薄膜薄膜/涂层制备技术涂层制备技术 (磁控溅射和电弧离子镀磁控溅射和电弧离子镀)及应用及应用 雷 浩雷 浩 薄膜薄膜/涂层涂层的概念与特点的概念与特点薄膜薄膜/涂层涂层的概念与特点的概念与特点 概念：概念：薄膜/涂层是一类用特殊方法获得的，依薄膜/涂层是一类用特殊方法获得的，依 靠基体支撑并具有与基体不同的结构和性能的靠基体支撑并具有与基体不同的结构和性能的靠基体支撑并具有与基体不同的结构和性能的靠基体支撑并具有与基体不同的结构和性能的 二维材料。薄膜二维材料。薄膜(Films)：厚度厚度 5mA/cm2 基板基板 基板基板 SS 靶材靶材基板基板 非平衡磁控溅射非平衡磁控溅射 基板基板 等离子体等离子体 靶材靶材 等离子体等离子体 等离子体等离子体 基板基板 NNS 等离子体等离子体 靶材靶材 NNS 靶材靶材 闭合场非平衡磁控溅射闭合场非平衡磁控溅射 等离子体等离子体 靶材靶材 NNSN NS NNS 靶材靶材 优点：优点：稳定性、重复性、均匀性、低温稳定性、重复性、均匀性、低温 种类：种类：化合物、合金、梯度膜、多层膜化合物、合金、梯度膜、多层膜 磁控溅射的靶材磁控溅射的靶材磁控溅射的靶材磁控溅射的靶材 磁控溅射镀膜设备与等离子体磁控溅射镀膜设备与等离子体磁控溅射镀膜设备与等离子体磁控溅射镀膜设备与等离子体 磁控溅射的应用磁控溅射的应用磁控溅射的应用磁控溅射的应用 溅射薄膜按其不同的功能和应用可大致分溅射薄膜按其不同的功能和应用可大致分 为机械功能膜和物理功能膜两大类。前者为机械功能膜和物理功能膜两大类。前者 包括耐磨、减摩、耐热、抗蚀等表面强化包括耐磨、减摩、耐热、抗蚀等表面强化 薄膜材料、固体润滑薄膜材料；后者包括薄膜材料、固体润滑薄膜材料；后者包括 电、磁、声、光等功能薄膜材料等。电、磁、声、光等功能薄膜材料等。 磁控溅射的应用磁控溅射的应用超硬超硬涂涂层层磁控溅射的应用磁控溅射的应用-超硬超硬涂涂层层 用用TiN，TiC等超硬镀层涂覆刀具、模具等表面，等超硬镀层涂覆刀具、模具等表面， 摩擦系数小，化学稳定性好，具有优良的耐热、摩擦系数小，化学稳定性好，具有优良的耐热、 耐磨耐磨抗氧化抗氧化耐冲击等性能耐冲击等性能既可以提高刀具既可以提高刀具耐磨耐磨、抗氧化抗氧化、耐冲击等性能耐冲击等性能，既可以提高刀具既可以提高刀具、 模具等的工作特性模具等的工作特性又可以提高使用寿命又可以提高使用寿命一般一般模具等的工作特性模具等的工作特性，又可以提高使用寿命又可以提高使用寿命，一般一般 可使刀具寿命提高可使刀具寿命提高310倍倍。可使刀具寿命提高可使刀具寿命提高310倍倍。 磁控溅射的应用磁控溅射的应用固体润滑薄膜固体润滑薄膜磁控溅射的应用磁控溅射的应用-固体润滑薄膜固体润滑薄膜 在高温、超高真空、射线辐照等特殊条件下工作在高温、超高真空、射线辐照等特殊条件下工作 的机械部件不能用润滑油的机械部件不能用润滑油只有用软金属或层状只有用软金属或层状的机械部件不能用润滑油的机械部件不能用润滑油，只有用软金属或层状只有用软金属或层状 物质等固体润滑剂物质等固体润滑剂物质等固体润滑剂物质等固体润滑剂。 常用的固体润滑剂有软金属常用的固体润滑剂有软金属(AuAgPbSn等等) 常用的固体润滑剂有软金属常用的固体润滑剂有软金属(Au，Ag，Pb，Sn等等)， 层状物质层状物质（MoS2，WS2，石墨石墨，CaF2，云云母等母等），层状物质层状物质 2， ， 2， ，石墨石墨， 2， ，母等母等， 高分子材料（尼龙、聚四氟乙烯等）等。高分子材料（尼龙、聚四氟乙烯等）等。 其中溅射法制取其中溅射法制取MoS2膜及聚四氟乙烯膜十分有效。膜及聚四氟乙烯膜十分有效。 