4-离子镀及其他PVD方法
PVD真空离子镀膜技术及原理
深圳成霖實業有限公司PVD真空離子鍍膜技術及原理撰稿人:張勝利一.概述PVD即為英語Physical Vapor Deposition的縮寫,即用物理氣相沉積法制得的膜層,所謂物理氣相沉積是利用各種物理方法(如熱蒸發或輝光放電.弧光放電等物理過程).將鍍料氣化成原子.分子或離化為離子,在各種材料或制品表面沉積單層或多層薄膜.從而使材料或制品獲得所需的各種优異性能.它包括真空蒸鍍.真空離子鍍和濺射鍍膜.與其它鍍膜或表面處理方法相比,物理氣相沉積具有鍍層材料廣泛.可鍍各種金屬.合金.氧化物.氮化物.碳化物等化合物鍍層,也能鍍制金屬.化合物的多層或复合層.鍍層附著力強.工藝溫度低.工件一般無受熱變形或材料變質的問題.鍍層純度高.組織致密.工藝過程易於控制.調節.對環境無污染.存有設備較复雜.一次投資較大等缺陷,但由於以上特點.物理氣相沉積技術具有廣闊的發展前景.二.真空離子鍍膜1.概念:真空放電原理:在真空條條下,於兩電極間加上電壓(數KV),氣體便發生電離.如氬氣電離為帶正電荷的氬離子(Ar+)及帶負電荷的電子,並以加速分別奔向陰極和陽極.由於Ar+撞擊陰極(加工物)表面,我們稱之「陰極濺射」.這種氣體放電的物理現象正是離子鍍膜原理的基礎.實現離子鍍有兩個必要的條件: (1)造成一個氣體放電的空間;如圖1所示,在真空條件下.,在陰極靶和工件之間加上一定的電壓後.(該電壓由轟偏電源C提供.工件上加負電).二者之間便形成等離子場.當連接在大功率弧焊機的回路上的陰極靶和引弧電極通斷的瞬間,產生很大的短路電流,使該突起溫升加高,當達到金屬靶材的氣化溫度時.靶材金屬便被蒸發成金屬原子.當金屬原子進入等離子場時受到電子撞擊而電離為金屬離子,在電場和磁場的共同作用下,金屬離子便以較高的能量入射到待鍍工件表面,金屬正離子在達到工件表面的過程中與離化的反應氣體化合形成不同色澤的化合物與金屬原子一起沉積到待鍍工件表面而形成膜層.3.常用鍍膜術語(1)真空:容器內介質氣體壓力低於大氣壓力(101325Pa)的氣體狀態.(2)真空度:用來表示真空狀態下氣體的稀薄程度.通常用壓力表示(3)多弧離子鍍:是把真空弧光放電用於蒸發源的鍍膜技術.鍍膜時陰極靶材表面出現許多非常小的弧光輝點,且蒸發源數目大於一.(4)薄膜:按照一定的需要,利用特殊的制備技術,在基體表面形成厚度為亞微米至微米級的膜層,幾乎所有固體材料都能制成薄膜材料.由於極其薄,因而需要基底支承,薄膜在基底上生長.彼此有相互作用,薄膜的一面附著在基底上,並受到約束又會產生內應力.(5)靶:鍍膜的原材料.(6)蒸發源:鍍膜機離化材料的部件.4.真空的特點和應用(1).排除了空氣的不良影響,可防止金屬氧化。
表面处理工艺PVD及其他
汽车外观件
PVD技术可以用于制造具有高光 泽度和耐候性的汽车外观件，如 车门、车顶和后视镜等。
汽车轻量化
PVD技术可以用于制造轻量化的 汽车零部件，如铝制零件的涂层， 以提高其硬度和耐磨性。
刀具行业
高品质刀具
PVD技术可以用于制造具有高硬度、 高耐磨性和良好抗腐蚀性的高品质刀 具，如铣刀、钻头和车刀等。
喷涂技术主要包括油漆喷涂、 粉末喷涂等，广泛应用于建筑、 机械、汽车等领域的防腐和装 饰。
喷涂技术的优点是工艺简单、 适用范围广，缺点是涂层质量 不稳定，环境污染较大。
激光表面处理
激光表面处理是一种利用高能激光束对材料表 面进行快速加热和熔融处理的表面处理技术。
激光表面处理技术主要包括激光熔覆、激光淬 火等，广泛应用于工具、模具、机械零件等的 表面强化和修复。
降低成本
