高真空镀膜机的结构与应用
高真空镀膜机的结构与应用
【内容摘要】：本文介绍了真空的由来及制造真空的设备——高真空镀膜机，镀膜机是目前制作真空条件应用最为广泛的设备。其相关组成及各部件：机械泵、增压泵、油扩散泵、冷凝泵、真空测量系统、镀膜监控系统及各自的工作原理。
镀膜机器作为一种集多学科的工作设备对人类的贡献。
【关键词】：镀膜机，真空技术，泵
科学技术飞跃的今天，光电技术的发展与应用已经深入到各行各业，但是其制备的必须设备——真空镀膜机器，由最初的复杂化、手动化和只能被应用到军事科研领域，发展到现在的简单化，集成化，智能化，并且被广泛推行及民用，价格也由之前的几千万一台降到现在的几百万就可以买到。光电技术的发展必然以真空技术为基础。
文章主要论述真空镀膜机器的组成结构及各部件的工作原理，和保养常识，镀膜机是集多门学科一体的精密仪器，尤其在机电技术的应用方面，甚为
广泛，所以，机电一体化技术是真空技术的基础。镀膜设备的进步与发展也充分体现了机电技术的价值。
“真空”一词来自希腊语，原本是虚无的意思，人类对真空的研究和应用由来已久，对它并不陌生。到今天，真空技术作为一门应用科学，与人类的生活已经密不可分。
最初人们为了获得真空，做了大量试验，比如最著名的“马德堡半球试验”，人类还发明了抽气泵，用来对密闭的容器进行抽气，以求获得真空，随着人类对真空技术的研究与不断探索，同事也发明了测量真空的诸多方式，时至今日，真空技术已经广泛应用于工业，军事，农业，科研、半导体、显示技术等，真空技术的发展与应用，大大促进了生产力的发展。
现在，人类已经能通过特制的容器获得超高真空，同时，制作了各种仪表测量真空度，不仅如此，还制作各种设备，比如：真空镀膜机器，就是应用最广泛的仪器。
镀膜机按照其应用领域的不同可以分为电子枪热
蒸发镀膜机、磁控溅射镀膜机、等离子镀膜机、射频镀膜机等，但是他们的结构都一样，以光学镀膜机为
例，主要有三大部分组成：真空主体——真空腔，辅助排气系统（包括排气系统、真空测量系统）、蒸发系统（包括坩埚及回转控制系统、电子枪柜）、成膜控制系统。
此设备为日本昭和公司于1999年所生产，它由真空室、真空机组、电气控制柜三大部分组成，排气系统采用“扩散泵+机械泵＋罗茨泵＋低温冷阱＋polycold”组成，后面还将再介绍一种配备方式“高真空冷凝泵＋低真空机械泵”所组成的无油真空系统。
下面本人详细介绍各部分的组成及工作原理。
一、真空主体——真空腔
根据加工产品要求的各异，真空腔的大小也不一样，目前应用最多的有直径1.3M、0.9M、1.5M、1.8M 等，腔体由不锈钢材料制作，要求不生锈、坚实等，真空腔各部分有连接阀，用来连接各抽气泵浦。
二、辅助抽气系统
此排气系统采用“扩散泵+机械泵＋罗茨泵＋低温冷阱＋polycold”组成
排气流程为：机械泵先将真空腔抽至小于
2.0*10-2PA左右的低真空状态，为扩散泵后继抽真空提供前提，之后当扩散泵抽真空腔的时候，机械泵又配合油扩散泵组成串联，以这样的方式完成抽气动作。
排气系统为镀膜机真空系统的重要部分，主要有由机械泵、增压泵（主要介绍罗茨泵）、油扩散泵三大部分组成。
机械泵：也叫前级泵，机械泵是应用最广泛的一种低真空泵，它是用油来保持密封效果并依靠机械的方法不断的改变泵内吸气空腔的体积，使被抽容器内气体的体积不断膨胀从而获得真空。
机械泵有很多种，常用的有滑阀式（此主要应用于大型设备）、活塞往复式、定片式和旋片式（此目前应用最广泛，本文主要介绍）四种类型。
机械泵常常被用来抽除干燥的空气，但不能抽除含氧量过高、有爆炸性和腐蚀性的气体，机械泵一般被用来抽除永久性的气体，但是对水气没有好的效果，所以它不能抽除水气。旋片泵中起主要作用的部
件是定子、转子、弹片等，转子在定子里面但与定子不同心轴，象两个内切圆，转子槽内装有两片弹片，两弹片中间装有弹簧，保证了弹片紧紧贴在定子的内壁。