磁控溅射的应用磁控溅射的应用透明导电薄膜透明导电薄膜磁控溅射的应用磁控溅射的应用-透明导电薄膜透明导电薄膜 厚度：几十几百纳米厚度：几十几百纳米 透明性：与玻璃接近透明性：与玻璃接近 导电性导电性与金属接近与金属接近 导电性导电性：与金属接近与金属接近 种类种类 种类种类： 氧化铟锡氧化铟锡 (ITO) 掺掺铝氧化锌铝氧化锌 (ZAO) ITO/A /ITO氧化铟锡氧化铟锡 (ITO); 掺掺铝氧化锌铝氧化锌 (ZAO); ITO/Ag/ITO; TiO /Ag/TiO ; ITO/ZnO;SiO /ITOTiO2/Ag/TiO2; ITO/ZnO;SiO2/ITO 磁控溅射的应用磁控溅射的应用透明导电薄膜透明导电薄膜磁控溅射的应用磁控溅射的应用-透明导电薄膜透明导电薄膜 液晶显示器触摸屏太阳能电池液晶显示器触摸屏太阳能电池 磁控溅射的应用磁控溅射的应用透明导电薄膜透明导电薄膜磁控溅射的应用磁控溅射的应用-透明导电薄膜透明导电薄膜 有机有机/柔性电致发光器件柔性电致发光器件(OLED) 磁控溅射的应用磁控溅射的应用透明导电薄膜透明导电薄膜磁控溅射的应用磁控溅射的应用-透明导电薄膜透明导电薄膜 除霜防雾保温、隔热除霜防雾保温、隔热 磁控溅射的应用磁控溅射的应用透明导电薄膜透明导电薄膜磁控溅射的应用磁控溅射的应用-透明导电薄膜透明导电薄膜 雷达隐身雷达隐身电磁屏蔽电磁屏蔽雷达隐身雷达隐身电磁屏蔽电磁屏蔽 电弧离子镀电弧离子镀(Arc Ion Plating)的的介绍介绍电弧离子镀电弧离子镀(Arc Ion Plating)的的介绍介绍 电弧离子镀电弧离子镀(Arc Ion Plating, AIP)或称之为阴极真或称之为阴极真 空弧沉积空弧沉积（Ch diADi iCAD）空弧沉积空弧沉积（Cathodic vacuum Arc Deposition, CAD）， 是在真空环境下利用电弧放电是在真空环境下利用电弧放电 蒸发作为镀料粒子源蒸发作为镀料粒子源是在真空环境下利用电弧放电是在真空环境下利用电弧放电 蒸发作为镀料粒子源蒸发作为镀料粒子源 实现离子镀的实现离子镀的一一种方法种方法，是离化率最高的离子镀形式是离化率最高的离子镀形式。实现离子镀的种方法实现离子镀的种方法，是离化率最高的离子镀形式是离化率最高的离子镀形式 电弧源电弧源靶靶(导电材料导电材料)+约束磁场约束磁场+弧电极弧电极+触发电极触发电极电弧源电弧源：靶靶(导电材料导电材料)+约束磁场约束磁场+弧电极弧电极+触发电极触发电极 优点优点沉积速度快沉积速度快膜基结合力高膜基结合力高薄膜致密度高薄膜致密度高优点优点：沉积速度快沉积速度快；膜基结合力高膜基结合力高；薄膜致密度高薄膜致密度高； 绕镀性好等。绕镀性好等。 电弧电弧离子镀的离子镀的特点特点 技术特点技术特点： 电弧电弧离子镀的离子镀的特点特点 技术特点技术特点： 工艺环境友好，不产生任何污染，设备占地面积小；工艺环境友好，不产生任何污染，设备占地面积小； 涂层表面光滑涂层表面光滑，粗糙度小于粗糙度小于0.1 m；涂层表面光滑涂层表面光滑，粗糙度小于粗糙度小于0.1 m； 涂层硬度高，涂层硬度高，1400-5000HV； 涂层耐磨性能良好涂层耐磨性能良好，摩擦系数可小于摩擦系数可小于0.3；涂层耐磨性能良好涂层耐磨性能良好，摩擦系数可小于摩擦系数可小于0 3； 涂层致密，针孔率可小于涂层致密，针孔率可小于0.5%，耐腐蚀性能良好；，耐腐蚀性能良好； 涂层耐涂层耐氧氧化温度为化温度为500-900 ；氧氧； 涂层与基材结合力好，可达涂层与基材结合力好，可达50N； 涂层出现局部破损后可修复涂层出现局部破损后可修复 缺点：缺点： 1.大颗粒污染1.大颗粒污染 2.相对较高的沉积温度(2.相对较高的沉积温度(200-350) 3.薄膜内应力大（原因在于传统工艺采用恒3.薄膜内应力大（原因在于传统工艺采用恒 定的直流负偏压定的直流负偏压，薄膜生长是在荷能粒子（离子）的连 续轰击下进行的）。 