通过技术创新和规模化生产，降低PVD技术的 成本，提高其市场竞争力。
提高工艺稳定性
加强技术研发和工艺优化，提高PVD技术的稳 定性和可靠性。
拓展应用领域
进一步拓展PVD技术的应用领域，满足更多行业对高性能表面处理的需求。
05
PVD表面处理工艺的实 例分析
汽车发动机活塞的PVD涂层
总结词
提高耐磨性和耐腐蚀性
PVD与电镀的比较
PVD和电镀都是表面处理技术 ，但它们所使用的工艺和材料
有所不同。
PVD技术是一种环保型表面处 理技术，它不需要使用有害的 化学试剂和添加剂，而电镀则 需要使用大量的化学试剂和添
加剂。
PVD技术可以用于制造具有高 硬度、低摩擦系数和优异耐腐 蚀性的涂层，而电镀则可以用 于制造具有高光泽度和镜面效 果的涂层。
激光表面处理技术的优点是处理速度快、精度 高，可实现局部处理，缺点是设备成本高、运 行成本高，可能引起材料变形或开裂。
pvd工艺流程最简单方法
VD (Physical Vapor Deposition) 即物理气相沉积，分为：真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜和真空离子镀膜。
我们通常所说的PVD镀膜，指的就是真空离子镀膜；通常说的NCVM镀膜，就是指真空蒸发镀膜和真空溅射镀。
真空蒸镀基本原理：在真空条件下，使金属、金属合金等蒸发，然后沉积在基体表面上，蒸发的方法常用电阻加热，电子束轰击镀料，使蒸发成气相，然后沉积在基体表面，历史上，真空蒸镀是PVD法中使用最早的技术。
溅射镀膜基本原理：充氩(Ar)气的真空条件下，使氩气进行辉光放电，这时氩(Ar)原子电离成氩离子(Ar+)，氩离子在电场力的作用下，加速轰击以镀料制作的阴极靶材，靶材会被溅射出来而沉积到工件表面。
溅射镀膜中的入射离子，一般采用辉光放电获得，在l0-2Pa～10Pa范围，所以溅射出来的粒子在飞向基体过程中，易和真空室中的气体分子发生碰撞，使运动方向随机，沉积的膜易于均匀。
离子镀基本原理：在真空条件下，采用某种等离子体电离技术，使镀料原子部分电离成离子，同时产生许多高能量的中性原子，在被镀基体上加负偏压。
这样在深度负偏压的作用下，离子沉积于基体表面形成薄膜。
离子镀的工艺过程：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。
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。
离子镀膜及CVD
1 、温度 影响淀积速率、薄膜的结晶状态。
不同的沉积温度，可得到单晶或多晶薄膜。一般希望低温沉积
Vapor phase epitaxy (VPE)
特征：必须有化学反应发生；但PVD 中也可能有化学反应发生，主要过程是
蒸镀、溅射这样的物理搬运过程。
第二节 薄膜的化学气相沉积
二、CVD的分类 1 ．按沉积温度分：低温（200 －500 ℃ ) 中温（500 －1000 ℃ ) 高温（1000 －1300 ℃ )
2.1.4 离子镀膜法 离子镀的特点（与蒸发和溅射相比）
（1） 膜层附着性能好： A、阴极溅射的清洗作用，B、伪扩散层 （2） 膜层的密度高（通常与大块材料密度相同）：高能离子的作用 （3） 绕射性能好：离化后的正离子沿电力线方向运动 （4） 可镀材质范围广泛：金属、非金属、合成材料、敏感材料 （5） 有利于化合物膜层的形成：电能→反应的活化能 （6） 淀积速率高，成膜速度快，可镀较厚的膜：Ti膜：0.23mm/h
不需要高真空；可沉积 各种金属，半导体，无机物， 有机物薄膜材料；可控制材料 的化学计量比；批量生产，半 连续流程。