它的两个弹片交替起着两方面的作用，一方面从进气口吸进气体，另一方面压缩已经吸进的气体，将气体排出泵外。转子每旋转一周，泵完成两次吸气和两次排气。当泵连续顺时针转动时，旋片泵不断的通过进气口吸入气体，又从排气口不断的排出泵外，实现对容器抽气的目的。为了提高泵的极限真空度，均将泵的定子浸在油里面这样，在各处的间隙中及有害空间里面经常保持足够的油，把空隙填满，所以油一方面起到了润滑作用，另一方面又起了密封和堵塞缝隙及有害空间的作用，防止气体分子通过各种渠道反流到压强低的空间去。
机械泵是从大气开始工作的，它的主要参数有极限真空，抽气速率，此为设计与选用机械泵的重要依据。单级泵可以将容器从大气抽到1.0*10-1PA的极限真空，双级机械泵可以将容器从大气抽到6.7*10-2帕，甚至更高。
抽气速率，是指旋片泵按额定转数运转时，单位时间内所能排出气体的体积，可以用下公式计算：
Sth=2nVs=2nfsL
fs表示吸气结束时空腔截面积，L表示空腔长度，系数表示转子每旋转一周有两次排气过程，Vs表示当转子处于水平位置的时候，吸气结束，此时空腔内的体积最大，转速为n。
机械泵排气的效果还与电机的转速及皮带的松紧
度有关系，当电机的皮带比较松，电机转速很慢的时候，机械泵的排气效果也会变差，所以要经常保养，点检，机械泵油的密封效果也需要常常点检，油过少，达不到密封效果，泵内会漏气，油过多，把吸气孔堵塞，无法吸气和排气，一般，在油位在线下0.5厘米即可。
增压泵又叫罗茨泵：它是具有一对同步高速旋转的双叶形或多叶形转子的机械泵，由于它的工作原理与罗茨鼓风机相同，所以又可以叫罗茨真空泵，此泵在100-1帕压强范围内有较大的抽气速度，它弥补了机械泵在此范围内排气能力不足的缺点，此泵不能
从大气开始工作，也不能直接排出大气，它的作用仅仅是增加进气口和排气口之间的压差，其余的则需要机械泵来完成，因此，它必须配以机械泵作为前级泵。
机械泵在使用过程中，必须注意以下问题：
1、机械泵要安装在清洁干燥的地方。
2、泵本身要保持清洁干燥，泵内的油具有密封和润滑作用，因此要按照规定量添加。
3、要定期更换泵油，更换的时候要先排出以前的废油，周期为至少三个月至半年更换一次。
4、要按照说明书接好电线。
5、机械泵停止工作前要先关闭进气阀门，再停电并开放气阀，将大气通过进气口放入泵中。
6、泵在工作期间，油温不可以超过75摄氏度，否则会由于油的黏度过小而导致密封不严。
7、要不定期检点机械泵的皮带松紧度、电机的转速，罗茨泵电机的转速，和密封圈的密封效果。
油扩散泵：机械泵的极限真空只有10-2帕，当达到10-1帕的时候，实际抽速只有理论的1/10，如果要获得高真空的话，必须采用油扩散泵。
由于油扩散泵是最早用来获得高真空的泵，其由于造价便宜，维护方便，使用广泛，所以本文将重点讨论。
油扩散泵的应用压强范围是10-1帕-10-7帕，它是利用气体的扩散现象来排气的，它具有结构简单，操作方便，抽速大（最高可以达到10+5升/秒）等特点。油扩散泵主要由泵壳、喷嘴、导流管和加热器组成，里面主要添加扩散泵油（日本的型号是D-704#），根据喷嘴的多少可以分为单级泵和多级泵。
扩散泵底部内储存有扩散泵油，上部为进气口，右侧旁下部为出气口，在工作时出气口由机械泵提供前置压强，机械泵充当前置泵。
当扩散泵的油被电炉加热时，产生的油蒸汽提供前置压强，机械泵充当前置泵。当扩散泵油被电炉加热时，产生的油蒸汽沿着导流管经伞形喷嘴向下喷出。因喷嘴外面有机械泵提供的1-10-1帕的真空，故油蒸汽可喷出一段距离，构成一个向出气口方向运动的射
流。射流最后碰上由冷却水冷却的泵壁，凝结为液体，流回蒸发器，即靠油的蒸发——喷射——凝结，重复循环来实现抽气的。
由进气口进入泵内的气体分子，一旦落入蒸汽流中，便获得向下运动的动量，向下飞去，由于射流具有高的流速（约200米/秒），高的蒸汽密度，且扩散泵油具有高的分子量（300-500）故能有效的带走气体分子，因此在射流的界面内，气体分子不可能长期滞留，且在射流界面的两边，被抽气体有很大的浓度差，正是因为这个浓度差被抽气体能不断的越过界面，扩散进入射流中，被带往出口处，在出口处再由机械泵抽走。
