞電離後(hòu)以離子沉積在固體表麵,稱為離子鍍。這種技術是D.麥托克斯於1963年提出的。離子鍍是真(zhēn)空蒸發與陰極濺射技術的結合。一(yī)種離子鍍係統如圖4[離子鍍係統示意圖],將基(jī)片台(tái)作為陰極,外殼作陽極,充入惰性氣體(tǐ)(如氬)以產生輝光放電。從蒸發源蒸發的分子通過等離子(zǐ)區時發生電離。正離子被基片台負電壓加速打到基片表麵。未電離的中性原子(約占蒸發料的95%)也沉積(jī)在基片或真空室壁(bì)表麵。電場對離化的蒸氣分子的加速作用(離子(zǐ)能(néng)量(liàng)約幾(jǐ)百~幾千電子伏)和氬離子對基片的(de)濺射清洗作用,使膜(mó)層附著強度大大(dà)提高。離子鍍工藝綜合了(le)蒸發(高沉積速(sù)率)與濺射(良好(hǎo)的膜層附著力)工藝(yì)的特點,並有很(hěn)好的繞射性,可為形狀複雜的工件鍍膜(mó)。
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