利用热、等离子体、紫外线、激光、微波等各种能源，使气态物质经化 学反应形成固态薄膜。它的反应物是气体，生成物之一是固体。
Chemical Vapor Deposition (CVD)，
在膜/基间形成一定厚度的缓变过渡层，
可能形成新相
第一节 薄膜的物理气相沉积
缓变层的作用
提高膜层的附着性 提高膜层的硬度 提高膜层的抗磨损能力 提高膜层的抗氧化能力 提高膜层的抗腐蚀能力
表面改性 可形成梯度薄膜层， 组成简便改性层
第一节 薄膜的物理气相沉积
影响4：气体渗入膜层中
不锈钢七种表面处理工艺 PVD工艺、喷砂、化学和镜面处理等
不同的不锈钢表面处理工艺，能够让同样的材质凸显不同的视觉效果及手感特征。
从设计的角度出发，需要了解下面这7种不锈钢的表面处理工艺。
1. PVD工艺PVD(Physical Vapor Deposition)---物理气相沉积：指利用物理过程实现物质转移，将原子或分子由源转移到基材表面上的过程。
它的作用是可以使某些有特殊性能(强度高、耐磨性、散热性、耐腐性等)的微粒喷涂在性能较低的母体上，使得母体具有更好的性能。
PVD基本方法：真空蒸发、溅射、离子镀(空心阴极离子镀、热阴极离子镀、电弧离子镀、活性反应离子镀、射频离子镀、直流放电离子镀)。
iPhone X不锈钢加PVD工艺的顺利量产，标志着不锈钢加塑胶中框PVD技术方案已经成熟，为手机厂商表面处理方案多增加一项选择。
2. 喷砂(喷丸)处理喷砂是采用压缩空气为动力，以形成高速喷射束将喷料(铜矿砂、石英砂、金刚砂、铁砂、海砂)高速喷射到需处理工件表面，使工件表面的外表或形状发生变化。
喷砂在工程与表面工艺方面都有很强的应用，如：提高粘接件粘度、去污、优化机加工后的表面毛刺、表面哑光处理。
喷砂工艺比手工打磨要均匀而高效，这种方法的不锈钢处理，打造出产品的低调、耐用的特征。
下面举几个例子直观看看喷砂工艺的效果：3. 化学处理化学处理是采用化学或电化学处理使不锈钢表面生成一层稳定化合物方法的统称。
像我们常说的电镀便是用电化学处理的。
单独或混合使用酸溶液、阳极溶解(电解)等进行除锈，使用磷酸盐处理、铬酸盐处理、发黑、阳极氧化等使金属表面生成一层保护膜，均属于此种方法。
这种方法能够达到复杂的花纹效果，打造复古或是现代的设计需求。
4. 镜面处理不锈钢的镜面处理，简单来讲就是对不锈钢表面进行抛光，抛光手法分为物理抛光和化学抛光。
也可以在不锈钢表面进行局部抛光，抛光的等级分为普通抛光，普通6K，精磨8K，超强精磨10K效果。
镜面给人以高档简约，时尚未来的感觉。
5. 表面着色不锈钢着色不仅赋予不锈钢制品各种颜色，增加产品的花色品种，而且提高产品耐磨性和耐腐蚀性。
离子镀及其他PVD方法
活化反应离子镀的由来
为制备化合物薄膜，早期有所谓的反应蒸发法 ，即使金属蒸气通过活性气氛（如O2、NH3、 CH4）后，反应沉积成相应的化合物。当时，对 活性气体并不施加等离子体激活手段,其结果是 化学反应不易进行得很彻底，沉积物的化学成 分常偏离化合物的化学计量比
由此，发展了活化反应蒸发法(activated reactive evaporation，ARE) ，让金属蒸气通过 活性气体形成的等离子体区，使活性气体和金 属原子均处于离化态，增加两者的反应活性， 在衬底上形成相应的化合物薄膜
在不间断离子轰击的情况下开始物质的蒸发沉 积过程。蒸发出来的粒子将与等离子体发生相 互作用。由于Ar的电离能比被蒸发元素的电离 能更高，因而在等离子体内将会发生Ar离子与 蒸发原子之间的电荷交换，蒸发原子发生部分 的电离