扩散泵的油蒸汽压是决定泵的极限真空的重
要因素，因此尽量选用饱和蒸汽压低的泵油，其化学特性要好。
扩散泵不能单独用来抽气，一般要求泵的最大出口压强为40帕。扩散泵的抽速决定于第一级喷嘴与泵体进气口口径间环形面积的大小，抽速不是一恒定的值，而是随着进气口的压强而变化的，当压强在10-2～10-3帕的时候，扩散泵的抽气速度是最快的，当压强小于5*10-4帕之后，扩散泵的抽气速度最小，几乎没
有抽气能力（此时，进气口的压强较高，由于空气的密度较大，使蒸汽流形成不了高速射流以阻挡空气的反扩散，所以抽速下降）。
扩散泵在安装前要清洗，之后才可以装入扩散油，油在加热前，必须要先对泵抽真空，停机前要先将扩散泵油冷却到60～70摄氏度，才可以关闭前级抽气，最后关冷却水。
由于油扩散泵是无法杜绝有返油的几率，那么没有办法保证精密产品的100％纯凈，特别是半导体行业，所以就有“高真空冷凝泵＋低真空机械泵”所组成的无油真空系统，冷凝泵组成的排气系统不仅排气效率极高，而且有效保证真空腔的清洁，保证产品的质量（避免产品被污染、增强膜层与基板之间的附着力），但是其维护成本非常的高，造价昂贵，所以普及率没有油扩散泵广泛。
本人在工作过程中，有幸使用到采用冷凝泵组成的排气系统，故在此解释。
低温冷凝泵：它是利用低温表面来凝聚气体分子以实现抽气的一种泵，是目前获得极限真空最高，抽速最大的抽气泵。
冷凝泵的工作原理：主要是低温表面对气体的冷凝作用、冷捕作用及物理低温吸附作用。
低温冷凝：根据各种气体的特性，采用液氦或者制冷循环氦气来冷却。
冷捕集：就是不可凝气体被可凝气体捕集的现象，通常二氧化碳、水蒸气、氮气、压气等气体首先形成霜，于低温表面形成吸附层，进而达到吸附其它气体的目的，低温泵抽除混合气体的效果比抽除单一效果好就是这个原因。
低温吸附：指低温表面上的吸附剂吸附气体的作用，由于吸附剂与气体分子之间的相互作用很强，故可达到气相压强比冷凝表面温度下它的饱和蒸汽压还低的水平。吸附剂通常是活性炭。
冷凝泵的抽气速率及影响冷凝泵的抽气速率与冷凝表面的面积大小有关系，经数据显示，单位冷凝表面积下的抽气速率为11.6升/秒.平方厘米，冷凝泵可以抽到10-8帕；此外粘有活性炭的吸附表面的几何形状及位置、活性炭的颗粒结构、粘结材料及粘接工艺，对抽速也有很大的影响。其次关键在于制冷机的制冷量要足够大。
真空计：真空计是真空镀膜机器上的重要组成部分，它是检测镀膜机真空度的重要手段。真空计根据其工作原理可以分为绝对真空计和相对真空计，绝对真空计可以直接测量压强的高低，相对真空计只能间接测量真空度。
本论文重点介绍镀膜机器上面常用到的以下几个真空计：
电阻真空计（又叫皮喇尼真空计）：
它主要由电热丝、外壳和支架构成，主要是根据在低压下，气体的热传导系数与压强成正比的方式工作的。上面开口处与被测真空系统相连接，热丝采用电阻温度系数大的金属丝做成，两支支架引线与测量线路连接。当压强降低的时候，由于气体热传导散失的热量减小，因此当热丝加热电流稳定时候，则热丝温度就上升，热丝的电阻就增大，用测量热丝电阻值的大小来间接测量压强，有以下关系：
略
这就是电阻真空计的工作原理，此真空计的测量范围是：100-10-1帕之间，目前采用的型号是WP-02
磁控放电真空计：
工作原理：在放电开始时，由于空间游离电子向阳极运动时，在正交电磁场作用下，电子的轨迹不是直线而是螺旋线前进，又因为阳极是框形，故电子不一定第一次就碰上阳极，而是穿过阳极，然后受到对面阴极的拒斥，又复返回。这样反复多次才可能打上阳极。由于电子路程大大加长，故碰撞及电离的分子数增加，使得在较低压强（10-4帕以下）仍维持放电（也称潘宁放电）。
目前比较多的型号有PKR251、GI-PARY
放电管真空计：在玻璃管中封入两个金属电极，在其上加上数千伏的直流高电压，在一定的压强范围内（1*10-3～2*10托）内就能引起自持放电，通过放电颜色来判定其真空度
