《离子镀膜技术的发展和应用_游本章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《离子镀膜技术的发展和应用_游本章（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、离子镀膜技术的发展和应用游本章_(中国科学堕皇王研究所)_摘要本文概述了离子镀 膜技术的基本原理 和特点,评述了几种主要的离子镀膜类型,综 述了近几年来国内外离子镀 膜技 术的发展和应用.一、前亩二J为了进行各种材料的表面处理,使材料表面获得所需要的物理、化学、机械等性能,目前广泛采用化学气相沉积(C V D)技术和物理气相沉积(P V D)技术。化学气 相沉积主要是基于化学反应过程,需要在高温(一般为 8 00一1100)下进行。之物理气相沉积主要是基综上所述,利用脉冲MHD发电机技术应用于地球物理研究,在苏联已获得丰富经验。取得了 一些 创新的成果。其重要性逐步为人们所认识,美国STD公司
2、已建成s00 0kw 脉冲MHD发 电机,并在加里福尼亚进行了 电磁探测野外试验。意大利世界试验室也有上述大规模计划。并开始实施。这项研究方面也引起日本、中国的注意。文中用了严陆光同志提供的一些国外最新信息,特此致谢。拼APPL!CAT10 NOFPULSEMH、DG E NE RATORT OTHEGE OPH YSICSRESEAR CHG UBo一zhongWANGBin一n a nAbstra ctThebasieprineipleofele etromagn etie5 0梦ndingofeo ntr olledpowe rsourc e :;,itsr esear ehtasksa
3、 ndrequirementsofpowerso ureesinthegeophysiesapplie atio,15a repr e sentedinthepape r.Thefe atur eofpulseMHDge n erato r一itspre s ejltstatusofther e s e a reh,futureoutlo okandresea rehpr oblemsinthefo reigheo ur-trya r edis e us,ed,_.44,锐 屯工屯能新状术菜.子蒸发、溅射等过程,能在较低的温度下进行。因此物理气相沉积技术同化学气相沉积技术相比,具有不易使原有基
4、体材料产生材料性质变化的优点。物理气相沉积技术主要是由真空蒸镀,真空溅射和离子镀膜三种基本方法所组成。离子镀膜技术是在1964年由美国的D.M.Matto 首先提出来的,它同真空蒸镀和真空溅射比较起来是属于 一项比较新的技术,被人们称为第三种仁“物理气相沉i积技术。同真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜等其它物理气相沉积技术相比,离子镀膜技术具有膜层致密、附着力好以及镀膜均匀等优点。因此,这种技术在国民经济各部门应用广泛,而且其应用范围正在日益扩大,目前已发展成为一项重要而先进的物理气相沉积技术。二、离子镀膜技术的基本原理离子镀膜技术是在真空蒸发和真空溅射两种技术基础上发展起来的一项表面沉积技术。在离子
5、镀膜过程中既伴随着材料的蒸发过程,又伴随着高能离子和其它带能粒子对于工件表面的轰击(离子溅射和离子沉积)过程。为了实现离子镀膜,在镀膜真空室中需要有一个或多个用于蒸发镀膜材料(通常为金属或合金)的蒸发源(在溅射离子镀膜情况下是采用溅射源)。需要镀膜的工件是放在镀膜真空室中,与蒸发源保持合适的距离。在工件上加有一个负偏压,以便建立起一个加速电场,把离子加速到工件表面上。我们通常所说的离子镀膜,大多是指反应离子镀膜,因 此在镀膜真空室中充入反应气体。离子镀膜是 利用离子对于工件表面的加速作用,并在工件表面沉积一层镀膜层的真空镀膜技术。要实现离子镀膜,首先需要把蒸发源的镀膜材料蒸发成蒸气,然后再把镀