含有相当数量离子的蒸发物质在两极间被加速 ，并带着相应的能量轰击薄膜。但离子轰击产 生的溅射速率要低于蒸发沉积的速率
第四讲
薄膜材料制备的离子镀 及其他PVD方法
Preparation of thin films by ion plating and other PVD methods
提要
离子镀方法的原理和特点 各种各样的离子镀方法 其他制备薄膜的PVD方法
各种其他的物理气相沉积方法
还有一些不能简单划归蒸发、溅射法的PVD方 法，它们针对特定的应用目的，或是将不同的 手段结合在一起，或是对上述的某一种方法进 行了较大程度的改进，如
二极直流放电离子镀的操作环境
使用电子束蒸发法提供沉积所需的物质
以衬底作为阴极、整个真空室作为阳极组成一 个类似于二极溅射装置的放电系统
真空室内充入0.1-1.0Pa的Ar气
在沉积前和沉积中，采用高能量的离子流对衬 底和薄膜表面进行持续的轰击
PVD应用技术介绍
磁记录薄膜
复合磁头：对于磁头材料，要求具有典型的软 磁性能，即饱和磁化强度高、矫顽力低、磁导 率高，磁致伸缩系数低。传统的烧结铁氧体磁 体具有很好的软磁性能和耐磨能，但其磁化强 度远低于合金软磁材料，因而采用PVD工艺在 铁氧体磁头表面沉积一层厚度几个微米的软磁 性能较好的合金薄膜。 薄膜磁头：将磁性材料和磁场线圈都沉积在特 定的衬底上，构成薄膜磁头，与铁氧体磁头相 比，薄膜磁头具有更高的灵敏度，可以有效缩 小磁头尺寸，提高磁记录密度。
电学薄膜
（1）半导体器件与集成电路中的导电材料与 介质薄膜材料Al, Cr, Pt, Au, Cu, 硅化物，SiO2,Si3N4，Al2O3 （2）超导薄膜 YBaCuO，BiSrCaCuO， TlBaCuO等高温超导材料 （3）光电子器件中使用的功能薄膜 GaAs/GaAlAs、HgTe/CdTe、a-Si:H a-SiGe:H, a-SiC:H等晶态和非晶态薄膜 （4）透明导电薄膜(太阳能电池、液晶显 示器 的透明电极和低压电加热器的电加热薄膜 ）
装饰性薄膜
钟表工业镀TiN呈金黄色，Cr2N呈银色。 手机部件（外壳、按键、镜片等） 化状品瓶盖、儿童玩具、节日礼物、家电 汽车的按钮、穿戴饰件
光学薄膜
（1）减反射膜：相机、摄像机、投影仪、 望远镜等MgF2，SiO2，ZrO2，Al2O3 红外设备镜头上的ZnS，CeO2，SiO （2）增反射膜：太阳能接收器、镀膜反射 镜、激光器用的高反射率膜 （3）分光镜和滤波片：如彩色扩印设备上
In
Plasma Sputtering Buffer Unloading Out treatment chamber chamber chamber robot
离子镀( 离子镀(Ion Plating) Plating)
pvd离子镀
pvd离子镀PVD离子镀引言：PVD离子镀（Physical Vapor Deposition）是一种常用的表面处理技术，通过在材料表面沉积薄膜来改善其性能。
本文将介绍PVD 离子镀的原理、应用领域以及一些相关的发展趋势。
一、PVD离子镀的原理PVD离子镀是利用物理方法将金属、合金或陶瓷等材料的原子或分子沉积在基材表面，形成一层薄膜。
其主要原理包括蒸发、溅射和离子镀三个过程。
1. 蒸发：通过加热源将材料加热至蒸发温度，使其原子或分子脱离表面并进入气相状态。
2. 溅射：通过离子轰击的方式，使材料离子从材料表面剥离，并在真空中扩散，最终沉积在基材表面。
3. 离子镀：通过施加电场，将离子加速并定向沉积在基材表面，形成一层致密、均匀的薄膜。