目前为止此种真空计已经很少使用，因为其误差大，容易损坏，而且寿命不长。
三、蒸发系统
蒸发系统主要指成膜装置部分，镀膜机器的成膜装置很多，有电阻加热、电子枪蒸发、磁控溅射、射频溅射、离子镀等多种方式，鄙人就电阻加热和电子枪蒸发两种方式作介绍，因为此两种方式我应用的比较多。
电阻蒸发根据其结构和工作原理是目前为止应用
最多，最广泛的蒸发方式，也是应用时间最长的蒸发方式。它的工作方式是，将钨片做成船状，然后安装在两个电极中间，在钨舟中央加上药材，再缓缓给电极通电，电流通过钨舟，钨舟通电发热，这些低电压，大电流使高熔点的钨舟产生热量，再热传导给镀膜材料，当钨舟的热量高于镀膜材料熔点的时候，材料就升华或者蒸发了，此方法由于操作方便，结构简单，成本低廉，故被很多设备应用，但是其蒸发出来的薄膜由于致密性不佳，加上很多材料无法采用这种方式蒸镀，所以其有一定局限性。钨舟蒸发镀膜材料的时候，材料的熔点必须小于钨舟的熔点，否则就没有办法进行。
电子枪蒸发是到目前为止应用最多的一种蒸发方式，它可以蒸发任何一种镀膜材料，它的工作方式是：
将镀膜材料放在坩埚里面，将蒸发源制作成灯丝形状，采用一专门的控制柜，对灯丝加一强电流，高电压，由于灯丝的材料是钨，所以它会发热，到最后会发射电子，再采用一定的磁场将其聚集成一定形状，并牵引到坩埚上，这样就形成了一股电子束，由于电子束温度非常高，可以熔化任何镀膜药材，当镀膜药材被电子束熔化后（有些材料是直接升华），药材的分子（原子或者离子）在真空中成直线运动，然后遇到基板，就凝结下来，经过这种方式生长，形成薄膜！最常用的有将电子束的偏转角制作成270度，、或者运行轨迹为e型的e行电子枪或者电子束偏转角180度，运行轨迹为c型的c型电子枪两种。
电子束蒸发的最大优点在于：电子束的光斑可以随意调整，可以一枪多用，灯丝可以隐藏，避免污染，可以蒸发任意镀膜材料，维修方便，蒸发速度可以随意控制，材料分解小，膜密度高。机械强度好。
溅射方式是用高速正离子轰击靶材表面，通过动能传输，令靶材的分子（原子）有足够的能量从靶材表面逸出，在产品表面凝聚形成薄膜。
用溅射的方法制镀的薄膜附着性强，薄膜的纯度高，可以同时溅射多种不同成分的材料，但是对靶材的要求高，不能象电子枪一样节约资源。
目前运用最多的有磁控溅射，磁控溅射是指平行于阴极表面施加强电场，将电子约束在阴极靶材表面附近，提高电离效率。它是操作最简单的一种，所以运用非常广。
四、成膜控制系统
薄膜监控目前应用方式比较多，主要有：目视监控法，定（极值）值监控、水晶振荡监控、时间监控等等。本人主要介绍目视监控、定（极值）监控和水晶振荡监控三种。
目视监控也叫直接监控，就是采用眼睛监控，因为薄膜在生长的过程中，由于干涉现象会有颜色变化，我们就是根据颜色变化来控制膜厚度的，此种方式有一定的误差，所以不是很准确，需要依靠经验。
定值（极值）监控：主要是采用反射式（透过式）光学监控。极值监控法：当膜厚度增加的时候其反射
率和穿透率会跟着起变化，当反射率或穿透率走到极值点的时候，就可以知道镀膜之光学厚度ND是监控波长（入）的四分之一的整数倍。但是极值的方法误差比较大，因为当反射率或者透过率在极值附近变化很慢，亦就是膜厚ND增加很多，R/T才有变化。反映比较灵敏的位置在八分之一波长处。
定值监控法：此方法利用停镀点不在监控波长四分之一波位，然后由计算机计算在波长一时总膜厚之反射率（或者穿透率）是多少，此即为停止镀膜点。
水晶振荡监控：
水晶振荡的工作原理是：利用石英晶体振动频率与其质量成反比的原理工作的。但是石英监控有一个不好之处就是当膜厚增加到一定厚度后，振动频率不全然由于石英本身的特性使厚度与频率之间有线性关系，此时必须使用新的石英振荡片。
几种监控方法各有优劣，但通常镀多层膜，会以光学监控为主，石英晶体振荡为辅助的方法。
除此之外，对于有些在镀膜过程中需要充入气体的还有流量控制计或者压力控制计，这些需要采用精密的阀门和光电传感系统来控制。