薄膜生长是在荷能粒子（离子）的连 续轰击下进行的）。 电弧电弧离子镀的离子镀的历史历史电弧电弧离子镀的离子镀的历史历史 19世纪，美国发明家爱迪生提出利用真空电弧进行世纪，美国发明家爱迪生提出利用真空电弧进行 镀膜的设想镀膜的设想并申请了美国专利并申请了美国专利；镀膜的设想镀膜的设想，并申请了美国专利并申请了美国专利； 20世纪世纪50年代年代B.Vodra, H. Wroe等在真空冶炼时明确指等在真空冶炼时明确指 出真空电弧完全可以用于表面薄膜的沉积制备出真空电弧完全可以用于表面薄膜的沉积制备；出真空电弧完全可以用于表面薄膜的沉积制备出真空电弧完全可以用于表面薄膜的沉积制备； 20世纪世纪60年代日本真空技术研究所利用真空 交流电弧沉年代日本真空技术研究所利用真空 交流电弧沉 积金属薄膜积金属薄膜；积金属薄膜积金属薄膜； 20世纪世纪70年代苏联购买了日本的技术，发展了电弧离子 镀技术 年代苏联购买了日本的技术，发展了电弧离子 镀技术； 20世纪世纪80年代美国多弧公司购买了苏联技术，实现了产 业化，并在西方得到了迅速发展； 年代美国多弧公司购买了苏联技术，实现了产 业化，并在西方得到了迅速发展； 20世纪世纪80年代后，我国引进了大量设备和技术。此后， 该技术得到了迅速发展。 年代后，我国引进了大量设备和技术。此后， 该技术得到了迅速发展。 电弧电弧离子镀的离子镀的设备设备电弧电弧离子镀的离子镀的设备设备 真空电弧蒸发源及电弧离子镀设备真空电弧蒸发源及电弧离子镀设备 电弧离子镀电弧离子镀常用常用的弧源和靶材结构的弧源和靶材结构电弧离子镀电弧离子镀常用常用的弧源和靶材结构的弧源和靶材结构 轴向磁场控制的圆形小弧源俄罗斯弧源轴向磁场控制的圆形小弧源俄罗斯弧源 可控电弧蒸发源柱状弧源矩形平面大弧源脉冲弧源可控电弧蒸发源柱状弧源矩形平面大弧源脉冲弧源 电弧电弧离子镀的离子镀的设备设备电弧电弧离子镀的离子镀的设备设备 国产国产国产国产 欧洲 俄罗斯 欧洲 俄罗斯 电弧电弧离子镀的离子镀的设备设备电弧电弧离子镀的离子镀的设备设备 国产国产国产国产 电弧电弧离子镀的工艺离子镀的工艺问题问题电弧电弧离子镀的工艺离子镀的工艺问题问题 电弧离子镀工艺的几个问题:电弧离子镀工艺的几个问题: 轴轴对称磁对称磁场场 大颗粒的喷射大颗粒的喷射 靶材利用率靶材利用率 弧斑动的控弧斑动的控 对称磁对称磁 动态可控磁场动态可控磁场 旋转磁场旋转磁场 靶材利用率靶材利用率 放电稳定性放电稳定性 弧斑弧斑运运动的控动的控制制 旋转磁场旋转磁场 磁场增强磁场增强 磁场磁场 大颗粒的排除大颗粒的排除 磁场增强磁场增强 磁过滤磁过滤 等离子体传输的控制等离子体传输的控制沉积速率沉积速率 沉积均匀性沉积均匀性沉积均匀性沉积均匀性 电弧电弧离子镀的离子镀的大颗粒问题大颗粒问题电弧电弧离子镀的离子镀的大颗粒问题大颗粒问题 产生大颗粒喷射主要根源 弧斑随机运动速度慢 大颗粒，行业难题！ 1、弧斑随机运动速度慢 2、弧斑自身电磁产生的磁收缩力 3、放电离子轰击形成的反作用力 电弧电弧离子镀离子镀大颗粒问题的解决大颗粒问题的解决电弧电弧离子镀离子镀大颗粒问题的解决大颗粒问题的解决 电弧离子镀的改进电弧离子镀的改进 磁过滤磁过滤 磁镜过滤方法：磁镜过滤方法： 通过通过磁磁场对电子运场对电子运动动的控制的控制实现实现磁动实现磁动实现 对等离子体的控制；对等离子体的控制； 可以显著降低薄膜中的大颗粒；可以显著降低薄膜中的大颗粒； 沉积效率降低明显、束径受磁镜 限制； 沉积效率降低明显、束径受磁镜 限制； 磁场约束遮挡过滤：磁场约束遮挡过滤： 等离体射方向与镀膜方向等离体射方向与镀膜方向等离等离子子体体发发射方向与镀膜方向射方向与镀膜方向垂直垂直； 束径不受限制，但沉积率比较低；束径不受限制，但沉积率比较低； 电弧电弧离子镀离子镀大颗粒问题的解决大颗粒问