二、PVD离子镀的应用领域PVD离子镀技术广泛应用于各个领域，主要包括以下几个方面：1. 电子行业：PVD离子镀可以制备金属、氧化物或硅等材料的导电薄膜，用于电子元器件、集成电路和显示屏等的制造。
2. 光学领域：通过PVD离子镀，可以制备具有特定光学性质的薄膜，如反射镜、透镜、滤光片等，广泛应用于光学仪器和光电子设备中。
3. 机械工业：利用PVD离子镀技术可以在刀具、模具等工具表面形成耐磨、耐蚀的涂层，提高其使用寿命和耐用性。
4. 汽车工业：PVD离子镀被广泛应用于汽车外观件的镀膜，如车身镀铬、车灯镀膜等，提高汽车的装饰性和耐候性。
5. 医疗领域：PVD离子镀可以制备生物相容性材料的表面涂层，用于人工关节、牙科种植等医疗器械，提高其生物相容性和耐腐蚀性。
三、PVD离子镀的发展趋势随着科学技术的不断进步，PVD离子镀技术也在不断发展和创新。
以下是一些PVD离子镀技术的发展趋势：1. 高效率：研究人员不断改进蒸发源和离子源的设计，提高蒸发和离子镀的效率，减少能源消耗和材料浪费。
2. 多功能性：将不同材料的离子镀技术结合起来，可以实现多层复合薄膜的制备，拓展PVD离子镀的应用领域。
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离子镀技术的发展历史
1938年，Berghau 申请了离子镀的第一份专利 1963年，Mattox 发明了二极离子镀 1972年，Bunshah发展了活性反应离子镀 1972年，Morley发明了空心阴极电弧离子镀 1973年，村山洋一发明了射频放电离子镀 20世纪80年代初，国内外相继开发了真空阴极 电弧离子镀、 多弧离子镀 如今离子镀技术已发展成为在工业中广泛应用 的一种重要的镀膜技术
各种各样的离子镀方法
离子镀可以有很多种形式，其主要区别在于其 使源物质蒸发、使其蒸气离化并提高其离化率的 方法 二极直流放电离子镀 活化反应离子镀（或活化反应蒸镀（ARE）） 射频放电离子镀 溅射离子镀（偏压溅射） 空心阴极电弧离子镀 热弧离子镀 真空阴极电弧离子镀，多弧离子镀等
活化反应离子镀的由来
离子镀过程中粒子的离化率
离子镀的独特之处在于使用高能离子对基片和薄膜 表面进行轰击。因此，离化率 —— 电离原子占全部被 蒸发原子的百分数ni / n，是离子镀过程的最重要的参量 常见离子镀过程的粒子离化率为 离子镀的 过程 离化率 ni / n 二极直流 放电离子 镀 0.12% 射频放电 离子镀 10% 空心阴极 电弧离子 镀 22-40% 真空阴极 电弧 离子镀 60-80%
二极直流放电离子镀的操作环境（续）
在薄膜沉积前，在阴阳两极之间施加25kV的电 压，使气体发生辉光放电，产生等离子体。Ar 离子在电压驱动下对衬底进行轰击 在不间断离子轰击的情况下开始物质的蒸发沉 积过程。蒸发出来的粒子将与等离子体发生相 互作用。由于Ar的电离能比被蒸发元素的电离 Ar 能更高，因而在等离子体内将会发生Ar离子与 蒸发原子之间的电荷交换，蒸发原子发生部分 的电离 含有相当数量离子的蒸发物质在两极间被加速 ，并带着相应的能量轰击薄膜。但离子轰击产 生的溅射速率要低于蒸发沉积的速率
活化反应离 子镀装置的 示意图
比二极直流放 电离子镀时多 了一个环状的 活化极,它相 对于蒸发源取 正电压.该电 极从蒸发源吸 引来来少量的 电子，以提高 蒸发粒子的离 化率
3 活化极 4 反应气体 1 等离子体
2 基体
5 原子射流 6 差压板 7 蒸发源
8 真空室
活化反应离子镀的优点
衬底温度低——在较低的温度下即可获得相应 的金属化合物薄膜 可在任意基底上，包括金属、非金属上获得化 合物薄膜 比溅射沉积法的沉积速率高一个数量级 化合物的沉积与离子的活化过程相分离，且可 分别得到独立控制，并使沉积温度在一定范围 内可调