在镀膜过程中还需要回转控制系统，就是将伞具的主轴置于轴承里面，然后再利用电机带动轴承，使伞具回转。然后再PLC控制其回转速度。
坩埚回转采用电机带动，光电感应计数的方法，遮药板采用气动开关方式转动。
为了加快抽气速率，达到一定的真空度，还需要对真空腔进行制冷，就是将真空腔里面的空气冷冻到零下130摄氏度，将真空腔里面的水气冷冻并被泵抽走。
电气控制部分主要采用PLC自动控制，就是先在PLC中输入预先设计好的程序，处理器主电路与操作面板上的各空驶系统相连接，当按下操作面板上的开关的时候，信息传递到中央处理器，再由中央控制系统分析并发出指令由支路执行并完成动作。
镀膜机是集多门学科的设备，它集成了当今工业最先进的机电技术，控制技术、电气自动化、IT技术、制冷技术，微电路集成系统、高压控制系统、机械技术、加工技术、光电技术、光学技术、气动控制技术、光电传感技术、通讯技术、真空技术、薄膜光学与镀膜技术等等。
可以说镀膜机是新兴的产业代表。
到今天，镀膜机已经被广泛应用，制镀薄膜尤其广泛，其制作的各种薄膜被应用到各光电系统及光学仪器中，如数码相机、数码摄像机、望远镜、投影机、能量控制、光通讯、显示技术、干涉仪、人造卫星飞弹、半导体激光、微机电系统、信息工业、激光的制作、各种滤光片、照明工业、传感器、建筑玻璃、汽车工业、装饰品、钱币、眼镜片等等，镀膜机器已经与人类的生活紧密联系。
一台进口镀膜机造价通常达到300～1000万人民币，国产设备目前的造价也在100万左右，进口设备已经完全自动化，整个生产过程都由计算机自动完成，其先进程度绝对优于世界上任何自动化作业模式，由于国内的真空技术起步较晚，加上技术有限，故到目前为止还采用人工操作模式，有些厂商有借鉴进口设备的运作模式，可以达到半自动化作业模式，比如：成都的南光镀膜机器、广东的腾胜镀膜机、台湾的龙翩镀膜机、北仪真空、沈阳真空等在业界皆有名次
真空镀膜的现状与发展趋势
真空镀膜的现状与发展趋势 发布日期：2010-07-17 <<返回前一页 -------------------------------------------------------------------------------- 薄膜是一种物质形态，它所使用的膜材料非常广泛，可以是单质元素或化合物，也可以是无机材料或有机材料。薄膜与块状物质一样，可以是单晶态的，多晶态的或非晶态的。近年来功能材料薄膜和复合薄膜也有很大发展。镀膜技术及薄膜产品在工业上的应用非常广泛，尤其是在电子材料与元器件工业领域中占有及其重要的地位。 镀膜方法可以分为气相生成法，氧化法，离子注入法，扩散法，电镀法，涂布法，液相生长法等。气相生成法又可分为物理气相沉积法，化学气相沉积法和放电聚合法等。 真空蒸发，溅射镀膜和离子镀等通常称为物理气相沉积法，是基本的薄膜制备技术。它们都要求淀积薄膜的空间要有一定的真空度。所以，真空技术是薄膜制作技术的基础，获得并保持所需的真空环境，是镀膜的必要条件。 真空系统的种类繁多。在实际工作中，必须根据自己的工作重点进行选择。典型的真空系统包括：获得真空的设备（真空泵），待抽空的容器（真空室），测量真空的器具（真空计）以及必要的管道，阀门和其它附属设备。 1.真空蒸发镀膜法 真空蒸发镀膜法是在真空室中，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸汽流，入射到固体（称为衬底或基片）表面，凝结形成固态薄膜的方法。真空蒸发镀膜又可以分为下列几种： 1.1 电阻蒸发源蒸镀法 采用钽，钼，钨等高熔点金属，做成适当形状的蒸发源，其上装入待蒸发材料，让气流通过，对蒸发材料进行直接加热蒸发，或者把待蒸发材料放入氧化铝，氧化铍等坩锅中进行间接加热蒸发，这就是电阻加热蒸发法。 利用电阻加热器加热蒸发的镀膜机结构简单，造价便宜，使用可靠，可用于熔点不太高的材料的蒸发镀膜，尤其适用于对镀膜质量要求不太高的大批量的生产中，迄今为止，在镀铝制镜的生产中仍然大量使用着电阻加热蒸发的工艺。 