6、膜材料蒸气和反应气体电离成镀膜材料离子和反应气体离子。这种电离作用是依靠镀膜真空室中的等离子体放电来实现的。因此从这个意义上可以说,离子镀膜是把等离子体放电技术和蒸发镀膜技术相结合的一种物理气相沉积技术。在镀膜真空室中通过电子枪放电、空 心阴极放电以及真空 电弧放电等方法使蒸发源的镀膜材料蒸发成金属蒸气,并在蒸发源与工件之间的周 围空间产生等离子体放电,形成等离子体放电区,使金属蒸气和反应气体电离,产生金属离子和反应气体离子。这些金属离子和反应气体离子受到加速 电场的作用而被加速到工件表面上,在工件表面上化合,使工件表面沉积一层化合物镀膜层。三、离子镀膜技术的特点离子镀膜技术具有以下几个特点。
7、1.在镀膜过 程中可能同时存在离子溅射过程和离子沉积过程因为离子镀膜是属于 一种高能离子的表面沉积过程,所以在镀膜过程中通常存在离子溅射和离子沉积两个过程。要实现离子镀膜,必须使得离子沉积作用大于离子溅射作用。因此,为了在工件表面上能产生镀膜层,必须对离子能量进行控制,使得能满足沉积速率大于溅射速率的镀膜条件。2.具有离子溅射清洗的功能高能离子的溅射作用,可用来在镀膜之前和镀膜过程 中对工件表面进行溅射清洗,以去除工件表面的氧化物污染层。离子的溅射清洗作用是离子镀198 9年第4期,环膜技术具有良好膜层附着力的一个重要原因。3.在膜一基界面能够形成界面过镀层如果在工件上加有足够高的负偏压,使得
8、离子具有足够高的能量,便能够在膜一基界面(即镀膜层与工件基体材料之间的界面)上形 成 界面过镀层(或称界面棍合层)。这种界面过渡层的形成可能是由于高能量沉积粒子对于工件材料的注入,或者是由于镀膜材料与工件材料之间的相互扩散。膜一基界面过镀层的形成是离子镀膜技术具有 良好膜层附着力的另一个重要原因。4.能够产生绕射镀膜因为离子是按照电力线的轨迹向着电场的负方向进行运动的,而这些 电力线都是终止在加有负偏压的工件上,所以工件上电场所及的所有表面,离子均可到达,产生绕射镀膜。离子 运动的绕射性,使得工件的所有各个表面(正面、侧面和背面)都能被镀上,甚至能够镀到凹槽里面。5.能容许广泛选择工件基体材料
9、和膜层材料能够进行离子镀膜的工件基体材料不局限于金属,在陶瓷、玻璃、塑料等材料上也能镀上致密的镀膜层。由于能够广泛选择各种镀膜材料和各种反应气体进行反应离子镀膜,容许我们在不同的工件基体材料上镀出各种各样的金属化合物、非金属化合物、多元合金等镀膜层。四、几种主要的离子镀膜类型根据镀膜材料所产生离子的来源不同,离子镀膜可分成蒸发源离子镀膜和溅射源离子镀膜两大类型:1.蒸发源离子镀膜通过对镀膜材料的加热蒸发产生金属蒸气,金属蒸气在等离子体放电空间电离成金属离子。2.溅射源离子镀膜通过对镀膜材料表面采用高能离子(例如Ar +)进行溅射而产生金属原子,金属原子在等离子体放电空间电离成金属离子。由于篇幅
10、所限,本文仅讨论蒸发源离子镀膜类型。直流放电式 离子镀 膜高 频电离式 离子镀 膜一二里翼呱黔,。离式,、子镀膜一l二翼黑蘸翼 霎纂膜|气电子束放电式_二极型离子镀膜 离子镀膜三极型离子镀膜空心 阴极放电 式离子镀膜热空心阴极式离子镀膜冷空心阴极式离子镀膜离子镀膜活性反应蒸发_电子枪式离子镀膜 式离子镀 膜空 心阴极式离子镀膜真空电弧放 式离子镀电_膜_圆形阴极电弧源离子镀膜矩形阴极电弧源离子镀膜屯工电能新往术从上表所列出的各种离子镀膜类型中,目前应用较多而且在结构原理上有代表性的有以下几种离子镀膜类型:( 1 )热电子助电离式离子镀膜热电子助电离式离子镀膜“,是对于由D.M.Matto 直流
11、放电二极型离子镀膜的改进,在二极型离子镀膜的基础上加了一个热电子助电离电极作为第三极,因此也称为直流放电三极型离子镀膜。它同二极型离子镀膜相比所具有的优点是,热电子助电离电极上的灯丝加热所产生的热电子发射,能够促进蒸发材料原子和反应气体原子的激活,增加它们的离化率,因而能提高离子镀膜的沉积速率。( 2)高频电离式离子镀膜高频电离式离子镀膜4,的特点是在蒸发源(阳极)与工件(阴极)之间加了 一个射频线圈,采用1 3.5 6MH:(或1 8 MH:)的射频电源供电,使得在射频线圈与蒸发源之间产生一个射频振荡场,以加强对于蒸发材料金属原子和反应气体原子的激活和离化作用,促进工件表面上的镀膜层的形成。