多弧离子镀装置
阴极电弧蒸发源
利用多个阴极电弧 蒸发源的阴极电弧离 子镀被称为多弧离子 镀
多弧离子镀已成为获得广泛应用的薄膜制备方法
阴极电弧离子镀控制宏观粒子的方法
阴极电弧离子镀的不足之处是其在阴极发射 出金属蒸气的同时，还会产生物质的微粒飞 微粒飞 溅，其粒径可达μm级。大量微粒沉积在工件 表面，将影响薄膜的质量 将影响薄膜的质量。 将影响薄膜的质量 解决微粒飞溅问题有两种基本途径：减少微 粒的产生、在其输运过程中将其滤除。 前者包括电弧电源的改进和阴极结构的改进 等。这些方法虽能减少微粒的数量，但并不 能完全避免其出现。
活化反应离子镀
活化反应离子镀技术可以被用于各种氧化物、碳 化物、氮化物薄膜的沉积,如Y2O3, TiN, TiC, ZrC, HfC, VC, NbC等 与后面要介绍的化学气相沉积技术相比，活化反 应离子镀方法的优点在于其沉积温度较低，因而 可被用于制备各种不能经受高温的耐磨零件的涂 层 其缺点: 离化率和活化程度较低，因此发展了热电 子辅助的活化反应离子镀
空心阴极电弧离子镀的特点
空心阴极离子镀的最大特点是电流大,所蒸发 的物质离化率高。被蒸发物质的离子将造成 对衬底的高强度的轰击，形成高致密度的薄 膜 其放电气压为0.1-1Pa，不再需要电子束蒸发 时所需的压力隔离 电压低，装置简单可靠
该技术自1972年出现后，获得广泛应用，已成功地被用 于装饰、耐磨等薄膜沉积
最有代表性的
二极直流放 电离子镀装 置的示意图
离子镀的两个基本条 件： 要有一个具有偏 置电压的气体放 电空间 要使被沉积的物 质（金属原子、 气体分子）在放 电空间内部分离 化
——电压
衬底作为阴极
等离蒸发和溅射法的结合
二极直流放电离子镀的操作环境
使用电子束蒸发法提供沉积所需的物质 以衬底作为阴极、整个真空室作为阳极组成一 个类似于二极溅射装置的放电系统 真空室内充入0.1-1.0Pa的Ar气 在沉积前和沉积中，采用高能量的离子流对衬 底和薄膜表面进行持续的轰击
空心阴极电弧离子镀装置的示意图
真空室 反应气体 HCD电子枪 电子枪 活化极 工件
使用45°或90°偏 转型HCD电子枪 HCD: hollow cathode discharge
蒸发源
电源
空心阴极电弧离子镀
用空心阴极电子枪代替了普通的电子枪,即构成 了空心阴极离子镀。空心阴极与坩埚间构成了蒸 发源，与活化极间构成了离化源 空心阴极在电弧放电的情况下发出高达数百安培 的电子束, 比其他离子镀方法高100倍；使其偏 转后即可用于热蒸发。浓度极高的蒸气流通过蒸 发源上方的等离子区时被激发和电离，形成大量 的离子和高能中性粒子，不仅可形成密度达 1015/cm2.s的离子流，还携带了比其他离子镀方法 高2-3数量级的高能中性粒子，飞向施加负偏压的 基底，沉积形成薄膜。物质的蒸发速率高，薄膜 的沉积速率快。
真空阴极电 弧离子镀 (VAD)
工业上大量采用 ，右图是其使用的 电弧源
是以阴极直接作为蒸发源的离子镀技术
真空阴极电弧离子镀的工作原理
以被蒸发的物质为阴极，而真空室为阳极 使触发极与阴极短接，在其相互脱离的瞬间，引发电弧放电 。弧光放电的电压只有20V左右，电流则达100A量级 作为冷阴极的金属表面并不形成大的熔池；放电不依靠气体 ，而是依靠向真空中喷发的物质蒸气来维持。阴极上将形 阴极上将形 成为数众多，在阴极表面迅速无规跳动的 成为数众多，在阴极表面迅速无规跳动的微小的阴极弧斑 ，弧斑的电流密度高达105-107A/cm2 放电过程将在局部释放出巨大的热能，使局部的阴极物质大 量喷发出来。它一方面可维持气体的放电过程，另一方面则 可提供离子镀所需的源物质，即阴极本身既是蒸发源，又是 离化源