电阻加热方式的缺点是：加热所能达到的最高温度有限，加热器的寿命液较短。近年来，为了提高加热器的寿命，国内外已采用寿命较长的氮化硼合成的导电陶瓷材料作为加热器。据日本专利报道，可采用20％～30％的氮化硼和能与其相熔的耐火材料所组成的材料来制作坩锅，并在表面涂上一层含62％～82％的锆，其余为锆硅合金材料。 1.2 电子束蒸发源蒸镀法 将蒸发材料放入水冷钢坩锅中，直接利用电子束加热，使蒸发材料气化蒸发后凝结在基板表面成膜，是真空蒸发镀膜技术中的一种重要的加热方法和发展方向。电子束蒸发克服了一般电阻加热蒸发的许多缺点，特别适合制作熔点薄膜材料和高纯薄膜材料。 依靠电子束轰击蒸发的真空蒸镀技术，根据电子束蒸发源的形式不同，又可分为环形枪，直枪，e型枪和空心阴极电子枪等几种。 环形枪是由环形的阴极来发射电子束，经聚焦和偏转后打在坩锅内使金属材料蒸发。它的结构较简单，但是功率和效率都不高，基本上只是一种实验室用的设备，目前在生产型的装置中已经不再使用。 直枪是一种轴对称的直线加速枪，电子从灯丝阴极发射，聚成细束，经阳极加速后打在坩锅中使镀膜材料融化和蒸
真空镀膜试验
真空镀膜实验 一、 实验目的 真空镀膜技术广泛地应用在现代工业和科学技术中，光学仪器的反射镜，增透镜，激光器谐振腔的高反射膜，计算机上存储和记忆用的磁性薄膜，以及材料表面的超硬薄膜。此外在电子学、半导体等其它各尖端学科也都采用了真空技术。 本实验的目的是学习真空蒸发镀膜技术。通过本门实验，要求学生掌握如下几点：①较系统了解真空镀膜仪器的结构；②了解真空系统各组件的功能；③了解石英晶体振荡器测厚原理；④掌握真空蒸镀的基本原理；⑤了解真空镀膜仪器的基本操作。 二、预习要求 要求学生在实验之前对真空系统有一定了解，可以通过以下几本相关书籍获得相关信息。《薄膜材料制备原理、技术及应用》—— 唐伟忠著，冶金工艺出版社出版社；《薄膜物理与技术》—— 杨邦朝，王文生编著，电子科学出版社；《薄膜技术》—— 王力衡，清华大学出版社；《薄膜技术》—— 顾培夫，浙江大学出版社；《真空技术物理基础》—— 张树林，东北工学院出版社；《真空技术》—— 戴荣道，电子工业出版社。 三、实验所需仪器设备 实验过程需要的主要设备为DMDE 450型光学多层镀膜机。 真空镀膜机：本实验使用DMDE-450光学多层镀膜机，其装置结构如图3所示。它主要由真空系统、蒸发设备及膜厚监控系统组成。真空系统由各种真空器件组成，主要包括：真空室；真空泵（机械泵、和分子泵）；真空导管；各种真空阀门和测量真空度的真空计等。高真空阀门为碟式，机械泵与分子泵的连通阀门为三同式，将阀门拉出时，机械泵可以直接对镀膜室抽气，推入时机械泵与分子泵连通，同时也切断了机械泵与镀膜室的连接。 蒸发系统由真空钟罩，蒸发电极（共有二对）， 活动挡板，蒸发源，底盘等组成。蒸发源安装在电 图3镀膜机装置图 1电离管 2高真空碟阀 3分子泵 4机械泵 5低真空磁力阀 6储气桶 7低真空三同阀 8磁力充气阀 9热偶规 10钟罩 11针型阀
真空镀膜实验报告
近代物理实验报告 真空镀膜实验 学院 班级 姓名 学号 时间 2014年4月20日
真空镀膜实验实验报告 【摘要】： 真空镀膜也叫物理气相沉积（PVD：physics vaporous deposit），它是利用某种物理过程，如物质的热蒸发或在受到粒子束轰击时物质表面原子的溅射等现象，实现物质从源物质到薄膜的可控的原子转移过程。物理气相沉积技术中最为基础的两种方法就是蒸发法和溅射法。本实验中用到的是蒸发镀膜法来进行真空镀膜，从而了解真空镀膜的原理和操作。 【关键词】：真空镀膜、蒸发镀膜法 【引言】：真空镀膜也叫物理气相沉积（PVD：physics vaporous deposit），它是利用某种物理过程，如物质的热蒸发或在受到粒子束轰击时物质表面原子的溅射等现象，实现物质从源物质到薄膜的可控的原子转移过程。物理气相沉积技术中最为基础的两种方法就是蒸发法和溅射法。