12、( 3)电子束放电三极型离子镀膜电子束放电三极型离子镀膜r”的特点是采用电子束放电蒸发方式的蒸发源,而 且在蒸发源(阳极)与工件(阴极)之间加有一个灯丝状的热电子助电离电极(或环状的活化电极)作为第三极。电子束放电式离子镀膜的优点是能够实现高熔点金属化合物 的离子镀膜,而且由于电子枪所产生的电子束能被聚焦到材料表面的中心位置,使得在镀膜过程 中不致出现 由柑涡所产生的污染。( 4)空 心阴极放电式离子镀膜空 心阴极放电式离子镀膜6是采用空心阴极的担管作为阴极,蒸发源作为阳极,依靠空心阴极担管所发射出的高能量 电子束,使增涡中的金属材料熔化和蒸发,并且 由于空心阴极放电在蒸发源与工件之间产生等离
13、子体区域,而使金属蒸气和反应气体电离成金属离子和反应气体离子,以实现离子镀膜。空心阴极放电式离子镀膜同电子束放电式离子镀膜相比的特点是,电子枪所产生的是高电压小电流的电子束,而空心阴极所产生的是低电压大电流的电子束,因而具有较大的材料蒸发速率和镀膜沉积速率;空 心阴极的结构要比电子枪简单,而且空心阴极放电对真空度的要求也比较低,因而工作比较可靠。( 5)活性反应蒸发镀膜活性反应蒸发镀膜7的特点是在蒸发源与工件之间设置有一个带正电位的引 出 电极,将处于蒸发源上方的一部份电子引到反应区,使金属蒸气和反应气体在此反应区里受激活并进行反应,以完成在金属蒸气状态下的金属化合物的化合过程,然后再进行金属
14、化合物的沉积过程,而使金属化合物沉积到工件表面上。活性反应蒸发镀膜所具有的一个优点是,能够通过单独地控制化合物的合成过程和镀膜层的生长过程,来实现对于膜层特性的控制。( 6)真空 电弧放电式离子镀膜真空 电弧放电式离子镀膜(通常简称为真空 电弧离子镀膜)是新发展起来的一种先进的离子镀膜技术 8;g,其基本原理是在镀膜真空室中利用阳极(通常为镀膜真空室壳体)与阴极(镀膜材料蒸发源)之间的低电压大电流的电弧放电,在阴极表面上产生许多微小而快速运动的电弧斑点,使阴极材料直接蒸发,并产生含有阴极材料离子、中性原子、液滴等成1989年第. 4期、.17.尸份的等离子体。这些阴极材料离子(金属离子)和在等
15、离子体放电区域里被电离的反应气体离子,受到加速电场的作用而被加速到工件表面上,以实现工件表面的离子镀膜。真空电弧离子镀膜同所有其它各种离子镀膜类型相比所具有的一个特点是,真空电弧离子镀膜对于蒸发源镀膜材料(即为阴极材料)不是采用液相蒸发,而是采用固相蒸发(材料的蒸发是瞬时完成的,不经过液相过程)。固相蒸发所具有的一个很大优点是,阴极蒸发源可以面向任意方向放置,这样就容许一台镀膜机可以安装多个阴极蒸发源,并能把它们安装在镀膜真空室的底部、侧面、顶部等的任意位置上,这样不仅有利于提高镀膜均匀性,而且还能大大扩大镀膜真空室的容量,使得能镀大型工件和提高镀膜机的生产率。五、离子镀膜技术的应用离子镀膜技
16、术由于具有膜层致密、附着力好、镀膜均匀以及对于基膜材料的广泛选择性等一系列优点,已在国民经济各个部门获得了广泛的应用,其应用范围可大致归纳为以下几个方面。1.装饰镀膜钟表、首饰、工艺美术品、餐具、灯具、塑料制品、日用品以及其它各种装饰品可镀成仿金颜色的耐磨镀层,也可镀成黑色、灰色、褐色、黄绿色、红色等其它各种颜色,这些装饰品不仅颜色美观,而且经久耐用。2.工具镀膜工具镀膜是离子镀膜技术的一项很主要的应用。在各种刀具(齿轮滚刀、铣刀、拉刀、钻头等)上镀上一层TI N、TIC、TICN等镀膜层,以提高其表面硬度、耐磨耐腐蚀性能和减小摩擦系数,便能增加这些刀具的使用寿命(一般可增加3一8倍)和提高其加工生产率。TIN由于其具有良好的耐热硬度、耐磨耐腐蚀性能和减小摩擦系数,作为各种模具(冲模和铸模)的镀膜层是一种比较合适的材料。模具表面的磨损是与模具表面的硬度成反比,其表面硬度越高,磨损就越小。因此对各种模具镀上一层TIN等镀膜层 可以增加其使用寿命。3.零件镀膜主要应用于 下列几种零件的离