离子镀 —— 引言
定义 离子镀是一种在基片上施加偏压, 即在离子对基片和薄膜发生持续轰击的条件 下制备薄膜的PVD技术 在离子镀的过程中，沉积前和沉积过程中的 基片和薄膜表面经受着相当数量的高能离子 流和大量的高能中性物质的轰击 离子镀可以被看成是一种混合型的薄膜制备 方法 它兼有蒸发法和溅射法的优点
第四讲
薄膜材料制备的离子镀 及其他PVD方法 及其他PVD方法
Preparation of thin films by ion plating and other PVD methods
提
要
离子镀方法的原理和特点 各种各样的离子镀方法 其他制备薄膜的PVD方法 其他制备薄膜的PVD方法
各种其他的物理气相沉积方法
真空阴极电弧离子镀的优点
工作真空度高，气体杂质污染少 薄膜沉积速率高（10-1000m/hr） 蒸发粒子的离化率高（可高达80%） 离子的能量高（数百至数千电子伏特量级） 向真空室内通人反应气体，调整压力至10-1102Pa，则可进行化合物薄膜的沉积，如TiN、 TiC、CrN、ZrN等等，并在实际生产中获得了 广泛应用，成为制备硬质薄膜的主流技术
阴极电弧离子镀控制宏观粒子的方法
第二种方法，即采用过滤的方法利用了磁场 对带电粒子的偏转作用,可较为彻底地清除微 粒 但这一方法的缺点是 可提供的束流直径小，通常在200mm以下 不易组成多弧源阵列，不宜大面积和大批 量生产 对离子源的传输效率有待提高。目前弯管 结构最高的传输效率仅为25％左右
弯管过滤式真空阴极电弧源的示意图
离子镀的优点
离子镀的主要优点在于它所制备的薄膜结构致密 ，且薄膜与衬底之间具有良好的附着力 离子镀具有上述优点的原因在于: 在薄膜沉积前及沉积的同时,用离子轰击衬 底和薄膜表面，可在薄膜与衬底之间形成粗糙 、洁净的界面；形成均匀致密的薄膜结构。其 作用与偏压溅射的作用相类似
离子镀的优点
离子镀的另一个优点是它可以提高薄膜对于复杂 外形表面的覆盖能力，或称为薄膜沉积过程的绕 射能力 离子镀具备这一特性的原因在于： 与纯粹的蒸发、溅射沉积相比，在离子镀 进行的过程中，沉积原子将从与离子的碰撞中 获得一定的能量，加上离子本身对薄膜的轰击 ，这些均会使得原子在沉积至衬底表面时具有 更高的动能和迁移能力。
热电子辅助的活化反应离子镀的特点
蒸发和等离子体的产生不仅可以独立地调节. 且可在沉积速率保持恒定时,大幅度增强等离 子体,提高蒸发物质的离化率 发射极提供的热电子可独立产生等离子体，因 而电阻和激光蒸发也可作为蒸发手段，而不必 一定采用电子束加热
溅射离子镀(偏压溅射)
溅射离子镀(sputtering ion plating)是在溅射沉积法的 基础上，在基片上施加偏压，并可通入反应气体， 形成薄膜的方法。在溅射一讲中,我们将其称为偏压 溅射。 根据溅射过程中放电的特征，又分为直流溅射离子 镀、射频溅射离子镀和磁控溅射离子镀等。
真空阴极电弧离子镀的工作原理（续）
阴极斑点在其经过的地方留下放电蒸发的痕迹，其直径只 有1-100m。斑点的数量与放电电流强度成正比，但流过 的电流密度极高且每个斑点能够持续的时间很短，只有几 十微秒 由于放电电流密度很大，蒸发出大量的金属蒸气，使阴极 附近气压增高，分子自由程缩短，金属原子在电弧等离子 体中大量离化。由于形成了强电弧放电等离子体，因而粒 子的离化率可达60-90% 工件接50-1000V的负偏压，吸引大量高能离子轰击工件与 薄膜表面