在薄膜沉积技术发展的最初阶段，由于蒸发法相对溅射法具有一些明显的优点，包括较高的沉积速度，相对较高的真空度以及由此导致的较高的薄膜质量等，因此蒸发法受到了相对较大程度的重视。但另一方面，溅射法也具有自己的一些优势，包括在沉积多元合金薄膜时化学成分容易控制，沉积层对衬底的附着力较好等。同时，现代技术对于合金薄膜材料的需求也促进了各种高速溅射方法以及高钝靶材，高钝气体制备技术的发展，这些都使得溅射法制备的薄膜质量得到了很大的改善。如今，由于气相中各组分能够充分的均匀混合，制备的材料组分均匀，易于掺杂，制备温度低，适合大尺寸薄膜的制备，并且能够在形状不规则的衬底上生长薄膜等优点，不仅上述两种物理气相沉积方法已经大量应用于各个技术领域之中，而且为了充分利用这两种方法各自的优点，还开发出了许多介于上述两种方法之间的新的薄膜沉积技术。 【正文】 一、实验原理 真空镀膜是在真空室中进行的（一般气压低于1.3×10-2Pa），当需要蒸发的材料（金属或电介质）加热到一定温度时，材料中分子或原子的热振动能量可增大到足以克服表面的束缚能，于是大量分子或原子从液态或直接从固态（如SiO2、ZnS）汽化。当蒸汽粒子遇到温度较低的工件表面时，就会在被镀工件表面沉积一层薄膜。
真空镀膜技术
真空镀膜技术 磁控溅射膜即物理气相沉积(PVD) 金属镀膜不一定用磁控溅射，可以根据成本&工艺需求选择合理的沉积方法，具体有： 物理气相沉积(PVD)技术 第一节概述 物理气相沉积技术早在20世纪初已有些应用，但在最近30年迅速发展，成为一门极具广阔应用前景的新技术。，并向着环保型、清洁型趋势发展。20世纪90年代初至今，在钟表行业，尤其是高档手表金属外观件的表面处理方面达到越来越为广泛的应用。 物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)技术表示在真空条件下，采用物理方法，将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。物理气相沉积的主要方法有，真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜，及分子束外延等。发展到目前，物理气相沉积技术不仅可沉积金属膜、合金膜、还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等。 真空蒸镀基本原理是在真空条件下，使金属、金属合金或化合物蒸发，然后沉积在基体表面上，蒸发的方法常用电阻加热，高频感应加热，电子柬、激光束、离子束高能轰击镀料，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。 溅射镀膜基本原理是充氩(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。如果采用直流辉光放电，称直流(Qc)溅射，射频(RF)辉光放电引起的称射频溅射。磁控(M)辉光放电引起的称磁控溅射。电弧等离子体镀膜基本原理是在真空条件下，用引弧针引弧，使真空金壁(阳极)和镀材(阴极)之间进行弧光放电，阴极表面快速移动着多个阴极弧斑，不断迅速蒸发甚至“异华”镀料，使之电离成以镀料为主要成分的电弧等离子体，并能迅速将镀料沉积于基体。因为有多弧斑，所以也称多弧蒸发离化过程。 离子镀基本原理是在真空条件下，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。 物理气相沉积技术基本原理可分三个工艺步骤： (1)镀料的气化：即使镀料蒸发，异华或被溅射，也就是通过镀料的气化源。 (2)镀料原子、分子或离子的迁移：由气化源供出原子、分子或离子经过碰撞后，产生多种反应。 (3)镀料原子、分子或离子在基体上沉积。 物理气相沉积技术工艺过程简单，对环境改善，无污染，耗材少，成膜均匀致密，与基体的结合力强。该技术广泛应用于航空航天、电子、光学、机械、建筑、轻工、冶金、材料等领域，可制备具有耐磨、耐腐饰、装饰、导电、绝缘、光导、压电、磁性、润滑、超导等特性的膜层。
PVD镀膜工艺
PVD镀膜工艺 PVD镀膜工艺 1.装饰件材料（底材） (1)金属。不锈钢、钢基合金、锌基合金等。 (2)玻璃、陶瓷。 (3)塑料。abs、pvc、pc、sheet、尼龙、水晶等。 (4)柔性材料。涤纶膜、pc、纸张、布、泡沫塑料、钢带等。 2.装饰膜种类 (1)金属基材装饰膜层：tin、zrn、tic、crnx、ticn、crcn、ti02、al等。 (2)玻璃、陶瓷装饰膜层：tio2、cr2o3、mgf2、zns等。 (3)塑料基材装饰膜层：ai、cu、ni、si02、ti02、ito、mgf2。 (4)柔性材料装饰膜层：al、lto、ti02、zns等。 3.部分金属基材装饰膜颜色 金属基材装饰膜的种类和色调很多。表1为部分金属基材装饰膜的种类及颜色。 表1 部分金属基材装饰膜的种类及颜色膜层种类 色调 tinx 浅黄、金黄、棕黄、黑色 tic 浅灰色、深灰色 ticxny 赤金黄色、玫瑰金色、棕色、紫色 tin+ au 金色 zrn 金黄色 zrcxny 金色、银色 tio2 紫青蓝、绿、黄、橙红色 crnx 银白色 tixal-nx 金黄色、棕色、黑色
金黄色 3.装饰膜的镀制工艺 一．金属件装饰膜镀制工艺 比较成熟的镀膜技术有电弧离子镀、磁控溅射离子镀和复合离子镀。下面分别从各类镀膜技术中选取一种具有代表性的典型镀制工艺进行介绍。 1)用电弧离子镀的方法为黄铜电镀亮铬或镍手表壳镀制ticn膜。 采用小弧源镀膜机和脉冲偏压电源； (1)工件清洗、上架、入炉 工件在入炉之前要经过超声波清洗、酸洗和漂洗三道工序。 首先是在超声波清洗槽中放入按使用要求配制的金属清洗剂，利用超声波进行脱脂、清洗。清洗之后，进行酸洗，它可以中和超声波清洗时残余的碱液，还能起到活化处理的作用。然后进行漂洗以彻底除去酸液，漂洗时必须采用去离子纯净水或蒸馏水。经过三洗后，即时进行烘干，温度一般控制在100℃左右，时间为1h左右。也可以风吹干后马上人炉。 (2)镀膜前的准备工作 ①清洁真空镀膜室。用吸尘器将真空镀膜室清洁一遍。当经过多次镀膜时，真空镀膜室的内衬板还需作定期清洗，一般是半个月清洗一次。 ②检查电弧蒸发源。工作前，要确保电弧蒸发源发源安装正确，绝缘良好，引弧针控制灵活,程合适，恰好能触及阴极表面。 ③检查工件架的绝缘情况。工件架与地之间的绝缘必须须良好，负偏压电源与工件架的接触点点必须接触良好。 以上几项工作确保没有问题后，才可以关闭真空镀膜室的门，进行抽气和镀膜。 (3)抽真空 真空抽至6.6 x 10-3pa。开始是粗抽，从大气抽至5pa左右，用油扩散泵进行细抽。在粗抽时，可以烘烤加热至150℃。伴随镀膜室温度的升高，器壁放气会使真空度降低，然后又回升，等到温度回升到6.6 x 10-3pa时方可进行镀膜工作。 (4)轰击清洗 ①氩离子轰击清洗 真空度：通人高纯度氩气(99.999%)真空度保持在2～3pa。轰击电压：800～1000v。轰击时间：10min. 此刻在真空镀膜室内发生辉光放电，放电产生的氩离子以较高的能量撞击工件表面，将工件表面吸附的气体、杂质和工件表面层原子溅射下来，露出材料的新鲜表面。
真空蒸发镀膜原理
Ａ、真空电镀原理: 一般而言,镀膜在真空镀膜机内以真空度1~5 x 10 —4Toｒｒ程度进行(1Toｒr=１公厘水银柱高得压力,大气压为760Torr)。其镀膜膜厚约为0.1 ~０、２微米、颜如果镀膜在特定厚度以下时(即太薄),面油对底油将会产生侵蚀、引起化学变化(如表面雾化等)。如镀膜过厚时,会产生白化得状态。颜填料,助剂,树脂,乳液,分散Dr＜!——[if ！supportＦoot<！--［en ｄｉｆ]——>l〈！--[if ！suｐｐortFｏoｔnｏtes]－－＞［1]<！--[endif]—－〉v#W？n8D＜!-—[if !sｕpportＦoｏtnｏtes]——〉[1］